[发明专利]一种轻型励磁摩擦式离合助力外骨骼装置及其控制方法

说明书

本发明公开了一种轻型励磁摩擦式离合助力外骨骼装置及其控制方法，可以模拟人体运动，在人体运动或背负重物时提供支撑力，并对关节提供一定的保护。本发明中外骨骼装置单条腿的髋、膝关节分别提供一个自由度，踝关节提供两个自由度；采用励磁式摩擦离合器控制关节的运动，通过脚面的传感器提供控制离合器所需要的信号，控制方便且传感硬件要求低，控制便于实现。本发明利用现有商用励磁摩擦式离合器，结构简单可靠，集成度高，控制简便，有利于提高人机工效，同时与人体较好的配合，便于穿戴，提高穿戴者的负重能力，有效降低人体负重运动的疲劳感。

技术领域

本发明属于仿生技术领域，具体涉及一种轻型励磁摩擦式离合助力外骨骼装置及其控制方法。

背景技术

可穿戴式外骨骼助力系统是一种可穿戴在人体身上的伴随式智能装备，通过同步“跟随”人体运动，辅助或代替人体承重及机动，突破人体体能极限，大幅度提高人体的负重机动能力/持久作战能力。目前，该系统主要应用于人体下肢康复训练及辅助人体进行负重，可在反恐维稳、抢险救灾、助残与康复医疗等多领域得到广泛应用和推广。迄今为止，尽管针对类似的穿戴式外骨骼助力系统的研究已取得了部分进展，但距离实用还有很长一段路要走。

对于外骨骼膝关节部分的要求，首先膝关节作为大腿与小腿之间的连接部分，需要承受上半身以及背负装备的重力，同时在关节活动时，因上身及装备的重力以及运动时会产生大量的扭矩。膝关节活动角度较大，范围在0°至140°之间，行走和上下楼梯时，运动范围通常为0°至70°之间。在运动时，尤其是上下楼梯时，膝关节则需要承受更大的压力及扭矩。这增加了膝关节设计的难度。

申请号201610335226.6的中国专利申请公开了一件膝关节助力外骨骼装置，在装置中运用了液压机构，以便在小腿伸张时提供动力，但是液压机构自身体积重量较大，同时需要匹配电机，或增加了外骨骼整体的质量，降低了穿戴者的舒适感。又如申请号为201280030701.9的中国专利申请公开了一种外骨骼设计方式用于康复功能，但整体体积较大，不便于穿戴应用于日常生活中。目前大部分外骨骼结构都有设计脚部鞋子，因为要完成至少三个旋转自由度，结构较为复杂，增加了控制难度。。

发明内容

本发明的目的在于提供一种轻型励磁摩擦式离合助力外骨骼装置及其控制方法，解决外骨骼的复杂机构设计及可靠性低的问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种轻型励磁摩擦式离合助力外骨骼装置，包括背架、髋关节结构、膝关节结构、踝关节结构和控制系统，所述背架、髋关节结构、膝关节结构和踝关节结构从上到下依次固连，

所述髋关节结构包括髋关节限位板、髋关节上侧连接件、髋关节输出齿轮轴承、第一髋关节中间齿轮轴承、髋关节输入齿轮轴承、髋关节中间齿轮套筒、髋关节输入齿轮套筒、髋关节输出齿轮套筒、髋关节输出齿轮、髋关节中间齿轮、髋关节输入齿轮、髋关节挡板、髋关节下侧连接件、髋关节单向轴承、髋关节励磁摩擦式离合器、第二髋关节中间齿轮轴承，髋关节限位板与髋关节下侧连接件通过螺钉固连，髋关节限位板侧面的圆形突起嵌入髋关节上侧连接件的下圆孔，髋关节输入齿轮轴承、第一髋关节中间齿轮轴承和髋关节输入齿轮轴承从上至下依次配合安装在髋关节上侧连接件上对应的圆孔中，第二髋关节中间齿轮轴承配合安装在髋关节挡板上，髋关节中间齿轮套筒安装在髋关节中间齿轮和第一髋关节中间齿轮轴承之间，髋关节输出齿轮套筒安装于髋关节输出齿轮和髋关节输出齿轮轴承之间，髋关节输入齿轮套筒安装于髋关节输入齿轮和髋关节输入齿轮轴承之间，髋关节输入齿轮与髋关节单向轴承固连，髋关节输出齿轮与髋关节励磁摩擦式离合器固连，髋关节挡板与髋关节下侧连接件之间通过键槽相配合，髋关节励磁摩擦式离合器与髋关节挡板固连，髋关节单向轴承与髋关节下侧连接件固连，髋关节上侧连接件与髋关节挡板通过螺钉固连，