[发明专利]具有反力矩结构的虚拟力控制下肢外骨骼机器人

说明书

【技术领域】

本发明涉及外骨骼机器人技术领域，具体地说，是一种具有反力矩结构的虚拟力控制下肢外骨骼机器人。

【背景技术】

下肢外骨骼机器人通常用于远距离(通常是户外)搬运重物，而且其所走的路是其他轮式交通工具不能通过的。相比较轮式交通工具，基于外骨骼的助力装置具有许多潜在的的优势，如能适应复杂的崎岖地形。人在娱乐，工作或者在军事行动时可以用下肢外骨骼机器人来负重：徒步旅行者用下肢外骨骼机器人携带辅助用品，消防队员或急救队员用下肢外骨骼机器人来携带氧气罐和其它机械设备，士兵用下肢外骨骼机器人携带重物，穿越各种复杂地形和长距离行走。

【发明内容】

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有反力矩结构的虚拟力控制下肢外骨骼机器人。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种具有反力矩结构的虚拟力控制下肢外骨骼机器人，包含传感靴，踝关节，小腿，膝关节，液压执行器，大腿，反力矩结构，腰带，髋关节，减震弹簧，电池，载物架，背架，控制器和液压系统；传感靴与小腿通过踝关节连接，小腿与大腿通过膝关节连接，大腿与腰带通过髋关节连接；载物架通过机械结构稳固地挂靠在背架上，电池通过绑带固定在载物架两侧，控制器固定在载物架与电池的中间位置，液压系统设置在电池下方位置，与液压执行器柔顺连接；

所述的大腿与小腿上各设置了液压执行器的连接端，通过液压执行器的伸缩，实现膝关节的旋转运动；

所述的传感靴主要包括把载荷传送到地面的脚后跟和为舒适而设计的弯曲的趾头，用于测量人体足底压力与外骨骼末端的足底压力；通过嵌入到脚底板中的前脚压力传感器、后脚压力传感器来测量脚底压力的变化，用于虚拟被动力控制；请参见图4，传感靴内含有安置在传感靴脚尖处的前脚压力传感器、传感靴脚跟处的后脚压力传感器与传感靴脚侧处的脚侧压力传感器，分别用于测量人体脚尖、人体脚跟与外骨骼作用在地面上的压力；

传感靴的脚侧压力传感器通过踝关节与小腿末端固联，该传感器的设置用以进行下肢外骨骼负载能力的测试，理想的控制条件下，所有负重都将作用于下肢外骨骼上，因此下肢外骨骼末端的压力应为自身质量与负重的总和，通过测量脚侧压力传感器的值可以评价系统的负重性能，该方法比其它方法更方便，简洁；

所述的踝关节采用球面高副连接方式，实现关节的三个旋转运动，主要由球型转动杆、球型转动套组成，并通过连接件与脚侧传感器连接杆连接，完成小腿与传感靴的连接；参照图3，踝关节的储能弹簧上端固联在小腿伸缩杆上，下端固联在脚侧传感器连接杆上，用于储存步行中人体所消耗的部分肌肉能量，并在适当的步态阶段自动释放这部分能量用于辅助人体行走，以节省能量；

所述的大腿采用弧形设计，保证了髋关节到膝关节的几何位置顺滑过渡，同时使液压执行器在小腿弯曲时彻底缩回；髋关节采用球面高副连接方式，实现关节的两个旋转运动，保证外骨骼能够随人体实现直行和转弯；参照图2，髋关节附近的反力矩结构包括反力矩弹簧，缓冲弹簧，滑套、滑杆等，实现髋关节的助力功能；反力矩弹簧一端通过球面高副与腰带末端连接，一端与滑套固连；反力矩弹簧的力矩作用抵抗住了负重引起的翻转力矩，使外骨骼保持前后平衡，该设计方法无需控制，具有被动动力学的特性，减少了系统能耗。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：

本发明的原理是通过髋关节的反力矩结构、膝关节的液压驱动器与踝关节的弹性元件，通过虚拟被动力控制方法使其在单腿支撑阶段等效为一根可伸缩的拐杖，直接将负重作用力传递给地面，从而降低人体感受到的负载作用，减少人体能量消耗和疲劳感，实现长距离长时间负重行走。

本发明的虚拟被动力控制的特点在于该控制算法弥补了被动动力控制中采用等刚度弹簧开环控制所造成的控制误差大，适用性单一，无法实时调节等缺陷，同时其不需要精确的动力学模型进行实时扭矩的计算，提高了计算速度与系统的可靠性，此外由于充分利用了人体的动力学特性，将有助于减少能量的消耗。

【附图说明】

图1为下肢外骨骼机器人总体结构示意图；

图2为下肢外骨骼机器人反力矩结构示意图；

图3为下肢外骨骼机器人踝关节结构示意图；

图4为下肢外骨骼机器人传感靴压力传感器布置示意图；

图5为下肢外骨骼机器人使用的虚拟被动力控制框图；