[发明专利]基于混联机构的仿人型下肢外骨骼构型方法

说明书

本发明公开了一种基于混联机构的仿人型下肢外骨骼构型方法。本方法的操作步骤为：1）基于人体解剖学和“拟人化”的构型设计思想，对下肢外骨骼进行自由度配置。2）根据仿人型下肢外骨骼自由度配置，设计了一种基于混联机构的仿人型下肢外骨骼构型，具体为6SPS+3SPS+1SPS+3SPS，单腿由3SPS+1SPS+3SPS的混联机构组成。3）以髋关节为例，对6SPS并联机构进行运动学仿真，结合实验所测的人体步态数据，验证了髋关节处的人机运动匹配效果。本发明具有创新性和仿真及实验依据，同时具有人机运动匹配精度高、承载能力大和稳定性高的突出优点，可解决现有下肢外骨骼构型无法实现对穿戴者下肢关节各个方向运动的主动驱动问题，对下肢外骨骼的构型设计具有重大的指导意义。

技术领域

本发明涉及一种基于混联机构的仿人型下肢外骨骼构型方法，属于可穿戴设备构型设计领域。

背景技术

下肢外骨骼是一种可穿戴的人机一体化机械装置，将人的智力和机器人的“体力”完美地结合在一起。下肢外骨骼能够充分发挥人脑强大的信息处理能力，同时又可以为肌体提供动力，增强肌体的行走能力，缓解大负重和长时间工作带来的肌体疲劳，在助老助残、医疗康复和军事救灾等领域具有广泛的应用前景。

下肢外骨骼本体通过一系列环节和人体耦合在一起。作为以人为中心的人机协同系统，下肢外骨骼的首要任务是与人体协同运动并实现助力功能。当下肢外骨骼与人体运动不同步时，将对穿戴者的运动产生干扰甚至威胁穿戴者的安全。设计合理的下肢外骨骼构型是实现人机协同运动的重要基础。此外，目前现有的下肢外骨骼只能提供单一方向的主动助力，本发明基于混联机构的仿人型下肢外骨骼构型，能够实现下肢各关节各方向的主动助力，包括髋关节屈-伸、外展-内收和外旋-内旋运动的主动助力，膝关节的屈-伸运动的主动助力，以及踝关节的屈-伸，外翻-内翻及外旋-内旋的主动助力。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种基于混联机构的仿人型下肢外骨骼构型方法，实现对穿戴者下肢的关节各个方向运动的主动助力和精确得运动学匹配。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于混联机构的仿人型下肢外骨骼构型方法，其特征在于操作步骤如下：

a.基于混联机构的仿人型下肢外骨骼自由度配置

由解剖学分析可知，人体下肢髋关节具有三个自由度，可实现屈-伸、外展-内收、外旋-内旋运动，膝关节具有一个自由度，可实现屈-伸运动，踝关节具有三个自由度，可实现屈-伸、外翻-内翻、外旋-内旋运动。基于“拟人化”的构型设计思想，对下肢外骨骼构型进行自由度配置，如图1所示。为了协调支撑腿和上半身的运动，下肢外骨骼的髋关节和踝关节必须分别设置一个外展-内收自由度；为了实现重心的转移，髋关节和踝关节的屈-伸自由度是必不可少的；为了帮助身体达到它的目标位置，下肢外骨骼有时必须转动，所以需要在髋关节和踝关节上设置一个内旋-外旋自由度；膝关节设置一个屈-伸自由度，可调节摆动腿的落地高度，实现上下台阶等步态运动；为了平衡下肢的运动，达到仿生效果，盆骨设置6个自由度。综上，为了达到仿生目的，下肢外骨骼需要配置20个自由度，其中盆骨有六个自由度，对单腿而言，髋关节、膝关节和踝关节的自由度个数分别为三个、一个和三个。

b.基于混联机构的仿人型下肢外骨骼构型设计