外骨骼机器人制造技术

本申请涉及一种外骨骼机器人，包括助力组件，包括左髋部助力组件、右髋部助力组件、左脚踝助力组件和右脚踝助力组件；动力组件，包括髋部盘式电机和脚踝盘式电机，髋部盘式电机连接于左髋部助力组件和右髋部助力组件，脚踝盘式电机连接于左脚踝助力组件和右脚踝助力组件；髋部盘式电机正转或反转以分别驱动左髋部助力组件和右髋部助力组件，脚踝盘式电机正转或反转以分别驱动左脚踝助力组件或右脚踝助力组件。本申请外骨骼机器人结构简单，驱动效率高。率高。率高。

【技术实现步骤摘要】
外骨骼机器人


[0001]本申请一般涉及助力机器人
更具体地，本申请涉及一种外骨骼机器人。

技术介绍

[0002]近年来，外骨骼机器人引起了众多研究者的关注。它在康复、援助等领域发挥着重要作用。特别是步行助力是外骨骼机器人的一个重要研究分支，外骨骼机器人可以帮助人们在负重行走时减少能量消耗，从而保护他们的健康和长距离行走。在过去的几十年中，人们提出了各种助力行走的外骨骼机器人，主要分为两类：刚性和柔性。
[0003]刚性外骨骼主要依靠将重量转移到地面来实现助力的效果，可以承载较重的重量。此外，由于结构设计，至少需要使用一个电机来控制一个关节。加州伯克利大学的研究小组在2004和2007中分别提出了Berkeley Lower Extremity Exoskeleton(BLEEX)[1]和Human Universal Load Carrier(HULC)[2]。这两个外骨骼机器人由液压和电动组合驱动，它们使用四个驱动器助力脚踝和臀部。上述外骨骼机器人都是有动力的，也有一些无动力的外骨骼系统。例如，Collins等人设计了一种被动踝关节外骨骼，主要由框架、弹簧和被动离合器组成。当佩戴者行走时，与小腿腓肠肌平行的弹簧装置用于储存和释放能量。
[0004]柔性外骨骼主要通过缆线或气动肌肉等柔性材料传递力。这种外骨骼通常不能直接承载重量，它依靠佩戴者自身的骨骼来支撑重量。在行走过程中，拉动下肢关节，达到助力的目的。意大利理工学院(IIT)设计了基于气动的外骨骼，这大大减轻了系统的重量，但很难精确控制。自2011年以来，哈佛大学开发了SoftExo系列柔性外骨骼机器人，主要使用弹性针织物作为绑缚和鲍登线来传递力。他们通过惯性测量单元(IMU)和压力传感器识别佩戴者的运动意图，通过扭矩控制拉动佩戴者的不同关节，包括脚踝、膝盖和臀部。Ortiz等人提出的Xosoft通过弹性带和离合器实现动力辅助，可为髋关节和膝关节的屈曲提供辅助。此外，一种新型电容式压力传感器用于检测佩戴者的意图和外骨骼的状态。使用两个电机辅助臀部，他们提出了人在回路的控制方法，该方法将人的状态作为反馈添加到控制算法中。然而，上述外骨骼均遵循刚性外骨骼的设计模型，均需使用一个电机来控制一个关节。
[0005]由于机械结构的限制，刚性外骨骼机器人在一定时间内不可避免地会对人体行为产生一定的干扰，并且主动刚性外骨骼驱动器和关节的数量必须相同。此外，刚性结构可能会给佩戴者的下肢增加较大的惯性和摩擦，这可能会增加行走过程中的能量消耗。而上述柔性外骨骼均遵循刚性外骨骼的设计模型，使用一个电机来控制一个关节，电机的使用效率低下。

