CN113304017A - 一种具有多种行走辅助模式的柔性下肢助力服 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有多种行走辅助模式的柔性下肢助力服，包括气动控制系统，左、右腿膝关节柔性助力组件，左、右腿髋关节柔性助力组件，以及航姿参考系统组件(AHRS)。航姿参考系统组件能够对人体的大腿和小腿相对地面的摆动角度参数进行实时获取，并反馈给气动控制系统；气动控制系统通过对航姿参考系统组件采集人体下肢运动信息，对人体当前的行走步态和运动模式进行识别；气动控制系统能够按照步态规律和行走模式适时地为左、右腿髋关节柔性助力组件，左、右腿膝关节柔性助力组件提供负压或者正压输入，从而为人体提供包括单独辅助髋关节运动、单独辅助膝关节运动及同时辅助膝关节和髋关节运动等三种行走辅助模式的行走辅助助力。

Description

一种具有多种行走辅助模式的柔性下肢助力服
技术领域
本发明涉及一种具有多种行走辅助模式的柔性下肢助力服，属于柔性外骨骼、柔性助力服、柔性可穿戴助力装备技术领域。
背景技术
可穿戴柔性下肢助力服从人因工程学角度出发，能够以人体骨骼作为支撑构件，采用柔性材料(布带、气动肌肉等)代替刚性连杆，穿戴或包覆在下肢周围，提供与人体肌肉或者肌腱平行的拉力，易适应不同人群的解剖学差异以及穿戴者不同行走模式的生理关节变化，实现与下肢生物力学更好的人机相容性和穿戴舒适性。因此，能够协助肢体仍残留部分运动功能的中风患者、弱行走能力的老年人群，提高其下肢机动能力，提高其生活质量。下肢助力服不仅在成本、实用性等方面具有优势，还具有极高的理论研究价值。
目前柔性下肢助力服按照驱动类型主要分为两类，一类是绳驱动的下肢助力服，另一类是气动肌肉驱动的下肢助力服。绳驱动的下肢助力服即采用柔性鲍登线驱动方式，通过收缩线距来传递拉力。国际上比较典型的绳驱动下肢助力服主要有哈佛大学Wyss实验室的Soft Exosuits系列柔性下肢助力服、韩国首尔国立大学的Park等采用鲍登绳开发了膝关节助力服 Knee tendon-suit、日本松下电器公司研究所柔性髋关节助力服等。绳驱动的下肢助力服可以通过鲍登绳刚度的选型来改变整体驱动系统的刚度，此外鲍登绳远程传动的特点也可以将系统重量转移至人体腰部，以降低人体运动惯量与能量的消耗。但由于鲍登绳传动具有黏滑效应(stick-slip)，且单向鲍登绳传动还存在动力学不对称问题，因此对于后续的位置与拉力控制也是一种挑战。
气动肌肉驱动的下肢助力服一般采用气动肌肉作为驱动器。目前国内外比较典型的气动肌肉驱动的下肢助力服包括日本冈山大学的Sasaki等采用铝膜充气气囊叠研发的下肢助力裤、日本中央大学的Mohri等采用直纤维型气动人工肌肉作为驱动单元开发的可增强下肢膝关节力量、减轻提升物体时腰部负载的膝关节柔性助力服，以及延边大学研制的以柔性连接布带为力矩传递单元的可穿戴柔性助力服，其采用电机和柔性布带作为驱动单元，柔性布带沿大腿表面分布，电机通过牵引柔性布带，对髋关节施加以较小的辅助力/矩。气动柔性下肢助力服虽然具有高功率密度、轻质以及本质柔顺的特点，但是气动肌肉驱动过程中高度非线性导致很难实现较高的控制精度，也限制了其在柔性下肢助力服领域的深入应用；并且气动肌肉驱动的下肢助力服由于气动肌肉的阈值较高，一般需要较大流量和气压的气源，对柔性下肢助力服的小型化、便携化带来了挑战。
综上所述，如何选择合适的柔性结构材料与驱动方式，以及如何设计柔性材料的布局以提升助力服的灵活性与助力效率是下肢助力服系统的研究关键，也是目前柔性下肢助力服领域亟需解决的难题。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的缺陷，提供了一种具有多种行走辅助模式的柔性下肢助力服，包括气动控制系统，左腿膝关节柔性助力组件，右腿膝关节柔性助力组件，左腿髋关节柔性助力组件，右腿髋关节柔性助力组件，以及航姿参考系统组件(AHRS)等。所述航姿参考系统组件(AHRS)能够对左、右腿大腿相对地面的摆动角度参数进行实时获取，并反馈给所述气动控制系统；所述气动控制系统对所述航姿参考系统组件(AHRS)采集人体下肢运动信息，对人体当前的行走步态和行走模式进行识别；所述气动控制系统能够按照步态规律和行走模式适时地为所述左腿髋关节柔性助力组件、右腿髋关节柔性助力组件、左腿膝关节柔性助力组件，以及右腿膝关节柔性助力组件提供正压或者负压输入，可以为用户提供三种运动辅助模式的助力。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种具有多种行走辅助模式的柔性下肢助力服，包括：
