CN107921628A - 外骨骼机器衣 - Google Patents

Abstract

一种外骨骼机器衣，用于促进肢体运动，所述肢体包括经由关节枢转连接的上部段和下部段，所述外骨骼机器衣包括：被配置为由使用者穿戴在肢体上的软框架；附连到所述软框架的致动器，所述致动器包括：能够以第一方向和第二方向旋转的线轴，所述线轴连接至被配置以使所述线轴旋转的电机的轴；第一线缆，所述第一线缆的一部分围绕所述线轴的第一部分缠绕，所述第一线缆沿着所述软框架从所述线轴延伸，所述第一线缆终止于所述下部段的前部，以使得所述第一线缆在所述线轴以第一方向旋转期间缠绕在所述线轴上时，引起所述肢体弯曲；第二线缆，所述第二线缆的一部分围绕所述线轴的第二部分缠绕，所述第二线缆沿着所述软框架从所述线轴延伸，所述第二线缆终止于所述下部段的后部，以使得所述第二线缆在所述线轴以第二方向旋转期间缠绕在所述线轴上时，引起所述肢体伸展。

Description

外骨骼机器衣

技术领域

本发明涉及一种促进肢体运动的可穿戴设备。更具体地说，本发明适用于实现/促进上肢的运动，并且可以使用相同的传输技术适用于下肢。

背景技术

日常生活活动需要足够的上肢肌肉力量和神经控制。具有由于诸如肌肉萎缩、神经损伤以及其他疾病和退行性疾病等各种情况引起的神经运动障碍的人员难以进行这样的活动。这可能会使依赖他人进行基本活动的这些人产生心理困扰。家庭成员无法协助的情况下，专业帮助成本高昂。

技术解决方案包括采用致动框架(即动力外骨骼)的装置，来帮助使用者和赋予使用者能力。这些装置包括使用者穿戴的刚性或半刚性结构。这些结构承担负载并引导使用者执行期望的运动。然而，这些装置除了限制使用者的生物力学能力并产生不自然的姿势和动作之外，还体积庞大、笨重且不舒适。由于这些问题，大多数已知的解决方案不适合实验室之外的应用。

大多数已知的解决方案除了不符合每个使用者的特定需求之外，也不节能：无论何时穿戴，都意味着外骨骼被供电，导致高功率消耗，因此受限的电池寿命。

发明内容

本申请中披露的外骨骼机器衣提供了更好的人体工程学性能，并防止不自然的运动。在能源效率方面，软式外骨骼机器衣也能降低能耗。

根据第一方面，提供一种外骨骼机器衣，用于促进肢体运动，所述肢体包括经由关节枢转连接的上部段和下部段，所述外骨骼机器衣包括：软框架，其被配置为由使用者穿戴在肢体上；附连到所述软框架的致动器，所述致动器包括能够以第一方向和第二方向旋转的线轴，所述线轴连接至被配置以使所述线轴旋转的电机的轴；第一线缆，所述第一线缆的一部分围绕所述线轴的第一部分缠绕，所述第一线缆沿着所述软框架从所述线轴延伸，所述第一线缆终止于所述下部段的前部，以使得所述第一线缆在所述线轴以第一方向旋转期间缠绕在所述线轴上时，引起所述肢体弯曲；第二线缆，所述第二线缆的一部分围绕所述线轴的第二部分缠绕，所述第二线缆沿着所述软框架从所述线轴延伸，所述第二线缆终止于所述下部段的后部，以使得所述第二线缆在所述线轴以第二方向旋转期间缠绕在所述线轴上时，引起所述肢体伸展。

所述线轴的所述第二部分具有比所述线轴的所述第一部分更大的直径。

所述致动器还可以包括第一对滚筒和第二对滚筒，所述第一线缆从所述线轴延伸，穿过所述第一对滚筒之间，至所述下部段，第二线缆从所述线轴延伸，穿过所述第二对滚筒之间，至所述下部段，所述第一对滚筒和所述第二对滚筒每对都包括单向滚筒和能够以两个方向自由旋转的常规滚筒；其中每个单向滚筒仅能够以从所述线轴送入所述第一线缆或所述第二线缆的方向自由旋转，并且其中当所述第一线缆或所述第二线缆缠绕到所述线轴上时，每个单向滚轮被锁定而不旋转。

