本發明屬于柔性外骨骼機器人技術和柔性行走輔助裝備領域，特別涉及一種基于步態的可穿戴柔性膝關節機器人外骨骼裝備。

背景技術：

穿戴式步行輔助裝備有利于改善老年人的運動機能，對預防退行性改變具有重要的康復醫學意義。伴隨機器人技術的發展和全球人口老齡化進程的快速演化，膝關節機器人外骨骼技術逐漸顯現出非常廣闊的市場應用前景，并已成為國際機器人領域的一個研究熱點。膝關節機器人外骨骼相關技術的研究不僅在幫助老年人重獲自理能力、獨立參與社會活動、提高生活質量等助老助殘問題方面具有重要的社會意義，而且對中國全面建設和諧社會更具有顯著的經濟和社會效益。

目前大多數關節外骨骼機器人裝備的部件較多，自重比較重。而當前的電池能源最多只能維持幾個小時，一旦電池沒電，對于老年人來講，根本不能承受那么如此多的附加物。另外，這類機器人的開發集中于功能的實現上，而在穿戴的舒適性與便利性方面的設計還欠佳，不能自如快速的穿脫。再有，這類外骨骼機器人外表看過去像是一個龐大的“鋼鐵俠”，如美國加州大學伯克利分校下肢末端外骨骼機器人(Berkeley Lower Extremity Exoskeleton)和Raytheon(雷神公司)的外骨骼機械裝置Sarcos XOS系列等，而不像是一個穿戴在人身上的輔助器械。輔助器械本質上要在心理與生理上給使用者提供幫助的，若是戴一個龐雜的機械機構勢必會造成用戶心理上的不認同。

技術實現要素：

本發明的目的是針對上述現有技術的缺陷，提供了一種基于步態的可穿戴柔性膝關節機器人外骨骼裝備。柔性膝關節機器人外骨骼裝備主要以兩個微型氣泵為氣動動力源，根據兩組微型姿態傳感器對人行走步態參數的實時反饋，控制電路系統對兩個微型氣泵輸出流量的實時控制，按照步態的規律為左腿膝關節執行組件和右腿膝關節執行組件提供正壓和負壓，在行走過程中為左、右腿提供輔助膝關節彎曲和伸展的轉矩，達到為下肢運動能力下降或者下肢運動部分失能人群提供柔性行走輔助的目的，并且可以幫助老年人和下肢部分失能患者改善肌肉活力，提高他們的自理能力和健康狀況。

為了實現上述目的本發明采取的技術方案是：

一種基于步態的可穿戴柔性膝關節機器人外骨骼裝備，包括：

動力及控制系統，包括本體、上蓋、微型氣泵A、微型氣泵B、控制電路系統、直流電池組件、柔性固定帶、以及PVC軟管、氣泵固定支架以及電池組固定支架；

左腿膝關節氣囊執行組件，是裝備作用于左腿膝關節的轉矩執行部件，為左腿膝關節提供輔助伸展和彎曲的轉矩。

右腿膝關節氣囊執行組件，是裝備作用于右膝關節的轉矩執行部件，為右腿膝關節提供輔助伸展和彎曲的轉矩。

左腳壓力開關組件，控制微型氣泵(A)的接通和斷開。

右腳壓力開關組件，控制微型氣泵(B)的接通和斷開。

左腳微型姿態傳感器，對一個步行動作(行走過程中從左腳腳跟著地到腳趾離地的過程)進行測量，識別步態周期，包括了左腳與地面接觸的支撐期和騰空 挪動的擺動期，為控制電路系統提供步態參數。

右腳微型姿態傳感器，與左腳微型姿態傳感器配合使用，對一個步行動作(行走過程中從右腳腳跟著地到腳趾離地的過程)進行測量，識別步態周期，包括了右腳與地面接觸的支撐期和騰空挪動的擺動期，為控制電路系統提供步態參數。

氣管組件，是氣泵與氣囊的氣壓輸送通道，連接微型氣泵組件與左腿膝關節氣囊執行組件和右腿膝關節氣囊執行組件。

其中，控制電路系統是所述氣動柔性行走輔助裝備的控制中樞，對微型氣泵組件、左腳壓力開關組件、右腳壓力開關組件、左腳微型姿態傳感器以及右腳微型姿態傳感器等進行綜合控制。

