[发明专利]一种基于负压旋转气动人工肌肉的可穿戴柔性下肢外骨骼

说明书

本发明公开了一种基于负压旋转气动人工肌肉的可穿戴柔性下肢外骨骼，包括便携式控制与动力系统和可穿戴柔性助力系统等。可穿戴柔性下肢外骨骼主要以负压旋转气动人工肌肉为核心驱动元件，其在负压作用下产生旋转运动，提供旋转弯曲的转矩，负压消失后产生伸展的回复力，提供伸展的转矩。便携式控制与动力系统对惯性测量单元组件采集和反馈的用户步态数据实时处理，并实时控制负压动力源与可穿戴柔性助力系统中负压旋转气动人工肌肉之间气路切换和气压控制，对可穿戴柔性助力系统上相应的负压旋转气动人工肌肉驱动器进行实时压力控制，在行走过程中实时为左、右腿提供辅助小腿相对于大腿摆动的转矩，达到为行走助力以及下肢康复训练的目的。

技术领域

本发明属于柔性外骨骼机器人、下肢外骨骼以及柔性执行器技术领域，特别涉及一种基于负压旋转气动人工肌肉的可穿戴柔性下肢外骨骼。

背景技术

第二次中国全国抽样调查中我国肢体残疾2472万，其中下肢残障超过1700万，而且以关节、肌肉疾病和损伤等下肢部分失能为主。下肢行走辅助系统不仅能提高肢体残障人群自理能力，下肢关节损伤群体生活质量，同时拥有巨大的市场空间。近年来国际上开展了下肢行走辅助系统研究，其中以可穿戴外骨骼机器人为主。下肢行走辅助外骨骼机器人脱胎于军用负载机器人外骨骼，比较著名的医用外骨骼项目包括日本筑波大学的HAL、UCBerkeley的Ekso Bionics、以色列公司的ReWalk、新西兰公司的Rex Bionics等。我国一些大学和科研院所也开展此类研究，如中国科技大学余永等研制的可穿戴型助力外骨骼，电子科技大学研制的下肢助力外骨骼机器人等，但是国内的相关研究水平与国外相比仍然存在较大差距。

下肢外骨骼系统一般由感知系统、便携式控制与动力系统、驱动系统和助力机构四个部分构成。其工作原理主要为：下肢外骨骼系统通过传感器(如位姿传感器、肌电传感器、语音和视觉传感器等)来采集使用者下肢的活动信息，这些信息传递给信息处理器，处理后启动相应的下肢关节执行部件来输出能量。人体骨骼由肌肉驱动，而下肢外骨骼同样需要有针对性的驱动元件。传统的液压驱动、电机驱动都存在如噪声、功率密度低等缺点。目前的外骨骼系统一般建立在直流伺服电机驱动配合谐波减速器传动的基础上，但由于传统电机功率密度随着体积的减小而迅速降低，又由于传动误差和摩擦力的存在，使得在提高驱动系统的功率密度和整体响应性能方面受到限制。

近年来以气动人工肌肉(Pneumatic Muscle Actuator，PMA)作为驱动元件的外骨骼逐渐涌现。相比伺服电机，气动人工肌肉具有更高的功率密度比、功率体积比，适中的驱动速度和与生俱来的柔顺性，故其是十分合适的柔顺外骨骼的驱动元件。气动人工肌肉按其结构形式主要分为编织式气动肌肉、网孔式气动肌肉等，都是充气缩短型人工肌肉。传统的充气缩短型人工肌肉具有以下缺点：这类气动人工肌肉主要由内部弹性橡胶管和外部编织网组成，他们之间的干摩擦和编织网的非弹性变形将会产生迟滞现象，使人工肌肉的精确控制非常困难；传统人工肌肉通常都具有“阈值压力”，当人工肌肉内部气压小于“阈值压力”时，人工肌肉无法执行；传统人工肌肉所需工作压力很高，这将有可能使橡胶管沿编制网眼突出或者在某一点处破坏，甚至有发生爆破的危险。除此之外目前大部分气动人工肌肉都是在充气后实现直线运动，即充气后伸长或者缩短。对于外骨骼机器人来说，如果想要实现关节辅助转动，就需要借用其他机械装置将其直线运动转化为旋转运动，使外骨骼的体积和质量显著增大。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的缺陷，提供了一种基于负压旋转气动人工肌肉的可穿戴柔性下肢外骨骼，包括便携式控制与动力系统和可穿戴柔性助力系统等。可穿戴柔性下肢外骨骼主要以负压旋转气动人工肌肉为核心驱动元件，其在负压作用下产生旋转运动，提供旋转弯曲的转矩，负压消失后产生伸展的回复力，提供伸展的转矩。便携式控制与动力系统对惯性测量单元组件采集和反馈的用户步态数据实时处理，并实时控制负压动力源与可穿戴柔性助力系统中负压旋转气动人工肌肉之间气路切换和气压控制，对可穿戴柔性助力系统上相应的负压旋转气动人工肌肉驱动器进行实时压力控制，在行走过程中实时为左、右腿提供辅助小腿相对于大腿摆动的转矩，达到为行走助力以及下肢康复训练的目的。