CN114393570A - 一种气动式单臂上肢外骨骼机器人及控制系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种气动式单臂上肢外骨骼机器人及控制系统，该机器人包括肘关节外骨骼机械臂，用于容纳穿戴者的上臂和前臂；所述肘关节外骨骼机械臂包括第一人工气动肌肉和压缩型气弹簧；所述第一人工气动肌肉和所述压缩型气弹簧用于对所述肘关节外骨骼机械臂提供驱动力矩。本申请实施例提供的气动式单臂上肢外骨骼机器人具有一定的“容错”能力，即当肘关节外骨骼机械臂处于工作状态时，人工气动肌肉如果出现漏气等突发故障，穿戴者仍可依靠压缩型气弹簧的作用使手臂恢复至初始位置，避免发生运动损伤。

Description

一种气动式单臂上肢外骨骼机器人及控制系统

技术领域

本申请涉及康复医疗器械技术领域，尤其涉及一种气动式单臂上肢外骨骼机器人及控制系统。

背景技术

肩袖损伤是一种常见的上肢运动性疾病，多由于反复运动造成，常见于劳动者群体。以生活场景中较为常见的人体手臂完成单臂弯举重物为例。在弯举过程中，肩袖在肩峰与相关肌群的相互作用下不断发生挤压和撞击，产生肩袖撕裂等难以治愈的运动性损伤，使患者逐渐丧失部分运动功能。对于早期的肩袖损伤患者，可以通过药物治疗配合康复手段缓解疼痛，改善肩关节功能；而对于严重者则需要进行手术治疗。因此，在生活场景中有效预防肩袖损伤是现代医学的热点问题之一。

上肢外骨骼机器人是预防肩袖损伤的一种新尝试。现已证实，上肢外骨骼机器人可以有效改善穿戴者的运动能力，提高人体负重极限。通常来说，外骨骼机器人通过刚性结构包裹穿戴者的上肢，对穿戴者的上肢动作进行跟随并提供辅助动力，增强了穿戴者的运动能力和负重能力。但是，刚性的外骨骼机器人具有较大的本体质量，各关节处的驱动力矩不仅用于承担外部负载，还需要提供额外的动力用于驱动本体，进而导致续航能力差。此外，上肢外骨骼机器人的各关节多以旋转关节代替人体的球窝关节，在运动过程中关节自由度的旋转中心的不重合，因此人机相容性较差。此外，一些设计者遵循仿生学原理，以织物绑带或弹性材料设计柔性外骨骼机器人以降低机构的惯性和质量，但无法实现对穿戴者的肩关节外展提供助力，缺乏预防肩袖损伤的能力。

发明内容

为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本申请提供了一种气动式单臂上肢外骨骼机器人，该机器人包括肘关节外骨骼机械臂，用于容纳穿戴者的上臂和前臂；

所述肘关节外骨骼机械臂包括第一人工气动肌肉和压缩型气弹簧；

所述第一人工气动肌肉和所述压缩型气弹簧用于对所述肘关节外骨骼机械臂提供驱动力矩。

优选地，所述肘关节外骨骼机械臂包括依次连接的上臂连杆、前臂连杆和手柄；

所述肘关节外骨骼机械臂包括相对设置的第一侧和第二侧；

在所述第一侧，所述第一人工气动肌肉的两端分别与所述上臂连杆和所述前臂连杆连接；

在所述第二侧，所述压缩型气弹簧的两端分别与所述上臂连杆和所述前臂连杆连接。

优选地，所述第一人工气动肌肉包括内部橡胶管、两个管状接头、气动接头、金属卡箍和外部编织网；

两个所述管状接头分别与所述内部橡胶管的两端连接；所述上臂连杆和所述前臂连杆分别通过所述管状接头与所述第一人工气动肌肉连接；

所述气动接头与所述内部橡胶管的一端连接，所述第一人工气动肌肉通过所述气动接头充气和放气；所述金属卡箍设置在所述内部橡胶管的两端，用于固定包覆在所述内部橡胶管外部的所述外部编织网。

优选地，还包括护肩结构，所述护肩结构包裹在所述穿戴者的肩部和大臂，并固定于所述穿戴者的上肢；

所述护肩结构与所述肘关节外骨骼机械臂连接。

优选地，还包括外展肩枕，所述外展肩枕设置在所述穿戴者的腋下；

所述外展肩枕包括第二人工气动肌肉和柔软针织软袋，所述第二人工气动肌肉放置在所述针织软袋中；

所述外展肩枕与所述护肩结构连接。

优选地，所述护肩结构包括底层护肩和顶层肩带，所述底层护肩用于包裹所述穿戴者的肩部和大臂；所述底层护肩的两侧设置有连接卡环，所述连接卡环用于与所述肘关节外骨骼机械臂连接；

所述顶层肩带为弹性绷带，所述顶层肩带的两端分别与所述外展肩枕连接。

本申请实施例还提供一种控制系统，该控制系统包括能源装置、上位机、下位机、传感装置和驱动装置；

所述能源装置包括空压机和直流电源；

所述传感装置包括惯性传感器、接触力传感器；

所述驱动装置包括稳压阀、驱动电路板和高速开关阀；

所述驱动装置用于驱动所述第一人工气动肌肉和所述压缩型气弹簧对所述肘关节外骨骼机械臂提供驱动力矩。

优选地，还包括关节力矩测量装置，用于测量所述第一人工气动肌肉和所述压缩型气弹簧对所述肘关节外骨骼机械臂提供的驱动合力；

所述关节力矩测量装置包括电子测力计、连接环、钢丝绳、拉伸弹簧和定滑轮；

所述电子测力计和所述定滑轮固定设置在所述上臂连杆的外侧，所述电子测力计与所述连接环的一端连接；所述连接环的另一端通过所述钢丝绳与所述拉伸弹簧的一端固定连接，所述拉伸弹簧的另一端与所述前臂连杆的外侧固定连接；

