[发明专利]仿生下肢外骨骼构型及其人机耦合步态轨迹优化方法

说明书

本发明公开了一种仿生下肢外骨骼构型及其人机耦合步态轨迹优化方法。本发明的仿生下肢外骨骼构型，包括仿生髋关节外骨骼、仿生膝关节外骨骼和仿生踝关节外骨骼三个主要部分。其人机耦合步态轨迹优化方法步骤：1)结合虚拟仿真技术搭建了由人体生理结构和外骨骼机械结构耦合构成的双链刚体仿真模型，2)利用遗传基因优化算法对人机耦合系统的步态轨迹进行了仿真实验研究，使人机耦合系统的步态轨迹更加接近自然状态。

技术领域

本发明涉及一种仿生下肢外骨骼构型及其人机耦合系统步态轨迹优化方法，应用于下肢外骨骼设计与仿真领域。

背景技术

下肢外骨骼系统是近年来的研究热点，由人体、机械结构、传感设备、执行单元和计算中心共同组成，是人机工程学、机械、电子电力、计算机等学科的交叉产物，用来实现人机协同运动，达到延伸人体机能极限和感官维度的目的。穿戴式外骨骼应该是拟人化的，并且需要符合人体工程学。人体下肢生理构造的复杂性给外骨骼的仿生结构设计带来了严峻挑战，主要原因是人体骨骼结构、肌肉位置、运动习惯以及在各种情况下的关节力矩均是经过漫长进化自然选择的结果，这就导致利用现代化的科学技术实现与人体相同运动相同效果时需要慎重考虑结构尺寸、自由度布置、运动范围以及驱动关节位置设计等参数。

由于机械结构设计的局限性以及动力执行系统的限制，外骨骼构型设计需要在逼近人体生理构造和制造可行性之间做出合理的权衡，以保证兼容穿戴者的同时降低外骨骼设计制造的复杂性。拟人型外骨骼结构力求在运动学上精确地匹配穿戴者的各关节运动自由度，从而使得外骨骼能够具有与人体相同的运动空间，但以目前的通用技术，很难设计出和人体关节相一致的机械关节；非拟人型外骨骼构型的挑战难点是很难找到与人体下肢完全异构的设计来完美复现人体下肢的众多运动。伪拟人型结构则与前两者共享属性，其架构与拟人型相似但不完全相同。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术的不足，提供一种仿生下肢外骨骼构型及其人机耦合系统步态轨迹优化方法，为下肢外骨骼构型设计提供一种灵活可靠的结构设计方案，实现对穿戴者的下肢生理运动信息的准确感知。提供了一套通用的整体结构设计方案，包括仿生髋关节外骨骼、仿生膝关节外骨骼、仿生踝关节外骨骼三个主要部分。在实际运用中，可以根据实际外骨骼构型设计需求独立拆分出相应的部分，单独作为一个子系统使用。结合虚拟仿真技术搭建了由人体生理结构和外骨骼机械结构耦合构成的双链刚体仿真模型，利用遗传基因优化算法对人机耦合系统的步态轨迹进行了仿真实验研究，使人机耦合系统的步态轨迹更加接近自然状态。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种仿生下肢外骨骼构型包括仿生髋关节外骨骼、仿生膝关节外骨骼和仿生踝关节外骨骼三个主要部分，其特征在于：所述三个主要部分依次铰链构成仿生下肢外骨骼。

所述仿生髋关节外骨骼为三自由度髋关节外骨骼构型，采用关节串联式结构，包括腰部绑带、腰部固定架、背部固定架、髋展收连杆、屈伸连杆、髋内外旋连杆、大腿固定架以及大腿绑带，三个转动关节的中心轴线与生理关节的运动自由度轴线保持重合和平行而形成屈伸自由度、展收自由度和内外旋自由度；腰部绑带选用医疗康复中常用的腿部医用绑带，经过剪裁和缝制两幅绑带得到适配腰部尺寸的柔性固定绑带，腰部固定架为刚性腰部固定架，通过与腰部绑带内部夹合的方式用螺栓固定，在腰部固定架与髋展收连杆、髋展收连杆与髋屈伸连杆、髋屈伸连杆和髋内外旋连杆之间，顺次使用旋转式滑动变阻器进行转动副配置，最后将大腿固定架与大腿绑带通过内部夹合的方式螺栓固定。

一种仿生下肢外骨骼构型及其人机耦合步态轨迹优化方法，采用本发明仿生下肢外骨骼构型进行操作，操作步骤如下：

a.人机外骨骼耦合模型搭建：