CN110314065B - 外骨骼康复助力装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种外骨骼康复助力装置，包括：背部支架、两个单臂、腰部单元以及两个大腿部，背部支架包括背部横梁、长度可调节的背部支承板以及安装在背部支承板上的肩部气动肌肉，其中所述两个单臂分别通过肩关节组件连接到该背部支架的上端，背部支承板的上端固定连接到背部横梁，下端固定连接到腰部单元，并且两个大腿部分别通过髋关节组件连接到腰部单元；其中肩关节组件包括肩关节连接板、肩部牵引轮、肩部牵引线、第一铰接机构以及第二铰接机构，肩关节连接板的一端通过第一铰接机构连接到单臂以形成肩关节的屈‑伸转动副，肩关节连接板的另一端通过第二铰接机构连接到背部横梁以形成肩关节的外展‑内收转动副和旋内‑旋外转动副。

Description

外骨骼康复助力装置

技术领域

本发明总体涉及仿生机械技术领域，尤其涉及一种气动肌肉驱动的外骨骼康复助力装置。

背景技术

人类在社会生活中，会遇到老年人护理、灾后救援，日常体力劳动等各种问题，频繁的超负荷的体力劳动会造成体力不支和肌肉损伤。例如，现代老年人的数量在不断增加，对于老年人的护理需求也越来越大。现代社会非常需要开发一种助力外骨骼装置，在护工搬运老年人或者患者时，能够对他们进行肢体助力服务，这样在保证双方安全的情况下，能够极大地减轻护工的体力劳动强度，使护工们可以比较轻松、有效地进行工作。对于肌肉机能退化的老年人，外骨骼助力装置也能帮助他们在日常的生活中完成自助服务。而对于有手臂损伤的病人，也需要一种外骨骼装置能够帮助自身完成日常的康复训练功能，使其快速的恢复身体机能。

外骨骼康复助力装置是一种融合了传感、控制、信息获取、移动计算等技术，能够使其在穿戴者的控制下完成一定的功能和任务的典型的人机一体化系统。现有的大多数外骨骼是采用传统的电机、液压缸、气压缸等进行驱动，这种传统的驱动方式具有造价成本高、功率/质量比小、漏油、柔顺性差等缺点，使得外骨骼产品整体重量大，无法满足轻便性、灵活性的要求，而且价格昂贵，无法得到广泛应用。

气动肌肉是一种可以模仿生物肌肉收缩的新型驱动器，由于其柔性高、重量轻、使用方便、响应速度快、成本低廉等优点，被广泛地应用于各种仿生机械等驱动领域。

相较于传统的电机、液压缸、气压缸等刚性驱动器，气动肌肉具有高功率/质量比、良好的柔顺性和安全性、轻质、灵活等优点，并且取材方便、易于制作、成本较低。因此，以气动肌肉驱动外骨骼康复助力装置能在保证较大驱动力的前提下，实现其具有较好轻便性、柔顺性、安全性，还能大幅降低成本，易于广泛使用。

目前针对上肢的外骨骼康复装置相对较少，更多的是针对下肢的康复助力装置的研究相对较多，也有全身的外骨骼康复设备的研究，同时对手臂部做了助力康复的相关设计。例如美国的EKSO外骨骼装置就是针对下肢瘫痪患者的仿生外骨骼设计一种产品；日本的HAL外骨骼康复装置可以帮助下肢残疾的病人完成正常的行走，配备上上肢结构，可以为行动不便、肌肉无力的老年人完成自理日常生活；新西兰REX康复装置是一款下肢外骨骼康复装置，目的是帮助腿部残疾的病人完成日常行走功能。但是和本发明相近的只针对人体上肢的运动进行助力康复的发明相对很少，本发明的目的是对于肌肉机能退化的老年人，和有手臂损伤的病人，能够他们能够自身完成日常的生活助力和康复训练功能，使其快速的恢复身体机能。

