[发明专利]基于轻量化双向驱动助力的膝部柔性外骨骼装置及外骨骼

说明书

本发明提供了一种基于轻量化双向驱动助力的膝部柔性外骨骼装置，包括固定模块、控制模块、动力模块、拉伸模块和感知模块；所述固定模块包括背包和固定硬板，所述固定硬板固定在所述背包的内部；所述控制模块和所述动力模块固定在所述固定硬板上；所述动力模块包括一个电机、电机驱动模块和供电电源；所述电机驱动模块与所述控制模块相连，所述拉伸模块与所述电机相连，所述电机内设置差动齿轮机构，通过拉伸模块分时驱动两条腿；所述感知模块设置在所述拉伸模块上，并与所述控制模块无线连接。本发明采用双向驱动方式，实现双向的分时控制，即在摆动腿的动力传导时，支撑腿不受力，有效解决两侧不对称分时助力的问题。

技术领域

本发明涉及仿生机器人技术领域，具体地，涉及基于轻量化双向驱动设计的助力膝部柔性外骨骼及外骨骼。

背景技术

随着对下肢外骨骼的广泛研究，越来越多的学者开始研究下肢外骨骼的某个单一关节。由于人体正常行走时，膝关节的转动中心是动态变化的，因此增加了下肢外骨骼膝关节的研究难度，与此同时如何提高刚性下肢外骨骼与人体柔性关节之间的贴合度也成了下肢外骨骼研究的热点。在过去的二十年中，已经提出了许多下肢机器人外骨骼用于军事，目标为增强穿戴者力量和耐力。这些装置中的大多数由刚性结构组成，这些刚性结构有利于支撑所承载的负载或体重，并为佩戴者产生高辅助力。但是，当外骨骼关节与生物关节未对齐或有不支持的自由度存在时，刚性外骨骼会干扰穿戴者的自然运动。越来越多的下肢机器人可穿戴设备被开发出来，通常是为了增加或者辅助人体行走。这些设备中多包含刚性的承重结构，将重力引导在地面，同时跟踪或者向穿戴者关节提供助力。有一些用于截瘫者。另一些用于步行辅助，作用方式是不将重力引导在地面，这些设备多用于帮助残疾人。其他的旨在提供帮助健康者，以减少穿戴行走时能量消耗，或者增强耐力。目前社会经济在快速发展，人口数量也在增加。伴随着人口老龄化的程度空前居高，养老问题家庭责任负担日益增加。同时，由于各种交通事故造成人体腿部受伤的交通事故多有发生。从而使得助力助残人的问题变得更加迫切。因此在帮助人口老龄化，下肢力量不足的残疾人，老、弱、残患者行正常行走时研制外骨骼装置十分必要。同时增强穿戴者行走时耐力也尤为重要。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于轻量化双向驱动助力的膝部柔性外骨骼及外骨骼。

本发明的目的是通过以下方案实现的：

本发明的第一方面提供一种基于轻量化双向驱动助力的膝部柔性外骨骼装置，包括固定模块、控制模块、动力模块、拉伸模块和感知模块；

所述固定模块包括背包和固定硬板，所述固定硬板固定在所述背包的内部；所述控制模块和所述动力模块固定在所述固定硬板上；

所述动力模块包括一个电机、电机驱动模块和供电电源；所述电机驱动模块与所述控制模块相连，所述拉伸模块与所述电机相连，所述电机内设置差动齿轮机构，通过拉伸模块分时驱动两条腿；

所述感知模块设置在所述拉伸模块上，并与所述控制模块无线连接，所述感知模块包括一种或多种传感器，例如位姿传感器，拉力传感器，足底压力传感器，肌电传感器，耗氧量测量仪。

进一步地，所述控制模块包括嵌入式控制系统、CAN通信模块和电源，所述电源用于给所述嵌入式控制系统和所述CAN通信模块供电，所述嵌入式控制系统与所述CAN通信模块相连，所述CAN通信模块与所述电机驱动模块相连。

进一步地，所述拉伸模块包括两条鲍登线、腰部固定装置和两个大腿固定装置，所述鲍登线用于串联所述电机、所述腰部固定装置和大腿固定装置；所述感知模块包括三个位姿传感器，所述三个位姿传感器分别位于所述腰部固定装置和所述大腿固定装置的后侧，用于感知腰部的状态和大腿的运动状态，并实时向所述控制模块反馈信息。

进一步地，所述鲍登线与所述腰部固定装置的固定点在腰部的前侧，所述鲍登线与所述大腿固定装置的固定点在大腿的前侧。电机的驱动通过鲍登线传达到腰部前侧，并拉伸腰部固定装置前侧和大腿固定装置的前侧的距离，以达到对人行走的助力。