CN113070866A - 柔性关节驱动的髋部外骨骼助行机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔性关节驱动的髋部外骨骼助行机器人，包括穿戴件：穿戴件包括第一驱动关节、第二驱动关节、第三驱动关节以及第四驱动关节；每个驱动关节包括支撑件、输入轴、输出轴以及设置在输入轴和输出轴之间的传动模块，输入轴包括同轴设置在支撑件上的电机模块和减速器模块，输出轴包括同轴设置在支撑件上的串联弹性驱动器、离合器模块和编码器组件。本发明在人体髋关节的左侧、右侧、左后侧和右后侧设置四个驱动关节，可以实现矢状面内步长的调整以及冠状面内步宽的调整，以使穿戴者在行走轨迹平面内能够控制其任意方向的步态，而且采用了串联弹性驱动器加离合器的结构，能够减少突变载荷对人体关节的冲击，大大提高了穿戴者的舒适性。

Description

柔性关节驱动的髋部外骨骼助行机器人

技术领域

本发明涉及穿戴设备技术领域，尤其是指一种柔性关节驱动的髋部外骨骼助行机器人。

背景技术

外骨骼机器人作为一种穿戴式装备，具有增强人体运动能力的功能，相对于传统机器人，外骨骼是一款人机协同化的装备。外骨骼发展至今，已经广泛应用于医疗康复、工业搬运以及军事等领域。在医疗康复领域，随着人口老龄化的增加，肌肉萎缩和脑卒中等疾病严重影响了人类的行动能力，当穿戴者仅靠自身能力无法实现正常的运动时，外骨骼的出现为运动功能的重现提供了帮助。其工作的主要原理是通过穿戴式传感器检测人体的运动意图，由控制方法计算出控制量，再控制各动力元件进行相应的运动。

现有技术中专利申请公布号为CN106514627A的发明专利公开了一种气动外骨骼助力装置。在结构上，该专利采用气动方式实现外骨骼的助力，其缺点在于功率低、控制精度差，导致系统无法准确执行各项动作。在控制方法上，其采用手动控制阀和气动阀结合的控制方式，虽然可以在一定程度上为穿戴者提供助力，但无法实时监测穿戴者的运动意图，因此无法满足人机交互性的设计需求，会对系统的安全性和穿戴者的舒适性有较大的不利影响。

现有技术中专利申请公布号为CN111805511A的发明专利公开了一种腿杆长度主动可调的下肢外骨骼系统及控制方法。在结构上，该专利采用四自由度驱动关节分别布置于髋关节两侧和膝关节两侧，辅助穿戴者两腿髋关节的屈伸和膝关节的转动，由于髋关节驱动单元为两侧布置，所以该设计只能在矢状面上调节穿戴者的步长，而不能满足在冠状面上调整步宽的需求，同时，布置于膝关节的两驱动单元增加系统对质心的惯量，对穿戴者行走时的正常步态产生消极影响。

现有技术中专利申请公布号为CN112060060A的发明专利公开了一种主被动混合驱动的下肢助力外骨骼机器人及控制方法。该专利的驱动关节包括电机、谐波减速器以及角度传感器等组件，其较大的刚度会增加穿戴者的不适感。在控制方法上，通过布置在大小腿上的薄膜压力传感器采集人体的交互力判断运动意图，因此会增加外骨骼设备的穿戴难度。

因此，上述的现有技术中存在穿戴者在行走轨迹平面内无法控制其任意方向的步态、突变载荷对人体关节的冲击以及穿戴不舒适的缺陷。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中存在的穿戴者在行走轨迹平面内无法控制其任意方向的步态、突变载荷对人体关节的冲击以及穿戴不舒适的缺陷。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种柔性关节驱动的髋部外骨骼助行机器人，包括穿戴件：

所述穿戴件包括设置在人体髋关节左侧的第一驱动关节、设置在人体髋关节右侧的第二驱动关节、设置在人体髋关节左后侧的第三驱动关节以及设置在人体髋关节右后侧的第四驱动关节，通过所述第一驱动关节和所述第二驱动关节实现矢状面内步长的调整，通过所述第三驱动关节和所述第四驱动关节实现冠状面内步宽的调整；