发明内容

本发明的目的是提供一种外骨骼康复助力装置，其具有结构简单、安全性好以及柔顺性强等优点。

为此，本发明提供一种外骨骼康复助力装置，其包括：背部支架、两个单臂、腰部单元以及两个大腿部，该背部支架包括背部横梁、长度可调节的背部支承板以及安装在背部支承板上的肩部气动肌肉，其中所述两个单臂分别通过肩关节组件连接到该背部支架的上端，该背部支承板的上端固定连接到该背部横梁，下端固定连接到所述腰部单元，并且所述两个大腿部分别通过髋关节组件连接到该腰部单元；其中该肩关节组件包括弧形的肩关节连接板、肩部牵引轮、肩部牵引线、第一铰接机构以及第二铰接机构，该肩关节连接板的一端通过该第一铰接机构连接到所述单臂的上端以形成肩关节的屈-伸转动副，该肩关节连接板的另一端通过该第二铰接机构连接到所述背部横梁以形成肩关节的外展-内收转动副和旋内-旋外转动副，并且所述肩部牵引轮固定到所述单臂的上端；所述肩部牵引线一端连接到该肩部牵引轮，另一端连接到所述肩部气动肌肉。

在一个有利的方案中，所述腰部单元包括固定连接到所述背部支承板的下端的腰部横板和安装在所述大腿部上的腰部气动肌肉，所述髋关节组件包括固定连接到该腰部横板的腰部连接板、铰接轴、固定到该腰部连接板的第一导向轮、固定到大腿部上的第二导向轮以及腰部牵引线，其中所述铰接轴将该腰部连接板连接到该所述大腿部以形成髋关节的屈-伸转动副，所述腰部牵引线的一端延伸经过第二导向轮和第一导向轮并固定到所述腰部连接板，另一端连接到所述腰部气动肌肉。

在一个优选方案中，所述大腿部包括大腿板和大腿护架，其中在该大腿板上设有腰部气动肌肉支架用于安装该腰部气动肌肉，所述大腿护架上开设有护带连接槽，用于连接该大腿部护带。

在本发明中，每个所述单臂包括上臂、肘关节件、小臂、腕关节件以及手部，其中该上臂的上端通过该第一铰接机构连接到该肩关节连接板，下端通过肘关节件连接到该小臂形成肘关节的屈-伸转动副，而该小臂又通过该腕关节件连接到该手部形成腕关节的屈-伸转动副。

在一个优选方案中，所述背部横梁的两端分别开设有滑槽，该第二铰接机构包括铰接轴和铰接座，该铰接座构造成一端为圆柱形，另一端为具有适合接纳该肩关节连接板的凹槽部，该凹槽部的两侧壁上设有开孔，该肩关节连接板通过该铰接轴与所述开孔的配合连接到该铰接座，形成肩关节的外展-内收转动副；该铰接座的圆柱形端部可旋转地容纳在该滑槽中并通过定位螺栓进行定位成阻止该铰接座在所述滑槽内线性移动，以形成肩关节的旋内-旋外转动副。

在一个特定的方案中，每个所述上臂包括外上臂板、内上臂板以及将它们彼此固定连接的上臂护架，每个所述小臂包括外小臂板、内小臂板以及将它们彼此固定连接的小臂护架，所述手部包括内支板、外支板将它们彼此固定连接的手部护架；其中在所述外上臂板和所述内上臂板上均设有第一肘部气动肌肉支架，在所述外小臂板和所述内小臂板上均设有第二肘部气动肌肉支架和第一腕部气动肌肉支架，在所述内支板和外支板上均设有第二腕部气动肌肉支架，肘部气动肌肉安装在该第一肘部气动肌肉支架和该第二肘部气动肌肉支架上，用来带动该肘关节枢转运动，腕部气动肌肉安装在该第一腕部气动肌肉支架和该第二腕部气动肌肉支架上，用来带动该腕关节枢转运动。

在一个有利的方案中，在所述外上臂板和所述内上臂板上分别开设有上臂护带连接槽用来连接上臂护带；在所述外小臂板和所述内小臂板上分别开设有小臂护带连接槽用来连接小臂护带；在所述内支板和所述外支板上分别开设有手部护带连接槽用来连接手部护带，在所述内支板和所述外支板上还分别开设有适于悬挂重物的沟槽。

