一种柔性助行外骨骼的制作方法

本发明属于柔性外骨骼机器人、下肢外骨骼以及柔性执行器技术领域，特别涉及一种柔性助行外骨骼。

背景技术：

我国现有超过2.2亿弱行走能力的老年人群体，由于生理机能的衰退，存在着关节运动幅度减小以及韧带弹性和绝对肌力下降等现象，需要行走辅助，提高生活质量。另外，我国有超过1.3亿膝关节炎患者，膝关节炎是导致50岁以上人群丧失工作能力的第2号杀手，仅次于心血管疾病，并且花费高，年平均直接花费超过7000元。合适的膝关节外骨骼可以增强弱行走能力的老年人群体以及膝关节损伤、膝关节炎患者的腿部肌肉力量，增大支撑能力，减少膝关节受力，提高生活质量，并且在成本、实用性有优势。

传统的下肢外骨骼机器人是一种可穿戴在操作者身体外部的一种机械装置,它可给穿戴外骨骼的人提供支撑、保护,及增强运动能力，包括用于增强士兵持重及负重能力的军用铠甲式外骨骼装备，以及使瘫痪或者下肢疾病不能行走的病患提供支撑，以装备带动病患下肢行走。传统的下肢外骨骼机器人装备存在质量大、体积大、工作时间短、售价高以及穿戴不方便等缺点，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。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述现有技术的缺陷，提供了一种柔性助行外骨骼。柔性助行外骨骼主要以一个微型充气泵为气压动力源，可穿戴惯性测量单元模块对下肢运动意图实时获取，为驱动与控制模块提供核心的信号来源。在这个信号源的激励下，驱动与控制模块对人体下肢运动意图进行理解、判断、决策以及异常检测，实时控制微型充气泵的输出流量，并控制电磁阀组件进行气路的切换，基于用户下肢实时的运动状态对左、右腿上的可穿戴柔性执行器的相应气囊进行压力控制，在行走过程中为左、右腿提供辅助膝关节弯曲和伸展的转矩，达到为膝关节运动损伤以及弱行走能力的老年群体提供柔性行走辅助的目的。

为了实现上述目的本发明采取的技术方案是：

一种柔性助行外骨骼，包括控制系统和可穿戴柔性执行系统，其中：

所述可穿戴柔性执行系统包括惯性测量装置和信息发送装置，其能够测量行走过程中的姿态和/或运动信息，根据所述行走过程中的姿态和/或运动信息建立使用者行走的共性模型，实时获取下肢运动意图，并反馈给所述控制系统；

所述控制系统包括信息接收装置和数据处理装置，其能够接收所述可穿戴柔性执行系统反馈的信号并确定相应的控制参数。

优选地，所述惯性测量装置在建立使用者行走的共性模型过程中，将行走过程划分为离散的状态，在每个状态期间传感器可检测的信号用连续系统状态模型描述；对于人的个体差异性影响，在共性模型的状态方程中加入噪声进行描述。

优选地，所述惯性测量装置获取运动意图的过程中，对噪声的影响用一定的假设来界定，在随机框架下用卡尔曼滤波及其推广形式实现真实意图的在线辨识；在噪声确定且有界的假设下，基于集员滤波技术手段进行肢体运动意图的实时获取。

优选地，所述控制系统集成安装于便携式控制箱，包括控制箱安装壳体、保护盖、微型充气泵、气路安装板、五通转接头、三通电磁阀A、三通电磁阀B、三通电磁阀C、三通电磁阀D、驱动与控制模块、锂电池、无线模块、开关、气管A、气管B、气管C、气管D以及腰部固定带；所述可穿戴柔性执行系统包括作用于左腿和右腿膝关节的柔性转矩执行部件，为左腿和右腿膝关节提供辅助伸展和弯曲的转矩。

优选地，所述柔性转矩执行部件包括：中间支撑气囊、弯曲气囊、伸展气囊，以及柔性绑带。

优选地，所述微型充气泵为微型直流活塞式气泵，是柔性助行外骨骼的动力源，为所述可穿戴柔性执行器的弯曲气囊、伸展气囊提供气压输出。

优选地，所述五通转接头、三通电磁阀A、三通电磁阀B、三通电磁阀C、三通电磁阀D、气管A、气管B、气管C和气管D是所述便携式控制箱中的气路部分，构成微型充气泵与可穿戴柔性执行部件中弯曲气囊、伸展气囊之间的不同的气压输送通道。

