柔性下肢外骨骼机器人及仿生控制方法技术

本发明专利技术柔性下肢外骨骼机器人及仿生控制方法，涉及可穿戴的智能装备技术领域，尤其涉及一种柔性下肢外骨骼机器人及仿生控制方法。本发明专利技术的腰带装于智能运动裤的裤腰部；两套行走装置分别装于智能运动裤的两条裤腿上，并与腰带相连接；背部穿戴装置通过肩带背于穿戴者的背上；背箱的内部装有驱动装置和控制系统；运动传感装置装于智能运动裤上，并与背部穿戴装置内的控制系统相连接；膝关节牵引绳为两根，每根膝关节牵引绳的上端与背箱内部的驱动装置相连接，下端分别与两套小腿穿戴装置相连接；髋关节牵引绳为两根，每根髋关节牵引绳的上端与背箱内部的驱动装置相连接，下端分别与两套大腿穿戴装置相连接。

【技术实现步骤摘要】
柔性下肢外骨骼机器人及仿生控制方法
本专利技术柔性下肢外骨骼机器人及仿生控制方法，涉及可穿戴的智能装备
，尤其涉及一种柔性下肢外骨骼机器人及仿生控制方法。
技术介绍
我国人口的老龄化越来越严峻，截止到2020年5月，65周岁及以上的老年人占全国总人口10.83％。脑瘁中、帕金森、阿尔兹海默症是老年人的常见病和多发病，每年新发病的患者约为200万，80％的患者会引起下肢偏瘫，导致下肢肌肉薄弱，无法提供足够的力量完成行走，不同程度丧失了运动能力，偏瘫较轻的老年人可以依靠轮椅进行运动，偏瘫严重的老年人需要常年卧床，经常引起褥疮、肌肉萎缩、静脉血栓、泌尿系统感染、骨质疏松等并发症，在身心方面长年忍受着常人体会不到的痛苦，给家庭和社会带来巨大的负担。下肢外骨骼机器人穿戴在老年人的腿上，充当老年人穿戴者的外骨骼，帮助老年人重新站立和行走，促进血液循环，防止肌肉萎缩，减少并发症的发生，能够恢复老年人的运动能力和生活能力，重新回归社会。现有的下肢外骨骼机器人一般采用刚体结构，穿戴起来比较笨重，导致步态僵硬，限制穿戴者运动的灵活性和精巧性，容易引起严重的位姿偏差，降低穿戴者的舒适性，增加穿戴者的行走疲劳。大多数的下肢外骨骼机器人按照预先设定的动作序列和步态轨迹进行运动，适合结构化的简单地形，很少融入穿戴者的动态行走特征，在非结构化的复杂地形运动时，难以协调穿戴者与下肢外骨骼机器人的运动稳定性和环境适应性，制约下肢外骨骼机器人的实践应用。经过亿万年的自然进化，人体具有卓越的运动特性，可以行走在未知的、非结构化的复杂地形，能够协调肢体产生稳定运动，对运动地形的改变能够快速准确变换步态模式，人体运动具有很强的灵活性、协调性、稳定性和适应性，为下肢外骨骼机器人提供丰富合理的仿生源泉。针对上述现有技术中所存在的问题，研究设计一种新型的柔性下肢外骨骼机器人及仿生控制方法，从而克服现有技术中所存在的问题是十分必要的。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的上述不足，根据人体的运动特性，利用仿生设计原理，提供一种柔性下肢外骨骼机器人及仿生控制方法，能够减轻柔性下肢外骨骼机器人的重量，降低穿戴者的负重，突破刚体结构对于穿戴者的运动限制，增加穿戴者的舒适性，实现柔性下肢外骨骼机器人与穿戴者的动作一体化，提高柔性下肢外骨骼机器人的运动灵活性、动作精巧性、步态稳定性和环境适应性。本专利技术采用的技术手段如下：一种柔性下肢外骨骼机器人包括：背部穿戴装置、腰带、两套行走装置、膝关节牵引绳、智能运动裤髋关节牵引绳和运动传感装置；进一步地，腰带为具有一定弹性的弧形带状结构，其弧形与穿戴者的腰部弧度相同；腰带装于智能运动裤的裤腰部；进一步地，两套行走装置分别装于智能运动裤的两条裤腿上，并与腰带相连接；每套行走装置均包括一套大腿穿戴装置和一套小腿穿戴装置；进一步地，背部穿戴装置包括：背箱和肩带；背箱的前部装有两根肩带，通过肩带背于穿戴者的背上；背箱的内部装有驱动装置和控制系统；进一步地，智能运动裤由具有一定弹性的氨纶材质制成；进一步地，运动传感装置装于智能运动裤上，并与背部穿戴装置内的控制系统相连接；进一步地，膝关节牵引绳为两根，每根膝关节牵引绳的上端与背箱内部的驱动装置相连接，下端分别与两套小腿穿戴装置相连接；膝关节牵引绳的外部套装有膝关节牵引绳保护套，膝关节牵引绳保护套的上端装于背箱上，下部装于小腿穿戴装置上；进一步地，髋关节牵引绳为两根，每根髋关节牵引绳的上端与背箱内部的驱动装置相连接，下端分别与两套大腿穿戴装置相连接；髋关节牵引绳的外部套装有髋关节牵引绳保护套，髋关节牵引绳保护套的上端装于背箱上，下部装于腰带上。