CN217724039U - 一种可穿戴柔性膝关节助力服 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可穿戴柔性膝关节助力服，包括便携式控制系统、助力服左腿穿戴组件、助力服右腿穿戴组件和航姿参考系统组件(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，并反馈给便携式控制系统。所述便携式控制系统根据用户步态和运动模式，利用基于双闭环机制的滑模变结构控制方法,对助力服左腿穿戴组件和助力服右腿穿戴组件的气压进行实时控制，在行走过程中提供与用户的步态和运动模式一致的、在人体矢状面内从左腿或右腿的大腿和小腿的后侧以及膝盖窝侧的气压作用力，以及为膝关节提供在0°‑180°范围内伸展的转矩，达到辅助膝关节运动的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种可穿戴柔性膝关节助力服，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
可穿戴柔性膝关节助力服是柔性外骨骼与医工技术结合的产物，主要以膝关节助力为目标，采用柔性构件代替刚性结构，利用柔性气囊结构或鲍登绳驱动结构直接作用于膝关节,避免了刚性结构自由度约束,使膝关节可以按照穿戴者的运动意图完成相应的屈/伸运动，减轻穿戴者身体负担、增强肢体力量，促进患者恢复正常人的运动机能，或者为弱行走能力的老龄化人群提供部分行走辅助，提高行走能力，从而提高用户的生活质量，降低社会负担。目前国内外比较典型的柔性膝关节外骨骼包括日本冈山大学的Sasaki等采用铝膜充气气囊叠研发的膝关节柔性助力裤、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。
绳驱动的柔性膝关节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。但由于绳传动具有黏滑效应,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。
气动柔性膝关节助力服一般采用气动肌肉作为驱动器，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，也限制了其在柔性外骨骼领域的深入应用；并且气动肌肉驱动的下肢外骨骼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，对柔性下肢外骨骼的小型化、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外骨骼的灵活性与助力效率是柔性膝关节助力服系统的研究关键，也是目前柔性下肢外骨骼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，提供一种可穿戴柔性膝关节助力服，包括所述可穿戴柔性膝关节助力服包括便携式控制系统、柔性助力服左腿穿戴组件、柔性助力服右腿穿戴组件、背带、腰部固定带、气管(A)以及气管(B)等。便携式控制系统根据用户步态和运动模式，对柔性助力服左腿穿戴组件和柔性助力服右腿穿戴组件的气压进行实时控制，在行走过程中按照用户的步态和运动模式，提供辅助膝关节运动的辅助转矩，达到辅助膝关节运动的目的。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种可穿戴柔性膝关节助力服，包括：
便携式控制系统，其能够对获取的数据进行处理，以及对驱动及气压输出进行控制；
助力服左腿穿戴组件，其用于穿戴在左腿膝关节，能够在人体矢状面内从左腿的大腿和小腿的后侧，以及膝盖窝侧提供压力作用力，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；
助力服右腿穿戴组件，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，以及膝盖窝侧提供压力作用力，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；
航姿参考系统组件(AHRS)，其能够对左、右腿大腿相对地面的摆动角度参数进行实时获取，为所述便携式控制系统提供用户的步态和运动模式数据；