在一个方案中，所述外骨骼康复助力装置还设有肩部牵引线导管，用于引导所述肩部牵引线；并且，在所述腰部连接板上设有腰部牵引线支架，用来固定所述腰部牵引线。

有利的是，所述背部支承板包括两个背部支承板，每个所述背部支承板具有能相对滑动的第一区段和第二区段，使得能调节所述背部支承板的长度，从而能够调整腰部的位置；并且在所述第一区段和所述第二区段上均设有定位滑槽，所述第一区段和所述第二区段能通过所述定位滑槽与锁定螺钉配合来固定以防止它们相对滑动。

本发明还提供一种外骨骼康复助力系统，包括控制系统和上述外骨骼康复助力装置，所述控制系统包括气源发生器，控制器，气动减压阀，分别连接到肩部气动肌肉、腰部气动肌肉、肘部气动肌肉以及腕部气动肌肉的电磁阀组，以及设置在控制器和电磁阀组之间的驱动电路板，其中所述控制器用于控制该气动减压阀对来自该气源发生器的气体进行减压，所述电磁阀组的信号输入端连接至该驱动电路板，而该驱动电路板用来接收来自所述控制器的预先设置好的控制指令。

本发明还提供一种用于上述外骨骼康复助力装置的控制方法，包括：通过控制器控制气动减压阀对来自气源发生器的气体进行减压；基于来自控制器的控制指令控制分别连接到肩部气动肌肉、腰部气动肌肉、肘部气动肌肉以及腕部气动肌肉的电磁阀组，以对所述肩部气动肌肉、所述腰部气动肌肉、所述肘部气动肌肉以及所述腕部气动肌肉的充气和放气进行控制。

根据本发明的外骨骼康复助力装置，共具有12个自由度，两肩关节均具有屈-伸、外展-内收、旋内-旋外的3个自由度，肘关节和腕关节各具有1个屈-伸自由度；背部支架可上下滑动来调节腰部位置；腰部包括两个结构相同的髋关节，均具有一个旋转自由度，可实现外骨骼康复助力服跟随穿戴者进行弯腰与直立运动。本发明具有结构简单、功率密度比高、安全性好、柔顺性强等优点，能够大幅提升穿戴者托举重物时的身体机能力量，可广泛应用于康复医疗、家庭服务、灾难救援以及物资搬运等领域。

附图说明

下面参照附图描述本发明的示例性实施例。

图1为根据本发明的一个实施例的外骨骼康复助力装置的整体结构示意图；

图2为图1所示的外骨骼康复助力装置的上部结构示意图；

图3为图1所示的外骨骼康复助力装置的背部结构示意图；

图4为图1所示的外骨骼康复助力装置的腰部和大腿部结构示意图；

图5为图1所示的外骨骼康复助力装置的大腿部结构示意图；

图6为图1所示的外骨骼康复助力装置的外上臂的局部结构示意图；

图7a和图7b为图1所示的外骨骼康复助力装置的背部横梁的结构示意图；

图8为本发明中的肩关节组件中的铰接座的结构示意图；

图9为本发明中的肩关节组件中的肩部牵引轮的结构意图；

图10为气动肌肉的结构示意图；

图11为用于本发明的气动肌肉控制系统的原理图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的示例性实施例。下文描述的和附图示出的示例性实施例旨在教导本发明的原理，使本领域技术人员能够在若干不同环境中和对于若干不同应用实施和使用本发明。

