[发明专利]一种主被动结合的变瞬心柔性绳驱下肢外骨骼机器人及控制方法

说明书

本发明涉及一种主被动结合的变瞬心绳驱下肢外骨骼机器人及控制方法，包括控制盒（Ⅰ）、腰部结构（Ⅱ）、膝关节机构（Ⅲ）、小腿部分（Ⅳ）以及踝关节机构（Ⅴ）。控制元件置于控制盒（Ⅰ）中，腰部结构（Ⅱ）包括了背板、电池、驱动器、腰托、腰部和背部柔性连接、髋关节以及大腿连接件，其中驱动器部分添加了离合器以实现主被动结合；膝关节机构（Ⅲ）为滚动凸轮变瞬心结构，连接大腿和小腿；小腿部分（Ⅳ）包括支撑小腿以及柔性绑带，可以进行长度调节；踝关节机构（Ⅴ）与小腿相连。本发明的变瞬心机构仿生性强，可以适应人体运动；结构简单，质量较小；可以实现主被动转换，灵活性强；柔性绳驱，安全可靠；柔性绑带内衬设计，穿戴舒适。

技术领域

本发明涉及的是一种柔性绳驱下肢外骨骼机器人，具体是一种基于柔性绳驱的主被动结合的膝关节变瞬心自适应下肢外骨骼机器人。

背景技术

外骨骼机器人是一种可穿戴设备，可应用于军事领域、医疗领域以及民用领域。在军事上，随着科技的发展，士兵需要携带更多繁重的装备，外骨骼装置可以提高士兵的持续作战能力；在医疗上，人口老龄化以及中风、神经萎缩等疾病加剧，对于传统的一对一康复训练，外骨骼辅助康复训练可以节省大量的人力物力；在日常生活中，对于辅助行走和搬运重物，外骨骼可以提供显著的助力效果。外骨骼机器人具有支撑和防护的功能，研发一款穿戴舒适、可靠性高的外骨骼机器人是很有必要的。

目前，对于下肢外骨骼机器人，国内外都投入大量资金进行研究。国外的研究起步较早，研究成果较为突出，国内起步较晚，近几年也取得不错的成果。但是，对比现有的国内外大多数研究，发现其存在以下问题：刚性较大、缺少柔性；结构复杂、质量较大；机构和人体转动关节存在偏差，造成穿戴不适；主动外骨骼必须通过控制转动，灵活性差，功耗偏大，而被动外骨骼的助力效果较低。

经对现有技术文献的检索发现，中国发明专利申请号CN201711093654.3，该发明公开了一种电机连接主体结构的绳驱外骨骼机器人，该机构包括机器人主体、电机、滑轮组、臂体和翻转体。该结构传动部分的配合能够减小功率消耗，因此电机较小，材料为碳纤维，整体重量控制较理想；驱动方式为绳驱，具备一定的柔性，可以保证穿戴安全。但该结构关节设计为简单的转动副，无法实现人机关节协调适应；绕线较长，控制要求较高，无法实现被动运动，缺乏灵活性。

中国专利申请号CN201721563575.X，该发明公开了一种柔性下肢外骨骼，包括柔性护膝和仿生关节。该机构结构简单，质量较小，穿戴方便，通过连杆实现支撑件和关节板的分离，实现站立支撑和正常行走，较贴合人体关节转动。同时，被动结构可以按照人体意愿进行运动和停止，灵活性强。但是，被动式结构的助力效果较小，对于具有运动障碍的人群无法适用；同时，缺乏重力传导装置，支撑效果不够显著，并且无法负重。

发明内容

本发明旨在针对上述现有技术不足，开发了一种主被动结合的变瞬心绳驱下肢外骨骼机器人。核心是开发一种质量小、能实现主被动转换、柔性绳驱动以及适应人体关节瞬心变化的膝关节变瞬心外骨骼机器人。仿生学表明，人体下肢是一个6自由度的结构，行走时彼此相互协调，因此对于不同的步态以及不同的穿戴者来说，运动的瞬心是不同的，即表现为变瞬心运动。目前外骨骼膝关节结构通常设计为一个自由度的转动副，并且多为刚性机械结构，这将导致人体运动和外骨骼运动之间发生错位。这些错位必定带来或多或少的阻力，造成穿戴不适，长期使用甚至会对人体造成伤害。针对这一问题，本发明设计了一种独特的滚动凸轮连接膝关节结构，使得外骨骼膝关节运动时，能够根据穿戴者的运动情况，根据阻力最小进行展开与闭合，使得外骨骼膝关节的运动尽量契合人体膝关节的运动，减小错位带来的危害。