所述钢丝绳设置在所述定滑轮上，所述定滑轮用于约束所述拉伸弹簧的移动方向。

优选地，还包括几何模型处理器和线性控制器，所述几何模型处理器用于将所述驱动合力进行几何关系模型计算后得到实际驱动力矩；所述线性控制器用于将所述实际驱动力矩调整为期望驱动力矩。

优选地，所述几何模型处理器计算后得到的所述实际驱动力矩

满足如下关系式：

其中，系数F₀为所述电子测力计的初始值，F为所述电子测力计的当前值，

为所述上臂连杆和所述前臂连杆之间的夹角，l ₁ 为所述上臂连杆与所述前臂连杆连接处与所述拉伸弹簧与所述前臂连杆的连接处之间的距离，l ₂ 为所述上臂连杆与所述前臂连杆连接处与所述拉伸弹簧与所述连接环的连接处的距离。

本申请实施例提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：

本申请实施例提供的气动式单臂上肢外骨骼机器人具有一定的“容错”能力，即当肘关节外骨骼机械臂处于工作状态时，人工气动肌肉如果出现漏气等突发故障，穿戴者仍可依靠压缩型气弹簧的作用使手臂恢复至初始位置，避免发生运动损伤。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中人体肘关节骨骼-肌肉模型示意图；

图2a为现有技术中人体肩关节骨骼-肌肉模型的正面；

图2b为现有技术中人体肩关节骨骼-肌肉模型的背面；

图3为现有技术中单臂弯举动作的运动学分析；

图4现有技术中人工气动肌肉的布局示意图；

图5为本申请实施例提供的肘关节外骨骼机械臂的一种结构示意图；

图6为本申请实施例提供的压缩型气弹簧性能测试计；

图7为本申请实施例提供的第一人工气动肌肉的结构示意图；

图8为本申请实施例提供的静态变负载测试平台；

图9为本申请实施例提供的护肩结构和外展肩枕的一种结构示意图；

图10为本申请实施例提供的护肩结构和外展肩枕的另一种结构示意图；

图11为本申请实施例提供的穿戴者在进行肩关节外展/内收运动时受到外展肩枕支撑的过程示意图；

图12为本申请实施例提供的控制系统的一种结构示意图；

图13a为本申请实施例提供的肘关节外骨骼机械臂的另一种结构示意图；

图13b为本申请实施例提供的肘关节外骨骼机械臂的另一种结构示意图；

图14为本申请实施例提供的控制系统的关节力矩闭环控制方法的原理示意图；

图15为肩关节屈曲/伸展轨迹实验结果示意图；

图16为肘关节外展/内收轨迹实验结果示意图；

图17为实验过程中实验者的心率变化示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面将对本申请的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但本申请还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。

相关技术中，人体上肢是一个以骨骼为杠杆，关节为枢纽，以肌肉收缩为动力的复杂运动系统，主要分为手臂和手掌，共有27个自由度，主要包含肩关节、肘关节、腕关节和指关节。以下针对单臂弯举动作，简要分析了人体肩关节和肘关节附近主要肌群的发力方式，并对肩袖损伤的发病原因进行说明。

人体肘关节由肱骨下端和桡、尺骨上端构成的复合关节，其骨骼-肌肉结构如图1所示。其中，肱骨下端的肱骨滑车与人体手臂内侧的尺骨上缘构成肱尺关节；肱骨小头与人体手臂外侧的桡骨凹面构成肱桡关节。当肱尺关节引导人体手臂运动时，尺骨将牵引肱骨在矢状面内实现肘关节的屈曲/伸展运动；当肱桡关节引导人体手臂运动时，桡骨将牵引导肱骨在矢状面内实现肘关节的屈曲/伸展以及在额状面内产生小范围的旋前/旋后运动。医学上通常以肘关节的屈曲/伸展范围视为肘关节活动功能的重要指标，将0 deg定义为手臂垂直于地面，肘关节完全伸展。则健康人体的肘关节运动范围为0~150 deg。研究表明，参与肘关节屈曲/伸展运动的上肢肌肉包括肱二头肌、肱肌、肱三头肌、肘肌、旋前圆肌和肱桡机，负责屈肘关节的主要的肌肉是肱二头肌和肱三头肌。当肘关节屈曲时，肱二头肌收缩，肱三头肌舒张；当肘关节伸展时，肱二头肌舒张，肱三头肌收缩。

与肘关节相比，人体肩关节的骨骼-肌肉结构更为复杂。如图2a和图2b所示，肩关节是由锁骨、肩胛骨和肱骨大头和相关肌肉组成的球窝关节，可以实现屈曲/伸展、内收/外展、内旋/外旋和上举动作。由于个体发育存在差异，不同人体的肩关节运动范围也存在一定的偏差。在矢状面内，喙肱肌、三角肌前部纤维、胸大肌锁骨部和肱二头肌短头参与了肩关节屈曲运动。定义0 deg时手臂垂直于地面，则肩关节屈曲运动范围约为0~70 deg。背阔肌、三角肌后部纤维和肱三头肌长头参与了肩关节伸展运动，其运动范围约为0~45 deg。在冠状面内，胸大肌、背阔肌和肩胛下肌可引导肱骨大头沿球窝关节的斜上方滑移产生小范围的内收运动（约为0~20 deg）；三角肌（中部纤维）和冈上肌可引导肱骨大头沿球窝关节的下方产生肩关节外展运动，其运动范围约为0~90 deg。在额状面内，背阔肌、胸大肌、肩胛下肌和三角肌前部可引导肱骨大结节向人体前旋转产生肩关节内旋运动，运动范围为0~70deg；冈下肌和小圆肌可以引导肱骨大结节向人体外侧旋转产生肩关节外旋运动，运动范围为0~30 deg。

单臂弯举动作是一种典型的上肢负重运动，属于人类日常生活和农业生产劳动中较为常见运动行为之一。该动作由肘关节屈曲/伸展运动和肩关节的外展/内收运动复合而成，具体过程可作如下描述：在抬臂阶段，上臂的肱肌和肱二头肌主动收缩运动引导前臂由体侧向胸前方向摆动，同时三角肌和冈上肌收缩带动肩关节完成外展，此时受提携角的影响肘关节保持在体前侧；在落臂阶段，上臂的肱三头肌引导肘关节伸展，同时胸大肌收缩则带动肩关节实现内收运动，此时前臂摆向体侧。

