CN108938340B - 一种辅助髋关节和膝关节运动的柔性外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种辅助髋关节和膝关节运动的柔性外骨骼机器人，包括气动控制***、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等。左腿髋关节柔性助力组件和右腿髋关节柔性助力组件采用负压收缩弹性体驱动器作为驱动元件，其在负压作用时形成线性位移和弹性作用力；左腿膝关节柔性助力组件和右腿膝关节柔性助力组件采用负压旋转弹性体作为驱动元件，其在负压作用下产生旋转的转矩。气动控制***对检测与信息发送模块采集和反馈的用户步态数据实时处理，对负压收缩弹性体驱动器和负压旋转弹性体的负压加载和卸载过程进行实时控制，在行走过程中按照步态规律为髋关节、膝关节提供助力。

Description

一种辅助髋关节和膝关节运动的柔性外骨骼机器人

技术领域

本发明属于柔性外骨骼机器人、下肢外骨骼技术领域，特别涉及一种辅助髋关节和膝关节运动的柔性外骨骼机器人。

背景技术

用工程科学方法修复和增强人体运动能力，是机器人学等交叉学科基础研究的重要科学目标之一，下肢机器人外骨骼是开展这一重要科学研究的载体，承载了智慧装备设计与制造的科学内涵，已成为当今美国和欧盟等发达国家优先发展的前沿研究领域。

目前国内外比较著名的下肢外骨骼包括：日本筑波大学山海嘉之(YoshiyukiSanki)教授和他的研究小组共同研究的HAL系列混合助力腿机器人外骨骼、日本东北大学(Tohoku University)开发的可穿戴助力装置Wearable Walking Helper-KH2，日本名古屋大学为截瘫患者开发出一款可穿戴型助力装置WPAL(Wearable Power-AssistLocomotor)、瑞士苏黎世联邦工业大学与Hocoma公司合作研制的四自由度外骨骼式步态康复训练机器人Lokomat、以色列的埃尔格医学技术公司研发的Rewalk下肢外骨骼机器人、新加坡南洋理工大学的罗锦发教授研发的下肢外骨骼(NTU LEE Lower ExtremityExoskeleton)、美国加州大学伯克利分校H.Kazerooni博士领导的研究小组设计的下肢机器人外骨骼BLEEX、美国萨克斯公司研制的XOS-2外骨骼、洛克希德·马丁公司在此基础上又推出了人体负重外骨骼HULC外骨骼等。国内科研院所中，大连理工大学、中国科技大学、哈尔滨工程大学、华东科技大学、浙江大学、上海交通大学、东北大学、中科院合肥智能机械研究所等研究机构在外骨骼助行机器人方面取得重要进展。我国在下肢机器人外骨骼研究起步较晚，虽然近年来发展十分迅速，但相关研究水平与国外相比仍然存在较大差距。

目前，国内外下肢外骨骼以刚性框架铠甲结构形式为主，可以给穿戴外骨骼的人提供支撑、保护以及增强运动能力。目前国内外下肢外骨骼主要存在以下不足：

(1)部件较多，自重较重

目前大多数下肢外骨骼的机械部件较多，自重比较重。而当前的电池能源最多只能维持几个小时，一旦电池没电，对于老年人来讲，根本不能承受那么如此多的附加物。另外，气动力或液动力能源又因为体积过大等原因而不太适用。

(2)舒适性与便利性欠佳

目前下肢外骨骼的开发集中于功能的实现上，而在穿戴的舒适性与便利性方面的设计还欠佳，不能自如快速的穿脱。

(3)缺乏心理认同

除少数下肢外骨骼机器人外，此类机器人往往忽略了外观造型上的设计，导致从外表看过去像是一个“钢铁侠”，而不像是一个穿戴在人身上的辅助器械。辅助器械本质上要在心理与生理上给使用者提供帮助的，若是穿戴一个庞杂的机械机构势必会造成用户心理上的不认同。

(4)存在机械惯性危险

以刚性框架铠甲机械结构形式的下肢外骨骼在制动时会产生机械惯性，可能会造成惯性伤害，不适合需要部分行走辅助的弱行走能力的老年人群体以及膝关节损伤、膝关节炎患者。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的缺陷，提供了一种辅助髋关节和膝关节运动的柔性外骨骼机器人，包括气动控制***、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等。气动控制***对检测与信息发送模块采集和反馈的用户步态数据实时处理，对左腿髋关节柔性助力组件和右腿髋关节柔性助力组件中的负压收缩弹性体驱动器，以及左腿膝关节柔性助力组件和右腿膝关节柔性助力组件中的负压旋转弹性体负压流量进行实时控制，在行走过程中按照步态规律为用户的髋关节、膝关节提供辅助转矩，达到助行的目的。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种辅助髋关节和膝关节运动的柔性外骨骼机器人，包括：

左腿髋关节柔性助力组件，提供左腿大腿摆动的助力，辅助左腿髋关节运动；

右腿髋关节柔性助力组件，提供右腿大腿摆动的助力，辅助右腿髋关节运动；

左腿膝关节柔性助力组件，其穿戴在左腿膝关节，辅助左腿膝关节伸展和弯曲运动；

右腿膝关节柔性助力组件，其穿戴在右腿膝关节，辅助右腿膝关节伸展和弯曲运动；

气动控制***，是所述柔性外骨骼机器人控制中枢，负责所述柔性外骨骼机器人的数据处理、驱动控制以及负压输出控制；

其中，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分别包括负压收缩弹性体驱动器；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包括负压旋转弹性体驱动器；所述气动控制***能够按照步态规律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负压输入和负压卸载，为用户提供与步态一致的辅助髋关节和膝关节运动的助力。