所述便携式控制系统能够按照用户的步态和运动模式，实时控制所述助力服左腿穿戴组件和助力服右腿穿戴组件的气压，为用户提供与其步态和运动模式一致的、辅助膝关节在0°-180°范围内伸展的转矩，辅助左右腿膝关节伸展。
优选地，所述可穿戴柔性膝关节助力服还包括：
背带，用于用户双肩背负所述便携式控制系统；
腰部固定带，用于将所述便携式控制系统在用户腰部固定；
气管A，其用于将所述便携式控制系统的气压输送到所述助力服左腿穿戴组件；
气管B，其用于将所述便携式控制系统的气压输送到所述助力服右腿穿戴组件。
优选地，所述便携式控制系统包括：控制箱本体、控制器、气泵驱动器、气泵、两位三通正压气阀、气压传感器、电池组，以及电连接器；
所述控制器用于对数据进行接收、计算、处理，以及指令发送；
所述气泵用于为所述柔性助力服左腿穿戴组件和所述柔性助力服右腿穿戴组件提供正压；
所述两位三通正压气阀能够对所述气泵的正压输出到所述柔性助力服左腿穿戴组件和所述柔性助力服右腿穿戴组件之间不同气流输送通道进行切换，以及对所述柔性助力服左腿穿戴组件和所述柔性助力服右腿穿戴组件的正压和负压进行切换。
优选地，所述助力服左腿穿戴组件和助力服右腿穿戴组件分别进一步包括：包围式护膝、TPU正压驱动器、航姿参考系统组件、魔术贴A以及魔术贴B。
优选地，所述包围式护膝包括毛面侧和光面侧；
所述毛面侧位于所述柔性助力服左腿穿戴组件和所述柔性助力服右腿穿戴组件外侧；
所述光面侧位于所述柔性助力服左腿穿戴组件和所述柔性助力服右腿穿戴组件内侧。
优选地，所述航姿参考系统组件能够实时检测出左、右两条大腿和小腿在矢状面内的旋转角度，还能够通过将同侧大腿、小腿旋转角度做差计算出膝关节角度，并反馈给所述便携式控制系统，为所述便携式控制系统提供用户步态和运动模式数据。
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。
优选地，所述魔术贴A缝合在所述包围式护膝上用于固定和调整所述航姿参考系统组件的位置，从而在所述柔性助力服左腿穿戴组件和所述柔性助力服右腿穿戴组件穿戴时，使所述航姿参考系统组件位于人体的冠状面内。
优选地，所述魔术贴B缝合在所述包围式护膝一端，与所述包围式护膝的外侧面的毛面扣合，用于所述柔性助力服左腿穿戴组件和所述柔性助力服右腿穿戴组件在用户膝关节相应位置的固定以及松紧的调整。
优选地，所述可穿戴柔性膝关节助力服还包括：
气压传感器，其能够实时采集TPU正压驱动器的压力信息，并实时反馈给控制器；
所述控制器采用所述航姿参考系统组件(AHRS)、步态估算模型及膝关节力矩模型，对人体当前的行走步态进行识别并进行力矩指令和气压指令的计算；所述气泵控制器利用基于双闭环机制的滑模变结构控制方法,构建气压-转速-气阀指令计算模型，实时计算满足模型所需要的气泵转速和气阀开关量；微型气泵和两位三通正压气阀按照气泵控制器指令，执行相应动作，通过柔性助力执行系统为用户的膝关节提供与步态周期和膝关节力矩需求匹配的辅助力矩。
优选地，所述基于双闭环机制的滑模变结构控制方法是在气压闭环调节基础上，构建内环的转速闭环调节模块，加快气压调节的速度。为了实现气压的实时调节，系统引入闭环控制机制以实现目标。当实际气压大于设定值时，主要通过闭环控制调节气泵转速，使得实际气压迅速达到给定气压。当实际气压明显小于设定值，则主要通过开通气阀充气，使TPU正压驱动器的实际气压迅速达到设定值，最终实现TPU正压驱动器输出所需力矩的目标。系统中人体所需辅助力矩曲线是动态变化的，为了保证TPU正压驱动器在不同时刻提供实时准确的辅助力矩，系统需要具备较快的动态响应。因而需要对决定系统性能的闭环控制环节做进一步优化。基于上述考虑，在气压闭环调节基础上，构建内环的转速闭环调节模块，加快气压调节的速度。为了进一步提升系统的动态特性，在上述基础上，引入变结构控制的滑模控制器，取代传统的PI控制器。滑模控制器的本质是通过切换开关，使得闭环控制系统具有不同的结构。设定S(t)为切换函数，当S(t)＝0时为滑模面。u+(t)和u-(t)分别为滑模面左右两侧的控制器。通过切换不同的控制器，实现反馈迅速达到给定的目标，最终实现更好的动态响应，具体可以表述为：
为实现滑模控制器，首先构造滑模面。要调节的变量是转速，同时最终要调节的是气压，而气压是由转速的积分构成，因此基于这两个量构造滑膜面如下：