微型氣泵組件，包括兩組微型氣泵，在跨步過程中根據實時的步態參數信息為左腿膝關節氣囊執行組件和右腿膝關節氣囊執行組件提供正壓或者負壓。

直流電池組件，采用鋰電池，主要為所述微型直流氣泵組件、所述壓力開關組件以及所述控制電路系統供電。

優選地，所述左腿膝關節氣囊執行組件和所述右腿膝關節氣囊執行組件包括大腿固定板、小腿固定板，柔性固定帶、外側氣囊和里側氣囊。所述外側氣囊和里側氣囊采用TPU高強度復合布，經熱粘合焊接定型工藝制成橫截面為四邊形的柱型結構形式，充氣后具有固定角度造型，并可形成較強的壓力。所述外側氣囊對應膝蓋側，隨著所述氣泵輸入壓力增大外側氣囊可由無壓力無固定角度狀態變成180°的固定角度，并具有較強的壓力，即輔助膝關節繃直。里側氣囊對應膝關節窩側，隨著所述氣泵輸入壓力增大里側氣囊可由無壓力無固定角度狀態變成120°的固定角度，并具有較強的壓力。所述固定角度120°是人在 行走邁步過程中膝關節通常彎曲的最大角度，該角度可以根據用戶的差異，通過大腿固定板和小腿固定板之間的限位卡扣進行相應地調整。

優選地，所述大腿固定板、小腿固定板采用高強度碳纖維材料制成，也可采用比剛度較高的鎂鋁合金金、硬鋁合金等材料，分別通過鉚釘固定在所述外側氣囊和里側氣囊之間的TPU高強度復合布安裝面上。

優選地，所述柔性固定帶用柔韌性較好的尼龍材料，通過鉚釘固定在大腿固定板、小腿固定板上。

優選地，所述膝關節氣囊執行組件通過所述柔性固定帶在膝關節相應位置進行固定，主要起到支撐和傳遞扭矩的作用。

優選地，所述微型氣泵組件中的氣泵為微型直流活塞式氣泵，為所述左腿膝關節氣囊執行組件和右腿膝關節氣囊執行組件提供正壓和負壓，達到為膝關節提供輔助伸展和彎曲的轉矩的功用。

優選地，所述壓力開關組件，包括左腳壓力開關和右腳壓力開關，分別為兩套微型直流氣泵的控制開關，當左腳壓力開關受到來自左腳的力后閉合，所對應微型直流氣泵工作，沒有壓力時左腳壓力開關打開，所對應微型直流氣泵不工作；同理，當右腳壓力開關受到來自右腳的壓力后閉合，所對應微型直流氣泵工作，沒有壓力時右腳壓力開關打開，所對應微型直流氣泵不工作。

優選地，所述氣管組件采用PVC軟管或者硅膠管。

優選地，所述直流電池組件采用可重復充電的鋰電池提供電能。

本發明優異的效果是：

相比現有技術，本發明基于步態的可穿戴柔性膝關節機器人外骨骼裝備執行部分采用氣動柔性作用方式，采用TPU高強度復合布材料經熱粘合焊接定型 工藝制成的氣囊在充氣后具有形狀和角度的可塑性，以及壓力可調控性、壓力分布均勻性、壓力持久柔和等特性，并克服了橡膠氣囊充氣遲滯性等缺點，達到柔性輔助行走的目的。本發明克服了一般腿部助力裝備或者外骨骼機器人等剛性機構慣性大，容易造成人膝關節損傷，安全性差、舒適性差等缺點，顯著提高了裝備的安全性和舒適性。

相比現有技術，可穿戴柔性膝關節機器人外骨骼裝備執行部分采用可塑性氣囊，質量較輕，克服了一般腿部助力裝備或者外骨骼機器人等剛性機構執行件體積大和質量大的缺點，有效減少了由于腿部必須附加的執行機構而帶來的負荷，并減少行走過程中這部分負荷帶來的能量消耗；同時，可穿戴、輕便簡單的外形也能一定程度上增加用戶心理上的認同感。

