本發(fā)明涉及一種機械外骨骼產品技術領域，特別是一種氣動肌肉上肢助力外骨骼系統。

背景技術：

機械外骨骼是面向人的機器人，它們可以被定義為由使用者佩戴的那些補充或是代替肢體的設備。外骨骼可以在使用者的肢體一側被操縱，與使用者的四肢進行協調運動，或是代替殘疾使用者的一部分肢體，與剩余部分肢體進行協作；但這并不一定意味著外骨骼一定是可移動的或便攜式的，其中很大一部分原因就是執(zhí)行元件和動力源體積重量的限制；機械外骨骼可以被看作一種增強、適應、保護穿戴者身體的技術。外骨骼可以在使用者操控的基礎上擴展使用者的能力，幫助使用者達到超過其自身的力量；亦可以幫助殘疾使用者重新控制或代替其部分肢體，通過使用者與外骨骼之間的物理交互以及感知交互，讓使用者與外骨骼在感知、決策、交互多個層面上進行協作。

現有技術中的外骨骼系統大多采用電機、液壓、氣壓方式進行驅動，絕大部分助力外骨骼使用液壓系統驅動。電機驅動系統的優(yōu)點在于效率高、可實現精確控制、安裝方便，但其效率與質量比低，難以在外骨骼中實現大范圍使用。液壓系統的優(yōu)點在于功率與質量比大，可在小體積內產生大推力；但液壓系統使用液壓油為工作介質，極易產生泄漏問題；且液壓驅動系統效率低，能量消耗極大，能量源要求高，對加工要求高，成本高。氣壓系統有工作介質清潔、效率高、重量輕、成本低等優(yōu)點，但由于氣缸元件的功率與質量比低，導致其難以在大功率系統上應用。

新型氣動元件——氣動肌肉具有優(yōu)良的功率與體積比、以及功率與質量比，使氣壓驅動在外骨骼系統中逐步替代液壓驅動成為了可能。

技術實現要素：

為了克服現有技術的不足，本發(fā)明提供了一種氣動肌肉上肢助力外骨骼系統，采用氣動肌肉為執(zhí)行元件，使用者與外骨骼系統在感知、決策、交互層面上具有良好協作性。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種氣動肌肉上肢助力外骨骼系統，包括安裝在人體背部且與人體背部協同運動的背臂骨、安裝在人體上臂且與人體上臂協同運動的上臂骨、安裝在人體前臂且與人體前臂協同運動的前臂骨，還包括用于連接所述背臂骨和所述上臂骨的肩部骨；所述肩部骨包括肩部側向骨架和肩部前向骨架，所述肩部側向骨架和所述肩部前向骨架組合成L形結構；所述肩部側向骨架的下方設置有第一關節(jié)模塊，所述肩部前向骨架的下方設置有第二關節(jié)模塊；所述背臂骨的上端通過所述第一關節(jié)模塊連接所述肩部側向骨架，且所述背臂骨和所述肩部側向骨架之間通過用于驅動所述第一關節(jié)模塊活動的氣動肌肉連接；所述上臂骨的上端通過所述第二關節(jié)模塊連接所述肩部前向骨架，且所述上臂骨和所述肩部前向骨架之間通過用于驅動所述第二關節(jié)模塊活動的氣動肌肉連接；所述上臂骨的下端設置有第三關節(jié)模塊，所述前臂骨的上端通過所述第三關節(jié)模塊連接所述上臂骨的下端，且所述前臂骨和所述上臂骨之間通過用于驅動所述第三關節(jié)模塊活動的氣動肌肉連接；所述上臂骨和所述前臂骨上各設置有一個用于感應人體上肢運動趨勢的壓力環(huán)。

上述用于描述各組件的位置和區(qū)域的詞語，例如下方、上端和下端等，均是指當所述氣動肌肉上肢助力外骨骼系統安裝在人體上、且人體上肢處于自然下垂狀態(tài)時，各組件的位置和區(qū)域的空間位置關系，下同。

作為上述技術方案的進一步改進，所述壓力環(huán)包括第一應力感應環(huán)和第二應力感應環(huán)，所述第一應力感應環(huán)和所述第二應力感應環(huán)的軸線共線。

作為上述技術方案的進一步改進，所述第一應力感應環(huán)由面對稱設置的第一弧形夾臂和第二弧形夾臂構成，所述第二應力感應環(huán)由面對稱設置的第三弧形夾臂和第四弧形夾臂構成；所述壓力環(huán)還包括環(huán)安裝塊、第一應力夾持塊和第二應力夾持塊，所述第一應力夾持塊通過第一夾持氣缸連接所述環(huán)安裝塊，所述第二應力夾持塊通過第二夾持氣缸連接所述環(huán)安裝塊，所述第一弧形夾臂和所述第三弧形夾臂均固定安裝在所述第一應力夾持塊上，所述第二弧形夾臂和所述第四弧形夾臂均固定安裝在所述第二應力夾持塊上。