每个驱动关节包括支撑件、输入轴、输出轴以及设置在所述输入轴和所述输出轴之间用于传递动力的传动模块，所述输入轴包括同轴设置在所述支撑件上的电机模块和减速器模块，所述输出轴包括同轴设置在所述支撑件上的串联弹性驱动器、离合器模块和编码器组件，通过所述串联弹性驱动器和离合器模块减少突变载荷对人体关节的冲击。

在本发明的一个实施例中，所述穿戴件包括背部固定件，所述第三驱动关节的输入端和所述第四驱动关节的输入端均连接所述背部固定件，用于实现穿戴者左腿步宽和右腿步宽的调整；

所述穿戴件包括连接件，所述连接件包括第一连接板和第二连接板，所述第三驱动关节的输出端与所述第一驱动关节的输入端之间通过第一连接板连接，所述第四驱动关节的输出端与所述第二驱动关节的输入端之间通过第二连接板连接。

在本发明的一个实施例中，所述穿戴件包括腿部绑带机构，所述腿部绑带机构包括：

第一腿部绑带组件，所述第一腿部绑带组件包括第一连杆、第一滑动件、第一固定环和第一绑块，所述第一连杆连接所述第一驱动关节的输出端，所述第一连杆上设置有可沿连杆长度方向移动来调整固定位置的第一滑动件，所述第一滑动件连接所述第一固定环，所述第一固定环上设置有第一绑块；

第二腿部绑带组件，所述第二腿部绑带组件包括第二连杆、第二滑动件、第二固定环和第二绑块，所述第二连杆连接所述第二驱动关节的输出端，所述第二连杆上设置有可沿连杆长度方向移动来调整固定位置的第二滑动件，所述第二滑动件连接所述第二固定环，所述第二固定环上设置有第二绑块。

在本发明的一个实施例中，所述传动模块包括第一绕线轮、钢丝绳、第二绕线轮，所述钢丝绳分别与所述第一绕线轮和所述第二绕线轮配合连接，所述第一绕线轮连接所述减速器模块，所述减速器模块连接所述电机模块；所述第二绕线轮连接所述串联弹性驱动器，所述串联弹性驱动器连接所述离合器模块。

在本发明的一个实施例中，所述编码器组件包括第一编码器和第二编码器，所述第一编码器设置在串联弹性驱动器的位置，通过所述第一编码器检测所述串联弹性驱动器的转角；所述第二编码器设置在所述离合器模块的位置，通过所述第二编码器检测所述离合器模块的转角。

在本发明的一个实施例中，还包括控制系统和电源系统，所述控制系统和电源系统设置于背板固定件上。

在本发明的一个实施例中，所述电机模块包括电机和电机驱动器，所述电机的编码器连接所述控制系统，所述电机连接所述电机驱动器，所述电机驱动器连接控制系统和离合器模块。

在本发明的一个实施例中，所述串联弹性驱动器连接第一编码器，所述第一编码器连接控制系统，所述第一编码器用于检测串联弹性驱动器转动时的转角，并通过第一编码器传输至控制系统。

在本发明的一个实施例中，所述离合器模块连接第二编码器，所述第二编码器连接控制系统，所述第二编码器用于检测离合器模块的转角，并通过第二编码器传输至控制系统。

在本发明的一个实施例中，还包括惯性测量系统，所述惯性测量系统设置于穿戴者的下肢各关节处。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明在人体髋关节的左侧、右侧、左后侧和右后侧设置四个驱动关节，可以实现矢状面内步长的调整以及冠状面内步宽的调整，以使穿戴者在行走轨迹平面内能够控制其任意方向的步态，而且采用了串联弹性驱动器加离合器的结构，能够减少突变载荷对人体关节的冲击，大大提高了穿戴者的舒适性。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明中第一腿部绑带组件的结构爆炸图。

图3是本发明中第一驱动关节的结构示意图。

图4是本发明中第一驱动关节的结构爆炸图。

图5是本发明的控制系统架构图。

说明书附图标记说明：1、第一驱动关节；2、第二驱动关节；3、第三驱动关节；4、第四驱动关节；5、背部固定件；6、第一连接板；7、第二连接板；8、第一连杆；9、第一滑动件；10、第一固定环；11、第一绑块；12、第二连杆；13、第二滑动件；14、第二固定环；15、第二绑块；16、支撑件；17、电机；18、离合器轴；19、离合器；20、减速器；21、第一绕线轮；22、第二绕线轮；23、输出杆；24、联轴器；25、输入杆；26、钢丝绳；27、第一编码器；28、串联弹性驱动器；29、第二编码器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