S＝X1+CX2 (4)
其中，
wr分别是电机的给定转速和实际转速，S为切换函数
已知电机的运动方程：
设定气压误差表达式：
e＝P*-p (6)
wr＝ke (7)
联合上面公式，对S求导可得：
其中，Te为输出转矩，Tl为负载转矩，J为转动惯量，P*为给定气压，p为实际气压，k、C为常数。
选定滑模面，还需要选定滑模控制率。为了加快收敛速度，选定指数趋近率。因此设定滑模控制率为：
其中：ξ、k2为常数
联合上述各式，可以求得输出转矩的表达式，即滑模控制器的输出量为：
通过引入滑模控制器，进一步提升了系统的动态响应，从而更好的提升系统性能；在此基础上，驱动模块控制单元依据气压给定值及检测的气压及转速信息，实时计算得到气泵的控制指令和两位三通正压气阀的开关指令；两位三通正压气阀和气泵按照控制器指令执行相应动作，为TPU正压驱动器提供定量的正压。
相比现有技术，本发明的可穿戴柔性膝关节助力服采用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，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，此外本发明所述的可穿戴柔性膝关节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是本发明可穿戴柔性膝关节助力服的主视图；
图2是本发明可穿戴柔性膝关节助力服的右视图；
图3是本发明可穿戴柔性膝关节助力服的后视图；
图4是图1中助力服左腿穿戴组件外侧(毛面侧)展开结构图；
图5是图1中助力服左腿穿戴组件内侧(光面侧)展开结构图；
图6是图1中助力服右腿穿戴组件外侧(毛面侧)展开结构图；
图7是图1中助力服右腿穿戴组件内侧(光面侧)展开结构图；
图8是本发明可穿戴柔性膝关节助力服的总体控制方案图；
图9是本发明可穿戴柔性膝关节助力服气压调节模块控制框图。
其中各附图标记含义如下：
1.便携式控制系统；2.柔性助力服左腿穿戴组件；3.柔性助力服右腿穿戴组件；4.背带；5.腰部固定带；6.气管A；7.气管B。
101.包围式毛面莱卡布(OK布)护膝；102.TPU正压驱动器；103.航姿参考系统组件(AHRS)；104.电连接器(公头)；105.魔术贴A(母面，毛面)；106.魔术贴B(公面，钩面)。
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。
本发明提供了一种可穿戴柔性膝关节助力服。图1、2和3分别为所述可穿戴柔性膝关节助力服的主视图(正向视图)、左视图和后视图。如图1，2和3所示，所述可穿戴柔性膝关节助力服包括便携式控制系统1，柔性助力服左腿穿戴组件2，柔性助力服右腿穿戴组件3，背带4，腰部固定带5，气管(A)6以及气管(B)7。用户可以通过所述背带4以及腰部固定带5将所述便携式控制系统1背负在双肩，并在腰部固定。所述柔性助力服左腿穿戴组件2和所述柔性助力服右腿穿戴组件3分别穿戴在左右腿的大腿、小腿以及膝关节相应部位。所述便携式控制系统1分别通过所述气管A 6和气管B 7与所述柔性助力服左腿穿戴组件2和所述柔性助力服右腿穿戴组件3连通，形成气压输送通道。
所述便携式控制系统1包括控制箱本体、控制器、微小型气泵、两位三通正压气阀、气压传感器、锂电池组以及电连接器(母头)等。控制器是可穿戴柔性膝关节助力服数据接收、计算、处理和指令发送的主令单元。微小型气泵是可穿戴柔性膝关节助力服的动力源，为所述柔性助力服左腿穿戴组件2和所述柔性助力服右腿穿戴组件3提供正压；两位三通正压气阀为三通电磁阀，可实现微小型气泵正压输出到所述柔性助力服左腿穿戴组件2和所述柔性助力服右腿穿戴组件3之间不同气流输送通道的切换，以及所述柔性助力服左腿穿戴组件2和所述柔性助力服右腿穿戴组件3的正压和负压切换。
图4和图5分别为所述柔性助力服左腿穿戴组件2外侧(毛面侧)结构图和内侧(光面侧)结构图，图6和图7分别为所述柔性助力服右腿穿戴组件3外侧(毛面侧)结构图和内侧(光面侧)结构图。所述柔性助力服左腿穿戴组件2和所述柔性助力服右腿穿戴组件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，航姿参考系统组件(AHRS)103，电连接器(公头)104，魔术贴A(母面)105，以及魔术贴B(公面)106。
