[发明专利]一种可穿戴柔性膝关节外骨骼及其控制方法

说明书

本发明公开了一种可穿戴柔性膝关节外骨骼及其控制方法，可穿戴柔性膝关节外骨骼主要由控制与气压输出系统、传感系统和柔性助力执行系统组成。控制与气压输出系统对传感系统采集到的用户运动信息和柔性助力执行系统压力信息进行分析，采用步态估算模型和膝关节力矩模型等算法计算得到气动力开关、压力和流速等相应指令，执行相应动作，为柔性助力执行系统提供定量的正压或者负压。柔性助力执行系统将控制与气压输出系统提供的正压或者负压气动力传递给用户左右腿大腿和小腿，输入负压时柔性助力执行系统产生辅助弯曲的转矩，辅助膝关节弯曲；从负压切换到正压输入时柔性助力执行系统产生由弯曲变为伸展的转矩，辅助膝关节伸展，达到助行的目的。

技术领域

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，特别涉及一种可穿戴柔性膝关节外骨骼及其控制方法。

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科研的重要科学目标之一，机器人外骨骼是开展这一科学研究的载体。机器人外骨骼是一种并联穿戴于人体外部的装置，一般由电机、液压或气压驱动，通过传感系统实时检测肢体运动状态与人体运动意图，通过驱动系统与控制系统实现人-机协同助力，达到增强肢体力量或辅助人体运动的目标。

目前国际上比较著名的外骨骼包括：日本筑波大学山海嘉之(Yoshiyuki Sanki)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(TohokuUniversity)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-Assist Locomotor)、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下肢外骨骼机器人Rewalk。上述外骨骼主要采用电机驱动，主要应用于助老助残领域。

采用液压驱动的典型外骨骼机器人主要有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以及为市场化Bleex技术成立的berkely Bionics公司研发的第二代军用外骨骼ExoHiker,ExoClimber以及第三代军用外骨骼HULC；国雷神公司研制得基于旋转液压执行器驱动的负重外骨骼XOS-2等。上述这种外骨骼主要是军用增加军人携行和负载能力。

上述几种典型的外骨骼机器人主要采用电机和液压驱动或者二者混合驱动的方式，助力明显，但也存在部件多，自重大、能耗高等缺点，并且铠甲式的外形很难得到普通用户的心里认同，穿戴也不方便。为了减轻外骨骼执行端的重量，并使关节的运动具有一定灵活性，一些学者研制了以气动肌肉作为执行器的外骨骼机器人下肢外骨骼。例如Y.L.Park团队采用扁平气动人工肌肉研发的辅助膝关节运动的柔性可穿戴机器人外骨骼，为膝关节提供力矩；Sasaki团队采用气动人工肌肉研发了类似裤子的下肢助力外骨骼，具有轻便灵活的特点。

上述气动人工肌肉都是充气型人工肌肉，具有较高的功率密度比、功率体积比等优点，但有以下缺点。首先，非弹性变形过程中将会产生迟滞现象，难以精确控制。其次，气动人工肌肉通常都具有较高的“阈值”，当气压小于“阈值”时，人工肌肉无法执行相应的运动。再次，在气动人工肌肉反复使用过程中，较高的工作压力容易造成气动肌肉局部破损甚至爆炸。目前充气型气动肌肉充气变形后会使径向体积变大，不适合对空间受限的场合。除此之外，目前大部分气动人工肌肉都是在充气后实现直线运动，即充气后伸长或者缩短。对于外骨骼机器人来说，如果想要实现关节辅助转动，就需要借用其他机械装置将其直线运动转化为旋转运动，使外骨骼的体积和质量显著增大。

发明内容