所述第一线缆经由连接到所述下部段的第一末端效应器处的第一弹性元件连接到所述下部段的前部，并且其中，所述第二线缆经由连接到所述下部段的第二末端效应器处的第二弹性元件连接到所述下部段的后部。

所述第一弹性元件和第二弹性元件每个都包括压缩弹簧。

所述第一线缆和所述第二线缆可以分别沿着所述软框架延伸穿过附接到所述软框架的第一鲍登护套和第二鲍登护套，所述第一鲍登护套终止于所述第一部段的前部，并且所述第二鲍登护套终止于第一部段的后部。

所述致动器还可以包括机电离合器，其被连接到所述电机的所述轴上，所述机电离合器被配置成，当所述机电离合器被启动以将所述关节保持在固定角度时，在所述第一线缆和所述第二线缆上施加保持扭矩。

所述电机可以经由再生制动电路连接到电池，所述再生制动电路被配置成，在所述肢体的自然运动拉动所述第一线缆和所述第二线缆中至少一个，以将所述第一线缆和所述第二线缆中的所述至少一个从所述线轴上展开时，在由所述线轴的旋转引起所述电机运动期间，所述再生制动电路对所述电池充电。

所述致动器的部件可以容纳在壳体内，所述壳体被附接到所述软框架并被配置以被穿戴在所述使用者的背部。

所述外骨骼机器衣还包括传感器，所述传感器被配置成检测下列中的至少一个：所述肢体的定向运动，所述上部段的加速度，所述下部段的加速度，所述上部段的取向，所述下部段的取向，所述肢体中的力，所述肢体中的肌肉的电活动以及所述肢体中的肌肉的振动，用于向所述致动器的控制器提供反馈，以便执行以下至少一项：检测使用者的运动意图，控制所述肢体的运动轨迹以及触发所述外骨骼机器衣的致动。

所述外骨骼机器衣还包括张力传感器，所述张力传感器被配置以检测施加到所述第一线缆和所述第二线缆的力的大小，用于向所述致动器的控制器提供反馈。

所述外骨骼机器衣还可以包括力传感器，所述力传感器被配置以检测所述软框架与外部环境的接触的发生，用于向所述致动器的控制器提供反馈，以调整由所述外骨骼机器衣施加的力。

附图说明

为了使本发明可以被充分理解并且容易实际应用，现在将仅通过非限制性示例的方式来描述本发明的示例性实施例，该描述参照所附的示意性附图。

图1是本发明的外骨骼机器衣的示例性实施例的前视和后视示意图；

图2是图1的外骨骼机器衣的示例性致动器的透视横截面图；

图3是该外骨骼机器衣的示例性致动器的功能示意图；

图4是包括单向离合器和滚筒对的馈送器组件的示意图，所述滚筒对适配于送往线轴和从线轴送入的线缆；

图5是致动器的示例性馈送器系统的透视图；

图6示出佩戴在使用者手臂上的外骨骼机器衣的软框架的侧视、前视和后视示意图；

图7是外骨骼机器衣的优选实施例的示意性后视图；

图8是图7中的外骨骼机器衣的示意性前视图；

图9是线缆的末端效应器处的串联弹性元件的两个摄影图像；

图10是带有串联弹性元件的屈肌腱的示意图；

图11是扭转刚度[Nm/rad]在θ＝[2α-π]范围内的理论曲线图，对应于弯曲角度从26°降到0°；

图12是选自R.M.Murray的“机器人操作的数学介绍”中的关节的激动剂/拮抗剂致动的图示；

图13是用于伸肌线缆和屈肌线缆的同一线轴直径的线缆伸长量和差值与关节角度的关系的曲线图；

图14是线缆伸长量和差值与关节角度的关系曲线图，其中伸肌线缆的线轴直径由系数校正，该系数等于关节角度在0°到90°范围内的屈肌线缆伸长量的一阶拟合曲线的斜度。

图15是测试台上的致动器的模拟照片；

图16是正弦啁啾轨迹跟踪测试的曲线图；

图17是示例性再生电路，示出了前向运行期间的电流流动；

图18是图17的再生电路，示出了前向制动期间的电流流动。

详细描述

以下将参考附图1-18来描述外骨骼机器衣99的示例性实施例。所有这些图中，使用相同的附图标记来表示各个实施例中的相同或相似的部分。

如图1所示，外骨骼机器衣99包括致动装置或致动器100和软框架200。下面参考在使用者的身体的上肢(手臂)上实施的外骨骼机器衣99进行描述，该肢体包括经由关节10(肘部)枢转连接的上部段11(上臂)和下部段12(前臂)。外骨骼机器衣99还可以适用于在下肢或腿上实施，以促进下肢或经由关节10枢转连接的任何两个身体部分的运动。