进一步地，背箱包括：背箱壳、上层平板、下层平板、驱动装置和控制系统；上层平板和下层平板平行装于背箱壳的内部；驱动装置和控制系统相连接，并装于上层平板和下层平板上；进一步地，控制系统包括：电池、控制器和蓝牙接收模块；电池、控制器和蓝牙接收模块相互相连接，并装于下层平板上；进一步地，驱动装置包括：右腿膝关节电机、右腿髋关节电机、左腿膝关节电机和左腿髋关节电机；右腿膝关节电机和右腿髋关节电机并排装于上层平板上，分别连接膝关节牵引绳和髋关节牵引绳的上端；左腿膝关节电机和左腿髋关节电机并排装于背箱壳的底部，分别连接另外两根膝关节牵引绳和髋关节牵引绳；进一步地，右腿膝关节电机和右腿髋关节电机与左腿膝关节电机和左腿髋关节电机左右反向装配。进一步地，右腿膝关节电机、右腿髋关节电机、左腿膝关节电机和左腿髋关节电机通过数据线连接控制器和蓝牙接收模块进行数据传输。进一步地，大腿穿戴装置包括：髋关节网络结构、大腿绑带、腰带固定环、大腿固定环；进一步地，髋关节网络结构为多条弹性带编织而成的网状结构，上端安装在腰带后腰部的下端；下端安装在大腿绑带后部上端；进一步地，大腿绑带为两个，是由具有一定弹性的弧形带状结构，其弧形与穿戴者的大腿弧度相同；进一步地，腰带固定环安装在腰带前部左右两侧各一个；进一步地，大腿固定环安装在智能运动裤两条裤腿大腿位置的前部；进一步地，髋关节网状结构安装在智能运动裤臀部位置的后部；两个大腿绑带安装在智能运动裤大腿外部两侧。进一步地，小腿穿戴装置包括：小腿上部固定环、小腿下部固定环、足底绑带、小腿上部绑带、膝关节网状结构、小腿下部绑带；进一步地，膝关节网状结构是由多条弹性带交叉编织而成；其上端安装有小腿上部绑带，下端安装由小腿下部绑带；进一步地，小腿上部绑带和小腿下部绑带是具有一定弹性的弧形带状结构，其弧形与穿戴者的小腿弧度相同；进一步地，小腿上部绑带、小腿下部绑带和膝关节网状结构安装在智能运动裤外侧，膝关节网状结构位于智能运动裤的前部膝关节位置；进一步地，足底绑带由具有一定弹性的带状织物制成，两端分别安装在小腿下部绑带的外侧和内侧，足底绑带套装在穿戴者的足部。进一步地，运动传感装置包括：智能运动裤内侧正面传感装置和智能运动裤内侧背面传感装置，分别装于智能运动裤内侧的正面和背面。进一步地，智能运动裤内侧正面传感装置包括：右腿芯片装置、左腿髋关节惯性传感器、左腿芯片装置、左腿外侧肌电传感器、左腿膝关节惯性传感器、左腿内侧肌电传感器、右腿髋关节惯性传感器、右腿外侧肌电传感器、右腿膝关节惯性传感器、右腿内侧肌电传感器；进一步地，左腿髋关节惯性传感器为柔性贴片，粘贴在智能运动裤内层，对应穿戴者的左腿髋关节位置；进一步地，左腿芯片装置镶嵌在智能运动裤内层，对应穿戴者的左侧大腿位置；进一步地，左腿外侧肌电传感器为柔性贴片，粘贴在智能运动裤内层，对应穿戴者的左腿外侧股四头肌位置；进一步地，左腿膝关节惯性传感器为柔性贴片，粘贴在智能运动裤内层，对应穿戴者的左腿膝关节位置；进一步地，左腿内侧肌电传感器为柔性贴片，粘贴在智能运动裤内层，对应穿戴者的左腿内侧股四头肌位置；进一步地，左腿髋关节惯性传感器、左本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述的柔性下肢外骨骼机器人包括：背部穿戴装置、腰带(4)、两套行走装置、膝关节牵引绳(8)、智能运动裤(13)髋关节牵引绳(14)和运动传感装置；/n所述的腰带(4)为具有一定弹性的弧形带状结构，其弧形与穿戴者的腰部弧度相同；腰带(4)装于智能运动裤(13)的裤腰部；/n所述的两套行走装置分别装于智能运动裤(13)的两条裤腿上，并与腰带(4)相连接；每套行走装置均包括一套大腿穿戴装置和一套小腿穿戴装置；/n所述的背部穿戴装置包括：背箱(1)和肩带(11)；背箱(1)的前部装有两根肩带(11)，通过肩带(11)背于穿戴者的背上；背箱(1)的内部装有驱动装置和控制系统；/n所述的智能运动裤(13)由具有一定弹性的氨纶材质制成；/n所述的运动传感装置装于智能运动裤(13)上，并与背部穿戴装置内的控制系统相连接；/n所述的膝关节牵引绳(8)为两根，每根膝关节牵引绳(8)的上端与背箱(1)内部的驱动装置相连接，下端分别与两套小腿穿戴装置相连接；膝关节牵引绳(8)的外部套装有膝关节牵引绳保护套(3)，膝关节牵引绳保护套(3)的上端装于背箱(1)上，下部装于小腿穿戴装置上；/n所述的髋关节牵引绳(14)为两根，每根髋关节牵引绳(14)的上端与背箱(1)内部的驱动装置相连接，下端分别与两套大腿穿戴装置相连接；髋关节牵引绳(14)的外部套装有髋关节牵引绳保护套(2)，髋关节牵引绳保护套(2)的上端装于背箱(1)上，下部装于腰带(4)上。/n...

