CN113733048A - 一种用于舱外航天服助力的负压式柔性外骨骼系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于舱外航天服助力的负压式柔性外骨骼系统，属于机器人技术领域，包括、外骨骼气动控制系统、若干惯性传感器、若干负压式柔性驱动器和若干柔性弯曲传感器；其中外骨骼控制系统中气源为外骨骼系统提供气动能量，分水滤气器对压缩的空气进行清洁,保障气动执行元件的正常工作，减压阀和压力表对气源输出压力进行稳压控制，两位两通阀作为气源开关阀，三位三通阀、比例压力阀以及柔性驱动器组成外骨骼系统的左右肘、膝关节的四条气压控制回路。比例压力阀分别控制输入负压式柔性驱动器的流量和压力。用于舱外航天服助力的负压式柔性外骨骼系统设置于舱外航天服内实现内置柔性驱动。

Description

一种用于舱外航天服助力的负压式柔性外骨骼系统
技术领域
本发明属于机器人技术领域，涉及一种用于舱外航天服助力的负压式柔性外骨骼系统。
背景技术
近年来，外骨骼机器人技术不断发展与成熟，其增强拓展人类行动能力的目的使得外骨骼技术在医疗、军事、运输等多个领域具有重要应用前景。舱外航天服是保证航天员出舱安全的重要装备，但由于航天服真空防护所造成的余压(航天服内外压差约为40kPa)作用，当航天员活动时，航天服不可避免地产生相当大的关节阻力。因此，将外骨骼机器人技术与舱外航天服结合，对穿戴舱外航天服作业的航天员进行关节活动助力具有极高的实际应用意义和学术研究价值。
目前，国内对外舱外航天服助力外骨骼的研究主要基于传统刚性外骨骼的基础，在航天服外外部设计与航天服自由度相适应的刚性并联机构，通过在关节处的驱动电机进行航天服关节助力。但由于刚性外骨骼结构往往具有较大的质量和惯性，致使穿戴者在运动过程中的状态受到影响。并且由于刚性外骨骼关节存在与航天服实际关节自由度不匹配、以及关节活动中心不对齐等问题，使得在运动过程中外骨骼对航天服产生一定的机械反力，限制了航天服的运动能力。另外，由于刚性外骨骼安装在舱外航天服外，在航天员进行舱外作业时外骨骼系统将直接暴漏在太空的恶劣环境中，对外骨骼系统的安全性与可维护性造成重大挑战。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于舱外航天服助力的负压式柔性外骨骼系统。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明公开的一种用于舱外航天服助力的负压式柔性外骨骼系统，包括外骨骼气动控制系统、若干惯性传感器、若干负压式柔性驱动器和若干柔性弯曲传感器；
所述若干惯性传感器，分别安装在人体左、右大小臂以及左、右大小腿处，用以检测人体关节肘、膝关节运动信号；
所述若干负压式柔性驱动器分别固定在航天服内肘、膝两关节处；
所述若干柔性弯曲传感器分别固定在若干负压式柔性传感器的底部，用于实时监测柔性传感器弯曲状态信号；
所述外骨骼气动控制系统，集成安装在舱外航天服背包中，其中外骨骼控制系统的控制器分别与若干惯性传感器和若干柔性弯曲传感器相连。
优选地，外骨骼气动控制系统包括：控制器、气源、分水滤气器、减压阀、压力表、两位两通阀、若干三位三通阀和若干比例压力阀；气源、分水滤气器、减压阀、压力表和两位两通阀依次连接，组成稳定的气压输出源；第一三位三通阀连接第一比例压力阀形成第一支路，第二三位三通阀连接第二比例压力阀形成第二支路，第三三位三通阀连接第三比例压力阀形成第三支路，第四三位三通阀连接第四比例压力阀形成第四支路，两位两通阀分别连接四条支路。