作為上述技術方案的進一步改進，所述背臂骨包括背臂支撐骨架、安裝在所述背臂支撐骨架上的背臂固定環(huán)座、以及安裝在所述背臂固定環(huán)座上的背臂肌肉固定環(huán)；所述第一關節(jié)模塊包括第一關節(jié)轉軸、第一轉軸安裝塊和第一轉軸連接塊，所述第一轉軸安裝塊和所述第一轉軸連接塊通過所述第一關節(jié)轉軸鉸連接，所述第一轉軸安裝塊固定連接所述肩部側向骨架，所述第一轉軸連接塊固定連接所述背臂支撐骨架；用于驅動所述第一關節(jié)模塊活動的氣動肌肉連接所述背臂肌肉固定環(huán)和所述第一轉軸安裝塊。

作為上述技術方案的進一步改進，所述上臂骨包括上臂支撐骨架、安裝在所述上臂支撐骨架上的上臂固定環(huán)座、以及安裝在所述上臂固定環(huán)座上的上臂肌肉固定環(huán)；所述第二關節(jié)模塊包括第二關節(jié)轉軸、第二轉軸安裝塊和第二轉軸連接塊，所述第二轉軸安裝塊和所述第二轉軸連接塊通過所述第二關節(jié)轉軸鉸連接，所述第二轉軸安裝塊固定連接所述肩部前向骨架，所述第二轉軸連接塊固定連接所述上臂支撐骨架；用于驅動所述第二關節(jié)模塊活動的氣動肌肉連接所述上臂肌肉固定環(huán)和所述第二轉軸安裝塊。

作為上述技術方案的進一步改進，所述前臂骨包括前臂支撐骨架、安裝在所述前臂支撐骨架上的前臂固定環(huán)座、以及安裝在所述前臂固定環(huán)座上的前臂肌肉固定環(huán)；所述第三關節(jié)模塊包括第三關節(jié)轉軸、第三轉軸安裝塊和第三轉軸連接塊，所述第三轉軸安裝塊和所述第三轉軸連接塊通過所述第三關節(jié)轉軸鉸連接，所述第三轉軸安裝塊固定連接所述上臂支撐骨架，所述第三轉軸連接塊固定連接所述前臂支撐骨架；用于驅動所述第三關節(jié)模塊活動的氣動肌肉連接所述前臂肌肉固定環(huán)和所述第三轉軸安裝塊。

作為上述技術方案的進一步改進，所述前臂支撐骨架的下端還設置有前臂握環(huán)。

與現有技術相比較，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明所提供的一種氣動肌肉上肢助力外骨骼系統，采用氣動肌肉為執(zhí)行元件，此外在上臂骨和前臂骨上各安裝一個壓力環(huán)用以監(jiān)測使用者的運動趨勢，壓力環(huán)監(jiān)測到的各個方向上力進行合成即可判斷出外骨骼系統所需的運動方向和趨勢，使使用者與外骨骼系統在感知、決策、交互層面上具有良好協作性。

此外，本發(fā)明所提供的外骨骼系統肩部側向骨架、肩部前向骨架、背臂支撐骨架、上臂支撐骨架和前臂支撐骨架可以采用模塊化結構設計，從而降低外骨骼系統的加工成本；并且設置于上述模塊化骨架上的例如應力環(huán)、肌肉固定環(huán)和握環(huán)等各組件位置可調，從而可以調整各骨架的工作長度，以便于更好地適應不同使用者的上肢結構。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。

圖1是本發(fā)明所述的一種氣動肌肉上肢助力外骨骼系統的主視結構示意圖；

圖2是本發(fā)明所述的一種氣動肌肉上肢助力外骨骼系統的側視結構示意圖；

圖3是本發(fā)明所述的一種氣動肌肉上肢助力外骨骼系統的俯視結構示意圖。

具體實施方式

參照圖1至圖3，圖1至圖3是本發(fā)明一個具體實施例的結構示意圖。

如圖1至圖3所示，一種氣動肌肉上肢助力外骨骼系統，包括安裝在人體背部且與人體背部協同運動的背臂骨、安裝在人體上臂且與人體上臂協同運動的上臂骨、安裝在人體前臂且與人體前臂協同運動的前臂骨，還包括用于連接所述背臂骨和所述上臂骨的肩部骨；所述肩部骨包括肩部側向骨架11和肩部前向骨架12，所述肩部側向骨架11和所述肩部前向骨架12組合成L形結構；所述肩部側向骨架11的下方設置有第一關節(jié)模塊，所述肩部前向骨架12的下方設置有第二關節(jié)模塊；所述背臂骨的上端通過所述第一關節(jié)模塊連接所述肩部側向骨架11，且所述背臂骨和所述肩部側向骨架11之間通過用于驅動所述第一關節(jié)模塊活動的氣動肌肉連接；所述上臂骨的上端通過所述第二關節(jié)模塊連接所述肩部前向骨架12，且所述上臂骨和所述肩部前向骨架12之間通過用于驅動所述第二關節(jié)模塊活動的氣動肌肉連接；所述上臂骨的下端設置有第三關節(jié)模塊，所述前臂骨的上端通過所述第三關節(jié)模塊連接所述上臂骨的下端，且所述前臂骨和所述上臂骨之間通過用于驅動所述第三關節(jié)模塊活動的氣動肌肉連接；所述上臂骨和所述前臂骨上各設置有一個用于感應人體上肢運動趨勢的壓力環(huán)。

