[发明专利]基于混联机构的仿人型下肢外骨骼构型方法

摘要

本发明公开了一种基于混联机构的仿人型下肢外骨骼构型方法。本方法的操作步骤为：1）基于人体解剖学和“拟人化”的构型设计思想，对下肢外骨骼进行自由度配置。2）根据仿人型下肢外骨骼自由度配置，设计了一种基于混联机构的仿人型下肢外骨骼构型，具体为6SPS+3SPS+1SPS+3SPS，单腿由3SPS+1SPS+3SPS的混联机构组成。3）以髋关节为例，对6SPS并联机构进行运动学仿真，结合实验所测的人体步态数据，验证了髋关节处的人机运动匹配效果。本发明具有创新性和仿真及实验依据，同时具有人机运动匹配精度高、承载能力大和稳定性高的突出优点，可解决现有下肢外骨骼构型无法实现对穿戴者下肢关节各个方向运动的主动驱动问题，对下肢外骨骼的构型设计具有重大的指导意义。

主权项

1.一种基于混联机构的仿人型下肢外骨骼构型方法，其特征在于操作步骤如下：a.基于混联机构的仿人型下肢外骨骼自由度配置由解剖学分析可知，人体下肢髋关节具有三个自由度，可实现屈‑伸、外展‑内收、外旋‑内旋运动，膝关节具有一个自由度，可实现屈‑伸运动，踝关节具有三个自由度，可实现屈‑伸、外翻‑内翻、外旋‑内旋运动；基于“拟人化”的构型设计思想，对下肢外骨骼构型进行自由度配置；为了协调支撑腿和上半身的运动，下肢外骨骼的髋关节(2)和踝关节(4)必须分别设置一个外展‑内收自由度；为了实现重心的转移，髋关节(2)和踝关节(4)的屈‑伸自由度是必不可少的；为了帮助身体达到它的目标位置，下肢外骨骼有时必须转动，所以需要在髋关节(2)和踝关节(4)上设置一个内旋‑外旋自由度；膝关节(3)设置一个屈‑伸自由度，可调节摆动腿的落地高度，实现上下台阶等步态运动；为了平衡下肢的运动，达到仿生效果，盆骨(1)设置6个自由度；综上，为了达到仿生目的，下肢外骨骼需要配置20个自由度，其中盆骨(1)有六个自由度，对单腿而言，髋关节(2)、膝关节(3)和踝关节(4)的自由度个数分别为三个、一个和三个；b.基于混联机构的仿人型下肢外骨骼构型设计根据仿人型下肢外骨骼自由度配置，设计了一种基于混联机构的仿人型下肢外骨骼构型，具体为6SPS+3SPS+1SPS+3SPS，单腿由3SPS+1SPS+3SPS混联机构组成，基于混联机构的仿人型下肢外骨骼构型采用6SPS并联机构(14)模拟盆骨运动，6SPS上并联机构(14)的上定环(5)与人体腰部固定；通过改变6SPS上并联机构(14)的上支撑杆(6)的长度，驱动上中动环(7)运动，从而带动髋关节运动；对于所提构型单腿而言，在6SPS上并联机构(14)的上中动环(7)上串联3SPS上中并联机构(15)模拟大腿绕髋关节的运动；通过改变3SPS上中并联机构(15)的中上支撑杆(8)的长度，驱动中动环(9)运动，从而实现对髋关节屈‑伸、外展‑内收、外旋‑内旋运动的主动助力；然后在3SPS中上并联机构(15)末端的中动环(9)上串联一个1SPS中下串联机构(16)，用于模拟小腿绕膝关节的运动；通过驱动杆(10)运动，实现下中动环(11)对膝关节屈‑伸运动的主动助力；中下串联机构(16)的末端串联一个3SPS下并联机构(17)，通过改变支撑杆(12)的长度，模拟足部绕踝关节的运动，实现3SPS下并联机构(17)的下动环(13)对踝关节屈‑伸、外翻‑内翻、外旋‑内旋运动的主动助力；c.基于混联机构的仿人型下肢外骨骼髋关节运动匹配为了验证基于混联机构的仿人型下肢外骨骼构型与穿戴者的运动匹配效果，以髋关节为例，结合实验所测的人体步态数据，对6SPS上并联机构(14)进行运动学仿真；6SPS上并联机构(14)的解析模型由一个上定环(5)、一个中上动环(7)和6根上支撑杆(6)即电缸组成，每个电缸分别与上定环(5)和上中动环(7)通过球面副连接；分别以上定环(5)中心点o₁，上中动环(7)中心点o₂为坐标原点建立上定环(5)和上中动环(7)坐标系o₁x₁y₁z₁、o₂x₂y₂z₂；6SPS上并联机构(14)单个电缸与上定环(5)和中上动环(7)分别交于点A_i(i＝1,…,6)和点B_i(i＝1,…,6)，选取6SPS上并联机构(14)上中动环上的点B₁和步态捕捉实验中穿戴者髋关节处的标记点作为参考对象，对运动学匹配效果进行验证；将实验所测的平地行走步态下的人体髋关节屈‑伸——俯仰角，外展‑内收——翻滚角，内旋‑外旋角——偏航角作为6SPS上并联机构(14)的运动学仿真目标轨迹；仿真结果与实验结果对比表明，基于混联机构的仿人型下肢外骨骼构型能够实现人机步态匹配效果，从而实现对穿戴者各个方向运动的主动助力。