【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于外骨骼助力机器人领域。
技术介绍
1、脊柱是人体重要而复杂的骨骼结构，也是骨骼中较为脆弱的部分。其中，腰椎是脊柱的主要承载结构，在长期生理载荷及外部载荷的作用下，腰椎及其周围软组织极易遭受损伤和退行性改变，严重的会导致功能丧失、畸形和神经损伤，从而引发腰部疾病。针对腰部疾病的防治与康复辅助的需要，广大学者对能减轻人体腰部负担的可穿戴外骨骼机器人展开了大量的研究。但目前腰部外骨骼机器人多以“动力式”为主，旨在提高外骨骼机器人的承载有效性，而忽略了其对人体腰部穿戴前屈曲运动的几何仿生包容性，导致腰部轨迹穿戴前后差异性较大，即外骨骼机器人穿戴后对人体运动产生干涉，呈现为身体运动自然姿态的机械式改变。因此，外骨骼机器人穿戴后的人机共融性不足(如公开号cn111110520b和cn105459145 b)，从而降低了其穿戴舒适性与实用性。
技术实现思路
1、为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种具有多自由度腰-膝仿生外骨骼机器人系统，采用的技术方案是：
2、一种具有多自由度腰-膝仿生外骨骼机器人系统，包括穿戴在人体的腰部外骨骼机器人、腰部连接系统、膝关节外骨骼机器人，腰部外骨骼机器人、腰部连接系统、膝关节外骨骼机器人依次连接，腰部外骨骼机器人包括固定在人体腋窝部位的腋窝支架和腋窝支撑基座，通过设有的腋窝支架将人体上半身部分自重通过腋窝支撑基座将力传递至腰部外骨骼机器人，并利用腰部连接系统将力通过膝关节外骨骼机器人传至地面。
3、本专利技术中，腰部外骨骼
4、进一步的，椎骨元件包括4节椎骨，各椎骨之间通过万向节连接，每个万向节设有3个旋转自由度，与腰椎自由度相对应。
5、本专利技术中，腰部连接系统包括左右两块护腰版、腰部连接髋关节、腿部旋转轴、腰带、绑带外扣、缓冲机构、绑带插口、缓冲器卡槽，腰部连接髋关节和腰部外骨骼机器人中的万向节连接，驱动绳及弹簧设有3根，固定在髋关节设有的安装孔中，并利用腰带辅助固定，使外骨骼髋关节部分穿戴在人体髋关节对应位置，其中腰带左右部分通过绑带外扣和绑带插口连接，缓冲机构共有两个，分别和左右护腰板连接固定在缓冲器卡槽上，缓冲器卡槽设有不同位置的配合缓冲壳上的固定槽，用于调整左右安装位置用来保证不同体态的使用者需要。
6、进一步的，缓冲机构包括万向球连接器、中心缓冲压缩弹簧、缓冲压缩弹簧、缓冲壳、缓冲压缩弹簧，万向球连接器固定在护腰板上，并与中心缓冲压缩弹簧连接在一起，工作时中心缓冲压缩弹簧的中心杆穿过缓冲壳的后盖孔向后伸出，缓冲压缩弹簧的中心杆和缓冲压缩弹簧的中心杆向前伸出，这时缓冲壳中的三根缓冲压缩弹簧呈压缩状态，起缓冲作用。
7、本专利技术中，膝关节外骨骼机器人包括非线性人-机接触单元和离合器驱动单元，非线性人-机接触单元包括腰部固定组件、大腿调节固定组件、变胞仿生膝关节、变刚度支撑杆结构、小腿调节支撑组件、外骨骼缓冲层，其中腰部固定组件与腰部连接系统的腿部旋转轴相连接，底部依次连接大腿调节固定组件、外骨骼缓冲层、变胞仿生膝关节、变刚度支撑杆结构、小腿调节支撑组件；
8、离合器驱动单元安装在外骨骼缓冲层上，包括超越离合器驱动单元组件、弹簧及阻尼、外骨骼铰接铠甲层，其中超越离合器驱动单元组件包括后端盖，以及安装在后端盖上的棘轮，棘轮，滑轮及扭簧上下位置分别安装上挡柱和下挡柱，滑轮及扭簧连接弹簧阻尼拉绳，棘爪上设有永磁铁下端，与设置在后端盖上的永磁铁上端相配合。
9、进一步的，后端盖上还设有用于弹簧阻尼拉绳限位的限位轮。
10、进一步的，外骨骼铰接铠甲层内设有贴身编织物。
11、本专利技术提供了一种用于本专利技术具有多自由度腰-膝仿生外骨骼机器人系统的漆关节活动方法，包括支撑相和摆动相，
12、支撑相中：
13、①在支撑相初始阶段，作为驱动输入的步进电机启动，使棘轮顺时针转动，此时棘爪上的永磁铁下端与永磁铁上端吸附，在转动过程中弹簧及阻尼伸长并储能；