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检测与信息发送模块、弹性护套、大腿固定带、弹性布、气管G，以及气管H；

所述检测与信息发送模块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***中的信息接收模块，为所述气动控制***提供用户步态数据；

所述负压旋转弹性体驱动器是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助力执行机构，其能够接受负压的加载和卸载，为膝关节提供伸展和弯曲的转矩。

优选地，所述负压旋转弹性体驱动器包括负压旋转弹性体、大腿支撑板、小腿支撑板、转轴、压片以及紧固件；

所述大腿支撑板、小腿支撑板通过转轴连接形成0°-180°范围内的转动副；

所述负压旋转弹性体通过所述紧固件固定在所述大腿支撑板和小腿支撑板上，在负压驱动下，所述负压旋转弹性体能够产生旋转转矩，并通过所述大腿支撑板和小腿支撑板为膝关节提供旋转弯曲的转矩；负压消失后产生伸展的回复力，并通过所述大腿支撑板和小腿支撑板为膝关节提供伸展的转矩；

优选地，所述负压旋转弹性体驱动器通过紧固件和压片固定在弹性护套的左侧，所述右腿膝关节柔性助力组件中的负压旋转弹性体驱动器通过紧固件和压片固定在弹性护套的右侧，外部由弹性布包裹，弹性布包裹通过热合或者缝合在所述弹性护套上；

优选地，所述大腿支撑板、小腿支撑板采用合成树脂材料或者碳纤维非金属材料。

优选地，负压旋转弹性体在负压作用下能够旋转，产生旋转的转矩；在负压卸载过程中能够产生与负压作用时的相反方向的转矩；

所述负压旋转弹性体主体为半圆柱体结构，在180°角度范围做等分，分成多个组，每组由沿所述负压旋转弹性体主体径向分布的3个底面为等腰梯形的四棱柱气室单元组成；所有四棱柱气室单元等腰梯形底面两个腰所成的夹角相等，且等腰梯形的高相等；每个四棱柱气室单元包括两个平行气室侧壁和两个等长但不平行的等腰气室侧壁；两个平行的气室侧壁壁厚相等，另外两个等腰气室侧壁厚相等，且两个平行的气室侧壁壁厚不小于另外两个等腰气室侧壁壁厚的4倍；每个气室单元与沿周向相邻的气室单元交错排列，平行的气室侧壁位于沿周向相邻气室等腰侧壁沿径向的几何中点；相邻气室单元在等腰气室侧壁的上有通孔，形成负压旋转弹性体内部的气流通道，实现对整个负压旋转弹性体的负压输入或者卸载；

所述负压旋转弹性体在负压作用下，气室单元内部负压增大形成真空，所述气室单元中两组平行的气室侧壁不变形、而两组等腰气室侧壁变形，两组平行的气室侧壁会楔入到相邻气室单元中，由此所述负压旋转弹性体在负压作用下形成旋转运动，产生弯曲的转矩；当负压消失后，气室单元内部由负压状态变成和外界大气压相同，等腰气室侧壁恢复原状产生回复作用力，此过程中形成与负压作用时反方向的旋转运动，形成辅助伸展的转矩；

优选地，所述负压旋转弹性体最大旋转角度可通过选择不同的等分角度形成分组，并且可以通过每组不同的气室单元个数实现不同的最大旋转角度和转矩；另外不同硬度的硅胶材料或者橡胶材料制成负压旋转弹性体能够实现不同的最大旋转角度和转矩。

优选地，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分别进一步包括气管E、气管F以及连接件；其中所述气管E安装在所述左腿髋关节柔性助力组件中的负压收缩弹性体驱动器通气孔上，所述气管F安装在所述右腿髋关节柔性助力组件中的负压收缩弹性体驱动器通气孔上；

所述负压收缩弹性体驱动器通过连接件一端安装在所述腰部固定带，另一端安装在所述左腿膝关节柔性助力组件或者右腿膝关节柔性助力组件的大腿固定带上，髋骨、大腿骨和负压收缩弹性体驱动器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。

优选地，所述负压收缩弹性体驱动器能够接受气动控制***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横向位移，过程可控；

所述负压收缩弹性体驱动器有与外界连通的通气孔，用于连接气管，实现对整个负压收缩弹性体驱动器的负压输入或者卸载。所述负压收缩弹性体驱动器由长方体气室单元组成，相邻长方体气室单元之间有通孔，形成负压收缩弹性体驱动器内部的气流通道。所述长方体气室单元相邻横向和纵向气室壁厚度有差异，其中横向气室壁的厚度不小于纵向气室壁的4倍；当气室为负压时，由于横向气室壁与纵向气室壁的厚度差异，所述纵向气室壁受负压作用力变形，横向气室壁不变形，横向气室壁楔入到长方体气室单元内，直到与相邻横向气室壁对接不再发生横向位移。所以在负压作用下，负压收缩弹性体驱动器可形成横向位移，并具有拉力。当外界负压卸载时，所述纵向气室壁受负压作用力消失，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横向位移，过程可控，在负压卸载过程中负压收缩弹性体驱动器可形成与负压作用相反方向的线性位移。

