CN108578173A - 一种柔性上肢助力外骨骼 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性上肢助力外骨骼，包括外骨骼柔性执行部件和控制系统。柔性上肢助力外骨骼主要以负压旋转气动人工肌肉作为柔性驱动元件，一个微型真空抽气泵为负压源，控制系统根据力传感器、表面肌电传感器以及惯性测量单元对肌肉力、肘关节角度以及人机交互力等进行测量，对上肢力、位和运动信息反馈进行实时处理，并对人机协同状态进行估计，实时控制微型真空抽气泵的负压流量和气路的切换，基于人机协同状态对左臂和右臂上穿戴的外骨骼柔性执行部件上相应的负压旋转气动人工肌肉进行压力控制，在上肢活动过程中实时为左、右臂提供辅助肘关节弯曲和伸展的转矩，达到为肘关节助力以及肘关节运动损伤康复训练的目的。

Description

一种柔性上肢助力外骨骼

技术领域

本发明属于柔性外骨骼机器人、上肢外骨骼以及柔性执行器技术领域，特别涉及一种柔性上肢助力外骨骼。

背景技术

上肢外骨骼是指一种能够增强人体上肢机能的可穿戴式系统，在穿戴者的控制下能够辅助上肢完成一定的功能和任务，给人提供保护、额外的动力或能力，是一种典型的人机一体化系统。人体骨骼由肌肉驱动，而上肢外骨骼同样需要有针对性的驱动元件。传统的液压驱动、电机驱动都存在如噪声、功率密度低等缺点。目前的外骨骼系统一般建立在直流伺服电机驱动配合谐波减速器传动的基础上，但由于传统电机功率密度随着体积的减小而迅速降低，又由于传动误差和摩擦力的存在，使得在提高驱动系统的功率密度和整体响应性能方面受到限制。

近年来以气动人工肌肉(Pneumatic Muscle Actuator,PMA)作为驱动元件的外骨骼逐渐涌现。相比伺服电机，气动人工肌肉具有更高的功率密度比、功率体积比，适中的驱动速度和与生俱来的柔顺性，故其是十分合适的柔顺外骨骼的驱动元件。气动人工肌肉按其结构形式主要分为编织式气动肌肉、网孔式气动肌肉等，都是充气缩短型人工肌肉。其中以编织式气动肌肉Mckibben肌肉的应用最为广泛，其为筒状编织结构，内部的气密弹性管两端部与编织套的两端部一起与两端的连接附件相连，该附件可以起到传递力和密封的作用。传统的充气缩短型人工肌肉具有以下缺点：这类气动人工肌肉主要由内部弹性橡胶管和外部编织网组成，他们之间的干摩擦和编织网的非弹性变形将会产生迟滞现象，使人工肌肉的精确控制非常困难；传统人工肌肉通常都具有“阈值压力”，当人工肌肉内部气压小于“阈值压力”时，人工肌肉无法执行；传统人工肌肉所需工作压力很高，这将有可能使橡胶管沿编制网眼突出或者在某一点处破坏，甚至有发生爆破的危险。除此之外目前大部分气动人工肌肉都是在充气后实现直线运动，即充气后伸长或者缩短。对于外骨骼机器人来说，如果想要实现关节辅助转动，就需要借用其他机械装置将其直线运动转化为旋转运动，使外骨骼的体积和质量显著增大。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的缺陷，提供了一种柔性上肢助力外骨骼。柔性上肢助力外骨骼主要以负压旋转气动人工肌肉作为柔性驱动元件，以一个微型真空抽气泵为气压动力源，根据力传感器、表面肌电传感器以及惯性测量单元组件构成所述柔性上肢助力外骨骼的检测与传感组件对肌肉力、肘关节角度以及人机交互力等参数进行采集，控制系统对检测与传感组件检测数据进行实时处理并对人机协同状态进行估计，实时控制微型真空抽气泵的负压流量和气路的切换，基于人机协同状态对左臂和右臂上穿戴的外骨骼柔性执行部件上相应的负压旋转气动人工肌肉进行压力控制，在上肢活动过程中实时为左、右臂提供辅助肘关节弯曲和伸展的转矩，达到为肘关节助力以及肘关节运动损伤康复训练的目的。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种柔性上肢助力外骨骼，包括：

