一种轻型离合式助力外骨骼装置及其控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种轻型离合式助力外骨骼装置及其控制方法，可以模拟人体运动、辅助人体进行负重，包括自上而下依次设置的背架、腰部机构、髋关节、膝关节、踝关节及足部。本发明专利技术具备多个自由度，可模拟人体的多种运动，能较好的实现与人体运动的匹配；采用离合式的关节驱动助力方式，所需传感硬件要求低，便于控制实现，并且离合式驱动能与本发明专利技术结构进行一体化设计，有效降低本发明专利技术质量及体积。本发明专利技术结构简单可靠、集成度高、控制简易，可用于增强穿戴者负重能力及助力行走，有效降低人体负重运动的疲劳感。

A light clutch type exoskeleton device and its control method

The invention discloses a light-duty clutch assisted exoskeleton device and a control method thereof, which can simulate human movement and assist human body to bear weight, including the back frame, waist mechanism, hip joint, knee joint, ankle joint and foot, which are arranged from top to bottom. The present invention has multiple degrees of freedom, which can simulate a variety of movements of the human body, can achieve better matching with human motion; the clutch joint driving power, the required sensing hardware requirements low, easy to control, and clutch type drive for the integration of design and the structure of the invention, the invention can effectively reduce the quality and volume. The invention has the advantages of simple and reliable structure, high integration and simple control, and can be used to enhance the wearability of wearers and assist walking, and effectively reduce the fatigue feeling of human body bearing exercise.

【技术实现步骤摘要】
一种轻型离合式助力外骨骼装置及其控制方法
本专利技术属于仿生技术，具体涉及一种轻型离合式助力外骨骼装置及其控制方法。
技术介绍