气动控制系统，其用于对获取的数据进行处理，以及对驱动及负压输出进行控制；
左腿膝关节柔性助力组件，其用于穿戴在左腿膝关节，能够在人体矢状面内在左腿的大腿和小腿的后侧，以及膝盖窝侧提供气压作用力，为左腿膝关节提供在0°-180°范围内伸展的转矩，从而辅助左腿膝关节伸展；
右腿膝关节柔性助力组件，其用于穿戴在右腿膝关节，能够在人体矢状面内从右腿的大腿和小腿的后侧，以及膝盖窝侧提供气压作用力，为右腿膝关节提供在0°-180°范围内伸展的转矩，从而辅助右腿膝关节伸展；
左腿髋关节柔性助力组件，其能够提供左腿大腿摆动的助力，从而辅助左腿髋关节运动；
右腿髋关节柔性助力组件，其能够提供右腿大腿摆动的助力，从而辅助右腿髋关节运动；
航姿参考系统组件(AHRS)，其安装在所述左腿膝关节柔性助力组件和右腿膝关节柔性助力组件上，位于人体的冠状面内，能够对双腿的小腿和大腿相对地面的摆动角度和角速度变化参数进行实时获取，并反馈给所述气动控制系统，为所述气动控制系统提供用户步态和行走模式数据；
所述航姿参考系统组件(AHRS)能够对左、右腿大腿相对地面的摆动角度参数进行实时获取，并反馈给所述气动控制系统；所述气动控制系统通过所述航姿参考系统组件(AHRS) 的反馈对人体当前的行走步态和行走模式进行识别；所述气动控制系统能够按照步态规律和行走模式适时地为所述左腿髋关节柔性助力组件、右腿髋关节柔性助力组件、左腿膝关节柔性助力组件，以及右腿膝关节柔性助力组件提供正压或者负压输入，从而为用户提供三种运动辅助模式的助力；
所述三种运动辅助模式包括：
运动辅助模式一，单独辅助髋关节运动；
运动辅助模式二，单独辅助膝关节运动；
运动辅助模式三，同时辅助膝关节和髋关节运动。
优选地，所述气动控制系统包括：控制箱本体、控制器、电池组、开关A、开关B、正负压双模式气泵、两位三通正压气阀A、两位三通正压气阀B、两位三通负压气阀C、两位三通负压气阀D、两通电磁阀E、两通电磁阀F；
所述控制器用于对数据进行接收、计算、处理，以及指令发送；
所述正负压双模式气泵能够为所述左腿髋关节柔性助力组件和所述右腿髋关节柔性助力组件提供负压，以及为所述左腿膝关节柔性助力组件和所述右腿膝关节柔性助力组件提供正压；
所述两位三通正压气阀A、两位三通正压气阀B、两位三通负压气阀C、两位三通负压气阀D均为三通电磁阀，其分别用于所述正负压双模式气泵正压输出到左腿髋关节柔性助力组件、所述右腿髋关节柔性助力组件、所述左腿膝关节柔性助力组件及所述右腿膝关节柔性助力组件之间不同气流输送通道的切换，以及正压和负压的切换；
所述两通电磁阀E用于将所述正负压双模式气泵进气口与外界空气连通，所述两通电磁阀F用于将所述微小型正负压双模式气泵出气口与外界空气连通；
所述开关A和开关B用于对所述控制器输出信号开或关的控制；
所述电池组为所述气动控制系统供电。
优选地，所述柔性下肢助力服还包括：
肩部约束带，用于将所述气动控制系统在用户的肩部和背部约束和固定；
腰部约束带，用于将所述气动控制系统在用户的腰部约束和固定；
气管A和气管B，其分别用于将所述气动控制系统与所述左腿膝关节柔性助力组件和右腿膝关节柔性助力组件连接，从而提供正压输入或者气压卸载；
气管C和气管D，其分别用于将所述气动控制系统为所述左腿髋关节柔性助力组件和右腿髋关节柔性助力组件连接，从而提供负压输入或者气压卸载。
优选地，所述左腿膝关节柔性助力组件和右腿膝关节柔性助力组件分别进一步包括包围式护膝、TPU正压驱动器以及膝部固定带。
