[发明专利]一种可穿戴式套索驱动关节辅助步行下肢外骨骼机器人

说明书

本发明公开一种可穿戴式套索驱动关节辅助步行下肢外骨骼机器人，包括背部主控系统、连接背部主控系统下方的腰部动力系统、安装在腰部动力系统侧方的下肢杆件结构、套索传动系统、人机绑缚结构；其中通过套索驱动，使动力系统放置到了腰部动力系统，减轻了外骨骼下肢腿杆的惯量。套索的远距离传输使得关节设计可以模块化。膝关节的结构设计减小了下肢体积。髋关节有两个自由度的设计并设有限位结构。交互力传感器的设计使得能用价格低廉的薄膜压力传感器完成二维力测量，并且方便更换。外骨骼足底的设计，结构简单，实现成本低。

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其是一种可穿戴外骨骼机器人。

背景技术

为了辅助下肢力量虚弱的老年人日常出行需求，通常需要一种辅助装置来代替或辅助人体行走。轮椅作为最常用的代替人体行走的装置，通常为人坐在椅子中，使用手或电动控制轮子速度完成移动功能。

下肢外骨骼机器人是一种可穿戴的机电设备，通常为使用电机或其他动力提供驱动力，通过传动结构将驱动力输出到人体关节处，在人体步行过程中为关节提供助力。下肢外骨骼机器人通常有刚性的机械腿杆，将自身负重传递到地面，因此穿戴者感受到的装置重量很小。外骨骼机器人通常具有体积小、可穿戴、跟随人体运动、可助力的特点，因此在辅助步行方面比轮椅有更好的地形通过性与适应性。

以上两种方式的不足之处在于手动轮椅受体积限制，不方便进入一些空间狭小的地区，或者是一些不平坦的地区，且难以上下楼梯，使用者在长时间使用后手部容易疲劳，且在危险时刻用手刹车容易导致手部受伤。电动轮椅虽然比手动轮椅更加方便，但是受到续航限制。

下肢外骨骼机器人中，采用齿轮、滚珠丝杠作为传动结构的，结构重量大，传动距离短，且不利于维修。因为传动距离短，驱动器通常安装于输出关节附近，比如安装于大腿附近、小腿附近。驱动器一般由电机和减速器组成，其体积大、重量大，安装在大小腿附近会使得机器人腿部结构惯量大，加大了运动控制难度。其次，驱动器的安装结构使得机器人腿部机械结构复杂，难以加工。

故，需要一种新的技术方案以解决上述问题。

发明内容

发明目的：本发明的目的是设计一种可穿戴式的、单关节驱动下肢外骨骼机器人，驱动器不再安装在腿部结构或腿部关节上，使用刚性腿杆结构使得背部负载能够通过刚性结构传递到地面，结构简单，减轻结构重量，获得更好的运动控制效果。

技术方案：为达到上述目的，本发明可采用如下技术方案：

一种可穿戴式套索驱动关节辅助步行下肢外骨骼机器人，包括背部主控系统、连接背部主控系统下方的腰部动力系统、安装在腰部动力系统侧方的下肢杆件结构、套索传动系统、人机绑缚结构；所述套索传动系统包括安装在下肢杆件结构上的套索驱动轮及缠绕套索驱动轮的套索，套索的上端与腰部动力系统连接，

所述下肢杆件结构包括与腰部动力系统侧方连接的髋关节、自髋关节延伸的大腿杆、与大腿杆下方连接的膝关节、自膝关节向下延伸的小腿杆、与小腿杆下方连接的踝关节双头螺柱，与踝关节双头螺柱下方连接的外骨骼足底；

人机绑缚结构包括腿部护具以及腿部护具连接的交互力传感器用以测量人体腿部对下肢杆件结构施加的交互力。

进一步的，所述交互力传感器包括固定在下肢杆件结构上的固定件以及相对固定件转动的活动件，固定件的两个侧壁内侧包住活动件，固定件和活动件的两侧之间分别有空隙，且分别贴上薄膜压力传感器和弹性橡胶垫；当活动件与固定件有相对转动时，一侧的薄膜压力传感器被挤压，另一侧放松，两个薄膜压力传感器产生压力差而体现交互力。