CN205391322U - 一种肌电控制的外骨骼助行机器人 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种肌电控制的外骨骼助行机器人，包括气源、左腿、右腿、腰部固定装置和控制装置；所述左腿和右腿的上端分别固定在腰部固定装置上，并对称设置在腰部固定装置两侧；所述控制装置固定在腰部固定装置上。该机器人通过采集腿部的表面肌电信号，分析穿戴者的运动需求，控制气动肌肉模拟人体肌肉活动，在充分了解穿戴者运动意图的基础上辅助穿戴者运动，避免强制运动造成的不适甚至伤害。采用质量轻、能量转化率较高、柔顺性好的气动肌肉作为执行机构，直接将气动肌肉安装在人体各关节之间，为穿戴者提供辅助动力，结构简单、安全柔顺，符合人体生理特点，舒适性明显提高。
Description
技术领域
本实用新型涉及可穿戴的外骨骼助行机器人技术，具体为一种肌电控制的外骨骼助行机器人，可以辅助人体下肢肌肉伸缩，帮助老年人或行走不便者恢复下肢运动功能。
背景技术
随着现代社会老龄化问题的日益加重，老年人的健康问题得到了全社会的广泛关注，其中腿脚不灵便是影响老年人生活的重要问题。外骨骼助行机器人可以为老年人或行走不便者提供外在助力，帮助其恢复一定的运动能力，对于提高老年人生活质量、减轻家庭和社会的负担具有重要意义。
目前的外骨骼助行机器人大多固定在两腿外侧，外骨骼穿戴者(简称穿戴者)被动地跟随外骨骼运动，外骨骼机器人的运动轨迹可能与穿戴者的期望轨迹存在一定的差距，例如，中国专利申请201410827881.4公开了一种人体下肢外骨骼助行康复机器人，该实用新型采用伺服电机提供动力，利用连杆装置带动腿部运动，帮助穿戴者行走及康复训练。该实用新型采用的驱动结构较为坚硬，人体穿戴容易产生人体与外骨骼助行机器人运动不相容的现象，造成穿戴者不舒适，甚至额外伤害。
另外，目前的外骨骼助行机器人常用的运动控制方法是根据脚底压力、关节角度和加速度等传感器信息。例如，中国专利201310034245.1公开了一种穿戴式下肢外骨骼助行机器人，该实用新型通过采集和处理脚底压力和关节角度信息，生成相应运动信号控制外骨骼模拟人体运动，帮助穿戴者行走及康复训练。该方法缺乏对穿戴者自身感受的足够重视，忽视了穿戴者自身的实际需求，容易造成穿戴者不适。
实用新型内容
针对现有技术的不足，本实用新型拟解决的技术问题是，提供一种肌电控制的外骨骼助行机器人。该助行机器人通过采集腿部的表面肌电信号，分析穿戴者的运动需求，控制气动肌肉模拟人体肌肉活动，在充分了解穿戴者运动意图的基础上辅助穿戴者运动，避免强制运动造成的不适甚至伤害。采用质量轻、能量转化率较高、柔顺性好的气动肌肉作为执行机构，直接将气动肌肉安装在人体各关节之间，为穿戴者提供辅助动力，结构简单、安全柔顺，符合人体生理特点，舒适性明显提高。
本实用新型解决所述技术问题的技术方案是，提供一种肌电控制的外骨骼助行机器人，其特征在于所述机器人包括气源、左腿、右腿、腰部固定装置和控制装置；所述左腿和右腿的上端分别固定在腰部固定装置上，并对称设置在腰部固定装置两侧；所述控制装置固定在腰部固定装置上；
所述左腿和右腿的结构完全相同；所述左腿和右腿均包括大腿助力系统、小腿助力系统、踝关节固定装置和膝关节固定装置；所述大腿助力系统的上端固定于腰部固定装置，下端固定于膝关节固定装置；所述小腿助力系统的上端固定于膝关节固定装置，下端固定于踝关节固定装置；
