[发明专利]主被动结合的舱外服下肢助力装置、测试装置及测试方法

说明书

本发明提供一种主被动结合的舱外服下肢助力装置、测试装置及测试方法，主被动结合的舱外服下肢助力装置包括上身背负装置、腰部绑缚装置、髋关节弹性带、大腿绑缚装置、小腿钢丝绳线圈、小腿绑缚装置、膝关节弹性带、后背板和主动助力单元；所述主动助力单元包括膝关节鲍登线、电机驱动器、电机和鲍登线转盘。本发明提出一种主被动结合的双向助力装置，同时提出一种测试装置。通过助力装置可对航天员在有限空间内背负尽可能少的负载条件下实现髋、膝双关节的双向助力；通过测试装置可实现对空间失重环境模拟以及髋、膝关节阻力矩的模拟，更贴近真实条件下验证助力的有效性。

技术领域

本发明属于特种服务机器人技术领域，具体涉及一种主被动结合的舱外服下肢助力装置、测试装置及测试方法。

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以保证航天员身体安全性，但由此却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。因此，设计一种助力装置克服舱外服的关节阻力矩，可以有效降低航天员的体力消耗，从而增加其出舱活动时间及安全性。

通常，人体助力装置采用穿戴外骨骼助力的形式，外骨骼按照结构形式分为刚性外骨骼与柔性外骨骼，按照驱动形式分为主动式助力与被动式助力。由于舱外服的空间局限性，刚性外骨骼一般不宜采用；柔性外骨骼没有刚性支架，通常由电机+鲍登线驱动肢体的锚点以带动关节运动。主动式助力一般具有能源+驱动系统，可根据驱动关节数量及自由度匹配相应的驱动系统，需要占用一定的空间；被动式助力一般采用弹性元件作为储能装置，只能对关节自由度进行单向助力，另一方向为储能环节，通常需要主动施力，但被动式助力几乎不会占用额外空间，且无需额外负重。通过以上分析得知，针对舱外服进行助力装置的设计需要综合考虑其使用环境、关节阻力等因素得到助力的方式。另外，由于舱外服使用的局限性，传统的外骨骼助力装置测试方式通常无法满足其测试要求，因此需要结合舱外服自身阻力特性及空间环境设计相应的测试装置。

专利《一种主被动混合驱动的下肢助力外骨骼机器人及控制方法》(CN112060060A)采用卷簧实现对髋关节的被动式助力，采用电机对膝关节进行主动式助力。但其本体是刚性结构，不适宜在舱外服内部使用；专利《一种穿戴式柔性下肢助力机器人》(CN109662869A)采用鲍登线对膝关节进行双向助力，对踝关节进行单向助力，主要应用于康复设备，而舱外服目前还是侧重于对髋关节与膝关节自由度进行助力，因此，现有技术中缺少针对舱外服这种特定环境助力与测试的装置。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种主被动结合的舱外服下肢助力装置、测试装置及测试方法，可有效解决上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种主被动结合的舱外服下肢助力装置，包括上身背负装置(7-1)、腰部绑缚装置(7-2)、髋关节弹性带(7-3)、大腿绑缚装置(7-6)、小腿钢丝绳线圈(7-8)、小腿绑缚装置(7-9)、膝关节弹性带(7-10)、后背板(7-15)和主动助力单元；所述主动助力单元包括膝关节鲍登线、电机驱动器(7-11)、电机(7-12)和鲍登线转盘(7-13)；

所述上身背负装置(7-1)的后部固定安装所述后背板(7-15)；

所述上身背负装置(7-1)的下方设置所述腰部绑缚装置(7-2)，并且，所述腰部绑缚装置(7-2)的后部与所述上身背负装置(7-1)的后部固定连接，用于将舱外服下肢助力装置与被试者在腰部进行绑缚固定；

所述腰部绑缚装置(7-2)的下方左右两侧各设置一个所述大腿绑缚装置(7-6)；所述大腿绑缚装置(7-6)缠绕固定于大腿上；