在描述本发明之前先对气动肌肉的技术原理进行阐述，图10示出了本发明中所使用的气动肌肉的结构示意图。气动肌肉为一种新型驱动器，其主体为橡胶管D，在橡胶管的外侧套上一层PET材质的编织网C，橡胶管D的两端分别套在位于其两端处的封塞上，其中一端的封塞F未设置气孔，完全堵住橡胶管防止漏气，另一端的封塞E内部开有气孔，用于对气动肌肉内部进行充气和放气，然后用胶带把橡胶管D和编织网C在两端封塞E、F的内凹部分缠绕2-3圈，主要目的是在封塞的内凹处把橡胶管和编织网紧紧地粘贴在一起。在两端的封塞的内凹的边缘处缠绕一圈铜丝A，防止编织网C在高压下脱开，再把编织网C翻折，铜丝布置在编织网C在端部的弯折处，翻折后的编织网延伸到封塞尾部的位置，用卡箍B紧紧的卡住封塞E、F内凹处，一方面防止气动肌肉漏气，另一方面防止内部高压状态下，气动肌肉崩开，封塞E、F的设计很灵活化，根据连接方式的需要，可以设计不同的连接形式。

对橡胶管D的要求是具有一定的韧性和弹性，能够在充气和放气的状态下膨胀和收缩，而且具有很好的抗疲劳特性，对编织网C的要求是具有很高的非延展性，强度和韧性极好，但是没有拉伸变形，封塞E、F材质可以是致密性很高的硬性非金属材料，也可以是强度高，密度小的金属材料，卡箍B可以是平时采用的不锈钢卡箍件，也可以是自行设计的强度较高的铝合金件。

气动肌肉在对内部充气的过程中，会径向膨胀，轴向收缩，利用其轴向收缩产生的轴向驱动力，驱动外接负载。而且气动肌肉随着内部压力的增高，刚性不断变大，随着内部压力的降低，刚度不断减小。根据气动肌肉的特性，可以作为一种新型的直线驱动器使用，相对传统的液压缸、气压缸、电机等驱动器，重量非常轻，而且可以根据驱动行程的需要，结合气动肌肉自身的收缩率设计气动肌肉的长度，这样可以避免超行程造成的危险，而且造价非常便宜，最重要的是气动肌肉具有很好的柔顺性，安全性，可以广泛使用在康复医疗领域。

下面将结合本发明的一个实施例的外骨骼康复助力装置来重点描述本发明。

如图1所示，在一个实施例中，外骨骼康复助力装置包括两个结构相同的单臂1、背部支架2、腰部单元3、以及两个结构相同的大腿部4。每个单臂1通过肩关节组件连接到背部支架2，并且具有肘关节和腕关节，其中每个单臂具有5个自由度，每个肩关节组件具有屈-伸、外展-内收、旋内-旋外的3个自由度，肘关节和腕关节分别具有1个屈-伸自由度。并且每个大腿部4通过髋关节组件连接到腰部单元3，具有1个屈-伸自由度。因此，整个外骨骼康复助力装置具有12个自由度。

图2和图3分别示出了上述实施例中的外骨骼康复助力装置的上部结构和背部结构示意图。从图中可以看出，每个单臂1包括上臂11、肘关节件12、小臂13、腕关节件14以及手部15。背部支架2包括背部横梁21和两个背部支承板22，在背部横梁21上设有两个第一肩部气动肌肉支架211，在每个背部支承板22的一端固定连接到背部横梁21，另一端上设有一个第二肩部气动肌肉支架220。每个背部支承板22上安装一个肩部气动肌肉5，其一端固定连接到第一肩部气动肌肉支架211，另一端固定连接到第二肩部气动肌肉支架220，用于带动肩关节枢转运动。本领域技术人员应当理解，这里背部支承板和肩部气动肌肉的数目仅仅是示例性的。根据需要，也可以设置其它合适的数目。

有利的是，背部支承板22的长度是可调节的，用来调节腰部的位置。更具体地参见图3，每个背部支承板22具有能相对滑动的第一区段221和第二区段222，例如第一区段可滑动地容纳在第二区段内，并且在第一区段221和第二区段222上均设有定位滑槽，第一区段和第二区段能通过定位滑槽与锁定螺栓的配合来锁定以防止它们相对滑动。当需要调节腰部位置时，可解除锁定螺栓，从而使得第一区段和第二区段相对滑动到需要的位置来调节背部支承板的长度。

如图7a和图7b所示，在背部横梁21上还开设有背带连接槽212、背部支撑板定位孔213、连接滑槽214以及定位槽215。该背带连接槽212用于连接背部护带(未示出)，以与穿戴者的背部相连接。

