CN109176469A - 基于线驱动和气动夹持原理的可变刚度柔性外骨骼系统 - Google Patents

Abstract

一种基于线驱动和气动夹持原理的可变刚度柔性外骨骼系统，包括：可变刚度柔性关节结构，其为圆筒结构，供使用者穿戴，包括：关节前端，刚性材料制成，筒状结构，一端沿筒壁端面设置有两个对称的盲孔，盲孔内设置有拉环；关节中段，柔性材料制成，与关节前端同轴相连，环形筒壁设置有对称的轴向通孔；关节后端，刚性材料制成，与关节中段同轴相连，筒壁设置两个对称的轴向通孔；驱动线，一端固定在关节前端的所述盲孔中的拉环上，沿所述关节中段和关节后端筒壁的轴向通孔贯穿；导向套组件，设置于关节中段的筒壁的轴向通孔中；气囊，位于所述关节后端的筒壁的轴向通孔中；以及气源驱动系统，通过气管、驱动线与所述可变刚度柔性关节结构相连。

Description

基于线驱动和气动夹持原理的可变刚度柔性外骨骼系统

技术领域

本公开涉及柔性外骨骼系统领域，尤其涉及一种基于线驱动和气动夹持原理的可变刚度柔性外骨骼系统。

背景技术

外骨骼是一类根据仿生学设计，像人类一样具有肢体的智能装备，它可以被人穿戴并与穿戴者协同动作，外骨骼因其可穿戴性、助力性和智能性而被广泛应用于人体效能增强和医疗领域的康复治疗中。

传统刚性外骨骼因其结构件及连接件均为刚性材料，导致外骨骼系统复杂，体积和重量很大，限制了外骨骼系统为人体提供助力的程度，此外，刚性外骨骼在关节设计中使用传统刚性关节机构，限制了人体关节的其他自由度，极大降低了用户的使用体验，于此同时，由于刚性关节与驱动部件为刚性连接，传统刚性外骨骼的关节很难实现可变的刚度，这给外骨骼为人体关节提供冲击缓冲方面带来了很大挑战，以上三点是制约外骨骼发展和应用的主要瓶颈。

公开内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本公开提供了一种基于线驱动和气动夹持原理的可变刚度柔性外骨骼系统，所述系统包括可变刚度柔性关节结构及配套的气源驱动系统，以缓解现有技术中外骨骼体积和重量大，传统刚性关节机构限制人体关节的其他自由度，为人体关节提供冲击缓冲效果差，降低了用户的使用体验等技术问题。

(二)技术方案

一种基于线驱动和气动夹持原理的可变刚度柔性外骨骼系统，包括：可变刚度柔性关节结构，其为圆筒结构，供使用者穿戴，包括：关节前端，刚性材料制成，筒状结构，一端沿筒壁端面设置有两个对称的盲孔，盲孔内设置有拉环；关节中段，柔性材料制成，筒状结构，与关节前端同轴相连，环形筒壁设置有对称的轴向通孔；关节后端，刚性材料制成，筒状结构，与关节中段同轴相连，筒壁设置两个对称的轴向通孔；驱动线，一端固定在关节前端的所述盲孔中的拉环上，沿所述关节中段和关节后端筒壁的轴向通孔贯穿；导向套组件，设置于关节中段的筒壁的轴向通孔中；以及气囊，位于所述关节后端的筒壁的轴向通孔中；以及气源驱动系统，通过气管、驱动线与所述可变刚度柔性关节结构相连。

在本公开实施例中，所述驱动线包括：第一驱动线，一端固定在关节前端的一个所述盲孔中的拉环上，沿轴向贯穿所述关节中段和关节后端；以及第二驱动线，一端固定在关节前端的另一个所述盲孔中的拉环上；沿筒壁轴向贯穿所述关节中段和关节后端。

在本公开实施例中，所述导向套组件包括：第一导向套组件，设置于关节中段的筒壁的一个轴向通孔中，包覆于关节中段中的第一驱动线外；以及第二导向套组件，设置于关节中段的筒壁的另一个轴向通孔中，包覆于关节中段中的第二驱动线外。

