CN113070865A - 主被动结合的舱外服下肢助力装置、测试装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种主被动结合的舱外服下肢助力装置、测试装置及测试方法，主被动结合的舱外服下肢助力装置包括上身背负装置、腰部绑缚装置、髋关节弹性带、大腿绑缚装置、小腿钢丝绳线圈、小腿绑缚装置、膝关节弹性带、后背板和主动助力单元；所述主动助力单元包括膝关节鲍登线、电机驱动器、电机和鲍登线转盘。本发明提出一种主被动结合的双向助力装置，同时提出一种测试装置。通过助力装置可对航天员在有限空间内背负尽可能少的负载条件下实现髋、膝双关节的双向助力；通过测试装置可实现对空间失重环境模拟以及髋、膝关节阻力矩的模拟，更贴近真实条件下验证助力的有效性。
Description
技术领域
本发明属于特种服务机器人技术领域，具体涉及一种主被动结合的舱外服下肢助力装置、测试装置及测试方法。
背景技术
舱外服是航天员在月面或其他空间中出舱作业时穿着的一种特殊服装，由于需要抵御空间环境各种不利因素，舱外服通常进行内部充压以保证航天员身体安全性，但由此却带来航天员肢体活动的不便性。查阅文献得知，穿着舱外服的航天员上下肢关节力矩较正常活动时增加50％左右。因此，设计一种助力装置克服舱外服的关节阻力矩，可以有效降低航天员的体力消耗，从而增加其出舱活动时间及安全性。
通常，人体助力装置采用穿戴外骨骼助力的形式，外骨骼按照结构形式分为刚性外骨骼与柔性外骨骼，按照驱动形式分为主动式助力与被动式助力。由于舱外服的空间局限性，刚性外骨骼一般不宜采用；柔性外骨骼没有刚性支架，通常由电机+鲍登线驱动肢体的锚点以带动关节运动。主动式助力一般具有能源+驱动系统，可根据驱动关节数量及自由度匹配相应的驱动系统，需要占用一定的空间；被动式助力一般采用弹性元件作为储能装置，只能对关节自由度进行单向助力，另一方向为储能环节，通常需要主动施力，但被动式助力几乎不会占用额外空间，且无需额外负重。通过以上分析得知，针对舱外服进行助力装置的设计需要综合考虑其使用环境、关节阻力等因素得到助力的方式。另外，由于舱外服使用的局限性，传统的外骨骼助力装置测试方式通常无法满足其测试要求，因此需要结合舱外服自身阻力特性及空间环境设计相应的测试装置。
专利《一种主被动混合驱动的下肢助力外骨骼机器人及控制方法》(CN112060060A)采用卷簧实现对髋关节的被动式助力，采用电机对膝关节进行主动式助力。但其本体是刚性结构，不适宜在舱外服内部使用；专利《一种穿戴式柔性下肢助力机器人》(CN109662869A)采用鲍登线对膝关节进行双向助力，对踝关节进行单向助力，主要应用于康复设备，而舱外服目前还是侧重于对髋关节与膝关节自由度进行助力，因此，现有技术中缺少针对舱外服这种特定环境助力与测试的装置。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种主被动结合的舱外服下肢助力装置、测试装置及测试方法，可有效解决上述问题。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一种主被动结合的舱外服下肢助力装置，包括上身背负装置(7-1)、腰部绑缚装置(7-2)、髋关节弹性带(7-3)、大腿绑缚装置(7-6)、小腿钢丝绳线圈(7-8)、小腿绑缚装置(7-9)、膝关节弹性带(7-10)、后背板(7-15)和主动助力单元；所述主动助力单元包括膝关节鲍登线、电机驱动器(7-11)、电机(7-12)和鲍登线转盘(7-13)；
所述上身背负装置(7-1)的后部固定安装所述后背板(7-15)；
所述上身背负装置(7-1)的下方设置所述腰部绑缚装置(7-2)，并且，所述腰部绑缚装置(7-2)的后部与所述上身背负装置(7-1)的后部固定连接，用于将舱外服下肢助力装置与被试者在腰部进行绑缚固定；
所述腰部绑缚装置(7-2)的下方左右两侧各设置一个所述大腿绑缚装置(7-6)；所述大腿绑缚装置(7-6)缠绕固定于大腿上；
