一种基于可变柔性关节的下肢助力外骨骼机器人制造技术

本发明专利技术涉及一种基于可变柔性关节的下肢助力外骨骼机器人，其包括中控系统、髋关节连接机构、髋关节驱动器及设置在佩戴者大腿上的大腿连接机构；所述中控系统设置在佩戴者腰部，与所述髋关节驱动器电气连接，并通过所述髋关节连接机构与所述髋关节驱动器物理连接，用于接收所述髋关节驱动器发送的信息并控制所述髋关节驱动器的运行；所述髋关节驱动器与所述大腿连接机构连接，用于通过大腿连接机构感知佩戴者腿部的运动，并为佩戴者腿部运动提供助力。其通过髋关节驱动器感知佩戴者腿部动作意图，并为佩戴者腿部运动提供助力，提升佩戴者的行动能力。

Lower limb power assisted exoskeleton robot based on flexible flexible joint

The invention relates to a lower limb exoskeleton robot based on variable flexible joint, comprising a control system, hip, hip joint and drive connection mechanism arranged in the wearer of the thigh thigh connecting mechanism; the control system arranged in the waist of the wearer, connected with the hip drive electric, and through the hip joint is connected with the drive mechanism of the hip joint physical connection for receiving the hip drive to send information and controls the hip drive operation; the hip drive and the thigh link mechanism is connected with the connecting mechanism for the perception of the wearer, leg movement through the legs, and aid as the leg movements of the wearer. It senses the wearer's leg movement intention through the hip actuator, and provides power for the wearer's leg movements to improve the wearer's ability to move.

