一种非绑缚式易穿戴下肢外骨骼助力系统及使用方法技术方案

本发明专利技术公开了一种非绑缚式易穿戴下肢外骨骼助力系统及使用方法，解决了现有技术中现有机器人无法进行力反馈的问题，具有保证助力效果的有益效果，具体方案如下：一种非绑缚式易穿戴下肢外骨骼助力系统，包括骑座机构，包括支撑底座，支撑底座支撑座椅基体，座椅基体设置助力反馈单元，助力反馈单元包括座垫和压力传感器，压力传感器设于座垫与座椅基体之间；导轨机构，导轨机构设于支撑底座的外侧，心轴连接导轨机构和支撑底座，导轨机构可绕心轴转动，导轨机构设置支撑轨，滑块可沿着支撑轨滑动；动力机构；膝关节转动机构与动力机构相连接，由动力机构为膝关节转动机构提供扭矩以帮助人体行走助力减负。

【技术实现步骤摘要】
一种非绑缚式易穿戴下肢外骨骼助力系统及使用方法
本专利技术涉及外骨骼机器人领域，尤其是一种非绑缚式易穿戴下肢外骨骼助力系统及使用方法。
技术介绍
本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。助力外骨骼机器人作为机器人领域的一个分支主要应用于辅助增强人体机能，帮助人体改善或提高行动能力。设计思路多为通过与人体外肢建立某种绑缚关系，利用电机或是液压作为驱动源，来达到助力活动的目的。具体应用可分为两大类：一类为辅助增强人体机能如军事领域中可用来提高士兵持续作战能力；生产车间中可减小工人的劳动强度，减轻肢体负担。一类为帮助改善行动不便的人群，以提高他们的行动能力。对于第二类应用目前存在一些不足：一是绑缚式外骨骼本身的重量使本身的穿戴过程对该人群造成的不必要的负担，多需要他人帮助才能穿戴完成；二是绑缚式外骨骼结构复杂，需要髋、膝两处驱动源方可达到控制目的，控制难度教大。三是现有技术中也有非绑缚式的方案，但专利技术人发现，在动力方面，传统绑缚式外骨骼因装置较大，电池系统及各关节反馈系统易于布置，但非绑缚式机器人由于其轻量化、便捷化设计初衷，要求装置尽可能精简，因此容易造成供能不足以及不能完整追踪人体步态及助力反馈的问题；而且现有装置不能够较好地模拟人体的腿部各动作姿态，从而影响到助力效果。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的是提供一种非绑缚式易穿戴下肢外骨骼助力系统，可仿照骑行方式进行穿戴，方便快捷，同时又有绑缚式外骨骼所提供的助力效果。r>为了实现上述目的，本专利技术是通过如下的技术方案来实现：一种非绑缚式易穿戴下肢外骨骼助力系统，包括：骑座机构，包括支撑底座，支撑底座支撑座椅基体，座椅基体设置助力反馈单元，助力反馈单元包括座垫和压力传感器，压力传感器设于座垫与座椅基体之间，该压力传感器为第一压力传感器；导轨机构，导轨机构设于支撑底座的外侧，心轴连接导轨机构和支撑底座，导轨机构可绕心轴转动，导轨机构设置支撑轨，滑块可沿着支撑轨滑动；动力机构，滑块与动力机构连接；膝关节转动机构与动力机构相连接，由动力机构为膝关节转动机构提供扭矩以帮助人体行走助力减负；踝关节转动机构与膝关节转动机构转动连接；脚部感知机构与踝关节转动机构连接。上述的下肢外骨骼助力系统，导轨机构的设置，实现骑座机构可相对于动力机构相对滑动，通过心轴实现导轨机构相对于座椅基座的转动，由此模拟人体髋关节的活动方式，由第一压力传感器对助力效果进行实时跟踪反馈，由动力机构支撑骑座机构，通过踝关节转动机构模拟人体踝关节在矢状面和横断面的旋转自由度，并通过动力机构带动膝关节转动机构的运动来帮助人体行走助力减负。如上所述的一种非绑缚式易穿戴下肢外骨骼助力系统，所述脚部感知机构包括鞋板，鞋板支撑鞋套，用于获取脚部压力信号的压力传感器安装在鞋板前后两端，该压力传感器为第二压力传感器，通过第二压力传感器对脚部压力的检测，以判断与鞋板连接的腿部是否为非支撑腿状态。如上所述的一种非绑缚式易穿戴下肢外骨骼助力系统，所述动力机构包括支架，支架与所述滑块连接，支架支撑电机，电机与传动单元连接，传动单元与所述的膝关节转动机构连接；支架设置电池组，电池组通过主控制器与电机连接，用于向电机供电。电机、所述的压力传感器分别与主控制器连接，其中电机通过电机控制器与主控制器连接，这里压力传感器包括第一压力传感器，还包括第二压力传感器，以便根据两压力传感器反馈的数据，调整电机的转向及扭矩大小。如上所述的一种非绑缚式易穿戴下肢外骨骼助力系统，所述膝关节转动机构包括膝关节组件和小腿组件，膝关节组件的一端与所述动力机构的输出端连接，另一端与小腿组件连接，膝关节组件与小腿组件之间通过螺栓固定连接，膝关节组件设置多个螺纹孔，小腿组件与膝关节组件可通过不同的螺纹孔连接，以满足不同使用者的使用需求。