另外，更具体地参见图6，以左臂为例，每个上臂11包括外上臂板111、内上臂板112以及将它们彼此固定连接的上臂护架113，并且在外上臂板111和内上臂板112上还分别开设有上臂护带连接槽114用来连接上臂护带(未示出)，以与穿戴者的人体大臂相连接。另外，在外上臂板111和内上臂板112上均设有第一肘部气动肌肉支架115。

并且，每个小臂13包括外小臂板131、内小臂板132以及将它们彼此固定连接的小臂护架133，并且在外小臂板131和内小臂板132上分别开设有小臂护带连接槽134用来连接小臂护带(未示出)，以与穿戴者的人体小臂相连接。另外，在外小臂板131和内小臂板132上均设有第二肘部气动肌肉支架135和第一腕部气动肌肉支架136。

此外，每个手部15包括外支板151、内支板152将它们彼此固定连接的手部护架153，并且在外支板151和内支板152上分别开设有手部护带连接槽154用来连接手部护带(未示出)，以与穿戴者的人体腕部相连接。另外，在内支板和外支板上均设有第二腕部气动肌肉支架155和适于悬挂重物的沟槽156。

在这里，肘部气动肌肉6的一端固定连接到第一肘部气动肌肉支架115，另一端固定连接到第二肘部气动肌肉支架135，用来带动肘关节枢转运动。腕部气动肌肉7的一端固定连接到第一腕部气动肌肉支架136，另一端固定连接到第二腕部气动肌肉支架155，用来带动腕关节枢转运动。

在该实施例中，肩关节组件包括弧形的肩部连接板8、肩部牵引轮9、肩部牵引线10、第一铰接机构以及第二铰接机构。在这里，第一铰接机构为铰接轴81，第二铰接结构包括铰接轴82以及可旋转地容纳在背部横梁12的连接滑槽214中的铰接座83(参见图8)，该铰接座构造成一端为圆柱形，另一端为具有适合接纳该肩关节连接板8的凹槽部84，该凹槽部的两侧壁上设有开孔85，该肩部连接板8的一端通过铰接轴82与开孔85的配合枢转地连接到该铰接座83，形成肩关节的外展-内收转动副，该肩部连接板8的另一端通过铰接轴81枢转地连接到上臂11的外上臂板111，以形成肩关节的屈-伸转动副。

另外，在背部横梁21中设置连接滑槽214是有利的，根据需要，可以通过在连接滑槽中左右移动铰接座83的位置来调整肩部的宽度。在需要固定铰接座的位置时，通过锁定螺栓与定位槽215的配合使得铰接座83可旋转而不可线性移动地定位在连接滑槽214中，从而固定肩部的宽度。并且，由于铰接座83能在连接滑槽214中旋转而不能沿该连接滑槽214线性移动，因此形成肩关节的旋内-旋外转动副。

如图9所示，肩部牵引轮9在中心处具有与其成一体的连接轴90，并且肩部牵引轮9的外周面上设有固定孔91。肩部牵引轮9通过连接轴90与外上臂板111的连接孔配合而固定到该外上臂板，其中，肩部牵引线10一端通过固定孔91连接到该肩部牵引轮9，另一端连接到肩部气动肌肉5。有利的是，还设有肩部牵引线导管101对肩部牵引线10进行导向，肩部牵引线10可以有一部分缠绕到肩部牵引轮上。在该实施例中，肩部牵引线导管101与自行车刹车线的套管类似，既具有一定的刚度，又具有一定的柔性，不但能够很好地完成导向，而且不妨碍肩关节的运动。在人体手臂自然下垂时，使得肩部气动肌肉5保持在无张力状态，当肩部气动肌肉5充气收缩时，肩部牵引线10带动肩部牵引轮9转动，从而带动上臂11枢转运动。

