[发明专利]刚柔混合的舱外服下肢助力装置及助力方法

说明书

本发明提供一种刚柔混合的舱外服下肢助力装置及助力方法，包括：上身绑带、髋关节弹性带、大腿绑带、大腿支架、小腿支架、小腿绑带、后背板、髋关节助力单元和膝关节助力单元；每个所述髋关节助力单元包括：髋关节鲍登线、髋关节电机转盘和髋关节电机；每个所述膝关节助力单元包括：第一膝关节鲍登线、第二膝关节鲍登线、膝关节电机、膝关节转盘和膝关节电机转盘。本发明结合人体步态分析与航天服的关节阻力矩，设计的刚柔混合、主被动结合的助力装置，使得助力装置在有限空间布局中实现对航天员穿着舱外服时的髋关节与膝关节的双向助力。

技术领域

本发明属于特种服务机器人技术领域，具体涉及一种刚柔混合的舱外服下肢助力装置及助力方法。

背景技术

舱外服是航天员在月面或其他空间中出舱作业时穿着的一种特殊服装，由于需要抵御空间环境各种不利因素，舱外服通常进行内部充压，可以保证航天员身体安全性，但同样带来航天员肢体活动的不便性。查阅文献得知，穿着舱外服的航天员上下肢关节力矩较正常活动时增加50％左右。

为克服舱外服的关节阻力矩，有效降低航天员的体力消耗，需要采用人体助力装置。现有技术中，人体助力装置通常采用外骨骼助力的形式。外骨骼助力装置根据其结构形式及传力形式的不同，分为刚性外骨骼助力装置与柔性外骨骼助力装置。刚性外骨骼助力装置通常采用刚性支架附着于人体上，将负载通过支架转移到地面；柔性外骨骼助力装置一般没有支架装置，通常采用鲍登线将力传递到附着在肢体的绑带上。

专利《一种穿戴式柔性下肢助力机器人》(CN109662869A)采用鲍登线对膝、踝关节进行助力，助力作用有效。专利《一种穿戴式柔性助力装备》(CN111409061A)采用单电机实现对髋、膝、踝三个关节的助力，虽然从背负重量上大幅降低，但由于各关节角度变化导致的关节力矩在随时变化，单电机无法实现对每个关节的力矩柔顺控制，因此较难达到效果良好的助力效果。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种刚柔混合的舱外服下肢助力装置及助力方法，可有效解决上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种刚柔混合的舱外服下肢助力装置，包括：上身绑带(1)、髋关节弹性带(2)、大腿绑带(3)、大腿支架(4)、小腿支架(5)、小腿绑带(6)、后背板(7)、髋关节助力单元(8)和膝关节助力单元(9)；

所述上身绑带(1)与所述后背板(7)固定连接；

所述髋关节弹性带(2)设置于所述上身绑带(1)的下方，并与所述上身绑带(1)固定连接；

所述大腿绑带(3)的设置数量为两个，左右对称设置于所述髋关节弹性带(2)的下方，并且，所述大腿绑带(3)的前部与所述髋关节弹性带(2)的底部固定连接；

所述小腿绑带(6)的设置数量为两个，左右对称设置于对应侧的所述大腿绑带(3)的下方；

在每侧的大腿绑带(3)的外侧，设置所述大腿支架(4)；在每侧的小腿绑带(6)的外侧，设置所述小腿支架(5)；其中，所述大腿支架(4)的顶部与所述大腿绑带(3)的外侧固定；所述小腿支架(5)的底部与所述小腿绑带(6)的外侧固定；所述大腿支架(4)的底部与所述小腿支架(5)的顶部铰接；

所述髋关节助力单元(8)的设置数量为两个，各用于对左侧髋关节助力和右侧髋关节助力；每个所述髋关节助力单元(8)包括：髋关节鲍登线(8.1)、髋关节电机转盘(8.2)和髋关节电机(8.3)；其中，所述髋关节电机(8.3)固定在所述后背板(7)上面；所述髋关节电机(8.3)与所述髋关节电机转盘(8.2)连接，用于驱动所述髋关节电机转盘(8.2)旋转；所述髋关节鲍登线(8.1)的一端与所述髋关节电机转盘(8.2)固定；所述髋关节鲍登线(8.1)的另一端作为锚点固定在对应侧的所述大腿绑带(3)的后部；