如上所述的一种非绑缚式易穿戴下肢外骨骼助力系统，所述小腿组件靠近所述踝关节转动机构处设置位姿传感器，位姿传感器与主控制器连接，位姿传感器用于向主控制器传输位置数据。如上所述的一种非绑缚式易穿戴下肢外骨骼助力系统，所述踝关节转动机构包括踝关节转轴，踝关节转轴设置踝关节心轴与所述小腿组件连接，踝关节转轴远离踝关节心轴的端部可转动安装于所述鞋板。如上所述的一种非绑缚式易穿戴下肢外骨骼助力系统，所述传动单元包括传送带，所述电机通过电机端传送带轮和膝关节传送带轮带动传送带运动，膝关节传送带轮与所述膝关节转动机构连接。如上所述的一种非绑缚式易穿戴下肢外骨骼助力系统，所述座垫内侧设置两处滑槽，上方滑槽用于安装座椅垫板，下方滑槽用于安装压板，压板与下方滑槽间隙配合，所述压力传感器设于压板相对于座椅垫板的一侧；所述座椅基体设置用于容纳压力传感器的凹部；所述座椅基体的中部用于支撑所述的座垫，座椅基体的两端分别设置延伸段，延伸段均设置扶手，扶手便于握持。所述膝关节传送带轮的一端设置大腿端定位法兰轴，另一端设置膝关节定位法兰轴，膝关节定位销穿过膝关节传送带轮、大腿端定位法兰轴和膝关节定位法兰轴设置。如上所述的一种非绑缚式易穿戴下肢外骨骼助力系统，所述导轨机构包括两组导轨，每一导轨的侧部分别设置所述的支撑轨；所述支撑轨为弧形。第二方面，本专利技术还提供了一种非绑缚式易穿戴下肢外骨骼助力系统的使用方法，包括如下内容：使用者骑在座椅基体，脚底通过脚部感知机构支撑；动力机构启动，向膝关节转动机构提供扭矩，对使用者产生一个向上的托举力；当使用者需要转向时，脚部在横断面上转动，此时踝关节在横断面上跟随转动；同时髋关节外扩，此时导轨机构转动跟随。此外，由第二压力传感器检测信号，当同一鞋板前后两端有一端信号消失，即为非支撑腿状态，此时代表与该鞋板连接的腿为迈步状态，需要助力系统的该腿进行实时跟随，此时通过位姿传感器传输位置数据，通过预先设定好的神经网络模型数据来分配非支撑腿处电机的扭矩及转速。上述本专利技术的有益效果如下：1)本专利技术通过导轨机构的设置，导轨机构不仅通过心轴可实现相对于座椅基座的转动，由此实现人体冠状面上髋关节的转动模拟；导轨机构通过滑块，可带动座椅基座相对于动力机构滑动，由此实现人体矢状面上髋关节转动的模拟。2)本专利技术通过助力反馈单元的设置，通过第一压力传感器可检测人体臀部作用到座椅基体的作用力，由此对助力效果进行实时跟踪反馈，并通过第一压力传感器对力的反馈，可有利于电机控制器对电机的转速和方向进行控制。3)本专利技术整个助力系统无需绑缚，穿戴过程简便易行，通过踝关节转动机构模拟人体踝关节在矢状面和横断面的旋转自由度，并通过动力机构带动膝关节转动机构的运动来帮助人体行走助力减负。4)本专利技术通过位姿传感器进行位姿检测，通过第一压力传感器和第二压力传感器进行臀部、脚部压力的实时反馈，有利于调节助力效果，稳定为使用者提供助力效果。附图说明构成本专利技术的一部分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种非绑缚式易穿戴下肢外骨骼助力系统，其特征在于，包括：/n骑座机构，包括支撑底座，支撑底座支撑座椅基体，座椅基体设置助力反馈单元，助力反馈单元包括座垫和压力传感器，压力传感器设于座垫与座椅基体之间；/n导轨机构，导轨机构设于支撑底座的外侧，心轴连接导轨机构和支撑底座，导轨机构可绕心轴转动，导轨机构设置支撑轨，滑块可沿着支撑轨滑动；/n动力机构，滑块与动力机构连接；/n膝关节转动机构与动力机构相连接，由动力机构为膝关节转动机构提供扭矩以帮助人体行走助力减负；/n踝关节转动机构与膝关节转动机构转动连接；/n脚部感知机构与踝关节转动机构连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种非绑缚式易穿戴下肢外骨骼助力系统，其特征在于，包括：
骑座机构，包括支撑底座，支撑底座支撑座椅基体，座椅基体设置助力反馈单元，助力反馈单元包括座垫和压力传感器，压力传感器设于座垫与座椅基体之间；
导轨机构，导轨机构设于支撑底座的外侧，心轴连接导轨机构和支撑底座，导轨机构可绕心轴转动，导轨机构设置支撑轨，滑块可沿着支撑轨滑动；
动力机构，滑块与动力机构连接；
膝关节转动机构与动力机构相连接，由动力机构为膝关节转动机构提供扭矩以帮助人体行走助力减负；
踝关节转动机构与膝关节转动机构转动连接；
脚部感知机构与踝关节转动机构连接。