控制系统，其能够接收所述外骨骼柔性执行部件反馈的信号并确定相应的控制参数；

外骨骼柔性执行部件，其穿戴于上肢肘关节相应部位，为左、右臂肘关节提供伸展和弯曲的助力；

其中，所述外骨骼柔性执行部件包括检测与传感组件，以及负压旋转气动人工肌肉；所述检测与传感组件能够实时测量上肢状态参数并获取上肢运动意图和人机协同状态，并反馈给所述控制系统；所述负压旋转气动人工肌肉能够在所述控制系统输入的负压动力作用下，为上肢肘关节提供辅助转矩。

优选地，所述控制系统包括驱动与控制模块、无线模块、负压输出装置、电源装置、气路系统，以及固定装置；其能够接收所述外骨骼柔性执行部件反馈的信号并确定相应的控制参数。

优选地，所述负压输出装置为微型负压抽气泵；

所述电源装置为可重复充电的直流锂电池组，为便携式控制箱供电；

所述气路系统包括五通转接头、微型电磁阀A、微型电磁阀B、微型电磁阀C、微型电磁阀D、气管A、气管B、气管C、气管D；其中，所述微型电磁阀A、微型电磁阀B、微型电磁阀C及微型电磁阀D为三通电磁阀，实现微型负压抽气泵与上肢外骨骼柔性执行部件中负压旋转气动人工肌肉之间不同气流输送通道的切换，实现对气流方向和流量的调节与控制；所述气管A、气管B、气管C、气管D采用PVC软管或者硅胶管；

所述固定装置包括控制箱安装本体、保护盖、安装板、腰部固定带。

优选地，所述检测与传感组件包括力传感器、表面肌电传感器、惯性测量单元、信息发送模块；

所述力传感器用于采集所述外骨骼柔性执行部件与人腿之间的人机交互力；

所述表面肌电传感器用于检测肌肉力和关节力矩；

所述惯性测量单元包括用于检测肘关节角度和/或角速度变化的传感器；

所述检测与传感组件实时获取上肢活动过程中的力、位和运动信息，并通过信息发送模块反馈给控制系统的无线模块，所述控制系统获取上肢运动意图和人机协同状态，所述驱动与控制模块进行实时数据处理和人机状态估计，并控制所述负压输出装置的输出流量以及所述气路系统进行气路切换，基于用户上肢实时的力、位和运动信息变化，对所述外骨骼柔性执行部件的负压旋转气动人工肌肉进行负压控制。

优选地，所述外骨骼柔性执行部件包括气管系统，以及两组对称布置在肘关节弹性护套上的负压旋转气动人工肌肉；

所述气管系统包括两通转接头、气管E、气管F、气管G、气管H；

所述负压旋转气动人工肌肉通过胶结或者热合的方式固定在所述肘关节弹性护套上，外部由弹性布包裹，弹性布包裹通过热合或者缝合在所述肘关节弹性护套上；所述负压旋转气动人工肌肉弯曲和伸展的转矩通过肘关节弹性护套和弹性布传递给肘关节，形成辅助上肢肘关节伸展和弯曲的转矩。

优选地，所述负压旋转气动人工肌肉采用扇形结构，在负压作用下，发生类似“合扇”的旋转运动，使自身角度变小，提供旋转力矩，能够提供辅助弯曲的助力；当负压作用消失时，自身产生回复力，恢复到初始状态，提供反向旋转力矩，能够提供辅助伸展的助力。

优选地，所述负压旋转气动人工肌肉包括由弹性材料制成的沿一圆弧轴线延伸的主体，所述主体的端部上设置有用于与外部负压源流体连通的进气孔。

优选地，所述主体包括多个沿所述圆弧周向排列的扇形模块单元，每个模块单元包括多个沿所述圆弧轴线排列的气室，相邻的所述气室之间被周向支柱和径向支柱隔开，并且具有流体连通的通路。当所述负压源向所述气室提供负压时，所述主体能够沿所述圆弧轴线收缩，使得所述主体的端部围绕所述圆弧轴线的圆心做圆周运动，产生弯曲的转矩，当负压消失后，受自身回复力作用，所述主体能够沿所述圆弧轴线展开，产生弯曲的转矩。

优选地，所述主体为关于所述圆弧轴线所在平面的对称结构；所述主体具有朝向所述圆弧轴线圆心的第一侧，以及远离所述圆弧轴线圆心的第二侧，在初始状态下，所述主体的第一侧为凸起和凹槽交替的结构，且其长度小于所述主体的第二侧的长度。