所述包围式毛面莱卡布(OK布)护膝101分为毛面侧和光面侧，其毛面侧即为所述柔性助力服左腿穿戴组件2和所述柔性助力服右腿穿戴组件3外侧；其光面侧即为所述柔性助力服左腿穿戴组件2和所述柔性助力服右腿穿戴组件3内侧。
所述TPU正压驱动器102由TPU布料材质制成，是所述助力服左腿穿戴组件2和助力服右腿穿戴组件3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102以所述包围式毛面莱卡布(OK布)护膝101的Y轴为对称轴缝合在所述包围式毛面莱卡布护膝101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。
所述魔术贴A(母面)105缝合在所述包围式毛面莱卡布(OK布)护膝101上用于固定所述航姿参考系统组件(AHRS)103。如图5和图7所示，所述魔术贴A(母面)105的位置在所述柔性助力服左腿穿戴组件2和所述柔性助力服右腿穿戴组件3的区别在于：所述柔性助力服左腿穿戴组件2中的两个所述魔术贴A(母面)105位于所述包围式毛面莱卡布(OK布)护膝101光面侧的右侧；而所述柔性助力服右腿穿戴组件3上的两个所述魔术贴A(母面)105位于所述包围式毛面莱卡布(OK布)护膝101光面侧的左侧。所述航姿参考系统组件(AHRS)103通过背胶式魔术贴(钩面)贴合在所述魔术贴A(毛面)105和所述魔术贴B(母面)106上。所述航姿参考系统组件(AHRS)103在所述魔术贴A(母面)105和所述魔术贴B(母面)106上的位置上可以调整。所述航姿参考系统组件(AHRS)103通过所述电连接器(公头)104与所述便携式控制系统1的电连接器(母头)连接。所述航姿参考系统组件(AHRS)103能够对左、右腿的小腿和大腿相对地面的运动参数进行实时获取，并反馈给所述控制器。
如图5和图7所示，所述魔术贴B(钩面)106缝合在所述包围式毛面莱卡布护膝101一端，其位置在所述柔性助力服左腿穿戴组件2和所述柔性助力服右腿穿戴组件3的区别在于：所述柔性助力服左腿穿戴组件2中的所述魔术贴B(钩面)106位于所述包围式毛面莱卡布(OK布)护膝101毛面侧的右端；而所述柔性助力服右腿穿戴组件3中所述魔术贴B(钩面)106位于所述包围式毛面莱卡布(OK布)护膝101毛面侧的左端。所述魔术贴B(钩面)106在在所述柔性助力服左腿穿戴组件2和所述柔性助力服右腿穿戴组件3的位置主要依据右利手群体穿戴包围式护膝的习惯进行的设计。所述柔性助力服左腿穿戴组件2以及所述柔性助力服右腿穿戴组件3穿戴在用户左腿、右腿以及膝关节相应位置后，所述魔术贴B(钩面)106可以与所述包围式毛面莱卡布护膝101的外侧面的毛面扣合，完成所述柔性助力服左腿穿戴组件2和所述柔性助力服右腿穿戴组件3位置固定以及松紧的调整。如图1,3和5所示，所述柔性助力服左腿穿戴组件2以及所述柔性助力服右腿穿戴组件3穿戴时，所述航姿参考系统组件(AHRS)103位于双腿的大腿和小腿的外侧，其位置可以通过调整所述航姿参考系统组件(AHRS)103在所述魔术贴A(母面)105的在X轴方向上的贴合位置，使所述航姿参考系统组件(AHRS)103位于人体的冠状面内。
图8是本发明可穿戴柔性膝关节助力服的总体控制方案图，如图所示，所述控制器采用所述航姿参考系统组件(AHRS)103、步态估算模型及膝关节力矩模型，对人体当前的行走步态进行识别并进行力矩指令和气压指令的计算；所述气泵控制器利用基于双闭环机制的滑模变结构控制方法,构建气压-转速-气阀指令计算模型，实时计算满足模型所需要的气泵转速和气阀开关量；微型气泵和正压气阀按照气泵控制器指令，执行相应动作，通过柔性助力执行系统为用户的膝关节提供与步态周期和膝关节力矩需求匹配的辅助力矩。