致动

一般而言，如图2中的截面图所示并且在图3中示意性地示出的致动器100包括壳体80，在壳体80中设置有常规的致动器装置，例如机电直流电机20，其可以与例如齿轮减速、皮带减速等的减速装置30耦接。该电机20被配置成以第一方向和第二方向旋转，并且优选地由电池22供电。减速装置30被连接到线轴40上，一组至少两个第一和第二线缆51、52卷绕在线轴40上(被称为电机组件)。线轴40能够通过电机20以第一方向和第二方向旋转。相对于线轴40，至少一个第一线缆51围绕线轴40的第一部分顺时针卷绕，并且至少一个第二线缆52围绕线轴40的第二部分逆时针卷绕，使得无论线轴40以第一方向旋转还是以第二方向旋转，第一和第二线缆51、52分别以激动剂-拮抗剂的方式起作用，其方式类似于人手臂中的肌腱。致动器100还包括位于壳体80中用于第一和第二线缆51、52的馈送系统60，以防止第一和第二线缆51、52的松弛，并防止第一和第二线缆51、52从线轴40上开卷。提供了至少两个与软框架200连接的鲍登(Bowden)护套81、82，第一和第二线缆51、52被布置在该鲍登护套81、82的内部，并且至少两个弹性元件91、92例如金属弹簧，气弹簧，复合材料弹簧等被放置在关节90附近，分别与包括鲍登护套81、82以及第一和第二线缆51,52的鲍登传动机构串联。诸如机电离合器、制动器等的锁定系统25平行于电机轴线而设置在壳体80中(被称为离合器组件)，位于齿轮减速器30的前方。

电机组件的一个可能的实施例包括无刷直流电机20，该电机没有齿轮头减速，其与行星齿轮耦接作为减速装置30(减速比5:1)。线轴40相对于电机20被设置在减速齿轮30的后方。齿轮30的行星轮驱动其上卷绕肌腱第一和第二线缆51,52的线轴40。

在馈送器系统或组件60中，单向滚筒(例如单向离合器)61,62以及可以双向自由旋转的常规滚筒71、72被设置成滚筒对P1(包括单向滚筒61和常规滚筒71)或P2(包括单向滚筒62和常规滚筒72)，分别用于每根线缆51或52，如图4所示。在示例性实施例中，来自线轴40的每根线缆51、52从滚筒对P1、P2之间穿过，并且被引导到鲍登护套81、82中，以分别通过串联弹簧91、92连接到下部段12，如图3所示。从图中3和5可以看出，第一线缆51从线轴40的一侧被馈送到第一滚筒对P1之间，而第二线缆52从线轴40的直径方向上的相对侧被馈送到第二滚筒对P2之间。

单向滚筒61、62被定向成，使它们的自由旋转方向是沿它们的各自的第一和第二线缆51、52的从线轴40送入的方向(如图3至图5中的弯曲箭头所示)，同时，当它们各自的第一和第二线缆51、52被卷回或卷绕到线轴40上时，它们被锁定而不能旋转。这防止了馈送器在机构内部传送之后第一和第二线缆51、52中的任何松弛：因此，即使第一和第二线缆51、52松弛，第一和第二线缆51,52也总是适当地围绕线轴40缠绕。由于单向滚筒61、62以送入方向自由旋转，所以当线缆51或52被线轴40展开时，每对滚筒P1、P2的作用因此呈现出接近零的摩擦。同时，当线缆51或52被卷回到线轴40上时，由于单向滚筒61或62被锁定，并且线缆51或52分别相对于单向滚筒61或62滑动，所以，滚筒对P1、P2提供一定量的摩擦力。由于松弛的线缆51或52所施加的轴向力不足以分别克服与单向滚筒61或62产生的静摩擦力，因此这种摩擦力足以防止松弛的线缆51或52通过馈送器60，从而确保线缆51,52在卷回时整齐地卷绕到线轴40上。然而，这种摩擦力非常小，以致于当电机20驱动线轴40旋转并将线缆51或52缠绕到线轴40时，很容易被电机20的作用克服。如果需要或必要时，为了增加这种静摩擦力，可以在单向滚筒61、62的金属表面上增加一层合成涂层。

