一種肌電控制的外骨骼助行機器人的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及可穿戴的外骨骼助行機器人技術，具體為一種肌電控制的外骨骼助行機器人，可以輔助人體下肢肌肉伸縮，幫助老年人或行走不便者恢復下肢運動功能。
【背景技術】
[0002]隨著現代社會老齡化問題的日益加重，老年人的健康問題得到了全社會的廣泛關注，其中腿腳不靈便是影響老年人生活的重要問題。外骨骼助行機器人可以為老年人或行走不便者提供外在助力，幫助其恢復一定的運動能力，對于提高老年人生活質量、減輕家庭和社會的負擔具有重要意義。
[0003]目前的外骨骼助行機器人大多固定在兩腿外側，外骨骼穿戴者(簡稱穿戴者)被動地跟隨外骨骼運動，外骨骼機器人的運動軌跡可能與穿戴者的期望軌跡存在一定的差距，例如，中國專利申請201410827881.4公開了一種人體下肢外骨骼助行康復機器人，該發明采用伺服電機提供動力，利用連桿裝置帶動腿部運動，幫助穿戴者行走及康復訓練。該發明采用的驅動結構較為堅硬，人體穿戴容易產生人體與外骨骼助行機器人運動不相容的現象，造成穿戴者不舒適，甚至額外傷害。
[0004]另外，目前的外骨骼助行機器人常用的運動控制方法是根據腳底壓力、關節角度和加速度等傳感器信息。例如，中國專利201310034245.1公開了一種穿戴式下肢外骨骼助行機器人，該發明通過采集和處理腳底壓力和關節角度信息，生成相應運動信號控制外骨骼模擬人體運動，幫助穿戴者行走及康復訓練。該方法缺乏對穿戴者自身感受的足夠重視，忽視了穿戴者自身的實際需求，容易造成穿戴者不適。
【發明內容】
[0005]針對現有技術的不足，本發明擬解決的技術問題是，提供一種肌電控制的外骨骼助行機器人。該助行機器人通過采集腿部的表面肌電信號，分析穿戴者的運動需求，控制氣動肌肉模擬人體肌肉活動，在充分了解穿戴者運動意圖的基礎上輔助穿戴者運動，避免強制運動造成的不適甚至傷害。采用質量輕、能量轉化率較高、柔順性好的氣動肌肉作為執行機構，直接將氣動肌肉安裝在人體各關節之間，為穿戴者提供輔助動力，結構簡單、安全柔順，符合人體生理特點，舒適性明顯提高。
[0006]本發明解決所述技術問題的技術方案是，提供一種肌電控制的外骨骼助行機器人，其特征在于所述機器人包括氣源、左腿、右腿、腰部固定裝置和控制裝置;所述左腿和右腿的上端分別固定在腰部固定裝置上，并對稱設置在腰部固定裝置兩側;所述控制裝置固定在腰部固定裝置上；
[0007]所述左腿和右腿的結構完全相同；所述左腿和右腿均包括大腿助力系統、小腿助力系統、踝關節固定裝置和膝關節固定裝置;所述大腿助力系統的上端固定于腰部固定裝置，下端固定于膝關節固定裝置;所述小腿助力系統的上端固定于膝關節固定裝置，下端固定于踝關節固定裝置；
[0008]所述大腿助力系統包括大腿固定裝置、大腿氣動執行模塊、大腿肌電信號傳感器模塊和大腿陀螺儀模塊;所述大腿氣動執行模塊包括至少三個大腿氣動肌肉，其一端固定于大腿固定裝置上，另一端分別固定于膝關節固定裝置或腰部固定裝置上，大腿氣動肌肉通過軟管與氣源連接，使用時位于人體大腿主要肌肉上方;所述大腿肌電信號傳感器模塊包括至少三個大腿肌電信號傳感器，使用時大腿肌電信號傳感器固定在大腿氣動肌肉對應的人體肌肉表面;所述大腿陀螺儀模塊使用時固定于人體膝關節和髖關節之間、人體大腿前側中間位置;所述大腿氣動肌肉與大腿肌電信號傳感器的數量相同；
[0009]所述小腿助力系統包括小腿氣動執行模塊、小腿肌電信號傳感器模塊和小腿陀螺儀模塊;所述小腿氣動執行模塊包括至少兩個小腿氣動肌肉，其一端固定于膝關節固定裝置上，另一端固定于踝關節固定裝置上，小腿氣動肌肉通過軟管與氣源連接，使用時位于人體小腿主要肌肉上方;所述小腿肌電信號傳感器模塊包括至少兩個小腿肌電信號傳感器，使用時小腿肌電信號傳感器固定在小腿氣動肌肉對應的人體肌肉表面;所述小腿陀螺儀模塊使用時固定于人體膝關節和踝關節之間、人體小腿前側中間位置;所述小腿氣動肌肉與小腿肌電信號傳感器的數量相同；
[0010]使用時，腰部固定裝置、踝關節固定裝置、膝關節固定裝置和大腿固定裝置，依次位于人體的腰部、踝關節、膝關節和大腿根處；
[0011]所述控制裝置分別與大腿肌電信號傳感器模塊、小腿肌電信號傳感器模塊、大腿陀螺儀模塊、小腿陀螺儀模塊、大腿氣動執行模塊、小腿氣動執行模塊和氣源連接。
[0012]與現有技術相比，本發明有益效果在于:
[0013]1.利用腿部表面肌電信號識別人體運動意圖，控制氣動肌肉模擬人體肌肉活動，在人體正常運動的基礎上增加相應肌肉的收縮力量，從而幫助穿戴者提高運動能力，穿戴者為主，外骨骼助行機器人為輔，有效地避免了人機運動軌跡不一致造成的穿戴者不適。
[0014]2.氣動肌肉附著于腿部真實肌肉的外部，而非關節或腿外側，更接近于人體下肢正常運動，長期使用不會給關節造成額外負擔和傷害。
