一种下肢外骨骼机器人仿真测试的外骨骼装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术提供一种下肢外骨骼机器人仿真测试的外骨骼装置，其特征在于：包括支撑架、气动肌肉固定板、气动肌肉、弹簧预紧组件、拉压力传感器、套索、髋关节组件、大腿绑缚组件、第一连接杆、膝关节组件、小腿绑缚组件、第二连接杆、踝关节组件、脚底板；本实用新型专利技术专利采用套索、人工肌肉和弹簧相结合的驱动方式，避免了刚性驱动对人体造成的伤害，具有轻便、成本低廉，控制精确及相应速度快，此外还具有一定的缓冲效果，传动更加平稳有效。

An exoskeleton device for simulation test of lower limb exoskeleton robot

【技术实现步骤摘要】
一种下肢外骨骼机器人仿真测试的外骨骼装置
本技术涉及外骨骼系统仿真测试领域，特别涉及一种基于dSPACE的下肢外骨骼机器人半实物仿真测试系统装置。
技术介绍
下肢外骨骼控制策略是外骨骼技术中的关键技术，下肢外骨骼机器人为满足不同的控制目标，需要用到不同的控制策略，选择合适控制策略对下肢外骨骼机器人完成指定任务起到至关重要的作用。在下肢外骨骼机器人应用中，有人和机器人两个独立的个体共同完成目标，两者之间的信息交流非常重要。下肢外骨骼机器人传感器主要包括位置传感器、角度传感器、力传感器、肌电传感器、脑电传感器。人和机器人耦合在一起，存在在物理上的人机交互力，存在着人和机器人之间的交互控制。而获取交互力信号方法有两种，一种是通过力传感器直接测量，另外一种通过脑电信号和表面肌电信号间接获取。例如通过绑腿处压力传感器判定摆动态，足底压力传感器判定支撑态，这样外骨骼就形成了多传感器融合的系统，要处理这样复杂的系统，对硬件设备要求比较高，开发周期较长。由于下肢外骨骼机器人是机构与人相耦合的机电一体化系统，一般采用硬件电路结合上位机带动机构运动，硬件电路和上位机代码编程，耗费了大量时间和精力。硬件电路和控制编程是分开独立编程，测试时候发现问题并解决问题的周期较长，并且难以将仿真中的控制算法实现到现实中，也不具备实时观测数据的能力。而且现有的外骨骼装置在设计上不够人性化，也未考虑不同个体之前的差异性，测试时，会产生较大的不适感，从而影响测试数据的准确性，例如在控制实验的开始时需要使气动肌肉保持一定的初始气压，保证钢丝绳处于张紧状态，对拉直接驱动的方式虽然可以满足关节转动角度的需求，但是缺乏预留的转动角度。
技术实现思路
为解决以上现有技术的不足，本技术提供了一种下肢外骨骼机器人仿真测试的外骨骼装置，并引入dSPACE进行半物理仿真实验平台，可进行单腿空载和带负载的步态轨迹跟踪实验、单腿不同周期的步态轨迹实验、双腿协调步态轨迹实验和真人实验。基于丰富的接口资源(UART、CAN,D/A,AD、数字1/0等),其最显著的优点就是实时控制能力强,能够实时监测信号返回情况,并根据反馈信息实时调试控制器参数,达到最好的控制效果，并基于此系统，对外骨骼装置进行更加人性化和适用性的改进。