在图5中示出了包括滚筒对P1，P2的馈送器组件60的示例性实施例。可以看出，示例性馈送器组件60包括三个主销63、64、65：中央主销63，其沿着相同的第一旋转轴线L1保持两个单向滚筒61、62；以及两个侧主销64、65，在侧面，分别将每个常规滚筒71、72保持在第二旋转轴线L2和第三旋转轴线L3上，中央主销63被定位在两个侧主销64、65之间。第二和第三旋转轴线L2、L3因此与第一旋转轴线L1间隔开，并且优选地与第一旋转轴线L1处于相同的平面上。线轴40与电机轴21处于相同的旋转轴线Lx上。电机轴轴线Lx与中央主销63的第一旋转轴线L1间隔开，并且与第二旋转轴线L2和第三旋转轴线L3处于不同的平面上。

如图2所示，电机20的轴21穿过线轴40并与机电(EM)离合器70联接。离合器组件包括EM离合器70，保持EM离合器70的致动器100的框架或壳体80以及锚定到壳体80的主销72，EM离合器70通过该主销72与框架80接合。当离合器70起作用时，由电机轴21施加的扭矩经由离合器70传递到壳体80(而不是传递到线轴40)，以及传递到作用在第一和第二线缆51，52上的任何外力。

在正常操作期间，离合器70断开，因此电机20的扭矩在减速段30之后被传递到线轴40。线轴40拉动一根线缆51(激动腱)以卷绕在线轴40上，并从线轴40释放另一根线缆52(拮抗腱)。这种扭矩分别通过由鲍登护套81,82导引的第一和第二线缆51,52传递到肢体。

当关节位置需要静止时，取代利用直流电机20在第一和第二线缆51,52上施加保持扭矩，而可以利用机电离合器/制动器70。机电离合器/制动器70优选地放置在减速段30之前，使得所需的必要的扭矩被最小化。机电离合器70因其低功耗而优于电机。

软框架

为了将由致动器100产生的扭矩传递到肢体11、12，使用软框架200。软框架200由不同的织物(具有不同的强度/柔韧性的可拉伸的和不可拉伸的)制成，以最大化耐用性、柔韧性和人体工程学，同时保持承受负载并将动力传递到肢体11,12的能力。可以改变设计和织物类型来为不同的环境和工作条件定制设计。例如，干燥的贴身材料可以用在炎热和潮湿的气候中。在图6中示出了软框架200的一种可能的实施方式的示例，其中，结实的不可拉伸的织物210被显示为黑色条状，结实的可拉伸的织物220被显示为深灰色，柔软的可拉伸的织物230被显示为浅灰色，以及刚性肘部保护装置240被显示为黑色。在机器衣99中设置窗口250，以允许接触皮肤以放置EMG电极或其他传感器，如果有需要。

在肌腱的应用点(第一和第二线缆51、52的安装/固定点)所在的位置处(即，直接靠近关节)使用结实且不可拉伸的织物210。这意味着将肌腱51、52的作用分配到肢体11、12。由于不可拉伸且紧贴在身体部分绑定，这也防止了由肌腱51、52施加的力引起的任何不希望的和不可预测的变形。其用途还旨在使肌腱51、52相对于使用者的肢体11、12保持在适当位置，并因此避免可能导致系统故障的不期望的错位。

其它部分使用结实而可拉伸的织物220，并且用于以下目的：其承载肌腱护套81、82并且防止肢体11、12与不可拉伸的织物210之间的任何相对运动，从而将不可拉伸的织物210紧贴地保持在适当位置。其形状遵循肢体11、12的生物结构(骨骼，肌肉和韧带)，用于增加人体工程学性能并因此优化载荷分布。柔软的织物230用于将前述结构210、220连接起来成为连续的服装。这使得使用者能够像穿一件衣服一样方便地穿着机器衣99，而不必将外骨骼机器衣99的不同部分单独地组装或捆绑到身体上。一个或多个特殊窗口250使得可以接触到肌肉，以将电极放置在需要EEG控制的皮肤上。

特殊的肘部保护装置240可以用于避免由于伸肌腱52的作用而引起的张力峰值。它是放置在关节10上的刚性外壳，并设置有用于引导肌腱52的特殊凹槽。它通过适当的粘合和缝合与织物220结合。