在本公开实施例中，所述第一导向套组件，包括：第一导向套管，圆筒状结构，柔性材料制成；以及第一弹簧，位于所述第一导向套管内；所述第二导向套组件包括：第二导向套管，圆筒状结构，柔性材料制成；以及第二弹簧，位于所述第二导向套管内。

在本公开实施例中，所述气囊包括：第一气囊，位于所述关节后端的筒壁的一个轴向通孔中，固定于通孔中远离关节后端轴心的内壁面；以及第二气囊，位于所述关节后端的筒壁的另一个轴向通孔中，固定于该通孔中远离关节后端轴心的内壁面。

在本公开实施例中，所述气源驱动系统，包括：空气压缩机单元，包括：电动机；蓄电池；以及空气压缩机；第一气缸组件，包括：第一气缸，设置有两个接气口；第一气缸支架，与所述第一气缸连接；第一气缸杆；以及第一连接器，使所述第一气缸杆与所述第一驱动线相连；第一换向阀，其两个工作口分别与所述第一气缸的两个接气口相连，其供气口通过气管与空气压缩机相连，其排气口直接连通大气；第二换向阀，其工作口通过气管与所述第一气囊相连，供气口通过气管与空气压缩机相连，其排气口直接连通大气；第二气缸组件，包括：第二气缸，设置有两个接气口；第二气缸支架，与所述第二气缸连接；第二气缸杆；以及第一连接器，使所述第二气缸杆与所述第二驱动线相连；第三换向阀，其两个工作口分别与所述第二气缸的两个接气口相连，其供气口通过气管与空气压缩机相连，其排气口直接连通大气；第四换向阀，其工作口通过气管与所述第二气囊相连，供气口通过气管与空气压缩机相连，其排气口直接连通大气；以及控制器，通过导线分别与第一换向阀、第二换向阀、第三换向阀，第四换向阀，及电动机相连，并提供指令信号。

在本公开实施例中，所述第第一换向阀和第三换向阀为三位四通换向阀；第二换向阀和第四换向阀为两位三通换向阀。

在本公开实施例中，所述可变刚度柔性关节结构中的关节后端与气源驱动系统中第一气缸支架之间的第一驱动线部分包裹有驱动线套管；所述可变刚度柔性关节结构中的关节后端与气源驱动系统中第二气缸支架之间的第二驱动线部分包裹有驱动线套管。

在本公开实施例中，所述气囊为圆柱形中空结构，长度与关节后端长度相等，包括：第一气囊和第二气囊，其靠近关节中段的一端封死，另一端分别通过气管与第二换向阀和第四换向阀的工作口相连，所述第一气囊与第一驱动线同处于关节后端的一个筒壁通孔中，所述第二气囊与第二驱动线同处于关节后端的另一个筒壁通孔中，在气囊未充气状态下，不与处于同一通孔中的驱动线接触，在对气囊充气后，驱动线与关节后端轴向通孔内壁和气囊外壁相挤压，通过调节对气囊充气压力的大小，控制驱动线轴向运动所受总摩擦力的大小。

在本公开实施例中，所述导向套组件包括：第一导向套组件和第二导向套组件，其第一导向套管和第二导向套管主体采用柔性材料制造，其内部分别布置有螺旋形的钢丝制成的第一弹簧和第二弹簧。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开基于线驱动和气动夹持原理的可变刚度柔性外骨骼系统至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)只需使用一个电动机加空气压缩机的原动机配置，即可同时驱动两只气缸对关节的助力，以及两个气囊的充放气以调节关节刚度，且此配置还可用于更多关节的助力与刚度调节，此设计大大简化了系统结构，具有体积小，重量轻，零部件较少的特点，可最大程度为人体关节提供助力；

(2)采用柔性材料制造的关节中段确保了关节前端与关节后端直接可产生任何自由度的相对运动，安装在人体上时，不限制人体关节自由度，提高了用户使用体验。

(3)通过调节对气囊充气的压力，利用气囊充气膨胀后产生的对驱动线的挤压作用而产生摩擦力，进而控制关节前端与关节后端相对运动所受阻力的大小来实现关节刚度的连续调节，实现了人体下落等过程中对膝盖等关节的冲击缓冲作用，保护了人体关节的健康。

