基于运动自适应的气动折纸式肘肩穿戴辅助系统及方法与流程

1.本发明涉及柔性可穿戴机器人的技术领域，具体地，涉及基于运动自适应的气动折纸式肘肩穿戴辅助系统及方法。


背景技术：

2.过度劳累和重复任务导致的上肢损伤是与工作相关的主要健康问题之一，在工业生产线上，常见的繁重架空工作更容易造成上肢损伤，而损伤恢复需要较长的时间，在这期间会大大降低工人的工作能力和效率。工业环境中需要的重复和长时间的架空姿势是肩、肘部受伤、乏力和不适的主要原因。现有的伤害预防工作，例如限制任务工作周期或进行更多的轮换，实施起来可能会很昂贵，增加工厂的生产成本，并且需要大量劳动力，难以实施。
3.辅助技术有望增强人类的能力，从而为长时间的架空姿势提供帮助。对于身体健全的人来说，辅助技术可以通过提供与人体并行工作的帮助来减少肌肉的用力和减轻肌肉乏力的问题。上肢可穿戴机器人被认为是一种有效的伤害预防方法，其可以通过提供帮助来支持用户日常工作负载任务，减轻关节的负荷，从而减少整体人体负荷来减少伤害。
4.可穿戴机器人一般可分为刚性和柔性。刚性可穿戴机器人已成功支持辅助下肢行走或提供上身帮助，但刚性可穿戴机器人本身的重量造成了低的力重比和有限的便携性，不能满足工业生产线对工人灵活性的需求。柔性可穿戴机器人虽不能像刚性可穿戴机器那样可以为手上肢提供完全的作用力矩，但其可以一定程度上减少工人工作时肩和肘的用力，从而减轻关节的负荷，并且柔软的材料舒适轻便，不会限制移动，工人的灵活性不会受到太大影响。因此，亟需一种能够穿戴于工人上身、辅助工人工作进而减轻关节负荷以防止肌肉骨骼损伤的柔性可穿戴机器人。因此，需要提出一种新的技术方案以改善上述技术问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于运动自适应的气动折纸式肘肩穿戴辅助系统及方法。
6.根据本发明提供的一种基于运动自适应的气动折纸式肘肩穿戴辅助系统，包括：运动感知模块、肢体驱动辅助模块、人机控制模块及柔性纺织结构件；
7.所述运动感知模块包括五个无线imu传感器；
8.所述肢体驱动辅助模块包括气动装置、肩部辅助柔性折纸致动器和手肘辅助柔性折纸致动器；
9.所述人机控制模块包括主控制器和电源；
10.所述柔性结构纺织件包括肩背部分结构件和手肘部分结构件；
11.所述运动感知模块、肢体驱动辅助模块和人机控制模块固定在所述柔性纺织结构件上，所述柔性纺织结构件穿戴在人体身上。
12.优选地，五个所述无线imu传感器分别安装在左手大臂处、左手小臂处、右手大臂
处、右手小臂处及人体后背，五个所述无线imu传感器与所述电源通过导线电气连接，所述无线imu传感器分别测量左手大臂处、左手小臂处、右手大臂处、右手小臂处及人体后背的运动学参数，五个所述无线imu传感器将所测参数传输至所述主控制器。
13.优选地，所述肢体驱动辅助模块辅助肩肘的运动；
14.所述气动装置安装在所述肩背部分结构件后面的集成盒内，所述气动装置分别与所述主控制器和电源通过导线相连；
15.所述肩部辅助柔性折纸致动器采用kresling折纸构型的反向偶极子驱动单元，所述肩部辅助柔性折纸致动器安装在人体两侧腋下，所述肩部辅助柔性折纸致动器的一端固定在所述肩背部分结构件上，另一端支撑大臂，辅助肩部运动，通过导气管与所述气动装置相连，进行充气和放气；
16.所述手肘辅助柔性折纸致动器采用kresling折纸构型的反向偶极子驱动单元，所述手肘辅助柔性折纸致动器安装在双手的肘部，所述手肘辅助柔性折纸致动器两端固定在所述手肘部分结构件上，通过导气管所述气动装置相连，进行充气和放气。
17.优选地，所述主控制器安装在所述肩背部分结构件后面的集成盒内，所述主控制器通过导线与所述电源和所述气动装置相连；