最后，如图7和8中所示的背带260可以优选地用于将机器衣99连接到使用者的躯干，承载和分配使用者背部上的致动器100的重量。半刚性结构262可以嵌入在背带260的背侧中，以避免躯干上的张力峰值。

鲍登护套81、82被布置在机器衣99中：它们在致动器100附近(即在背部)和关节10附近从织物中露出。鲍登护套81、82沿着软框架200从致动器100的壳体80延伸，在肢体的上部段11终止。第一和第二线缆51、52分别穿过鲍登护套81、82，并终止于肢体的下部段12处的第一和第二末端效应器53、54。因此，第一和第二线缆51、52延伸超出上部段11上的鲍登护套81、82的终端，越过枢转关节10。在示例性实施例中，第一线缆51被设置在肘部10的前方，终止于下部段12的前部，以在线缆51被缠绕在线轴40上时引起弯曲，并且第二线缆52设置在肘部10的后方，终止于下部段12的后部，以在当线缆52被缠绕在线轴40上时引起拉伸。

末端效应器处的弹性

如图9所示(和在图3中示意性地示出)，与第一和第二线缆51、52串联放置的弹簧或弹性装置或弹性元件91、92分别在端部效应器53、54处产生顺应性。这样，第一和第二线缆51、52分别通过串联弹簧91、92作用于与软机器衣或框架200连接的第一和第二末端效应器元件53、54。第一和第二线缆51、52优选地通过将第一和第二线缆51、52的端部56、57分别穿过弹簧91、92并且将线缆端部56、57与弹簧91、92的远端96、97接合(例如，通过将线缆端部56、57扩大到大于弹簧91、92的内径)而与弹簧91、92连接。以这种方式，当线缆51、52被拉动时，其压缩弹簧91、92，然后负载分别经由弹簧91、92传递到末端效应器53、54，并因此传递到关节10。

这种弹簧91、92有利地进一步增加对机器衣99被连接到身体的位置处的由使用者肌肉和软组织产生的自然顺应性的顺应：然而，自然顺应性是难以预测的，因为它随不同的使用者而变化，并且也是肌肉张力的函数。将弹簧91、92串联，由电机20施加的运动不是刚性的：如果任何障碍物妨碍该轨迹，则弹簧91、92有利地吸收该变形，并且损害使用者或损坏系统的风险被降低。而且，如果发生任何冲击，其被弹性装置91、92吸收或部分吸收，并且减少对电机20的直接冲击，以避免损坏电机或过度使用电机。

为了将外骨骼机器衣99应用到绕着肘关节10的上部段11和下部段12，如图10中示意性示出(其中，示出了由具有串联弹簧91的肌腱51(激动剂)弯曲的关节10)，可以计算与所采用的弹簧91的线性刚度对应的所产生的扭矩刚度，如下所述。

考虑到胡克定律以及这样的事实，垂直于部段r的线缆张力的唯一分量Ft产生扭矩M：

M＝F_t*r (1)

并且考虑线缆51的长度l作为截取两个锚定点的圆周的弦(第一锚定点位于上部段11上的鲍登护套81的末端处，并且第二锚定点位于下部段的末端效应器53处)，并以关节10为中心：

可以将弹性扭矩表示为：

为了计算所产生的扭转刚度，假设一般公式(7)，可以将其表示为(8)：

使用具有弹性常数k＝4.9N/mm的弹簧91和以下参数，基于肘关节的人体测量数据，a＝50mm，b＝00mm，该系统的所产生的刚度如图11所示。

线缆卷绕

在所提出的致动器100中，线轴40沿着两个方向拉动第一和第二线缆51、52：以激动剂-拮抗剂的方式弯曲和拉伸关节10。当线缆51缠绕在线轴40上，并且线缆52从线轴40送出时，发生弯曲，而当线缆52缠绕在线轴40上，并且线缆51从线轴40送出时，发生拉伸。根据(1)所述的关节角度，线缆布线导致屈肌腱或线缆51的非线性的线缆伸长，而伸肌腱或线缆52的伸长与(2)所述的关节角度成线性关系。这种差异的可预测的线性分量可以通过专用于弯曲(对于线缆51)的线轴40的相对于专用于拉伸(对于线缆52)的线轴的不同直径来补偿。这种差异的非线性分量(以及由于诸如未对准，织物相对于身体的相对运动等多种原因而导致的不可预测的结果)由主动参与正确功能的串联弹簧和由软框架200的软织物所吸收。