附图说明

图1为本公开实施例基于线驱动和气动夹持原理的可变刚度柔性外骨骼系统的结构原理示意图；

图2为本公开实施例图1所标示的A-A剖面示意图；

图3为本公开实施例图1所标示的B处局部放大示意图；

图4为本公开实施例图2所标示的C处局部放大示意图；

图5为本公开实施例基于线驱动和气动夹持原理的可变刚度柔性外骨骼导向套组件的三维视图；

图6为本公开实施例基于线驱动和气动夹持原理的可变刚度柔性外骨骼的关节结构安装在人体膝关节上的示意图；

图7为本公开实施例图4所示的局部在气囊充气后的状态示意图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

100-可变刚度柔性关节结构；

110-关节前端；120-关节中段；130-关节后端；

140-第一驱动线；150-第二驱动线；

160-第一导向套组件；

161-第一导向套管；162-第一弹簧；

170-第二导向套组件；

171第二导向套管；第二弹簧172；

180-第一气囊；190-第二气囊；

200-气源驱动系统

210-空气压缩机单元；

211-电动机；212-蓄电池；213-空气压缩机；

220-第一气缸组件；

221-第一气缸221；222-第一气缸支架；

223第一气缸杆；224第一连接器；

230-第一换向阀；240-第二换向阀；

250-第二气缸组件；

251-第二气缸221；252-第二气缸支架；

253第二气缸杆；254第二连接器；

260-第三换向阀；270-第四换向阀；

280-控制器。

具体实施方式

本公开提供了一种基于线驱动和气动夹持原理的可变刚度柔性外骨骼系统，所述外骨骼系统为轻便可穿戴、不限制人体关节其他自由度且能够实现关节刚度可变的柔性外骨骼结构，借助气源驱动系统，能够大大提高外骨骼为人体提供助力的程度，实现关节冲击缓冲的功能，大幅提升用户使用体验。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

在本公开实施例中，图1为所述基于线驱动和气动夹持原理的可变刚度柔性外骨骼系统的结构原理示意图，图2为图1所标示的B处局部放大示意图，图3为本公开实施例图1所标示的B处局部放大示意图；图4为本公开实施例图2所标示的C处局部放大示意图；结合图1至图4所示，所述的基于线驱动和气动夹持原理的可变刚度柔性外骨骼系统，其包括：

