[实用新型]一种基于可变柔性关节的下肢助力外骨骼机器人

说明书

技术领域

本实用新型涉及康复机器人技术领域，尤其涉及一种基于可变柔性关节的下肢助力外骨骼机器人。

背景技术

随着生活水平的逐步提高和医疗条件的不断改进，中国人的平均寿命已经达到了70多岁，整个社会的老龄化趋势愈加明显，而老年人面临的一个常见问题即是行走能力的下降。行走能力的下降与缺失有多种原因，主要包括：视觉、平衡等系统缺陷导致的感知能力下降，脑卒中、脊髓外伤等神经系统损伤导致对机体控制能力下降，关节磨损导致活动时的疼痛导致行动的意愿缺失，髋、踝等大关节周围肌肉群中全部或部分肌肉为所造成的肌肉力量下降等。而针对行走能力的下降，常见的行走辅具只有拐杖、助行架、手动或电动轮椅等，使用者无法维持正常的步态，也因此会导致活动量的下降，从而引发一系列次生的健康问题如体重增加、心血管疾病风险加大等等。

目前在世界范围内，行走助力外骨骼的研发是一个大趋势，与传统行走辅具相比，助力外骨骼可在很大程度上令佩戴者保持直立姿态，并尽量贴近正常行走的步态，对佩戴者的活动能力和生理、心理健康均有助益。国内外陆续已有部分行走助力外骨骼处于产品化的不同阶段，如以色列的Rewalk和日本的Cyberdyne HAL。值得一提的是，目前虽有商业化产品，但尚未进入大规模的实际应用。按照所提供的功能，现有产品大致可分为如下几类：

1、不考虑佩戴者意图的主动驱动、覆盖全下肢、需要佩戴者额外拄拐杖的外骨骼。代表产品为以色列的Rewalk、美国的Ekso Bionics。此类产品一般针对截瘫患者，其特点是体积庞大，结构复杂，价格高昂，对意外摔倒缺乏主动和被动保护机制，因此目前在市场上的反响并不好。

2、基于肌肉电信号、覆盖全下肢、无需拄拐但只能在康复环境中使用的外骨骼。代表产品为日本Cyberdyne的HAL。此类产品基于采集的肌电信号驱动关节，因此病人可在一定程度上主动控制其运动并获得助力。但此类产品由于肌电信号采集本身的特点，受到汗液的影响其数据精确度会急剧下降。同时由于机械结构设计方面的缺失，其肢体运动轨迹并不符合人体工学，其主要应用范围仍然是康复机构内部，患者只能在在上半身相对固定的跑步机上慢走，进行功能恢复性训练，无法在日常生活中长期佩戴使用。

3、基于角度传感器，覆盖大腿部分、出力较小的助力外骨骼。此类外骨骼代表为本田的SMA。其主要特点是轻便、体积小，佩戴简单，但限于基于角度传感器的刚性关节先天的安全性缺失，以及佩戴的舒适度，关节出力被限制在较小的水平，仅有4NM。而人在行走时髋关节的扭矩至少在60-120NM级别，其助力效果有限，仅能将步速从约1.2m/s提升至约1.3m/s。

发明内容

为克服现有技术存在的上述技术问题，本实用新型提供了一种基于可变柔性关节的下肢助力外骨骼机器人，其通过髋关节驱动器感知佩戴者腿部动作意图，并为佩戴者腿部运动提供助力，提升佩戴者的行动能力。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于可变柔性关节的下肢助力外骨骼机器人，其包括中控系统、髋关节连接机构、髋关节驱动器及设置在佩戴者大腿上的大腿连接机构；

所述中控系统设置在佩戴者腰部，与所述髋关节驱动器电气连接，并通过所述髋关节连接机构与所述髋关节驱动器物理连接，用于接收所述髋关节驱动器发送的信息并控制所述髋关节驱动器的运行；

所述髋关节驱动器与所述大腿连接机构连接，用于通过大腿连接机构感知佩戴者腿部的运动，并为佩戴者腿部运动提供助力。

在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。

进一步，所述髋关节驱动器包括伺服电机、与所述伺服电机连接的谐波减速机、与所述谐波减速机连接的环形力矩传感器和与所述环形力矩传感器连接的转矩输出盘；

所述环形力矩传感器还与所述中控系统连接，用于监测佩戴者腿部关节扭矩，获得关节扭矩数据；

所述中控系统根据所述关节扭矩数据控制所述伺服电机的转动，以通过所述转矩输出盘带动所述大腿连接机构运动，为佩戴者腿部运动提供助力。

进一步，所述髋关节驱动器还包括角度编码器，所述角度编码器用于监测佩戴者腿部关节位移，获得关节位移数据；

所述中控系统还根据所述关节位移数据控制所述伺服电机及谐波减速机的转动，以带动所述大腿连接机构运动，为佩戴者腿部运动提供助力。

进一步，所述髋关节驱动器还包括输入端外壳、输入端内壳和输出端外壳；