为进一步描述单臂弯举动作中上肢各关节的运动过程和运动范围，利用惯性传感器（MPU6050）、单片机（Arduino Mega 2560）和上位机搭建了上肢运动捕捉系统。三个惯性传感器通过弹性绑带和魔术贴固定于穿戴者的前臂、上臂和肩峰处。采集对象为一名健康成年男子（身高174 cm, 体重65 kg，臂展175 cm，年龄24岁），采集动作为单臂弯举运动，采集信息为肘关节和肩关节的运动信息。使用惯性传感器将收集到的数据发送至单片机，单片机再以50 Hz的通信频率发送至上位机。上位机将数据滤波后（4阶Butterworth低通滤波器，截止频率0.9）。惯性传感器捕捉的数据可以计算后获得肩关节与肘关节的相对转角，其结果如图3所示，经多次测量，实验者在单臂弯举动作中的肘关节屈曲/伸展的平均运动范围为20~71 deg，肩关节外展的平均运动范围为5~13 deg。

从生理学角度分析，在弯举过程中，肩关节主要负责维持上肢的稳定性，而肩袖在其中扮演着重要的角色。肩袖是由附着于肱骨大头处的肩部肌群（主要为肩胛下肌、冈上肌、冈下肌和小圆肌）构成的袖套样结构，是包绕在肱骨大头周围的肌腱复合体。因此，只有肩袖时刻保持稳定，才能使肩部肌肉的力量传递至人体上肢各处。与肘关节不同，在弯举动作中，肩关节旋转中心相对于胸椎位置易发生浮动，经测量，其最大值约为8 cm。并且受手持的重物影响，导致肩峰移动现象更加明显，加剧了盂肱关节的侧向偏移。然而，随着年龄的增长或长期劳动的影响，冈上肌肌腱逐渐出现组织退化、肩峰增生等疾病而引发肌腱磨损或局部创口。当人体手持重物或反复完成弯举运动时，上肢的肱二头肌和三角肌等主动肌群沿手臂向上发力，肩部肱骨大头在外力作用下产生旋转运动导致手臂离开躯体侧，此时肩关节过度外展，加重了肌腱磨损。在外力的反复作用下，肩袖长期处于一种不稳定的状态，同时肩胛骨带动肩峰上移，在力的作用下磨损肩袖而促成肌腱的撕裂性损伤。

相关技术中，随着人工智能领域和机器人领域的蓬勃发展，以电机、液压等常规驱动方式的外骨骼机器人的研制以趋于成熟。但是，质量大，运动灵活性差以及成本昂贵的问题仍然存在。为此，以人工气动肌肉、形状记忆合金、硅橡胶等人工智能材料作为主要驱动方式的外骨骼机器人逐渐在医疗康复、负重搬运等领域内得到初步的应用。其中，收缩型人工气动肌肉具有很高的功率/质量比（约为1 W/g），可以有效降低外骨骼机器人的本体质量。此外，作为一种软体驱动器，收缩型人工气动肌肉还可以提高关节的柔顺性（在0~3 bar气压状态下的刚度范围为8~18 N/mm），使得外骨骼机器人的运动更加自然，与穿戴者的人机相容性也得到提升。

如图4所示，根据收缩型气动人工肌肉的布局方式的不同，将肘关节外骨骼机器人分为单向驱动式和拮抗驱动式。单向驱动式较为简单，人工气动肌肉的两端直接与外骨骼机器人的上臂连杆和前臂连杆相连。当穿戴者进行肘关节屈曲运动时，人工气动肌肉主动收缩，产生的拉力作用在外骨骼机器人的关节处，辅助穿戴者的前臂完成屈曲动作。但是，当穿戴者进行肘关节伸展运动时，人工气动肌肉处于放气状态，无法为外骨骼机器人的关节处提供主动力矩。此时仅依赖外骨骼本体和人体手臂产生的重力。此时，外骨骼机器人无法为手臂提供助力。拮抗驱动式的结构则相对复杂，需要两根独立的人工气动肌肉组成并联结构，并通过鲍登线以绳传动的方式连接到外骨骼机器人的滑轮处，而滑轮的中心就是关节旋转中心。在这种布局下，两根人工气动肌肉牵引力的力臂在任何时刻都是一致的。拮抗驱动式的优点在于可以为关节提供较大的驱动力矩。然而，由于在结构中引入了绳传动机构，导致了外骨骼机器人的关节摩擦力矩增加，影响了传递效率。此外，无法消除鲍登线在外骨骼机器人的使用中产生松弛现象，这便增加了外骨骼机器人的不可靠因素。

针对上述问题中的至少一个，本申请实施例提供了一种气动式单臂上肢外骨骼机器人，如图5所示，图5为本申请实施例提供的肘关节外骨骼机械臂的一种结构示意图，从图5可以看出，该机器人包括肘关节外骨骼机械臂1，用于容纳穿戴者的上臂和前臂。肘关节外骨骼机械臂1包括第一人工气动肌肉2和压缩型气弹簧3。第一人工气动肌肉2和压缩型气弹簧3用于对肘关节外骨骼机械臂1提供驱动力矩。

本申请实施例提供的一种气动式单臂上肢外骨骼机器人中，人工气动肌肉和压缩型气弹簧共同为肘关节外骨骼机器臂提供驱动力矩。当穿戴者在肘关节弯曲运动中，压缩型气弹簧处于压缩状态，储存能量；而在肘关节伸展运动中，压缩型气弹簧处于释放状态，缓慢释放能量，为穿戴者提供助力。此外，本申请实施例提供的气动式单臂上肢外骨骼机器人具有一定的“容错”能力，即当肘关节外骨骼机械臂处于工作状态时，人工气动肌肉如果出现漏气等突发故障，穿戴者仍可依靠压缩型气弹簧的作用使手臂恢复至初始位置，避免发生运动损伤。

