[发明专利]一种可变刚度下肢外骨骼助力机器人

说明书

本发明涉及一种可变刚度下肢外骨骼助力机器人，包括人机信息交互感知单元(100)、电控单元(200)、电液伺服驱动单元(300)和下肢外骨骼机械单元(400)。本发明下肢外骨骼机械单元(400)中的髋关节(2f)与髋关节连接件(1c)之间采用限位组合十字铰机构，并结合双向作用液压缸(321)，较好地拟合了人体髋关节空间结构，提高了穿戴的舒适性，并结合刚度可调的单向作用弹簧复位液压缸(3a)，满足了行走时快速响应、大力矩的需求并增加了行走的续航能力；采用足底压力信息采集单元(110)并结合腰部陀螺仪采集人体步态信息和姿态信息，并运用拐杖单元(120)，将穿戴者的运动意图引入到该外骨骼助力机器人协同控制中，提升了人机共融性与交互控制的协调性。

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种可变刚度下肢外骨骼助力机器人。

背景技术

在山地、丛林等无路地区，常规手段往往无法胜任野外作业、运输的需求；此外，老年人与残疾人的助力行走以及危险区域高强度、高度灵活作业方式，如消防、救援减灾等方面作为社会深度需求，亟需一种突破传统方式的作业工具。可穿戴型下肢外骨骼助力机器人作为一种全新作业机器人，突破传统人机关系的局限性，引入人的控制决策，实现人机协同与高度智能化助力行走与野外作业，极大地拓展人体下肢关节机能，为完成特定环境下的人机任务协同提供全新作业手段。目前，可穿戴型下肢外骨骼机器人处于深度研究与高速发展中。

针对可穿戴型下肢外骨骼助力机器人，目前存在几个共性问题：一、人机不能高度共融，其中，共融具体指的是穿戴舒适性与关节驱动符合人体下肢行走特点；二、结构的重量化与不紧凑；三、人机交互信息通道的低效性。在现有技术条件下，可穿戴型下肢外骨骼机器人存在一定的局限性。国内外涉及下肢外骨骼机器人的专利主要有以下几项：分别是申请号为201310257360.5的“一种穿戴型下肢助力机器人、其折叠方法及用于装运的手拉箱”、申请号为201210370541.4的“便携式可穿戴下肢康复及助行外骨骼机器人”、申请号为201480016611.3的“具有拐杖的步态装置”。上述专利均采用电机驱动，响应速度与作用力不能完全满足人体行走助力的需求，偏向于残障人士的辅助支撑；上述专利在拟合人体关节设计上均存在一定差异，未完全考虑人体髋关节空间结构的匹配性；此外，上述专利均未考虑在行走过程中关节驱动的刚度变化，包括人机协同行走时在触地相的冲击性与弹起相响应快速性，以及在摆动相的能量回收，影响了人机共融与交互控制的协调性，降低了使用的舒适性与安全性。

基于此，特提出本发明。

发明内容

本发明提供了一种可变刚度下肢外骨骼助力机器人，以期解决上述问题。

本发明的可变刚度下肢外骨骼助力机器人，包括人机信息交互感知单元、电控单元、电液伺服驱动单元和下肢外骨骼机械单元，其中，

所述下肢外骨骼机械单元用于穿戴在穿戴者身上；

所述人机信息交互感知单元获取穿戴者步态信息、姿态信息和运动意图信息，并将这些信息发送至所述电控单元；

所述电控单元用于接收并识别所述人机信息交互感知单元发送的信息，根据信息发出相应控制指令至所述电液伺服驱动单元；

所述电液伺服驱动单元用于接收所述控制指令，根据所述控制指令，完成所述下肢外骨骼机械单元的启动、停止、关节助力行走与失稳时步态调整。

进一步地，所述人机信息交互感知单元包括足底压力信息采集单元、拐杖单元和腰部陀螺仪；其中，

所述足底压力信息采集单元与所述腰部陀螺仪均设置于所述下肢外骨骼机械单元上；

所述足底压力信息采集单元用于采集人机协同行走时的足底压力信息，进而检测人体步态信息；

所述拐杖单元用于支撑穿戴者，捕获穿戴者的运动意图信息并将所述运动意图信息传送给腰部陀螺仪；