技术实现思路

[0006]本申请提供一种外骨骼机器人，以解决现有外骨骼机器人中驱动电机使用效率低下的问题。
[0007]为解决上述技术问题，本申请提出一种外骨骼机器人，其包括：助力组件，包括左
髋部助力组件、右髋部助力组件、左脚踝助力组件和右脚踝助力组件；动力组件，包括髋部盘式电机和脚踝盘式电机，所述髋部盘式电机连接于所述左髋部助力组件和所述右髋部助力组件，所述脚踝盘式电机连接于所述左脚踝助力组件和所述右脚踝助力组件；所述髋部盘式电机正转或反转以分别驱动所述左髋部助力组件和所述右髋部助力组件，所述脚踝盘式电机正转或反转以分别驱动所述左脚踝助力组件或右脚踝助力组件。
[0008]在一个实施例中，所述左髋部助力组件和所述右髋部助力组件共用腰部绑缚件，所述左髋部助力组件还包括左大腿绑缚件，所述右髋部助力组件还包括右大腿绑缚件；所述髋部盘式电机分别连接所述左大腿绑缚件和所述右大腿绑缚件；所述左脚踝助力组件包括左小腿绑缚件和左脚踝绑缚件，所述右脚踝助力组件包括右小腿绑缚件和右脚踝绑缚件，所述脚踝盘式电机分别连接于所述左小腿绑缚件和右脚小腿缚件。
[0009]在一个实施例中，所述髋部盘式电机通过鲍登线分别连接所述左大腿绑缚件和所述右大腿绑缚件，所述脚踝盘式电机通过鲍登线分别连接于所述左小腿绑缚件和右小腿绑缚件。
[0010]在一个实施例中，所述外骨骼机器人还包括：传感器组件，用于感测摆动角度；包括设置于所述左大腿绑缚件的左髋部传感器、设置于所述右大腿绑缚件的右髋部传感器、设置于所述左脚踝绑缚件的左脚踝传感器、以及设置于所述右脚踝绑缚件的右脚踝传感器。
[0011]在一个实施例中，所述外骨骼机器人还包括控制触发器，所述控制触发器用于接收所述传感器组件的数据，所述控制触发器在接收到的右脚踝摆动角度和左髋部摆动角度的乘积大于0，且右脚踝摆动速度大于0时，控制所述髋部盘式电机驱动所述左髋部助力组件，控制所述脚踝盘式电机驱动所述右脚踝助力组件；所述控制触发器在接收到的左脚踝摆动角度和右髋部摆动角度的乘积大于0，且左脚踝摆动速度小于0时，控制所述髋部盘式电机驱动所述右髋部助力组件，控制所述脚踝盘式电机驱动所述左脚踝助力组件。
[0012]在一个实施例中，所述右脚踝摆动速度由所述右脚踝摆动角度计算获得，所述左脚踝摆动速度由所述左脚踝摆动角度计算获得。
[0013]在一个实施例中，所述髋部盘式电机驱动所述左髋部助力组件和所述脚踝盘式电机驱动所述右脚踝助力组件同时进行，所述髋部盘式电机驱动所述右髋部助力组件和所述脚踝盘式电机驱动所述左脚踝助力组件同时进行。
[0014]在一个实施例中，盘式电机依据控制曲线驱动助力组件，所述控制曲线包括等待阶段、开始阶段、持续阶段和恢复阶段；在所述等待阶段，所述盘式电机在初始位置；在所述开始阶段，所述盘式电机由初始位置增加到最大位置；在所述持续阶段，所述盘式电机保持在最大位置；在所述恢复阶段，所述盘式电机由最大位置恢复到初始位置。
[0015]在一个实施例中，当前行走周期的控制曲线由前一行走周期的控制曲线及前一行走周期的控制误差所确定。
[0016]在一个实施例中，所述外骨骼机器人还包括背包，所述动力组件放置于所述背包内。
[0017]与现有技术不同，本申请外骨骼机器人包括左髋部助力组件、右髋部助力组件、左脚踝助力组件和右脚踝助力组件；动力组件，包括髋部盘式电机和脚踝盘式电机，髋部盘式电机连接于左髋部助力组件和右髋部助力组件，脚踝盘式电机连接于左脚踝助力组件和右
脚踝助力组件；髋部盘式电机正转或反转以分别驱动左髋部助力组件和右髋部助力组件，脚踝盘式电机正转或反转以分别驱动左脚踝助力组件或右脚踝助力组件。本申请利用两个盘式电机来分时驱动四个关节，一个盘式电机负责左右两个关节，分时驱动，提高了电机的工作效率。
附图说明
[0018]通过参考附图阅读下文的详细描述，本公开示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本公开的若干实施方式，并且相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：
[0019]图1是行走过程中步态循环分析的示意图；
[0020]图2是行走过程中发力点分析的示意图；
[0021]图3是行走过程中助力区间分析的示意图；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种外骨骼机器人，其特征在于，所述外骨骼机器人包括：助力组件，包括左髋部助力组件、右髋部助力组件、左脚踝助力组件和右脚踝助力组件；动力组件，包括髋部盘式电机和脚踝盘式电机，所述髋部盘式电机连接于所述左髋部助力组件和所述右髋部助力组件，所述脚踝盘式电机连接于所述左脚踝助力组件和所述右脚踝助力组件；所述髋部盘式电机正转或反转以分别驱动所述左髋部助力组件和所述右髋部助力组件，所述脚踝盘式电机正转或反转以分别驱动所述左脚踝助力组件或右脚踝助力组件。2.根据权利要求1所述的外骨骼机器人，其特征在于，所述左髋部助力组件和所述右髋部助力组件共用腰部绑缚件，所述左髋部助力组件还包括左大腿绑缚件，所述右髋部助力组件还包括右大腿绑缚件；所述髋部盘式电机分别连接所述左大腿绑缚件和所述右大腿绑缚件；所述左脚踝助力组件包括左小腿绑缚件和左脚踝绑缚件，所述右脚踝助力组件包括右小腿绑缚件和右脚踝绑缚件，所述脚踝盘式电机分别连接于所述左小腿绑缚件和右脚小腿缚件。3.根据权利要求2所述的外骨骼机器人，其特征在于，所述髋部盘式电机通过鲍登线分别连接所述左大腿绑缚件和所述右大腿绑缚件，所述脚踝盘式电机通过鲍登线分别连接于所述左小腿绑缚件和右小腿绑缚件。4.根据权利要求1所述的外骨骼机器人，其特征在于，所述外骨骼机器人还包括：传感器组件，用于感测摆动角度；包括设置于所述左大腿绑缚件的左髋部传感器、设置于所述右大腿绑缚件的右髋部传感器、设置于所述左脚踝绑缚件的左脚踝传感器、以及设置于所述右脚踝绑缚件的右脚踝传感器。5.根据权利要求4所述的外骨骼机器人，其特征在于，所述外骨骼机器人还包括控制触发器...

【专利技术属性】
技术研发人员：李金科，吴新宇，何勇，孙健铨，李鹏飞，傅睿卿，马跃，曹武警，王大帅，
申请(专利权)人：中国科学院深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：