优选地，所述包围式护膝分为毛面侧和光面侧，其毛面侧为所述左腿膝关节柔性助力组件和所述右腿膝关节柔性助力组件外侧，其光面侧为所述左腿膝关节柔性助力组件和所述右腿膝关节柔性助力组件内侧。
优选地，所述TPU正压驱动器由TPU布料材质制成，其在气压作用下能够由任意角度的弯折状态旋转到伸直状态，产生旋转运动并同样对外输出力矩；
所述TPU正压驱动器以所述包围式护膝的Y轴为对称轴缝合在所述包围式护膝的毛面一侧，其能够接受正压的加载和卸载，能够在人体矢状面内从大腿和小腿的后侧，以及膝盖窝侧提供气压作用力，为膝关节提供在0°-180°范围内伸展的转矩，辅助左右腿膝关节伸展。
优选地，所述左腿髋关节柔性助力组件和所述右腿髋关节柔性助力组件分别进一步包括负压线性收缩弹性体驱动器、腰部固定带、连接件A，以及连接件B；
所述左腿髋关节柔性助力组件或所述右腿髋关节柔性助力组件的负压线性收缩弹性体驱动器的一端通过连接件A安装在所述腰部固定带上，另一端通过所述连接件B安装在所述左腿膝关节柔性助力组件或右腿膝关节柔性助力组件的膝部固定带上；由此，髋骨、大腿骨和负压线性收缩弹性体驱动器三者形成两边长度固定，另一边长度可变的三角形，通过控制负压流量能够控制所述负压线性收缩弹性体驱动器长度的变化，从而控制髋骨与大腿骨之间夹角的变化，为髋关节提供助力；
所述负压线性收缩弹性体驱动器能够接受气动控制系统的负压输入和卸载，当有负压输入时发生线性位移变短且具有拉力；当负压线性收缩弹性体驱动器负压卸载时，逐渐恢复到不受力的初始状态，在此过程中形成与负压作用下相反方向的位移，过程可控。
优选地，在所述运动辅助模式一的单独辅助髋关节运动模式下，所述两通电磁阀F开通，正负压双模式气泵的出气口通过两通电磁阀F与外界空气连通，所述正负压双模式气泵的进气口分别经由两位三通负压气阀C与两位三通负压气阀D与所述左腿髋关节柔性助力组件或者所述右腿髋关节柔性助力组件连通；所述控制器采集左腿大腿和右腿大腿的AHRS信息，判断髋关节(大腿)运动状态，通过实时控制两位三通负压气阀C与两位三通负压气阀D的交替开通，为左右腿的髋关节交替提供辅助力矩。
优选地，运动辅助模式二的单独辅助膝关节运动模式下，两通电磁阀E开通，微型正负压双模式气泵进气口通过两通电磁阀E与外界空气联通，所述微型正负压双模式气泵出气口分别经由两位三通正压气阀A与两位三通正压气阀B与所述左腿膝关节柔性助力组件或者所述右腿膝关节柔性助力组件联通；所述控制器采集左腿大腿、左腿小腿、右腿大腿以及右腿小腿上的AHRS信息，判断膝关节的运动状态，通过实时控制两位三通正压气阀A与两位三通正压气阀B的交替开通，为左右腿的膝关节交替提供辅助力矩。
优选地，运动辅助模式三的同时辅助膝关节和髋关节运动模式下，两通电磁阀E和两通电磁阀F关闭。控制器采集左腿大腿、左腿小腿、右腿大腿以及右腿小腿上的AHRS信息，对髋关节和膝关节的运动状态进行实时判断，对微型正负压双模式气泵的转速进行指令规划，通过控制两位三通正压气阀A与两位三通正压气阀B的交替开通，按照所划分的左腿弯曲、左腿伸展、右腿弯曲以及右腿伸展四个状态适时地为左右腿的膝关节交替提供辅助力矩；通过实时控制两位三通负压气阀C与两位三通负压气阀D的交替开通，按照所划分的左腿髋关节运动和右腿髋关节运动两种运动状态适时地为左腿髋关节和右腿髋关节交替提供弯曲(前摆)的辅助力矩。
相比现有技术，本发明具有多种行走辅助模式的柔性下肢助力服具有三种运动辅助模式：可以同时辅助膝关节和髋关节运动，也可以单独辅助髋关节或者膝关节运动，差异性的功能模式能满足用户对不同关节的助力需求。
相比现有技术，本发明采用TPU正压驱动器作为膝关节的伸展力矩执行构件，TPU正压驱动器能够在人体矢状面内从大腿和小腿的后侧，以及膝盖窝侧提供压力作用力，为膝关节提供在0°-180°范围内伸展的转矩，辅助左右腿膝关节伸展，这种结构形式比驱动器安装在大腿和小腿外侧的柔性膝关节驱动器结构形式更加直接有效，不易产生偏转，驱动效率更高。