【技术特征摘要】
1.一种柔性下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述的柔性下肢外骨骼机器人包括：背部穿戴装置、腰带(4)、两套行走装置、膝关节牵引绳(8)、智能运动裤(13)髋关节牵引绳(14)和运动传感装置；
所述的腰带(4)为具有一定弹性的弧形带状结构，其弧形与穿戴者的腰部弧度相同；腰带(4)装于智能运动裤(13)的裤腰部；
所述的两套行走装置分别装于智能运动裤(13)的两条裤腿上，并与腰带(4)相连接；每套行走装置均包括一套大腿穿戴装置和一套小腿穿戴装置；
所述的背部穿戴装置包括：背箱(1)和肩带(11)；背箱(1)的前部装有两根肩带(11)，通过肩带(11)背于穿戴者的背上；背箱(1)的内部装有驱动装置和控制系统；
所述的智能运动裤(13)由具有一定弹性的氨纶材质制成；
所述的运动传感装置装于智能运动裤(13)上，并与背部穿戴装置内的控制系统相连接；
所述的膝关节牵引绳(8)为两根，每根膝关节牵引绳(8)的上端与背箱(1)内部的驱动装置相连接，下端分别与两套小腿穿戴装置相连接；膝关节牵引绳(8)的外部套装有膝关节牵引绳保护套(3)，膝关节牵引绳保护套(3)的上端装于背箱(1)上，下部装于小腿穿戴装置上；
所述的髋关节牵引绳(14)为两根，每根髋关节牵引绳(14)的上端与背箱(1)内部的驱动装置相连接，下端分别与两套大腿穿戴装置相连接；髋关节牵引绳(14)的外部套装有髋关节牵引绳保护套(2)，髋关节牵引绳保护套(2)的上端装于背箱(1)上，下部装于腰带(4)上。


2.根据权利要求1所述的柔性下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述的背箱(1)包括：背箱壳(1-3)、上层平板(1-7)、下层平板(1-10)驱动装置和控制系统；上层平板(1-7)和下层平板(1-10)平行装于背箱壳(1-3)的内部；驱动装置和控制系统相连接，并装于上层平板(1-7)和下层平板(1-10)上；
所述的控制系统包括：电池(1-4)、控制器(1-8)和蓝牙接收模块(1-9)；电池(1-4)、控制器(1-8)和蓝牙接收模块(1-9)相互相连接，并装于下层平板(1-10)上；
所述的驱动装置包括：右腿膝关节电机(1-1)、右腿髋关节电机(1-2)、左腿膝关节电机(1-5)和左腿髋关节电机(1-6)；右腿膝关节电机(1-1)和右腿髋关节电机(1-2)并排装于上层平板(1-7)上，分别连接膝关节牵引绳(8)和髋关节牵引绳(14)的上端；左腿膝关节电机(1-5)和左腿髋关节电机(1-6)并排装于背箱壳(1-3)的底部，分别连接另外两根膝关节牵引绳(8)和髋关节牵引绳(14)；
所述的右腿膝关节电机(1-1)和右腿髋关节电机(1-2)与左腿膝关节电机(1-5)和左腿髋关节电机(1-6)左右反向装配。
所述的右腿膝关节电机(1-1)、右腿髋关节电机(1-2)、左腿膝关节电机(1-5)和左腿髋关节电机(1-6)通过数据线连接控制器(1-8)和蓝牙接收模块(1-9)进行数据传输。