所述气动控制***包括：控制箱箱体、控制模块、驱动模块、信息接收模块、锂电池组、开关、微型真空负压泵A、微型真空负压泵B、气路安装板、三通转接头A、三通转接头B、三通电磁阀A、三通电磁阀B、三通电磁阀C、三通电磁阀D、两通电磁阀A、两通电磁阀B、两通电磁阀C、两通电磁阀D、气管A、气管B、气管C、气管D、端盖、两通转接头以及腰部固定带等。

所述控制模块能够对所述检测与信息发送模块所反馈的步态数据进行实时处理，并通过所述驱动模块实时控制微型真空负压泵A和微型真空负压泵B的输出流量，同时控制所述三通电磁阀A、三通电磁阀B、三通电磁阀C和三通电磁阀D，以及两通电磁阀A、两通电磁阀B、两通电磁阀C和两通电磁阀D的开启与关闭进行不同的气路切换，为对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进行负压控制，为髋关节和膝关节提供助力；

所述气动控制***通过腰部固定带携带在用户的腰部；

所述锂电池组为气动控制***供电。

优选地，所述微型真空负压泵A、微型真空负压泵B是所述柔性外骨骼机器人的负压动力源，所述微型真空负压泵A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提供可变负压输入；所述微型真空负压泵B为左腿膝关节柔性助力组件和右腿膝关节柔性助力组件提供可变负压输入。

优选地，所述三通电磁阀A和三通电磁阀B能够实现微型真空负压泵A负压输入与左腿髋关节柔性助力组件和右腿髋关节柔性助力组件之间的不同气路的切换；所述三通电磁阀C和三通电磁阀D能够实现微型真空负压泵B负压输入与左腿膝关节柔性助力组件和右腿膝关节柔性助力组件之间的不同气路的切换；所述两通电磁阀A能够实现所述左腿髋关节柔性助力组件负压卸载时间和过程的控制，所述两通电磁阀B可实现所述右腿髋关节柔性助力组件负压卸载时间和过程的控制，所述两通电磁阀C可实现所述左腿膝关节柔性助力组件负压卸载时间和过程的控制，所述两通电磁阀D可实现所述右腿膝关节柔性助力组件负压卸载时间和过程的控制。

优选地，所述负压收缩弹性体驱动器和负压旋转弹性体采用硅胶材料或者橡胶材料。

所述气管A、气管B、气管C、气管D、气管E、气管F、气管G、气管H采用PVC管。

本发明优异的效果是：

相比现有技术，传统刚性外骨骼机器人一般采用液压驱动、电机驱动，这两种驱动方式都存在如噪声、功率密度低、结构复杂、缺乏本质柔顺性，难以实现柔顺控制等缺点，本发明采用负压收缩弹性体驱动器和负压旋转弹性体作为柔性驱动元件，具有较高的功率密度比、功率体积比等特点，易于实现外骨骼的柔顺控制。

相比现有技术，本发明采用负压收缩弹性体驱动器和负压旋转弹性体作为柔性驱动元件，可实现直线运动和旋转运动，通过负压控制直接实现为用户提供辅助髋关节和膝关节运动，突破了现有气动人工肌肉只能实现直线运动，需要借用其他机械转化装置或者转换结构形式才能实现旋转运动的缺陷，提高了驱动效率。

相比现有技术，本发明采用负压收缩弹性体驱动器和负压旋转弹性体驱动器作为腿部髋关节和膝关节的转矩执行构件，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，此外本发明所述的柔性外骨骼机器人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，执行部件为自重较小，结构简单，穿戴方便，以及用户心理认同度高等优点。

附图说明

图1是本发明柔性外骨骼机器人的外形图；

图2是图1中气动控制***的组成图；

图3是图1中左腿髋关节柔性助力组件或右腿髋关节柔性助力组件外形图；

图4是图3中负压收缩弹性体驱动器结构图；

图5是图1中左腿膝关节柔性助力组件和右腿膝关节柔性助力组件结构图；

图6是图5中负压旋转弹性体驱动器外形及主要组成图；

图7是图6中负压旋转弹性体结构图；

其中各附图标记含义如下：

1.气动控制***；2.左腿髋关节柔性助力组件；3.右腿髋关节柔性助力组件；4.左腿膝关节柔性助力组件；5.右腿膝关节柔性助力组件。

101.控制箱箱体；102.微型真空负压泵A；103.微型真空负压泵B；104控制模块；105.驱动模块；106.锂电池组；107.信息接收模块；108.开关；109.气路安装板；110.三通转接头A；111.三通转接头B；112.三通电磁阀A；113.三通电磁阀B；114.三通电磁阀C；115.三通电磁阀D；116.两通电磁阀A；117.两通电磁阀B；118.两通电磁阀C；119.两通电磁阀D；120.气管A；121.气管B；122.气管C；123.气管D；124.两通转接头；125.端盖；126.腰部固定带。

201.负压收缩弹性体驱动器；202.气管E或气管F；203.连接件。

301.负压旋转弹性体驱动器；302.弹性护套；303.检测与信息发送模块；304.大腿固定带；305.弹性布；306.气管G；307.气管H。

401.负压旋转弹性体；402.大腿支撑板；403.小腿支撑板；404.转轴；405.压片。

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。

如图1所示，一种辅助髋关节和膝关节运动的柔性外骨骼机器人，主要由气动控制***1、左腿髋关节柔性助力组件2、右腿髋关节柔性助力组件3、左腿膝关节柔性助力组件4以及右腿膝关节柔性助力组件5组成。

