[发明专利]一种负压收缩弹性体驱动的柔性膝关节外骨骼

说明书

本发明公开了一种负压收缩弹性体驱动的柔性膝关节外骨骼，包括外骨骼控制器以及左腿膝关节柔性执行器和右腿膝关节柔性执行器等。柔性膝关节外骨骼主要以一个微型真空负压泵为气压动力源，DSP嵌入式控制系统对传感系统检测到的肌肉力、膝关节角度以及人机交互力等数据进行实时处理并对人机协同状态进行估计，实时控制微型真空负压泵的负压流量和气路的切换，基于人机协同状态对左腿膝关节柔性执行器和右腿膝关节柔性执行器上相应的负压收缩弹性体驱动器进行压力控制，在行走过程中实时为左、右腿提供辅助膝关节弯曲和伸展的转矩，达到为膝关节运动损伤以及弱行走能力的老年群体提供柔性行走辅助的目的。

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，特别涉及一种负压收缩弹性体驱动的柔性膝关节外骨骼。

背景技术

1992年，世界卫生组织指出：步行是世界上最好的运动，对健康有特殊益处，因为人类花了600万年，从猿到人，整个人的身体结构是步行进化的结果，所以从人体解剖学和生理结构上看最适合步行。人在行走过程中，髋关节、膝关节和踝关节承受着的重量是身体总重量的3～5倍，髋关节和膝关节和踝关节是极易受伤的两个关节。据北京大学医学部对2500人的调查表明，六十岁以上老年膝关节炎患病率为27.6％，而髋关节炎患病率老年人为0.8％，显然，膝关节炎症和损伤比例更高。据不完全统计，世界上有超过5亿膝关节损伤人群，日常行走会加重膝关节损伤人群的膝关节受力，加速膝关节损伤，如果不进行日常行走锻炼，肌肉会因废用而萎缩。膝关节损伤人群本身具有一定的行走能力，适当的行走助力可以减少膝关节受力，增强腿部肌肉力量，保持膝关节的活动度，对膝关节起到保护作用，有助于提高他们的生活质量。

目前，传统的下肢外骨骼主要以刚性外骨骼为主，用于增强士兵负重能力，以及为使瘫痪患者提供支撑，用刚性机构带动病患下肢行走。传统的下肢外骨骼装备存在穿戴不方便、笨重、工作时间短、售价高、存在机械惯性危险以及缺乏心里认同等缺点。综上所述，传统的下肢助行外骨骼不适合只需要部分行走辅助的弱行走能力的膝关节损伤人群。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的缺陷，提供了一种负压收缩弹性体驱动的柔性膝关节外骨骼。柔性膝关节外骨骼主要以一个微型真空负压泵为气压动力源，根据惯性测量单元组件(IMU)、力传感器及表面肌电传感器(sEMG)构成所述柔性膝关节外骨骼的传感系统对肌肉力、膝关节角度以及人机交互力等参数进行采集，DSP嵌入式控制系统对传感系统检测数据进行实时处理并对人机协同状态进行估计，实时控制微型真空负压泵的负压流量和气路的切换，基于人机协同状态对左腿膝关节柔性执行器和右腿膝关节柔性执行器上相应的负压收缩弹性体驱动器进行压力控制，在行走过程中实时为左、右腿提供辅助膝关节弯曲和伸展的转矩，达到为膝关节运动损伤以及弱行走能力的老年群体提供柔性行走辅助的目的。

为了实现上述目的本发明采取的技术方案是：

一种负压收缩弹性体驱动的柔性膝关节外骨骼，包括：

外骨骼控制器，包括控制部和气动动力输出部；

左腿膝关节柔性执行器，其穿戴在左腿膝关节，能够助力左腿膝关节运动；

右腿膝关节柔性执行器，其穿戴在右腿膝关节，能够助力右腿膝关节运动；

其中，所述左腿膝关节柔性执行器和右腿膝关节柔性执行器包括气动驱动机构，以及传感系统；

所述气动驱动机构能够接受所述外骨骼控制器输出的动力，向膝关节提供转矩；

所述传感系统能够对人机交互状态数据进行检测；所述控制部能够对所述传感系统所检测的数据进行处理，并控制对所述左腿膝关节柔性执行器和右腿膝关节柔性执行器的动力输出。