18.所述电源安装在所述肩背部分结构件后面的集成盒内，所述电源通过导线与所述主控制器、无线imu传感器和气动装置相连，提供电力，驱动工作。
19.优选地，所述柔性纺织结构件由肩背部分结构件和手肘部分结构件构成，所述肩背部分结构件和手肘部分结构件由柔性纺织材料制成；所述肩背部分结构件穿戴于人体上半身，通过胸前的卡扣固定，后背安装集成盒，安装并保护所述主控制器、电源和气动装置；所述手肘部分结构件穿戴在人体的手肘上，通过魔术贴进行固定，所述驱动单元直接安装在所述手肘部分结构件的背面。
20.优选地，其特征在于，所述导线和导气管均分布在柔性纺织结构件的内部。
21.优选地，所述肩背部分结构件和手肘部分结构件通过长条型的柔性纺织物相连，组成一个整体，共同构成柔性纺织结构件。
22.优选地，所述主控制器通过五个安装在不同位置的无线imu传感器测量上体上肢运动学参数，并根据不同的身体部位确定对应的基准imu传感器和运动imu传感器，主控制器对比其数据，推测人体的运动意图，并控制气动装置向辅助柔性折纸致动器充放气，进行自动跟随并辅助人体上肢运动。
23.本发明还提供一种基于运动自适应的气动折纸式肘肩穿戴辅助方法，所述方法应用上述中的基于运动自适应的气动折纸式肘肩穿戴辅助系统，所述方法包括如下步骤：
24.步骤s1：背部imu实时测量人体上身的三轴数据和运动加速度，根据人体构造，将背部imu作为基准数据；
25.步骤s2：当左大臂开始运动时，左大臂imu所测数据会实时变化，将其所测运动学数据与背部imu数据进行比对，得出三轴角度差值、角速度差值和对应变化数据的变化速率，推断左大臂的运动方式；
26.步骤s3：主控制器根据上述分析结果，控制气动装置对左肩部辅助柔性折纸致动器进行充放气工作，驱动单元进行收缩和膨胀，左肩部辅助柔性折纸致动器跟踪左大臂的运动；
27.步骤s4：当左大臂运动到适合位置停止运动后，左大臂imu所测数据保持在一个允许范围内变动，主控制器控制气动装置停止充放气，左肩部辅助柔性折纸致动器保持当时状态不变，支撑左大臂。
28.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
29.1、本发明提出基于运动意图检测的驱动自适应，能够在工人工作时快速、准确地识别工人的运动意图，进而快速地控制肢体驱动辅助模块进行调整，以适应工人上肢的动作变化，能够辅助工人工作，减少工人肩、肘部位的负荷；
30.2、本发明采用柔性纺织材料制成，能够舒适地穿戴在人体身上，较轻的质量使得工人在工作过程中不会感受到穿戴辅助装置所带来的劳累，同时柔软的材料不会限制工人正常的运动，具有轻便性、灵活性等多重优点；
31.3、本发明采用kresling折纸构型的反向偶极子驱动单元作为柔性折纸致动器的主要核心，该单元在充气后能够按照规定形状进行膨胀和伸展，膨胀程度根据充气量而定，放气后会进行收缩，膨胀会增加致动器的刚性，而收缩会减少致动器的刚性、增加柔性；因此，通过快速自适应运动意图检测后，控制气动装置进行充放气，能够调节致动器的刚度，进而对人体肩部进行支撑，为肘部提供力矩，能够有效地减少工作负荷；
32.4、本发明在结构上进行了整合，主控制器、充气模块、电源等都通过安装在集成盒内，而集成盒固定在后背，能够随工人的移动而移动，具有便携性；同时，无线imu传感器、导线、充气管都设置在柔性纺织结构件的内部，在防止元器件损伤的同时，也不会妨碍工人运动；
33.5、本发明具有状态转换的功能，肩部辅助状态和手肘辅助状态相互独立互不影响，并且可以共存，可以适应不同工作场合的需求，状态间的转换也有利于较少电能的消耗。
附图说明
34.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
35.图1为本发明基于运动自适应的气动折纸式肘肩穿戴辅助系统的整体示意图；