所述气动控制***1是所述柔性外骨骼机器人控制中枢，负责所述柔性外骨骼机器人的数据处理、驱动控制以及负压输出控制，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负压输入。所述左腿髋关节柔性助力组件2和右腿髋关节柔性助力组件3是髋关节柔性助力执行部分，为用户提供髋关节助力。所述左腿膝关节柔性助力组件4和右腿膝关节柔性助力组件5分别穿戴在用户左、右腿膝关节相应部位，是膝关节柔性助力执行部分，为用户提供膝关节助力。

图2是图1中气动控制***1的组成图。如图2所示，气动控制***1主要包括控制箱箱体101、微型真空负压泵A 102、微型真空负压泵B 103、控制模块104、驱动模块105、锂电池组106、信息接收模块107、开关108、气路安装板109、三通转接头A 110、三通转接头B111、三通电磁阀A 112、三通电磁阀B 113、三通电磁阀C 114、三通电磁阀D 115、两通电磁阀A 116、两通电磁阀B 117、两通电磁阀C 118、两通电磁阀D 119、气管A 120、气管B 121、气管C 122、气管D 123、两通转接头124、端盖125以及腰部固定带126等。在使用过程中，所述左腿膝关节柔性助力组件4和右腿膝关节柔性助力组件5中的检测与信息发送模块303能够对用户双腿的小腿和大腿相对地面的摆动角度和角速度变化等步态数据进行实时获取，并回传给信息接收模块107，而后反馈给所述气动控制***1中的控制模块104，控制模块104能够上述步态数据进行处理，然后通过驱动模块105实时控制所述微型真空负压泵A102和微型真空负压泵B 103输出，同时控制所述三通电磁阀A 112、三通电磁阀B 113、三通电磁阀C 114、三通电磁阀D 115、两通电磁阀A 116、两通电磁阀B 117、两通电磁阀C 118以及两通电磁阀D 119开关，实现对经由气管D 123、气管A 120、气管C 122以及气管B 12分别进入到所述左腿髋关节柔性助力组件2、右腿髋关节柔性助力组件3、左腿膝关节柔性助力组件4以及右腿膝关节柔性助力组件5不同气路的通断以及流量控制。

图3是图1中左腿髋关节柔性助力组件2或右腿髋关节柔性助力组件3的组成图，左腿髋关节柔性助力组件2包括负压收缩弹性体驱动器201、气管E 202以及连接件203等；右腿髋关节柔性助力组件3包括负压收缩弹性体驱动器201、气管F 202以及连接件203等。左腿髋关节柔性助力组件2与右腿髋关节柔性助力组件3结构相同，具有互换性。为将具体实施方式表述清晰，此处将左腿髋关节柔性助力组件2和右腿髋关节柔性助力组件3中的气管加以区分。所述气管E 202通过两通转接头124与所述气动控制***1中的气管D 123联通，所述气管F 202通过两通转接头124与气管A 120联通。

所述负压收缩弹性体驱动器201是所述左腿髋关节柔性助力组件2和右腿髋关节柔性助力组件3的驱动单元。所述负压收缩弹性体驱动器201有与外界联通的通气孔，用于连接气管，实现对整个负压收缩弹性体驱动器201的负压输入或者卸载。当有负压输入时负压收缩弹性体驱动器201发生线性位移变短且具有拉力；当负压收缩弹性体驱动器负压卸载时，自身由收缩状态恢复到自身自然状态，过程可控。所述负压收缩弹性体驱动器201通过连接件203一端安装在所述腰部固定带126，另一端安装在所述左腿膝关节柔性助力组件4或者左腿膝关节柔性助力组件5的大腿固定带304上，髋骨、大腿骨和负压收缩弹性体驱动器201三者形成三角形结构形式，其中髋骨、大腿骨这两边长度基本固定，另一边负压收缩弹性体驱动器201长度可变。通过控制负压的输入或卸载可以控制负压收缩弹性体驱动器201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。当所述负压收缩弹性体驱动器201受到负压驱动作用力时变短，通过大腿固定带304提拉大腿，为大腿提供前摆的助力，也即辅助髋关节运动；当作用在所述负压收缩弹性体驱动器201上的负压卸载时，负压收缩弹性体驱动器201逐步释放拉力实现对大腿下摆过程的控制。

图4为负压收缩弹性体驱动器201结构图，所述负压收缩弹性体驱动器201由长方体气室单元组成，相邻长方体气室单元之间有通孔，形成负压收缩弹性体驱动器201内部的气流通道。所述长方体结构气室单元相邻横向和纵向气室壁厚度有差异，其中横向气室壁(X方向)的厚度不小于纵向气室壁(Y方向)的4倍；当气室为负压增加时，由于横向气室壁与纵向气室壁的厚度差异，所述纵向气室壁受负压作用力变形，横向气室壁不变形，横向气室壁楔入到长方体气室单元内，直到与相邻横向气室壁对接不再发生横向位移。所以在负压作用下，负压收缩弹性体驱动器可形成横向位移，并具有拉力。所以在负压作用下，负压收缩弹性体驱动器201可形成横向(X方向)位移，并具有拉力。当外界负压卸载时，所述纵向气室壁受负压作用力消失，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横向位移，过程可控，在负压卸载过程中负压收缩弹性体驱动器201可形成与负压作用相反方向的线性位移。