优选地，所述负压式柔性驱动器上有锁紧卡箍、端盖和气动快插接头，端盖通过锁紧卡箍与负压式柔性驱动器连接，气动快插接头设置在端盖上。
优选地，负压式柔性驱动器左侧有一个通气孔洞，通过孔洞端盖可以嵌入到负压式柔性驱动器内部，并通过锁紧卡箍将两者密封锁紧连接。
优选地，外骨骼气动控制系统的四条支路分别连接固定在航天服关节处的第一负压式柔性驱动器、第二负压式柔性驱动器、第三负压式柔性驱动器和第四负压式柔性驱动器组成外骨骼系统的左右肘、膝关节的四条气压控制回路。
优选地，第一三位三通阀、第二三位三通阀、第三三位三通阀、第四三位三通阀分别控制着四条气压控制回路的充气、保持和放气三种状态的切换；第一比例压力阀、第二比例压力阀、第三比例压力阀和第四比例压力阀分别控制输入第一负压式柔性驱动器、第二负压式柔性驱动器、第三负压式柔性驱动器和第四负压式柔性驱动器的流量和压力。
优选地，所述负压式柔性驱动器采用弹性橡胶材料通过模具制造，其形状采用波纹结构。
优选地，气动快插接头与端盖通过螺纹连接。
优选地，柔性弯曲传感器集成在负压式柔性驱动器的底端采用的密封胶粘合。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开的用于舱外航天服助力的负压式柔性外骨骼系统，是一种使用负压式柔性驱动器辅助航天员进行舱外作业关节助力的设备。将惯性传感器安装在人体左、右大小臂以及左、右大小腿处，用以检测人体关节肘、膝关节运动信号，采用体积小的惯性传感器采集航天员关节处的运动信号，以此来控制调节柔性驱动器；柔性弯曲传感器固定在负压式柔性传感器的底部，用于实时监测柔性传感器弯曲状态信号；柔性弯曲传感器通过采集柔性驱动器的弯曲角度信号进行系统的反馈控制，提高系统控制精度。外骨骼气动控制系统，集成安装在舱外航天服背包中，用于将外骨骼气动控制系统与太空恶劣空间环境隔绝，系统安全性与可维护性高；其中外骨骼气动控制系统控制器与惯性传感器和柔性弯曲传感器相连，可进行传感信号的集中采集和处理；将负压式柔性驱动器设置在舱外航天服内关节阻力特性表现尤为明显的肘、膝两关节处，将用于舱外航天服助力的负压式柔性外骨骼系统由传统的航天服刚性外置式转变为柔性内置式，其次，用于舱外航天服助力的负压式柔性外骨骼系统采用负压式工作方式，舱外航天服本身由于真空保护具有约为40kPa的内外压差作用，将负压式柔性驱动器内空间与舱外航天服外空间连通，负压式柔性驱动器将工作在40kPa的负压环境下，相较于传统负压柔性驱动设备，本发明只需通过气压阀控制柔性驱动器与航天服外环境的连通或关闭来进行外骨骼助力驱动，而不需要专门的气泵去控制负压环境，因此通过负压工作方式外骨骼系统能很好适应舱外航天服本身工作环境，因此，本发明的舱外航天服外骨骼系统以负压式柔性驱动器作为核心，结构柔顺，关节惯性小，控制过程简单可靠，能有效为航天员舱外作业提供舒适的关节活动助力。
进一步地，气源、分水滤气器、减压阀、压力表和两位两通阀组成稳定的气压输出源，气源为外骨骼系统提供气动能量；分水滤气器对压缩的空气进行清洁,从而保障气动执行元件的正常工作；减压阀和压力表对气源输出压力进行稳压控制；两位两通阀作为气源开关阀，控制着整个外骨骼系统气动回路的开关状态。
进一步地，负压式柔性驱动器左侧有一个通气孔洞，通过孔洞端盖可以嵌入到负压式柔性驱动器内部，并通过锁紧卡箍将两者密封锁紧连接，有利于简单快捷的连接气动控制系统。