如图4和图5所示，腰部单元3包括固定连接到背部支承板22的下端的腰部横板31和腰部气动肌肉32。大腿部4包括大腿板41和大腿护架42，其中在大腿板41上设有用于安装腰部气动肌肉32的腰部气动肌肉支架43，并且在大腿护架42上开设有护带连接槽44，用于连接该大腿部护带(未示出)，以与穿戴者的人体大腿相连接。髋关节组件包括固定连接到腰部横板31的腰部连接板38、铰接轴34、固定到腰部连接板33的第一导向轮35、固定到大腿部4上的第二导向轮36以及腰部牵引线37，其中所述铰接轴34将该腰部连接板38枢转连接到大腿板41以形成髋关节的屈-伸转动副。在腰部连接板38上还设有腰部牵引线固定件39，腰部牵引线37的一端延伸经过第二导向轮36和第一导向轮35并固定到腰部连接板38的腰部牵引线固定件39，另一端连接到腰部气动肌肉32。

由于两个结构相同的髋关节均具有一个转动自由度，可实现外骨骼康复助力服跟随穿戴者进行弯腰与直立运动。当穿戴者腰部直立时，使得腰部气动肌肉32收缩到最短位置，对腰部牵引线37进行预紧安装，在穿戴者腰部弯曲时，对腰部气动肌肉32进行放气，使得髋关节与人体腰部一同转动，实现弯曲动作，在人体直立的过程中，对腰部气动肌肉32充气，带动髋关节转动，进而完成对人体腰部的助力功能。

如图1所示，本发明的外骨骼康复助力装置以仿生学的原理来设计，为左右对称的结构，为了方便起见，现在以右半部为例，来说明用于外骨骼康复助力装置的气动肌肉控制系统。如图11所示，该气动肌肉控制系统包括气源发生器1a，控制器1b，气动减压阀1c，分别连接到肩部气动肌肉5、腰部气动肌肉32、肘部气动肌肉6以及腕部气动肌肉7的电磁阀组1d，以及设置在控制器和电磁阀组之间的驱动电路板1e，其中所述控制器用于控制该气动减压阀对来自该气源发生器的气体进行减压，所述电磁阀组的信号输入端连接至该驱动电路板，而该驱动电路板用来接收来自所述控制器的预先设置好的控制指令。

气源发生器1a能产生足够的气源，例如存储在储气瓶内，气源发生器可以设置气源最高压力值，自动启停，补充气源。气源体从气源发生器出来，通过气动减压阀1c来控制进入气动肌肉的最高气压，一般情况下，气源发生器出来的气体压力值都要高于工作压力值，所以需要气动减压阀进行减压处理，经过减压的气体出来进入电磁阀组1d，电磁阀组出来的气体通过气体管道连接到相应气动肌肉上的充气接头上，在电磁阀组内部，每一个气动肌肉可以由两个两位两通的子电磁阀配合控制气动肌肉的充气、放气、保持三种状态，也可以是一个三位三通的子电磁阀单独控制气动肌肉的充气、放气、保持三种状态，右半支路分为腕部气动肌肉7，肘部气动肌肉6、肩部气动肌肉5、腰部气动肌肉32。对于腕部气动肌肉6来说，当控制器发出充气的指令后，电磁阀组对应腕部气动肌肉的支路的进气口就会开启，气体就会通过气体管道进入气动肌肉内部，当手腕到达指定弯曲角度值以后，控制器发出断电命令，此时电磁阀组与腕部气动肌肉对应的支路全部关闭，气动肌肉内部的气体被封闭在气动肌肉内部，保持原位置不变，当控制器发生放气指令时，电磁阀组与腕部气动肌肉7对应的放气口打开，腕部气动肌肉7内部的气体放出，气动肌肉恢复初始状态。肘部气动肌肉和肩部气动肌肉，以及腰部气动肌肉的工作原理相同，并且，左半部分原理与右半部分相同，在这里不再赘述。