[0015]3.重視穿戴者感受，通過接觸力反饋人體穿戴感受，提高外骨骼穿戴舒適性;通過膝關節角度反饋與肌電信號識別結果比較，及時調整氣動肌肉的進氣量，助力效果得到明顯提尚Ο
【附圖說明】
[0016]圖1為本發明肌電控制的外骨骼助行機器人實施例1的主視結構示意圖；
[0017]圖2為本發明肌電控制的外骨骼助行機器人實施例1-3的后視結構示意圖；
[0018]圖3為本發明肌電控制的外骨骼助行機器人實施例1-3的右視結構示意圖；
[0019]圖4為本發明肌電控制的外骨骼助行機器人實施例2的主視結構示意圖；
[0020]圖5為本發明肌電控制的外骨骼助行機器人實施例3的主視結構示意圖；。
【具體實施方式】
[0021]下面將對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實施例是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0022]下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
[0023]本發明提供了一種肌電控制的外骨骼助行機器人(參見圖1-5，簡稱機器人)，其特征在于所述機器人包括氣源、左腿、右腿、腰部固定裝置1和控制裝置3;所述左腿和右腿的上端分別固定在腰部固定裝置1上，并對稱設置在腰部固定裝置1兩側;所述控制裝置3固定在腰部固定裝置1上;所述氣源與左腿和右腿的氣動肌肉通過軟管連接；
[0024]所述左腿和右腿的結構完全相同；所述左腿和右腿均包括大腿助力系統4、小腿助力系統5、踝關節固定裝置6和膝關節固定裝置7;所述大腿助力系統4的上端固定于腰部固定裝置1，下端固定于膝關節固定裝置7;所述小腿助力系統5的上端固定于膝關節固定裝置7，下端固定于踝關節固定裝置6;
[0025]所述大腿助力系統4包括大腿固定裝置2、大腿氣動執行模塊41、大腿肌電信號傳感器模塊42和大腿陀螺儀模塊43;所述大腿氣動執行模塊41包括至少三個大腿氣動肌肉，其一端固定于大腿固定裝置2上，另一端分別固定于膝關節固定裝置7或腰部固定裝置1上，使用時位于人體大腿主要肌肉上方，當氣源加氣使得大腿氣動肌肉內部充滿空氣時，大腿氣動肌肉直徑增加，長度縮短，形成一種流暢的彈性運動，模擬人體肌肉活動，幫助人體下肢關節伸展或收縮，為穿戴者提供行走助力;所述大腿肌電信號傳感器模塊42包括至少三個大腿肌電信號傳感器，使用時大腿肌電信號傳感器固定在大腿氣動肌肉對應的人體肌肉表面，用以實時監測肌肉的表面肌電信號變化，并將各肌肉的表面肌電信號幅值變化反饋給控制裝置3;所述大腿陀螺儀模塊43使用時固定于人體膝關節和髖關節之間、人體大腿前側中間位置，用于測量人體大腿與垂直方向夾角，控制裝置3通過比較大腿陀螺儀模塊43測量結果與期望夾角計算，進行補償控制;所述大腿氣動肌肉與大腿肌電信號傳感器的數量相同；
[0026]所述小腿助力系統5包括小腿氣動執行模塊51、小腿肌電信號傳感器模塊52和小腿陀螺儀模塊53;所述小腿氣動執行模塊51包括至少兩個小腿氣動肌肉，其一端固定于膝關節固定裝置7上，另一端固定于踝關節固定裝置6上，使用時位于人體小腿主要肌肉上方，當小腿氣動肌肉內部充滿空氣時，小腿氣動肌肉直徑增加，長度縮短，模擬人體肌肉活動，為穿戴者提供行走助力;所述小腿肌電信號傳感器模塊52包括至少兩個小腿肌電信號傳感器，使用時小腿肌電信號傳感器固定在小腿氣動肌肉對應的人體肌肉表面，用以實時監測肌肉的表面肌電信號變化;所述小腿陀螺儀模塊53使用時固定于人體膝關節和踝關節之間、人體小腿前側中間位置，用于測量人體小腿與垂直方向夾角;所述小腿氣動肌肉與小腿肌電信號傳感器的數量相同；
[0027]使用時，腰部固定裝置1、踝關節固定裝置6、膝關節固定裝置7和大腿固定裝置2，依次位于人體腰部、踝關節、膝關節和大腿根處，用于固定氣動肌肉。
[0028]所述大腿固定裝置2為鋁合金材質，利用三個節點互相平衡原理固定。
[0029]所述控制裝置3分別與大腿肌電信號傳感器模塊42、小腿肌電信號傳感器模塊52、大腿陀螺儀模塊43、小腿陀螺儀模塊53、大腿氣動執行模塊41、小腿氣動執行模塊51和氣源連接，控制裝置3用于接收并處理大腿肌電信號傳感器模塊42、小腿肌電信號傳感器模塊52、大腿陀螺儀模塊43、小腿陀螺儀模塊53的信號，通過對采集的信息進行分析和綜合，對大腿氣動執行模塊41、小腿氣動執行模塊51和氣源發出控制指令，驅動機器人運動，為穿戴者提供動力。
[0030]所述大腿氣動執行模塊41的每個大腿氣動肌肉配置有1個大腿高速開關閥411，安裝在大腿氣動肌肉的進氣端;所述小腿氣動執行模塊51的每個小腿氣動肌肉配置有1個小腿高速開關閥511，安裝在小腿氣動肌肉的進氣端;通