进一步地，三位三通阀，比例压力阀以及固定在航天服关节处的柔性驱动器组成外骨骼系统的左右肘、膝关节的四条气压控制回路，三位三通阀实现对外骨骼气动回路的充气、保持和放气三种状态的控制，相较于传统负压柔性驱动设备，本发明只需通过气压阀控制柔性驱动器与航天服外环境的连通或关闭来进行外骨骼助力驱动，而不需要专门的气泵去控制负压环境。
进一步地，柔性驱动器采用橡胶等弹性材料制成，易适应穿戴者的不同运动状态，并且满足舱外航天服内人体与服装之间间隙穿戴的需求，其形状采用波纹结构满足肘、膝关节处活动特性，不添加阻力，使外骨骼由传统的航天服刚性外置式转变为柔性内置式。
进一步地，气动快插接头与端盖通过螺纹连接，结构简单、连接可靠、装拆方便，便于气动管道的快速插拔连接。
进一步地，柔性弯曲传感器集成在负压式柔性驱动器的底端采用的密封胶粘合，密切贴合负压式柔性驱动器，有利于充分、准确采集负压式柔性驱动器的弯曲信号。
附图说明
图1为本发明舱外航天服外骨骼控制系统布局图；
图2为本发明负压式柔性驱动器结构装配图；
图3为本发明传感器、驱动器布局图；
图4为本发明舱外航天服外骨骼系统控制方案框架图；
图5为本发明舱外航天服外骨骼工作状态控制图。
其中：1-气源；2-分水滤气器；3-减压阀；4-压力表；5-两位两通阀；6.1-第一三位三通阀；6.2-第二三位三通阀；6.3-第三三位三通阀；6.4-第四三位三通阀；7.1-第一比例压力阀；7.2-第二比例压力阀；7.3-第三比例压力阀；7.4-第四比例压力阀；8.1-第一负压式柔性驱动器；8.2-第二负压式柔性驱动器；8.3-第三负压式柔性驱动器；8.4-第四负压式柔性驱动器；9-柔性弯曲传感器；10-锁紧卡箍；11-端盖；12-气动快插接头；13.1-惯性传感器Ⅰ；13.2-惯性传感器Ⅱ；13.3-惯性传感器Ⅲ；13.4-惯性传感器Ⅳ；13.5-惯性传感器Ⅴ；13.6-惯性传感器Ⅵ；13.7-惯性传感器Ⅶ；13.8-惯性传感器Ⅷ。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，为本发明舱外航天服外骨骼控制系统布局图，包括外骨骼气动控制系统、和若干负压式柔性驱动器；其中外骨骼气动控制系统包括气源1；分水滤气器2；减压阀3；压力表4；两位两通阀5；四个三位三通阀；四个比例压力阀。气源1、分水滤气器2、减压阀3、压力表4和两位两通阀5依次连接，组成稳定的气压输出源；第一三位三通阀6.1连接第一比例压力阀7.1形成第一支路，第二三位三通阀6.2连接第二比例压力阀7.2形成第二支路，第三三位三通阀6.3连接第三比例压力阀7.3形成第三支路，第四三位三通阀6.4连接第四比例压力阀7.4形成第四支路，两位两通阀5分别连接四条支路。外骨骼气动控制系统的四条支路分别连接固定在航天服关节处的第一负压式柔性驱动器8.1、第二负压式柔性驱动器8.2、第三负压式柔性驱动器8.3和第四负压式柔性驱动器8.4组成外骨骼系统的左右肘、膝关节的四条气压控制回路。气源1为外骨骼系统提供气动能量。分水滤气器2对压缩的空气进行清洁,从而保障气动执行元件的正常工作。减压阀3和压力表4对气源输出压力进行稳压控制。两位两通阀5作为气源开关阀，控制着整个外骨骼系统气动回路的开关状态。第一三位三通阀6.1、第二三位三通阀6.2、第三三位三通阀6.3、第四三位三通阀6.4分别控制着四条气压控制回路的充气、保持和放气三种状态的切换；第一比例压力阀7.1、第二比例压力阀7.2、第三比例压力阀7.3和第四比例压力阀7.4分别控制输入第一负压式柔性驱动器8.1、第二负压式柔性驱动器8.2、第三负压式柔性驱动器8.3和第四负压式柔性驱动器8.4的流量和压力。