所述腰部绑缚装置(7-2)和所述大腿绑缚装置(7-6)之间设置所述髋关节弹性带(7-3)；其中，所述髋关节弹性带(7-3)的一端与腰带固定连接，一端与所述大腿绑缚装置(7-6)固定连接，并且在安装时具备一定的预紧弹力，用于为髋关节屈曲自由度提供被动式助力；
每个所述大腿绑缚装置(7-6)的下方设置一个所述小腿绑缚装置(7-9)，所述小腿绑缚装置(7-9)缠绕固定于小腿上；
所述膝关节弹性带(7-10)的设置数量为两个，左右对称设置；每个所述膝关节弹性带(7-10)的一端与同侧的所述大腿绑缚装置(7-6)的后部固定连接；所述膝关节弹性带(7-10)的另一端与同侧的所述小腿绑缚装置(7-9)的后部固定连接；所述膝关节弹性带(7-10)安装时具备一定的弹力，进而为膝关节屈曲自由度提供被动式助力；
所述膝关节鲍登线的设置数量为两个，左右对称设置；在每个所述小腿绑缚装置(7-9)的前部固定安装所述小腿钢丝绳线圈(7-8)；每个所述膝关节鲍登线的一端缠绕于所述鲍登线转盘(7-13)，每个所述膝关节鲍登线的另一端与同侧的所述小腿钢丝绳线圈(7-8)连接，所述鲍登线转盘(7-13)通过所述电机驱动器(7-11)与所述电机(7-12)连接；所述电机(7-12)通过所述电机驱动器(7-11)驱动所述鲍登线转盘(7-13)转动，进而带动所述膝关节鲍登线运动，为髋关节与膝关节的伸展自由度提供主动式助力。
优选的，所述电机驱动器(7-11)、所述电机(7-12)和所述鲍登线转盘(7-13)均安装于所述后背板(7-15)。
优选的，所述膝关节鲍登线包括膝关节鲍登线鞘(7-4)和膝关节鲍登线钢丝绳(7-7)；
所述大腿绑缚装置(7-6)的前面固定大腿线孔(7-5)；所述后背板(7-15)固定后背板线孔(7-14)；
所述膝关节鲍登线鞘(7-4)的一端被挡于所述大腿线孔(7-5)，另一端被挡于所述后背板线孔(7-14)；即：所述膝关节鲍登线鞘(7-4)位于所述大腿线孔(7-5)和所述后背板线孔(7-14)之间；
所述膝关节鲍登线钢丝绳(7-7)的一端缠绕于所述鲍登线转盘(7-13)；所述膝关节鲍登线钢丝绳(7-7)的另一端从所述膝关节鲍登线鞘(7-4)的内部穿过，并固定于所述小腿钢丝绳线圈(7-8)，实现柔性传力作用。
优选的，所述大腿线孔(7-5)和所述后背板线孔(7-14)均为台阶孔形式，膝关节鲍登线鞘(7-4)抵于所述台阶孔的大孔位置，所述膝关节鲍登线鞘(7-4)内部的膝关节鲍登线钢丝绳(7-7)从台阶孔的小孔穿过。
优选的，所述小腿钢丝绳线圈(7-8)为双线锚点结构的线圈。
本发明还提供一种应用主被动结合的舱外服下肢助力装置的测试装置，包括主被动结合的舱外服下肢助力装置(7)，还包括承载框架(1)、大腿前部弹性带固定杆(2)、小腿前部弹性带固定杆(3)、跑步机(4)、小腿后部弹性带固定杆(5)、大腿后部弹性带固定杆(6)、减重悬吊装置(8)、减重驱动装置(9)、大腿前部弹性带(10)、小腿前部弹性带(11)、小腿后部弹性带(12)和大腿后部弹性带(13)；
被试者穿戴所述主被动结合的舱外服下肢助力装置(7)后，置于所述承载框架(1)的内部；
所述承载框架(1)的前部上侧固定安装所述大腿前部弹性带固定杆(2)；所述承载框架(1)的后部上侧对称固定安装所述大腿后部弹性带固定杆(6)；所述承载框架(1)的前部下侧固定安装所述小腿前部弹性带固定杆(3)；所述承载框架(1)的后部下侧固定安装所述小腿后部弹性带固定杆(5)；
所述大腿前部弹性带(10)用于提供髋关节伸展自由度的阻力，所述大腿前部弹性带(10)的一端与所述大腿前部弹性带固定杆(2)固定；所述大腿前部弹性带(10)的另一端与所述大腿绑缚装置(7-6)的前部固定；
所述大腿后部弹性带(13)用于提供髋关节屈曲自由度的阻力，所述大腿后部弹性带(13)的一端与所述大腿后部弹性带固定杆(6)固定；所述大腿后部弹性带(13)的另一端与所述大腿绑缚装置(7-6)的后部固定；