因此，本發明以微型直流氣泵組件作為膝部氣囊執行組件提供氣動動力源，根據微型姿態傳感器對人行走步態參數的實時反饋，控制電路系統對微型氣泵組件輸出流量的實時控制，按照步態的規律為左腿膝關節執行組件和右腿膝關節執行組件提供正壓和負壓，在行走過程中為左、右腿提供輔助膝關節彎曲和伸展的轉矩，從而達到柔性輔助行走的目的。本發明特別適合老年人和下肢部分失能患者，在行走過程為膝關節提供輔助伸展和彎曲的轉矩，從而達到輔助老年人和下肢部分失能患者行走的目的，并且可以幫助老年人和下肢部分失能患者改善肌肉活力，提高他們的自理能力和健康狀況。

附圖說明

圖1是本發明的可穿戴柔性膝關節機器人外骨骼裝備的組成圖；

圖2是圖1中的左腿膝關節氣囊執行組件組成圖。

圖3是圖1中的右腿膝關節氣囊執行組件組成圖。

圖4是圖1中的動力及控制系統組成圖；

圖5是本發明所述的可穿戴柔性膝關節機器人外骨骼裝備一個步態周期內右腳著地時的工作原理圖；

圖6是本發明所述的可穿戴柔性膝關節機器人外骨骼裝備一個步態周期內右腳抬起時的工作原理圖；

其中各附圖標記含義如下：

1.用戶(后視圖)；2.左腿；3.右腿；4.動力及控制系統；5.左腿膝關節氣囊執行組件；6.右腿膝關節氣囊執行組件；7.左腳壓力開關組件；8.右腳壓力開關組件；9.左腳微型姿態傳感器；10.右腳微型姿態傳感器；11.氣管組件。

101.大腿固定板；102.小腿固定板；103.外側氣囊；104.里側氣囊；105.柔性固定帶。

201.本體；202.上蓋；203.微型氣泵(A)；204.微型氣泵(B)；205.控制電路系統；206.直流電池組件；207.柔性固定帶；208.氣管；209.氣泵固定支架；210.電池組固定支架。

301.微型氣泵(A)的充氣管；302.微型氣泵(A)的抽氣管；303.微型氣泵(B)的充氣管；304.微型氣泵(B)的抽氣管。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施案例對本發明作進一步說明，但不作為對本發明的限定。

如圖1-3所示，一種基于步態的可穿戴柔性膝關節機器人外骨骼裝備,該裝備主要由動力及控制系統4、左腿膝關節氣囊執行組件5、右腿膝關節氣囊執行組件6、左腳壓力開關組件7、右腳壓力開關組件8、左腳微型姿態傳感器9、右腳微型姿態傳感器10以及氣管組件11等組成。

如圖2和3所示，左腿膝關節氣囊執行組件5和右腿膝關節氣囊執行組件6主要由大腿固定板101、小腿固定板102、外側氣囊103、里側氣囊104以及柔性固定帶105等組成。所述大腿固定板101、小腿固定板102采用高強度碳纖維材料制成，分別通過鉚釘固定在所述外側氣囊103和里側氣囊104之間的TPU高強度復合布的安裝面上。另外，以上實施例中的大腿固定板、小腿固定板也可選用比剛度較高的鎂鋁合金、硬鋁合金等材料。所述柔性固定帶105采用柔韌性較好的尼龍材料，通過鉚釘固定在大腿固定板、小腿固定板上。另外，以上實施例中的柔性固定帶也可選用滌綸、混紡(40％滌綸60％尼龍)等材料。