相比现有技术，本发明采用TPU正压驱动器作为膝关节的伸展力矩执行构件，采用负压线性收缩弹性体驱动器作为髋关节辅助力矩执行构件，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，容易造成人下肢关节机械惯性损伤，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，此外本发明所述的具有多种行走辅助模式的柔性下肢助力服克服常规刚性外骨骼机器人自重大，不能快速穿脱，用户对其外形缺乏心里认同的缺点，具有部件少，人机干涉小,结构简单、使用方便,有效减小了助力装置的质量和惯量，且具有穿戴方便，以及用户心理认同度高等优点。
附图说明
图1是本发明具有多种行走辅助模式的柔性下肢助力服的主视图；
图2是本发明具有多种行走辅助模式的柔性下肢助力服的右视图；
图3是本发明具有多种行走辅助模式的柔性下肢助力服的后视图；
图4是本发明具有多种行走辅助模式的柔性下肢助力服的总体控制方案图。
其中各附图标记含义如下：
1.气动控制系统；2.左腿膝关节柔性助力组件；3.右腿膝关节柔性助力组件；4.左腿髋关节柔性助力组件；5.右腿髋关节柔性助力组件；6.航姿参考系统组件(AHRS)；7.肩部约束带，8.腰部约束带；9.气管A；10.气管B；11.气管C；12.气管D。
101.包围式毛面莱卡布(OK布)护膝；102.TPU正压驱动器；103.膝关节固定带；104. 负压线性收缩弹性体驱动器；105.腰部固定带；106.柔性连接件A；107.柔性连接件B。
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。
本发明提供了一种具有多种行走辅助模式的柔性下肢助力服。图1、2和3分别为所述具有多种行走辅助模式的柔性下肢助力服主视图(正向视图)、右视图和后视图。如图1，2和 3所示，所述具有多种行走辅助模式的柔性下肢助力服包括气动控制系统1，左腿膝关节柔性助力组件2，右腿膝关节柔性助力组件3，左腿髋关节柔性助力组件4；右腿髋关节柔性助力组件5，航姿参考系统组件(AHRS)6，肩部约束带7，腰部约束带8，气管(A)9,气管(B)10,气管(C)11,气管(D)12等。
所述气动控制系统1是所述柔性下肢助力服控制中枢，负责所述柔性下肢助力服的数据处理、驱动控制以及负压输出控制，用户可以通过所述肩部约束带7和所述腰部约束带8将所述气动控制系统1背负在双肩，并在腰部固定。所述气动控制系统包括：控制箱本体、控制器、锂电池组、开关A、开关B、微小型正负压双模式气泵、两位三通正压气阀A、两位三通正压气阀B、两位三通负压气阀C、两位三通负压气阀D、两通电磁阀E、两通电磁阀F、三通转接头以及两通转接头等。所述控制器是所述柔性下肢助力服数据接收、计算、处理和指令发送的主令单元；微小型正负压双模式气泵是所述柔性下肢助力服的动力源，所述微小型正负压双模式气泵的出气口(正压)经由所述两位三通正压气阀A与所述左腿膝关节柔性助力组件连接，经由所述两位三通正压气阀B与所述右腿膝关节柔性助力组件连接，可以为所述左腿膝关节柔性助力组件和所述右腿膝关节柔性助力组件提供正压；所述微小型正负压双模式气泵的进气口(负压)经由所述两位三通负压气阀C与所述左腿髋关节柔性助力组件连接，经由所述两位三通负压气阀D与所述右腿膝关节柔性助力组件连接，可以为所述左腿髋关节柔性助力组件和所述右腿髋关节柔性助力组件提供负压。
所述两通电磁阀E用于所述微小型正负压双模式气泵进气口与外界空气连通，所述两通电磁阀F用于所述微小型正负压双模式气泵出气口与外界空气连通；所述开关A和开关B用于对所述控制器输出信号开或关的控制。
如图2所示，所述左腿膝关节柔性助力组件2和右腿膝关节柔性助力组件3分别包括包围式毛面莱卡布(OK布)护膝101，TPU正压驱动器102，膝关节固定带103。所述左腿膝关节柔性助力组件2和所述右腿膝关节柔性助力组件3采用包围式护膝形式，分别穿戴在左右腿大腿、小腿和膝关节相应位置，能够在人体矢状面内从左右腿的大腿和小腿的后侧，以及膝盖窝侧提供气压作用力，为左右腿膝关节提供在0°-180°范围内伸展的转矩，辅助左右腿膝关节伸展。