具體地，所述壓力環(huán)包括第一應力感應環(huán)和第二應力感應環(huán)，所述第一應力感應環(huán)和所述第二應力感應環(huán)的軸線共線。所述第一應力感應環(huán)由面對稱設置的第一弧形夾臂21和第二弧形夾臂22構成，所述第二應力感應環(huán)由面對稱設置的第三弧形夾臂23和第四弧形夾臂24構成；所述壓力環(huán)還包括環(huán)安裝塊25、第一應力夾持塊26和第二應力夾持塊27，所述第一應力夾持塊26通過第一夾持氣缸28連接所述環(huán)安裝塊25，所述第二應力夾持塊27通過第二夾持氣缸29連接所述環(huán)安裝塊25，所述第一弧形夾臂21和所述第三弧形夾臂23均固定安裝在所述第一應力夾持塊26上，所述第二弧形夾臂22和所述第四弧形夾臂24均固定安裝在所述第二應力夾持塊27上。上述結構的壓力環(huán)可以監(jiān)測垂直于外骨骼骨骼框架三個方向上的力。

所述背臂骨包括背臂支撐骨架31、安裝在所述背臂支撐骨架31上的背臂固定環(huán)座32、以及安裝在所述背臂固定環(huán)座32上的背臂肌肉固定環(huán)33；所述第一關節(jié)模塊包括第一關節(jié)轉軸41、第一轉軸安裝塊42和第一轉軸連接塊43，所述第一轉軸安裝塊42和所述第一轉軸連接塊43通過所述第一關節(jié)轉軸41鉸連接，所述第一轉軸安裝塊42固定連接所述肩部側向骨架11，所述第一轉軸連接塊43固定連接所述背臂支撐骨架31；用于驅動所述第一關節(jié)模塊活動的氣動肌肉連接所述背臂肌肉固定環(huán)33和所述第一轉軸安裝塊42。

所述上臂骨包括上臂支撐骨架51、安裝在所述上臂支撐骨架51上的上臂固定環(huán)座52、以及安裝在所述上臂固定環(huán)座52上的上臂肌肉固定環(huán)53；所述第二關節(jié)模塊包括第二關節(jié)轉軸61、第二轉軸安裝塊62和第二轉軸連接塊63，所述第二轉軸安裝塊62和所述第二轉軸連接塊63通過所述第二關節(jié)轉軸61鉸連接，所述第二轉軸安裝塊62固定連接所述肩部前向骨架12，所述第二轉軸連接塊63固定連接所述上臂支撐骨架51；用于驅動所述第二關節(jié)模塊活動的氣動肌肉連接所述上臂肌肉固定環(huán)53和所述第二轉軸安裝塊62。

所述前臂骨包括前臂支撐骨架71、安裝在所述前臂支撐骨架71上的前臂固定環(huán)座72、以及安裝在所述前臂固定環(huán)座72上的前臂肌肉固定環(huán)73；所述第三關節(jié)模塊包括第三關節(jié)轉軸81、第三轉軸安裝塊82和第三轉軸連接塊83，所述第三轉軸安裝塊82和所述第三轉軸連接塊83通過所述第三關節(jié)轉軸81鉸連接，所述第三轉軸安裝塊82固定連接所述上臂支撐骨架51，所述第三轉軸連接塊83固定連接所述前臂支撐骨架71；用于驅動所述第三關節(jié)模塊活動的氣動肌肉連接所述前臂肌肉固定環(huán)73和所述第三轉軸安裝塊82。所述前臂支撐骨架71的下端還設置有前臂握環(huán)74。

為了實現使用者與外骨骼的協調動作，外骨骼需預判使用者的運動趨勢，執(zhí)行相同的動作，上述外骨骼中使用壓力環(huán)實現對使用者運動趨勢的感知：外骨骼在正常狀態(tài)下關節(jié)肌肉均處于張緊狀態(tài)，即外骨骼關節(jié)整體可近似視作為一個粘和整體，使用者通過壓力環(huán)與外骨骼骨骼框架進行固定，當使用者手臂產生運動趨勢時，會被骨骼壓力環(huán)阻礙，導致當前方向骨骼壓力環(huán)與使用者手臂之間的壓力增大，反映為當前方向壓力環(huán)懸臂梁形變，導致應變片電壓變化。

外骨骼檢測當前方向受力變化后判斷使用者運動方向趨勢，控制電磁閥完成當前關節(jié)的轉動，直到使用者與外骨骼間壓力穩(wěn)定于0。外骨骼的控制系統可以近似看為將壓力環(huán)所受壓力盡可能減小的控制策略；換而言之，即使用者使用很小的力量拖動整個外骨骼系統。

以上對本發(fā)明的較佳實施進行了具體說明，當然，本發(fā)明還可以采用與上述實施方式不同的形式，熟悉本領域的技術人員在不違背本發(fā)明精神的前提下所作的等同的變換或相應的改動，都應該屬于本發(fā)明的保護范圍內。