所述大腿助力系统包括大腿固定装置、大腿气动执行模块、大腿肌电信号传感器模块和大腿陀螺仪模块；所述大腿气动执行模块包括至少三个大腿气动肌肉，其一端固定于大腿固定装置上，另一端分别固定于膝关节固定装置或腰部固定装置上，大腿气动肌肉通过软管与气源连接，使用时位于人体大腿主要肌肉上方；所述大腿肌电信号传感器模块包括至少三个大腿肌电信号传感器，使用时大腿肌电信号传感器固定在大腿气动肌肉对应的人体肌肉表面；所述大腿陀螺仪模块使用时固定于人体膝关节和髋关节之间、人体大腿前侧中间位置；所述大腿气动肌肉与大腿肌电信号传感器的数量相同；
所述小腿助力系统包括小腿气动执行模块、小腿肌电信号传感器模块和小腿陀螺仪模块；所述小腿气动执行模块包括至少两个小腿气动肌肉，其一端固定于膝关节固定装置上，另一端固定于踝关节固定装置上，小腿气动肌肉通过软管与气源连接，使用时位于人体小腿主要肌肉上方；所述小腿肌电信号传感器模块包括至少两个小腿肌电信号传感器，使用时小腿肌电信号传感器固定在小腿气动肌肉对应的人体肌肉表面；所述小腿陀螺仪模块使用时固定于人体膝关节和踝关节之间、人体小腿前侧中间位置；所述小腿气动肌肉与小腿肌电信号传感器的数量相同；
使用时，腰部固定装置、踝关节固定装置、膝关节固定装置和大腿固定装置，依次位于人体的腰部、踝关节、膝关节和大腿根处；
所述控制装置分别与大腿肌电信号传感器模块、小腿肌电信号传感器模块、大腿陀螺仪模块、小腿陀螺仪模块、大腿气动执行模块、小腿气动执行模块和气源连接。
与现有技术相比，本实用新型有益效果在于：
1.利用腿部表面肌电信号识别人体运动意图，控制气动肌肉模拟人体肌肉活动，在人体正常运动的基础上增加相应肌肉的收缩力量，从而帮助穿戴者提高运动能力，穿戴者为主，外骨骼助行机器人为辅，有效地避免了人机运动轨迹不一致造成的穿戴者不适。
2.气动肌肉附着于腿部真实肌肉的外部，而非关节或腿外侧，更接近于人体下肢正常运动，长期使用不会给关节造成额外负担和伤害。
3.重视穿戴者感受，通过接触力反馈人体穿戴感受，提高外骨骼穿戴舒适性；通过膝关节角度反馈与肌电信号识别结果比较，及时调整气动肌肉的进气量，助力效果得到明显提高。
附图说明
图1为本实用新型肌电控制的外骨骼助行机器人实施例1的主视结构示意图；
图2为本实用新型肌电控制的外骨骼助行机器人实施例1-3的后视结构示意图；
图3为本实用新型肌电控制的外骨骼助行机器人实施例1-3的右视结构示意图；
图4为本实用新型肌电控制的外骨骼助行机器人实施例2的主视结构示意图；
图5为本实用新型肌电控制的外骨骼助行机器人实施例3的主视结构示意图；。
具体实施方式
下面将对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
本实用新型提供了一种肌电控制的外骨骼助行机器人(参见图1-5，简称机器人)，其特征在于所述机器人包括气源、左腿、右腿、腰部固定装置1和控制装置3；所述左腿和右腿的上端分别固定在腰部固定装置1上，并对称设置在腰部固定装置1两侧；所述控制装置3固定在腰部固定装置1上；所述气源与左腿和右腿的气动肌肉通过软管连接；
所述左腿和右腿的结构完全相同；所述左腿和右腿均包括大腿助力系统4、小腿助力系统5、踝关节固定装置6和膝关节固定装置7；所述大腿助力系统4的上端固定于腰部固定装置1，下端固定于膝关节固定装置7；所述小腿助力系统5的上端固定于膝关节固定装置7，下端固定于踝关节固定装置6；