可穿戴式外骨骼助力系统是一种可穿戴在人体身上的伴随式智能装备，通过同步“跟随”人体运动，辅助或代替人体承重及机动，突破人体体能极限，大幅度提高人体的负重机动能力/持久作战能力。目前，该系统主要应用于人体下肢康复训练及辅助人体进行负重，可在反恐维稳、抢险救灾、助残与康复医疗等多领域得到广泛应用和推广。迄今为止，尽管针对类似的穿戴式外骨骼助力系统的研究已取得了部分进展，但距离实用还有很长一段路要走。如申请号为201410063123.X的中国专利申请公开了一种适用于外骨骼辅助支撑机器人的具有膝关节参数测量的大小腿装置，所述大小腿装置采用液压缸驱动，提高了外骨骼辅助支撑机器人的响应速度和承载能力，但液压缸驱动需要液压源，从而导致外骨骼辅助支撑机器人的体积和质量较为庞大，且液压系统容易出现油液渗漏问题。如申请号为201610511532.0的中国专利申请公开了下肢助力外骨骼机器人，所述下肢助力外骨骼机器人的髋关节和膝关节均由电机驱动，具备较好的助力效果，并且两处关节均具有限位开关，安全性较高，但所述下肢助力外骨骼机器人结构复杂，且多个关节驱动会带来机器人质量及体积增大问题。另外，上述两个中国专利申请的机械零件结复杂，加工制造及装配困难。又如申请号为201610614958.9的中国专利申请公开了一种智能下肢助力装置的在线步态规划系统及方法，所述智能下肢助力装置根据肌电采集单元、惯性采集单元采集的信息，提取特征，并与步态模型库匹配，得到预测关节角度，以在线控制智能下肢助力装置的步态；但其所使用的传感器数量众多，且均布置于穿戴者身上，穿戴不方便，舒适度较差，并且对人体信息的采集处理复杂、耗时长，同时所述控制算法计算流程冗长、繁复，将导致人机交互性感知速度慢、控制系统处理信号到发出指令时间长，最终使得外骨骼系统与穿戴者的步态协调一致性较差，穿戴效果不良。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种轻型离合式助力外骨骼装置及其控制方法，解决外骨骼的复杂机构设计及控制方法的问题。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种轻型离合式助力外骨骼装置，包括背架、腰部机构和两组腿脚机构，腰部机构与背架底部转动相连，两组腿脚机构对称设置在腰部机构两端，通过转动连接；所述腿脚机构包括自上向下依次固连的髋关节、膝关节、踝关节和足部，其中髋关节顶部与腰部机构转动相连。所述髋关节包括髋轴向固定件、髋上连接件、髋主离合片、髋复位簧、髋从离合片、髋滚针轴承、髋下连接件、髋电磁吸盘、髋扭簧和髋固定壳；髋上连接件包括髋第一圆柱体和J形连接板，J形连接板的底端开有腰连接圆孔，通过腰连接圆孔与腰部机构转动连接，J形连接板的顶端固连在髋第一圆柱体的侧壁上，连接处设有髋扭簧固定孔，髋第一圆柱体的一端中心开有髋齿槽，髋齿槽外圈开有髋环形凹槽，另一端开有髋轴向固定通孔；髋主离合片的顶面设置有髋第一环状牙形齿，中心设置有髋吸磁圆柱，髋吸磁圆柱四周设置有髋圆环凹槽，髋主离合片侧壁设置有髋第一矩形齿，嵌入髋第一圆柱体的髋齿槽内；髋复位簧套在髋吸磁圆柱上，一端嵌入髋圆环凹槽中；髋从离合片外壁上设置有髋第二矩形齿，一个端面设置有髋第二环状牙形齿，另一端面上设置有均布螺纹孔；髋下连接件包括髋L形连接件和髋圆环，髋圆环侧壁固连在髋L形连接件的顶部，髋圆环的一端面上设置有髋矩形凹槽，另一端面上设有均布沉头孔，髋L形连接件末端设置有髋半圆槽，髋半圆槽两侧设置有螺纹孔，髋L形连接件的拐角处附近设置有髋轴向连接螺纹孔，髋L形连接件底端开有髋矩形槽孔，底端侧面设置有两块髋夹紧片，两髋夹紧片上分别开有沉头孔及螺纹孔；髋从离合片通过髋第二矩形齿及髋矩形凹槽，嵌入髋圆环内，并通过螺钉固定；髋滚针轴承套在髋圆环上，并嵌在髋环形凹槽内，径向固定髋下连接件；髋电磁吸盘嵌在髋圆环中间，磁性一端与髋从离合片的端面接触；髋轴向固定件上端设置有髋突出圆柱，嵌入髋上连接件的髋轴向固定通孔中，下端设置有髋轴向连接孔，通过螺钉穿过髋轴向连接孔、髋轴向连接螺纹孔与髋下连接件固连，将髋上连接件、髋主离合片、髋复位簧、髋从离合片、髋滚针轴承夹在中间；髋扭簧套在髋L形连接件及髋第一圆柱的外壁上，髋扭簧的一端嵌入髋半圆槽内，另一端插入髋扭簧固定孔，髋固定壳中间开有三个髋固定孔，通过螺钉穿过髋固定孔，分别与髋下连接件及髋电磁吸盘固连，并固定髋扭簧；膝关节的一端插入髋矩形槽孔中，并通过髋夹紧片夹紧固定。