所述包围式毛面莱卡布(OK布)护膝分为毛面侧和光面侧，其毛面侧即为所述左腿膝关节柔性助力组件和所述右腿膝关节柔性助力组件外侧，其光面侧即为所述左腿膝关节柔性助力组件和所述右腿膝关节柔性助力组件内侧。所述TPU正压驱动器由TPU布料材质制成，是所述左腿膝关节柔性助力组件和所述右腿膝关节柔性助力组件的驱动元件，其在气压作用下可以由任意角度的弯折状态旋转到伸直状态，产生旋转运动并同样对外输出力矩；所述TPU 正压驱动器以所述包围式毛面莱卡布(OK布)护膝的Y轴为对称轴缝合在所述包围式毛面莱卡布护膝的毛面一侧，其能够接受正压的加载和卸载，能够在人体矢状面内从大腿和小腿的后侧，以及膝盖窝侧提供气压作用力，为膝关节提供在0°-180°范围内伸展的转矩，辅助左右腿膝关节伸展。
所述左腿髋关节柔性助力组件4和所述右腿髋关节柔性助力组件5分别包括负压线性收缩弹性体驱动器104、腰部固定带105、柔性连接件A 106，以及柔性连接件B 107。所述负压线性收缩弹性体驱动器的一端通过连接件A 106安装在所述腰部固定带105上，另一端通过所述连接件B 107安装在所述左腿膝关节柔性助力组件2或者所述右腿膝关节柔性助力组件3的膝部固定带上。由此，髋骨、大腿骨和负压线性收缩弹性体驱动器104三者形成两边长度基本固定，另一边长度可变的三角形，通过控制负压流量可以控制负压线性收缩弹性体驱动器长度104的变化，从而控制髋骨与大腿骨之间夹角的变化，为髋关节提供助力。所述负压线性收缩弹性体驱动器104能够接受气动控制系统1的负压输入和卸载，当有负压输入时发生线性位移变短且具有拉力；当负压线性收缩弹性体驱动器104负压卸载时，逐渐恢复到不受力的初始状态，在此过程中形成与负压作用下相反方向的位移，过程可控。
所述航姿参考系统组件(AHRS)6安装在所述左腿膝关节柔性助力组件2和右腿膝关节柔性助力组件3上，位于人体的冠状面内，能够对双腿的小腿和大腿相对地面的摆动角度和角速度变化参数进行实时获取，并反馈给所述气动控制系统1，为所述气动控制系统1提供用户步态和行走模式数据。
行走模式包括平地行走模式，上下楼行走模式，上下坡行走模式。
气管A，气管B分别用于所述气动控制系统1为所述左腿膝关节柔性助力组件2和右腿膝关节柔性助力组件3提供正压输入，气管C和气管D分别用于所述气动控制系统1为所述左腿髋关节柔性助力组件4和右腿髋关节柔性助力组件5提供负压输入。
所述航姿参考系统组件(AHRS)能够对左、右腿大腿相对地面的摆动角度参数进行实时获取，并反馈给所述气动控制系统1。所述气动控制系统1能够通过所述航姿参考系统组件(AHRS)6采集人体下肢运动信息，对人体当前的行走步态和行走模式进行识别。所述气动控制系统1能够按照步态规律和行走模式适时地为所述左腿膝关节柔性助力组件2、右腿膝关节柔性助力组件3、左腿髋关节柔性助力组件4以及右腿髋关节柔性助力组件5提供正压或者负压输入，可以为用户提供三种运动辅助模式的助力；
所述三种运动辅助模式包括：
运动辅助模式一，单独辅助髋关节运动；
运动辅助模式二，单独辅助膝关节运动；
运动辅助模式三，同时辅助膝关节和髋关节运动。
图4是具有多种行走辅助模式的柔性下肢助力服的总体控制方案图，信号1、信号2、信号3、信号4分别控制两位三通负压气阀A、两位三通负压气阀B、两位三通正压气阀C、两位三通正压气阀D，高电平为开通，低电平为关闭。信号5用于控制微小型正负压双模式气泵。信号6、信号7、信号8、信号9分别为AHRS组件在左腿大腿、左腿小腿、右腿大腿、右腿小腿采集的信号。信号10和信号11分别控制两通电磁阀E和两通电磁阀F，高电平为开通，低电平为关闭。下面分别说明三种运动辅助模式的控制过程。
(1)单独辅助髋关节运动模式
如图4所示，单独辅助髋关节运动模式下，开关B关闭，信号3和信号4不输出信号。此时，信号11为高电平，两通电磁阀F开通。微型正负压双模式气泵出气口通过两通电磁阀F与外界空气连通。控制器采集左腿大腿和右腿大腿的AHRS信息，判断髋关节(大腿)运动状态，状态分为左腿髋关节运动状态和右腿髋关节运动状态。