可变刚度柔性关节结构100，其为圆筒结构，用于外套于使用者腿部，包括：

关节前端110，刚性材料制成，筒状结构，位于所述可变刚度柔性关节结构100轴向的一端，一端沿筒壁端面设置有两个对称的盲孔，盲孔内设置有拉环；

关节中段120，柔性材料制成，筒状结构，与关节前端110同轴相连，环形筒壁设置有对称的轴向通孔；

关节后端130，刚性材料制成，筒状结构，与关节中段120同轴相连，筒壁设置两个对称的轴向通孔；

驱动线，钢丝绳制成，一端固定在关节前端110的所述盲孔中的拉环上，沿所述关节中段120和关节后端130筒壁的轴向通孔贯穿；所述驱动线包括：

第一驱动线140，一端固定在关节前端110的一个所述盲孔中的拉环上，沿轴向贯穿所述关节中段120和关节后端130；

第二驱动线150，一端固定在关节前端110的另一个所述盲孔中的拉环上；沿筒壁轴向贯穿所述关节中段120和关节后端130；

导向套组件，设置于关节中段120的筒壁的轴向通孔中，所述导向套组件包括：

第一导向套组件160，设置于关节中段120的筒壁的一个轴向通孔中，包覆于关节中段120中的第一驱动线140外，包括：

第一导向套管161，圆筒状结构，柔性材料制成；

第一弹簧162，位于所述第一导向套管161内。

第二导向套组件170，设置于关节中段120的筒壁的另一个轴向通孔中，包覆于关节中段120中的第二驱动线150外，包括：

第二导向套管171，圆筒状结构，柔性材料制成；

第二弹簧172，位于所述第二导向套管171内。

气囊，位于所述关节后端130的筒壁的轴向通孔中，所述气囊包括：

第一气囊180，位于所述关节后端130的筒壁的一个轴向通孔中，固定于通孔中远离关节后端130轴心的内壁面；

第二气囊190，位于所述关节后端130的筒壁的另一个轴向通孔中，固定于该通孔中远离关节后端130轴心的内壁面；

气源驱动系统200，通过多条气管、第一驱动线140以及第二驱动线150与所述可变刚度柔性关节结构100相连，包括：

空气压缩机单元210，包括：

电动机211；

蓄电池212；

空气压缩机213；

第一气缸组件220，包括：

第一气缸221，设置有两个接气口；

第一气缸支架222，与所述第一气缸221连接；

第一气缸杆223；

第一连接器224，使所述第一气缸杆223与所述第一驱动线140相连；

第一换向阀230，为三位四通换向阀，其两个工作口分别与所述第一气缸221的两个接气口相连，其供气口通过气管与空气压缩机213相连，其排气口直接连通大气；

第二换向阀240，为二位三通换向阀，其工作口通过气管与所述第一气囊180相连，供气口通过气管与空气压缩机213相连，其排气口直接连通大气；

第二气缸组件250，包括：

第二气缸251，设置有两个接气口；

第二气缸支架252，与所述第二气缸251连接；

第二气缸杆253；

第一连接器254，使所述第二气缸杆253与所述第二驱动线150相连；

第三换向阀260，为三位四通换向阀，其两个工作口分别与所述第二气缸251的两个接气口相连，其供气口通过气管与空气压缩机213相连，其排气口直接连通大气；

第四换向阀270，为二位三通换向阀，其工作口通过气管与所述第二气囊190相连，供气口通过气管与空气压缩机213相连，其排气口直接连通大气；

控制器280，通过导线分别与第一换向阀230、第二换向阀240、第三换向阀260，第四换向阀270，及电动机211相连，并提供指令信号。

所述电动机211的输出轴通过联轴器与空气压缩机213的输入轴相连，且通过导线分别与蓄电池212、控制器280相连，以便从蓄电池212获得电能并从控制器280获得指令信号。

所述第一驱动线140位于关节后端130与第一气缸支架222之间的部分包裹有驱动线套管；所述第二驱动线150位于关节后端130与第二气缸支架252第二气缸支架252之间的部分包裹有驱动线套管；所述驱动线套管的一端分别顶在关节后端130的端面及气缸支架的端面上，用于为驱动线提供支撑，从而使驱动线将气缸产生的拉力最终传导至固定驱动线另一端的关节前端110上。

所述第一气缸支架222以及第二气缸支架252为中空箱状结构，其一侧带有通孔，孔径分别稍大于第一驱动线140以及第二驱动线150的直径且小于驱动线套管直径，其底部带有对称布置的通孔，通过螺栓连接在气缸上。

所述第一气囊180和第二气囊190为圆柱形中空结构，长度与关节后端130长度相等，所述第一气囊180和第二气囊190靠近关节中段120的一端封死，另一端分别通过气管与第二换向阀240和第四换向阀270的工作口相连，所述第一气囊180与第一驱动线140同处于关节后端130的一个筒壁通孔中，所述第二气囊190与第二驱动线150同处于关节后端130的另一个筒壁通孔中，在气囊未充气状态下，由于驱动线、气囊、关节后端的位置及结构尺寸关系，在所述第一气囊180和第二气囊190不充气的状态下不与处于同一通孔中的驱动线接触，在对气囊充气后，气囊的径向膨胀作用将对驱动线产生压迫作用，在此作用下，驱动线与关节后端130轴向通孔内壁和气囊外壁相挤压，此挤压作用将使驱动线的轴向运动受到气囊和关节后端130的通孔内壁的摩擦力，且通过调节对气囊充气压力的大小，可控制驱动线轴向运动所受总摩擦力的大小。

所述关节前端110、关节中段120、关节后端130为圆柱形套筒结构，且三者依次同轴连接，其中关节前端110、关节后端130为刚性材料制造，关节中段120、为采用柔性材料制造，确保了关节前端110与关节后端130之间可发生任何自由度的相对运动。

位于关节中段120管壁通孔中的第一导向套组件160组件和第二导向套组件170分别与所处关节中段120的管壁通孔中的内壁粘性连接，二者在正常情况下不可相对运动。

所述第一驱动线140和第二驱动线150采用钢丝绳制成，本身较为柔软且可承受较大拉力，所述驱动线(140和150)的一端分别连接在关节前端110的筒壁端面的盲孔中的拉环上，并分别穿过第一导向套组件160和第二导向套组件170、关节后端130、驱动线套管内部的圆柱孔，另一端分别与第一气缸杆223和第二气缸杆253通过连接器以过盈配合相连。