图5是图1中左腿膝关节柔性助力组件4和右腿膝关节柔性助力组件5结构图。所述左腿膝关节柔性助力组件4和右腿膝关节柔性助力组件5包括负压旋转弹性体驱动器301、弹性护套302、检测与信息发送模块303、大腿固定带304、弹性布305、气管G 306和气管H307，其中气管G 306安装在所述左腿膝关节柔性助力组件4上、气管H 307安装在右腿膝关节柔性助力组件5上。所述左腿膝关节柔性助力组件4中的负压旋转弹性体驱动器301通过紧固件和压片固定在弹性护套302的左侧，所述右腿膝关节柔性助力组件5中的负压旋转弹性体驱动器301通过紧固件和压片固定在弹性护套302的右侧，外部由弹性布305包裹，弹性布305通过热合或者缝合在所述弹性护套302上。所述气管G 306通过两通转接头124与所述气动控制***1中的气管C 122联通，所述气管H 307通过两通转接头124与气管B 121联通。

图6是负压旋转弹性体驱动器301外形及主要组成图，所述负压旋转弹性体驱动器301包括负压旋转弹性体401、大腿支撑板402、小腿支撑板403、转轴404以及压片405等。所述负压旋转弹性体401是所述柔性外骨骼机器人核心驱动元件之一，其在负压作用下产生旋转运动，可提供旋转弯曲的转矩；负压消失后产生伸展的回复力，可提供伸展的转矩。所述大腿支撑板402、小腿支撑板403通过转轴404连接形成0°-180°范围内的转动副。所述负压旋转弹性体401通过紧固件固定在所述大腿支撑板402和小腿支撑板403上，在负压驱动下，所述负压旋转弹性体401在负压作用下产生旋转转矩通过所述大腿支撑板402和小腿支撑板403为膝关节提供旋转弯曲的转矩；负压消失后产生伸展的回复力通过所述大腿支撑板402和小腿支撑板403为膝关节提供伸展的转矩。

图7为负压旋转弹性体401结构图，如图所示，所述负压旋转弹性体401主体为半圆柱体结构，在180°角度范围做10°等分，分成18组，每组由沿所述负压旋转弹性体401主体径向分布的3个底面为等腰梯形的四棱柱气室单元组成。所有四棱柱气室单元等腰梯形底面两个腰所成的夹角相等，且等腰梯形的高相等。每个四棱柱气室单元包括两个平行气室侧壁和两个等长但不平行的等腰气室侧壁；两个平行的气室侧壁壁厚相等，另外两个等腰气室侧壁厚相等，且两个平行的气室侧壁壁厚不小于另外两个等腰气室侧壁壁厚的4倍。每个气室单元与沿周向相邻的气室单元交错排列，平行的气室侧壁位于沿周向相邻气室等腰侧壁沿径向的几何中点。相邻气室单元在等腰气室侧壁的上有通孔，形成负压旋转弹性体401内部的气流通道，实现对整个负压旋转弹性体401的负压输入或者卸载。当所述负压旋转弹性体401在负压作用下，气室单元内部负压增大形成真空，由于气室单元的平行气室侧壁与等腰气室侧壁厚度的差异，所述气室单元中两组平行的气室侧壁不变形、而两组等腰气室侧壁变形，两组平行的气室侧壁会楔入到相邻气室单元中，由于气室单元平行侧壁是沿所述负压旋转弹性体401周向分布，而所述等腰气室侧壁是沿所述负压旋转弹性体401径向分布，所以在在所述负压旋转弹性体401在负压作用下形成旋转运动，产生弯曲的转矩。当负压消失后，气室单元内部由负压状态变成和外界大气压相同，等腰气室侧壁恢复原状产生回复作用力，此过程中形成与负压作用时反方向的旋转运动，形成辅助伸展的转矩。

结合图1-7，对所述柔性外骨骼机器人在一个步态周期内的工作原理进行阐述。在使用过程中，所述气动控制***1通过腰部固定带126携带在用户的腰部，所述左腿膝关节柔性助力组件4和右腿膝关节柔性助力组件5分别穿戴在用户左右腿的膝关节对应位置。所述左腿髋关节柔性助力组件2通过连接件203一端安装在所述腰部固定带126，另一端安装在所述左腿膝关节柔性助力组件4的大腿固定带304，右腿髋关节柔性助力组件3通过连接件203一端安装在所述腰部固定带126，另一端安装在所述右腿膝关节柔性助力组件5的大腿固定带304。

以用户左腿开始迈步行走为例，当用户左腿开始迈步时，经历以下两个步态阶段：左腿大腿逐渐上摆抬起伴随着左腿小腿下摆，随后左腿大腿逐渐下摆并伴随着左腿小腿上摆迈步，直到左脚落地。