所述外側氣囊103和里側氣囊104采用TPU高強度復合布，經熱粘合焊接定型工藝制成橫截面為四邊形的柱型結構形式，充氣后有固定角度，并形成較強的壓力。具體的，如圖2和3所示，所述左腿膝關節氣囊執行組件5和右腿膝關節氣囊執行組件6通過所述柔性固定帶在用戶1的大腿、膝關節和小腿相應位置進行固定。外側氣囊103對應膝蓋側，隨著所述氣泵輸入壓力增大可由無壓力、無固定角度狀態變成180°的固定角度，并具有較強的壓力，即輔助膝關節繃直。里側氣囊104對應膝關節窩側，隨著氣泵輸入壓力增大可由無壓力無固定角度狀態變成120°的固定角度，并具有較強的壓力。固定角度120°是人 在行走邁步過程中膝關節通常彎曲的最大角度，該角度可以根據用戶的差異，通過大腿固定板和小腿固定板之間的限位卡扣進行相應地調整。由于左腿膝關節氣囊執行組件5和右腿膝關節氣囊執行組件6通過所述柔性固定帶105在膝關節相應位置進行固定，主要起到支撐和傳遞扭矩的作用，所以，外側氣囊103、里側氣囊104的壓強由大腿固定板101和小腿固定板102傳遞到人的大腿和小腿上，最終形成作用于膝關節的彎曲和伸展的轉矩，達到輔助行走的目的。

如圖4所示，動力及控制系統4主要由本體201、上蓋202、微型氣泵(A)203、微型氣泵(B)204、控制電路系統205、直流電池組件206、柔性固定帶207、以及PVC軟管208、氣泵固定支架209以及電池組固定支架210等組成。如圖1-4所示，可穿戴柔性膝關節機器人外骨骼裝備主要采用微型氣泵(A)203、微型氣泵(B)204，以氣管組件9作為連接和氣壓輸送通道，為左腿膝關節氣囊執行組件5、右腿膝關節氣囊執行組件6提供正壓和負壓，提供輔助膝關節彎曲和伸展的轉矩。所述氣管組件11主要由PVC軟管208組成，氣管也可采用硅膠管材料。

所述控制電路系統205，是所述可穿戴柔性膝關節機器人外骨骼裝備的控制中樞，對所述微型氣泵(A)203、微型氣泵(B)204、左腳壓力開關組件7、右腳壓力開關組件8、左腳微型姿態傳感器9和右腳微型姿態傳感器10等進行控制。微型氣泵(A)203、微型氣泵(B)204為直流活塞式氣泵，是所述裝備的氣動發生部件。所述直流電池組件206，采用可重復充電的鋰電池，主要為所述微型氣泵(A)203、微型氣泵(B)204、左腳壓力開關組件7、右腳壓力開關組件8、左腳微型姿態傳感器9和右腳微型姿態傳感器10以及控制電路系統205供電。所述控制電路系統205通過實時采集來自左腳微型姿態傳感器9和右腳微型姿態傳感器10的數據，對一個步行動作(行走過程中從腳跟著地到腳趾離地 的過程)進行測量，識別步態周期，包括了一個腳與地面接觸的支撐期和一個腳騰空挪動的擺動期，進而對微型氣泵(A)203和微型氣泵(B)204的流量進行控制，從而實現與人行走步態同步的輸出控制。

圖5和圖6為所述可穿戴柔性膝關節機器人外骨骼裝備的基本工作原理圖。在一個步態周期內，以右腳著地，左腳離地開始邁步為例，如圖5所示，當左腳離地，由于沒有壓力作用，左腳壓力開關組件7斷開，在控制電路系統205控制下，微型氣泵(A)203不工作。此時右腳著地，由于有壓力作用，右腳壓力開關組件7接通，在控制電路系統205控制下，微型氣泵(B)204開始運轉。根據左腳微型姿態傳感器9和右腳微型姿態傳感器10對人行走步態參數的實時反饋，控制電路系統205對微型氣泵(B)204輸出流量進行實時控制，根據步態信息，微型氣泵(B)204的充氣管303為左腿膝關節氣囊執行組件5的外側氣囊103進行充氣，提供正壓作用力；微型氣泵(B)204的抽氣管304為左腿膝關節氣囊執行組件5的里側氣囊104進行抽氣，提供負壓作用力。在負壓和正壓綜合作用下，左腿膝關節氣囊執行組件5為左腿膝關節提供彎曲轉矩，在行走過程中提供與左腿步態一致的輔助彎曲轉矩，輔助左腿膝關節彎曲跨步。同時，微型氣泵(B)204的充氣管303為右腿膝關節氣囊執行組件6的里側氣囊104進行快速充氣，提供正壓作用力；微型氣泵(B)204的抽氣管304為右腿膝關節氣囊執行組件6的外側氣囊103進行抽氣，提供負壓作用力。在負壓和正壓綜合作用下，右腿膝關節氣囊執行組件6為右腿膝關節提供伸展的轉矩，在行走過程中提供與右腿步態一致的輔助伸展轉矩，輔助右腿膝關節伸展，也即輔助右腿膝關節繃直發力。