所述三通电磁阀A、三通电磁阀B、三通电磁阀C、三通电磁阀D为三通电磁阀，对所述可实现气路切换，实现微型充气泵与可穿戴柔性执行部件中弯曲气囊、伸展气囊之间的不同气压输送通道的方向和流速的调节与控制。

所述无线模块是驱动与控制模块与可穿戴惯性测量单元模块之间的通讯模块。

所述控制箱安装壳体是柔性助行外骨骼驱动与控制模块、微型充气泵、气路部分、无线模块以及锂电池等部件的主要安装载体。

所述可穿戴惯性测量单元模块，分别通过魔术贴固定在可穿戴柔性执行器上，在行走过程中对小腿和大腿相对地面的摆动角度和角速度变化等参数进行实时获取，通过无线传输到所述便携式控制箱中的无线模块上，为驱动与控制模块提供核心的信号来源。

优选地，在所述信号来源的激励下，所述驱动与控制模块实时控制微型充气泵的输出流量以及所述三通电磁阀A、三通电磁阀B、三通电磁阀C以及三通电磁阀D进行气路切换，基于用户下肢实时的运动状态对左、右腿上的可穿戴柔性执行器的弯曲气囊、伸展气囊进行压力控制。

所述可穿戴柔性执行器中的弯曲气囊、中间支撑气囊和伸展气囊采用TPU高强度复合布，经热粘合焊接定型工艺制成横截面为长方形的长方体结构形式。穿戴使用时，所述弯曲气囊对应穿戴者膝盖侧，伸展气囊对应穿戴者膝关节窝侧。中间支撑气囊在使用是预先充气到0.2MPa左右，选用的TPU安全充气嘴并能实现气压的保持。

所述中间支撑气囊分为对称的两部分，中间采用热压合工艺进行压合使之成为上支撑、下支撑两个独立的长方体结构形式囊体，中间热压合形成的压合面作为上述两个囊体连接部分，上支撑和下支撑两个囊体可以绕连接部分做自由转动。上支撑囊体和下支撑囊体亦可采用独立的结构形式，中间不连接。上支撑囊体和下支撑囊体为长方体结构形式，随着输入压力增大伸展气囊可由柔性状态形成具有较强的压力，形成支撑作用力。中间支撑气囊主要起固定和支撑作用，把弯曲气囊及伸展气囊作用力传导到大腿和小腿上，形成辅助膝关节伸展或者弯曲的转矩。

所述弯曲气囊具有固定角度造型，设计角度为110°，随着气体的输入压力增大，气囊可由无压力无固定角度状态变成110°的固定角度，并具有较强的压力，形成弯曲的作用力。所述弯曲气囊通过热粘合焊接工艺固化在中间支撑气囊一侧。人在行走迈步过程的摆动期小腿与大腿之间的最小角度为110°-120°之间，考虑到个体间的差异，选择110°为固定角度，通过调节弯曲气囊的压力对不同个体进行角度补偿。所述弯曲气囊主要是将弯曲的作用力传导到中间支撑气囊，形成辅助膝关节弯曲的转矩。

所述伸展气囊为长方体结构形式，随着输入压力增大伸展气囊可由柔性状态形成具有较强的压力，形成支撑作用力。所述伸展气囊通过热粘合焊接工艺固化在中间支撑气囊上，固化位置位于与弯曲气囊相对一侧。所述伸展气囊主要是将伸展支撑的作用力传导到中间支撑气囊，形成辅助膝关节伸展的转矩。

优选地，所述柔性绑带用柔韧性较好的尼龙材料，通过热粘合焊接工艺固化在所述可穿戴柔性执行器的中间支撑气囊上。

优选地，所述可穿戴柔性执行器通过所述柔性绑带在大腿和小腿相应位置进行固定，主要起到支撑和传递扭矩的作用。

优选地，所述气管组件采用PVC软管或者硅胶管。

优选地，所述锂电池可重复充电的直流锂电池组为便携式控制箱供电。

本发明优异的效果是：

相比现有技术，本发明柔性助行外骨骼基于对用户意下肢运动意图进行感知、理解、判断与异常检测，针对人肢体运动模式的多样性，综合所有可能的单一模式运动规律，建立共性和个性下肢运动模型，突破了外骨骼理解使用者的自主意图和判断非自主意图突发事件的技术瓶颈，为人-机混合系统实现真正的“人-机协调”提供保障。

相比现有技术，本发明柔性助行外骨骼执行部分采用可塑性气囊，质量较轻，克服了一般腿部助力装备或者外骨骼机器人等刚性机构执行件体积大和质量大的缺点，有效减少了由于腿部必须附加的执行机构而带来的负荷，并减少行走过程中这部分负荷带来的能量消耗。