首先是左腿大腿逐渐上摆抬起伴随着小腿下摆阶段。在此阶段，所述气动控制***1根据所述检测与信息发送模块303检测并回传的左腿大腿和小腿相对地面的摆动角度和角速度变化等步态数据，控制模块104对上述步态数据进行实时处理，然后通过所述驱动模块105实时控制所述微型真空负压泵A 102和真空负压泵B 103启动，同时控制所述三通电磁阀A 112和三通电磁阀C 114开启，关闭三通电磁阀B 113、三通电磁阀D 115、两通电磁阀A 116、两通电磁阀B 117、两通电磁阀C 118和两通电磁阀D 119。所述微型真空负压泵A102负压作用力经三通转接头A 110、三通电磁阀A 112、气管D 123、两通转接头124以及气管E 202进入到所述左腿髋关节柔性助力组件2的负压收缩弹性体驱动器201中，所述负压收缩弹性体驱动器201在负压作用下收缩变短且具有拉力。由于所述负压收缩弹性体驱动器201通过连接件203一端安装在所述腰部固定带126，另一端安装在所述大腿固定带304上，髋骨、大腿骨和负压收缩弹性体驱动器201三者形成三角形结构形式，其中髋骨、大腿骨这两条边长度基本固定，第三边负压收缩弹性体驱动器201长度可变。所述负压收缩弹性体驱动器201通过大腿固定带304为左腿大腿提供上抬的拉力，实时为左腿髋关节提供助力。与此同时，所述微型真空负压泵B 103负压作用力经三通电磁阀C 114、气管C 122、两通转接头124以及气管G 306，然后进入到所述左腿膝关节柔性助力组件4的负压旋转弹性体401中。所述负压旋转弹性体401在负压作用下产生旋转的转矩，并通过所述大腿支撑板402和小腿支撑板403为左腿膝关节提供弯曲的助力。

随后是左腿大腿逐渐下落并伴随着小腿伸展迈步，直到左脚落地。在此过程中，大腿只需要依靠自身重力即可完成大腿下摆，但是需要控制大腿下摆过程，小腿需要上摆，也即膝关节需要伸展的力矩。所述控制模块104对所述检测与信息发送模块303检测并回传的左腿大腿和小腿相对地面的摆动角度和角速度变化等步态数据实时处理，然后通过所述驱动模块105关闭真空负压泵A 102和微型真空负压泵B 103，同时控制所述两通电磁阀A 116和两通电磁阀C 118开启，关闭三通电磁阀A 112、三通电磁阀B 113、三通电磁阀C 114、三通电磁阀D 115、两通电磁阀B 117以及两通电磁阀D 119。外界大气压经两通电磁阀A 116、三通电磁阀A 112、气管D 123、两通转接头124以及气管E 202进入到所述左腿髋关节柔性助力组件2的负压收缩弹性体驱动器201中，负压收缩弹性体驱动器201负压卸载，负压收缩弹性体驱动器由收缩状态恢复到自然状态，通过控制两通电磁阀A 116开关持续时间即可实现对负压收缩弹性体驱动器201负压卸载时间和过程的控制，从而实现对大腿下摆过程进行控制。于此同时，外界大气压经过两通电磁阀C 118、三通电磁阀C 114、气管C 122、两通转接头124以及气管G 306，进入到所述左腿膝关节柔性助力组件4的负压旋转弹性体401中。负压旋转弹性体401负压卸载。负压旋转弹性体401在在卸载过程中产生伸展的回复力通过所述大腿支撑板402和小腿支撑板403为膝关节提供伸展的转矩，从而辅助左腿小腿伸展迈步。通过控制两通电磁阀C 118开关持续时间即可实现对负压旋转弹性体401负压卸载时间和过程的控制，从而实现对左腿小腿摆动过程进行控制，也即对左腿膝关节伸展的助力控制。

用户左脚落地后，右腿开始迈步，右腿大腿逐渐上摆抬起伴随着右腿小腿下摆，随后右腿大腿逐渐下摆并伴随着右腿小腿上摆迈步，直到右脚落地。

首先是右腿大腿逐渐上摆抬起伴随着小腿下摆阶段。在此阶段，所述气动控制***1中根据所述检测与信息发送模块303检测并回传的右腿大腿和小腿相对地面的摆动角度和角速度变化等步态数据，控制模块104对上述步态数据进行实时处理，然后通过所述驱动模块105实时控制所述微型真空负压泵A 102和真空负压泵B 103启动，同时控制所述三通电磁阀B 113和三通电磁阀D 115开启，关闭三通电磁阀A 112、三通电磁阀C 114、两通电磁阀A 116、两通电磁阀B 117、两通电磁阀C 118和两通电磁阀D 119。所述微型真空负压泵A 102负压作用力经三通转接头A 110、三通电磁阀B 113、气管A 120、两通转接头124以及气管F 202进入到所述右腿髋关节柔性助力组件3的负压收缩弹性体驱动器201中，所述负压收缩弹性体驱动器201在负压作用下收缩变短，通过大腿固定带304，为右腿大腿提供上摆的拉力，也即为右腿髋关节提供助力。与此同时，所述微型真空负压泵B 103负压作用力经三通电磁阀D 115、气管B 121、两通转接头124以及气管H 307，然后进入到所述右腿膝关节柔性助力组件5的负压旋转弹性体401中。所述负压旋转弹性体401在负压作用下产生旋转的转矩，并通过所述大腿支撑板402和小腿支撑板403为右腿膝关节提供弯曲的助力。

