[发明专利]一种可变刚度下肢外骨骼助力机器人

摘要

本发明涉及一种可变刚度下肢外骨骼助力机器人，包括人机信息交互感知单元(100)、电控单元(200)、电液伺服驱动单元(300)和下肢外骨骼机械单元(400)。本发明下肢外骨骼机械单元(400)中的髋关节(2f)与髋关节连接件(1c)之间采用限位组合十字铰机构，并结合双向作用液压缸(321)，较好地拟合了人体髋关节空间结构，提高了穿戴的舒适性，并结合刚度可调的单向作用弹簧复位液压缸(3a)，满足了行走时快速响应、大力矩的需求并增加了行走的续航能力；采用足底压力信息采集单元(110)并结合腰部陀螺仪采集人体步态信息和姿态信息，并运用拐杖单元(120)，将穿戴者的运动意图引入到该外骨骼助力机器人协同控制中，提升了人机共融性与交互控制的协调性。 1

主权项

1.一种可变刚度下肢外骨骼助力机器人，包括人机信息交互感知单元(100)、电控单元(200)、电液伺服驱动单元(300)和下肢外骨骼机械单元(400)，其特征在于:

所述下肢外骨骼机械单元(400)用于穿戴在穿戴者身上；

所述人机信息交互感知单元(100)获取穿戴者步态信息、姿态信息和运动意图信息，并将这些信息发送至所述电控单元(200)；

所述电控单元(200)用于接收并识别所述人机信息交互感知单元(100)发送的信息，根据信息发出相应控制指令至所述电液伺服驱动单元(300)；

所述电液伺服驱动单元(300)用于接收所述控制指令，根据所述控制指令，完成所述下肢外骨骼机械单元(400)的启动、停止、关节助力行走与失稳时步态调整。

2.根据权利要求1所述的下肢外骨骼助力机器人，其特征在于，所述人机信息交互感知单元(100)包括足底压力信息采集单元(110)、拐杖单元(120)和腰部陀螺仪；其中，

所述足底压力信息采集单元(110)与所述腰部陀螺仪均设置于所述下肢外骨骼机械单元(400)上；

所述足底压力信息采集单元(110)用于采集人机协同行走时的足底压力信息，进而检测人体步态信息；

所述拐杖单元(120)用于支撑穿戴者，捕获穿戴者的运动意图信息并将所述运动意图信息传送给腰部陀螺仪；

所述腰部陀螺仪用于采集穿戴者穿戴外骨骼时的姿态信息并获取足底压力信息采集单元(110)与所述拐杖单元(120)所采集的信息，将这些信息发送至所述电控单元(200)。

3.根据权利要求2所述的下肢外骨骼助力机器人，其特征在于，所述拐杖单元(120)包括拐杖(121)、陀螺仪(122)和底部压力传感器(123)，所述陀螺仪(122)和所述底部压力传感器(123)设置于所述拐杖(121)上。

4.根据权利要求2所述的下肢外骨骼助力机器人，其特征在于，所述腰部陀螺仪与所述足底压力信息采集单元(110)及所述拐杖单元(120)均采用无线方式连接。

5.根据权利要求1所述的下肢外骨骼助力机器人，其特征在于，所述电控单元(200)包括外骨骼主控制模块、比例阀驱动放大控制模块、比例溢流阀驱动放大控制模块、电机驱动放大控制模块和电池模块，其中：

所述外骨骼主控制模块用于在检测出人体姿态与步态信息后，选择合适模式并计算出步态的安全区域以及防跌倒信息，根据算法控制所述比例溢流阀控制模块以控制液压缸助力大小，控制所述电机驱动放大控制模块以控制电机的输出流量，同时控制所述比例阀放大控制模块；

所述电池模块分别与所述外骨骼主控制模块、所述比例阀驱动放大控制模块、所述比例阀溢流驱动放大控制模块、所述电机驱动放大控制模块连接，用于控制电池的充电及放电。

6.根据权利要求1‑5任一所述的下肢外骨骼助力机器人，其特征在于，所述下肢外骨骼机械单元(400)包括左腿组件(1a)、右腿组件(1b)、髋关节连接件(1c)、腰带和背包(1f)；其中：

所述左腿组件(1a)和所述右腿组件(1b)的结构相同，二者均包括鞋底(2a)、踝关节连接板(2b)、小腿连杆(2c)、膝关节连接头(2d)、大腿连杆(2e)和髋关节(2f)，其中，

所述踝关节连接板(2b)设置于所述鞋底(2a)的外侧和所述小腿连杆(2c)的底部之间并与所述鞋底(2a)和所述小腿连杆(2c)连接；

所述膝关节连接头(2d)设置于所述小腿连杆(2c)顶部和所述大腿连杆(2e)底部之间并与所述小腿连杆(2c)和所述大腿连杆(2e)连接，所述髋关节(2f)设置于所述大腿连杆(2e)顶部并与所述大腿连杆连接；

所述髋关节(2f)设置于所述髋关节连接件(1c)的两侧并与所述髋关节连接件(1c)连接；

所述腰带设置于所述髋关节连接件(1c)的前端；

所述背包(1f)设置于所述髋关节连接件(1c)的顶部。

7.根据权利要求6所述的下肢外骨骼助力机器人，其特征在于，所述足底压力信息采集单元(110)包括：设置于所述踝关节连接板(2b)上的足底压力信息采集板(4a)以及设置于所述鞋底(2a)上面的四个力敏元件(4c)，所述足底压力信息采集板(4a)与四个所述力敏元件(4c)通过导线连接。

8.根据权利要求6所述的下肢外骨骼助力机器人，其特征在于，所述电液伺服驱动单元(300)包括液压模块(310)、髋关节驱动模块(320)和膝关节驱动模块(330)，其中：

所述液压模块(310)设置于所述背包(1f)内并通过油管分别与所述髋关节驱动模块(320)和所述膝关节驱动模块(330)连接；

所述髋关节驱动模块(320)包括两个髋关节液压缸(5g)，两个所述髋关节液压缸(5g)分别用于驱动所述左腿组件(1a)的髋关节(2f)和所述右腿组件(1b)的髋关节(2f)，进而驱动所述左腿组件(1a)和所述右腿组件(1b)的大腿连杆(2e)；

所述膝关节驱动模块(330)包括两个单向作用弹簧复位液压缸(3a)，两个所述单向作用弹簧复位液压缸(3a)分别用于驱动所述左腿组件(1a)和所述右腿组件(1b)的小腿连杆(2c)。

9.根据权利要求6所述的下肢外骨骼助力机器人，其特征在于，所述髋关节(2f)与所述髋关节连接件(1c)通过限位组合十字铰机构连接。

10.根据权利要求6所述的下肢外骨骼助力机器人，其特征在于，所述踝关节连接板(2b)和所述小腿连杆(2c)的底部通过限位组合十字铰机构连接。