所述驱动线套管内部穿过驱动线，两端分别顶在关节后端的端面及气缸支架的端面上，用于为驱动线提供支撑，从而使驱动线将气缸产生的拉力最终传导至关节前端上。

所述第一导向套组件160组件和第二导向套组件170中的第一导向套管161和第二导向套管171主体采用柔性材料制造，其内部分别布置有螺旋形的钢丝制成的第一弹簧162和第二弹簧172，确保了所述第一导向套组件160组件和第二导向套组件170在其轴向可被压缩/拉伸，而径向具有较大刚度，较难压缩/拉伸，图5为本公开实施例基于线驱动和气动夹持原理的可变刚度柔性外骨骼导向套组件的三维视图。

图1中未标示的各部件之间连接，虚线表示为导线的电路连接，实线表示为导管的气路连接。

图6为本公开实施例基于线驱动和气动夹持原理的可变刚度柔性外骨骼的关节结构安装在人体膝关节上的示意图，图6所示(因气源驱动系统布置与图1相同，故未画出)。其中关节前端110固定在小腿上，关节后端130固定在大腿上，位置以使关节中段120正好负载膝关节为准。本公开为膝关节提供助力和调节关节刚度为膝关节提供缓冲保护的工作原理分别叙述如下：

为膝关节提供助力的工作原理如下：

控制器280给电动机211控制信号，使电动机211以一定速度转动，从而带动空气压缩机213产生稳定的气压输出。

在为膝关节提供助力的整个过程中，控制器280控制第二换向阀240和第四换向阀270失电，两阀工作于右位，第一气囊180和第二气囊190始终未充气，第一气囊180和第二气囊190与第一驱动线140和第二驱动线150的相对位置关系如图4所示。

在为膝关节提供弯曲助力时，控制器280给第一换向阀230控制信号，使其工作在左位，此时第一气缸221将在空气压缩机213产生的气压作用下收缩，第一气缸221的收缩作用对第一驱动线140产生拉力；与此同时，控制器280给第三换向阀260控制信号，使其工作在右位，第二气缸251将在空气压缩机213产生的气压作用下伸出，并释放第二驱动线150。在第一驱动线140的拉紧作用下，第一导向套组件160及其周围的关节中段120将被压缩，压缩作用导致关节前端110和关节后端130的轴线产生角度变化，变化方向恰为膝关节弯曲的方向，又由于关节前端110和关节后端130分别固定在小腿和大腿上，此过程将对膝关节的弯曲产生助力。

在为膝关节提供伸直助力时，控制器280给第三换向阀260控制信号，使其工作在左位，此时第二气缸251将在空气压缩机213产生的气压作用下收缩，第二气缸251的收缩作用对第二驱动线150产生拉力；与此同时，控制器280给第一换向阀230控制信号，使其工作在右位，第一气缸221将在空气压缩机213产生的气压作用下伸出，并释放第一驱动线140。在第二驱动线150的拉紧作用下，第二导向套组件170及其周围的关节中段120将被压缩，且由于第一驱动线140的释放，此前在第一驱动线140作用下压缩的第一导向套组件160及其周围的关节中段120将因自身弹性而发生形状回复。上述二者共同导致关节前端110和关节后端130的轴线产生角度回复，回复方向恰为膝关节伸直的方向，又由于关节前端110和关节后端130分别固定在小腿和大腿上，此过程将对膝关节的伸直产生助力。

调节关节刚度进而为膝关节提供缓冲保护的工作原理如下：

控制器280给电动机211控制信号，使电动机211以一定速度转动，从而带动空气压缩机213产生稳定的气压输出。

在调节关节刚度过程中，控制器280控制第一换向阀230和第三换向阀260工作于左位，并调节二者给第一气缸221和第二气缸251一个较小的气体压力，使第一气缸221和第二气缸251同时产生对第一驱动线140和第二驱动线150的较小的拉力，整个过程中，第一气缸221和第二气缸251相当于与第一驱动线140和第二驱动线150相连的复位弹簧。