【技术实现步骤摘要】
一种基于可变柔性关节的下肢助力外骨骼机器人
本专利技术涉及康复机器人
，尤其涉及一种基于可变柔性关节的下肢助力外骨骼机器人。
技术介绍
随着生活水平的逐步提高和医疗条件的不断改进，中国人的平均寿命已经达到了70多岁，整个社会的老龄化趋势愈加明显，而老年人面临的一个常见问题即是行走能力的下降。行走能力的下降与缺失有多种原因，主要包括：视觉、平衡等系统缺陷导致的感知能力下降，脑卒中、脊髓外伤等神经系统损伤导致对机体控制能力下降，关节磨损导致活动时的疼痛导致行动的意愿缺失，髋、踝等大关节周围肌肉群中全部或部分肌肉为所造成的肌肉力量下降等。而针对行走能力的下降，常见的行走辅具只有拐杖、助行架、手动或电动轮椅等，使用者无法维持正常的步态，也因此会导致活动量的下降，从而引发一系列次生的健康问题如体重增加、心血管疾病风险加大等等。目前在世界范围内，行走助力外骨骼的研发是一个大趋势，与传统行走辅具相比，助力外骨骼可在很大程度上令佩戴者保持直立姿态，并尽量贴近正常行走的步态，对佩戴者的活动能力和生理、心理健康均有助益。国内外陆续已有部分行走助力外骨骼处于产品化的不同阶段，如以色列的Rewalk和日本的CyberdyneHAL。值得一提的是，目前虽有商业化产品，但尚未进入大规模的实际应用。按照所提供的功能，现有产品大致可分为如下几类：1、不考虑佩戴者意图的主动驱动、覆盖全下肢、需要佩戴者额外拄拐杖的外骨骼。代表产品为以色列的Rewalk、美国的EksoBionics。此类产品一般针对截瘫患者，其特点是体积庞大，结构复杂，价格高昂，对意外摔倒缺乏主动和被动保护机制，因此目前在市场上的反响并不好。2、基于肌肉电信号、覆盖全下肢、无需拄拐但只能在康复环境中使用的外骨骼。代表产品为日本Cyberdyne的HAL。此类产品基于采集的肌电信号驱动关节，因此病人可在一定程度上主动控制其运动并获得助力。但此类产品由于肌电信号采集本身的特点，受到汗液的影响其数据精确度会急剧下降。同时由于机械结构设计方面的缺失，其肢体运动轨迹并不符合人体工学，其主要应用范围仍然是康复机构内部，患者只能在在上半身相对固定的跑步机上慢走，进行功能恢复性训练，无法在日常生活中长期佩戴使用。3、基于角度传感器，覆盖大腿部分、出力较小的助力外骨骼。此类外骨骼代表为本田的SMA。其主要特点是轻便、体积小，佩戴简单，但限于基于角度传感器的刚性关节先天的安全性缺失，以及佩戴的舒适度，关节出力被限制在较小的水平，仅有4NM。而人在行走时髋关节的扭矩至少在60-120NM级别，其助力效果有限，仅能将步速从约1.2m/s提升至约1.3m/s。
技术实现思路
为克服现有技术存在的上述技术问题，本专利技术提供了一种基于可变柔性关节的下肢助力外骨骼机器人，其通过髋关节驱动器感知佩戴者腿部动作意图，并为佩戴者腿部运动提供助力，提升佩戴者的行动能力。本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于可变柔性关节的下肢助力外骨骼机器人，其包括中控系统、髋关节连接机构、髋关节驱动器及设置在佩戴者大腿上的大腿连接机构；所述中控系统设置在佩戴者腰部，与所述髋关节驱动器电气连接，并通过所述髋关节连接机构与所述髋关节驱动器物理连接，用于接收所述髋关节驱动器发送的信息并控制所述髋关节驱动器的运行；所述髋关节驱动器与所述大腿连接机构连接，用于通过大腿连接机构感知佩戴者腿部的运动，并为佩戴者腿部运动提供助力。在上述技术方案的基础上，本专利技术还可以做如下改进。进一步，所述髋关节驱动器包括伺服电机、与所述伺服电机连接的谐波减速机、与所述谐波减速机连接的环形力矩传感器和与所述环形力矩传感器连接的转矩输出盘；所述环形力矩传感器还与所述中控系统连接，用于监测佩戴者腿部关节扭矩，获得关节扭矩数据；所述中控系统根据所述关节扭矩数据控制所述伺服电机的转动，以通过所述转矩输出盘带动所述大腿连接机构运动，为佩戴者腿部运动提供助力。进一步，所述髋关节驱动器还包括角度编码器，所述角度编码器用于监测佩戴者腿部关节位移，获得关节位移数据；所述中控系统还根据所述关节位移数据控制所述伺服电机及谐波减速机的转动，以带动所述大腿连接机构运动，为佩戴者腿部运动提供助力。进一步，所述髋关节驱动器还包括输入端外壳、输入端内壳和输出端外壳；所述伺服电机、谐波减速机及环形力矩传感器均设置于所述输入端内壳内，所述转矩输出盘设置在所述输出端外壳内，所述输出端外壳与所述大腿连接机构刚性连接。进一步，所述输入端内壳靠近所述输出端外壳的侧壁上设置有限位件，所述输出端外壳靠近所述输入端内壳的一面上设置有凹槽，所述凹槽上开设有开口；当所述转矩输出盘转动时，所述输出端外壳随所述转矩输出盘转动，所述限位件在所述凹槽内运动，当所述限位件运动至所述开口处时，被卡设在所述开口中，限制了所述转矩输出盘的继续转动。进一步，还包括紧急解锁机构，所述紧急解锁机构内置在所述输入端内壳中；所述转矩输出盘通过所述紧急解锁机构与所述输出端外壳连接；当所述紧急解锁机构接收到外界发来的解锁信号时，所述紧急解锁机构与所述转矩输出盘或与所述输出端外壳断开连接，以停止对大腿连接机构的驱动。进一步，还包括外置的紧急解锁构件，所述外置的紧急解锁构件与为所述伺服电机提供电能的电池连接，用于紧急状况下断开电池与伺服电机的连接。进一步，所述大腿连接机构包括连杆、柔性绑带和用于包覆大腿的包覆式外壳；所述连杆与所述髋关节驱动器刚性连接，所述包覆式外壳设置在所述连杆上，并通过所述柔性绑带固定在所述大腿上。进一步，所述连杆为可伸缩结构。进一步，所述包覆式外壳与大腿接触的一面上设置有软垫。进一步，所述髋关节连接机构为刚性结构、单自由度活动结构或两自由度活动结构。进一步，还包括与所述大腿连接机构连接的膝关节被动机构和与所述膝关节被动机构连接的小腿连接机构，所述膝关节被动机构通过所述小腿连接机构设置在佩戴者的小腿上；所述小腿连接机构通过可调节绑带连接在佩戴者的小腿上。进一步，所述膝关节被动机构为单自由度结构、两自由度结构或三自由度结构的关节。进一步，还包括足底支撑机构，所述足底支撑机构与所述小腿连接机构连接。进一步，所述中控系统包括行走助力单元，所述行走助力单元用于接收所述环形力矩传感器发送的扭矩数据；当所述行走助力单元接收到同向的扭矩数据大于第一预设阈值时，其控制所述伺服电机转动以使得所述髋关节驱动器为佩戴者髋关节的移动提供同向的助力，以增加佩戴者髋关节的出力；当所述行走助力单元接收到反向的扭矩数据大于第二预设阈值时，其控制所述伺服电机转动以使得所述髋关节驱动器为佩戴者髋关节的移动提供反向的助力，以增加佩戴者髋关节的出力。进一步，所述中控系统还包括数据处理单元，所述数据处理单元用于接收、处理并存储所述环形力矩传感器获得的关节扭矩数据和所述角度传感器获得的关节位移数据。进一步，所述中控系统还包括动作限定单元和过载保护单元；所述动作限定单元用于根据所述角度编码器获得的关节位移数据监控佩戴者髋关节位移幅度；当监测到的关节位移幅度变化总量或速率大于第三预设阈值时，停止所述伺服电机的驱动或断开电源；所述过载保护单元用于根据所述环形力矩传感器获得的关节扭矩数据监控佩戴者关节移动力矩变化，当监测到关节移动力矩变化总量或速率大于第四预本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于可变柔性关节的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于，包括中控系统(1)、髋关节连接机构(2)、髋关节驱动器(3)及设置在佩戴者大腿上的大腿连接机构；所述中控系统(1)设置在佩戴者腰部，与所述髋关节驱动器(3)电气连接，并通过所述髋关节连接机构(2)与所述髋关节驱动器(3)物理连接，用于接收所述髋关节驱动器(3)发送的信息并控制所述髋关节驱动器(3)的运行；所述髋关节驱动器(3)与所述大腿连接机构连接，用于通过大腿连接机构感知佩戴者腿部的运动，并为佩戴者腿部运动提供助力。