36.图2为本发明基于运动自适应的气动折纸式肘肩穿戴辅助系统的系统结构框图；
37.图3为本发明肩部辅助柔性折纸致动器示意图；
38.图4为本发明肘部辅助柔性折纸致动器示意图；
39.图5为本发明背部集成盒内部结构图。
40.其中：
41.无线imu传感器1
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肩背部分结构件8
42.气动装置2
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手肘部分结构件9
43.柔性折纸致动器3
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集成盒10
44.肩部辅助柔性折纸致动器4
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卡扣11
45.手肘辅助柔性折纸致动器5
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魔术贴12
46.主控制器6
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支撑角13
47.电源7
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弯曲角14
具体实施方式
48.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
49.实施例1：
50.根据本发明提供的一种基于运动自适应的气动折纸式肘肩穿戴辅助系统，包括：运动感知模块、肢体驱动辅助模块、人机控制模块及柔性纺织结构件；运动感知模块包括五个无线imu传感器1；肢体驱动辅助模块包括气动装置2、肩部辅助柔性折纸致动器4和手肘辅助柔性折纸致动器5；人机控制模块包括主控制器6和电源7；柔性结构纺织件包括肩背部分结构件8和手肘部分结构件9；运动感知模块、肢体驱动辅助模块和人机控制模块固定在柔性纺织结构件上，柔性纺织结构件穿戴在人体身上。
51.五个无线imu传感器1分别安装在左手大臂处、左手小臂处、右手大臂处、右手小臂处及人体后背，五个无线imu传感器1与电源7通过导线电气连接，无线imu传感器1分别测量左手大臂处、左手小臂处、右手大臂处、右手小臂处及人体后背的运动学参数，五个无线imu传感器1将所测参数传输至主控制器6。
52.肢体驱动辅助模块辅助肩肘的运动；气动装置2安装在肩背部分结构件8后面的集成盒10内，气动装置2分别与主控制器6和电源7通过导线相连；肩部辅助柔性折纸致动器4采用kresling折纸构型的反向偶极子驱动单元，肩部辅助柔性折纸致动器4安装在人体两侧腋下，肩部辅助柔性折纸致动器4的一端固定在肩背部分结构件8上，另一端支撑大臂，辅助肩部运动，通过导气管与气动装置2相连，进行充气和放气；手肘辅助柔性折纸致动器5采用kresl ing折纸构型的反向偶极子驱动单元，手肘辅助柔性折纸致动器5安装在双手的肘部，手肘辅助柔性折纸致动器5两端固定在手肘部分结构件9上，通过导气管气动装置2相连，进行充气和放气。
53.主控制器6安装在肩背部分结构件8后面的集成盒10内，主控制器6通过导线与电源6和气动装置2相连；电源7安装在肩背部分结构件8后面的集成盒10内，电源7通过导线与主控制器6、无线imu传感器1和气动装置2相连，提供电力，驱动工作。
54.柔性纺织结构件由肩背部分结构件8和手肘部分结构件9构成，肩背部分结构件8和手肘部分结构件9由柔性纺织材料制成；肩背部分结构件8穿戴于人体上半身，通过胸前的卡扣11固定，后背安装集成盒10，安装并保护主控制器6、电源7和气动装置2；手肘部分结构件9穿戴在人体的手肘上，通过魔术贴12进行固定，驱动单元13直接安装在手肘部分结构件9的背面。