一种基于轻型离合式助力外骨骼装置的控制方法，方法步骤如下：步骤1、穿戴者穿戴上述轻型离合式助力外骨骼装置，转入步骤2；步骤2、开机后，穿戴者保持站立静止状态若干时间，等待上述装置的传感器采集初始信息，并根据初始信息设定阈值，转入步骤3；步骤3、控制系统实时检测两只足部的足底压力传感器的压力信号值，并与设定阈值进行大小比较，转入步骤4；步骤4、当两只足底压力传感器的信号值均大于设定阈值时，转入步骤5；当仅一只足底压力传感器的压力信号值大于设定阈值时，转入步骤6；当两只足底压力传感器的信号值均小于设定阈值或无时，转入步骤7；步骤5、控制系统控制两腿脚机构的髋、膝关节离合接合，转入步骤8；步骤6、控制系统控制足底压力信号大于阈值的一条腿脚机构的髋关节离合以高频率不断接合、分离，膝关节保持接合，无信号或信号小于阈值的腿脚机构的髋、膝关节离合分离，转入步骤8；步骤7、控制系统控制两组腿脚机构的髋关节、膝关节离合均分离，转入步骤8；步骤8、返回步骤3，实现穿戴者与所述轻型离合式助力外骨骼装置之间的协调运动。本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于：（1）本专利技术零部件结构简单，大部分零件可通过高强度、轻质的铝合金进行制作，易于加工、装配，降低整体装置成本，同时可有效减轻装置质量，降低穿戴者在运动过程中的负担；（2）本专利技术的背架系统具备多自由度，可模拟人体地脊柱进行前向弯曲，同时该背架的置物板可折叠，缩小本专利技术的占用空间，以适应更多场合；（3）本专利技术将髋、膝关节驱动设计与其本体结构设计融为一体，大大降低了关节驱动所需元件，减轻了本专利技术的质量及体积负担，同时髋、膝关节的离合式刚性支撑助力效果更优，并且较一般的驱动系统控制更简单，另外髋、膝关节的驱动核心零件相同，具备互换性，提高零部件的利用率，维护修理更加便捷；（4）踝关节处设有缓冲机构，通过缓冲材料及油压缓冲器进行减振，可有效降低装置行走过程中零部件之间的刚性碰撞，提高本专利技术寿命；（5）本专利技术具备足够的自由度，以确保在穿戴时，可与人体较为贴合地实现同步运动：髋部的内收/外展及屈/伸自由度与人体髋关节关节自由度较为匹配；膝关节自由度能通过调节装置大小腿长度与人体膝关节旋转近似中心相匹配，实现模拟人体膝关节的屈/伸运动；踝关节结构紧凑，采用球铰式设计，可方便实现踝关节的屈/伸、内翻/外翻等动作；（6）本专利技术控制思路简单易实现，控制所需传感硬件要求低、数量少，可有效降低控制的复杂程度。附图说明图1是本专利技术轻型离合式助力外骨骼装置总体结构示意图。图2是本专利技术背架爆炸图。图3是本专利技术腰部机构爆炸图。图4是本专利技术髋关节爆炸图。图5是本专利技术膝关节爆炸图。图6是本专利技术踝关节爆炸图。图7本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种轻型离合式助力外骨骼装置，其特征在于：包括背架（1）、腰部机构（2）和两组腿脚机构，腰部机构（2）与背架（1）底部转动相连，两组腿脚机构对称设置在腰部机构（2）两端，通过转动连接；所述腿脚机构包括自上向下依次固连的髋关节（3）、膝关节（4）、踝关节（5）和足部（6），其中髋关节（3）顶部与腰部机构（2）转动相连；所述髋关节（3）包括髋轴向固定件（301）、髋上连接件（302）、髋主离合片（303）、髋复位簧（304）、髋从离合片（305）、髋滚针轴承（306）、髋下连接件（307）、髋电磁吸盘（308）、髋扭簧（309）和髋固定壳（310）；髋上连接件（302）包括髋第一圆柱体和J形连接板，J形连接板的底端开有腰连接圆孔，通过腰连接圆孔与腰部机构