[发明专利]下肢智能携行外骨骼系统及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及计算机人工智能技术领域，具体地说，涉及一种下肢智能携行外骨骼系统及其控制方法。

背景技术

目前人们正在积极研制开发一种人机外骨骼系统，它是一种结合人的智能与机械装置的机械能量的特殊机械系统，其中的机械装置一般类似人形，可经配置耦合于人身上，能够承担人体承受的大部分负荷，因此称为外骨骼。外骨骼的动作受人控制，形成人机结合系统，在负重行走或者因伤病行动困难时，可以借助外骨骼，使外骨骼与操作者随行，达到由外骨骼承担负荷、降低人体能量消耗的功能。现在已经投入使用的一些外骨骼装置有的结构太复杂，类似于机器人，人机结合功能不协调，且价格昂贵，不适合推广；有的则属于假肢类，只是一种帮助残疾人恢复某些行动功能的简单的肢体装置，还远未达到具有智能控制的人机携行目的。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术中的缺陷，提供一种结构新颖、功能完善、可实现人机携行的下肢智能携行外骨骼系统及其控制方法。

本发明的技术方案是：一种下肢智能携行外骨骼系统，它具有检测控制系统、腰环、与腰环连接的背架及腿部支撑装置等结构，其中，腿部支撑装置包括依次活动连接的大腿连杆、膝关节连接件、小腿连杆及足部连接件，在膝关节连接件上设有膝关节扭力弹簧，膝关节扭力弹簧的两端分别与大腿连杆和小腿连杆连接，在小腿连杆上设有拉索，拉索的另一端与拉索驱动装置连接，拉索驱动装置通过传输线路与检测控制系统连接，在足部连接件上设有信号传感器，并通过信号采集线路与检测控制系统连接，大腿连杆的顶端活动连接有髋关节，并通过髋关节与腰环连接。

所述的足部连接件包括足底板，在足底板上设有足底面板，足底板与足底面板之间设有能够上下弹性活动的压帽，在压帽与足底板之间形成的空腔内设有足底传感器，足底传感器通过信号采集线路与检测控制系统连接，足底面板的一端通过向心关节轴承与连接柱活动连接，连接柱的顶端与小腿连杆连接。

上述结构中，为了使足部既能绕各轴有一定的转动，保证灵活性，又不至于因活动幅度过大影响行走，可以进一步进行踝关节的设计。即在连接柱上可设有压板，在压板与足底面板之间设有弹簧装置，弹簧装置可以是橡胶弹簧、蝶形弹簧、压缩弹簧、拉伸弹簧、空气弹簧及组合等。向心关节轴承可使脚踝转动自如，因足部连接件要与人足通过捆绑、穿戴等形式相连接，使绕垂直轴旋转的自由度得以限制，另外两个旋转自由度的大幅度转动(即足部绕踝部上下扭动或左右翻动)则靠弹簧装置阻止。

足部连接件还可以设计成下述结构，同样设有足底板，在足底板的一端连接有弹性体，弹性体的另一端与小腿连杆连接，在弹性体上设有电阻应变片，电阻应变片通过信号采集线路与检测控制系统连接。

连接腰环和大腿连杆的髋关节要保证腿部支撑件灵活地前后摆动，而左右摆动适当受限，为此结构设计采用了十字轴承，十字轴承设置在固定于腰环上的耳板上，十字轴承的另两端连接到大腿连杆上，从而实现了腿部相对于腰部灵活摆动的目标。在十字轴承外侧的轴上可以安装回弹性元件——髋关节扭力弹簧，髋关节扭力弹簧提供弹性势能与抬起大腿(包括人体、外骨骼装置及其以下部位)时重力势能的相互转换，起到节省体能的作用。在耳板的下端还可设有耳板内侧挡板，可阻挡大腿连杆向内侧的摆动。

腰环的作用是使机械髋关节与人体髋关节尽量靠近，并能传递腿部支撑力到负载重物。本发明中的腰环可以为一层或两层等多层组合结构，尤其是两层及两层以上的多层组合结构的腰环，其相邻两层腰环之间可以安装弹簧及关节轴承等部件，行走过程中，身体轻微的摆动使重物的重力所产生的扭矩可由弹簧的反弹力产生的扭矩抵消，从而减轻人体的受力。

为使腰环耦合于不同身高、不同腰围的人体，增强操作者的舒适度，在刚性的腰环上还可设置多个调节弯曲角度装置，如弹簧、链节、齿盘等，在改善腰环柔性的同时保证力的传递。