在一些实施例中，第一人工气动肌肉为肘关节外骨骼机械臂的主要驱动力矩来源，压缩型气弹簧为肘关节外骨骼机械臂的辅助驱动力矩来源。压缩型气弹簧仅在肘关节外骨骼机械臂的伸展运动中提供驱动力矩。尤其是，压缩型气弹簧例如可以用于当穿戴者的肘关节弯曲运动时储存能量，并当第一人工气动肌肉出现故障时给肘关节外骨骼机械臂提供驱动力矩。

在一些实施例中，如图5所示，肘关节外骨骼机械臂1包括依次连接的上臂连杆4、前臂连杆5和手柄6；肘关节外骨骼机械臂1包括相对设置的第一侧和第二侧。在第一侧，第一人工气动肌肉2的两端分别与上臂连杆4和前臂连杆5连接。在第二侧，压缩型气弹簧3的两端分别与上臂连杆4和前臂连杆5连接。将第一人工气动肌肉2和压缩型气弹簧3分别设置在肘关节外骨骼机械臂1的两侧，能够很好的配合穿戴者在肘关节的弯曲动作，同时给肘关节外骨骼机械臂1提供很好的驱动动力。

在一些实施例中，如图5所示，肘关节外骨骼机械臂1还包括至少一个U型臂拖7，图5中一个U型臂拖7固定在上臂连杆4的两侧，一个U型臂拖7固定在前臂连杆5的两侧。其中，U型臂拖7主要起到紧固肘关节外骨骼机械臂1的作用，且为了方便容纳穿戴者的手臂。

在一些实施例中，U型臂拖7的数量例如可以是1个或者多个。U型臂拖7的位置例如可以设置在上臂连杆4上，或者设置在前臂连杆5上。具体U型臂拖7的数量和位置以实际肘关节外骨骼机械臂1的结构进行设计，本申请实施例不作限定。

在一些实施例中，如图5所示，沿上臂连杆4的杆身方向预留了多个上臂定位孔41，和前臂连杆5的杆身方向预留了多个前臂定位孔51。肘关节外骨骼机械臂1包括相对设置的第一侧和第二侧。在第一侧，第一人工气动肌肉2的两端分别与上臂定位孔41和前臂定位孔51对应固定连接。在第二侧，压缩型气弹簧3的两端分别与上臂定位孔41和前臂定位孔51对应固定连接。例如可以通过调节与第一人工气动肌肉2对应连接的上臂定位孔41和前臂定位孔51的位置，来调节第一人工气动肌肉2在肘关节外骨骼机械臂1一侧上的位置。例如可以通过调节与压缩型气弹簧3对应连接的上臂定位孔41和前臂定位孔51的位置，来调节压缩型气弹簧3在肘关节外骨骼机械臂1另一侧上的位置。

在一些实施例中，该上臂定位孔41例如还可以用于调节肘关节外骨骼机械臂1的上臂连杆4的长度，该前臂定位孔51例如还可以用于调节肘关节外骨骼机械臂1的前臂连杆5的长度，这样可以方便根据实际穿戴者手臂的长度对该肘关节外骨骼机械臂1的长度进行调节。

在一些实施例中，如图5所示，肘关节外骨骼机械臂1的宽度d为90mm，第一人工气动肌肉2在上臂连杆4上的固定点到肘关节的距离L1为160mm，第一人工气动肌肉2在前臂连杆5上的固定点到肘关节的距离L2为130mm，肘关节运动范围q为57.45deg。

在一些实施例中，压缩型气弹簧3在上臂连杆4上的固定点到肘关节的距离为160mm，压缩型气弹簧3在前臂连杆5上的固定点到肘关节的距离为130mm。

本申请实施例提供的气动式单臂上肢外骨骼机器人，该机器人能满足穿戴者完成单臂弯举动作，具有一定的便携性。同时，该结构降低了穿戴者在使用过程中发生肩袖损伤的风险。

在一些实施例中，压缩型气弹簧的初始长度为280 mm。例如肘关节外骨骼机器臂在关节处安装了一根初始长度为280 mm的压缩型气弹簧。

气弹簧是一种可以实现支撑、缓冲、运动范围调节等功能的机械零件，主要由活塞、活塞连杆、压力气缸和端部连接件组成。压力气缸内充入大于大气压几倍至几十倍的惰性气体。当气弹簧工作时，其压力气缸内的活塞两端存在较大的气压差，在压力作用下推动活塞杆实现直线运动。相关研究指出，相比与其他种类的弹簧元件，在动态下气弹簧的刚度变化不大（低于25%）。根据功能的不同，气弹簧可分为伸长型、压缩型、自锁型、阻尼型等类型。考虑到外骨骼机器人需要在肘关节伸展运动中提供辅助力矩，因此本申请实施例中提供的气动式单臂上肢外骨骼机器人采用压缩型气弹簧作为执行机构，利用压缩后气弹簧产生的伸展力推动肘关节外骨骼机器臂的前臂连杆实现助力功能。

本申请实施例通过图6所示的压缩型气弹簧性能测试计测量压缩型气弹簧的有效伸展力，如图6所示，8为固定端，9为气弹簧，10为导轨，11为螺栓连接，12为电子测力计。并利用量尺测量了行程范围。再根据胡克定律，得到该压缩型气弹簧的近似刚度。通过图6所示的测试计，分别为该压缩型气弹簧处于收缩行程中不同位置下的有效伸展力。经最小二乘法拟合后获得气弹簧的平均刚度值为0.23 N/mm。

本申请实施例提供的肘关节外骨骼机械臂中，第一人工气动肌肉为一种自制的Mckibben型人工气动肌肉。如图7所示，图7为本申请实施例提供的第一人工气动肌肉的结构示意图，该第一人工气动肌肉2包括内部橡胶管13、两个管状接头14、气动接头15、金属卡箍16和外部编织网17。两个管状接头14分别与内部橡胶管13的两端连接。上臂连杆和前臂连杆分别通过管状接头14与第一人工气动肌肉2连接。即两个管状接头14分别与上臂连杆和前臂连杆连接，第一人工气动肌肉2通过两个管状接头14固定在上臂连杆和前臂连杆上。气动接头15与内部橡胶管13的一端连接，第一人工气动肌肉2通过气动接头15充气和放气。该气动式单臂上肢外骨骼机器人的驱动装置通过气动接头15与第一人工气动肌肉2连接，该驱动装置通过该气动接头15控制该第一人工气动肌肉2充气和放气。金属卡箍16设置在内部橡胶管13的两端，用于固定包覆在内部橡胶管13外部的外部编织网17。