如图2所示，为本发明负压式柔性驱动器结构装配图，负压式柔性驱动器8采用高弹性材料通过模具制造，其形状采用波纹结构，该结构可以产生较大弯曲变形；负压式柔性弯曲传感器9采用密封胶粘合在负压式柔性传感器8的底部，用于实时监测负压式柔性传感器弯曲状态信号。负压式柔性驱动器8左侧有一个通气孔洞，通过孔洞端盖11可以嵌入到负压式柔性驱动器8内部，并通过锁紧卡箍10将两者密封锁紧连接。气动快插接头12与端盖11通过螺纹连接，以便于气动管道的快速插拔连接。
参见图3，为本发明传感器、驱动器布局图，本发明的舱外航天服助力外骨骼系统工作在舱外航天服内环境中，外骨骼气动控制系统集成安装在舱外航天服背包中，第一负压式柔性驱动器8.1、第二负压式柔性驱动器8.2、第三负压式柔性驱动器8.3和第四负压式柔性驱动器8.4分别通过魔术贴安装在航天服的左肘关节、右肘关节、左膝关节以及右膝关节，惯性传感器Ⅰ13.1、惯性传感器Ⅱ13.2、惯性传感器Ⅲ13.3、惯性传感器Ⅳ13.4、惯性传感器Ⅴ13.5、惯性传感器Ⅵ13.6、惯性传感器Ⅶ13.7和惯性传感器Ⅷ13.8通过绑带分别安装在人体左、右大小臂以及左、右大小腿处。
参见图4，为本发明舱外航天服外骨骼系统控制方案框架图，舱外航天服外骨骼系统控制方案为，航天员关节运动，惯性传感器采集其运动信息并传送给外骨骼气动控制系统的控制器，外骨骼气动控制系统的控制器通过调节比例压力阀控制负压式柔性驱动器，负压式柔性驱动器弯曲信息被固定在负压式柔性驱动器底部的柔性弯曲传感器9所采集并反馈给外骨骼气动控制系统。
参见图5，为本发明舱外航天服外骨骼工作状态控制图，通过三位三通阀的充气、保持与放气对舱外航天服外骨骼系统进行控制。本发明的工作原理如下：
整个外骨骼系统安装在舱外航天服内环境中，与太空空间恶劣环境隔绝。惯性传感器Ⅰ13.1、惯性传感器Ⅱ13.2、惯性传感器Ⅲ13.3、惯性传感器Ⅳ13.4、惯性传感器Ⅴ13.5、惯性传感器Ⅵ13.6、惯性传感器Ⅶ13.7和惯性传感器Ⅷ13.8通过绑带分别安装在人体左、右大小臂以及左、右大小腿处，通过采集人体肢体空间状态数据得到航天员的左右肘、膝关节运动信息，从而生成控制信号输入控制器中。控制器通过控制两位两通阀5控制着整个外骨骼系统气动回路的开关状态，同时分别控制第一三位三通阀6.1、第二三位三通阀6.2、第三三位三通阀6.3、第四三位三通阀6.4的状态控制外骨骼气动回路的充气、保持和放气三种状态的切换。并且控制器通过控制第一比例压力阀7.1、第二比例压力阀7.2、第三比例压力阀7.3和第四比例压力阀7.4分别控制输入第一负压式柔性驱动器8.1、第二负压式柔性驱动器8.2、第三负压式柔性驱动器8.3和第四负压式柔性驱动器8.4的流量和压力，在内外压力差的作用下为航天员关节运动提供助力，同时集成于柔性驱动器底端的柔性弯曲传感器9实时监测柔性驱动器的工作角度状态信息，发送给控制器进行外骨骼系统的反馈控制，以提高系统控制精度。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于舱外航天服助力的负压式柔性外骨骼系统，其特征在于，包括外骨骼气动控制系统、若干惯性传感器、若干负压式柔性驱动器(8)和若干柔性弯曲传感器(9)；