在膝关节处于某一任意角度时，控制器280给二位三通换向阀第二换向阀240和第四换向阀270控制信号，两阀工作在左位，此时第一气囊180和第二气囊190在空气压缩机213产生的气体压力作用下产生径向膨胀，并压迫第一驱动线140和第二驱动线150，在此压迫作用下，第一驱动线140和第二驱动线150分别与关节后端130的通孔内壁和第一气囊180和第二气囊190的外壁相挤压(挤压作用如图7所示)，此挤压作用将使第一驱动线140和第二驱动线150的轴向运动分别受到第一气囊180和第二气囊190和关节后端130的通孔孔内壁的摩擦力，且通过调节对第一气囊180和第二气囊190充气压力的大小，可控制第一驱动线140和第二驱动线150轴向运动所受总摩擦力的大小，由于关节前端110和关节后端130的轴线产生任何角度变化都将导致第一驱动线140和第二驱动线150产生相对于关节后端130的通孔的轴向相对移动，而控制了此相对移动中的摩擦力，即意味着控制了整个关节结构的刚度大小。且由于调节第一气囊180和第二气囊190的充气压力即可调节上述摩擦力的大小，即间接调节了关节刚度的大小。

在诸如人体从高处下落等过程中，控制器280通过给定上述系列控制信号即可增加柔性关节的刚度，而由于关节前端110和关节后端130分别与人体的小腿和大腿相连，柔性关节刚度的增加即可抵消部分膝关节所受冲击，从而达到缓冲和保护的作用。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开基于线驱动和气动夹持原理的可变刚度柔性外骨骼系统有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供了一种基于线驱动和气动夹持原理的可变刚度柔性外骨骼系统，所述外骨骼系统为轻便可穿戴、不限制人体关节其他自由度且能够实现关节刚度可变的柔性外骨骼结构，借助气源驱动系统，能够大大提高外骨骼为人体提供助力的程度，实现关节冲击缓冲的功能，大幅提升用户使用体验。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于线驱动和气动夹持原理的可变刚度柔性外骨骼系统，包括：