在一些实施例中，内部橡胶管13具有良好的弹性和气密性，其最大充气压力可达5bar。在内部橡胶管13的外部使用外部编织网17进行包裹。优选地，外部编织网17采用RS公司的PET编织网（RS Pro 30mm），这种材料的优点是兼顾了耐磨性和制作成本。如图7所示，为了实现收缩运动，初始编织角

需小于55 deg。经测试，当初始编织角

保持为30 deg时，一根外径D为30 mm，长度L为280 mm的第一人工气动肌肉在0~4 bar充气范围内的收缩率可达25%。因此，该第一人工气动肌肉具有柔顺、功率/质量比大，在力、长度特性上与人类肌肉类似等优点。同时还具有柔顺性可控的优点。

为进一步揭示第一人工气动肌肉的输出力学性能，设计了如图8所示的静态变负载测试平台，研究该第一人工气动肌肉延轴线方向的有效拉力与充气压力的关系。如图8所示，18为刚性支架，19为悬挂角铁，2为第一人工气动肌肉，20为金属挂钩，21为重物砝码，22为拉伸弹簧，23为电子测力计，24为上位机，25为单片机，26为信号放大器。单片机25例如可以为Arduino Mega 2560。上位机24例如可以为计算机。

其中，刚性支架18垂直与地面，其顶部安装了悬挂角铁19，用于固定被测试的第一人工气动肌肉2。在第一人工气动肌肉2的另一端安装了金属挂钩20，用于悬挂重物砝码21和拉伸弹簧22。拉伸弹簧22的另一端与电子测力计23相连接，所测得的弹簧拉力值经由信号放大器26放大后传递至单片机25，最终由单片机25发送至上位机24。因此，被测试的第一人工气动肌肉2在充气状态下提供的拉力用于抵抗拉伸弹簧的拉力、气动肌肉和重物的重力。第一人工气动肌肉2所需的压缩气体由空压机提供。为保障实验者的安全性，仅向第一人工气动肌肉2充入0至4 bar的压缩气体，重物的质量由0 kg变化至7.5 kg。经计算，该第一人工气动肌肉2在4 bar状态下的最大输出力为100.5 N，可以很好的满足实际肘关节外骨骼机械臂的力矩需求。

在一些实施例中，前臂连杆的总长度为300 mm。

在一些实施例中，上臂连杆长度为210 mm。为了方便容纳穿戴者的手臂，在前臂和上臂处设有U型臂托。采用本申请实施例提供的气动式单臂上肢外骨骼机器人的结构设计，经测量，肘关节外骨骼机械臂的本体质量可以设置为1.02 kg，其中前臂连杆部分的质量可以设置为0.65 kg，大大的减小了整个肘关节外骨骼机械臂的质量，提高了气动式单臂上肢外骨骼机器人的便携性。

如前文所述，人体肩关节在完成单臂弯举动作时，其旋转中心将发生偏移。相关研究表明，这种人机关节不匹配现象将在外骨骼机器人与穿戴者的肩关节接触处产生3Nm至8Nm的干扰力矩，容易使穿戴者的肩部软组织和肩峰处产生挫伤。为此，一些上肢外骨骼机器人在肩关节处增加多个旋转副和移动副，通过多个刚性关节的相互配合，在一定范围内消除或降低人机关节旋转中心偏差。但是，过多的运动副增加了外骨骼的本体质量，却无法约束肩峰偏移。

不同与上述设计思路，本申请实施例提供了一种柔性护肩，如图9和图10所示。护肩结构的目的是代替上述的多运动副复合结构。该结构可以保证穿戴者与外骨骼的肩部紧密贴合，配合外展肩枕以稳固肩峰。护肩紧贴穿戴者肩部，因此穿戴外骨骼机器人后的肩关节外展/内收的旋转中心不会产生偏移。

如图9和图10所示，该气动式单臂上肢外骨骼机器人还包括护肩结构27，护肩结构27包裹在穿戴者的肩部和大臂，并固定于穿戴者的上肢；护肩结构27与肘关节外骨骼机械臂1连接。

在一些实施例中，如图9和图10所示，该气动式单臂上肢外骨骼机器人还包括外展肩枕28，外展肩枕28设置在穿戴者的腋下；外展肩枕28包括第二人工气动肌肉和柔软针织软袋，第二人工气动肌肉放置在针织软袋中；外展肩枕28与护肩结构27连接。

在一些实施例中，如图9所示，护肩结构27包括底层护肩29和顶层肩带30，底层护肩29用于包裹所述穿戴者的肩部和大臂；底层护肩29的两侧设置有连接卡环，连接卡环用于与肘关节外骨骼机械臂1连接。顶层肩带30为Y型的弹性绷带，顶层肩带30的两端分别与外展肩枕28连接。该连接卡环可以是卡扣的结构，主要起到固定连接的作用。

在图9中，底层护肩29为双层护肩结构。双层护肩结构共包含两层，其中底层护肩29用于包裹穿戴者的肩部和大臂，防止肩峰运动中发生水平偏移。顶层肩带30为Y型的弹性绷带，两端与外展肩枕相连。张紧后，顶层肩带30产生张力与外展肩枕的共同作用下锁定穿戴者的肩峰，预防肩袖损伤。此外，底层护肩29的两侧装有连接卡环，可与肘关节外骨骼机器人相互连接。