55.导线和导气管均分布在柔性纺织结构件的内部。肩背部分结构件8和手肘部分结构件9通过长条型的柔性纺织物相连，组成一个整体，共同构成柔性纺织结构件。
56.主控制器6通过五个安装在不同位置的无线imu传感器1测量上体上肢运动学参数，并根据不同的身体部位确定对应的基准imu传感器和运动imu传感器，主控制器9对比其数据，推测人体的运动意图，并控制气动装置2向辅助柔性折纸致动器充放气，进行自动跟随并辅助人体上肢运动。
57.本发明还提供一种基于运动自适应的气动折纸式肘肩穿戴辅助方法，所述方法应
用上述中的基于运动自适应的气动折纸式肘肩穿戴辅助系统，所述方法包括如下步骤：
58.步骤s1：背部imu实时测量人体上身的三轴数据和运动加速度，根据人体构造，将背部imu作为基准数据；
59.步骤s2：当左大臂开始运动时，左大臂imu所测数据会实时变化，将其所测运动学数据与背部imu数据进行比对，得出三轴角度差值、角速度差值和对应变化数据的变化速率，推断左大臂的运动方式；
60.步骤s3：主控制器根据上述分析结果，控制气动装置对左肩部辅助柔性折纸致动器进行充放气工作，驱动单元进行收缩和膨胀，左肩部辅助柔性折纸致动器跟踪左大臂的运动；
61.步骤s4：当左大臂运动到适合位置停止运动后，左大臂imu所测数据保持在一个允许范围内变动，主控制器控制气动装置停止充放气，左肩部辅助柔性折纸致动器保持当时状态不变，支撑左大臂。
62.实施例2：
63.一种基于运动自适应的气动折纸式肘肩穿戴辅助系统，包括：运动感知模块、肢体驱动辅助模块、人机控制模块及柔性纺织结构件；运动感知模块包括五个无线imu传感器1；肢体驱动辅助模块包括气动装置2、肩部辅助柔性折纸致动器4和手肘辅助柔性折纸致动器5；人机控制模块包括主控制器6和电源7；
64.柔性结构纺织件包括肩背部分结构件8和手肘部分结构件9；运动感知模块、肢体驱动辅助模块和人机控制模块固定在柔性纺织结构件上，柔性纺织结构件穿戴在人体身上。
65.无线imu传感器1需要安装五个，分别安装在左、右手的大臂和小臂处及人体后背，并与电源7通过导线电气连接，无线imu传感器1分别测量所处安装位置的运动学参数，并将所测参数传输至主控制器6。
66.肢体驱动辅助模块用以辅助肩肘的运动；气动装置2安装在肩背部分结构件8后面的集成盒10内，并分别与主控制器6和电源7通过导线相连；肩部辅助柔性折纸致动器4采用kresling折纸构型的反向偶极子驱动单元，安装在人体两侧腋下，一端固定在肩背部分结构件8上，另一端支撑大臂，用以辅助肩部运动，通过导气管与气动装置2相连，可被其充放气；手肘辅助柔性折纸致动器5采用kresling折纸构型的反向偶极子驱动单元，安装在双手的肘部，具体位置为肘后，两端固定在手肘部分结构件9上，通过导气管气动装置2相连，可被其充放气。
67.主控制器6安装在肩背部分结构件8后面的集成盒10内，通过导线与电源6和气动装置2相连；电源7安装在肩背部分结构件8后面的集成盒10内，通过导线与主控制器6、无线imu传感器1和气动装置2相连，为其提供电力，驱动其工作。
68.柔性纺织结构件由肩背部分结构件8和手肘部分结构件9构成，均由柔性纺织材料制成；肩背部分结构件8穿戴于人体上半身，通过胸前的卡扣11固定，后背安装集成盒10，用于安装并保护主控制器6、电源7和气动装置2；手肘部分结构件9穿戴在人体的手肘上，通过魔术贴12进行固定，驱动单元13直接安装在其背面。
69.用于连接的导线和导气管均分布在柔性纺织结构件的内部。肩背部分结构件8和手肘部分结构件9通过长条型的柔性纺织物相连，组成一个整体，共同构成柔性纺织结构
件。