【技术特征摘要】
1.一种基于可变柔性关节的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于，包括中控系统(1)、髋关节连接机构(2)、髋关节驱动器(3)及设置在佩戴者大腿上的大腿连接机构；所述中控系统(1)设置在佩戴者腰部，与所述髋关节驱动器(3)电气连接，并通过所述髋关节连接机构(2)与所述髋关节驱动器(3)物理连接，用于接收所述髋关节驱动器(3)发送的信息并控制所述髋关节驱动器(3)的运行；所述髋关节驱动器(3)与所述大腿连接机构连接，用于通过大腿连接机构感知佩戴者腿部的运动，并为佩戴者腿部运动提供助力。2.根据权利要求1所述的基于可变柔性关节的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于，所述髋关节驱动器(3)包括伺服电机(10)、与所述伺服电机(10)连接的谐波减速机(12)、与所述谐波减速机(12)连接的环形力矩传感器(13)和与所述环形力矩传感器(13)连接的转矩输出盘(14)；所述环形力矩传感器(13)还与所述中控系统(1)连接，用于监测佩戴者腿部关节扭矩，获得关节扭矩数据；所述中控系统(1)根据所述关节扭矩数据控制所述伺服电机(10)的转动，以通过所述转矩输出盘(14)带动所述大腿连接机构运动，为佩戴者腿部运动提供助力。3.根据权利要求2所述的基于可变柔性关节的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于，所述髋关节驱动器(3)还包括角度编码器，所述角度编码器用于监测佩戴者腿部关节位移，获得关节位移数据；所述中控系统(1)还根据所述关节位移数据控制所述伺服电机(10)及谐波减速机(12)的转动，以带动所述大腿连接机构运动，为佩戴者腿部运动提供助力。4.根据权利要求3所述的基于可变柔性关节的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于，所述髋关节驱动器(3)还包括输入端外壳(15)、输入端内壳(17)和输出端外壳(16)；所述伺服电机(10)、谐波减速机(12)及环形力矩传感器(13)均设置于所述输入端内壳(17)内，所述转矩输出盘(14)设置在所述输出端外壳(16)内，所述输出端外壳(16)与所述大腿连接机构刚性连接。5.根据权利要求4所述的基于可变柔性关节的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于，所述输入端内壳(17)靠近所述输出端外壳(16)的侧壁上设置有限位件(19)，所述输出端外壳(16)靠近所述输入端内壳(17)的一面上设置有凹槽(20)，所述凹槽(20)上开设有开口(21)；当所述转矩输出盘(14)转动时，所述输出端外壳(16)随所述转矩输出盘(14)转动，所述限位件(19)在所述凹槽(20)内运动，当所述限位件(19)运动至所述开口(21)处时，被卡设在所述开口(21)中，限制了所述转矩输出盘(14)的继续转动。6.根据权利要求4或5所述的基于可变柔性关节的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于，还包括紧急解锁机构(18)，所述紧急解锁机构(18)内置在所述输入端内壳(17)中；所述转矩输出盘(14)通过所述紧急解锁机构(18)与所述输出端外壳(16)连接；当所述紧急解锁机构(18)接收到外界发来的解锁信号时，所述紧急解锁机构(18)与所述转矩输出盘(14)或与所述输出端外壳(16)断开连接，以停止对大腿连接机构的驱动。7.根据权利要求6所述的基于可变柔性关节的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于，还...

【专利技术属性】
技术研发人员：张萌，
申请(专利权)人：张萌，
类型：发明
国别省市：北京,11