在一些实施例中，如图10所示，该护肩结构包括底层护肩29和顶层肩带30，其中该底层护肩29为单层护肩结构。

本申请实施例提供的一种气动式单臂上肢外骨骼机器人，能够有效地预防肩袖损伤，其本体结构由一个肘关节外骨骼机械臂和外展肩枕构成，并通过护肩结构固定于穿戴者上肢。该设计结合了刚性外骨骼机器人结构的力传递优势和柔性仿生式织物结构的柔顺性优势，在弯举动作过程中对穿戴者的肘关节和肩关节提供必要的助力，同时提高了肩关节处的人机相容性。

医学上对于肩峰空间狭窄、肩袖损伤等肩功能异常患者和上肢运动性损伤患者，在治疗阶段和术后康复阶段通常使用外展肩枕作为专用护具以提高肩关节处的稳定性。本申请实施例提供的外展肩枕可以用于肩关节术后的固定以及肩、颈部的康复护理，其目的是放松穿戴者的肩部肌肉张紧，防止盂肱关节受到刺激。外展肩枕的填充物为柔性材料（如海绵、乳胶、气囊等），其舒适性强于石膏支架和外展支架等其他固定支架。本申请实施例提供的外展肩枕为圆柱体肩枕，外部为一个柔软针织软袋，通过两端的肩带固定至护肩结构。沿枕体方向观察，外展肩枕一般呈现凹型，且两端设有弹性绷带以辅助穿戴者调节肩枕的高度和佩戴姿态。使用时，穿戴者将外展肩枕放置于肱骨内侧的腋下处，并通过弹性绷带固定于锁骨处，使得人体肩关节与胸椎和肱骨形成了稳定的力学三角形，限制了肩袖的移动，防止肩袖损伤。

外展肩枕的内部设置有第二人工气动肌肉，该第二人工气动肌肉包括内部橡胶管、管状接头、气动接头、金属卡箍和外部编织网；管状接头和气动接头分别与内部橡胶管的两端连接，该管状接头和气动接头用于连接外部充气软管。金属卡箍设置在所述内部橡胶管的两端，用于固定包覆在内部橡胶管外部的所述外部编织网。

在一些实施例中，该第二人工气动肌肉为一根直径为30 mm，长度为255 mm，编织角为30 deg的自制Mckibben人工气动肌肉。通过调节第二人工气动肌肉的充气量，控制外展肩枕的截面面积，从而使穿戴者在进行肩关节外展/内收运动时受到肩枕的支撑，如图11所示。

需要说明的是，充气后的第二人工气动肌肉具有一定的刚度，膨胀后外部编织网张紧导致其表面凹凸不平，与穿戴者感的腋下摩擦引起不适。因此在外展肩枕的柔软针织软袋中填充足够的海绵层可以增强其表面的柔顺性。经测量，所设计的外展肩枕最大膨胀半径为70 mm，沿枕体方向外展肩枕的总长度为280 mm。在充气状态下，外展肩枕的质量为0.45 kg。

通过静态等压性能测试方法研究了该第二人工气动肌肉在0至3 bar的充气状态下完成收缩运动时抵抗外部负载的能力。研究结果表明，在充入3 bar的压缩空气状态下，本申请所使用的第二人工气动肌肉可以抵抗500 N的外部作用力，且内部橡胶管不发生疲劳或漏气现象。该结果证明了本申请实施例提供的外展肩枕可以支撑穿戴者的手臂，符合气动式单臂上肢外骨骼机器人的设计要求。

以肘关节康复训练为例，单臂弯举动作是肘关节被动康复训练的基本动作之一，可以增强训练者的肱二头肌的肌纤维力量，提高肘关节的关节活动度。然而，传统的肘关节康复训练机器人一般设有固定架和支撑装置，且训练方式较为单一，与真实的生活场景存在较大偏差。本申请实施例提供的气动式单臂上肢外骨骼机器人能够更好的达到肘关节康复训练的实际需求，结构设计轻巧、便携，以第一人工气动肌肉作为驱动单元，具有较高的柔顺性和功率/质量比，满足上肢外骨骼机器人轻量化的设计要求。

本申请实施例还提供一种针对本申请实施例所述的机器人的控制系统，如图12所示，图12为本申请实施例提供的控制系统，图12中，该控制系统包括能源装置、上位机、下位机、传感装置和驱动装置。能源装置包括空压机和直流电源。传感装置包括惯性传感器、接触力传感器。驱动装置包括稳压阀、驱动电路板和高速开关阀。驱动装置用于驱动第一人工气动肌肉和压缩型气弹簧对肘关节外骨骼机械臂提供驱动力矩。

在一些实施例中，能源装置主要由空压机和直流电源组成。空压机的额定功率为1500 W，额定电压为220 V，可提供8 bar的高压空气，最大排期量为 0.17立方米/分。空压机的顶部装有密闭的金属储气罐，其最大容积为50 L。直流电源部分包含两个开关电源，其中5 V的开关电源用于下位机和接触力传感器供电，24 V的开关电源可以为驱动装置供电。上位机的配置为i7-4790，16-GB内存，并配有1T机械硬盘，其主要功能是运行控制算法和存储实验数据，并与下位机实时通讯完成相关信息的交互。下位机用于实现多种传感器信号的采集与控制信号的传输。驱动装置则用于驱动第一人工气动肌肉和第二人工气动肌肉实现收缩运动。其中，驱动装置通过调控第二人工气动肌肉的充气量，控制外展肩枕枕体的截面面积，从而使穿戴者在进行肩关节外展/内收运动时受到外展肩枕的支撑。其中，稳压阀的作用是过滤气体和限制空压机的输出气压。在第一人工气动肌肉和第二人工气动肌肉使用过程中，处于安全性的因素，一般将稳压阀设为4 bar。驱动电路板为PCB电路板，该驱动电路板由 2块LM324运输放大器、二极管、NPN型三极管、以及电容等元件构成。LM324模块用于增加阻抗、稳定输出电流、保持三极管电压。三级管起到电流放大和开关作用，二极管则用于反极性保护，电容元件用于吸收过载电流。

传感装置包括惯性测量单元和接触力传感器。其中，惯性测量单元安装于护肩结构中的底层护肩上以及前臂连杆上，用于捕捉人体肘关节屈曲/伸展角度和肩关节的外展/内收角度。接触力传感器设置在前臂连杆处，用于捕捉穿戴者与机器人之间的人机交互力矩和机器人的关节实际力矩，满足后续控制算法的开发与测试要求。