优选地，所述支柱包括周向支柱和径向支柱，且所述周向支柱与所述径向支柱的厚度比不小于4:1，负压作用下既能使轴向支柱保持原有的固定形状，径向支柱能够发生形变；

在所述圆弧轴线方向上，所述气室与所述周向支柱交错排列，当内部形成真空时，所述周向支柱插入到相邻的气室中。

优选地，所述负压旋转气动人工肌肉为橡胶材料或者硅胶材料。

本发明优异的效果是：

相比现有技术，传统的液压驱动、电机驱动都存在如噪声、功率密度低、结构复杂、缺乏本质柔顺性，难以实现柔顺控制等缺点，本发明采用负压收缩弹性体作为柔性驱动元件，具有较高的功率密度比、功率体积比，并且具有线性变形等特点，容易实现柔性上肢助力外骨骼的人机协调控制。

由于本发明一种柔性上肢助力外骨骼，采用力传感器、表面肌电传感器以及惯性测量单元组件构成所述柔性上肢助力外骨骼的检测与传感组件，惯性测量单元组件蕴含着多种肌肉活动信息，能够直接反映肌肉的功能状态以及运动信息，通过建立表面肌电传感器驱动的肌肉-骨骼模型(前向动力学)，并结合所述惯性测量单元模块的惯性信息进行参数辨识，对肌肉力、肘关节角度、肘关节角速度以及人机交互力进行估计和预测，对人机协同状态进行估计以提高柔性外骨骼协调性和安全性。

相比现有技术，本发明一种柔性上肢助力外骨骼,穿戴在左、右臂上的外骨骼柔性执行部件采用气动驱动方式，克服了一般腿部助力装备或者外骨骼机器人等刚性机构惯性大，容易造成人肘关节机械惯性损伤，安全性差、舒适性差等缺点，显著提高了装备的安全性和舒适性。

相比现有技术，本发明采用基于负压旋转气动人工肌肉作为柔性驱动元件，不需要其他的辅助机构或者其他过渡结构形式，直接实现旋转运动，通过负压控制直接实现为肘关节提供弯曲和伸展的转矩，突破了现有气动人工肌肉只能实现直线运动，需要借用其他机械转化装置或者转换结构形式才能实现旋转运动的缺陷，提高了驱动效率。

因此，本发明以负压旋转气动人工肌肉作为柔性驱动元件，以一个微型真空抽气泵为气压动力源，根据采用力传感器、表面肌电传感器以及惯性测量单元组件构成所述柔性上肢助力外骨骼的检测与传感组件对肌肉力、肘关节角度以及人机交互力等参数进行采集，控制系统对检测与传感组件检测数据进行实时处理并对人机协同状态进行估计，实时控制微型真空抽气泵的负压流量和气路的切换，基于人机协同状态对左臂和右臂上穿戴的外骨骼柔性执行部件上相应的负压旋转气动人工肌肉进行压力控制，在上肢活动过程中实时为左、右臂提供辅助肘关节弯曲和伸展的转矩，达到为肘关节助力以及肘关节运动损伤康复训练的目的。

附图说明

图1是本发明的柔性上肢助力外骨骼的外形图；

图2是图1中柔性上肢助力外骨骼结构组成图；

图3是负压旋转气动人工肌肉外形图；

图4是负压旋转气动人工肌肉内部结构图；

图5是扇形模块单元结构图；

图6是负压旋转气动人工肌肉内部形成真空时产生类似“合扇”的旋转运动，周向收缩，自身角度变小示意图。

其中各附图标记含义如下：

1.控制系统；2.外骨骼柔性执行部件。

101.控制箱安装本体；102.锂电池组；103.开关；104.驱动与控制模块；105.安装板；106.无线模块；107.五通转接头；108.微型电磁阀A；109.微型电磁阀B；110.微型电磁阀C；111.微型电磁阀D；112.保护盖；113.微型负压抽气泵；114.腰部固定带；115.气管A；116.气管B；117.气管C；118.气管D；119.两通转接头；120.肘关节弹性护套；121.负压旋转气动人工肌肉；122.弹性布；123.表面肌电传感器；124.力传感器；125.惯性测量单元组件；126.气管E；127.气管F；128.气管G；129.气管H。

301.负压旋转气动人工肌肉上半部分；302.负压旋转气动人工肌肉下半部分。

401.扇形模块单元

具体实施方式

下面结合附图和具体实施案例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。

如图1所示，一种柔性上肢助力外骨骼，主要由控制系统1以及外骨骼柔性执行部件2组成。所述控制系统1是外骨骼柔性执行部件2的控制和动力输出部件；所述外骨骼柔性执行部件2分别穿戴在用户左、右臂肘关节的柔性助力执行部件，为用户提供肘关节伸展和弯曲的助力。

