[发明专利]一种穿戴式髋关节柔性助力外衣

说明书

技术领域

本发明涉及一种助力外衣，具体说，涉及一种可穿戴且具有柔性的助力外衣机器人。

背景技术

如今，下肢外骨骼的发展已经日趋成熟，尤其是在矫形和康复领域应用非常广泛，然而针对健康人群的下肢助力外骨骼的研究还相对较少。同时，在行走过程中人体代谢消耗的降低程度是恒量下肢助力外骨骼的重要指标。与助力外骨骼不同，本发明拟开发一套髋关节柔性助力外衣，具有质量轻，体积小，属于便携式柔性可穿戴机器人。髋关节柔性助力外衣可长时间穿戴，用于健康人群尤其是士兵的远距离负重行走、连续负重搬运等，助力外衣可降低人体负重软组织(肌肉、肌腱、韧带等)的承受载荷，进而减少身体的代谢消耗和延缓身体疲劳，降低长时间、高负荷行走引起的受伤风险。对于运动功能障碍患者，柔性助力外衣可提供适量外部助力，有利于激发和修复肢体与损伤中枢神经间的联系；同时，有助于提高人体生理关节的力量再生能力，从而改善患者行走步态和效率。该髋关节柔性助力外衣系统难点在于如何通过基于纺织布料的连接布带将足够的作用力传递至人体髋关节，在抵消助力外衣系统重力的前提下，降低人体净代谢消耗。在美国国防部高级研究计划局(DARPA)资助下，哈弗大学的Asbeck等提出新型助力装置的设计理念，一种类似于柔性服装的Exosuit，Exosuit作为可穿戴机器人不含任何用于支撑关节的刚体连杆，相反，穿戴者的下肢骨骼支撑所有身体和助力外衣产生的作用力/矩。日本冈山大学的Daisuke sasaki等人提出了一种“气动下肢助力裤”Pneumatic lower limb power assist wear，该“助力裤”由裤子、气动执行装置和尼龙带组成；气动执行装置由四个铝膜气球叠加而成，由尼龙带固定在膝关节上，并将带子的终端固定在大腿和小腿的后侧；当铝膜气球充气时，尼龙带沿着长度方向被拉长，从而会有一个沿着小腿方向垂直向上的力，为小腿的抬起动作提供一定的作用力/力矩，从而可以为人在上下楼梯时提供辅助力。Park等设计了基于气动肌肉的主动柔性踝足矫形装置，受力结构采用软塑料和复合材料，能够对踝足部位提供一定的辅助力，改善踝关节和脚掌的灵活性，提高下肢行走时的安全性和稳定性。Koutakashiwagi等人设计了一种基于表面肌电图系统的穿戴式助力服Power assist suit，对人的背部进行助力。张宪等人设计了一种软式可穿戴助力服，通过U型气囊实现对多关节的驱动方案，从而对肘关节、肩关节等进行助力和康复训练。Hiroshi Kobayashi等人设计了一种采用MacKibben人工肌肉作为驱动器的肌肉助力服Muscle suit，对穿戴者的背部进行助力，从而缓解体力劳动者的腰痛问题。

综上所述，该髋关节柔性助力系统具有以下优点：①该髋关节柔性助力外衣与传统刚性外骨骼机器人相比，它主要采用复合纤维材料，总体质量轻且弹性好，系统惯性小，穿戴该柔性助力外衣时，在身体上产生的附加质量小，降低在行走时由于助力系统产生的附加质量而引起的代谢消耗。②该髋关节柔性助力外衣避免了传统刚性外骨骼产生的关节对准等问题，外衣本体贴合于正常衣服表面，且具有柔性，人的自然骨骼起到支撑作用，对穿戴者的自然步态、关节活动范围影响较小。③该髋关节柔性助力外衣系统采用布带卷曲驱动机构，纺织布带作为牵引对象，对人体髋关节的后伸运动进行助力，能够给穿戴者更舒服的助力体验。

发明内容

本发明的目的在于提供一种穿戴式髋关节柔性助力外衣，以实现对穿戴者髋关节的柔性助力。

本发明的实施例提供了一种穿戴式髋关节柔性助力外衣，其特征在于，该柔性助力外衣包括背包组件、外衣本体、驱动单元、步态检测单元；人体通过穿戴该柔性助力外衣，实现在行走时对髋关节后伸运动的助力。背包组件通过2条背带背负在肩膀上；外衣本体由2个腿部环带和2条牵引布带组成，腿部环带贴合在正常衣服表面，牵引布带穿戴于大腿后侧，根据步态检测单元的信号，驱动单元通过牵引布带对人体髋关节进行牵引助力。

进一步，背包组件包括背包、2条背带、腰带、腰部支撑座，背包组件通过2条背带背负在肩膀上。背包上部固定控制单元及电池模块，下部固定2个驱动单元；2条背带的一端采用缝合的方式分别固定在背包上部的左右两处，另一端穿过肩部、前胸、及躯干侧部，向下延伸至位于腰部位置的腰部支撑座，并固定在腰部支撑座上；腰带穿戴于人体腰部，末端固定在腰部支撑座上；腰部支撑座采用弹性材料，固定在背包上，并贴合在人体腰部位置。