2.根据权利要求1所述的一种非绑缚式易穿戴下肢外骨骼助力系统，其特征在于，所述脚部感知机构包括鞋板，鞋板支撑鞋套，用于获取脚部压力信号的压力传感器安装在鞋板前后两端。


3.根据权利要求1所述的一种非绑缚式易穿戴下肢外骨骼助力系统，其特征在于，所述动力机构包括支架，支架与所述滑块连接，支架支撑电机，电机与传动单元连接，传动单元与所述的膝关节转动机构连接；
支架设置电池组，电池组与电机连接，电机、所述的压力传感器分别与主控制器单独连接。


4.根据权利要求3所述的一种非绑缚式易穿戴下肢外骨骼助力系统，其特征在于，所述膝关节转动机构包括膝关节组件和小腿组件，膝关节组件的一端与所述动力机构的输出端连接，另一端与小腿组件连接。


5.根据权利要求4所述的一种非绑缚式易穿戴下肢外骨骼助力系统，其特征在于，所述小腿组件靠近所述踝关节转动机构处设置位姿传感器，位姿...

【专利技术属性】
技术研发人员：霍孟友，杨旭光，衣冠玮，王世英，张进生，
申请(专利权)人：山东大学，山东大学日照智能制造研究院，
类型：发明
国别省市：山东;37