[发明专利]一种变刚度膝关节及下肢外骨骼机器人

说明书

本发明属于机器人领域，具体涉及一种变刚度膝关节及下肢外骨骼机器人。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。本发明通过外部电信号的大小和数量来控制压电材料的压缩量；变刚度关节部分结构简单、刚度的调节范围大，可实现对关节刚度的非线性的实时控制。

技术领域

本发明属于机器人领域，具体涉及一种变刚度膝关节及下肢外骨骼机器人。

背景技术

随着人类社会科学技术的进步，人们已经逐渐无法满足于身体极限的突破，转而开发能够增强人体性能的辅助设施，因此，外骨骼逐渐进入人们的视野。从工程机电学角度来说，外骨骼系统是为其穿戴者增强物理能力的一种机电可穿戴设备。这种装备在军事领域，可以使士兵携带更多的武器装备，增强士兵的运动能力，有效提高单兵作战能力；在民用领域，可以广泛用于消防、救灾等车辆无法通行又需要背负沉重物资或搬运伤员等情况；在医疗领域，下肢外骨骼机器人还可以辅助残疾人、老年人行走，也可以帮助暂时丧失运动能力的患者进行人体机能恢复训练，因此具有广泛前景。由于外骨骼机器人的刚度目前无法达到与人体相匹配的水平，严重影响人机融合，因此柔性外骨骼成了外骨骼领域的一个研究热点。

在外骨骼的设计中，由于机械机构关节的刚度不可变，在实际的使用中带来了一系列的问题：

在穿戴式的外骨骼领域，不同的穿戴者由于自身的特异性，使得不同的穿戴者在达到相同的运动要求时对关节的强度、刚度、柔顺性等的要求不同，现有的外骨骼关节无法满足这一要求。

现有的关节多是电机驱动的主动型关节，同一穿戴者在进行不用的运动时对关节的冲击程度不同，机器人传动系统和关节过大的刚度对关节的冲击损伤严重。

现有的拥有变刚度关节的外骨骼机器人均是通过弹簧、绳索等方式实现关节变刚度，不能对关节的刚度实现主动的控制，更无法实现对刚度的非线性控制，无法有效解决外骨骼机器人在实际应用中的问题。

现有的外骨骼膝关节在运动过程中除了受驱动电机的力矩外，还会因为外骨骼和人体的运动幅度不一致产生干涉力矩，会影响关节的使用寿命和功能。

在申请号为201811643893.6的中国专利申请中，公开了一种机器人变刚度关节，该关节的刚度是通过关节转动时机械内部结构的变化使叶片弹簧的形变量发生改变，实现变刚度。其缺点在于：首先，一个转动角度对应一个刚度，这使得刚度的调节范围有限；其次，转动角度和刚度一一对应的关系使得该型关节的使用范围在极大地程度上受到限制，尤其在外骨骼领域，若要达到舒适性和灵活性等要求，每一个使用者可能需要一个根据自身特性设计的关节，这使得通用性不强。

在申请号为201910800409.4的中国专利申请中，公开了一种压电式变刚度弹性关节，该关节可实现对关节刚度的主动控制，但是也有明显的缺点。该变刚度关节主要通过压电作动器改变扭转弹簧的扭转刚度来改变关节的刚度，可是该关节的转动角度极小，不适合大角度转动关节的刚度控制，使用范围有限。

在申请号为201711065264.5的中国专利申请中，公开了一种变刚度下肢外骨骼机器人，该机器人可实现对外骨骼系统刚度的控制，但是也有明显的缺点：该变刚度外骨骼机器人主要通过变刚度驱动器控制外骨骼机械结构的刚度，使外骨骼机构具有柔顺性，可是并没有针对在运动状态中具体的关节处产生的冲击。