可变刚度柔性关节结构(100)，其为圆筒结构，供使用者穿戴，包括：

关节前端(110)，刚性材料制成，筒状结构，一端沿筒壁端面设置有两个对称的盲孔，盲孔内设置有拉环；

关节中段(120)，柔性材料制成，筒状结构，与关节前端(110)同轴相连，环形筒壁设置有对称的轴向通孔；

关节后端(130)，刚性材料制成，筒状结构，与关节中段(120)同轴相连，筒壁设置两个对称的轴向通孔；

驱动线，一端固定在关节前端(110)的所述盲孔中的拉环上，沿所述关节中段(120)和关节后端(130)筒壁的轴向通孔贯穿；

导向套组件，设置于关节中段(120)的筒壁的轴向通孔中；以及

气囊，位于所述关节后端(130)的筒壁的轴向通孔中；以及

气源驱动系统(200)，通过气管、驱动线与所述可变刚度柔性关节结构(100)相连。

2.根据权利要求1所述的基于线驱动和气动夹持原理的可变刚度柔性外骨骼系统，其中，所述驱动线包括：

第一驱动线(140)，一端固定在关节前端(110)的一个所述盲孔中的拉环上，沿轴向贯穿所述关节中段(120)和关节后端(130)；以及

第二驱动线(150)，一端固定在关节前端(110)的另一个所述盲孔中的拉环上；沿筒壁轴向贯穿所述关节中段(120)和关节后端(130)。

3.根据权利要求1所述的基于线驱动和气动夹持原理的可变刚度柔性外骨骼系统，其中，所述导向套组件包括：

第一导向套组件(160)，设置于关节中段(120)的筒壁的一个轴向通孔中，包覆于关节中段(120)中的第一驱动线(140)外；以及

第二导向套组件(170)，设置于关节中段(120)的筒壁的另一个轴向通孔中，包覆于关节中段(120)中的第二驱动线(150)外。

4.据权利要求3所述的基于线驱动和气动夹持原理的可变刚度柔性外骨骼系统，其中，所述第一导向套组件(160)，包括：

第一导向套管(161)，圆筒状结构，柔性材料制成；以及

第一弹簧(162)，位于所述第一导向套管(161)内；

所述第二导向套组件(170)包括：

第二导向套管(171)，圆筒状结构，柔性材料制成；以及

第二弹簧(172)，位于所述第二导向套管(171)内。

5.据权利要求1所述的基于线驱动和气动夹持原理的可变刚度柔性外骨骼系统，其中，所述气囊包括：

第一气囊(180)，位于所述关节后端(130)的筒壁的一个轴向通孔中，固定于通孔中远离关节后端(130)轴心的内壁面；以及

第二气囊(190)，位于所述关节后端(130)的筒壁的另一个轴向通孔中，固定于该通孔中远离关节后端(130)轴心的内壁面。

6.据权利要求1所述的基于线驱动和气动夹持原理的可变刚度柔性外骨骼系统，其中，所述气源驱动系统(200)，包括：

空气压缩机单元(210)，包括：电动机(211)；蓄电池(212)；以及空气压缩机(213)；

第一气缸组件(220)，包括：

第一气缸(221)，设置有两个接气口；

第一气缸支架(222)，与所述第一气缸(221)连接；

第一气缸杆(223)；以及

第一连接器(224)，使所述第一气缸杆(223)与所述第一驱动线(140)相连；

第一换向阀(230)，其两个工作口分别与所述第一气缸(221)的两个接气口相连，其供气口通过气管与空气压缩机(213)相连，其排气口直接连通大气；

第二换向阀(240)，其工作口通过气管与所述第一气囊(180)相连，供气口通过气管与空气压缩机(213)相连，其排气口直接连通大气；

第二气缸组件(250)，包括：

第二气缸(251)，设置有两个接气口；

第二气缸支架(252)，与所述第二气缸(251)连接；

第二气缸杆(253)；以及

第一连接器(254)，使所述第二气缸杆(253)与所述第二驱动线(150)相连；

第三换向阀(260)，其两个工作口分别与所述第二气缸(251)的两个接气口相连，其供气口通过气管与空气压缩机(213)相连，其排气口直接连通大气；

第四换向阀(270)，其工作口通过气管与所述第二气囊(190)相连，供气口通过气管与空气压缩机(213)相连，其排气口直接连通大气；以及

控制器(280)，通过导线分别与第一换向阀(230)、第二换向阀(240)、第三换向阀(260)，第四换向阀(270)，及电动机(211)相连，并提供指令信号。

7.据权利要求6所述的基于线驱动和气动夹持原理的可变刚度柔性外骨骼系统，其中，所述第第一换向阀(230)和第三换向阀(260)为三位四通换向阀；第二换向阀(240)和第四换向阀(270)为两位三通换向阀。

8.据权利要求1所述的基于线驱动和气动夹持原理的可变刚度柔性外骨骼系统，所述可变刚度柔性关节结构(100)中的关节后端(130)与气源驱动系统(200)中第一气缸支架(222)之间的第一驱动线(140)部分包裹有驱动线套管；所述可变刚度柔性关节结构(100)中的关节后端(130)与气源驱动系统(200)中第二气缸支架(252)之间的第二驱动线(150)部分包裹有驱动线套管。

9.据权利要求1所述的基于线驱动和气动夹持原理的可变刚度柔性外骨骼系统，所述气囊为圆柱形中空结构，长度与关节后端(130)长度相等，包括：第一气囊(180)和第二气囊(190)，其靠近关节中段(120)的一端封死，另一端分别通过气管与第二换向阀(240)和第四换向阀(270)的工作口相连，所述第一气囊(180)与第一驱动线(140)同处于关节后端(130)的一个筒壁通孔中，所述第二气囊(190)与第二驱动线(150)同处于关节后端(130)的另一个筒壁通孔中，在气囊未充气状态下，不与处于同一通孔中的驱动线接触，在对气囊充气后，驱动线与关节后端(130)轴向通孔内壁和气囊外壁相挤压，通过调节对气囊充气压力的大小，控制驱动线轴向运动所受总摩擦力的大小。

10.据权利要求1所述的基于线驱动和气动夹持原理的可变刚度柔性外骨骼系统，所述导向套组件包括：第一导向套组件(160)组件和第二导向套组件(170)，其第一导向套管(161)和第二导向套管(171)主体采用柔性材料制造，其内部分别布置有螺旋形的钢丝制成的第一弹簧(162)和第二弹簧(172)。