本技术提供如下技术方案：一种下肢外骨骼机器人仿真测试的外骨骼装置，包括支撑架、气动肌肉固定板、气动肌肉、弹簧预紧组件、拉压力传感器、套索、髋关节组件、大腿绑缚组件、第一连接杆、膝关节组件、小腿绑缚组件、第二连接杆、踝关节组件、脚底板；气动机构固定板固定在支撑架顶部，气动肌肉至少设置四根，每根气动肌肉上端固定连接在气动肌肉固定板上，气动肌肉下端连接拉压力传感器，弹簧预紧组件包括钢丝绳和弹簧，弹簧上端固定连接所述拉压力传感器，下端固定连接钢丝绳；髋关节组件包括：套索、髋关节限位板、髋关节旋转结构和钢丝绳固定板，套索安装在髋关节旋转结构中间，其中两个靠近大腿绑缚组件端的拉压力传感器下端通过钢丝绳缠绕在套索上，可通过钢丝绳的收放调整绑缚一侧的高度；另外两个拉压力传感器通过钢丝绳可调节的固定在钢丝绳固定板上；大腿绑缚组件包括：大腿绑缚带，大腿力传感器、大腿支撑杆、第一调节板；大腿支撑杆连接髋关节组件和大腿绑缚组件；大腿绑缚组件通过第一调节板可活动的安装在第一连接杆上，以适应大腿长度不同的用户使用，大腿支撑杆上还设有绑缚机构槽，绑缚带可在槽内上下滑动；膝关节组件包括膝关节力传感器，连接大腿绑缚组件和小腿绑缚组件。小腿绑缚组件包括：小腿绑缚带，小腿力传感器、小腿支撑杆，小腿支撑杆可活动的连接在第二连接杆上，第二连接杆连接踝关节组件，其调节和固定原理同大腿绑缚组件相同；踝关节组件包括：换关节转动关节和踝关节被动转动关节，被动转动关节下端与竖直方向呈90度转折连接脚底板，脚底板为板状材料制成，脚底板上表面有螺纹，用于增大摩擦力，防止滑动。本技术专利采用套索、人工肌肉和弹簧相结合的驱动调节方式，避免了刚性驱动对人体造成的伤害，具有轻便、成本低廉，控制精确及相应速度快，此外还具有一定的缓冲效果，传动更加平稳有效。附图说明图1本技术结构图；图2本技术弹簧预紧组件示意图；图3本技术髋关节机构结构分解图；图4本技术大腿绑缚组件结构示意图；图5本技术大腿支撑杆结构示意图；图6本技术小腿绑缚结构、踝关节组件与脚底板连接关系及结构示意图；图7本技术应用于基于dSPACE的外骨骼半实物仿真控制平台系统图；图8图7中基于dSPACE的外骨骼半实物仿真控制平台控制算法simulink框图；图9为基于本技术应用于基于dSPACE的外骨骼半实物仿真控制平台开展外骨骼实验测试轨迹跟随曲线。具体实施方式为了更清楚地说明本技术，下面根据附图对本技术做进一步地说明。一种下肢外骨骼机器人仿真测试的外骨骼装置，包括支撑架1、气动肌肉固定板2、气动肌肉3、弹簧预紧组件4、拉压力传感器5、套索6、髋关节组件7、大腿绑缚组件8、第一连接杆9、膝关节组件10、小腿绑缚组件11、第二连接杆12、踝关节组件13、脚底板14；气动肌肉固定板2固定在支撑架1顶部；如图所示，本实施例中共设置四根气动肌肉，每根气动肌肉3上端固定连接在气动肌肉固定板2上，气动肌肉3下端连接拉压力传感器5；弹簧预紧组件4包括钢丝绳41和弹簧42，弹簧42上端固定连接拉压力传感器5，下端固定连接钢丝绳41；这种结构设计的优点在于：通过增加弹簧结构，可以获得更加灵活的长度变化范围，使得下肢关节获得更大范围的转动角度。髋关节组件7包括：套索6、髋关节限位板71、髋关节旋转结构72和钢丝绳固定板73，套索安装在髋关节旋转结构中间，其中两个靠近大腿绑缚组件端的拉压力传感器5下端通过钢丝绳41缠绕在套索6上，可通过钢丝绳的收放调整绑缚一侧的高度；另外两个拉压力传感器5通过钢丝绳可调节的固定在钢丝绳固定板73上；大腿绑缚组件8包括：大腿绑缚带81，大腿力传感器82、大腿支撑杆83、第一调节板84；大腿支撑杆83连接髋关节组件7和大腿绑缚组件8；大腿绑缚组件8通过第一调节板84可活动的