3.根据权利要求1所述的柔性下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述的大腿穿戴装置包括：髋关节网络结构(5)、大腿绑带(6)、腰带固定环(12)、大腿固定环(15)；
所述的髋关节网络结构(5)为多条弹性带编织而成的网状结构，上端安装在腰带(4)后腰部的下端；下端安装在大腿绑带(6)后部上端；
所述的大腿绑带(6)为两个，是由具有一定弹性的弧形带状结构，其弧形与穿戴者的大腿弧度相同；
所述的腰带固定环(12)安装在腰带(4)前部左右两侧各一个；
所述的大腿固定环(15)安装在智能运动裤(13)两条裤腿大腿位置的前部；
所述的髋关节网状结构(5)安装在智能运动裤(13)臀部位置的后部；两个大腿绑带(6)安装在智能运动裤(13)大腿外部两侧。


4.根据权利要求1所述的柔性下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述的小腿穿戴装置包括：小腿上部固定环(7)、小腿下部固定环(9)、足底绑带(10)、小腿上部绑带(17)、膝关节网状结构(18)、小腿下部绑带(19)；
所述的膝关节网状结构(18)是由多条弹性带交叉编织而成；其上端安装有小腿上部绑带(17)，下端安装由小腿下部绑带(19)；
所述的小腿上部绑带(17)和小腿下部绑带(19)是具有一定弹性的弧形带状结构，其弧形与穿戴者的小腿弧度相同；
所述的小腿上部绑带(17)、小腿下部绑带(19)和膝关节网状结构(18)安装在智能运动裤(13)外侧，膝关节网状结构(18)位于智能运动裤(13)的前部膝关节位置；
所述的足底绑带(10)由具有一定弹性的带状织物制成，两端分别安装在小腿下部绑带(19)的外侧和内侧，足底绑带(10)套装在穿戴者的足部。


5.根据权利要求1所述的柔性下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述的运动传感装置包括：智能运动裤内侧正面传感装置和智能运动裤内侧背面传感装置，分别装于智能运动裤内侧的正面和背面。


6.根据权利要求5所述的柔性下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述的智能运动裤内侧正面传感装置包括：右腿芯片装置(16)、左腿髋关节惯性传感器(20)、左腿芯片装置(21)、左腿外侧肌电传感器(22)、左腿膝关节惯性传感器(23)、左腿内侧肌电传感器(24)、右腿髋关节惯性传感器(25)、右腿外侧肌电传感器(26)、右腿膝关节惯性传感器(27)、右腿内侧肌电传感器(28)；
所述的左腿髋关节惯性传感器(20)为柔性贴片，粘贴在智能运动裤(13)内层，对应穿戴者的左腿髋关节位置；
所述的左腿芯片装置(21)镶嵌在智能运动裤(13)内层，对应穿戴者的左侧大腿位置；
所述的左腿外侧肌电传感器(22)为柔性贴片，粘贴在智能运动裤(13)内层，对应穿戴者的左腿外侧股四头肌位置；
所述的左腿膝关节惯性传感器(23)为柔性贴片，粘贴在智能运动裤(13)内层，对应穿戴者的左腿膝关节位置；
所述的左腿内侧肌电传感器(24)为柔性贴片，粘贴在智能运动裤(13)内层，对应穿戴者的左腿内侧股四头肌位置；
所述的左腿髋关节惯性传感器(20)、左腿外侧肌电传感器(22)、左腿膝关节惯性传感器(23)、左腿内侧肌电传感器(24)通过数据线连接左腿芯片装置(21)进行数据传输；左腿芯片装置(21)与蓝牙接收模块(1-9)通过蓝牙信号进行数据传输；
所述的右腿髋关节惯性传感器(25)为柔性贴片，粘贴在智能运动裤(13)内层，对应穿戴者的右腿髋关节位置；
所述的右腿芯片装置(16)镶嵌在智能运动裤(13)内层，对应穿戴者的右侧大腿位置；
所述的右腿外侧肌电传感器(26)为柔性贴片，粘贴在智能运动裤(13)内层，对应穿戴者的右腿外侧股四头肌位置；
所述的右腿膝关节惯性传感器(27)为柔性贴片，粘贴在智能运动裤(13)内层，对应穿戴者的右腿膝关节位置；
所述的右腿内侧肌电传感器(28)为柔性贴...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈勇，马文彬，刘航宇，朱正阳，
申请(专利权)人：大连交通大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21