70.主控制器6具有基于运动意图检测的驱动自适应功能，通过五个安装在不同位置的无线imu传感器1测量上体上肢运动学参数，并根据不同的身体部位确定对应的基准imu传感器和运动imu传感器，主控制器9对比其数据，推测人体的运动意图，并控制气动装置2向辅助柔性折纸致动器充放气，实现自动跟随并辅助人体上肢运动的功能。
71.根据本发明提供的一种基于运动自适应的气动折纸式肘肩穿戴辅助系统，包括：
72.运动感知模块，通过无线imu传感器测量人体上肢的运动学参数，并将数据传输至主控制器，以进行人体意图的识别；肢体驱动辅助模块，使用kresling折纸构型的柔性折纸致动器，通过气动装置进行充放气，改变柔性折纸致动器的形状，达到支撑肩部、辅助肘部的效果；人机控制模块，主控制器接收无线imu传感器所测量的运动学参数并进行分析，快速准确地识别出人体运动意图，控制气动装置对柔性折纸致动器进行充气；柔性纺织结构件，用于固定其他模块并穿戴在人体身上，提供辅助作用。
73.运动感知模块共使用五个无线imu传感器，无线imu传感器分别安装在人体的后背、左右手的大臂和小臂处；无线imu传感器固定在柔性纺织结构件上，通过导线与主控制器和电源电气连接。
74.肢体驱动辅助模块包括肩部辅助柔性折纸致动器、手肘辅助柔性折纸致动器和气动装置；肩部辅助柔性折纸致动器和手肘辅助柔性折纸致动器均采用可充气的柔性折纸致动器，柔性折纸致动器采用kresling折纸构型的反向偶极子驱动单元；肩部辅助柔性折纸致动器安装在人体两侧的腋下；手肘辅助柔性折纸致动器穿戴于人体的双肘，具体位置为肘后；气动装置安装于集成盒内，通过导线与主控制器和电源电性连接，通过导气管与柔性折纸致动器连接。
75.人机控制模块包括主控制器和电源；主控制器采用stm32系列微处理器；电源用于提供主控制器、充气模块、无线imu传感器工作所需要的电力，并通过导线与其电气连接；主控制器和电源安装在集成盒内。
76.柔性纺织结构件由柔性纺织面料制成，包括肩背部分结构件和手肘部分结构件及两者之间的连接部分；肩背部分结构件穿过肩部穿戴在人体上半身，并通过胸前的卡扣进行固定；手肘部分结构件穿戴在人体两边的肘部，具体为肘后位置，其两端均可通过魔术贴进行固定，并且能任意调整；手肘部分结构件通过柔性纺织材料与肩背部分结构件连接，整体上构成完整的柔性结构件，该连接部分内部有电源连接无线imu传感器的导线和气动装置用于给肘部辅助模块充放气的导气管。
77.本发明实施例提供了一种基于运动自适应的气动折纸式肘肩穿戴辅助系统，参照图1和图2所示，系统包括：运动感知模块、肢体驱动辅助模块、人机控制模块及柔性纺织结构件。
78.其中，运动感知模块由五个无线imu传感器1构成，分别为背部imu、左大臂imu、右大臂imu、左小臂imu和右小臂imu。每个无线imu传感器1都镶嵌在柔性纺织结构件中，防止工作过程中脱落，同时也能减少无线imu传感器1的损伤。每个无线imu传感器1与电源7通过导线电气连接，连接的导线布置于柔性纺织结构件的内部，这样能够避免导线的损伤和对工人动作的约束。
79.无线imu传感器1用于测量人体各部位运动学参数，包括三轴姿态角及运动的加速
度。其中，背部imu作为肩部支撑状态中的参考imu，左大臂imu和右大臂imu所测运动学参数均以背部imu所测运动学参数为基准，通过对比所测运动学参数，得出参数的变化规律及变化速度，可推断工人的肩部的运动意图。左大臂imu和右大臂imu作为肘部辅助状态中的参考imu，左小臂imu所测运动学参数以左大臂imu所测运动学参数为基准，右小臂imu所测运动学参数以右大臂imu所测运动学参数为基准，通过分别对比两侧所测的运动学参数，得出参数的变化规律及变化速度，可推断工人的左右肘的运动意图。