14、②支撑相持续阶段，步进电机转动，牵动弹簧及阻尼进行收拢，进而拉动侧铠甲层并将拉力从左侧传递至右侧，步进电机转动额定角度后停止，此时棘轮和棘爪机构自锁，整个离合器无法逆时针反转，线性弹簧仍处于伸长状态，通过步进电机转动增加张弛穿戴系统对人体的法向载荷，通过提高人-机接触刚度来增加助力有效性；
15、③支撑相结束阶段，步进电机再次顺时针正转一个小角度后停止，使得上挡柱翘起棘爪前端并吸附在永磁体上，达到解除离合器自锁的效果；
16、摆动相中：
17、①摆动相开始阶段，棘爪上的永磁铁下端仍与永磁铁上端保持吸附，弹簧立即释能回缩，使得棘轮逆时针反转，弹簧及阻尼整体快速向右回缩；
18、②摆动相持续及结束阶段，棘轮与步进电机连接处外设扭簧，使棘轮反转回复角度足够大，下挡柱转到棘爪左上位置并将棘爪拨离永磁铁上端，使其卡住棘轮，离合器只能顺时针正转；
19、至此，离合器工作的一个周期结束，等待下一个支撑相的开始。
20、本专利技术达到的技术效果是：
21、本专利技术基于人体运动承载生物力学特征的多自由度腰部仿生设计，旨在不影响人体自然运动形态与穿戴舒适度的基础上为人体提供运动助力，有利于腰部疾病的早期预防与康复辅助。腰部外骨骼连接系统可通过腋窝支撑将上肢自重经过膝关节传递至地面，从而减轻由穿戴者自重对关节与肌肉所产生的负载。同时核心部件之一的超越离合器的引入，可针对下肢处于“支撑相”和“摆动相”时提供不同接触刚度，克服了固定式绑缚长时间工作下影响接触部位血液循环问题，其与腋下支撑配合提高了外骨骼的承载能力和克服动态扰动能力，从而实现外骨骼穿戴性与实用性的综合提升。
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1.一种具有多自由度腰-膝仿生外骨骼机器人系统，其特征是：包括穿戴在人体的腰部外骨骼机器人(2)、腰部连接系统(3)、膝关节外骨骼机器人(4)，腰部外骨骼机器人(2)、腰部连接系统(3)、膝关节外骨骼机器人(4)依次连接，腰部外骨骼机器人(2)包括固定在人体腋窝部位的腋窝支架(2-7)和腋窝支撑基座(2-9)，通过设有的腋窝支架(2-7)将人体上半身部分自重通过腋窝支撑基座(2-9)将力传递至腰部外骨骼机器人(2)，并利用腰部连接系统(3)将力通过膝关节外骨骼机器人(4)传至地面。
2.根据权利要求1所述的具有多自由度腰-膝仿生外骨骼机器人系统，其特征是：腰部外骨骼机器人(2)包括肩膀臂(2-1)、肩膀基座(2-2)、第一旋转轴(2-3)、腋窝支架(2-7)、第二旋转轴(2-8)、腋窝支撑基座(2-9)、髋部连接结构(2-15)，腰部外骨骼机器人(2)与穿戴者之间通过绑带(2-5)和髋部连接结构(2-15)固定，其中肩膀臂(2-1)安装在肩膀基座(2-2)上，肩膀基座(2-2)与绑带(2-5)连接，防止机构在工作过程中产生滑移；肩膀基座(2-2)与支撑基座之间通过锁定
3.根据权利要求1所述的具有多自由度腰-膝仿生外骨骼机器人系统，其特征是：椎骨元件包括4节椎骨(2-12)，各椎骨(2-12)之间通过万向节(2-14)连接，每个万向节设有3个旋转自由度，与腰椎自由度相对应。
4.根据权利要求1所述的具有多自由度腰-膝仿生外骨骼机器人系统，其特征是：腰部连接系统(3)包括左右两块护腰版(3-1)、腰部连接髋关节(3-2)、腿部旋转轴(3-3)、腰带(3-4)、绑带外扣(3-5)、缓冲机构(3-6)、绑带插口(3-7)、缓冲器卡槽(3-8)，腰部连接髋关节(3-2)和腰部外骨骼机器人(2)中的万向节(2-14)连接，驱动绳及弹簧(2-13)设有3根，固定在髋关节设有的安装孔中，并利用腰带(3-4)辅助固定，使外骨骼髋关节部分穿戴在人体髋关节对应位置，其中腰带(3-4)左右部分通过绑带外扣(3-5)和绑带插口(3-7)连接，缓冲机构(3-6)共有两个，分别和左右护腰板(3-1)连接固定在缓冲器卡槽(3-8)上，缓冲器卡槽(3-8)设有不同位置的配合缓冲壳(3-6-4)上的固定槽，用于调整左右安装位置用来保证不同体态的使用者需要。