所述小腿前部弹性带(11)用于提供膝关节屈曲自由度的阻力，所述小腿前部弹性带(11)的一端与所述小腿前部弹性带固定杆(3)固定；所述小腿前部弹性带(11)的另一端与所述小腿绑缚装置(7-9)的前部固定；
所述小腿后部弹性带(12)用于提供膝关节伸展自由度的阻力，所述小腿后部弹性带(12)的一端与所述小腿后部弹性带固定杆(5)固定；所述小腿后部弹性带(12)的另一端与所述小腿绑缚装置(7-9)的后部固定；
所述承载框架(1)的下部安装所述跑步机(4)，所述跑步机(4)用于：被试者穿戴主被动结合的舱外服下肢助力装置(7)后，在所述跑步机(4)上面进行行走测试；
所述承载框架(1)的顶部安装所述减重驱动装置(9)；所述减重悬吊装置(8)的上方与所述减重驱动装置(9)连接，所述减重悬吊装置(8)的下方与所述主被动结合的舱外服下肢助力装置(7)连接，用于对被试者穿戴所述主被动结合的舱外服下肢助力装置(7)后进行悬吊减重。
优选的，所述减重驱动装置(9)包括驱动电机、滑轮、钢丝绳及力传感器；所述驱动电机驱动所述滑轮进行正反转；所述钢丝绳的一端缠绕于所述滑轮，所述钢丝绳的另一端与所述主被动结合的舱外服下肢助力装置(7)固定；所述力传感器用于测量所述主被动结合的舱外服下肢助力装置(7)的悬挂力。
本发明还提供一种应用主被动结合的舱外服下肢助力装置的测试装置的测试方法，包括以下步骤：
步骤1，被试者舱外穿戴主被动结合的舱外服下肢助力装置(7)后，进入承载框架(1)内，并站在跑步机(4)上面；
步骤2，大腿前部弹性带(10)、小腿前部弹性带(11)、小腿后部弹性带(12)和大腿后部弹性带(13)均装配完成；减重悬吊装置(8)和减重驱动装置(9)装配完成；
通过减重驱动装置(9)调整悬吊高度，实现不同的模拟空间自重，进而实现对空间环境模拟；
跑步机(4)，用于为被试者原地行走步态提供条件；
大腿前部弹性带(10)、小腿前部弹性带(11)、小腿后部弹性带(12)和大腿后部弹性带(13)，用于实现空间重力模拟和穿着舱外服后下肢关节的阻力模拟，包括舱外服髋关节运动阻力模拟和舱外服膝关节运动阻力模拟；
具体的，启动跑步机(4)，被试者原地行走，被试者利用心肺呼吸仪及肌电传感器分别测试行走过程中的耗氧量及肌肉激活度参数，从而验证舱外服下肢助力装置的有效性。
本发明提供的主被动结合的舱外服下肢助力装置、测试装置及测试方法具有以下优点：
本发明提出一种主被动结合的双向助力装置，同时提出一种测试装置。通过助力装置可对航天员在有限空间内背负尽可能少的负载条件下实现髋、膝双关节的双向助力；通过测试装置可实现对空间失重环境模拟以及髋、膝关节阻力矩的模拟，更贴近真实条件下验证助力的有效性。
附图说明
图1为本发明提供的主被动结合的舱外服下肢助力与测试装置的立体图；
图2为本发明提供的主被动结合的舱外服下肢助力与测试装置的侧视图；
图3为本发明提供的主被动结合的舱外服下肢助力装置的前视图；
图4为本发明提供的主被动结合的舱外服下肢助力装置的后视图；
图5为本发明提供的后背板相关件的示意图；
其中：
1、承载框架；2、大腿前部弹性带固定杆；3、小腿前部弹性带固定杆；4、跑步机；5、小腿后部弹性带固定杆；6、大腿后部弹性带固定杆；7、舱外服下肢助力装置；8、减重悬吊装置；9、减重驱动装置；10、大腿前部弹性带；11、小腿前部弹性带；12、小腿后部弹性带；13、大腿后部弹性带；
7-1、上身背负装置；7-2、腰部绑缚装置；7-3、髋关节弹性带；7-4、膝关节鲍登线鞘；7-5、大腿线孔；7-6、大腿绑缚装置；7-7、膝关节鲍登线钢丝绳；7-8、小腿钢丝绳线圈；7-9、小腿绑缚装置；7-10、膝关节弹性带；7-11、电机驱动器；7-12、电机；7-13、鲍登线转盘；7-14、后背板线孔；7-15、后背板。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明针对舱外服关节助力与测试问题，设计一种双向助力、主被动结合的柔性助力装置以及针对此装置的测试装置。通过双向助力的形式，解决行走过程中下肢髋、膝关节在舱外服内部所受到的双向阻力；通过主被动结合的方式解决舱外服内部空间局限，不宜安置过大的驱动系统等问题；通过测试装置将被试者穿戴助力装置后吊起模拟空间重量，同时在其大腿、小腿的前后部增加弹性带模拟舱外服由于充气带来的运动阻力矩。通过以上装置可实现对舱外服下肢关节的助力以及有效性的测试。