当系统处于左腿髋关节运动状态，信号1输出高电平，信号2输出低电平，右腿髋关节柔性助力组件5与大气连通，不提供辅助力矩。微型正负压双模式气泵的进气口只与左腿髋关节柔性助力组件4连通。通过抽气(负压)，左腿髋关节柔性助力组件4为左腿髋关节提供弯曲(前摆)的辅助力矩。
当系统切换到右腿髋关节运动状态，信号1输出低电平，信号2输出高电平。左腿髋关节柔性助力组件4与大气连通，不再提供辅助力矩。同时，微型正负压双模式气泵的进气口只与右腿髋关节柔性助力组件5连通，通过微型正负压双模式气泵抽气，右腿髋关节柔性助力组件5为右腿髋关节提供弯曲(前摆)的辅助力矩。
在正常行走过程中，系统判定出左右腿髋关节运动状态的交替切换，最终通过两位三通负压气阀C与两位三通负压气阀D的交替开通，实现为左右腿的髋关节交替提供辅助力矩的作用。
(2)单独辅助膝关节运动模式
如图4所示，单独辅助膝关节运动模式下，信号1和信号2不输出信号。信号10高电平，两通电磁阀E开通。微型正负压双模式气泵进气口通过两通电磁阀E与外界空气连通。控制器采集左腿大腿、左腿小腿、右腿大腿以及右腿小腿上的AHRS信息，判断膝关节的运动状态，分为左腿弯曲、左腿伸展、右腿弯曲以及右腿伸展四个状态。当系统处于左腿伸展状态，信号3输出高电平，信号4输出低电平。左腿膝关节柔性助力组件3与大气连通，不提供辅助力矩。微型正负压双模式气泵的出气口只与左腿膝关节柔性助力组件2连通。通过充气，左腿膝关节柔性助力组件2为左腿膝关节提供伸展的辅助力矩。然后，系统切换到右腿弯曲状态，信号3和信号4输出低电平，微型正负压双模式气泵不运转，系统不提供辅助力矩。随后，系统切换到右腿伸展状态，信号3输出低电平，信号4输出高电平。左腿膝关节柔性助力组件2与大气连通，不提供辅助力矩。微型正负压双模式气泵的出气口只与右腿膝关节柔性助力组件3连通。通过充气，右腿膝关节柔性助力组件3为右腿膝关节伸展提供辅助力矩。然后，系统切换到左腿弯曲状态，信号3和信号4输出低电平，微型正负压双模式气泵不运转，柔性下肢助力服不提供辅助力矩。之后，系统再次切换到左腿伸展状态，工作原理如之前所述。
在正常行走过程中，气动控制系统1判定出膝关节运动状态的交替切换，最终通过两位三通正压气阀A与两位三通正压气阀B的交替开通，实现为左右腿的膝关节交替提供辅助力矩的作用。
(3)同时辅助膝关节和髋关节运动模式
如图4所示，同时辅助膝关节和髋关节运动模式下，开关1和开关2均打开。信号10和信号11输出低电平，两通电磁阀E和两通电磁阀F关闭。控制器采集左腿大腿、左腿小腿、右腿大腿以及右腿小腿上的AHRS信息，对髋关节和膝关节的运动状态进行实时判断，对微型正负压双模式气泵的转速进行指令规划，微型正负压双模式气泵的运转指令由髋关节状态判断和膝关节状态判断共同决定。
控制器采集左腿大腿、左腿小腿、右腿大腿以及右腿小腿上的AHRS信息，同时判断膝关节和髋关节的运动状态，将膝关节的运动状态分为左腿弯曲、左腿伸展、右腿弯曲以及右腿伸展四个状态，同时将髋关节的运动状态分为左腿髋关节运动和右腿髋关节运动两种状态。
当左腿膝关节处于左腿伸展状态，信号3输出高电平，信号4输出低电平。右腿膝关节柔性助力组件3与大气连通，不提供辅助力矩。微型正负压双模式气泵的出气口只与左腿膝关节柔性助力组件2连通。通过充气，左腿膝关节柔性助力组件2为左腿膝关节提供伸展的辅助力矩。然后，系统切换到右腿弯曲状态，信号3和信号4输出低电平，微型正负压双模式气泵不运转，柔性下肢助力服不提供辅助力矩。随后，气动控制系统1切换到右腿伸展状态，信号3输出低电平，信号4输出高电平。左腿膝关节柔性助力组件2与大气连通，不提供辅助力矩。微型正负压双模式气泵的出气口只与右腿膝关节柔性助力组件3连通。通过充气，右腿膝关节柔性助力组件3为右腿膝关节伸展提供辅助力矩。最后，气动控制系统1切换到左腿弯曲状态，信号3和信号4输出低电平，微型正负压双模式气泵不运转，柔性下肢助力服不提供辅助力矩。