本发明实施例提供一种柔性关节驱动的髋部外骨骼助行机器人，包括穿戴件和控制系统。

请参阅图1所示，所述穿戴件包括背部固定件5、第一驱动关节1、第二驱动关节2、第三驱动关节3、第四驱动关节4和连接件，第一驱动关节1和第二驱动关节2分别设置在人体髋关节的左侧和右侧，第三驱动关节3和第四驱动关节4设置在人体髋关节的左后侧和右后侧。

请参阅图1和图3所示，外骨骼的冠状面步宽调整通过背部固定件5、第三驱动关节3和第四驱动关节4实现，防止人体在行走过程中向左右两侧摔倒。具体的，第三驱动关节3的输入杆25与背部固定件5通过螺栓连接，实现穿戴者左腿步宽的调整；第四驱动关节4的输入杆25与背部固定件5通过螺栓连接，实现穿戴者右腿步宽的调整，

外骨骼的矢状面步长调整通过第一连接板6、第二连接板7、第一驱动关节1和第二驱动关节2实现，防止穿戴者在行走时前后方向上的摔倒。具体的，连接件包括第一连接板6和第二连接板7，第一连接板6的一端与第三驱动关节3的输出杆23连接，第一连接板6的另一端与第一驱动关节1的输入杆25连接，实现穿戴者左腿步长的调整；第二连接板7的一端与第四驱动关节4的输出杆23连接，第二连接板7的另一端与第二驱动关节2的输入杆25连接，实现穿戴者右腿步长的调整。

上述整体结构采用四自由度的设计，其中髋关节左右两侧的两个驱动关节辅助穿戴者髋关节的屈曲/后伸，实现行走时矢状面内步长的调整；髋关节后侧的两个驱动关节辅助穿戴者髋关节的外展/内收，实现行走时冠状面内步宽的调整，以使穿戴者在行走轨迹平面内可以控制其任意方向的步态。

相对于传统的外骨骼驱动关节模块，驱动关节的结构为输入杆25和输出杆23不同轴的设计，通过减少轴向尺寸实现结构的扁平化，避免穿戴者在行走过程中与周围物体的干涉。

请参阅图2所示，穿戴件包括腿部绑带机构，腿部绑带机构包括第一腿部绑带组件和第二腿部绑带组件。其中第一腿部绑带组件包括第一连杆8、第一滑动件9、第一固定环10和第一绑块11，第一滑动件9包括第一滑块a和第一滑块b，第一驱动关节1的输出杆23与第一连杆8的一端采用螺栓连接，第一滑块a和第一滑块b分别与第一连杆8配合，且第一滑块a和第一滑块b可沿连杆长度方向移动来调整固定位置，第一腿固定环的外圆面与第一滑块a、第一滑块b固定。例如通过螺栓依次穿过第一滑块a、第一连杆8和第一固定环10实现机构的锁紧；第一固定环10用于对穿戴者腿部的周向固定，设置在第一固定环10上的第一绑块11包括第一绑块11a和第一绑块11b，第一绑块11a与第一固定环10的一端采用螺栓连接，第一绑块11b与第一固定环10的另一端采用螺栓连接，相应第一绑块11孔位之间用柔性绑带穿过，实现对穿戴者大腿的绑缚。同样的，第二腿部绑带组件包括第二连杆12、第二滑动件13、第二固定环14和第二绑块15，其具体结构可以参照第一腿部绑带组件的阐述，本发明在这里不做赘述。

请参阅图3和图4所示，每个驱动关节包括支撑件16、输入轴、输出轴以及设置在输入轴和输出轴之间用于传递动力的传动模块，输入轴包括同轴设置在支撑件16上的电机模块和减速器模块，输出轴包括同轴设置在支撑件16上的串联弹性驱动器28、离合器模块和编码器组件，输入轴的一侧设置有输入杆25，输出轴的一侧设置有输出杆23，通过串联弹性驱动器28和离合器模块减少突变载荷对人体关节的冲击。