具体的，经研究，人在正常行走的周期步态中，髋关节与踝关节做正功，而膝关节做负功，但穿着舱外服后，踝关节动作受限，而髋关节与膝关节在双向运动方向需要克服舱外服的气体阻力，因此对舱外服的髋、膝关节助力应该采用双向助力模式。针对髋、膝关节的双向助力，则应安装8个驱动系统分别驱动双腿髋、膝关节的伸展和屈曲动作。但由于舱外服内部空间有限，因此需要结合下肢关节特点选择主被动结合的助力方式。经过调研分析，由于穿着舱外服后髋关节伸展动作阻力矩高达120Nm，适宜于主动式助力，而髋关节屈曲动作阻力矩约为40Nm，因此选择被动式助力即可。另外，针对膝关节，其伸展-屈曲动作的最大阻力矩均约40Nm左右，但其屈曲动作由腓肠肌、股二头肌、半腱肌和股薄肌共同完成，但伸展动作仅有股四头肌可提供力量，因此同样采用屈曲动作被动式助力，伸展动作主动式助力。经过以上分析，本发明中，设计髋关节屈曲、膝关节屈曲方向为被动式助力；髋关节伸展与膝关节伸展方向为主动式助力。下肢助力与测试装置的具体组成与原理如下。
(一)主被动结合的舱外服下肢助力装置
参考图3和图4，本发明提供一种主被动结合的舱外服下肢助力装置，包括上身背负装置7-1、腰部绑缚装置7-2、髋关节弹性带7-3、大腿绑缚装置7-6、小腿钢丝绳线圈7-8、小腿绑缚装置7-9、膝关节弹性带7-10、后背板7-15和主动助力单元；主动助力单元包括膝关节鲍登线、电机驱动器7-11、电机7-12和鲍登线转盘7-13；
上身背负装置7-1的后部固定安装后背板7-15；
上身背负装置7-1的下方设置腰部绑缚装置7-2，并且，腰部绑缚装置7-2的后部与上身背负装置7-1的后部固定连接，用于将舱外服下肢助力装置与被试者在腰部进行绑缚固定；
腰部绑缚装置7-2的下方左右两侧各设置一个大腿绑缚装置7-6；大腿绑缚装置7-6缠绕固定于大腿上；大腿绑缚装置7-6选择弹性较低绑带，避免由于其弹性影响助力效果。
腰部绑缚装置7-2和大腿绑缚装置7-6之间设置髋关节弹性带7-3；其中，髋关节弹性带7-3的一端与腰带固定连接，一端与大腿绑缚装置7-6固定连接，并且在安装时具备一定的预紧弹力，用于为髋关节屈曲自由度提供被动式助力；
每个大腿绑缚装置7-6的下方设置一个小腿绑缚装置7-9，小腿绑缚装置7-9缠绕固定于小腿上；小腿绑缚装置7-9选择弹性较低绑带，避免由于其弹性影响助力效果。
膝关节弹性带7-10的设置数量为两个，左右对称设置；每个膝关节弹性带7-10的一端与同侧的大腿绑缚装置7-6的后部固定连接；膝关节弹性带7-10的另一端与同侧的小腿绑缚装置7-9的后部固定连接；膝关节弹性带7-10安装时具备一定的弹力，进而为膝关节屈曲自由度提供被动式助力；
膝关节鲍登线的设置数量为两个，左右对称设置；在每个小腿绑缚装置7-9的前部固定安装小腿钢丝绳线圈7-8；小腿钢丝绳线圈7-8优选采用双线锚点结构的线圈，即：钢丝绳线圈通过多个锚点与小腿绑缚装置7-9固定。
每个膝关节鲍登线的一端缠绕于鲍登线转盘7-13，每个膝关节鲍登线的另一端与同侧的小腿钢丝绳线圈7-8连接，鲍登线转盘7-13通过电机驱动器7-11与电机7-12连接；电机7-12通过电机驱动器7-11驱动鲍登线转盘7-13转动，进而带动膝关节鲍登线运动，为髋关节与膝关节的伸展自由度提供主动式助力。
其中，电机驱动器7-11固定安装于后背板上，是电机控制系统的硬件。电机7-12固定安装于后背板上，其输出端与鲍登线转盘7-13连接，为鲍登线提供动力。鲍登线转盘7-13固定安装在电机输出端，可随电机旋转，转盘边缘有线槽，鲍登线钢丝绳可在线槽内固定缠绕。