随后是右腿大腿逐渐下落并伴随着小腿伸展迈步，直到右脚落地。所述控制模块104对所述检测与信息发送模块303检测并回传的右腿大腿和小腿相对地面的摆动角度和角速度变化等步态数据实时处理，然后通过所述驱动模块105关闭真空负压泵A 102和微型真空负压泵B 103，同时控制所述两通电磁阀B 117和两通电磁阀D 119开启，关闭三通电磁阀A 112、三通电磁阀B 113、三通电磁阀C 114、三通电磁阀D 115、两通电磁阀A 116以及两通电磁阀C 118。外界大气压经两通电磁阀B 117、三通电磁阀B 113、气管A 120、两通转接头124以及气管F 202进入到所述右腿髋关节柔性助力组件3的负压收缩弹性体驱动器201中，负压收缩弹性体驱动器201负压卸载，负压收缩弹性体驱动器由收缩状态恢复到自然状态，通过控制两通电磁阀B 117开关持续时间即可实现对负压收缩弹性体驱动器201负压卸载时间和过程的控制，从而实现对大腿下摆过程进行控制。同时，外界大气压经过两通电磁阀D 119、三通电磁阀D 115、气管B 121、两通转接头124以及气管H 307，进入到所述右腿膝关节柔性助力组件5的负压旋转弹性体401中，负压旋转弹性体401负压卸载。负压旋转弹性体401在在卸载过程中产生伸展的回复力通过所述大腿支撑板402和小腿支撑板403为右腿膝关节提供伸展的转矩，从而辅助右腿小腿伸展迈步。通过控制两通电磁阀D 119开关持续时间即可实现对负压旋转弹性体401负压卸载时间和过程的控制，从而实现对右腿小腿摆动过程进行控制，也即对右腿膝关节伸展的助力控制。

以上是所述柔性外骨骼机器人实现一个步态周期的对髋关节和膝关节的柔性助力过程。如此循环往复，在行走过程中，柔性外骨骼机器人的气动控制***1对检测与信息发送模块303采集和反馈的用户步态数据实时处理，适时地对左腿髋关节柔性助力组件2和右腿髋关节柔性助力组件3中的负压收缩弹性体驱动器201，以及左腿膝关节柔性助力组件4和右腿膝关节柔性助力组件5中的负压旋转弹性体301进行流量控制，在行走过程中按照步态规律为用户的髋关节、膝关节提供辅助转矩，达到助行的目的。

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 (12)

1.一种辅助髋关节和膝关节运动的柔性外骨骼机器人，包括：

左腿髋关节柔性助力组件，提供左腿大腿摆动的助力，辅助左腿髋关节运动；

右腿髋关节柔性助力组件，提供右腿大腿摆动的助力，辅助右腿髋关节运动；

左腿膝关节柔性助力组件，其穿戴在左腿膝关节，辅助左腿膝关节伸展和弯曲运动；

右腿膝关节柔性助力组件，其穿戴在右腿膝关节，辅助右腿膝关节伸展和弯曲运动；

气动控制***，其负责所述柔性外骨骼机器人的数据处理、驱动控制，以及负压输出控制；

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分别包括负压收缩弹性体驱动器；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包括负压旋转弹性体驱动器；所述气动控制***能够按照步态规律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负压输入和负压卸载，为用户提供与步态一致的辅助髋关节和膝关节运动的助力；

所述负压旋转弹性体驱动器包括负压旋转弹性体、大腿支撑板、小腿支撑板、转轴、压片以及紧固件；

其特征在于，所述负压旋转弹性体在负压作用下能够旋转，产生旋转的转矩；在负压卸载过程中能够产生与负压作用时的相反方向的转矩；

所述负压旋转弹性体主体为半圆柱体结构，在180°角度范围做等分，分成多个组，每组由沿所述负压旋转弹性体主体径向分布的3个底面为等腰梯形的四棱柱气室单元组成；所有四棱柱气室单元等腰梯形底面两个腰所成的夹角相等，且等腰梯形的高相等；每个四棱柱气室单元包括两个平行气室侧壁和两个等长但不平行的等腰气室侧壁；两个平行的气室侧壁壁厚相等，另外两个等腰气室侧壁厚相等，且两个平行的气室侧壁壁厚不小于另外两个等腰气室侧壁壁厚的4倍；每个气室单元与沿周向相邻的气室单元交错排列，平行的气室侧壁位于沿周向相邻气室等腰侧壁沿径向的几何中点；相邻气室单元在等腰气室侧壁的上有通孔，形成负压旋转弹性体内部的气流通道，实现对整个负压旋转弹性体的负压输入或者卸载；

所述负压旋转弹性体在负压作用下，气室单元内部负压增大形成真空，所述气室单元中两组平行的气室侧壁不变形、而两组等腰气室侧壁变形，两组平行的气室侧壁会楔入到相邻气室单元中，由此所述负压旋转弹性体在负压作用下形成旋转运动，产生弯曲的转矩；当负压消失后，气室单元内部由负压状态变成和外界大气压相同，等腰气室侧壁恢复原状产生回复作用力，此过程中形成与负压作用时反方向的旋转运动，形成辅助伸展的转矩。

2.根据权利要求1所述的柔性外骨骼机器人，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检测与信息发送模块、弹性护套、大腿固定带、弹性布、气管G，以及气管H；

所述检测与信息发送模块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***中的信息接收模块，为所述气动控制***提供用户步态数据；

所述负压旋转弹性体驱动器是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助力执行机构，其能够接受负压的加载和卸载，为膝关节提供伸展和弯曲的转矩。

3.根据权利要求1或2所述的柔性外骨骼机器人，其特征在于，所述大腿支撑板、小腿支撑板通过转轴连接形成0°-180°范围内的转动副；

所述负压旋转弹性体通过所述紧固件固定在所述大腿支撑板和小腿支撑板上，在负压驱动下，所述负压旋转弹性体能够产生旋转转矩，并通过所述大腿支撑板和小腿支撑板为膝关节提供旋转弯曲的转矩；负压消失后产生伸展的回复力，并通过所述大腿支撑板和小腿支撑板为膝关节提供伸展的转矩。