当穿戴者穿上根据本发明的外骨骼康复助力装置时，人体肩部背上柔性背带，实现背部支架与穿戴者背部的柔性连接，上臂11、小臂13以及手部15通过相应的护带与穿戴者的手臂实现柔性连接，并且人体手臂放入外骨骼康复助力装置内，大腿部4通过腿部护架42和大腿部护带与穿戴者的两腿柔性连接在一起；当穿戴者托起重物时，给腕部气动肌肉7、肘部气动肌肉6、肩部气动肌肉5充气，各个气动肌肉充气收缩，其中腕部气动肌肉7带动腕关节转动，肘部气动肌肉6带动肘关节转动，肩部气动肌肉5通过肩部牵引线，绕过肩部牵引轮，带动上臂11转动，此时小臂护架紧贴在穿戴者小臂上，大臂护架紧贴在穿戴者大臂上，带动人体手臂向上运动，完成托举重物的过程，当穿戴者需要放下重物时，各个气动肌肉放气，由外骨骼康复助力装置助力的两臂在重物重力的作用下向下运动，完成放下重物的过程，工作过程通过调节充气和放气的速度来改变手臂运动速度；当穿戴者托起重物的过程中腰部弯曲时，腰部气动肌肉32放气，使得外骨骼康复助力服的髋关节随人体腰部的弯曲而转动，当穿戴者腰部直立时，腰部气动肌肉32充气，带动外骨骼康复助力装置的髋关节转动，进一步带动人体背部运动，实现对穿戴者腰部的助力功能；整个工作过程中，外骨骼康复助力装置的着力点集中在了穿戴者的两肩部和穿戴者的腿部，使得人体手臂肌肉和腰部肌肉承担的力量转化到了由人体的骨骼来承担。

本发明不仅可以对有肌肉损伤的人或者肌肉能力弱化的老年人完成助力服务，也可以帮助有手臂损伤或者腰部损伤的病人完成日常康复训练，使其快速恢复身体机能。

应当指出，上面的说明仅是示例性的，本领域技术人员可以根据上述说明对本发明实施例做出各种修改和变型，这些修改和变型均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种外骨骼康复助力装置，包括：

背部支架，该背部支架包括背部横梁、长度可调节的背部支承板以及安装在背部支承板上的肩部气动肌肉，所述背部支承板包括两个支承板，每个所述支承板具有能相对滑动的第一区段和第二区段，使得能调节所述支承板的长度，进而调节腰部位置；

两个单臂；

肩关节组件，所述两个单臂分别通过该肩关节组件连接到该背部支架的上端；

腰部单元，所述腰部单元包括固定连接到所述背部支承板的下端的腰部横板和安装在大腿部上的腰部气动肌肉，

两个大腿部以及髋关节组件，所述两个大腿部分别通过髋关节组件连接到所述腰部单元，所述髋关节组件包括固定连接到该腰部横板的腰部连接板、铰接轴、固定到该腰部连接板的第一导向轮、固定到大腿部上的第二导向轮以及腰部牵引线，其中所述铰接轴将该腰部连接板连接到该所述大腿部以形成髋关节的屈-伸转动副，所述腰部牵引线的一端延伸经过第二导向轮和第一导向轮并固定到所述腰部连接板，另一端连接到所述腰部气动肌肉；

其中该背部支承板的上端固定连接到该背部横梁，下端固定连接到所述腰部单元，并且所述两个大腿部分别通过髋关节组件连接到该腰部单元；其中该肩关节组件包括弧形的肩关节连接板、肩部牵引轮、肩部牵引线、第一铰接机构以及第二铰接机构，该肩关节连接板的一端通过该第一铰接机构连接到所述单臂的上端以形成肩关节的屈-伸转动副，该肩关节连接板的另一端通过该第二铰接机构连接到所述背部横梁以形成肩关节的外展-内收转动副和旋内-旋外转动副，并且所述肩部牵引轮固定到所述单臂的上端；所述肩部牵引线一端连接到该肩部牵引轮，另一端连接到所述肩部气动肌肉。

2.根据权利要求1所述的外骨骼康复助力装置，其中，所述大腿部包括大腿板和大腿护架，其中在该大腿板上设有腰部气动肌肉支架用于安装该腰部气动肌肉，所述大腿护架上开设有护带连接槽，用于连接该大腿部护带。