其中，膝关节鲍登线包括膝关节鲍登线鞘7-4和膝关节鲍登线钢丝绳7-7；大腿绑缚装置7-6的前面固定大腿线孔7-5；后背板7-15固定后背板线孔7-14；
膝关节鲍登线鞘7-4的一端被挡于大腿线孔7-5，另一端被挡于后背板线孔7-14；即：膝关节鲍登线鞘7-4位于大腿线孔7-5和后背板线孔7-14之间；
膝关节鲍登线钢丝绳7-7的一端缠绕于鲍登线转盘7-13；膝关节鲍登线钢丝绳7-7的另一端从膝关节鲍登线鞘7-4的内部穿过，并固定于小腿钢丝绳线圈7-8，实现柔性传力作用。
实际应用中，大腿线孔7-5和后背板线孔7-14均为台阶孔形式，膝关节鲍登线鞘7-4抵于台阶孔的大孔位置，膝关节鲍登线鞘7-4内部的膝关节鲍登线钢丝绳7-7从台阶孔的小孔穿过。
本发明中，电机驱动器7-11、电机7-12和鲍登线转盘7-13均安装于后背板7-15。后背板主要提供电机等控制系统搭载平台。
(二)测试装置
参考图1和图2，应用主被动结合的舱外服下肢助力装置的测试装置，包括主被动结合的舱外服下肢助力装置7，还包括承载框架1、大腿前部弹性带固定杆2、小腿前部弹性带固定杆3、跑步机4、小腿后部弹性带固定杆5、大腿后部弹性带固定杆6、减重悬吊装置8、减重驱动装置9、大腿前部弹性带10、小腿前部弹性带11、小腿后部弹性带12和大腿后部弹性带13；
承载框架1由铝型材搭建而成，主要作用是可将整个被试者穿戴助力装置后进行悬挂以及阻力模拟。
被试者穿戴主被动结合的舱外服下肢助力装置7后，置于承载框架1的内部；
承载框架1的前部上侧固定安装大腿前部弹性带固定杆2；承载框架1的后部上侧对称固定安装大腿后部弹性带固定杆6；承载框架1的前部下侧固定安装小腿前部弹性带固定杆3；承载框架1的后部下侧固定安装小腿后部弹性带固定杆5；
大腿前部弹性带10用于提供髋关节伸展自由度的阻力，大腿前部弹性带10的一端与大腿前部弹性带固定杆2固定；大腿前部弹性带10的另一端与大腿绑缚装置7-6的前部固定；
大腿后部弹性带13用于提供髋关节屈曲自由度的阻力，大腿后部弹性带13的一端与大腿后部弹性带固定杆6固定；大腿后部弹性带13的另一端与大腿绑缚装置7-6的后部固定；
小腿前部弹性带11用于提供膝关节屈曲自由度的阻力，小腿前部弹性带11的一端与小腿前部弹性带固定杆3固定；小腿前部弹性带11的另一端与小腿绑缚装置7-9的前部固定；
小腿后部弹性带12用于提供膝关节伸展自由度的阻力，小腿后部弹性带12的一端与小腿后部弹性带固定杆5固定；小腿后部弹性带12的另一端与小腿绑缚装置7-9的后部固定；
承载框架1的下部安装跑步机4，跑步机4用于：被试者穿戴主被动结合的舱外服下肢助力装置7后，在跑步机4上面进行行走测试；
承载框架1的顶部安装减重驱动装置9；减重悬吊装置8的上方与减重驱动装置9连接，减重悬吊装置8的下方与主被动结合的舱外服下肢助力装置7连接，用于对被试者穿戴主被动结合的舱外服下肢助力装置7后进行悬吊减重。实际应用中，减重悬吊装置8的下方与主被动结合的舱外服下肢助力装置7的上身背负装置上部固定连接，并且与后背板的电机系统固定连接，被试者穿戴后可承担起整套助力装置。
其中，主被动结合的舱外服下肢助力装置7悬挂于减重悬吊装置8下方，为被试者下肢髋关节、膝关节提供助力，被试者在测试时可穿戴此装置。
实际应用中，减重驱动装置9包括驱动电机、滑轮、钢丝绳及力传感器；驱动电机驱动滑轮进行正反转；钢丝绳的一端缠绕于滑轮，钢丝绳的另一端与主被动结合的舱外服下肢助力装置7固定；力传感器用于测量主被动结合的舱外服下肢助力装置7的悬挂力。因此，通过减重驱动装置9，对钢丝绳的升降进行控制，可实现对被试者穿戴舱外服下肢助力装置后进行悬吊减重。
(三)测试方法
本发明还提供一种应用主被动结合的舱外服下肢助力装置的测试装置的测试方法，包括以下步骤：
步骤1，被试者舱外穿戴主被动结合的舱外服下肢助力装置7后，进入承载框架1内，并站在跑步机4上面；