所述大腿助力系统4包括大腿固定装置2、大腿气动执行模块41、大腿肌电信号传感器模块42和大腿陀螺仪模块43；所述大腿气动执行模块41包括至少三个大腿气动肌肉，其一端固定于大腿固定装置2上，另一端分别固定于膝关节固定装置7或腰部固定装置1上，使用时位于人体大腿主要肌肉上方，当气源加气使得大腿气动肌肉内部充满空气时，大腿气动肌肉直径增加，长度缩短，形成一种流畅的弹性运动，模拟人体肌肉活动，帮助人体下肢关节伸展或收缩，为穿戴者提供行走助力；所述大腿肌电信号传感器模块42包括至少三个大腿肌电信号传感器，使用时大腿肌电信号传感器固定在大腿气动肌肉对应的人体肌肉表面，用以实时监测肌肉的表面肌电信号变化，并将各肌肉的表面肌电信号幅值变化反馈给控制装置3；所述大腿陀螺仪模块43使用时固定于人体膝关节和髋关节之间、人体大腿前侧中间位置，用于测量人体大腿与垂直方向夹角，控制装置3通过比较大腿陀螺仪模块43测量结果与期望夹角计算，进行补偿控制；所述大腿气动肌肉与大腿肌电信号传感器的数量相同；
所述小腿助力系统5包括小腿气动执行模块51、小腿肌电信号传感器模块52和小腿陀螺仪模块53；所述小腿气动执行模块51包括至少两个小腿气动肌肉，其一端固定于膝关节固定装置7上，另一端固定于踝关节固定装置6上，使用时位于人体小腿主要肌肉上方，当小腿气动肌肉内部充满空气时，小腿气动肌肉直径增加，长度缩短，模拟人体肌肉活动，为穿戴者提供行走助力；所述小腿肌电信号传感器模块52包括至少两个小腿肌电信号传感器，使用时小腿肌电信号传感器固定在小腿气动肌肉对应的人体肌肉表面，用以实时监测肌肉的表面肌电信号变化；所述小腿陀螺仪模块53使用时固定于人体膝关节和踝关节之间、人体小腿前侧中间位置，用于测量人体小腿与垂直方向夹角；所述小腿气动肌肉与小腿肌电信号传感器的数量相同；
使用时，腰部固定装置1、踝关节固定装置6、膝关节固定装置7和大腿固定装置2，依次位于人体腰部、踝关节、膝关节和大腿根处，用于固定气动肌肉。
所述大腿固定装置2为铝合金材质，利用三个节点互相平衡原理固定。
所述控制装置3分别与大腿肌电信号传感器模块42、小腿肌电信号传感器模块52、大腿陀螺仪模块43、小腿陀螺仪模块53、大腿气动执行模块41、小腿气动执行模块51和气源连接，控制装置3用于接收并处理大腿肌电信号传感器模块42、小腿肌电信号传感器模块52、大腿陀螺仪模块43、小腿陀螺仪模块53的信号，通过对采集的信息进行分析和综合，对大腿气动执行模块41、小腿气动执行模块51和气源发出控制指令，驱动机器人运动，为穿戴者提供动力。
所述大腿气动执行模块41的每个大腿气动肌肉配置有1个大腿高速开关阀411，安装在大腿气动肌肉的进气端；所述小腿气动执行模块51的每个小腿气动肌肉配置有1个小腿高速开关阀511，安装在小腿气动肌肉的进气端；通过控制开关阀改变通入对应气动肌肉的空气量，从而控制气动肌肉伸缩。
优选的，本实用新型的外骨骼助行机器人固定在人体下肢表面肌肉上，在助力过程中气动肌肉内部充气，直径增加，如果气动肌肉膨胀过大，可能对下方肌肉造成压迫，使穿戴者感到不舒服甚至疼痛。因此，在可能出现压迫现象的气动肌肉与肌肉之间安装接触力传感器模块44，接触力传感器模块44与控制装置3电连接，用于检测小腿气动肌肉或大腿气动肌肉和人体下肢表面之间的接触力，以此调整助力大小。
下面给出本实用新型外骨骼助行机器人的具体实施例。
实施例1
本实施例中(参见图1-3)大腿气动执行模块41设有大腿1号气动肌肉、大腿2号气动肌肉和大腿3号气动肌肉；所述大腿1号气动肌肉位于大腿的阔筋膜张肌上，大腿2号气动肌肉位于大腿的股直肌上，大腿3号气动肌肉位于大腿的股二头肌上；大腿肌电信号传感器模块42包括大腿1号肌电信号传感器、大腿2号肌电信号传感器和大腿3号肌电信号传感器，分别固定在实施例中阔筋膜张肌、股直肌和股二头肌表面，用以实时监测大腿肌肉的表面肌电信号变化。