所述基于双闭环机制的滑模变结构控制方法是在气压闭环调节基础上，构建内环的转速闭环调节模块，加快气压调节的速度。为了实现气压的实时调节，系统引入闭环控制机制以实现目标。当实际气压大于设定值时，主要通过闭环控制调节气泵转速，使得实际气压迅速达到给定气压。当实际气压明显小于设定值，则主要通过开通气阀充气，使TPU正压驱动器102的实际气压迅速达到设定值，最终实现TPU正压驱动器102输出所需力矩的目标。系统中人体所需辅助力矩曲线是动态变化的，为了保证TPU正压驱动器102在不同时刻提供实时准确的辅助力矩，系统需要具备较快的动态响应。因而需要对决定系统性能的闭环控制环节做进一步优化。基于上述考虑，在气压闭环调节基础上，构建内环的转速闭环调节模块，加快气压调节的速度。为了进一步提升系统的动态特性，在上述基础上，引入变结构控制的滑模控制器，取代传统的PI控制器，系统控制框图如图9所示。滑模控制器的本质是通过切换开关，使得闭环控制系统具有不同的结构。设定S(t)为切换函数，当S(t)＝0时为滑模面。u+(t)和u-(t)分别为滑模面左右两侧的控制器。通过切换不同的控制器，实现反馈迅速达到给定的目标，最终实现更好的动态响应，具体可以表述为：
为实现滑模控制器，首先构造滑模面。要调节的变量是转速，同时最终要调节的是气压，而气压是由转速的积分构成，因此基于这两个量构造滑模面如下：
S＝X1++CX2 (4)
其中，
wr分别是电机的给定转速和实际转速，S为切换函数
已知电机的运动方程：
设定气压误差表达式：
e＝P*-p (6)
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联合上面公式，对S求导可得：
其中，Te为输出转矩，Tl为负载转矩，J为转动惯量，P*为给定气压，p为实际气压，k、C为常数。
选定滑模面，还需要选定滑模控制率。为了加快收敛速度，选定指数趋近率。因此设定滑模控制率为：
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ξ、k2为常数。
联合上述各式，可以求得输出转矩的表达式，即滑模控制器的输出量为：
通过引入滑模控制器，进一步提升了系统的动态响应，从而更好的提升系统性能；在此基础上，驱动模块控制单元依据气压给定值及检测的气压及转速信息，实时计算得到气泵的控制指令和两位三通正压气阀的开关指令；两位三通正压气阀和气泵按照控制器指令执行相应动作，为TPU正压驱动器102提供定量的正压。
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 (9)
1.一种可穿戴柔性膝关节助力服，其特征是，包括以下部分：
便携式控制系统，其能够对获取的数据进行处理，以及对驱动及气压输出进行控制；
柔性助力服左腿穿戴组件，其用于穿戴在左腿膝关节，能够在人体矢状面内从左腿的大腿和小腿的后侧，以及膝盖窝侧提供压力作用力，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；
柔性助力服右腿穿戴组件，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，以及膝盖窝侧提供压力作用力，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；
航姿参考系统组件（AHRS），其能够对左、右腿大腿相对地面的摆动角度参数进行实时获取，为所述便携式控制系统提供用户的步态和运动模式数据；
所述便携式控制系统能够按照用户的步态和运动模式，实时控制所述柔性助力服左腿穿戴组件和柔性助力服右腿穿戴组件的气压，为用户提供与其步态和运动模式一致的、辅助膝关节在0°-180°范围内伸展的转矩，辅助左右腿膝关节伸展。
2.根据权利要求1所述的可穿戴柔性膝关节助力服，其特征在于，所述可穿戴柔性膝关节助力服还包括：
背带，用于用户双肩背负所述便携式控制系统；
腰部固定带，用于将所述便携式控制系统在用户腰部固定；
气管A，其用于将所述便携式控制系统的气压输送到所述柔性助力服左腿穿戴组件；
气管B，其用于将所述便携式控制系统的气压输送到所述柔性助力服右腿穿戴组件。
3.根据权利要求1或2所述的可穿戴柔性膝关节助力服，其特征在于，所述便携式控制系统包括：控制箱本体、控制器、气泵驱动器、气泵、两位三通正压气阀、气压传感器、转速检测单元、电池组，以及电连接器；
所述控制器用于对数据进行接收、计算、处理，以及指令发送；
所述气泵用于为所述柔性助力服左腿穿戴组件和所述柔性助力服右腿穿戴组件提供正压；
所述两位三通正压气阀能够对所述气泵的正压输出到所述柔性助力服左腿穿戴组件和所述柔性助力服右腿穿戴组件之间不同气流输送通道进行切换，以及对所述柔性助力服左腿穿戴组件和所述柔性助力服右腿穿戴组件的正压和负压进行切换。