上述驱动关节设计采用模块化的方式，使得外骨骼设备可以应用于不同的场景，对于不同穿戴者的需求，通过关节的位置布置，辅助穿戴者实现正常行走。

请参阅图4所示，电机模块包括电机17，减速器模块包括减速器20，离合器模块包括离合器19，编码器组件包括第一编码器27和第二编码器29，传动模块包括第一绕线轮21、钢丝绳26和第二绕线轮22。具体的，电机17通过螺栓固定在支撑件16上，电机17的联轴器24的内圆柱面与电机17的输出轴连接，电机17的联轴器24的外端面与减速器20的波发生器连接，减速器20的钢轮通过螺栓固定在支撑件16上，减速器20的柔轮与第一绕线轮21连接，第一绕线轮21的端盖内圆柱面采用第一轴承为上述减速器20提供支撑；钢丝绳26分别与第一绕线轮21、第二绕线轮22的外圆柱面配合，实现力矩从电机17侧至离合器19侧的传递；串联弹性驱动器28的一端与第二绕线轮22连接作为输入，串联弹性驱动器28的另一端与离合器19轴18连接作为输出，由于串联弹性驱动器28的输入输出端在工作过程中存在相对转动，因此在第二绕线轮22处放置第一编码器27，通过第一编码器27测量串联弹性驱动器28的转角；离合器19的一端面与离合器19轴18连接，另一端面与输出杆23连接，离合器19通过第三轴承实现在离合器19轴18上的支撑，将第二编码器29固定在输出杆23处，励磁体安装于离合器19轴18的端面，通过第二编码器29来检测离合器19在断开状态下的转动角度，实现对离合器19转角的测量。

上述采用柔性驱动关节的设计方法，在外骨骼驱动关节的工作过程中，可以提高穿戴者的舒适性。具体通过在第二绕线轮22和离合器19之间增加串联弹性驱动器28实现，在结构上，当电机17输出力矩时，串联弹性驱动器28产生较大转动，从而减少突变载荷对人体关节的冲击，降低穿戴者的不适感；在控制方法上，由于关节模块的输出力矩和串联弹性驱动器28转角为线性关系，可以通过对串联弹性驱动器28的位置控制实现驱动关节的输出力控制。

上述采用带有离合器19的关节模块，当穿戴者失去平衡或即将失衡时，离合器19通电闭合，此时由电机17输出的力矩传递到关节的输出杆23，辅助穿戴者进行平衡行走；当穿戴者正常行走时，离合器19处于断开状态，此时关节模块为零力控制，避免在穿戴者行走过程中整体结构对正常步态的干扰。

请参照图5所示，图5是本发明的控制系统架构图，其中包括主控芯片、电机驱动器、电机17、离合器19、第一编码器27、第二编码器29和串联弹性驱动器28。主控芯片和电源系统固定在背部固定件5上，第一驱动关节1、第二驱动关节2、第三驱动关节3和第四驱动关节4均包含电机驱动器、电机17、离合器19、第一编码器27、第二编码器29和串联弹性驱动器28。优选的，电机17为无刷直流电机17，编码器为磁编码器，主控芯片通过PWM指令传输至电机驱动器，电机驱动器通过电机17三相线控制无刷直流电机17转动，直流无刷电机17的编码器将电机17的位置信息通过电机17霍尔线反馈至主控芯片；同时离合器19的通断信号由电机驱动器的IO口进行控制，当离合器19断开连接时的转动角度由第一磁编码器测得，所产生的线性电压通过ADC反馈至主控芯片；当驱动关节输出力矩时，串联弹性驱动器28产生相对转动，转动角度通过第二磁编码器测得，不同转角所对应的线性电压通过ADC传输至主控芯片。

还包括惯性测量系统，惯性测量系统固定于穿戴者下肢各关节处，惯性测量系统用于测量穿戴者的运动姿态，实时数据通过IIC接口传输至主控芯片。

上述设计采用多传感器融合的方法来提高系统对穿戴者的状态感知和辅助效果，包括惯性测量系统、用于测量串联弹性驱动器28转角的第一编码器27以及用于测量离合器19转角的第二编码器29。其中惯性测量系统用于测量和预测穿戴者的质心位置、速度、加速度信息，并将信息传输至主控单元，经过计算确定电机17的输出；对于第一编码器27用于检测穿戴者和外骨骼驱动关节的交互力，并将电压信号传输至主控单元；对于第二编码器29，当控制系统为零力状态时，离合器19处于断开状态，此时第二编码器29将检测到的电压信号传输至主控单元，实现关节输出杆23位置的实时监测。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种柔性关节驱动的髋部外骨骼助行机器人，其特征在于，包括穿戴件：