5.根据权利要求4所述的具有多自由度腰-膝仿生外骨骼机器人系统，其特征是：缓冲机构(3-6)包括万向球连接器(3-6-1)、中心缓冲压缩弹簧(3-6-2)、缓冲压缩弹簧(3-6-3)、缓冲壳(3-6-4)、缓冲压缩弹簧(3-6-5)，万向球连接器(3-6-1)固定在护腰板(3-1)上，并与中心缓冲压缩弹簧(3-6-2)连接在一起，工作时中心缓冲压缩弹簧(3-6-2)的中心杆穿过缓冲壳(3-6-4)的后盖孔向后伸出，缓冲压缩弹簧(3-6-3)的中心杆和缓冲压缩弹簧(3-6-5)的中心杆向前伸出，这时缓冲壳(3-6-4)中的三根缓冲压缩弹簧(3-6-3)呈压缩状态，起缓冲作用。
6.根据权利要求1所述的具有多自由度腰-膝仿生外骨骼机器人系统，其特征是：膝关节外骨骼机器人(4)包括非线性人-机接触单元和离合器驱动单元，非线性人-机接触单元包括腰部固定组件(4-1)、大腿调节固定组件(4-2)、变胞仿生膝关节(4-4)、变刚度支撑杆结构(4-5)、小腿调节支撑组件(4-6)、外骨骼缓冲层(4-7)，其中腰部固定组件(4-1)与腰部连接系统(3)的腿部旋转轴(3-3)相连接，底部依次连接大腿调节固定组件(4-2)、外骨骼缓冲层(4-7)、变胞仿生膝关节(4-4)、变刚度支撑杆结构(4-5)、小腿调节支撑组件(4-6)；
7.根据权利要求6所述的具有多自由度腰-膝仿生外骨骼机器人系统，其特征是：后端盖(4-3-4)上还设有用于弹簧阻尼拉绳(4-3-12)限位的限位轮(4-3-11)。...
【技术特征摘要】
1.一种具有多自由度腰-膝仿生外骨骼机器人系统，其特征是：包括穿戴在人体的腰部外骨骼机器人(2)、腰部连接系统(3)、膝关节外骨骼机器人(4)，腰部外骨骼机器人(2)、腰部连接系统(3)、膝关节外骨骼机器人(4)依次连接，腰部外骨骼机器人(2)包括固定在人体腋窝部位的腋窝支架(2-7)和腋窝支撑基座(2-9)，通过设有的腋窝支架(2-7)将人体上半身部分自重通过腋窝支撑基座(2-9)将力传递至腰部外骨骼机器人(2)，并利用腰部连接系统(3)将力通过膝关节外骨骼机器人(4)传至地面。
2.根据权利要求1所述的具有多自由度腰-膝仿生外骨骼机器人系统，其特征是：腰部外骨骼机器人(2)包括肩膀臂(2-1)、肩膀基座(2-2)、第一旋转轴(2-3)、腋窝支架(2-7)、第二旋转轴(2-8)、腋窝支撑基座(2-9)、髋部连接结构(2-15)，腰部外骨骼机器人(2)与穿戴者之间通过绑带(2-5)和髋部连接结构(2-15)固定，其中肩膀臂(2-1)安装在肩膀基座(2-2)上，肩膀基座(2-2)与绑带(2-5)连接，防止机构在工作过程中产生滑移；肩膀基座(2-2)与支撑基座之间通过锁定盖(2-4)连接，腋窝支架(2-7)通过第一旋转轴(2-3)安装在腋窝支撑基座(2-9)上，第一旋转轴(2-3)上设计有止动结构，保证腋窝支架(2-7)在其矢状面中向上旋转而非向下旋转，第二旋转轴(2-8)安装在腋窝支撑基座(2-9)，经过第二旋转轴使腋窝支架(2-7)在水平面上发生转动，腋窝支撑基座(2-9)上装有腋窝支架(2-7)，腋窝支架(2-7)上装有柔性材料，用于降低人-机间接触的不适性，腋窝支架(2-7)通过绑带卡扣(2-6)与绑带(2-5)连接，腋窝支撑基座(2-9)底部连接顶部椎骨(2-16)，顶部椎骨(2-16)底部连接椎骨元件，椎骨元件下端连接髋部连接结构(2-15)；包括驱动绳及弹簧(2-13)，连接椎骨元件及髋部连接结构(2-15)。
3.根据权利要求1所述的具有多自由度腰-膝仿生外骨骼机器人系统，其特征是：椎骨元件包括4节椎骨(2-12)，各椎骨(2-12)之间通过万向节(2-14)连接，每个万向节设有3个旋转自由度，与腰椎自由度相对应。
4.根据权利要求1所述的具有多自由度腰-膝仿生外骨骼机器人系统，其特征是：腰部连接系统(3)包括左右两块护腰版(3-1)、腰部连接髋关节(3-2)、腿部旋转轴(3-3)、腰带(3-4)、绑带外扣(3-5)、缓冲机构(3-6)、绑带插口(3-...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨玉维，尹嘉鹏，李照童，李硕，王浩宇，吕兴昌，庞元硕，李祖瑞，
申请(专利权)人：天津理工大学，
类型：发明
国别省市：
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