CN107486842A - 一种穿戴式髋关节柔性助力外衣 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种穿戴式髋关节柔性助力外衣，该柔性助力外衣包括背包组件、外衣本体、2个驱动单元、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。2个驱动单元并排放置在背包组件的下部，各驱动单元包含一组布带卷曲模块，实现对人体髋关节后伸运动的牵引助力，以减小和分担大腿做后伸运动时所需要的作用力/力矩，进而降低人体相应肌肉的能量消耗，实现对人体行走运动的助力。

Description

一种穿戴式髋关节柔性助力外衣

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。

进一步，外衣本体由腿部环带和牵引布带组成；腿部环带穿戴于人体膝关节以上、大腿下部位置，贴合在正常衣服表面；2条牵引布带采用柔性纺织材料，分别穿戴于大腿后侧，并与身体下肢的其他部位保留一定的间隙，其上部终端分别固定在左、右2个驱动单元的卷筒上；牵引布带的下部终端竖直贴合于腿部环带上，两者的贴合位置位于大腿的正后面，采用缝合的方式与腿部环带缝合在一起，在腿部环带的偏上方形成锚点A和B。通过驱动单元对2条牵引布带的收回和释放，实现对左髋关节和右髋关节后伸运动的助力；

进一步，2个驱动单元并排固定在背包的下部，各驱动单元包含一组布带卷曲模块，布带卷曲模块牵引布带沿着导向轮运动。驱动单元包括直流电机、减速器、卷筒、惰轮、导向轮，直流电机通过减速器将动力传递至一级传动齿轮，一级传动齿轮通过齿轮啮合的方式驱动二级传动齿轮，二级传动齿轮驱动卷筒，卷筒驱动牵引布带，牵引布带将作用力/力矩施加到人体的髋关节，从而对人体髋关节后伸运动进行助力。直流电机与减速器配合，固定在侧板底部；减速器输出轴连接一级传动齿轮，与二级传动齿轮啮合；卷筒的输出轴连接二级传动齿轮，固定在侧板上部，且与电机及减速器平行放置；牵引布带的末端固定在卷筒上，通过上导向轮，向下延伸至惰轮，再经过下导向轮组，向下延伸至腿部环带；惰轮的两端各固定1个扭矩传感器，扭矩传感器固定在两侧板上，呈悬臂梁结构，惰轮处于悬臂状态，惰轮固定在上导向轮和下导向轮组之间；上导向轮固定在卷筒与惰轮之间；下导向轮组固定在侧板的下部，由两个平行放置的左导向轮和右导向轮组成，左导向轮和右导向轮之间留有间隙，以便牵引布带穿过下导向轮组。

进一步，步态检测单元包括惯性传感器和压力传感器，检测下肢行走步态和牵引布带的牵引力，测量数据反馈至驱动单元；在人体下肢的外侧粘贴惯性传感器单元，分别粘贴在髋关节、膝关节和踝关节外侧，且粘贴位置与各关节的转动轴线对齐；在鞋子的鞋尖处固定1个二级惯性传感器单元；在脚掌底部和鞋子之间固定4个压力传感器，压力传感器与足底接触，测量脚部与地面的接触压力和位置；在惰轮的两端各固定1个扭矩传感器。

附图说明

图1是本发明一种穿戴式髋关节柔性助力外衣的整体视图；

图2是本发明一种穿戴式髋关节柔性助力外衣的正视图；

图3是本发明一种穿戴式髋关节柔性助力外衣的侧视图；

图4是驱动单元的轴侧视图；

图5是驱动单元的正视图；

图6是驱动单元的卷筒-减速器剖视图；

图7是驱动单元的上导向轮-惰轮剖视图；

图8是驱动单元的下导向轮组剖视图；

图9是足底压力传感器的分布图。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所做的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

参图1至图9所示，图1是本发明一种穿戴式髋关节柔性助力外衣的整体视图，图2是本发明一种穿戴式髋关节柔性助力外衣的正视图，图3是本发明一种穿戴式髋关节柔性助力外衣的侧视图，图4是驱动单元的轴侧视图，图5是驱动单元的正视图，图6是驱动单元的卷筒-减速器剖视图，图7是驱动单元的上导向轮-惰轮剖视图，图8是驱动单元的下导向轮组剖视图，图9是足底压力传感器的分布图。