所述穿戴件包括设置在人体髋关节左侧的第一驱动关节、设置在人体髋关节右侧的第二驱动关节、设置在人体髋关节左后侧的第三驱动关节以及设置在人体髋关节右后侧的第四驱动关节，通过所述第一驱动关节和所述第二驱动关节实现矢状面内步长的调整，通过所述第三驱动关节和所述第四驱动关节实现冠状面内步宽的调整；

每个驱动关节包括支撑件、输入轴、输出轴以及设置在所述输入轴和所述输出轴之间用于传递动力的传动模块，所述输入轴包括同轴设置在所述支撑件上的电机模块和减速器模块，所述输出轴包括同轴设置在所述支撑件上的串联弹性驱动器、离合器模块和编码器组件，通过所述串联弹性驱动器和离合器模块减少突变载荷对人体关节的冲击。

2.根据权利要求1所述的柔性关节驱动的髋部外骨骼助行机器人，其特征在于，所述穿戴件包括背部固定件，所述第三驱动关节的输入端和所述第四驱动关节的输入端均连接所述背部固定件，用于实现穿戴者左腿步宽和右腿步宽的调整；

所述穿戴件包括连接件，所述连接件包括第一连接板和第二连接板，所述第三驱动关节的输出端与所述第一驱动关节的输入端之间通过第一连接板连接，所述第四驱动关节的输出端与所述第二驱动关节的输入端之间通过第二连接板连接。

3.根据权利要求1所述的柔性关节驱动的髋部外骨骼助行机器人，其特征在于：所述穿戴件包括腿部绑带机构，所述腿部绑带机构包括：

第一腿部绑带组件，所述第一腿部绑带组件包括第一连杆、第一滑动件、第一固定环和第一绑块，所述第一连杆连接所述第一驱动关节的输出端，所述第一连杆上设置有可沿连杆长度方向移动来调整固定位置的第一滑动件，所述第一滑动件连接所述第一固定环，所述第一固定环上设置有第一绑块；

第二腿部绑带组件，所述第二腿部绑带组件包括第二连杆、第二滑动件、第二固定环和第二绑块，所述第二连杆连接所述第二驱动关节的输出端，所述第二连杆上设置有可沿连杆长度方向移动来调整固定位置的第二滑动件，所述第二滑动件连接所述第二固定环，所述第二固定环上设置有第二绑块。

4.根据权利要求1所述的柔性关节驱动的髋部外骨骼助行机器人，其特征在于：所述传动模块包括第一绕线轮、钢丝绳、第二绕线轮，所述钢丝绳分别与所述第一绕线轮和所述第二绕线轮配合连接，所述第一绕线轮连接所述减速器模块，所述减速器模块连接所述电机模块；所述第二绕线轮连接所述串联弹性驱动器，所述串联弹性驱动器连接所述离合器模块。

5.根据权利要求1所述的柔性关节驱动的髋部外骨骼助行机器人，其特征在于：所述编码器组件包括第一编码器和第二编码器，所述第一编码器设置在串联弹性驱动器的位置，通过所述第一编码器检测所述串联弹性驱动器的转角；所述第二编码器设置在所述离合器模块的位置，通过所述第二编码器检测所述离合器模块的转角。

6.根据权利要求1所述的柔性关节驱动的髋部外骨骼助行机器人，其特征在于：还包括控制系统和电源系统，所述控制系统和电源系统设置于背板固定件上。

7.根据权利要求1所述的柔性关节驱动的髋部外骨骼助行机器人，其特征在于：所述电机模块包括电机和电机驱动器，所述电机的编码器连接所述控制系统，所述电机连接所述电机驱动器，所述电机驱动器连接控制系统和离合器模块。

8.根据权利要求1所述的柔性关节驱动的髋部外骨骼助行机器人，其特征在于：所述串联弹性驱动器连接第一编码器，所述第一编码器连接控制系统，所述第一编码器用于检测串联弹性驱动器转动时的转角，并通过第一编码器传输至控制系统。

9.根据权利要求1所述的柔性关节驱动的髋部外骨骼助行机器人，其特征在于：所述离合器模块连接第二编码器，所述第二编码器连接控制系统，所述第二编码器用于检测离合器模块的转角，并通过第二编码器传输至控制系统。

10.根据权利要求1所述的柔性关节驱动的髋部外骨骼助行机器人，其特征在于：还包括惯性测量系统，所述惯性测量系统设置于穿戴者的下肢各关节处。

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