80.肢体驱动辅助模块由气动装置2、肩部辅助柔性折纸致动器4和手肘辅助柔性折纸致动器5构成。气动装置2通过充气管能够对肩部辅助柔性折纸致动器4和手肘辅助柔性折纸致动5器进行充放气，改变柔性折纸致动器3的形状。根据柔性折纸致动器3的数量，气动装置2的数量应为四，每个气动装置2对应一个柔性折纸致动器3。气动装置2与主控制器6相连，受主控制器3的控制，同时与电源7通过导线电气连接，由电源7为气动装置2提供工作所需电能。气动装置2安装在背部集成盒10内，与各柔性折纸致动器相连的导气管布置于柔性纺织结构件的内部。
81.参照图3所视，肩部辅助柔性折纸致动器4对肩部运动进行辅助，采用kresling折纸构型的反向偶极子驱动单元。驱动单元由一层柔性材料包裹，形成长条状。肩部辅助柔性折纸致动器中间部位可弯曲，上端紧贴大臂内侧，上端与柔性纺织结构件固定。当肩部辅助柔性折纸致动器处于收缩状态时，由于驱动单元此时未被充气而表现为柔性，肩部辅助柔性折纸致动器4不会提供任何力矩，上端松弛下落，支撑角13很小。当肩部辅助柔性折纸致动器4处于膨胀状态时，由于驱动单元此时被气动装置2充气而逐渐表现为刚性，刚性程度与驱动单元膨胀程度有关，膨胀程度越大，刚性程度越大，支撑角13越大。
82.参照图4所示，肘部辅助柔性折纸致动器5对肘部运动进行辅助，采用kresling折纸构型的反向偶极子驱动单元。与肩部辅助柔性折纸致动器4不同的是，肘部辅助柔性折纸致动器使用的驱动单元更大且不进行包装，但中部部位仍可弯曲。肘部辅助柔性折纸致动器5上、下端均通过固定装置固定于柔性纺织结构件上，整体与人体手肘保持平行。当肘部辅助柔性折纸致动器5处于收缩状态时，由于驱动单元此时未被充气而表现为柔性，肘部辅助柔性折纸致动器恢复初始状态，弯曲角14为0
°
。当肘部辅助柔性折纸致动器5处于膨胀状态时，由于驱动单元此时被气动装置2充气而逐渐表现为刚性，刚性程度与驱动单元膨胀程度有关，膨胀程度越大，刚性程度越大，弯曲角14越大。
83.人机控制模块由主控制器6和电源7构成。主控制器采用stm32系列微处理器，使用c语言进行编程，其主要作用是接收无线imu传感器1所测的运动学数据，并根据数据分析，进行人体运动意图识别，控制气动装置2向对应柔性折纸致动器充放气，进而实现辅助功能。电源7为主控制器6、气动装置6和柔性折纸致动器3的工作提供电能。主控制器6和电源7均安装在背部的集成盒10中。
84.柔性结构纺织件包括肩背部分结构件8和手肘部分结构件9。肩背部分结构件8通过背带背在上身，通过卡扣11进行固定，其背后固定有集成盒10，用于容纳和保护主控制器6、电源7和气动装置2。手肘部分结构件穿戴与手肘上，通过魔术贴12调节大小和固定。
85.本发明的工作原理如下：
86.本发明工作期间拥有两个状态：肩部辅助状态和手肘辅助状态。两个状态相互独立，可单独处于某一种状态，也可同时存在。所处状态根据无线imu传感器所测数据，结合主
控制器的数据分析而定。每个状态中又有左右之分，左右两边的柔性折纸致动器工作独立，互不干扰，但相同状态中的柔性折纸致动器的工作原理相同。
87.以左肩部辅助状态为例，背部imu会实时测量人体上身的三轴数据和运动加速度，根据人体构造，此时可将背部imu作为基准数据。当左大臂开始运动时，左大臂imu所测数据会实时变化，将其所测运动学数据与背部imu数据进行比对，得出三轴角度差值、角速度差值和对应变化数据的变化速率，即可推断左大臂是以什么方式进行运动。主控制器会根据上述分析结果，控制气动装置对左肩部辅助柔性折纸致动器进行充放气工作，使驱动单元进行收缩和膨胀，进而使左肩部辅助柔性折纸致动器能够跟踪左大臂的运动。当左大臂运动到适合位置停止运动后，左大臂imu所测数据会保持在一个允许范围内变动，而在这个范围内时，主控制器会控制气动装置停止充放气，使左肩部辅助柔性折纸致动器保持当时状态不变，达到支撑左大臂的效果。右肩部辅助状态与左肩辅助状态工作原理一致，但状态之间相互独立，可以共存。