3.根据权利要求1或2所述的外骨骼康复助力装置，其中，每个所述单臂包括上臂、肘关节件、小臂、腕关节件以及手部，其中该上臂的上端通过该第一铰接机构连接到该肩关节连接板，下端通过肘关节件连接到该小臂形成肘关节的屈-伸转动副，而该小臂又通过该腕关节件连接到该手部形成腕关节的屈-伸转动副。

4.根据权利要求1或2所述的外骨骼康复助力装置，其中，所述背部横梁的两端分别开设有滑槽，该第二铰接机构包括铰接轴和铰接座，该铰接座构造成一端为圆柱形，另一端为具有适合接纳该肩关节连接板的凹槽部，该凹槽部的两侧壁上设有开孔，该肩关节连接板通过该铰接轴与所述开孔的配合连接到该铰接座，形成肩关节的外展-内收转动副；该铰接座的圆柱形端部可旋转地容纳在该滑槽中并通过定位螺栓进行定位成阻止该铰接座在所述滑槽内线性移动，以形成肩关节的旋内-旋外转动副。

5.根据权利要求3所述的外骨骼康复助力装置，其中，每个所述上臂包括外上臂板、内上臂板以及将它们彼此固定连接的上臂护架，每个所述小臂包括外小臂板、内小臂板以及将它们彼此固定连接的小臂护架，所述手部包括内支板、外支板将它们彼此固定连接的手部护架；其中在所述外上臂板和所述内上臂板上均设有第一肘部气动肌肉支架，在所述外小臂板和所述内小臂板上均设有第二肘部气动肌肉支架和第一腕部气动肌肉支架，在所述内支板和外支板上均设有第二腕部气动肌肉支架，肘部气动肌肉安装在该第一肘部气动肌肉支架和该第二肘部气动肌肉支架上，用来带动该肘关节枢转运动，腕部气动肌肉安装在该第一腕部气动肌肉支架和该第二腕部气动肌肉支架上，用来带动该腕关节枢转运动。

6.根据权利要求5所述的外骨骼康复助力装置，其中，在所述外上臂板和所述内上臂板上分别开设有上臂护带连接槽用来连接上臂护带；在所述外小臂板和所述内小臂板上分别开设有小臂护带连接槽用来连接小臂护带；在所述内支板和所述外支板上分别开设有手部护带连接槽用来连接手部护带，在所述内支板和所述外支板上还分别开设有适于悬挂重物的沟槽。

7.根据权利要求2所述的外骨骼康复助力装置，其中，还设有肩部牵引线导管，用于引导所述肩部牵引线；并且，在所述腰部连接板上设有腰部牵引线固定件，用来固定所述腰部牵引线。

8.根据权利要求1所述的外骨骼康复助力装置，其中，在所述第一区段和所述第二区段上均设有定位滑槽，所述第一区段和所述第二区段能通过所述定位滑槽与锁定螺钉配合来固定。

9.一种外骨骼康复助力系统，包括控制系统和根据权利要求1至8中任一项所述的外骨骼康复助力装置，所述控制系统包括气源发生器，控制器，气动减压阀，分别连接到肩部气动肌肉、腰部气动肌肉、肘部气动肌肉以及腕部气动肌肉的电磁阀组，以及设置在所述控制器和所述电磁阀组之间的驱动电路板，其中所述控制器用于控制该气动减压阀对来自该气源发生器的气体进行减压，所述电磁阀组的信号输入端连接至该驱动电路板，而该驱动电路板用来接收来自所述控制器的预先设置好的控制指令。

10.一种用于根据权利要求1至8中任一项所述的外骨骼康复助力装置的控制方法，包括：

通过控制器控制气动减压阀对来自气源发生器的气体进行减压；

基于来自控制器的控制指令控制分别连接到肩部气动肌肉、腰部气动肌肉、肘部气动肌肉以及腕部气动肌肉的电磁阀组，以对所述肩部气动肌肉、所述腰部气动肌肉、所述肘部气动肌肉以及所述腕部气动肌肉的充气和放气进行控制。