步骤2，大腿前部弹性带10、小腿前部弹性带11、小腿后部弹性带12和大腿后部弹性带13均装配完成；减重悬吊装置8和减重驱动装置9装配完成；
通过减重驱动装置9调整悬吊高度，实现不同的模拟空间自重，进而实现对空间环境模拟；
跑步机4，用于为被试者原地行走步态提供条件；
大腿前部弹性带10、小腿前部弹性带11、小腿后部弹性带12和大腿后部弹性带13，用于实现空间重力模拟和穿着舱外服后下肢关节的阻力模拟，包括舱外服髋关节运动阻力模拟和舱外服膝关节运动阻力模拟；
具体的，启动跑步机4，被试者原地行走，被试者利用心肺呼吸仪及肌电传感器分别测试行走过程中的耗氧量及肌肉激活度参数，从而验证舱外服下肢助力装置的有效性。
本发明提供的主被动结合的舱外服下肢助力装置、测试装置及测试方法，主要特点为：由于髋关节与膝关节的屈曲自由度是通过弹性带进行被动式助力，导致被试者在自然站立时会有一定的向下蹲感觉，但由于穿戴舱外服时髋关节、膝关节处的关节阻力可降低其下蹲感。另外，髋关节与膝关节的伸展自由度由鲍登线拉动固定在小腿绑缚装置处的钢丝绳圈来实现主动式助力。被试者舱外服下肢穿戴助力装置后，进入承载框架内，并站在跑步机上面。助力装置的上身背负装置与减重悬吊装置连接后，通过减重驱动装置调整悬吊高度可实现不同的模拟空间自重；另外大腿与小腿绑缚装置的前部与后部均通过弹性带与型材框架连接。这样即实现了空间重力模拟又实现了穿着舱外服后下肢关节的阻力模拟。通过以上助力装置与检测装置的设计，可模拟验证被试者在身着舱外服行走时的助力效果。
下面介绍一个实施例：
本实施例提供一种主被动结合的舱外服下肢助力装置和测试装置，主要包括舱外服下肢助力装置和测试装置；其中，舱外服下肢助力装置是一款针对髋、膝关节的双向助力柔性外骨骼装置。针对髋关节、膝关节的屈曲动作采用弹性带作为被动助力方式，针对髋关节、膝关节的伸展动作采用电机+鲍登线作为主动助力方式。
根据舱外服关节阻力矩大小、设定助力效率以及鲍登线传输效率，选择主动助力为电机200W伺服电机+67:1减速器。鲍登线钢丝绳直径为1.5mm。另外在小腿处采用的小腿钢丝绳圈作用是：可增加锚点宽度，避免进行拉伸动作时导致的锚点滑移。
舱外服下肢助力装置的测试装置主要由减重悬吊装置、减重驱动装置、弹性带阻力模拟装置以及跑步机组成。
其中：减重悬吊装置利用减重驱动装置将被试者吊起抵消掉一部分重力来模拟空间失重状态，如在月面重力为地球重力的1/6，需要悬吊装置承担被试者及舱外服下肢助力装置5/6重量。固定在型材框架的弹性带可对舱外服髋关节、膝关节运动阻力进行模拟。跑步机可为被试者原地行走步态提供条件。
承载框架由铝型材搭建而成，长×宽×高分别为：1.8m×1.8m×2.5m，跑步机长×宽×高分别为1.5m×1m×0.2m。被试者穿戴舱外服下肢助力装置后，首先进行称重并根据空间自重进行减重计算，然后进入承载框架中，将上身背负装置与减重悬吊装置连接，并利用减重驱动装置缓慢拉起被试者直到其拉力等于其减重部分后锁定。将各阻力弹性带分别固定在大腿和小腿绑缚带前、后部，启动跑步机让被试者原地行走。被试者可利用心肺呼吸仪及肌电传感器分别测试行走过程中的耗氧量及肌肉激活度等参数来验证舱外服下肢助力装置的有效性。
本发明提供的主被动结合的舱外服下肢助力装置、测试装置及测试方法，主要创新点包括：1、针对舱外服特殊穿戴环境的外骨骼设计条件；2、针对舱外服的髋关节与膝关节的双向助力方式；3、针对舱外服的主被动结合的下肢助力方式；4、穿戴舱外服的空间自重、关节阻力模拟方式；5、小腿采用钢丝绳圈的双线锚点方式。
