CN107648012B - 一种可穿戴外骨骼机器人柔性关节 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种可穿戴外骨骼机器人柔性关节，属于柔性机器人技术领域。它包括基体、横向柔性驱动单元、纵向柔性驱动单元和连接模块，柔性驱动单元利用一种柔性驱动材料的弯曲变形形成光滑连续曲线而驱使关节产生运动，柔性驱动单元的布置位置及数量综合考虑人体代表性肌肉的分布，从而模拟人体关节处肌肉的运动；根据柔性驱动单元布置位置的不同，可以实现柔性关节3个方向的自由度运动。本发明采用柔性材料制作柔性关节，可以满足人体关节3个方向的自由度运动需求，并能实现良好的穿戴舒适性、灵活性和安全性；该关节可用于关节康复医疗领域。

Description

一种可穿戴外骨骼机器人柔性关节
技术领域
本发明属于柔性机器人技术领域，尤其是一种可穿戴外骨骼机器人柔性关节。
背景技术
现有的可穿戴外骨骼机器人结构和传动方式刚性很强，材料抗冲击性较小，结构笨重，穿戴不便，限制了穿戴者运动的舒适性和灵活性，用户体验感不好。采用刚性结构材料，外骨骼的结构设计、运动轨迹必须与人体关节、肢体运动一致或者柔性耦合，如果存在外骨骼关节自由度不足以匹配人体关节的运动，或者人机关节中心不重合或者运动轨迹不一致，会引起因人机约束作用所导致的康复训练效果不佳，甚至容易对人体造成“二次损伤”，存在较大的安全隐患。要实现外骨骼机器人始终保持与穿戴者一致运动、两者之间的相互干涉作用最小，还需发展满足穿戴舒适性的高效灵活的传动技术和结构设计方法。
发明内容
为解决现有技术存在外骨骼关节自由度不足以匹配人体关节的运动，且穿戴的舒适性和安全性不佳的缺陷，本发明提供一种可穿戴外骨骼机器人柔性关节，以其达到满足关节运动自由度的同时，提高穿戴的舒适性和安全性。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种可穿戴外骨骼机器人柔性关节，它包括基体、横向柔性驱动单元、纵向柔性驱动单元和连接模块，相邻的横向柔性驱动单元通过连接模块相连接，相邻的纵向柔性驱动单元通过连接模块相连接；相邻的横向柔性驱动单元和纵向柔性驱动单元通过连接模块相连接；
横向柔性驱动单元和纵向柔性驱动单元的一端均密封，另一端均为进气口，通过进气口进气产生的弯曲变形来产生驱动力；
两个或多个横向柔性驱动单元和/或所述纵向柔性驱动单元连接来驱动分段组合运动。
采用上述技术方案，横向柔性驱动单元和纵向柔性驱动单元均利用一种柔性驱动材料的弯曲变形形成光滑连续曲线来驱使关节产生运动；横向柔性驱动单元和纵向柔性驱动单元随着从进气口进气气压的增加可以实现不同程度的弯曲变形，随着进气口方向不同实现不同方向的弯曲变形；横向柔性驱动单元和纵向柔性驱动单元的外形形状不限于方形或圆形，连接模块的外形形状不限于十字交叉型；基体的外形形状不限于锥形，可以根据人体关节现状定制。
进一步地，横向柔性驱动单元和纵向柔性驱动单元根据人体代表性肌肉的分布来布置位置及数量，模拟人体关节处肌肉的运动。
进一步地，根据横向柔性驱动单元和纵向柔性驱动单元布置位置的不同，来驱动关节沿3个方向x，y，z的自由度运动，分别是关节屈曲/伸展、旋转和外展/内收运动。
进一步地，连接模块由包括微型电磁阀和微型控制电路封装而成。
进一步地，基体由柔性材料组成，其穿戴方式包括拉链连接、绑带、纽扣和粘贴。
有益效果：
本发明采用柔性材料制作柔性关节，可以满足人体关节3个方向的自由度运动需求，并能实现良好的穿戴舒适性、灵活性和安全性；该关节可用于关节康复医疗领域。
附图说明
