[发明专利]一种变刚度膝关节及下肢外骨骼机器人

权利要求书

1.一种包括变刚度膝关节的下肢外骨骼机器人的控制方法，其特征在于，变刚度膝关节的下肢外骨骼机器人，包括变刚度膝关节和髋关节机构，线性驱动机构，大腿，小腿，信息采集单元，底层执行器，CAN总线通信模块和嵌入式控制器；所述信息采集单元用于采集数据，通过CAN总线通信模块将数据传送给嵌入式控制器，控制器根据实时的信息计算出外骨骼系统所需最佳的关节刚度，控制器控制底层执行器输出相应的电压信号控制关节刚度的变化；

变刚度膝关节包括间隙连接的上连接件和下连接件，与上连接件固定连接的压盘，与下连接件固定连接的变刚度控制结构；压盘上设有环形槽，环形槽内壁至压盘中心的距离在180°范围内不等，当上连接件和下连接件之间因为力矩作用发生相对转动时，变刚度控制结构和压盘发生相对转动，由于不同范围内压盘内壁至中心点的距离不等，转动过程中变刚度控制结构受到径向力的作用发生形变，转动角度不同变刚度控制结构的形变量不同从而实现变刚度；上连接件包括圆环，圆环上表面设有螺纹孔，下连接件包括带有环形凸起的圆盘；压盘通过螺钉与上连接件圆环的上表面的螺纹孔连接，上连接件的圆环与下连接件的环形凸起间隙配合，变刚度控制结构通过U型压块和下连接件的圆盘连接；变刚度控制结构包括多个弹性元件和中心架；中心架上设有多个孔，每个孔内插入一个弹性元件，变刚度控制结构和压盘发生相对转动时，弹性元件沿压盘的环形槽转动；所述弹性元件包括一体成型的弹性元件基座和钢板弹簧；弹性元件基座包括弧形板和安装座，钢板弹簧设在弧形板的一侧，变刚度控制结构和压盘发生相对转动时，钢板弹簧沿压盘的环形槽内壁转动；安装座设在弧形板的另一侧，通过安装座实现与中心架的连接；压盘的环形槽分为两层，每层环形槽由两段曲率逐渐变大的弧形壁组成，两段弧形壁的最大和最小曲率分别相同，且一段弧形壁的大曲率一端和另一段弧形壁的小曲率一端相邻；各弹性元件顶端与两层环形槽内壁形成线接触，互为对角的弹性元件在同一层环形槽内接触，弹性元件在环形槽内壁曲率最小处处于无压缩状态；所述变刚度控制结构还包括多个压电材料和多个用于将压电材料的形变放大为径向形变的位移放大元件；每个压电材料嵌套在中心架的孔内，位移放大元件的一端嵌入中心架的孔内与压电材料接触，另一端与弹性元件连接；通过控制压电材料实现膝关节变刚度的可控；所述压电材料与底层执行器连接；

所述下肢外骨骼机器人还包括背板，柔性绑缚和踝关节机构；

信息采集单元包括足底压力数据采集子单元，人机交互力数据采集子单元和位置姿态数据采集子单元；足底压力数据采集子单元包括足底的压力传感器，采集运动过程中的足底压力信号；人机交互力数据采集子单元包括配置在柔性绑缚上的力/力矩传感器，采集运动过程中的人机交互信息；位置姿态数据采集子单元由配置在大/小腿处的姿态传感器、加速度传感器和倾角仪以及髋关节处的编码器组成，主要采集运动过程中的腿部姿态、位置及加速度信息；

方法包括如下步骤：

步骤（1）：将背板外侧的信息采集单元作为固定不动的参考点，构建下肢外骨骼机器人的数学模型；

步骤（2）：在穿戴者穿戴好下肢外骨骼机器人后，保持静止状态一定时间，进行各信息采集单元的初始信息采集与标定；

步骤（3）：在穿戴者进行运动时，通过足底压力数据采集子单元、人机交互力数据采集子单元、位置姿态数据采集子单元采集人体运动时的信息；

步骤（4）：将步骤（3）采集到的足底压力信息、人机交互力信息、位置姿态信息传递给嵌入式控制器；嵌入式控制器对外骨骼系统进行阻抗控制，使外骨骼跟随人体运动，嵌入式控制器控制底层伺服系统驱动相应的电机实现外骨骼系统的运动；

步骤（5）：当控制器对外骨骼的运动进行控制驱动时，髋关节处的编码器开始采集髋关节运动信息，控制器根据实时的信息计算出外骨骼系统所需最佳的关节刚度，控制器控制底层执行器输出相应的电压信号控制关节刚度的变化；

步骤（6）：信息采集单元实时测量外骨骼的运动学信息，监测底层伺服系统输出是否正确，将其作为反馈输入到控制器中，完成对外骨骼运动的闭环控制。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述嵌入式控制器设置在背板内，所述柔性绑缚用于穿戴机器人时的固定。