如图2所示，一种柔性上肢助力外骨骼主要组成部分，包括：由控制箱安装本体101、锂电池组102、开关103、驱动与控制模块104、安装板105、无线模块106、五通转接头107、微型电磁阀A 108、微型电磁阀B 109、微型电磁阀C 110、微型电磁阀D 111、保护盖112、微型负压抽气泵113、腰部固定带114、气管A 115、气管B 116、气管C 117、气管D 118组成的控制系统1和由两通转接头119、肘关节弹性护套120、负压旋转气动人工肌肉121、弹性布122、表面肌电传感器123、力传感器124、惯性测量单元组件125、气管E 126、气管F 127、气管G 128、气管H 129等构成的外骨骼柔性执行部件2。

如图3所示，所述负压旋转气动人工肌肉121是所述柔性上肢助力外骨骼核心驱动构件，为所述其提供上肢肘关节伸展和弯曲的力矩。

如图1-3所示，所述外骨骼柔性执行部件2分为穿戴在左臂肘关节和右臂肘关节对称的两部分，为肘关节提供助力。所述负压旋转气动人工肌肉121共有四套，其中两套负压旋转气动人工肌肉121通过胶结或者热合的方式对称布置在穿戴于左臂的肘关节弹性护套120上，外部由弹性布122包裹覆盖，弹性布122通过热合或者缝合在所述肘关节弹性护套120上，穿戴时所述两套负压旋转气动人工肌肉121位置对应左臂肘关节内侧和外侧；同样的，另外两套负压旋转气动人工肌肉121通过胶结或者热合的方式对称布置在穿戴于右臂的肘关节弹性护套120上，外部由弹性布122包裹覆盖，弹性布122通过热合或者缝合在所述肘关节弹性护套120上，穿戴时所述两套负压旋转气动人工肌肉121位置对应右臂肘关节内侧和外侧。所述负压旋转气动人工肌肉121是所述外骨骼柔性执行部件2的柔性驱动器，通过外界的负压作用，自身做旋转运动，通过肘关节弹性护套120和弹性布122传递给肘关节，形成辅助上肢肘关节伸展和弯曲的转矩。

所述表面肌电传感器123是检测肌肉力和关节力矩的传感器，所述力传感器206是采集所述柔性上肢助力外骨骼与人上肢之间的人机交互力的传感器，所述惯性测量单元组件125是检测肘关节角度和角速度变化等参数的传感器，表面肌电传感器123、力传感器124和惯性测量单元组件125构成所述柔性上肢助力外骨骼检测与传感组件。所述检测与传感组件能够实时检测和获取上肢活动过程中的肌肉力、关节力矩、人与外骨骼柔性执行部件2之间人机交互力以及肘关节角度和/或角速度变化，根据所述上肢活动过程中的力、位和运动信息，并通过自身的信息发送模块反馈给所述控制系统1，为所述控制系统1中的驱动与控制模块104提供上肢运动状态参数和人-机协同状态相关参数。人机协同状态估计，是人和肘关节外骨骼人-机协调控制的关键所在。外骨骼执行的动作必须符合用户的行为模式和行为意图，这关系到外骨骼动作执行的协调性和安全性。所述柔性上肢助力外骨骼人机协同状态估计主要通过基于上肢活动过程中的力、位和运动信息来实现。人穿戴柔性上肢助力外骨骼运动时产生的肌肉力可直观反映出人体的运动状态和行为意图。对其快速准确的检测是实现和谐自然人机交互的关键所在表面肌电传感器123蕴含着多种肌肉活动信息，能够直接反映肌肉的功能状态以及运动信息，由表面肌电传感器123驱动的前向肌骨模型为主控源，根据人体各个关节相关肌肉的运动识别和建模，并结合惯性信息和力反馈信息进行参数辨识，对肌肉力和关节力矩进行估计和预测，估计精细运动量，实现人机协状态估计，为所述柔性上肢助力外骨骼提供核心的驱动信号来源。

所述无线模块106是所述驱动与控制模块104和所述柔性外骨骼检测与传感组件之间的通讯模块。用户运动状态数据经所述无线模块106通过无线传输方式传送到所述驱动与控制模块104上。

所述驱动与控制模块104是所述柔性上肢助力外骨骼的控制与驱动中枢，对所述柔性上肢助力外骨骼的检测与传感组件检测到的肘关节角度和角速度变化、人机交互力、肌肉力和关节力矩等上肢运动状态参数和人-机协同状态相关参数进行实时处理，对人机协同状态进行估计和预测，然后通过控制脉冲频率控制所述微型负压抽气泵113的负压流量。