本实施例提供了一种穿戴式髋关节柔性助力外衣，参图1～图9所示，该柔性助力外衣包括背包组件、外衣本体、2个驱动单元、步态检测单元。人体1通过穿戴柔性助力外衣，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6背负在肩膀上；外衣本体由2个腿部环带4和2条牵引布带5组成，所述腿部环带4贴合在正常衣服表面，所述牵引布带5采用柔性纺织材料，穿戴于大腿7后侧，根据步态检测单元的信号，驱动单元2通过牵引布带5对人体髋关节进行牵引助力；2个驱动单元2并排放置在背包组件的下部，所述2个驱动单元2各包含一组布带卷曲模块，实现对人体髋关节后伸运动的牵引助力，以减小和分担大腿7做后伸运动时所需要的作用力/力矩，进而降低人体相应肌肉的能量消耗，实现对人体行走运动的助力。

在本实施例中，参图1、图2和图3所示，背包组件包括背包8、2条背带6、腰带3、腰部支撑座10，背包组件通过2条背带6背负在肩膀上。所述背包8上部固定控制单元及电池模块9，下部固定2个驱动单元2；所述背带6的上部终端采用缝合的方式分别固定在所述背包8上部的左右两处，形成锚点C和D；所述背带6下部终端穿过肩部、前胸、及躯干侧部，向下延伸至位于腰部位置的腰部支撑座10，并固定在所述腰部支撑座10上；所述腰带3穿戴于人体腰部，末端固定在所述腰部支撑座10上；所述腰部支撑座10采用弹性材料，固定在所述背包8上，并贴合在人体腰部位置，以增大人体1和驱动单元2的接触面积，从而达到缓冲和减小驱动单元驱动牵引布带时对身体的作用力/力矩。

在本实施例中，参图1～图5所示，外衣本体由腿部环带4和牵引布带5组成；所述腿部环带4穿戴于人体膝关节以上、大腿下部位置，贴合在正常衣服表面；所述牵引布带5采用柔性纺织材料，穿戴于大腿后侧，并与身体下肢的其他部位保留一定的间隙，其上部终端分别固定在左、右2个驱动单元的卷筒11上；所述牵引布带5的下部终端竖直贴合于腿部环带4上，两者的贴合位置位于大腿7的正后面，采用缝合的方式与所述腿部环带4缝合在一起，在腿部环带的偏上方形成锚点A、B。当人体1穿戴该柔性助力外衣时，根据步态检测单元反馈的步态信号，驱动单元2驱动所述牵引布带5，在合适的时刻对人体髋关节施加适当的作用力/力矩，辅助髋关节的后伸运动，以减小和分担大腿7做后伸运动时所需要的作用力/力矩，进而缓解人体下肢相应肌肉的能量消耗。

在本实施例中，参图3～图8所示，2个驱动单元2并排固定在背包8的下部，所述2个驱动单元2各包含一组布带卷曲模块，布带卷曲模块驱动牵引布带5沿着上导向轮12和下导向轮组运动。驱动单元2包括直流电机16、减速器17、卷筒11、惰轮13、导向轮、一级传动齿轮23、二级传动齿轮18。所述直流电机16通过所述减速器17将动力传递至一级传动齿轮23，所述一级传动齿轮23通过齿轮啮合的方式驱动二级传动齿轮18，所述二级传动齿轮18驱动卷筒11，所述卷筒11驱动牵引布带5，所述牵引布带5将作用力/力矩施加到人体1的髋关节，从而对人体髋关节后伸运动进行助力。所述直流电机16与所述减速器17配合，固定在左侧板29和右侧板30的底部；所述左侧板29和右侧板30之间前后各固定2个加强筋31；所述减速器17的输出轴连接所述一级传动齿轮23，采用轴套24和轴端螺钉25限制所述一级传动齿轮23的轴向位移；所述一级传动齿轮23与二级传动齿轮18啮合；所述卷筒11的输出轴与所述二级传动齿轮18采用键26连接，采用轴端螺钉27限制所述二级传动齿轮18的轴向位移；所述卷筒11端部位置固定左轴端挡板21和右轴端挡板22，防止牵引布带5的左右滑动；所述卷筒11的轴端各配合一个滚动轴承19，将所述卷筒11固定在左侧板29和右侧板30上部，与所述电机16及减速器17平行放置，且采用轴承端盖20来限制所述滚动轴承19的轴向位移；所述牵引布带5通过所述上导向轮12，向下延伸至所述惰轮13，再经过所述下导向轮组，向下延伸至所述腿部环带4；所述惰轮13端部固定在惰轮支座32上，所述惰轮13由轴套35和芯轴39组成，所述轴套35端部安装滚动轴承36，与所述芯轴39装配在一起，采用轴端挡圈37来限制所述滚动轴承36的轴向位移，所述芯轴39的端部采用过盈配合的方式，固定在所述惰轮支座32上；所述惰轮支座32端部固定一个扭矩传感器38，所述扭矩传感器38上部固定在所述左侧板29和右侧板30上，呈悬臂梁结构，使所述惰轮13处于悬臂状态；所述上导向轮12端部装配滚动轴承34，采用轴承端盖33限制所述滚动轴承34的轴向位移，并将所述上导向轮12固定在所述卷筒11与所述惰轮13之间；下导向轮组固定在所述左侧板29和右侧板30的下部，由两个平行放置的左导向轮14和右导向轮轮15组成，所述左导向轮14的端部配合有滚动轴承46；所述右导向轮15由轴套48和芯轴40组成，所述轴套48采用弹性材料，与所述芯轴40配合在一起，采用轴端挡圈42来限制所述轴套48的轴向位移，所述芯轴40端部配合有滚动轴承47；所述滚动轴承46和滚动轴承47装配到到两侧板内测，以限制滚动轴承的轴向位移；所述左导向轮14和右导向轮15之间留有间隙，以便所述牵引布带5穿过下导向轮组。