针对舱外服这一特殊环境的应用，本发明提出一种主被动结合的双向助力装置，同时提出一种测试装置。通过助力装置可对航天员在有限空间内背负尽可能少的负载条件下实现髋、膝双关节的双向助力；通过测试装置可实现对空间失重环境模拟以及髋、膝关节阻力矩的模拟，更贴近真实条件下验证助力的有效性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种主被动结合的舱外服下肢助力装置，其特征在于，包括上身背负装置(7-1)、腰部绑缚装置(7-2)、髋关节弹性带(7-3)、大腿绑缚装置(7-6)、小腿钢丝绳线圈(7-8)、小腿绑缚装置(7-9)、膝关节弹性带(7-10)、后背板(7-15)和主动助力单元；所述主动助力单元包括膝关节鲍登线、电机驱动器(7-11)、电机(7-12)和鲍登线转盘(7-13)；
所述上身背负装置(7-1)的后部固定安装所述后背板(7-15)；
所述上身背负装置(7-1)的下方设置所述腰部绑缚装置(7-2)，并且，所述腰部绑缚装置(7-2)的后部与所述上身背负装置(7-1)的后部固定连接，用于将舱外服下肢助力装置与被试者在腰部进行绑缚固定；
所述腰部绑缚装置(7-2)的下方左右两侧各设置一个所述大腿绑缚装置(7-6)；所述大腿绑缚装置(7-6)缠绕固定于大腿上；
所述腰部绑缚装置(7-2)和所述大腿绑缚装置(7-6)之间设置所述髋关节弹性带(7-3)；其中，所述髋关节弹性带(7-3)的一端与腰带固定连接，一端与所述大腿绑缚装置(7-6)固定连接，并且在安装时具备一定的预紧弹力，用于为髋关节屈曲自由度提供被动式助力；
每个所述大腿绑缚装置(7-6)的下方设置一个所述小腿绑缚装置(7-9)，所述小腿绑缚装置(7-9)缠绕固定于小腿上；
所述膝关节弹性带(7-10)的设置数量为两个，左右对称设置；每个所述膝关节弹性带(7-10)的一端与同侧的所述大腿绑缚装置(7-6)的后部固定连接；所述膝关节弹性带(7-10)的另一端与同侧的所述小腿绑缚装置(7-9)的后部固定连接；所述膝关节弹性带(7-10)安装时具备一定的弹力，进而为膝关节屈曲自由度提供被动式助力；
所述膝关节鲍登线的设置数量为两个，左右对称设置；在每个所述小腿绑缚装置(7-9)的前部固定安装所述小腿钢丝绳线圈(7-8)；每个所述膝关节鲍登线的一端缠绕于所述鲍登线转盘(7-13)，每个所述膝关节鲍登线的另一端与同侧的所述小腿钢丝绳线圈(7-8)连接，所述鲍登线转盘(7-13)通过所述电机驱动器(7-11)与所述电机(7-12)连接；所述电机(7-12)通过所述电机驱动器(7-11)驱动所述鲍登线转盘(7-13)转动，进而带动所述膝关节鲍登线运动，为髋关节与膝关节的伸展自由度提供主动式助力。
2.根据权利要求1所述的主被动结合的舱外服下肢助力装置，其特征在于，所述电机驱动器(7-11)、所述电机(7-12)和所述鲍登线转盘(7-13)均安装于所述后背板(7-15)。
3.根据权利要求1所述的主被动结合的舱外服下肢助力装置，其特征在于，所述膝关节鲍登线包括膝关节鲍登线鞘(7-4)和膝关节鲍登线钢丝绳(7-7)；
所述大腿绑缚装置(7-6)的前面固定大腿线孔(7-5)；所述后背板(7-15)固定后背板线孔(7-14)；
所述膝关节鲍登线鞘(7-4)的一端被挡于所述大腿线孔(7-5)，另一端被挡于所述后背板线孔(7-14)；即：所述膝关节鲍登线鞘(7-4)位于所述大腿线孔(7-5)和所述后背板线孔(7-14)之间；
所述膝关节鲍登线钢丝绳(7-7)的一端缠绕于所述鲍登线转盘(7-13)；所述膝关节鲍登线钢丝绳(7-7)的另一端从所述膝关节鲍登线鞘(7-4)的内部穿过，并固定于所述小腿钢丝绳线圈(7-8)，实现柔性传力作用。
4.根据权利要求3所述的主被动结合的舱外服下肢助力装置，其特征在于，所述大腿线孔(7-5)和所述后背板线孔(7-14)均为台阶孔形式，膝关节鲍登线鞘(7-4)抵于所述台阶孔的大孔位置，所述膝关节鲍登线鞘(7-4)内部的膝关节鲍登线钢丝绳(7-7)从台阶孔的小孔穿过。
5.根据权利要求1所述的主被动结合的舱外服下肢助力装置，其特征在于，所述小腿钢丝绳线圈(7-8)为双线锚点结构的线圈。