所述微型负压抽气泵113是所述柔性上肢助力外骨骼的动力源，为所述外骨骼柔性执行部件2提供负压作用力。所述微型电磁阀A 108、微型电磁阀B 109、微型电磁阀C110、微型电磁阀D 111均为三通电磁阀，实现微型负压抽气泵113负压气流到所述外骨骼柔性执行部件2中四套负压旋转气动人工肌肉121不同气路的切换。

所述控制箱安装本体101是锂电池组102、开关103、驱动与控制模块104、安装板105、无线模块106、五通转接头107、微型电磁阀A 108、微型电磁阀B109、微型电磁阀C 110、微型电磁阀D 111、保护盖112、微型负压抽气泵113以及腰部固定带114等零部件的主要安装载体。

图4-6所示，根负压旋转气动人工肌肉包括由弹性材料制成的沿一圆弧轴线延伸的主体，所述主体的端部上设置有用于与外部负压源流体连通的进气孔。所述负压旋转气动人工肌肉主体为扇形结构，分为对称的两部分(图4)，上半部分301和下半部分302。上半部分301和下半部分302可以将其通过沿过圆心的直线划分为多个扇形模块单元401。如图5所示，扇形模块单元401由气室A、气室B和气室C结构,以及相邻气室位置交叉的气室D和气室E结构组成。所述气室A、气室B、气室C、气室D和气室E的体积大小规律为越靠近中心体积越小,具体为气室A<气室E<气室B<气室D<气室C。所述气室A、气室B、气室C、气室D和气室E之间被轴向支柱以及轴向支柱隔开，并且在径向支柱有沉槽，形成具有流体连通的气流通路。气室A、气室B、气室C、气室D以及气室E(为简化，以下用气室A-E表示气室A、气室B、气室C、气室D以及气室E)之间的支柱包括周向支柱和径向支柱，周向支柱的厚度大于径向支柱厚度的4倍，有负压输入后周向支柱可以保持原有的固定形状，而径向支柱使其能够发生形变。人工肌肉靠近和远离圆心的两个末端不是完全的圆面结构，而是凸起和凹槽交替的结构。当使负压旋转型人工肌肉内部形成真空时，周向支柱将会沿周向挤压径向支柱使其发生变形，每个周向支柱将会插入到隔壁相邻气内部，使气室体积变小。这样使得每个扇形模块单元401产生一个旋转角度，在多个扇形模块单元401的共同作用下，最终使得整个人工肌肉产生角度变小的“合扇”旋转运动(图6)，产生弯曲旋转力矩。

本发明的负压旋转型人工肌肉的最大旋转角度可根据应用需求进行具体设计。可以通过改变扇形模块单元401气室A-E的体积、径向尺寸和周向尺寸，将会改变扇形模块单元401能够达到的旋转角度，最终改变人工肌肉的最大旋转角度。此外，选择不同数量的扇形模块单元401，可以调整人工肌肉旋转角度的范围，改变可以达到的最大旋转角度。再有，通过选择不同弹性的硅胶材料或者橡胶材料制成人工肌肉能够实现不同的最大旋转角度。

如图1-2所示，在使用过程中，所述控制系统1穿戴在使用者的腰部，采用所述腰部固定带114系紧。所述外骨骼柔性执行部件2分别穿戴在用户左臂肘关节和右臂肘关节对应位置。