图1是本发明一实施例的立体结构示意图；
图2是图1的主视图；
图3是本发明一实施例的单个柔性驱动单元变形图；
图4是本发明一实施例的多个柔性驱动单元组合变形图；
图5是本发明一实施例的关节运动自由度示意图；
图6是本发明一实施例的关节穿戴示意图；
图中：1-基体，2-纵向柔性驱动单元，3-连接模块，4-横向柔性驱动单元。
具体实施方式
本实施例公开了一种可穿戴外骨骼机器人柔性关节，如图1-2所示，它包括基体1、横向柔性驱动单元4、纵向柔性驱动单元2和连接模块3，相邻的横向柔性驱动单元4通过连接模块3相连接，相邻的纵向柔性驱动单元2通过连接模块3相连接；相邻的横向柔性驱动单元4和纵向柔性驱动单元2通过连接模快3相连接。
如图3所示，为单个柔性驱动单元(横向或纵向)变形图，其一端密封，另一端为进气口，进气产生的弯曲变形来产生驱动力，进气口方向不同，柔性驱动单元弯曲方向不同；同样，如图4所示，两个或多个柔性驱动单元(横向和/或纵向)可以实现组合变形。
如图5、6所示，关节可以实现三个方向x，y，z的自由度运动。整个关节分为前后侧、左右侧。位于同一侧的柔性驱动单元运动方向一致。柔性驱动单元的布置位置以及数量会综合考虑人体代表性肌肉的分布，从而模拟人体关节处肌肉的运动。
其中，横向柔性驱动单元4可以实现关节旋转(y方向)运动，当布置在关节前后侧的横向柔性驱动单元4驱动关节弯曲方向为逆时针方向，则可以实现关节沿逆时针方向旋转，同理，当布置在关节左右侧的横向柔性驱动单元4驱动关节弯曲方向为顺时针方向，则可以实现关节沿顺时针方向旋转。
位于前后侧布置的纵向柔性驱动单元2可以实现关节屈曲/伸展(x方向)运动，当位于前侧的纵向柔性驱动单元2向后弯曲，可以实现关节屈曲运动；当位于后侧的纵向柔性驱动单元2向前弯曲，可以实现关节伸展运动。
位于左右两侧布置的纵向柔性驱动单元2可以实现关节外展/内收(z方向)运动，当位于右侧的纵向柔性驱动单元2向左弯曲，可以实现关节外展运动，当位于左侧的纵向柔性驱动单元2向内弯曲，可以实现关节内收运动。
当关节需要实现1或2或3个方向的自由度运动，可以根据以上进行布置。
整个柔性关节可以通过绷带、纽扣、拉链等方式实现与人体的关节连接，从而实现该机器人与人体相连，增加了患者舒适度。
可以通过柔性关节的驱动帮助人体关节开展康复运动，可以应用于人体关节康复医疗领域。
对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (1)

1.一种可穿戴外骨骼机器人柔性关节，其特征在于：它包括基体、横向柔性驱动单元、纵向柔性驱动单元和连接模块，相邻的所述横向柔性驱动单元通过所述连接模块相连接，相邻的所述纵向柔性驱动单元通过所述连接模块相连接；相邻的所述横向柔性驱动单元和所述纵向柔性驱动单元通过所述连接模块相连接；
所述横向柔性驱动单元和所述纵向柔性驱动单元的一端均密封，另一端均为进气口，通过所述进气口进气产生的弯曲变形来产生驱动力；
两个或多个所述横向柔性驱动单元和/或所述纵向柔性驱动单元连接来驱动分段组合运动；
所述横向柔性驱动单元和所述纵向柔性驱动单元根据人体代表性肌肉的分布来布置位置及数量，模拟人体关节处肌肉的运动；
根据所述横向柔性驱动单元和所述纵向柔性驱动单元布置位置的不同，来驱动关节沿3个方向x，y，z的自由度运动，分别是关节屈曲/伸展、旋转和外展/内收运动；
所述连接模块由微型电磁阀和微型控制电路封装而成；所述基体由柔性材料组成，其穿戴方式包括拉链连接、绑带、纽扣或粘贴。
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