在一些实施例中，该控制系统还包括关节力矩测量装置，用于测量第一人工气动肌肉和压缩型气弹簧对肘关节外骨骼机械臂提供的驱动合力。如图13a所示，图13a为本申请实施例提供的肘关节外骨骼机械臂的另一种结构示意图。在图13a中，该关节力矩测量装置包括电子测力计31、连接环32、钢丝绳33、拉伸弹簧34和定滑轮35；电子测力计31和定滑轮35固定设置在上臂连杆4的外侧，电子测力计31与连接环32的一端连接；连接环32的另一端通过钢丝绳33与拉伸弹簧34的一端固定连接，拉伸弹簧34的另一端与前臂连杆5的外侧固定连接；钢丝绳33设置在定滑轮35上，定滑轮35用于约束拉伸弹簧34的移动方向。

在一些实施例中，该关节力矩测量装置用于测量第一人工气动肌肉和压缩型气弹簧对肘关节外骨骼机械臂提供的驱动合力。该控制系统例如还包括几何模型处理器和线性控制器，几何模型处理器用于将关节力矩测量装置测量得到的驱动合力进行几何关系模型计算后得到实际驱动力矩。线性控制器用于将实际驱动力矩调整为期望驱动力矩。

在一些实施例中，如图13b所示，图13b为本申请实施例提供的肘关节外骨骼机械臂的另一种结构示意图。几何模型处理器计算后得到的实际驱动力矩

满足如下关系式：

其中，系数F₀为电子测力计的初始值，F为电子测力计的当前值，

为上臂连杆和前臂连杆之间的夹角，l ₁ 为上臂连杆与前臂连杆连接处与拉伸弹簧与前臂连杆的连接处之间的距离，l ₂ 为上臂连杆与前臂连杆连接处与拉伸弹簧与连接环的连接处的距离。

本申请实施例提供的控制系统还提供一种力矩闭环控制方法，如图14所示，图14为本申请实施例提供的控制系统的关节力矩闭环控制方法的原理示意图；从图14中可以看出，在上臂连杆处安装了关节力矩测量装置，通过电子测力计实时反馈关节连接处第一人工气动肌肉与压缩型气弹簧对肘关节外骨骼机械臂提供的驱动合力，再经由几何关系模型计算后得到实际驱动力矩。并在此基础上，通过线性控制器（PI控制器）调节肘关节处的关节力矩实际值。PI控制器的控制律满足如下关系式：

其中，f_PWM为高速开关阀的动作频率，K_p和K_I为比例系数和积分系数，

为实际驱动力矩，

为期望关节力矩。

由于关节力矩测量装置在测量过程中使用了拉伸弹簧，关节力矩测量装置需要在运动过程中克服拉伸弹簧施加的干扰力。因此，拉伸弹簧的刚度应需要远低于第一人工气动肌肉的初始刚度值，该初始刚度值通常为6500~8000 N/m。本申请对比了两种不同刚度的拉伸弹簧，并进行如下测试：实验对象为两根长度为70 mm，刚度分别为180 N/m和300 N/m的拉伸弹簧。将两根拉伸弹簧依次按照图12所示的方式安装于关节力矩测量装置处，并保证每次的安装位置一致，且均保持100 mm的初始长度。记录电子测力计（量程为0至30 N，动态测量精度为1%）的测量数据，并设定如以下公式（1）所示的期望关节力矩曲线：

测试结果表明，在使用刚度为300 N/m的拉伸弹簧的条件下，PI控制器的均方根误差为0.025 Nm；而使用刚度为180 N/m的拉伸弹簧的条件下，PI控制器的均方根误差为0.047 Nm。因此，刚度为300 N/m的拉伸弹簧更加符合要求。优选地，拉伸弹簧的刚度为300N/m。

为进一步说明本申请实施例提供的气动式单臂上肢外骨骼机器人对对肩袖损伤的预防具有积极的作用，采用实验的方法进行验证，以一名健康的实验者，佩戴本申请实施例提供的气动式单臂上肢外骨骼机器人，使该实验者在完成三种不同状态下单臂弯举动作，状态1视为自然状态，此时实验者不佩戴任何助力机器人，仅根据研究者下达的指令，以10 s为一个运动周期完成单臂弯举动作。状态2视为仅穿戴肘关节外骨骼机器人的状态，该肘关节外骨骼机器人是非气动式的机器人，此时实验者调节稳压阀手动切换人工气动肌肉的状态，使得穿戴者在肘关节外骨骼机器人的辅助下以相同的动作频率完成单臂弯举动作。状态3视为穿戴本申请实施例提供的气动式单臂上肢外骨骼机器人的状态，以同样方法辅助穿戴者完成单臂弯举动作。

实验结果如图15和图16所示，图15为肩关节屈曲/伸展轨迹实验结果示意图，图16为肘关节外展/内收轨迹结果实验示意图。图15和图16显示了三种不同状态下实验者的肩关节的外展/内收轨迹和肘关节屈曲/伸展轨迹。根据如下所示出的计算公式，利用统计学理论中的相关系数r_xy对不同状态下的轨迹进行评估，Cov(x,y)代表向量x与向量y之间的协方差，Var(x)和Var(y)分别为向量x与向量y的方差。

代表向量x的均值。

代表向量y的均值。

相关系数越接近1，则代表两个向量的相似性越高。其中，自然状态可视为标准的单臂弯举动作设为y₁，状态2和状态3分别设为y₂和y₃。计算结果表明，状态2和状态3条件下的肘关节运动轨迹较为相似，但肩关节的轨迹则相差较大，即完整穿戴本申请实施例提供的气动式单臂上肢外骨骼机器人后，实验者肘、肩关节的运动轨迹更近似于自然状态下的运动轨迹。与非气动式的肘关节外骨骼机器人相比，本申请实施例提供的气动式单臂上肢外骨骼机器人可以有效改善穿戴者的肩关节运动情况，降低肩袖损伤的发生几率。