下面的等式(8)和(9)描述了第一和第二线缆51,52的不同伸长量，如图12所示的，其选自R.M.Murray的机器人操作的数学介绍(A Mathematical Introduction to RoboticManipulation)。

h₂(θ)＝l₂+Rθ θ＞0, (9)

从图12中可以看出，在弯曲期间，屈肌腱(h1)51的缩短多于伸肌52的伸长。相反，在拉伸期间，需要从线轴40送出的伸肌线缆52多于缠绕到线轴40上的屈肌线缆51的数量。第一和第二线缆51、52在致动期间的这种长度变化的差异，导致连接到屈肌线缆51的串联弹簧91的张力(特别是在伸展期间)，然后所述张力被传递到关节接头10。这种内在的张力在过高时可能会导致不适感和疼痛，以及引起机械故障。

参照图12，使用以下参数(基于肘关节10的人体测量数据)：a＝50mm，b＝100mm，R＝50mm，在图13中示出了第一和第二线缆51、52的所产生的延伸，其中第一和第二线缆51、52的延伸的最大差值大于50mm。在串联弹簧91的刚度为5N/mm的情况下，这将在屈肌线缆51中产生不希望的250N的张力。

通过拟合屈肌线缆51的非线性缩短，并且在运动开始时不施加预张力(这意味着当关节完全伸展时，第一线缆51和第二线缆52是松弛的)，对于伸肌线缆52绕其卷绕的伸肌轮或线轴40的直径，可以获得约1.51的校正因子，使得内部张力最小化。图14示出了线轴直径由因子校正时第一和第二线缆51、52的伸长量以及它们的差值，该因子等于关节角度范围在0°到90°范围内的屈肌51伸长的一阶拟合曲线的斜度。所产生的非线性伸长的差值(最大值约为10mm)被柔软的织物和串联弹簧吸收，而不会产生任何疼痛或不适。在图14中可以看到初始的正差值，其中，弯曲期间，伸肌线缆52伸长多于屈肌线缆51，反而引起伸展线缆52的松弛，但是馈送器系统60的存在允许这种松弛，而不允许线缆52从线轴40上开卷。开卷应当被避免，因为如果发生这种情况，该机构就会发生故障。

通过以激动剂-拮抗剂的方式使用第一和第二两个线缆51、52，因此也可以在关节10没有以特定方式定向时施加运动(例如，肢体可以倒置，或者使用者仰卧，而关节仍然可以正常启动)。这个技术特征对于操纵是特别重要的。由于仅需要一个电机20来致动两个方向，因此也产生更有效率的致动。

轨迹跟踪测试

如图15所示，利用连接到测试台的致动器100执行正弦啁啾轨迹跟踪测试，其中通过旋转编码器400测量被模拟的关节角度。在该测试中，不考虑伸肌线缆52和屈肌线缆51的不同伸长量。

图16中所示的正弦啁啾轨迹跟踪测试的结果突出显示了本发明的外骨骼机器衣99在双向运动(即，重力反方向和重力方向)方面的良好的轨迹跟踪性能。这种运动是不可能通过单向致动(即单个致动方向)实现的。

再生制动

系统99可以与用于再生制动的模块集成。在这样的实施中，在主动制动期间损失的能量可以被存储，以延长电池寿命。在运动被施加到它们的轴21上时，外骨骼机器衣99中的每个致动器100的DC电机20可以被配置成通过感应产生电流。这种电流通常被耗散，但相反可以存储。由于系统是可反向驱动的，所以可以利用几种情况来收集能量。在行走期间，例如，自然的手臂运动可以被转换成电能来给电池充电。可替换地，在另一种情况下，当使用者想要降低负载(即，在重力拉动的方向上移动)时，取代对末端效应器53、54进行主动驱动，可以进行再生制动以将势能转换为电能。

图17和图18示出了再生制动电路25的一个例子，其中在电机20与电池22的连接中提供四对功率晶体管和功率二极管(T1和D1，T2和D2，T3和D3，T4和D4)。再生制动电路25具有桥接电路的形式，其中电机20桥接在与电池22并联设置的两对功率晶体管和功率二极管之间，如图17和18所示。在前向驱动作用期间，如图17所示，电流从电池组22流向电机20，通过由电机20桥接的两个功率晶体管T1和T4向前(即顺时针)驱动电机。在前向制动作用期间，如图18所示，由于电机20桥接的功率二极管D1和D4，电流从电机20向前(即顺时针方向)流动到电池22。