88.以左手肘辅助状态为例，由于手肘的转动轴是肘关节，因此不能将背部imu作为基准，故本发明选取左大臂imu所测数据作为基准。主控制器将左大臂imu所测数据作为分析左肩部辅助状态运动数据的同时，也将其作为左肘部辅助状态的基准数据。左小臂imu会实时测量左小臂的运动学数据并将其传输至主控制器，当该数据发生变化时，主控制器将其与基准数据进行比较，得出差值和差值变化速率，推断左小臂的运动状态。主控制器会根据上述分析结果，控制气动装置对左肘部辅助柔性折纸致动器进行充放气工作，使驱动单元进行收缩和膨胀，进而使左轴部辅助柔性折纸致动器能够跟踪左臂的运动。当左小臂运动到某一位置停止后，左小臂imu所测数据保持在一个允许范围内变动，而在这个范围内时，主控制器会控制气动装置停止充放气，使左肘部辅助柔性折纸致动器保持当时状态不变，人体能在其辅助作用下，减少手臂所用力，从而达到减少工作负荷的效果。
89.由于肩部辅助状态和手肘辅助状态以不同的imu所测数据为基准，且运动数据均来自不同imu，因此两状态相互独立。由于不同状态的imu组合并不会影响彼此的工作，因此两状态可以共存，即同时辅助肩部和肘部。
90.本领域技术人员可以将本实施例理解为实施例1的更为具体的说明。
91.本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
92.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
93.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影
响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

技术特征：
1.一种基于运动自适应的气动折纸式肘肩穿戴辅助系统，其特征在于，包括：运动感知模块、肢体驱动辅助模块、人机控制模块及柔性纺织结构件；所述运动感知模块包括五个无线imu传感器(1)；所述肢体驱动辅助模块包括气动装置(2)、肩部辅助柔性折纸致动器(4)和手肘辅助柔性折纸致动器(5)；所述人机控制模块包括主控制器(6)和电源(7)；所述柔性结构纺织件包括肩背部分结构件(8)和手肘部分结构件(9)；所述运动感知模块、肢体驱动辅助模块和人机控制模块固定在所述柔性纺织结构件上，所述柔性纺织结构件穿戴在人体身上。2.根据权利要求1所述的基于运动自适应的气动折纸式肘肩穿戴辅助系统，其特征在于，五个所述无线imu传感器(1)分别安装在左手大臂处、左手小臂处、右手大臂处、右手小臂处及人体后背，五个所述无线imu传感器(1)与所述电源(7)通过导线电气连接，所述无线imu传感器(1)分别测量左手大臂处、左手小臂处、右手大臂处、右手小臂处及人体后背的运动学参数，五个所述无线imu传感器(1)将所测参数传输至所述主控制器(6)。3.根据权利要求1所述的基于运动自适应的气动折纸式肘肩穿戴辅助系统，其特征在于，所述肢体驱动辅助模块辅助肩肘的运动；所述气动装置(2)安装在所述肩背部分结构件(8)后面的集成盒(10)内，所述气动装置(2)分别与所述主控制器(6)和电源(7)通过导线相连；所述肩部辅助柔性折纸致动器(4)采用kresling折纸构型的反向偶极子驱动单元，所述肩部辅助柔性折纸致动器(4)安装在人体两侧腋下，所述肩部辅助柔性折纸致动器(4)的一端固定在所述肩背部分结构件(8)上，另一端支撑大臂，辅助肩部运动，通过导气管与所述气动装置(2)相连，进行充气和放气；所述手肘辅助柔性折纸致动器(5)采用kresling折纸构型的反向偶极子驱动单元，所述手肘辅助柔性折纸致动器(5)安装在双手的肘部，所述手肘辅助柔性折纸致动器(5)两端固定在所述手肘部分结构件(9)上，通过导气管所述气动装置(2)相连，进行充气和放气。