[发明专利]用于穿戴式外骨骼的主被动混合可控的关节助力缓冲装置

说明书

本发明为一种用于穿戴式外骨骼的主被动混合可控的关节助力缓冲装置。包括关节上下连接杆，陀螺仪角度传感器，动力机构和上下连接杆绑缚机构；动力机构包括电机、电磁离合器、电磁制动器、缓冲机构、齿轮传动机构；当主动助力时，通过电磁制动器将缓冲机构和关节下连接杆隔离，通过电机和电磁离合器实现关节的主动屈/伸运动，增强关节能动；当被动缓冲时，通过电磁离合器将电机和关节隔离，通过电磁制动器使缓冲机构将被动扭矩力经齿轮传动机构传递到关节运动中。本发明通过控制离合器和制动器的通断可实现人体关节主动助力，在无助力下也不妨碍关节自由运动，能在跌倒等突发情况时引入缓冲保护关节和电机，具有更好人机协同性以及穿戴安全性。

技术领域

本发明属于外骨骼机器人领域，具体涉及一种用于穿戴式外骨骼的主被动混合可控的关节助力缓冲装置。

背景技术

科技学技术蓬勃发展，人民的生活水平大幅度提高，医疗水平与物质条件得到大大改善，人们已经逐渐开发出能够增强人体性能的医疗辅助设施，尤其是穿戴式外骨骼机器人，穿戴式外骨骼系统在军事与民用方面都有广泛的运用。随着外骨骼快速发展，关节系统作为外骨骼领域关键技术之一，其设计尤为重要，特别是可靠性、人机工程、助力效率方面，迫切要求外骨骼关节装置向集成化、舒适度、高效助力和缓冲保护的方向发展。基于助力效果、舒适性、安全性、可靠性的需求，应采用集人机协调、高助力效果于一体的设计途径，高集成的关节装置能够实现人体关节的助力增强和缓冲保护。

外骨骼系统可用来减少肌肉和骨骼的负荷，按照关节装置驱动能量的使用形式可分为“主动式”或“被动式”两种。主动关节装置包括一个或多个执行器，用以帮助增强人体特定关节的力量，被动关节装置不需要额外能量，只需要弹簧等有弹性的元件来提供恢复力矩和缓冲保护。现有的关节装置多是电机驱动的有源主动式关节，可增强穿戴者的关节运动能力，辅助人体运动，提高人体的机能，但是当穿戴者使用不慎跌倒时，关节下部肢体相对地面静止，由于关节装置没有缓冲保护，此关节上部的肢体会以关节为转动轴快速转动，人体重力对关节造成冲击并损伤关节以及对电机造成转动扭矩冲击。而现有的被动关节装置具有缓冲保护人体关节的作用，但是不能对关节实现主动的助力控制，无法实现关节能力增强。

目前，可穿戴式外骨骼关节装置形式多样，但结构复杂、功能单一、集成化程度低、穿戴舒适性差、控制系统复杂等仍是亟待解决的问题。大多数产品只能完成缓冲保护或主动助力的单一目标，无法有效应对复杂多变的工作环境及突发状况。

申请号CN201910152496.7的中国专利申请公开了一种膝关节外骨骼装置，在装置中通过单转轴转动实现关节旋转运动，可提供稳定单自由度关节转动。这种单转轴结构虽然构造简单，可辅助穿戴者维持全蹲或半蹲状态，但功能单一、自动化程度低且无法实现主动助力效果，在突发状况时也易对人体造成损伤。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于穿戴式外骨骼的主被动混合可控的关节助力缓冲装置，以解决上述背景技术中提出的可穿戴式外骨骼关节装置结构复杂，功能单一，以及大多数关节装置不能完成缓冲保护和主动助力的双重功能，无法有效应对复杂多变的工作环境及突发状况的问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种用于穿戴式外骨骼的主被动混合可控的关节助力缓冲装置，包括关节上连接杆，陀螺仪角度传感器，动力机构，关节下连接杆，上连接杆绑缚机构和下连接杆绑缚机构；

所述动力机构包括动力机构壳体、一体化关节驱动电机、电磁离合器、电磁制动器、内部旋转缓冲机构、主动齿轮以及从动齿轮；所述动力机构壳体设有上下两个腔室，一体化关节驱动电机、电磁离合器、关节下连接杆和主动齿轮依次安装在下腔室内，电磁制动器、内部旋转缓冲机构和从动齿轮依次安装在上腔室内，主动齿轮和从动齿轮啮合，陀螺仪传感器通过螺钉固定在动力机构壳体上部进行运动信息采集；