4.根据权利要求3所述的柔性外骨骼机器人，其特征在于，所述负压旋转弹性体驱动器通过紧固件和压片固定在弹性护套的左侧，所述右腿膝关节柔性助力组件中的负压旋转弹性体驱动器通过紧固件和压片固定在弹性护套的右侧，外部由弹性布包裹，弹性布包裹通过热合或者缝合在所述弹性护套上。

5.根据权利要求3所述的柔性外骨骼机器人，其特征在于，所述大腿支撑板、小腿支撑板采用合成树脂材料或者碳纤维非金属材料。

6.根据权利要求1或2所述的柔性外骨骼机器人，其特征在于，所述负压旋转弹性体最大旋转角度可通过选择不同的等分角度形成分组，并且可以通过每组不同的气室单元个数实现不同的最大旋转角度和转矩；另外不同硬度的硅胶材料或者橡胶材料制成负压旋转弹性体能够实现不同的最大旋转角度和转矩。

7.根据权利要求1所述的柔性外骨骼机器人，其特征在于，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分别进一步包括气管E、气管F以及连接件；其中所述气管E安装在所述左腿髋关节柔性助力组件中的负压收缩弹性体驱动器通气孔上，所述气管F安装在所述右腿髋关节柔性助力组件中的负压收缩弹性体驱动器通气孔上；

所述负压收缩弹性体驱动器通过连接件一端安装在腰部固定带，另一端安装在所述左腿膝关节柔性助力组件或者右腿膝关节柔性助力组件的大腿固定带上，髋骨、大腿骨和负压收缩弹性体驱动器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。

8.根据权利要求1或7所述的柔性外骨骼机器人，其特征在于，所述负压收缩弹性体驱动器能够接受气动控制***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横向位移，过程可控；

所述负压收缩弹性体驱动器有与外界连通的通气孔，用于连接气管，实现对整个负压收缩弹性体驱动器的负压输入或者卸载；

所述负压收缩弹性体驱动器由长方体气室单元组成，相邻长方体气室单元之间有通孔，形成负压收缩弹性体驱动器内部的气流通道；所述长方体气室单元相邻横向和纵向气室壁厚度有差异，其中横向气室壁的厚度不小于纵向气室壁的4倍；当气室为负压时，横向气室壁楔入到长方体气室单元内，直到与相邻横向气室壁对接不再发生横向位移，由此在负压作用下，负压收缩弹性体驱动器可形成横向位移，并具有拉力；当外界负压卸载时，所述纵向气室壁受负压作用力消失，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横向位移。

9.根据权利要求2所述的柔性外骨骼机器人，其特征在于，所述气动控制***包括控制箱箱体、控制模块、驱动模块、信息接收模块、锂电池组、开关、微型真空负压泵A、微型真空负压泵B、气路安装板、三通转接头A、三通转接头B、三通电磁阀A、三通电磁阀B、三通电磁阀C、三通电磁阀D、两通电磁阀A、两通电磁阀B、两通电磁阀C、两通电磁阀D、气管A、气管B、气管C、气管D、端盖、两通转接头，以及腰部固定带；

所述控制模块能够对所述检测与信息发送模块所反馈的步态数据进行实时处理，并通过所述驱动模块实时控制微型真空负压泵A和微型真空负压泵B的输出流量，同时控制所述三通电磁阀A、三通电磁阀B、三通电磁阀C和三通电磁阀D，以及两通电磁阀A、两通电磁阀B、两通电磁阀C和两通电磁阀D的开启与关闭进行不同的气路切换，为对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进行负压控制，为髋关节和膝关节提供助力；

所述气动控制***通过腰部固定带携带在用户的腰部；

所述锂电池组为气动控制***供电。

10.根据权利要求9所述的柔性外骨骼机器人，其特征在于，所述微型真空负压泵A、微型真空负压泵B是所述柔性外骨骼机器人的负压动力源，所述微型真空负压泵A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提供可变负压输入；所述微型真空负压泵B为左腿膝关节柔性助力组件和右腿膝关节柔性助力组件提供可变负压输入。

11.根据权利要求9或10所述的柔性外骨骼机器人，其特征在于，所述三通电磁阀A和三通电磁阀B能够实现微型真空负压泵A负压输入与左腿髋关节柔性助力组件和右腿髋关节柔性助力组件之间的不同气路的切换；所述三通电磁阀C和三通电磁阀D能够实现微型真空负压泵B负压输入与左腿膝关节柔性助力组件和右腿膝关节柔性助力组件之间的不同气路的切换；所述两通电磁阀A能够实现所述左腿髋关节柔性助力组件负压卸载时间和过程的控制，所述两通电磁阀B可实现所述右腿髋关节柔性助力组件负压卸载时间和过程的控制，所述两通电磁阀C可实现所述左腿膝关节柔性助力组件负压卸载时间和过程的控制，所述两通电磁阀D可实现所述右腿膝关节柔性助力组件负压卸载时间和过程的控制。

12.根据权利要求1所述的柔性外骨骼机器人，其特征在于，所述负压收缩弹性体驱动器和负压旋转弹性体采用硅胶材料或者橡胶材料。

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