所述若干惯性传感器，分别安装在人体左、右大小臂以及左、右大小腿处，用以检测人体关节肘、膝关节运动信号；
所述若干负压式柔性驱动器(8)分别固定在航天服内肘、膝两关节处；
所述若干柔性弯曲传感器(9)分别固定在若干负压式柔性传感器的底部，用于实时监测柔性传感器弯曲状态信号；
所述外骨骼气动控制系统，集成安装在舱外航天服背包中，其中外骨骼控制系统的控制器分别与若干惯性传感器和若干柔性弯曲传感器(9)相连。
2.根据权利要求1所述的一种用于舱外航天服助力的负压式柔性外骨骼系统，其特征在于，所述外骨骼气动控制系统包括：控制器、气源(1)、分水滤气器(2)、减压阀(3)、压力表(4)、两位两通阀(5)、若干三位三通阀和若干比例压力阀；气源(1)、分水滤气器(2)、减压阀(3)、压力表(4)和两位两通阀(5)依次连接，组成稳定的气压输出源；第一三位三通阀(6.1)连接第一比例压力阀(7.1)形成第一支路，第二三位三通阀(6.2)连接第二比例压力阀(7.2)形成第二支路，第三三位三通阀(6.3)连接第三比例压力阀(7.3)形成第三支路，第四三位三通阀(6.4)连接第四比例压力阀(7.4)形成第四支路，两位两通阀(5)分别连接四条支路。
3.根据权利要求1所述的一种用于舱外航天服助力的负压式柔性外骨骼系统，其特征在于，所述负压式柔性驱动器(8)上有锁紧卡箍(10)、端盖(11)和气动快插接头(12)，端盖(11)通过锁紧卡箍(10)与负压式柔性驱动器(8)连接，气动快插接头(12)设置在端盖(11)上。
4.根据权利要求3所述的一种用于舱外航天服助力的负压式柔性外骨骼系统，其特征在于，负压式柔性驱动器(8)左侧有一个通气孔洞，通过孔洞端盖(11)嵌入到负压式柔性驱动器(8)内部，并通过锁紧卡箍(10)将两者密封锁紧连接。
5.根据权利要求1所述的一种用于舱外航天服助力的负压式柔性外骨骼系统，其特征在于，外骨骼气动控制系统的四条支路分别连接固定在航天服关节处的第一负压式柔性驱动器(8.1)、第二负压式柔性驱动器(8.2)、第三负压式柔性驱动器(8.3)和第四负压式柔性驱动器(8.4)组成外骨骼系统的左右肘、膝关节的四条气压控制回路。
6.根据权利要求5所述的一种用于舱外航天服助力的负压式柔性外骨骼系统，其特征在于，第一三位三通阀(6.1)、第二三位三通阀(6.2)、第三三位三通阀(6.3)、第四三位三通阀(6.4)分别控制着四条气压控制回路的充气、保持和放气三种状态的切换；第一比例压力阀(7.1)、第二比例压力阀(7.2)、第三比例压力阀(7.3)和第四比例压力阀(7.4)分别控制输入第一负压式柔性驱动器(8.1)、第二负压式柔性驱动器(8.2)、第三负压式柔性驱动器(8.3)和第四负压式柔性驱动器(8.4)的流量和压力。
7.根据权利要求1所述的一种用于舱外航天服助力的负压式柔性外骨骼系统，其特征在于，所述负压式柔性驱动器(8)采用弹性橡胶材料通过模具制造，其形状采用波纹结构。
8.根据权利要求1所述的一种用于舱外航天服助力的负压式柔性外骨骼系统，其特征在于，气动快插接头(12)与端盖(11)通过螺纹连接。
9.根据权利要求1所述的一种用于舱外航天服助力的负压式柔性外骨骼系统，其特征在于，柔性弯曲传感器(9)集成在负压式柔性驱动器(8)的底端采用的密封胶粘合。
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