传感器(未示出)可以被并入机器衣99中，以检测身体的运动(定向运动或力检测)，并且提取生物信号(肌肉的电活动或者它们的振动)，从而利用所提出的系统，该致动器的对应启动能够来增强该运动。这种传感器可以用作反馈来增加控制体系结构的稳健性，并检测使用者的运动意图。在具体实施例中，为了精细地控制运动轨迹，惯性测量单元(IMU)检测这些部段在空间中的加速度和定向以提取身体运动学信息。第一和第二线缆51、52中的张力传感器检测由该系统施加的力的大小，以将其反馈到致动器100的控制器(未示出)。在另一个实施例中，可以使用肌电图传感器(EMG)来检测肌肉激活并将其转换为用于该系统的触发器。在其他实施例中，利用与肌肉激活相对应的高频振动，可使用肌动图传感器(MMG)提取运动意图。嵌入在织物200中的力传感器检测与外部环境的接触的发生，并且调整由系统99施加的力，以防止对使用者造成伤害和对系统99的损坏。

外骨骼机器衣99还包括其他剩余的硬件，例如电池、电机驱动器和控制器(其可以是微控制器)，优选地被放置在致动器100附近以使连接线最小化。当使用者需要运动辅助时，微控制器专用于控制被连接以向致动器100供电的电机驱动器。微控制器可以连接到传感器来检测使用者意图：这些传感器可以从肌肉活动、压力和应变中检测表示使用者的运动企图的肌电图信号。由传感器检测到的这些信号与微控制器通信，并且具有触发微控制器、以及因此经由电机驱动器来驱动致动器100的作用。

本发明的区别性特征

●外骨骼机器衣99通过对上肢关节10施加扭矩来辅助它们而不限制运动学性能。外骨骼机器衣99可适用于下肢关节。

●外骨骼机器衣99柔软、轻便，符合人体工程学和仿生。

●当肌肉力量不足以执行动作时，装置99可被启动以产生辅助力。

●由于致动器100可反向驱动，使用者在不需要额外的力时可以自由地移动目标关节10。

●为了减轻使用者的等距收缩负担，可以使用离合器70以低功耗锁定第一和第二线缆51、52。

●手臂或肢体的自然振动/运动可被用于对电池22充电。

技术优势

●一个几乎没有能力自主移动关节的损伤者可以通过外骨骼机器衣99得到帮助和获得力量。使用者激活外骨骼机器衣99，其将移动目标关节。

●执行疲劳操作的健康使用者(例如救援人员或劳工)可以从外骨骼机器衣99中受益：当特别的努力令人疲劳时，使用者激活外骨骼机器衣，其将承受部分或全部负荷。当不需要额外的力时，外骨骼机器衣99被停止，对使用者没有任何限制。

●外骨骼机器衣99可以穿在正常的衣服下。损伤者受益于在舒适性和美观性方面的此特征。健康使用者也在特定环境的适应性方面受益。例如，救援人员和劳动者可以穿正常的个人防护装备(PPE)，如防寒服，而不需要使它们适应于外骨骼机器衣99。

●当需要等距收缩(例如承载负载)时，使用者可以用双向机电离合器70锁定致动，从而使用者的肌肉因此没有负荷加载。离合器70以低功耗运行，从而延长了外骨骼机器衣99的电池寿命。

●当发生不希望的运动时，当需要制动力或者仅需要额外的电池充电时，外骨骼机器衣99能够反转能量流，使用来自关节的机械能来给电池20充电。这使得电池寿命延长。

尽管在前面的描述中已经描述了本发明的示例性实施例，但是本领域技术人员将会理解的是，可以对设计、构造和/或操作的细节进行许多变化和组合而不背离本发明。

Claims (12)