相比现有技术，本发明柔性助行外骨骼中可穿戴柔性执行器采用气动驱动方式，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，容易造成人膝关节机械惯性损伤，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。

因此，本发明以一个微型充气泵为气压动力源，可穿戴惯性测量单元模块对下肢运动意图感知、理解、判断与异常检测，为驱动与控制模块提供核心的信号来源。驱动与控制模块实时控制微型充气泵的输出流量，并控制电磁阀组件进行气路的切换，基于用户下肢实时的运动状态对左、右腿上的可穿戴柔性执行器的相应气囊进行压力控制，在行走过程中为左、右腿提供辅助膝关节弯曲和伸展的转矩，达到为膝关节运动损伤以及弱行走能力的老年群体提供柔性行走辅助的目的。

附图说明

图1是本发明的柔性助行外骨骼的外形及总体结构图；

图2是图1中的便携式控制箱组成图；

图3是图1中的可穿戴柔性执行器组成图。

其中各附图标记含义如下：

1.便携式控制箱；2可穿戴柔性执行器。

101.控制箱安装壳体；102.保护盖；103.微型充气泵；104.气路安装板；105.五通转接头；106.三通电磁阀A；107.三通电磁阀B；108.三通电磁阀C；109.三通电磁阀D；110.驱动与控制模块；111.锂电池；112.无线模块；113.开关；114.气管A；115气管B；116.气管C；117.气管D；118.腰部固定带。

201.中间支撑气囊；202.弯曲气囊；203.伸展气囊；204.惯性测量单元模块；205.柔性绑带。

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，一种柔性助行外骨骼,主要由便携式控制箱1、可穿戴柔性执行器2等组成。所述便携式控制箱1是柔性助行外骨骼的控制和动力输出部件；所述可穿戴柔性执行器2是安装在用户左、右腿膝关节的柔性助力部件。

如图1-2所示，所述便携式控制箱1主要包括控制箱安装壳体101、保护盖102、微型充气泵103、气路安装板104、五通转接头105、三通电磁阀A106、三通电磁阀B 107、三通电磁阀C 108、三通电磁阀D 109、驱动与控制模块110、锂电池111、无线模块112、开关113、气管A114、气管B 115、气管C 116、气管D 117以及腰部固定带118。所述微型充气泵103是柔性助行外骨骼的动力源，为所述可穿戴柔性执行器2提供气压输出。所述五通转接头105、三通电磁阀A106、三通电磁阀B 107、三通电磁阀C 108、三通电磁阀D 109、气管A114、气管B 115、气管C 116以及气管D 117是所述便携式控制箱1中的气路部分。所述驱动与控制模块110，是所述柔性助行外骨骼的控制中枢。所述驱动与控制模块110对所述惯性测量单元模块采集的左右腿的大腿和小腿相对地面的摆动角度和角速度变化等参数进行实时处理。尽管使用者自身的情况各不相同，但在行走过程中，其状态仍具有一定共性，基于这些共同的特征，通过使用双腿上的可穿戴惯性测量单元模块，检测使用者当前的行走状态，建立起使用者行走的共性模型。首先将正常直走、转弯、紧急避让等视为离散的状态，而在每个状态期间传感器可检测的信号用连续系统状态模型描述；而对于人的个体差异性影响，如行走习惯等，在共性模型的状态方程中加入噪声进行描述。对噪声的影响用一定的假设来界定，则在随机框架下用卡尔曼滤波及其推广形式实现真实意图的在线辨识；而在噪声确定且有界的假设下，基于集员滤波技术手段类似地进行肢体运动意图的实时获取。

锂电池111可重复充电，为所述便携式控制箱1提供电能。所述控制箱安装壳体101是柔性助行外骨骼驱动与控制模块110、微型充气泵103、锂电池111、无线模块112以及气路部分的主要安装载体。

如图1和3所示，穿戴在左、右腿上的可穿戴柔性执行器2主要由中间支撑气囊201、弯曲气囊202、伸展气囊203、惯性测量单元模块204以及柔性绑带205等。所述弯曲气囊202、中间支撑气囊201和伸展气囊203采用TPU高强度复合布，经热粘合焊接定型工艺制成横截面为长方形的长方体结构形式。穿戴使用时，所述弯曲气囊202对应穿戴者膝盖侧，伸展气囊203对应穿戴者膝关节窝侧。中间支撑气囊201在使用是预先充气到0.2MPa左右，选用的TPU安全充气嘴并能实现气压的保持。

