[实用新型]一种气动肌肉驱动的下肢外骨骼助力装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种气动肌肉驱动的下肢外骨骼助力装置，属于气动技术和柔性外骨骼机器人领域。

背景技术

柔性外骨骼机器人是一种穿附在操作员身上，为其提供身体支撑、运动辅助和助力等功能的机电一体化装置。其中，助力外骨骼机器人用于给活动正常的人提供助力及机能放大，在军事、救灾、医疗等方面具有广泛的应用前景。

目前国内外柔性外骨骼助力装置主要采用电机或液压驱动，电机驱动可以直接作为关节嵌入外骨骼中，具有控制方便、控制精度高等优点，但其功率-质量比较小，有限重量的电机难以承担较大负载。而液压驱动具有较大的功率-质量比，较小的驱动元件即可承载较大的负载，是目前军用外骨骼助力装置的主要驱动方式，但其容易发生泄漏且工作效率低、能量消耗大、可持续工作时间短、系统加工精度要求高、价格昂贵。

与传统电机、液压驱动相比，气动肌肉是外骨骼助力装置的一种非常理想的执行器：首先，气压驱动的工作介质对环境和人体友好，具有元器件重量轻、价格便宜、易维护等优点；其次，基于仿生学的类人肌肉-气动肌肉不但具有与液压缸相媲美的功率-体积比和功率-质量比，且其力-位移关系特性与人类肌肉特性相似而具有很好的柔顺性。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种气动肌肉驱动的下肢外骨骼助力装置，采用滑轮钢丝绳型的气动肌肉双对拉式结构来实现柔性外骨骼的驱动。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种气动肌肉驱动的下肢外骨骼助力装置，具有结构简单、尺寸可调、灵活安全、稳定可靠等优点，能有效提高助力装置的承载能力和控制精度，且安装维护方便，成本较低，清洁环保。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种气动肌肉驱动的下肢外骨骼助力装置，包括依次相连的控制箱、背部装置、腰部装置、下肢装置和脚部装置；

其中，腰部装置包括两个相配合的髋关节伸长板、两个相同的髋关节固定板、两个相同的髋关节旋转板及两个相同的髋关节连接板；两个髋关节伸长板的内侧对置相连，通过不同位置的内孔配合实现两个髋关节伸长板的伸缩固定；两个髋关节固定板对称地固定于两个髋关节伸长板的外端，每个髋关节固定板上均设置有两个对称的髋关节旋转限位挡扣；两个髋关节旋转板的内端分别与两个髋关节固定板的外端铰接，并通过髋关节旋转限位挡扣来限定每个髋关节旋转板的转动范围；两个髋关节旋转板的外端分别通过限位合页与两个髋关节连接板相连，限位合页的转动角度满足人体大腿髋关节处的运动范围。

通过调节两个髋关节伸长板的距离调节腰部装置的横向长度，以适应不同体格的人群；髋关节旋转机构处设置有髋关节旋转限位挡扣，且限位合页也限制了转动角度，有效提高了装置的安全性，防止外骨骼的转动超出人体极限而对人体造成伤害。

下肢装置包括两个相同的大腿装置和两个相同的小腿装置，且大腿装置和小腿装置的结构相同，其包括滑轮、滑轮轴、柔性钢绳、两个气动肌肉、伸缩支撑杆及连杆；所述伸缩支撑杆由两段支撑杆套设而成，且两段支撑杆的连接处设置有卡扣以固定长度；滑轮轴沿伸缩支撑杆的径向设置于伸缩支撑杆的上端，伸缩支撑杆的下端垂直固定于连杆中部；滑轮通过滚动轴承安装于滑轮轴上，且每个气动肌肉的两端均设置有耳环；柔性钢绳绕过滑轮且两端分别与两个气动肌肉上端的耳环相连，两个气动肌肉下端的耳环分别与连杆的两端铰接；通过两个气动肌肉的伸缩带动滑轮相对于滑轮轴的转动，也就是伸缩支撑杆相对于滑轮的转动；

两个大腿装置的滑轮分别固定在两个髋关节连接板上，两个小腿装置的滑轮分别固定在两个大腿装置的伸缩支撑杆底部。

下肢装置采用滑轮钢丝绳型的气动肌肉双对拉式结构，通过两个气动肌肉对偶控制一个关节转动，其两端分别连接钢丝绳与连杆，工作时控制一根缩短、另一根伸长，利用柔性钢丝绳与滑轮间的摩擦力带动滑轮转动从而实现关节驱动。与连杆机构相比，受力主要集中在钢丝绳上，受力较均匀，提高了装置的可靠性和安全性；且在负载过大的情况下，钢丝绳滑轮会发生打滑现象，起过载保护作用。并且这种连接方式可以更换采用不同型号的气动肌肉，简单快捷。

优选的，所述控制箱包括箱体，箱体内设置有控制器、气动阀组和气动三联件；控制器传递控制信号给气动阀组，气动三联件通过气动阀组而与八个气动肌肉相连。

优选的，所述背部装置包括背板及柔性背带，柔性背带固定于背板上；控制箱固定于背板后侧，背板底部通过连接板与髋关节伸长板相连。