如圖6所示，隨后，左腳著地，由于壓力作用，左腳壓力開關組件6接通，在控制電路系統205控制下，微型氣泵(A)203工作。此時右腳抬起邁步，由 于失去壓力作用，右腳壓力開關組件7斷開，在控制電路系統205控制下，微型氣泵(B)204停止運轉。根據左腳微型姿態傳感器9和右腳微型姿態傳感器10對人行走步態參數的實時反饋，控制電路系統205對微型氣泵(A)203輸出流量進行實時控制，根據步態信息，微型氣泵(A)203的充氣管301為左腿膝關節氣囊執行組件5的里側氣囊104進行充氣，提供正壓作用力；微型氣泵(A)203的抽氣管301為左腿膝關節氣囊執行組件5的外側氣囊103進行抽氣，提供負壓作用力。在負壓和正壓綜合作用下，左腿膝關節氣囊執行組件5為左腿膝關節提供與左腿步態一致的輔助伸展轉矩，在行走過程中輔助左腿膝關節伸展繃直發力。同時，微型氣泵(A)203的抽氣管302為右腿膝關節氣囊執行組件6的里側氣囊104進行抽氣，提供負壓作用力；微型氣泵(A)203的充氣管301為右腿膝關節氣囊執行組件6的外側氣囊103進行充氣，提供正壓作用力。在負壓和正壓綜合作用下，右腿膝關節氣囊執行組件6為右腿膝關節提供與右腿步態一致的輔助彎曲轉矩，在行走過程中輔助右腿膝關節彎曲跨步。以上是可穿戴柔性膝關節機器人外骨骼裝備實現一個跨步周期的行走輔助功用。如此循環往復，所述可穿戴柔性膝關節機器人外骨骼裝備可實現在人行走過程中，左、右腳交替踩壓各自腳下壓力開關分別對所述裝備中的兩個微型直流氣泵進行控制，按照步態為左腿膝關節執行組件和右腿膝關節執行組件提供正壓和負壓，并最終形成作用于膝關節的彎曲和伸展的轉矩，達到在行走過程中，為膝關節提供人的步態同步的伸展和彎曲的轉矩，實現氣動柔性行走輔助。

由于本發明基于步態的可穿戴柔性膝關節機器人外骨骼裝備執行部分采用氣壓柔性作用方式，左腿膝關節執行組件和右腿膝關節執行組件具有壓力可調控性、壓力分布均勻性、壓力持久柔和以及氣囊具有可塑性等特性，克服了一般腿部助力裝備或者外骨骼機器人等剛性機構慣性大，容易造成人膝關節損傷， 安全性差、舒適性差等缺點，顯著提高了裝備的安全性和舒適性。同時，本發明膝關節執行組件氣囊，采用TPU高強度復合布材料，經熱粘合焊接定型工藝制成橫截面為四邊形的柱型結構形式，充氣后有固定角度，并具有較強的壓力，克服了橡膠氣囊充氣遲滯性等缺點；并且氣囊質量較輕，克服了一般腿部助力裝備或者外骨骼機器人等剛性機構執行件體積大和質量大的缺點，有效減少了由于腿部必須附加的執行機構而帶來的負荷，并減少行走過程中這部分負荷帶來的能量消耗。同時，可穿戴、輕便簡單的外形也能一定程度上增加用戶心理上的認同感。

以上所述的實施例，只是本發明較優選的具體實施方式的一種，本領域的技術人員在本發明技術方案范圍內進行的通常變化和替換都應包含在本發明的保護范圍內。