（2）转动连接，J形连接板的顶端固连在髋第一圆柱体的侧壁上，连接处设有髋扭簧固定孔，髋第一圆柱体的一端中心开有髋齿槽，髋齿槽外圈开有髋环形凹槽，另一端开有髋轴向固定通孔；髋主离合片（303）的顶面设置有髋第一环状牙形齿，中心设置有髋吸磁圆柱，髋吸磁圆柱四周设置有髋圆环凹槽，髋主离合片（303）侧壁设置有髋第一矩形齿，嵌入髋第一圆柱体的髋齿槽内；髋复位簧（304）套在髋吸磁圆柱上，一端嵌入髋圆环凹槽中；髋从离合片（305）外壁上设置有髋第二矩形齿，一个端面设置有髋第二环状牙形齿，另一端面上设置有均布螺纹孔；髋下连接件（307）包括髋L形连接件和髋圆环，髋圆环侧壁固连在髋L形连接件的顶部，髋圆环的一端面上设置有髋矩形凹槽，另一端面上设有均布沉头孔，髋L形连接件末端设置有髋半圆槽，髋半圆槽两侧设置有螺纹孔，髋L形连接件的拐角处附近设置有髋轴向连接螺纹孔，髋L形连接件底端开有髋矩形槽孔，底端侧面设置有两块髋夹紧片，两髋夹紧片上分别开有沉头孔及螺纹孔；髋从离合片（305）通过髋第二矩形齿及髋矩形凹槽，嵌入髋圆环内，并通过螺钉固定；髋滚针轴承（306）套在髋圆环上，并嵌在髋环形凹槽内，径向固定髋下连接件（307）；髋电磁吸盘（308）嵌在髋圆环中间，磁性一端与髋从离合片（305）的端面接触；髋轴向固定件（301）上端设置有髋突出圆柱，嵌入髋上连接件（302）的髋轴向固定通孔中，下端设置有髋轴向连接孔，通过螺钉穿过髋轴向连接孔、髋轴向连接螺纹孔与髋下连接件（307）固连，将髋上连接件（302）、髋主离合片（303）、髋复位簧（304）、髋从离合片（305）、髋滚针轴承（306）夹在中间；髋扭簧（309）套在髋L形连接件及髋第一圆柱的外壁上，髋扭簧（309）的一端嵌入髋半圆槽内，另一端插入髋扭簧固定孔，髋固定壳（310）中间开有三个髋固定孔，通过螺钉穿过髋固定孔，分别与髋下连接件（307）及髋电磁吸盘（308）固连，并固定髋扭簧（309）；膝关节（4）的一端插入髋矩形槽孔中，并通过髋夹紧片夹紧固定。...

【技术特征摘要】
1.一种轻型离合式助力外骨骼装置，其特征在于：包括背架（1）、腰部机构（2）和两组腿脚机构，腰部机构（2）与背架（1）底部转动相连，两组腿脚机构对称设置在腰部机构（2）两端，通过转动连接；所述腿脚机构包括自上向下依次固连的髋关节（3）、膝关节（4）、踝关节（5）和足部（6），其中髋关节（3）顶部与腰部机构（2）转动相连；所述髋关节（3）包括髋轴向固定件（301）、髋上连接件（302）、髋主离合片（303）、髋复位簧（304）、髋从离合片（305）、髋滚针轴承（306）、髋下连接件（307）、髋电磁吸盘（308）、髋扭簧（309）和髋固定壳（310）；髋上连接件（302）包括髋第一圆柱体和J形连接板，J形连接板的底端开有腰连接圆孔，通过腰连接圆孔与腰部机构（2）转动连接，J形连接板的顶端固连在髋第一圆柱体的侧壁上，连接处设有髋扭簧固定孔，髋第一圆柱体的一端中心开有髋齿槽，髋齿槽外圈开有髋环形凹槽，另一端开有髋轴向固定通孔；髋主离合片（303）的顶面设置有髋第一环状牙形齿，中心设置有髋吸磁圆柱，髋吸磁圆柱四周设置有髋圆环凹槽，髋主离合片（303）侧壁设置有髋第一矩形齿，嵌入髋第一圆柱体的髋齿槽内；髋复位簧（304）套在髋吸磁圆柱上，一端嵌入髋圆环凹槽中；髋从离合片（305）外壁上设置有髋第二矩形齿，一个端面设置有髋第二环状牙形齿，另一端面上设置有均布螺纹孔；髋下连接件（307）包括髋L形连接件和髋圆环，髋圆环侧壁固连在髋L形连接件的顶部，髋圆环的一端面上设置有髋矩形凹槽，另一端面上设有均布沉头孔，髋L形连接件末端设置有髋半圆槽，髋半圆槽两侧设置有螺纹孔，髋L形连接件的拐角处附近设置有髋轴向连接螺纹孔，髋L形连接件底端开有髋矩形槽孔，底端侧面设置有两块髋夹紧片，两髋夹紧片上分别开有沉头孔及螺纹