安装在第一连接杆9上，以适应大腿长度不同的用户使用，大腿支撑杆83上还设有绑缚机构槽831，绑缚带81可在槽内上下滑动；膝关节组件7包括膝关节力传感器71；小腿绑缚组件11包括：小腿绑缚带111，小腿力传感器112、小腿支撑杆113，小腿支撑杆113可活动的连接在第二连接杆12上，第二连接杆12连接踝关节组件13，其调节和固定原理同大腿绑缚组件相同；踝关节组件13包括：换关节转动关节131和踝关节被动转动关节132，被动转动关节下端与竖直方向呈90度转折连接脚底板14，脚底板为板状材料制成，脚底板上表面有螺纹，用于增大摩擦力，防止滑动。如图7所示，本技术所述一种下肢外骨骼机本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种下肢外骨骼机器人仿真测试的外骨骼装置，其特征在于：包括支撑架、气动肌肉固定板、气动肌肉、弹簧预紧组件、拉压力传感器、套索、髋关节组件、大腿绑缚组件、第一连接杆、膝关节组件、小腿绑缚组件、第二连接杆、踝关节组件、脚底板；气动机构固定板固定在支撑架顶部，气动肌肉至少设置四根，每根气动肌肉上端固定连接在气动肌肉固定板上，气动肌肉下端连接拉压力传感器，弹簧预紧组件包括钢丝绳和弹簧，弹簧上端固定连接所述拉压力传感器，下端固定连接钢丝绳；/n髋关节组件包括：套索、髋关节限位板、髋关节旋转结构和钢丝绳固定板，套索安装在髋关节旋转结构中间，其中两个靠近大腿绑缚组件端的拉压力传感器下端通过钢丝绳缠绕在套索上，可通过钢丝绳的收放调整绑缚一侧的高度；另外两个拉压力传感器通过钢丝绳可调节的固定在钢丝绳固定板上；/n大腿绑缚组件包括：大腿绑缚带，大腿力传感器、大腿支撑杆、第一调节板；大腿支撑杆连接髋关节组件和大腿绑缚组件；大腿绑缚组件通过第一调节板可活动的安装在第一连接杆上；/n膝关节组件包括膝关节力传感器，连接大腿绑缚组件和小腿绑缚组件；/n小腿绑缚组件包括：小腿绑缚带，小腿力传感器、小腿支撑杆，小腿支撑杆可活动的连接在第二连接杆上，第二连接杆连接踝关节组件；/n踝关节组件包括：换关节转动关节和踝关节被动转动关节，被动转动关节下端与竖直方向呈90度转折连接脚底板。/n...

【技术特征摘要】
1.一种下肢外骨骼机器人仿真测试的外骨骼装置，其特征在于：包括支撑架、气动肌肉固定板、气动肌肉、弹簧预紧组件、拉压力传感器、套索、髋关节组件、大腿绑缚组件、第一连接杆、膝关节组件、小腿绑缚组件、第二连接杆、踝关节组件、脚底板；气动机构固定板固定在支撑架顶部，气动肌肉至少设置四根，每根气动肌肉上端固定连接在气动肌肉固定板上，气动肌肉下端连接拉压力传感器，弹簧预紧组件包括钢丝绳和弹簧，弹簧上端固定连接所述拉压力传感器，下端固定连接钢丝绳；
髋关节组件包括：套索、髋关节限位板、髋关节旋转结构和钢丝绳固定板，套索安装在髋关节旋转结构中间，其中两个靠近大腿绑缚组件端的拉压力传感器下端通过钢丝绳缠绕在套索上，可通过钢丝绳的收放调整绑缚一侧的高度；另外两个拉压力传感器通过钢丝绳可调节的固定在钢丝绳固定板上；
大腿绑缚组件包括：大腿绑缚带，大腿力传感器、大腿支撑杆、第一调节板；大腿支撑杆连接髋关节组件和大腿绑缚组件；大腿绑缚组件通过第一调节板可活动...

【专利技术属性】
技术研发人员：李沈炎，韩亚丽，糜章章，吴枫，朱泽，赵崟，
申请(专利权)人：南京工程学院，
类型：新型
国别省市：江苏;32