在实施例中，所述小腿气动执行模块51设有小腿1号气动肌肉和小腿2号气动肌肉，所述小腿1号气动肌肉位于小腿的胫骨前肌上，小腿2号气动肌肉位于小腿的腓肠肌上；小腿肌电信号传感器模块52包括小腿1号肌电信号传感器和小腿2号肌电信号传感器，分别固定在实施例中胫骨前肌和腓肠肌表面，用以实时监测小腿肌肉的表面肌电信号变化。
实施例2
本实施例中(参见图2-4)，所述大腿气动执行模块41设有大腿1号气动肌肉、大腿2号气动肌肉、大腿3号气动肌肉和大腿4号气动肌肉，所述大腿1号气动肌肉位于大腿的阔筋膜张肌上方，大腿2号气动肌肉位于大腿的股直肌上方，大腿3号气动肌肉位于大腿的股二头肌上方，大腿4号气动肌肉位于大腿的股外侧肌上方；大腿肌电信号传感器模块42包括大腿1号肌电信号传感器、大腿2号肌电信号传感器、大腿3号肌电信号传感器和大腿4号肌电信号传感器，分别固定在实施例中阔筋膜张肌、股直肌、股二头肌和股外侧肌表面，用以实时监测大腿肌肉的表面肌电信号变化。
在实施例中，所述小腿气动执行模块51设有小腿1号气动肌肉和小腿2号气动肌肉，所述小腿1号气动肌肉位于小腿的胫骨前肌上，小腿2号气动肌肉位于小腿的腓肠肌上；小腿肌电信号传感器模块52包括小腿1号肌电信号传感器和小腿2号肌电信号传感器，分别固定在实施例中胫骨前肌和腓肠肌表面，用以实时监测小腿肌肉的表面肌电信号变化。
实施例1和2的工作原理和工作流程是：
(1)穿戴者穿戴上该外骨骼助行机器人，启动设备；
(2)大腿肌电信号传感器模块42和小腿肌电信号传感器模块52工作，实时采集下肢各主要肌肉的表面肌电信号，然后传送给控制装置3；
(3)控制装置3将接收到的表面肌电信号数据进行分析，决定是否启动大腿气动执行模块41和小腿气动执行模块51；
(4)若不启动，则重复步骤(2)和(3)；
(5)若需要启动，控制装置3发送指令给大腿气动执行模块41、小腿气动执行模块51和气源，开始给气动肌肉充气；
(6)根据表面肌电信号计算所需提供力矩，读取大腿陀螺仪模块43和小腿陀螺仪模块53的信息，计算大腿和小腿的关节角度，结合力矩与关节角度，控制大腿气动执行模块41的大腿高速开关阀411和小腿气动执行模块51的小腿高速开关阀511的阀门开度，从而控制外骨骼助行机器人运动；
(7)大腿气动执行模块41的大腿高速开关阀411和小腿气动执行模块51的小腿高速开关阀511执行动作后，跳转到步骤(2)，循环工作，直至外骨骼助行机器人停止工作。
实施例3
在实施例中，所述大腿助力系统4还包括接触力传感器模块44(参见图2、3、5)，固定在股直肌表面，位于大腿1号气动肌肉与大腿皮肤接触位置，用于实时监测身体穿戴感受，防止气动肌肉过度膨胀造成穿戴者大腿肌肉受压而不适。其他同实施例2。
实施例3的工作原理和工作流程是：
(1)穿戴者穿戴上该外骨骼助行机器人，启动设备；
(2)大腿肌电信号传感器模块42和小腿肌电信号传感器模块52工作，实时采集下肢各主要肌肉的表面肌电信号，然后传送给控制装置3；
(3)控制装置3将接收到的表面肌电信号数据进行分析，决定是否启动大腿气动执行模块41和小腿气动执行模块51；
(4)若不启动，则重复步骤(2)和(3)；
(5)若需要启动，控制装置3发送指令给大腿气动执行模块41、小腿气动执行模块51和气源，开始给气动肌肉充气；
(6)根据表面肌电信号计算所需提供力矩，控制装置3将力矩值转化为控制命令，控制大腿气动执行模块41和小腿气动执行模块51的高速开关阀的阀门开度，从而控制外骨骼助行机器人运动；