4.根据权利要求3所述的可穿戴柔性膝关节助力服，其特征在于，所述柔性助力服左腿穿戴组件和柔性助力服右腿穿戴组件分别进一步包括：包围式护膝、TPU正压驱动器、航姿参考系统组件、魔术贴A以及魔术贴B。
5.根据权利要求4所述的可穿戴柔性膝关节助力服，其特征在于，所述包围式护膝包括毛面侧和光面侧；
所述毛面侧位于所述柔性助力服左腿穿戴组件和所述柔性助力服右腿穿戴组件外侧；
所述光面侧位于所述柔性助力服左腿穿戴组件和所述柔性助力服右腿穿戴组件内侧。
6.根据权利要求4所述的可穿戴柔性膝关节助力服，其特征在于，所述航姿参考系统组件能够实时检测出左、右两条大腿和小腿在矢状面内的旋转角度，还能够通过将同侧大腿、小腿旋转角度做差计算出膝关节角度，并反馈给所述控制器，为所述便携式控制系统提供用户的步态和运动模式数据。
7.根据权利要求4所述的可穿戴柔性膝关节助力服，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。
8.根据权利要求4所述的可穿戴柔性膝关节助力服，其特征在于，所述魔术贴A缝合在所述包围式护膝上用于固定和调整所述航姿参考系统组件的位置，从而在所述柔性助力服左腿穿戴组件和所述柔性助力服右腿穿戴组件穿戴时，使所述航姿参考系统组件位于人体的冠状面内；
所述魔术贴B缝合在所述包围式护膝一端，与所述包围式护膝的外侧面的毛面扣合，用于所述柔性助力服左腿穿戴组件和所述柔性助力服右腿穿戴组件在用户膝关节相应位置的固定以及松紧的调整。
9.根据权利要求3所述的可穿戴柔性膝关节助力服，其特征在于，所述可穿戴柔性膝关节助力服还包括：
气压传感器，其能够实时采集TPU正压驱动器的压力信息，并实时反馈给控制器；
所述控制器采用所述航姿参考系统组件（AHRS）、步态估算模型及膝关节力矩模型，对人体当前的行走步态进行识别并进行力矩指令和气压指令的计算；所述气泵驱动器利用基于双闭环机制的滑模变结构控制方法,构建气压-转速-气阀指令计算模型，实时计算满足模型所需要的气泵转速和气阀开关量；微型气泵和两位三通正压气阀按照气泵驱动器指令，执行相应动作，通过柔性助力执行系统为用户的膝关节提供与步态周期和膝关节力矩需求匹配的辅助力矩。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202121182842.5U CN217724039U (zh) | 2021-05-28 | 2021-05-28 | 一种可穿戴柔性膝关节助力服 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202121182842.5U CN217724039U (zh) | 2021-05-28 | 2021-05-28 | 一种可穿戴柔性膝关节助力服 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN217724039U true CN217724039U (zh) | 2022-11-04 |
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ID=83811556
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|---|---|
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113230097A (zh) * | 2021-05-28 | 2021-08-10 | 北京理工大学 | 一种可穿戴柔性膝关节助力服 |
| CN113304017A (zh) * | 2021-05-28 | 2021-08-27 | 北京理工大学 | 一种具有多种行走辅助模式的柔性下肢助力服 |
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2021
- 2021-05-28 CN CN202121182842.5U patent/CN217724039U/zh active Active
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