当上肢左臂需要弯曲的转矩助力时，所述驱动与控制模块104通过对所述外骨骼柔性执行部件2上的检测与传感组件检测到的左臂肘关节角度和角速度变化、人机作用力、肌肉力和关节力矩等参数进行实时处理，对人机协同状态进行估计和预测，然后通过控制脉冲频率对所述微型负压抽气泵113的流量进行控制，实时控制微型电磁阀A 108和微型电磁阀B 109开启。所述微型负压抽气泵113的负压气流通过五通转接头107，其中一路经过微型电磁阀A 108、气管115、两通转接头119以及气管126进入外骨骼柔性执行部件2位于左臂肘关节右侧负压旋转气动人工肌肉121内；另一路经过微型电磁阀A 109、气管116、两通转接头119以及气管127进入外骨骼柔性执行部件2位于左臂肘关节左侧负压旋转气动人工肌肉121内，上述两组负压旋转气动人工肌肉121在负压作用下，内部气压逐渐降低直到真空状态，气室收缩产生旋转的转矩，通过肘关节弹性护套120和弹性布122传递给肘关节，形成辅助左臂肘关节弯曲的转矩。当左臂肘关节需要由弯曲过渡到伸展状态时，所述驱动与控制模块104通过对所述外骨骼柔性执行部件2上的检测与传感组件检测到的左臂运动状态参数和人-机协同状态相关参数进行实时处理，对人-机协同状态进行估计和预测，控制所述微型负压抽气泵113停止工作，并控制微型电磁阀A 108和微型电磁阀B 109关闭，外骨骼柔性执行部件2位于左臂肘关节两组负压旋转气动人工肌肉121由于没有负压的持续作用，外界大气压通过微型电磁阀A 108和微型电磁阀B 109的尾部排气口经由原负压进入路线进入左臂肘关节左侧和右侧负压旋转气动人工肌肉121内，也即其中一路经由微型电磁阀A108尾部排气口、气管115、两通转接头119以及气管126进入外骨骼柔性执行部件2位于左臂肘关节右侧负压旋转气动人工肌肉121内；另一路经过微型电磁阀A 109、气管116、两通转接头119以及气管127进入外骨骼柔性执行部件2位于左臂肘关节左侧负压旋转气动人工肌肉121内，这个过程中所述负压旋转气动人工肌肉121逐渐恢复到自然状态，负压旋转气动人工肌肉121通过肘关节弹性护套120和弹性布122将回复力传递给肘关节，形成辅助左臂肘关节伸展的转矩助力。

类似的，右臂需要弯曲的转矩助力时，所述驱动与控制模块104通过对所述外骨骼柔性执行部件2上的检测与传感组件检测到的右臂运动状态参数和人-机协同状态相关参数进行实时处理，对人机协同状态进行估计和预测，控制所述微型负压抽气泵113启动及负压流量，同时控制微型电磁阀C 110和微型电磁阀D 111开启。所述微型负压抽气泵113的负压气流通过五通转接头107，其中一路经过微型电磁阀C 110、气管117、两通转接头119以及气管128进入外骨骼柔性执行部件2位于右臂肘关节右侧负压旋转气动人工肌肉121内；另一路经过微型电磁阀D 111、气管118、两通转接头119以及气管129进入外骨骼柔性执行部件2位于右臂肘关节左侧负压旋转气动人工肌肉121内，上述两组负压旋转气动人工肌肉121在负压作用下，内部气压降低直到真空状态，气室收缩产生旋转的转矩，通过肘关节弹性护套120和弹性布122传递给肘关节，形成辅助右臂臂肘关节弯曲的转矩。当右臂肘关节需要由弯曲过渡到伸展状态时，所述驱动与控制模块104控制所述微型负压抽气泵113停止工作，控制微型电磁阀C 110和微型电磁阀D 111关闭，外骨骼柔性执行部件2位于右臂肘关节两组负压旋转气动人工肌肉121由于没有负压的持续作用，外界大气压通过微型电磁阀A108和微型电磁阀B 109的尾部排气口经由原负压进入路线进入右臂肘关节左侧和右侧负压旋转气动人工肌肉121内，也即其中一路经由微型电磁阀型电磁阀C 110、气管117、两通转接头119以及气管128进入外骨骼柔性执行部件2位于右臂肘关节右侧负压旋转气动人工肌肉121内；另一路经过微型电磁阀D 111、气管118、两通转接头119以及气管129进入外骨骼柔性执行部件2位于右臂肘关节左侧负压旋转气动人工肌肉121内，这个过程中所述负压旋转气动人工肌肉121逐渐恢复到初始自然状态，负压旋转气动人工肌肉121通过肘关节弹性护套120和弹性布122将回复力传递给右臂肘关节，形成辅助右臂肘关节伸展的转矩助力。