孔；髋从离合片（305）通过髋第二矩形齿及髋矩形凹槽，嵌入髋圆环内，并通过螺钉固定；髋滚针轴承（306）套在髋圆环上，并嵌在髋环形凹槽内，径向固定髋下连接件（307）；髋电磁吸盘（308）嵌在髋圆环中间，磁性一端与髋从离合片（305）的端面接触；髋轴向固定件（301）上端设置有髋突出圆柱，嵌入髋上连接件（302）的髋轴向固定通孔中，下端设置有髋轴向连接孔，通过螺钉穿过髋轴向连接孔、髋轴向连接螺纹孔与髋下连接件（307）固连，将髋上连接件（302）、髋主离合片（303）、髋复位簧（304）、髋从离合片（305）、髋滚针轴承（306）夹在中间；髋扭簧（309）套在髋L形连接件及髋第一圆柱的外壁上，髋扭簧（309）的一端嵌入髋半圆槽内，另一端插入髋扭簧固定孔，髋固定壳（310）中间开有三个髋固定孔，通过螺钉穿过髋固定孔，分别与髋下连接件（307）及髋电磁吸盘（308）固连，并固定髋扭簧（309）；膝关节（4）的一端插入髋矩形槽孔中，并通过髋夹紧片夹紧固定。2.根据权利要求1所述的轻型离合式助力外骨骼装置，其特征在于：所述背架（1）包括连接架（104）、控制电池盒（107）、置物板（108）、吸磁螺钉（109）、辅助吸磁片（110）、五个脊柱体（101）、四根第一连接轴（102）、第二连接轴（103）、第三连接轴（105）和第四连接轴（106）；脊柱体（101）呈Y型，上端设有贯穿两臂的第一通孔，下端设有第二通孔；通过四根第一连接轴（102）将五个脊柱体（101）依次串联，其中第一连接轴（102）穿过上一个脊柱体（101）的第二通孔和其下方脊柱体（101）的第一通孔；连接架（104）上端部开有第一连接槽，最下方的脊柱体（101）的下端设置在第一连接槽内，第二连接轴（103）穿过第一连接槽与脊柱体（101）的第二通孔，使得脊柱体（101）与连接架（104）转动连接；连接架（104）下部侧面设有连接凸块，置物板（108）的底端开有第二连接槽，连接架（104）的凸块与第二连接槽配合，第四连接轴（106）穿过凸块与第二连接槽，使得置物板（108）与连接架（104）转动连接；置物板（108）的顶端设置有螺钉安装孔，吸磁螺钉（109）通过螺钉安装孔与置物板（108）固连；控制电池盒（107）固连在连接架（104）的背面，控制电池盒（107）背面上嵌有辅助吸磁片（110）；连接架（104）的底部开有矩形槽，矩形槽上开有腰连接通孔，腰部机构（2）放置于矩形槽内，并利用第三连接轴（105）穿过腰连接通孔，使得连接架（104）与腰部机构（2）转动相连。3.根据权利要求1所述的轻型离合式助力外骨骼装置，其特征在于：所述腰部机构（2）包括腰背连接件（203）、两个腰宽调节杆（201）、两个腰宽调节旋转柱塞（202）和两个腰部旋转轴（204）；腰背连接件（203）的中间开有腰背连接通孔，侧面开有腰矩形通孔，背面开有两个柱塞安装孔，腰背连接件（203）通过腰背连接通孔与背架（1）转动连接，腰宽调节杆（201）上依次设置若干个长度调节通孔，外端面设置有扇形凹槽，扇形凹槽上开有髋连接通孔，腰宽调节杆（201）通过腰矩形通孔与腰背连接件（203）相连，并通过固定在柱塞安装孔上的旋转柱塞（202）穿过其中一个长度调节通孔进行固定，髋关节（3）的一端插入扇形凹槽中，并通过腰部旋转轴（204）插入髋连接通孔，使得髋关节（3）与腰宽调节杆（201）转动连接。4.根据权利要求1所述的轻型离合式助力外骨骼装置，其特征在于：所述膝关节（4）包括膝轴向固定件（401）、膝上连接件（402）、膝主离合片（403）、膝复位簧（404）、膝从离合片（40...

【专利技术属性】
技术研发人员：管小荣，李仲，徐诚，刘瑛奇，王新蕊，毛喜旺，宁学涛，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32