(7)大腿气动执行模块41的大腿高速开关阀411和小腿气动执行模块51的小腿高速开关阀511执行动作后，读取大腿陀螺仪模块43和小腿陀螺仪模块53的信息，计算大腿和小腿的关节角度；读取接触力传感器模块44，检测气动肌肉和下肢肌肉表面之间的接触力；控制装置3利用关节角度和接触力数据进行综合分析，通过反馈控制修正大腿气动执行模块41的高速开关阀411和小腿气动执行模块51的高速开关阀511的阀门开度，提高穿戴者的舒适性和助力效果。
(8)大腿气动执行模块41的大腿高速开关阀411和小腿气动执行模块51的小腿高速开关阀511执行修正命令后，跳转到步骤(2)，循环工作，直至外骨骼助行机器人停止工作。
本实用新型未述及之处适用于现有技术。
Claims (5)
1.一种肌电控制的外骨骼助行机器人，其特征在于所述机器人包括气源、左腿、右腿、腰部固定装置和控制装置；所述左腿和右腿的上端分别固定在腰部固定装置上，并对称设置在腰部固定装置两侧；所述控制装置固定在腰部固定装置上；
所述左腿和右腿的结构完全相同；所述左腿和右腿均包括大腿助力系统、小腿助力系统、踝关节固定装置和膝关节固定装置；所述大腿助力系统的上端固定于腰部固定装置，下端固定于膝关节固定装置；所述小腿助力系统的上端固定于膝关节固定装置，下端固定于踝关节固定装置；
所述大腿助力系统包括大腿固定装置、大腿气动执行模块、大腿肌电信号传感器模块和大腿陀螺仪模块；所述大腿气动执行模块包括至少三个大腿气动肌肉，其一端固定于大腿固定装置上，另一端分别固定于膝关节固定装置或腰部固定装置上，大腿气动肌肉通过软管与气源连接，使用时位于人体大腿主要肌肉上方；所述大腿肌电信号传感器模块包括至少三个大腿肌电信号传感器，使用时大腿肌电信号传感器固定在大腿气动肌肉对应的人体肌肉表面；所述大腿陀螺仪模块使用时固定于人体膝关节和髋关节之间、人体大腿前侧中间位置；所述大腿气动肌肉与大腿肌电信号传感器的数量相同；
所述小腿助力系统包括小腿气动执行模块、小腿肌电信号传感器模块和小腿陀螺仪模块；所述小腿气动执行模块包括至少两个小腿气动肌肉，其一端固定于膝关节固定装置上，另一端固定于踝关节固定装置上，小腿气动肌肉通过软管与气源连接，使用时位于人体小腿主要肌肉上方；所述小腿肌电信号传感器模块包括至少两个小腿肌电信号传感器，使用时小腿肌电信号传感器固定在小腿气动肌肉对应的人体肌肉表面；所述小腿陀螺仪模块使用时固定于人体膝关节和踝关节之间、人体小腿前侧中间位置；所述小腿气动肌肉与小腿肌电信号传感器的数量相同；
使用时，腰部固定装置、踝关节固定装置、膝关节固定装置和大腿固定装置，依次位于人体的腰部、踝关节、膝关节和大腿根处；
所述控制装置分别与大腿肌电信号传感器模块、小腿肌电信号传感器模块、大腿陀螺仪模块、小腿陀螺仪模块、大腿气动执行模块、小腿气动执行模块和气源连接。
2.根据权利要求1所述的肌电控制的外骨骼助行机器人，其特征在于所述大腿固定装置为铝合金材质。
3.根据权利要求1所述的肌电控制的外骨骼助行机器人，其特征在于所述大腿气动执行模块的每个大腿气动肌肉配置有一个大腿高速开关阀，安装在大腿气动肌肉的进气端。
4.根据权利要求1所述的肌电控制的外骨骼助行机器人，其特征在于所述小腿气动执行模块的每个小腿气动肌肉配置有一个小腿高速开关阀，安装在小腿气动肌肉的进气端。
5.根据权利要求1所述的肌电控制的外骨骼助行机器人，其特征在于所述机器人还包括接触力传感器模块；所述接触力传感器模块与控制装置电连接，使用时位于小腿气动肌肉或大腿气动肌肉与人体肌肉之间。
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