6.一种应用权利要求1-5任一项所述的主被动结合的舱外服下肢助力装置的测试装置，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述的主被动结合的舱外服下肢助力装置(7)，还包括承载框架(1)、大腿前部弹性带固定杆(2)、小腿前部弹性带固定杆(3)、跑步机(4)、小腿后部弹性带固定杆(5)、大腿后部弹性带固定杆(6)、减重悬吊装置(8)、减重驱动装置(9)、大腿前部弹性带(10)、小腿前部弹性带(11)、小腿后部弹性带(12)和大腿后部弹性带(13)；
被试者穿戴所述主被动结合的舱外服下肢助力装置(7)后，置于所述承载框架(1)的内部；
所述承载框架(1)的前部上侧固定安装所述大腿前部弹性带固定杆(2)；所述承载框架(1)的后部上侧对称固定安装所述大腿后部弹性带固定杆(6)；所述承载框架(1)的前部下侧固定安装所述小腿前部弹性带固定杆(3)；所述承载框架(1)的后部下侧固定安装所述小腿后部弹性带固定杆(5)；
所述大腿前部弹性带(10)用于提供髋关节伸展自由度的阻力，所述大腿前部弹性带(10)的一端与所述大腿前部弹性带固定杆(2)固定；所述大腿前部弹性带(10)的另一端与所述大腿绑缚装置(7-6)的前部固定；
所述大腿后部弹性带(13)用于提供髋关节屈曲自由度的阻力，所述大腿后部弹性带(13)的一端与所述大腿后部弹性带固定杆(6)固定；所述大腿后部弹性带(13)的另一端与所述大腿绑缚装置(7-6)的后部固定；
所述小腿前部弹性带(11)用于提供膝关节屈曲自由度的阻力，所述小腿前部弹性带(11)的一端与所述小腿前部弹性带固定杆(3)固定；所述小腿前部弹性带(11)的另一端与所述小腿绑缚装置(7-9)的前部固定；
所述小腿后部弹性带(12)用于提供膝关节伸展自由度的阻力，所述小腿后部弹性带(12)的一端与所述小腿后部弹性带固定杆(5)固定；所述小腿后部弹性带(12)的另一端与所述小腿绑缚装置(7-9)的后部固定；
所述承载框架(1)的下部安装所述跑步机(4)，所述跑步机(4)用于：被试者穿戴主被动结合的舱外服下肢助力装置(7)后，在所述跑步机(4)上面进行行走测试；
所述承载框架(1)的顶部安装所述减重驱动装置(9)；所述减重悬吊装置(8)的上方与所述减重驱动装置(9)连接，所述减重悬吊装置(8)的下方与所述主被动结合的舱外服下肢助力装置(7)连接，用于对被试者穿戴所述主被动结合的舱外服下肢助力装置(7)后进行悬吊减重。
7.根据权利要求6所述的应用主被动结合的舱外服下肢助力装置的测试装置，其特征在于，所述减重驱动装置(9)包括驱动电机、滑轮、钢丝绳及力传感器；所述驱动电机驱动所述滑轮进行正反转；所述钢丝绳的一端缠绕于所述滑轮，所述钢丝绳的另一端与所述主被动结合的舱外服下肢助力装置(7)固定；所述力传感器用于测量所述主被动结合的舱外服下肢助力装置(7)的悬挂力。
8.一种权利要求6所述的应用主被动结合的舱外服下肢助力装置的测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，被试者舱外穿戴主被动结合的舱外服下肢助力装置(7)后，进入承载框架(1)内，并站在跑步机(4)上面；
步骤2，大腿前部弹性带(10)、小腿前部弹性带(11)、小腿后部弹性带(12)和大腿后部弹性带(13)均装配完成；减重悬吊装置(8)和减重驱动装置(9)装配完成；
通过减重驱动装置(9)调整悬吊高度，实现不同的模拟空间自重，进而实现对空间环境模拟；
跑步机(4)，用于为被试者原地行走步态提供条件；
大腿前部弹性带(10)、小腿前部弹性带(11)、小腿后部弹性带(12)和大腿后部弹性带(13)，用于实现空间重力模拟和穿着舱外服后下肢关节的阻力模拟，包括舱外服髋关节运动阻力模拟和舱外服膝关节运动阻力模拟；
具体的，启动跑步机(4)，被试者原地行走，被试者利用心肺呼吸仪及肌电传感器分别测试行走过程中的耗氧量及肌肉激活度参数，从而验证舱外服下肢助力装置的有效性。
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