1.一种外骨骼机器衣，用于促进肢体运动，所述肢体包括经由关节枢转连接的上部段和下部段，所述外骨骼机器衣包括：

软框架，其被配置为由使用者穿戴在所述肢体上；

附连到所述软框架的致动器，所述致动器包括：

能够以第一方向和第二方向旋转的线轴，所述线轴连接至被配置以使所述线轴旋转的电机的轴；

第一线缆，所述第一线缆的一部分围绕所述线轴的第一部分缠绕，所述第一线缆沿着所述软框架从所述线轴延伸，所述第一线缆终止于所述下部段的前部，以使得所述第一线缆在所述线轴以第一方向旋转期间缠绕在所述线轴上时，引起所述肢体弯曲；

第二线缆，所述第二线缆的一部分围绕所述线轴的第二部分缠绕，所述第二线缆沿着所述软框架从所述线轴延伸，所述第二线缆终止于所述下部段的后部，以使得所述第二线缆在所述线轴以第二方向旋转期间缠绕在所述线轴上时，引起所述肢体伸展。

2.根据权利要求1所述的外骨骼机器衣，其中，所述线轴的所述第二部分具有比所述线轴的所述第一部分更大的直径。

3.根据权利要求1或2所述的外骨骼机器衣，其中，所述致动器还包括第一对滚筒和第二对滚筒，所述第一线缆从所述线轴延伸，穿过所述第一对滚筒之间，至所述下部段，并且第二线缆从所述线轴延伸，穿过所述第二对滚筒之间，至所述下部段，所述第一对滚筒和所述第二对滚筒每对都包括单向滚筒和能够以两个方向自由旋转的常规滚筒；其中每个单向滚筒仅能够以从所述线轴送入所述第一线缆或所述第二线缆的方向自由旋转，并且其中当所述第一线缆或所述第二线缆被缠绕到所述线轴上时，每个单向滚轮被锁定而不旋转。

4.根据前述任一权利要求所述的外骨骼机器衣，其中，所述第一线缆经由连接到所述下部段的第一末端效应器处的第一弹性元件连接到所述下部段的前部，并且其中，所述第二线缆经由连接到所述下部段的第二末端效应器处的第二弹性元件连接到所述下部段的后部。

5.根据权利要求4所述的外骨骼机器衣，其中，所述第一弹性元件和所述第二弹性元件每个都包括压缩弹簧。

6.根据前述任一权利要求所述的外骨骼机器衣，其中，所述第一线缆和所述第二线缆分别沿着所述软框架延伸穿过附接到所述软框架的第一鲍登护套和第二鲍登护套，所述第一鲍登护套终止于所述第一部段的前部，并且所述第二鲍登护套终止于所述第一部段的后部。

7.根据前述任一权利要求所述的外骨骼机器衣，其中，所述致动器还包括机电离合器，其被连接到所述电动机的所述轴上，所述机电离合器被配置成，当所述机电离合器被启动以将所述关节保持在固定角度时，在所述第一线缆和所述第二线缆上施加保持扭矩。

8.根据前述任一权利要求所述的外骨骼机器衣，其中，所述电机经由再生制动电路连接到电池，所述再生制动电路被配置成，在所述肢体的自然运动拉动所述第一线缆和所述第二线缆中至少一个以将所述第一线缆和所述第二线缆中的所述至少一个从所述线轴上展开时，在由所述线轴的旋转引起所述电机运动期间，所述再生制动电路对所述电池充电。

9.根据前述任一权利要求所述的外骨骼机器衣，其中，所述致动器的部件被容纳在壳体内，所述壳体被附接到所述软框架并被配置以被穿戴在所述使用者的背部。

10.根据前述任一权利要求所述的外骨骼机器衣，还包括传感器，所述传感器被配置以检测下列中的至少一个：所述肢体的定向运动，所述上部段的加速度，所述下部段的加速度，所述上部段的取向，所述下部段的取向，所述肢体中的力，所述肢体中的肌肉的电活动，以及所述肢体中的肌肉的振动，用于向所述致动器的控制器提供反馈，以执行以下至少一项：检测使用者的运动意图，控制所述肢体的运动轨迹以及触发所述外骨骼机器衣的致动。

11.根据前述任一权利要求所述的外骨骼机器衣，还包括张力传感器，所述张力传感器被配置以检测施加到所述第一线缆和所述第二线缆的力的大小，以向所述致动器的控制器提供反馈。

12.根据前述任一权利要求所述的外骨骼机器衣，还包括力传感器，所述力传感器被配置以检测所述软框架与外部环境的接触的发生，用于向所述致动器的控制器提供反馈，以调整由所述外骨骼机器衣施加的力。