4.根据权利要求1所述的基于运动自适应的气动折纸式肘肩穿戴辅助系统，其特征在于，所述主控制器(6)安装在所述肩背部分结构件(8)后面的集成盒(10)内，所述主控制器(6)通过导线与所述电源(6)和所述气动装置(2)相连；所述电源(7)安装在所述肩背部分结构件(8)后面的集成盒(10)内，所述电源(7)通过导线与所述主控制器(6)、无线imu传感器(1)和气动装置(2)相连，提供电力，驱动工作。5.根据权利要求1所述的基于运动自适应的气动折纸式肘肩穿戴辅助系统，其特征在于，所述柔性纺织结构件由肩背部分结构件(8)和手肘部分结构件(9)构成，所述肩背部分结构件(8)和手肘部分结构件(9)由柔性纺织材料制成；所述肩背部分结构件(8)穿戴于人体上半身，通过胸前的卡扣(11)固定，后背安装集成盒(10)，安装并保护所述主控制器(6)、电源(7)和气动装置(2)；所述手肘部分结构件(9)穿戴在人体的手肘上，通过魔术贴(12)进行固定，所述驱动单元(13)直接安装在所述手肘部分结构件(9)的背面。6.根据权利要求2-4任一项所述的基于运动自适应的气动折纸式肘肩穿戴辅助系统，其特征在于，所述导线和导气管均分布在柔性纺织结构件的内部。7.根据权利要求1所述的基于运动自适应的气动折纸式肘肩穿戴辅助系统，其特征在
于，所述肩背部分结构件(8)和手肘部分结构件(9)通过长条型的柔性纺织物相连，组成一个整体，共同构成柔性纺织结构件。8.根据权利要求1所述的基于运动自适应的气动折纸式肘肩穿戴辅助系统，其特征在于，所述主控制器(6)通过五个安装在不同位置的无线imu传感器(1)测量上体上肢运动学参数，并根据不同的身体部位确定对应的基准imu传感器和运动imu传感器，主控制器(9)对比其数据，推测人体的运动意图，并控制气动装置(2)向辅助柔性折纸致动器充放气，进行自动跟随并辅助人体上肢运动。9.一种基于运动自适应的气动折纸式肘肩穿戴辅助方法，其特征在于，所述方法应用如权利要求1-8任一项所述的基于运动自适应的气动折纸式肘肩穿戴辅助系统，所述方法包括如下步骤：步骤s1：背部imu实时测量人体上身的三轴数据和运动加速度，根据人体构造，将背部imu作为基准数据；步骤s2：当左大臂开始运动时，左大臂imu所测数据会实时变化，将其所测运动学数据与背部imu数据进行比对，得出三轴角度差值、角速度差值和对应变化数据的变化速率，推断左大臂的运动方式；步骤s3：主控制器根据上述分析结果，控制气动装置对左肩部辅助柔性折纸致动器进行充放气工作，驱动单元进行收缩和膨胀，左肩部辅助柔性折纸致动器跟踪左大臂的运动；步骤s4：当左大臂运动到适合位置停止运动后，左大臂imu所测数据保持在一个允许范围内变动，主控制器控制气动装置停止充放气，左肩部辅助柔性折纸致动器保持当时状态不变，支撑左大臂。

技术总结
本发明提供一种基于运动自适应的气动折纸式肘肩穿戴辅助系统及方法，包括运动感知模块、肢体驱动辅助模块、人机控制模块及柔性纺织结构件；运动感知模块通过惯性测量单元测量人体肘部、肩部的运动学参数；肢体驱动辅助模块由气动装置、柔性折纸致动器组成，该柔性折纸致动器采用Kresling折纸构型的反向偶极子驱动单元，通过气动装置驱动，辅助人体肘肩运动；人机控制模块采用状态机实时切换肘肩的动力辅助；运动感知模块、肢体驱动辅助模块、人机控制模块集成在柔性纺织结构件上，能够穿戴在人体上。本发明辅助用户实现肘肩长时间的工作，有效提高肢体耐力、或者预防上肢损伤等问题，具有低成本、操作简单、反应迅速、安全稳定的优点。的优点。的优点。


技术研发人员：李智军 杨伟雄 李少峰 郭碧翔 徐红芳 赵锋 李国欣
受保护的技术使用者：国网安徽省电力有限公司阜阳供电公司
技术研发日：2023.04.21
技术公布日：2023/8/24