当左臂和右臂同时需要弯曲的力矩时，所述驱动与控制模块104通过对所述外骨骼柔性执行部件2上的检测与传感组件检测到的上肢运动状态参数和人-机协同状态相关参数进行实时处理，对人机协同状态进行估计和预测，控制所述微型负压抽气泵113启动及负压流量，同时控制微型电磁阀A 108、微型电磁阀B 109、微型电磁阀C 110以及微型电磁阀D 111同时开启。此时，所述微型负压抽气泵113的负压气流通过五通转接头107，分成四路同时为所述外骨骼柔性执行部件2上四套负压旋转气动人工肌肉121提供负压作用力。具体的，第一通路，微型负压抽气泵113的负压气流通过五通转接头107，经由微型电磁阀A108、气管115、两通转接头119以及气管126进入外骨骼柔性执行部件2位于左臂肘关节右侧负压旋转气动人工肌肉121内。第二通路，微型负压抽气泵113的负压气流通过五通转接头107，再经过微型电磁阀A 109、气管116、两通转接头119以及气管127进入外骨骼柔性执行部件2位于左臂肘关节左侧负压旋转气动人工肌肉121内，上述两组负压旋转气动人工肌肉121在负压作用下，内部气压逐渐降低直到真空状态，气室收缩产生旋转的转矩，通过肘关节弹性护套120和弹性布122传递给肘关节，形成辅助左臂肘关节弯曲的转矩。第三通路，所述微型负压抽气泵113的负压气流通过五通转接头107，再经过微型电磁阀C 110、气管117、两通转接头119以及气管128进入外骨骼柔性执行部件2位于右臂肘关节右侧负压旋转气动人工肌肉121内。第四通路，所述微型负压抽气泵113的负压气流通过五通转接头107，然后经过微型电磁阀D 111、气管118、两通转接头119以及气管129进入外骨骼柔性执行部件2位于右臂肘关节左侧负压旋转气动人工肌肉121内，上述两组负压旋转气动人工肌肉121在负压作用下，内部气压降低直到真空状态，气室收缩产生旋转的转矩，通过肘关节弹性护套120和弹性布122传递给肘关节，与为左臂提供辅助肘关节弯曲的转矩同步，形成辅助右臂臂肘关节弯曲的转矩。左、右臂动作不同步时，所述驱动与控制模块104可以根据所述外骨骼柔性执行部件2上的检测与传感组件检测到的上肢运动状态参数和人-机协同状态相关参数进行实时处理，对人机协同状态进行估计和预测，通过分时启动两组微型电磁阀(微型电磁阀A 108和微型电磁阀B 109为一组，另一组为微型电磁阀C 110和微型电磁阀D 111)实现对外骨骼柔性执行部件2位于左臂肘关节的两组负压旋转气动人工肌肉121和/或者右臂肘关节的两组负压旋转气动人工肌肉121进行负压控制，从而按照人机协同状态实时地为左、右臂肘关节提供不同步的辅助弯曲的转矩。类似的，左臂和右臂需要从弯曲状态转化的伸展状态过程中，只需要根据所述驱动与控制模块104可以根据所述外骨骼柔性执行部件2上的检测与传感组件检测到的上肢运动状态参数和人-机协同状态相关参数进行实时处理，对人机协同状态进行估计和预测，控制所述微型负压抽气泵113停止工作，并分时关闭两组微型电磁阀以及控制两组微型电磁阀的通过流量(微型电磁阀A 108和微型电磁阀B109为一组，另一组为微型电磁阀C 110和微型电磁阀D 111)，从而实现对外骨骼柔性执行部件2穿戴于左臂和右臂肘关节负压旋转气动人工肌肉121的实时负压控制，按照人机协同状态实时地为左、右臂肘关节提供同步或不同步的辅助伸展的转矩。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种柔性上肢助力外骨骼，包括：

控制系统，其能够接收所述外骨骼柔性执行部件反馈的信号并确定相应的控制参数；

外骨骼柔性执行部件，其穿戴于上肢肘关节相应部位，为左、右臂肘关节提供伸展和弯曲的助力；

其中，所述外骨骼柔性执行部件包括检测与传感组件，以及负压旋转气动人工肌肉；所述检测与传感组件能够实时测量上肢状态参数并获取上肢运动意图和人机协同状态，并反馈给所述控制系统；所述负压旋转气动人工肌肉能够在所述控制系统输入的负压动力作用下，为上肢肘关节提供辅助转矩。

2.根据权利要求1所述的柔性上肢助力外骨骼，其特征在于，所述控制系统包括驱动与控制模块、无线模块、负压输出装置、电源装置、气路系统，以及固定装置；其能够接收所述外骨骼柔性执行部件反馈的信号并确定相应的控制参数。

3.根据权利要求2所述的柔性上肢助力外骨骼，其特征在于，

所述负压输出装置为微型负压抽气泵；

所述电源装置为可重复充电的直流锂电池组，为便携式控制箱供电；

所述气路系统包括五通转接头、微型电磁阀A、微型电磁阀B、微型电磁阀C、微型电磁阀D、气管A、气管B、气管C、气管D；其中，所述微型电磁阀A、微型电磁阀B、微型电磁阀C及微型电磁阀D为三通电磁阀，实现微型负压抽气泵与上肢外骨骼柔性执行部件中负压旋转气动人工肌肉之间不同气流输送通道的切换，实现对气流方向和流量的调节与控制；所述气管A、气管B、气管C、气管D采用PVC软管或者硅胶管；