实验过程记录了实验者的心率变化，如图17所示，横轴代表对应穿戴者的3种状态。心率的变化反映了实验者在穿戴外骨骼机器人后完成单臂弯举动作时的代谢情况。从实验结果来看，实验者在状态1下完成弯举动作时，其平均心率为107次/分；当实验者在状态2下完成弯举动作时，其平均心率变为110次/分；当实验者在状态3下完成弯举动作时，其平均心率变为109次/分。需要说明的是，由于实验方案并不包含下肢结构，肘关节外骨骼机械臂和外展肩枕的重量传递至实验者的肩胛骨、胸椎以及脊柱各处，并未直接通过下肢结构或基座直接卸载到地面或体外，因此实验者的平均心率发生微小的变化。但从结果来看，这种变化很小，其增幅仅为1.87%。进而说明，实验者在穿戴本申请实施例提供的气动式单臂上肢外骨骼机器人后，其代谢状态与自然状态相比无显著性增加变化。上述实验结果证明了本申请实施例提供的护肩结构和外展肩枕可有效改善穿戴者肩部外展/内收的运动轨迹，即验证了所提出的刚性肘关节外骨骼机械臂与柔性护肩结构和外展肩枕连接相结合的结构合理性。穿戴样机后，实验者的心率无显著性变化，进一步验证了本申请实施例提供的气动式单臂上肢外骨骼机器人对肩袖损伤的预防具有积极的作用。

以上对本申请实施例所提供的一种气动式单臂上肢外骨骼机器人及控制系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种气动式单臂上肢外骨骼机器人，其特征在于，包括肘关节外骨骼机械臂，用于容纳穿戴者的上臂和前臂；

所述肘关节外骨骼机械臂包括第一人工气动肌肉和压缩型气弹簧；

所述第一人工气动肌肉和所述压缩型气弹簧用于对所述肘关节外骨骼机械臂提供驱动力矩。

2.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述肘关节外骨骼机械臂包括依次连接的上臂连杆、前臂连杆和手柄；

所述肘关节外骨骼机械臂包括相对设置的第一侧和第二侧；

在所述第一侧，所述第一人工气动肌肉的两端分别与所述上臂连杆和所述前臂连杆连接；

在所述第二侧，所述压缩型气弹簧的两端分别与所述上臂连杆和所述前臂连杆连接。

3.根据权利要求2所述的机器人，其特征在于，所述第一人工气动肌肉包括内部橡胶管、两个管状接头、气动接头、金属卡箍和外部编织网；

两个所述管状接头分别与所述内部橡胶管的两端连接；所述上臂连杆和所述前臂连杆分别通过所述管状接头与所述第一人工气动肌肉连接；

所述气动接头与所述内部橡胶管的一端连接，所述第一人工气动肌肉通过所述气动接头充气和放气；所述金属卡箍设置在所述内部橡胶管的两端，用于固定包覆在所述内部橡胶管外部的所述外部编织网。

4.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，还包括护肩结构，所述护肩结构包裹在所述穿戴者的肩部和大臂，并固定于所述穿戴者的上肢；

所述护肩结构与所述肘关节外骨骼机械臂连接。

5.根据权利要求4所述的机器人，其特征在于，还包括外展肩枕，所述外展肩枕设置在所述穿戴者的腋下；

所述外展肩枕包括第二人工气动肌肉和柔软针织软袋，所述第二人工气动肌肉放置在所述针织软袋中；

所述外展肩枕与所述护肩结构连接。

6.根据权利要求5所述的机器人，其特征在于，所述护肩结构包括底层护肩和顶层肩带，所述底层护肩用于包裹所述穿戴者的肩部和大臂；所述底层护肩的两侧设置有连接卡环，所述连接卡环用于与所述肘关节外骨骼机械臂连接；

所述顶层肩带为弹性绷带，所述顶层肩带的两端分别与所述外展肩枕连接。

7.一种针对权利要求1-6任一项所述的机器人的控制系统，其特征在于，包括能源装置、上位机、下位机、传感装置和驱动装置；

所述能源装置包括空压机和直流电源；

所述传感装置包括惯性传感器、接触力传感器；

所述驱动装置包括稳压阀、驱动电路板和高速开关阀；

所述驱动装置用于驱动所述第一人工气动肌肉和所述压缩型气弹簧对所述肘关节外骨骼机械臂提供驱动力矩。

8.根据权利要求7所述的控制系统，其特征在于，还包括关节力矩测量装置，用于测量所述第一人工气动肌肉和所述压缩型气弹簧对所述肘关节外骨骼机械臂提供的驱动合力；

所述关节力矩测量装置包括电子测力计、连接环、钢丝绳、拉伸弹簧和定滑轮；

所述肘关节外骨骼机械臂包括依次连接的上臂连杆和前臂连杆；

所述电子测力计和所述定滑轮固定设置在所述上臂连杆的外侧，所述电子测力计与所述连接环的一端连接；所述连接环的另一端通过所述钢丝绳与所述拉伸弹簧的一端固定连接，所述拉伸弹簧的另一端与所述前臂连杆的外侧固定连接；

所述钢丝绳设置在所述定滑轮上，所述定滑轮用于约束所述拉伸弹簧的移动方向。

9.根据权利要求8所述的控制系统，其特征在于，还包括几何模型处理器和线性控制器，所述几何模型处理器用于将所述驱动合力进行几何关系模型计算后得到实际驱动力矩；所述线性控制器用于将所述实际驱动力矩调整为期望驱动力矩。

10.根据权利要求9所述的控制系统，其特征在于，所述几何模型处理器计算后得到的所述实际驱动力矩

满足如下关系式：

其中，系数F₀为所述电子测力计的初始值，F为所述电子测力计的当前值，

为所述上臂连杆和所述前臂连杆之间的夹角，l ₁ 为所述上臂连杆与所述前臂连杆连接处与所述拉伸弹簧与所述前臂连杆的连接处之间的距离，l ₂ 为所述上臂连杆与所述前臂连杆连接处与所述拉伸弹簧与所述连接环的连接处的距离。

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