当髋关节处于左腿髋关节运动状态时，信号1输出高电平，信号2输出低电平，右腿髋关节柔性助力组件5与大气连通，不提供辅助力矩；微型正负压双模式气泵的进气口只与左腿髋关节柔性助力组件4连通；通过抽气，左腿髋关节柔性助力组件4为左腿髋关节提供弯曲(前摆)的辅助力矩。当气动控制系统1切换到右腿髋关节运动状态时，信号1输出低电平，信号2输出高电平。左腿髋关节柔性助力组件4与大气连通，不再提供辅助力矩。同时，微型正负压双模式气泵的进气口只与右腿髋关节柔性助力组件5连通，通过微型正负压双模式气泵抽气，右腿髋关节柔性助力组件5为右腿髋关节提供弯曲(前摆)的辅助力矩。
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)

1.一种具有多种行走辅助模式的柔性下肢助力服，包括：
气动控制系统，其用于对获取的数据进行处理，以及对驱动及负压输出进行控制；
左腿膝关节柔性助力组件，其用于穿戴在左腿膝关节，能够在人体矢状面内在左腿的大腿和小腿的后侧，以及膝盖窝侧提供气压作用力，为左腿膝关节提供在0°-180°范围内伸展的转矩，从而辅助左腿膝关节伸展；
右腿膝关节柔性助力组件，其用于穿戴在右腿膝关节，能够在人体矢状面内从右腿的大腿和小腿的后侧，以及膝盖窝侧提供气压作用力，为右腿膝关节提供在0°-180°范围内伸展的转矩，从而辅助右腿膝关节伸展；
左腿髋关节柔性助力组件，其能够提供左腿大腿摆动的助力，从而辅助左腿髋关节运动；
右腿髋关节柔性助力组件，其能够提供右腿大腿摆动的助力，从而辅助右腿髋关节运动；
航姿参考系统组件(AHRS)，其安装在所述左腿膝关节柔性助力组件和右腿膝关节柔性助力组件上，位于人体的冠状面内，能够对双腿的小腿和大腿相对地面的摆动角度和角速度变化参数进行实时获取，并反馈给所述气动控制系统，为所述气动控制系统提供用户步态和行走模式数据；
所述航姿参考系统组件能够对左、右腿大腿相对地面的摆动角度参数进行实时获取，并反馈给所述气动控制系统；所述气动控制系统通过所述航姿参考系统组件(AHRS)的反馈对人体当前的行走步态和行走模式进行识别；所述气动控制系统能够按照步态规律和行走模式适时地为所述左腿髋关节柔性助力组件、右腿髋关节柔性助力组件、左腿膝关节柔性助力组件，以及右腿膝关节柔性助力组件提供正压或者负压输入，从而为用户提供三种运动辅助模式的助力；
所述三种运动辅助模式包括：
运动辅助模式一，单独辅助髋关节运动；
运动辅助模式二，单独辅助膝关节运动；
运动辅助模式三，同时辅助膝关节和髋关节运动。
2.根据权利要求1所述的具有多种行走辅助模式的柔性下肢助力服，其特征在于，所述气动控制系统包括：控制箱本体、控制器、电池组、开关A、开关B、正负压双模式气泵、两位三通正压气阀A、两位三通正压气阀B、两位三通负压气阀C、两位三通负压气阀D、两通电磁阀E、两通电磁阀F；
所述控制器用于对数据进行接收、计算、处理，以及指令发送；
所述正负压双模式气泵能够为所述左腿髋关节柔性助力组件和所述右腿髋关节柔性助力组件提供负压，以及为所述左腿膝关节柔性助力组件和所述右腿膝关节柔性助力组件提供正压；
所述两位三通正压气阀A、两位三通正压气阀B、两位三通负压气阀C、两位三通负压气阀D均为三通电磁阀，其分别用于所述正负压双模式气泵正压输出到左腿髋关节柔性助力组件、所述右腿髋关节柔性助力组件、所述左腿膝关节柔性助力组件及所述右腿膝关节柔性助力组件之间不同气流输送通道的切换，以及正压和负压的切换；
所述两通电磁阀E用于将所述正负压双模式气泵进气口与外界空气连通，所述两通电磁阀F用于将所述微小型正负压双模式气泵出气口与外界空气连通；
所述开关A和开关B用于对所述控制器输出信号开或关的控制；
所述电池组为所述气动控制系统供电。
3.根据权利要求1所述的具有多种行走辅助模式的柔性下肢助力服，其特征在于，所述柔性下肢助力服还包括：
肩部约束带，用于将所述气动控制系统在用户的肩部和背部约束和固定；
腰部约束带，用于将所述气动控制系统在用户的腰部约束和固定；
气管A和气管B，其分别用于将所述气动控制系统与所述左腿膝关节柔性助力组件和右腿膝关节柔性助力组件连接，从而提供正压输入或者气压卸载；
气管C和气管D，其分别用于将所述气动控制系统为所述左腿髋关节柔性助力组件和右腿髋关节柔性助力组件连接，从而提供负压输入或者气压卸载。
