[发明专利]一种无源外骨骼下肢可调节助力大小的关节结构及机器人

说明书

本发明公开一种无源外骨骼下肢可调节助力大小的关节结构,其包括关节基座、关节转臂、卷簧部、棘轮部和棘爪锁定部，关节基座和关节转臂之间具有一个自由度，该自由度所在的轴线与人体关节同轴，卷簧部设置于关节基座和所述关节转臂之间，卷簧部至少部分嵌设于关节基座内与之转动连接；棘轮部设置于关节基座的外部，并且与卷簧部位于关节基座内部的侧面固定连接；棘爪锁定部设置于关节基座的上方，用于将卷簧部具有扭矩力传递至关节基座，本关节结构可以在符合人体外骨骼运动学的正常行走下，对关节结构的辅助力可调节，从而可以适应不同的应用场景和不同的使用者，另外，在一定程度上可缓解使用者的做往复蹲起负重工作的关节损伤。

技术领域

本发明涉及人体穿戴的无源外骨骼机器人技术领域，具体涉及一种无源外骨骼下肢可调节助力大小的关节结构及机器人，该设备通过在下肢膝关节和腰关节处提供可以适配调节的辅助转矩以增强穿戴者下肢力量和耐性，缓解穿戴者长时间工作造成重复性劳损，对于执行工作面在底面上的重复任务非常有效，可应用于军事、工业、救援、医疗、商业等领域。

背景技术

随着社会发展，全球老龄化、医疗康复以及抢险救灾等问题愈发突出，外骨骼机器人作为一种能够辅助并增强人体机能的穿戴式机器人，其可以将人体的智力与机器人的体力进行完美结合，实现单纯机器人完成不了的复杂运动，具有非常广泛的应用前景。

面向蹲起负重的下肢膝关节和腰关节外骨骼是外骨骼机器人研究的重要分支，主要用于辅助人体负重起立、搬运物资起立等方面。目前外骨骼按其能量来源可分为：电机驱动、气动驱动、液压驱动以及被动储能。

上述驱动源主要利用传感器感知人体运动意图，并通过控制程序驱动执行机构将力施加于穿戴者，均属于主动有源外骨骼。现阶段由于意图感知、柔顺控制等的技术瓶颈，经常会引起穿戴者的不适，同时由于其系统复杂，存在可靠性低、成本高、续航短、穿戴体验差的缺点。为解决上述问题，被动无源的外骨骼慢慢成为主流方案之一。

现有下肢腰关节和膝关节助力无源外骨骼主要通过机械装置在下肢蹲起运动过程为其提供固定大小辅助力，但由于尺寸、重量的限制，其输出转矩都固定值，仅能针对已知轻小负载，提供一定比例的助力，无法满足不同工作场景的转矩助力的需求，需要为特别人群和特别应用场景预定生产，这会导致产量降低，无法普及，实用性交底，另外，由于特别预定，还会增加成本。根据需求分析，下肢膝关节和腰关节助力外骨骼需要根据不同的穿戴者和不同的搬运起立场景的不同驱动力来保证驱动关节合理输出符合人体承受极限的转矩力，需要较小的质量和体积功率比来实现外骨骼在室外等复杂环境中独立工作的能力。如在医疗康复领域应用于患者穿戴时，患者做蹲起训练时或者辅助老年人起立时，由于膝关节和腰关节的转矩力无法调整，较小时，无法具有辅助力量受限的患者或老年人起立，较大时，蹲起训练效果无法达到，并且蹲下的时候由于关节的反作用力较大，会对穿戴者腿部及关节造成损伤；在运输工业中应用于操作工人穿戴时，由于膝关节和腰关节的转矩力无法调整，对于需要做往复蹲起工作的工人来说，小转矩的辅助力无法满足需求，导致操作工人十分疲累。因此，对尺寸、重量、输出转矩、穿戴舒适性有严格要求的下肢膝关节和腰关节助力外骨骼来说，可调节的转矩助力问题亟待解决。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种无源外骨骼的下肢可按需调配助力大小的关节结构，为适配增强不同穿戴者在不同应用场景、不同腿部力量和耐性需求提供结构简单、运动灵活的解决方案，能够实现对穿戴者较为舒适助力的重量负载的蹲起起立。

一方面，本发明提供一种无源外骨骼下肢可调节助力大小的关节结构，其包括关节基座、关节转臂、卷簧部、棘轮部和棘爪锁定部；

所述关节基座和所述关节转臂之间具有一个自由度，该自由度所在的轴线与人体关节同轴，使得关节基座和关节转臂所连接的外骨骼下肢的大小腿之间的符合人体运动学的反关节转动；

所述卷簧部设置于所述关节基座和所述关节转臂之间，用于在所述自由度的轴线方向上固定所述关节基座和所述关节转臂；优选的，所述卷簧部至少部分嵌设于所述关节基座内与之转动连接；