所述中间支撑气囊201分为对称的两部分，中间采用热压合工艺进行压合使之成为上支撑、下支撑两个独立的长方体结构形式囊体，中间热压合形成的压合面作为上述两个囊体连接部分，上支撑和下支撑两个囊体可以绕连接部分做自由转动。上支撑囊体和下支撑囊体亦可采用独立的结构形式，中间不连接。上支撑囊体和下支撑囊体为长方体结构形式，随着输入压力增大伸展气囊可由柔性状态形成具有较强的压力，形成支撑作用力。中间支撑气囊201主要起固定和支撑作用，把弯曲气囊202及伸展气囊203作用力传导到大腿和小腿上，形成辅助膝关节伸展或者弯曲的转矩。

所述弯曲气囊202具有固定角度造型，设计角度为110°，随着气体的输入压力增大，气囊可由无压力无固定角度状态变成110°的固定角度，并具有较强的压力，形成弯曲的作用力。所述弯曲气囊202通过热粘合焊接工艺固化在中间支撑气囊一侧。人在行走迈步过程的摆动期小腿与大腿之间的最小角度为110°-120°之间，考虑到个体间的差异，选择110°为固定角度，通过调节弯曲气囊的压力对不同个体进行角度补偿。所述弯曲气囊202主要是将弯曲的作用力传导到中间支撑气囊201，形成辅助膝关节弯曲的转矩。

所述伸展气囊203为长方体结构形式，随着输入压力增大伸展气囊可由柔性状态形成具有较强的压力，形成支撑作用力。所述伸展气囊203通过热粘合焊接工艺固化在中间支撑气囊201上，固化位置位于与弯曲气囊202相对一侧。所述伸展气囊203主要是将伸展支撑的作用力传导到中间支撑气囊201，形成辅助膝关节伸展的转矩。

位于左、右腿的惯性测量模块204分别采用两组惯性测量单元与无线传输单元组成。惯性测量模块204采用魔术贴固定在所述中间支撑气囊201的上支撑囊体顶端内侧和下支撑两个囊体的末端内侧，在穿戴时与大腿和小腿外侧贴合，对行走过程中小腿和大腿相对地面的摆动角度和角速度变化等参数实时获取，然后将数据通过无线传输到所述便携式控制箱1中的无线模块112上，为驱动与控制模块110提供核心的信号来源。在所述信号来源的激励下，所述驱动与控制模块实时控制微型充气泵的输出流量以及所述三通电磁阀A、三通电磁阀B、三通电磁阀C以及三通电磁阀D进行气路切换，基于用户下肢实时的运动状态对左、右腿上的可穿戴柔性执行器的弯曲气囊、伸展气囊进行压力控制。

所述柔性绑带205采用柔韧性较好的尼龙材料，内表面采用TPU贴膜，通过热合焊接固化在所述可穿戴柔性执行器2的支撑气囊201内侧，用于将所述可穿戴柔性执行器2固定在左右腿的大腿、小腿以及膝关节相应部位。

结合图1-3，对所述柔性助行外骨骼在一个步态周期内的工作原理进行阐述。如图1-3所示，在使用过程中，所述便携式控制箱1佩戴于用户的腰部，采用所述腰部固定带118系紧。所述可穿戴柔性执行器2用所述柔性绑带205穿戴在用户左、右腿相应位置，所述弯曲气囊202对应穿戴者膝盖侧，伸展气囊203对应穿戴者膝关节窝侧。在人行走过程中，根据惯性测量单元模块204在行走过程中对小腿和大腿相对地面的摆动角度和角速度变化等参数进行实时获取，并将数据通过无线传输到所述的无线模块112上，为驱动与控制模块110提供核心的信号来源。驱动与控制模块110对人的步态信息参数进行比较、分析和判断，实时控制微型充气泵103的输出流量，并控制三通电磁阀A106、三通电磁阀B 107、三通电磁阀C 108以及三通电磁阀D 109进行气路的切换。

当右腿开始逐步抬起，右腿膝关节由伸展逐步弯曲跨步，这个过程右腿膝关节需要弯曲的力矩。穿戴在右腿上的可穿戴柔性执行器2的惯性测量单元模块204对右腿的小腿和大腿相对地面的摆动角度和角速度变化等参数进行实时获取，将右腿运动状态参数通过无线传输传送到无线模块112上，驱动与控制模块110实时控制所述三通电磁阀A106开启时，所述三通电磁阀B 107、三通电磁阀C 108以及三通电磁阀D 109关闭，所述微型充气泵103经所述气管114为穿戴在右腿上的可穿戴柔性执行器2上的弯曲气囊202充气，所述弯曲气囊202压力逐渐增大，按照膝关节转角的变化实时辅助右腿膝关节弯曲，并使弯曲气囊202的角度变化与右腿膝关节弯曲角度始终保持一致。

