[发明专利]一种准被动膝踝关节耦合下肢外骨骼及其控制方法

权利要求书

1.一种准被动膝踝关节耦合下肢外骨骼，其特征在于：包括下肢穿戴机构、储能机构和控制机构；

其中，所述下肢穿戴机构包括大腿穿戴部、小腿穿戴部和脚底穿戴部；

所述储能机构包括设置在所述小腿穿戴部上的固定轴，在所述固定轴的两端对称设置有膝关节离合器和踝关节离合器，其中所述膝关节离合器通过第一绳索连接所述大腿穿戴部，所述踝关节离合器通过第二绳索连接所述脚底穿戴部；所述的膝关节离合器和踝关节离合器均包括棘轮、棘爪和主动齿轮，所述棘轮通过轴承套设在所述固定轴上，所述棘爪转动连接于所述固定轴的端面上，所述棘爪包括止动爪部和从动齿部，其中所述止动爪部与所述棘轮的内缘齿槽相配合，所述从动齿部与所述主动齿轮相啮合；在所述膝关节离合器与所述踝关节离合器之间设有储能扭簧，所述储能扭簧的两端分别与所述膝关节离合器、所述踝关节离合器相连；

所述控制机构包括用于分别控制所述膝关节离合器和所述踝关节离合器的两个舵机，所述舵机与所述固定轴固定连接，在所述舵机的动力输出轴上固定连接有舵机轴套，所述舵机轴套与所述主动齿轮固定连接；所述舵机的动力输出轴通过所述舵机轴套控制所述主动齿轮的转动，通过所述主动齿轮的转动实现所述棘爪与所述棘轮之间的脱离或锁死。

2.根据权利要求1所述的准被动膝踝关节耦合下肢外骨骼，其特征在于：所述的膝关节离合器和踝关节离合器均设有压缩弹簧，所述压缩弹簧的一端与所述舵机轴套相连，所述压缩弹簧的另一端与所述主动齿轮相连。

3.根据权利要求1所述的准被动膝踝关节耦合下肢外骨骼，其特征在于：所述控制机构还包括足底压力传感器、单片机以及采样电路，所述足底压力传感器通过所述采样电路与所述单片机相连，所述单片机与所述舵机相连。

4.根据权利要求1所述的准被动膝踝关节耦合下肢外骨骼，其特征在于：所述小腿穿戴部与所述脚底穿戴部之间转动连接，其中所述小腿穿戴部上设有腿部支架，所述固定轴与所述腿部支架固定连接；所述脚底穿戴部上设有脚部支架，所述踝关节离合器通过所述第二绳索与所述脚部支架相连。

5.根据权利要求1所述的准被动膝踝关节耦合下肢外骨骼，其特征在于：所述固定轴中间设有舵机安装孔，所述舵机安装于所述舵机安装孔中。

6.根据权利要求1所述的准被动膝踝关节耦合下肢外骨骼，其特征在于：两个所述棘轮外侧分别设有绳槽，所述第一绳索和所述第二绳索分别缠绕设置在两个所述绳槽中。

7.根据权利要求1所述的准被动膝踝关节耦合下肢外骨骼，其特征在于：所述小腿穿戴部和所述脚底穿戴部分别采用刚性材料制成，其中所述小腿穿戴部设有用于与人体小腿部分进行紧固的魔术贴；所述大腿穿戴部采用柔性材料制成，所述大腿穿戴部设有安全带。

8.根据权利要求1所述的准被动膝踝关节耦合下肢外骨骼，其特征在于：在所述膝关节离合器和所述踝关节离合器的外部分别设有盖子，所述盖子上设有绳索通孔。

9.一种准被动膝踝关节耦合下肢外骨骼控制方法，其特征在于：采用如权利要求1-8任一项所述的准被动膝踝关节耦合下肢外骨骼进行辅助踝关节跖屈蹬地控制，包括如下步骤：

通过控制机构中的足底压力传感器测量足底压力并输出关于足底压力的电阻信号，通过采样电路采集所述电阻信号，所述采样电路将所述电阻信号转化为电压信号，并将所述电压信号输出至单片机；

所述单片机接收所述电压信号，根据所述电压信号确定人体行走的步态周期；

所述单片机根据所述步态周期向两个舵机输出PWM信号，分别控制两个舵机动力输出轴的转动角度；

根据两个舵机动力输出轴的转动，分别控制膝关节离合器和踝关节离合器的打开或锁死。

10.根据权利要求9所述的准被动膝踝关节耦合下肢外骨骼控制方法，其特征在于：所述人体行走的步态周期包括摆动相初期、摆动相中期、摆动相后期、支撑相初期、支撑相中期和支撑相后期，其中，

在所述摆动相初期，所述膝关节离合器和所述踝关节离合器均处于打开状态；

在所述摆动相中期，所述踝关节离合器处于锁死状态，所述膝关节离合器保持打开状态，膝关节的伸展运动拉动第一绳索，所述第一绳索拉动所述膝关节离合器中的棘轮绕固定轴转动，储能扭簧形变量增大，膝关节所做负功被收集到储能扭簧中；

在所述摆动相后期，脚跟与地面接触之前，所述膝关节离合器处于锁死状态，所述踝关节离合器保持锁死状态；

在所述支撑相初期，脚跟与地面相接触，所述膝关节离合器和所述踝关节离合器均保持锁死状态；

在所述支撑相中期，所述踝关节离合器处于打开状态，所述膝关节离合器保持锁死状态，踝关节的背屈运动拉动第二绳索，所述第二绳索拉动所述踝关节离合器中的棘轮绕固定轴转动，储能扭簧形变量增大，踝关节所做负功被收集到储能扭簧中；

在所述支撑相后期，踝关节进入跖屈蹬地状态，所述膝关节离合器保持锁死状态，所述踝关节离合器保持打开状态，所述储能扭簧中的力被传递至所述第二绳索，对踝关节施加跖屈方向的扭矩，辅助踝关节蹬地。