所述固定装置包括控制箱安装本体、保护盖、安装板、腰部固定带。

4.根据权利要求2所述的柔性上肢助力外骨骼，其特征在于，所述检测与传感组件包括力传感器、表面肌电传感器、惯性测量单元、信息发送模块；

所述力传感器用于采集所述外骨骼柔性执行部件与人腿之间的人机交互力；

所述表面肌电传感器用于检测肌肉力和关节力矩；

所述惯性测量单元包括用于检测肘关节角度和/或角速度变化的传感器；

所述检测与传感组件实时获取上肢活动过程中的力、位和运动信息，并通过信息发送模块反馈给控制系统的无线模块，所述控制系统获取上肢运动意图和人机协同状态，所述驱动与控制模块进行实时数据处理和人机状态估计，并控制所述负压输出装置的输出流量以及所述气路系统进行气路切换，基于用户上肢实时的力、位和运动信息变化，对所述外骨骼柔性执行部件的负压旋转气动人工肌肉进行负压控制。

5.根据权利要求1所述的柔性上肢助力外骨骼，其特征在于，所述外骨骼柔性执行部件包括气管系统，以及两组对称布置在肘关节弹性护套上的负压旋转气动人工肌肉；

所述气管系统包括两通转接头、气管E、气管F、气管G、气管H；

所述负压旋转气动人工肌肉通过胶结或者热合的方式固定在所述肘关节弹性护套上，外部由弹性布包裹，弹性布包裹通过热合或者缝合在所述肘关节弹性护套上；所述负压旋转气动人工肌肉弯曲和伸展的转矩通过肘关节弹性护套和弹性布传递给肘关节，形成辅助上肢肘关节伸展和弯曲的转矩。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的柔性上肢助力外骨骼，其特征在于，所述负压旋转气动人工肌肉采用扇形结构，在负压作用下，发生类似“合扇”的旋转运动，自身周向收缩，角度变小，提供旋转力矩，能够提供辅助弯曲的助力；当负压作用消失时，自身产生回复力，恢复到初始状态，提供反向旋转力矩，能够提供辅助伸展的助力。

所述负压旋转气动人工肌肉为硅胶材料或者橡胶材料。

7.根据权利要求6所述的柔性上肢助力外骨骼，其特征在于，所述负压旋转气动人工肌肉包括由弹性材料制成的沿一圆弧轴线延伸的主体，所述主体的端部上设置有用于与外部负压源流体连通的进气孔；

所述主体包括多个沿所述圆弧周向排列的扇形模块单元；

所述扇形模块单元包括多个沿所述圆弧轴线排列的气室，相邻的所述气室之间被周向支柱和径向支柱隔开，并且具有流体连通的通路；

当所述负压源向所述气室提供负压时，所述主体能够沿所述圆弧轴线收缩，使得所述主体的端部围绕所述圆弧轴线的圆心做圆周运动，产生弯曲的转矩，当负压消失后，受自身回复力作用，所述主体能够沿所述圆弧轴线展开，产生弯曲的转矩。

8.根据权利要求6或7所述的柔性上肢助力外骨骼，其特征在于，所述主体为关于所述圆弧轴线所在平面的对称结构；所述主体具有朝向所述圆弧轴线圆心的第一侧，以及远离所述圆弧轴线圆心的第二侧，在初始状态下，所述主体的第一侧为凸起和凹槽交替的结构，且其长度小于所述主体的第二侧的长度。

9.根据权利要求8所述的柔性上肢助力外骨骼，其特征在于，所述支柱包括周向支柱和径向支柱，且所述周向支柱与所述径向支柱的厚度比不小于4:1，负压作用下既能使轴向支柱保持原有的固定形状，径向支柱能够发生形变；

在所述圆弧轴线方向上，所述气室与所述周向支柱交错排列，当内部形成真空时，所述周向支柱插入到相邻的气室中。

10.根据权利要求1-9之一所述的根据权利要求8所述的柔性上肢助力外骨骼，其特征在于，所述负压旋转型人工肌肉的最大旋转角度可根据应用需求进行具体设计。可以通过改变扇形模块单元气室的体积、径向尺寸和周向尺寸，将会改变扇形模块单元能够达到的旋转角度实现不同的最大旋转角度；或者通过选择不同数量的扇形模块单元，可以调整人工肌肉旋转角度的范围，改变可以达到的最大旋转角度；再有，通过选择不同弹性的硅胶材料或者橡胶材料制成人工肌肉能够实现不同的最大旋转角度。