然后，右腿由腾空期过渡到支撑期，右脚逐渐着地，右腿膝关节由弯曲逐步伸展，这个过程右腿膝关节需要伸展的力矩，惯性测量单元模块204将右腿运动参数通过无线传输传送到无线模块112上，驱动与控制模块110对所述惯性测量单元模块204采集的右腿的小腿和大腿的摆动的角度和角速度变化等参数进行实时处理，实时控制所述三通电磁阀B 107开启，所述三通电磁阀A106、三通电磁阀C 108以及三通电磁阀D 109关闭，所述弯曲气囊202压力经三通电磁阀B106迅速排出，弯曲气囊无压力，而此时所述微型充气泵103经所述气管115为穿戴在右腿上的可穿戴柔性执行器2上的伸展气囊203充气，按照右腿膝关节转角的实时变化提供辅助右腿膝关节伸展的力矩。

而后，左脚逐渐抬起，左腿由支撑期过渡到腾空期，左腿膝关节由伸展逐步弯曲跨步，这个过程左腿膝关节需要弯曲的力矩，惯性测量单元模块204将右腿运动参数通过无线传输传送到无线模块112上，驱动与控制模块110对人的步态信息参数进行比较、分析和判断，实时控制所述三通电磁阀C 108开启，所述三通电磁阀A106、三通电磁阀B 107以及三通电磁阀D 109关闭，所述微型充气泵103经所述气管115为穿戴在左腿上的可穿戴柔性执行器2上的伸展气囊203充气，辅助左腿膝关节伸展；驱动与控制模块110控制所述三通电磁阀D 109开启，所述三通电磁阀A 106、三通电磁阀B 107以及三通电磁阀C 108关闭，而此时所述微型充气泵103经所述气管117为穿戴在左腿上的可穿戴柔性执行器2上的弯曲气囊202充气，按照左腿膝关节转角的实时变化提供辅助左腿膝关节弯曲的力矩，辅助左腿膝关节弯曲。

最后，左腿由腾空期过渡到支撑期，左脚逐渐着地，左腿膝关节由弯曲逐步伸展，这个过程左腿膝关节需要伸展的力矩，惯性测量单元模块204将左腿运动参数通过无线传输传送到无线模块112上，驱动与控制模块110对人的步态信息参数进行比较、分析和判断，实时控制所述三通电磁阀C 108开启，所述三通电磁阀A 106、三通电磁阀B 107以及三通电磁阀D 109关闭，穿戴在左腿上的可穿戴柔性执行器2上的弯曲气囊202中的气压经三通电磁阀D 109迅速排出，弯曲气囊无压力，而此时所述微型充气泵103经所述气管116为穿戴在左腿上的可穿戴柔性执行器2上的伸展气囊203充气，按照左腿膝关节转角的实时变化提供辅助左腿膝关节伸展的力矩，辅助左腿膝关节伸展。

以上是所述柔性助行外骨骼实现一个步态周期的行走辅助功用。如此循环往复，所述柔性助行外骨骼可实现在人行走过程中，根据可穿戴惯性测量单元模块对下肢运动意图感知，驱动与控制模块对人的步态信息参数进行比较、分析和判断，实时控制微型充气泵的输出流量，并控制电磁阀组件进行气路的切换，基于人机协同状态对左、右腿上的可穿戴柔性执行器的相应气囊进行压力控制，在行走过程中为左、右腿提供辅助膝关节弯曲和伸展的转矩，达到为膝关节运动损伤以及弱行走能力的老年群体提供柔性行走辅助的目的。

由于本发明柔性助行外骨骼基于对用户意下肢运动意图进行感知、理解、判断与异常检测，针对人肢体运动模式的多样性，综合所有可能的单一模式运动规律，建立共性和个性下肢运动模型，突破了外骨骼理解使用者的自主意图和判断非自主意图突发事件的技术瓶颈，为人-机混合系统实现真正的“人-机协调”提供保障。其次，柔性助行外骨骼执行部分采用可塑性气囊，质量较轻，克服了一般腿部助力装备或者外骨骼机器人等刚性机构执行件体积大和质量大的缺点，有效减少了由于腿部必须附加的执行机构而带来的负荷，并减少行走过程中这部分负荷带来的能量消耗。此外，可穿戴柔性执行器采用气动驱动方式，并且全部为柔性材料，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，容易造成人膝关节机械惯性损伤，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。

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。