在本实施例中，参图1、图3和图9所示，步态检测单元包括惯性传感器单元43、44和压力传感器41，检测人体的实时步态，检测数据反馈至控制单元9，以计算在下肢髋关节施加的牵引距离和牵引时间；在人体1下肢的外侧粘贴3个所述惯性传感器单元43，分别粘贴在髋关节、膝关节和踝关节外侧，且粘贴位置与各关节的转动轴线对齐。通过计算所述惯性传感器单元的相对速度和角速度，推导并计算人体下肢步态信息，并及时将信息反馈至驱动单元的处理器。在所述鞋子45的鞋尖处固定1个二级惯性传感器44，测量脚尖的运动学和动力学信息。在脚掌底部与鞋子之间固定4个所述压力传感器41，所述压力传感器41与足底接触，测量脚部与地面的接触压力和位置。

本发明提供一种穿戴式髋关节柔性助力外衣，具有如下有益效果：

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，在身体上的产生的附加质量小，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，外衣本体本身贴合在正常衣服表面，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，进而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。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (3)

1.一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；

外衣本体由腿部环带和牵引布带组成；

腿部环带穿戴于人体膝关节以上、大腿下部位置，贴合在正常衣服表面；

2条牵引布带分别穿戴于大腿后侧，2条牵引布带的上部终端分别固定在左、右2个驱动单元的卷筒上；

牵引布带的下部终端竖直贴合于腿部环带上，两者的贴合位置位于大腿的正后面，采用缝合的方式与腿部环带缝合在一起，在腿部环带的偏上方形成锚点A和B；

通过驱动单元对2条牵引布带的收回和释放，实现对左髋关节和右髋关节后伸运动的助力；

2个驱动单元并排固定在背包组件的下部，各驱动单元包含一组布带卷曲模块，布带卷曲模块牵引布带沿着导向轮运动；

驱动单元包括直流电机、减速器、卷筒、惰轮、导向轮，直流电机通过减速器将动力传递至一级传动齿轮，一级传动齿轮通过齿轮啮合的方式驱动二级传动齿轮，二级传动齿轮驱动卷筒，卷筒驱动牵引布带，牵引布带将作用力/力矩施加到人体的髋关节上，从而对人体髋关节的后伸运动进行助力；

直流电机与减速器配合，固定在侧板底部；

减速器输出轴连接一级传动齿轮，与二级传动齿轮啮合；

卷筒的输出轴连接二级传动齿轮，固定在两侧板上部，且与电机及减速器平行放置；

牵引布带的末端固定在卷筒上，通过上导向轮，向下延伸至惰轮，再经过下导向轮组，向下延伸至腿部环带；

惰轮的两端各固定一个扭矩传感器，扭矩传感器固定在两侧板上，呈悬臂梁结构，惰轮处于悬臂状态，惰轮固定在上导向轮和下导向轮组之间；

上导向轮固定在卷筒与惰轮之间；

下导向轮组固定在两侧板的下部，由两个平行放置的左导向轮和右导向轮组成，左导向轮和右导向轮之间留有间隙，以便牵引布带穿过下导向轮组。

2.根据权利要求1所述的一种穿戴式髋关节柔性助力外衣，其特征在于，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。

3.根据权利要求1所述的一种穿戴式髋关节柔性助力外衣，其特征在于，步态检测单元包括惯性传感器和压力传感器，测量下肢行走步态和牵引布带的牵引力，测量数据反馈至驱动单元；

在人体下肢的外侧粘贴惯性传感器单元，分别粘贴在髋关节、膝关节和踝关节外侧，且粘贴位置与各关节的转动轴线对齐；

在鞋子的鞋尖处固定有二级惯性传感器单元；

在脚掌底部与鞋子之间固定有压力传感器，压力传感器与足底接触，测量脚部与地面的接触压力和位置。