4.根据权利要求1所述的具有多种行走辅助模式的柔性下肢助力服，其特征在于，所述左腿膝关节柔性助力组件和右腿膝关节柔性助力组件分别进一步包括包围式护膝、TPU正压驱动器以及膝部固定带。
5.根据权利要求4所述的具有多种行走辅助模式的柔性下肢助力服，其特征在于，所述包围式护膝分为毛面侧和光面侧，其毛面侧为所述左腿膝关节柔性助力组件和所述右腿膝关节柔性助力组件外侧，其光面侧为所述左腿膝关节柔性助力组件和所述右腿膝关节柔性助力组件内侧。
6.根据权利要求5所述的具有多种行走辅助模式的柔性下肢助力服，其特征在于，所述TPU正压驱动器由TPU布料材质制成，其在气压作用下能够由任意角度的弯折状态旋转到伸直状态，产生旋转运动并同样对外输出力矩；
所述TPU正压驱动器以所述包围式护膝的Y轴为对称轴缝合在所述包围式护膝的毛面一侧，其能够接受正压的加载和卸载，能够在人体矢状面内从大腿和小腿的后侧，以及膝盖窝侧提供气压作用力，为膝关节提供在0°-180°范围内伸展的转矩，辅助左右腿膝关节伸展。
7.根据权利要求4所述的具有多种行走辅助模式的柔性下肢助力服，其特征在于，所述左腿髋关节柔性助力组件和所述右腿髋关节柔性助力组件分别进一步包括负压线性收缩弹性体驱动器、腰部固定带、连接件A，以及连接件B；
所述左腿髋关节柔性助力组件或所述右腿髋关节柔性助力组件的负压线性收缩弹性体驱动器的一端通过连接件A安装在所述腰部固定带上，另一端通过所述连接件B安装在所述左腿膝关节柔性助力组件或右腿膝关节柔性助力组件的膝部固定带上；由此，髋骨、大腿骨和负压线性收缩弹性体驱动器三者形成两边长度固定，另一边长度可变的三角形，通过控制负压流量能够控制所述负压线性收缩弹性体驱动器长度的变化，从而控制髋骨与大腿骨之间夹角的变化，为髋关节提供助力；
所述负压线性收缩弹性体驱动器能够接受气动控制系统的负压输入和卸载，当有负压输入时发生线性位移变短且具有拉力；当负压线性收缩弹性体驱动器负压卸载时，逐渐恢复到不受力的初始状态，在此过程中形成与负压作用下相反方向的位移，过程可控。
8.根据权利要求2所述的具有多种行走辅助模式的柔性下肢助力服，其特征在于，在所述运动辅助模式一的单独辅助髋关节运动模式下，所述两通电磁阀F开通，正负压双模式气泵的出气口通过两通电磁阀F与外界空气连通，所述正负压双模式气泵的进气口分别经由两位三通负压气阀C和两位三通负压气阀D与所述左腿髋关节柔性助力组件和所述右腿髋关节柔性助力组件连通；所述控制器采集左腿大腿和右腿大腿的航姿参考系统组件反馈信息，判断髋关节运动状态，通过实时控制两位三通负压气阀C与两位三通负压气阀D的交替开通，为左右腿的髋关节交替提供辅助力矩。
9.根据权利要求2所述的具有多种行走辅助模式的柔性下肢助力服，其特征在于，运动辅助模式二的单独辅助膝关节运动模式下，两通电磁阀E开通，正负压双模式气泵进气口通过两通电磁阀E与外界空气连通，所述正负压双模式气泵出气口分别经由两位三通正压气阀A和两位三通正压气阀B与所述左腿膝关节柔性助力组件和所述右腿膝关节柔性助力组件连通；所述控制器采集左腿大腿、左腿小腿、右腿大腿以及右腿小腿上的航姿参考系统组件反馈信息，判断膝关节的运动状态，通过实时控制两位三通正压气阀A与两位三通正压气阀B的交替开通，为左右腿的膝关节交替提供辅助力矩。
10.根据权利要求2所述的具有多种行走辅助模式的柔性下肢助力服，其特征在于，运动辅助模式三的同时辅助膝关节和髋关节运动模式下，两通电磁阀E和两通电磁阀F关闭；控制器采集左腿大腿、左腿小腿、右腿大腿及右腿小腿上的航姿参考系统组件反馈信息，对髋关节和膝关节的运动状态进行实时判断，对正负压双模式气泵的转速进行指令规划，从而
通过控制两位三通正压气阀A与两位三通正压气阀B的交替开通，按照所划分的左腿弯曲、左腿伸展、右腿弯曲以及右腿伸展四个状态适时地为左右腿的膝关节交替提供辅助力矩；以及
通过实时控制两位三通负压气阀C与两位三通负压气阀D的交替开通，按照所划分的左腿髋关节运动和右腿髋关节运动两种运动状态适时地为左腿髋关节和右腿髋关节交替提供弯曲的辅助力矩。
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