[发明专利]一种下肢外骨骼助力装置及控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种助力装置，特别涉及一种下肢外骨骼助力装置。

背景技术

下肢外骨骼助力装置作为服务机器人，是一种将人和两足步行机械腿有机结合在一起，利用人的行为来控制机器人，提供动力协助人的行走，增强人们行走的能力与速度，缓解疲劳感。

目前，国内外特别是美国、日本在这方面已经进行了大量的研究。其中典型的研究之一是日本筑波大学在2002年研制开发的机器人装混合助力腿，机械外骨骼绑缚在人腿的两侧，利用贴在腿部皮肤上的EMG传感器检测肌肉的电流，控制电动马达驱动机械外骨骼运动以辅助腿部的动作。另外，美国加州大学伯克利分校机器人和人体工程实验室研制出美军“伯克利下肢外骨骼”，由背包式外架、金属腿及相应的液压驱动设备组成，机械系统采用了与类人形结构相似的设计，背包式外架能够使操纵者携带一定载荷，其有效作用力不经过穿戴者而直接经由外骨骼传至地面。

然而上述装置存在着共同的缺点，由于肌电传感器是根据肌肉活动时皮肤表面传送的微弱电流信号或肌肉的软硬程度来推断人的行为意识，导致所采用的大部分传感器要与人体肌肤直接接触并粘贴在肌肤上，需要特别的固定装置，这样直接导致穿戴上的不便；人体分泌的汗液会影响传感器获取的信息的稳定性与准确性，并且由于信息量大、处理复杂，传感器易受干扰，造成控制难度较大。

发明内容

本发明将要解决的问题是：利用助力装置和人腿相互运动产生的易控制、稳定的扭矩信号，提供动力协助人行走的下肢外骨骼助力装置，以达到节省人体自身体力消耗。

为解决上述技术问题，一种下肢外骨骼助力装置包括，大腿连接杆、小腿连接杆、腰护垫、髋关节和膝关节，其中大腿连杆和小腿连杆通过膝关节连接，腰护垫和大腿连杆通过髋关节连接；其中，所述髋关节、膝关节的关节部分包括关节箱体、伺服电机、谐波齿轮、主动蜗轮和从动蜗轮，伺服电机连接于关节箱体上，所述主动蜗轮和谐波齿轮与伺服电机同轴连接，从动齿轮与主动蜗轮啮合；所述谐波齿轮上设置有扭矩传感器，伺服电机尾部设置有检测关节实时转角的旋转编码器，所述腰护垫上方连接有同步控制器，扭矩传感器、旋转编码器与同步控制器电性连接；髋关节的从动齿轮与大腿连杆连接，膝关节的从动齿轮与小腿连杆连接。

使用者在穿戴下肢外骨骼助力装置中，将腰护垫固定在人体腰部，将小腿连杆和小腿贴合，将大腿连杆和大腿贴合；走动过程中，人体可以带动下肢外骨骼助力装置的关节内的谐波齿轮转动，通过安置在谐波齿轮上的扭矩传感器来检测所述关节的扭矩信号，检测到的扭矩信号通过同步控制器进行处理；同步控制器输出与该扭矩信号在频率保持一致的同步位移信号给伺服电机，此时伺服电机就可以提供让髋关节和膝关节的同步回复力，同时伺服电机尾部设置的检测关节实时转角的旋转编码器可以调整回复力的偏差。本发明在谐波齿轮上设置扭矩传感器，摒弃了传统在人体上贴合的传感器，大大提高了检测精度；并且伺服电机尾部设置有检测关节实时转角的旋转编码器，使其具有动态自动纠偏的功能，从而可以达到整个控制系统稳定。

进一步，为了方便穿戴，所述大腿连杆和小腿连杆设置有绷带；腰护垫设置有腰带，在腰护垫和同步控制器之间设置有背带。

进一步，所述同步控制器内设置有经过电性连接的数字信号处理谐波齿轮器、A/D转换模块、D/A转换模块、信号放大器和伺服电机驱动器。

进一步，为了使得扭矩传感器采集的信号更加精准；所述设置在谐波齿轮上的扭矩传感器设置有两个，其夹角为45度。

进一步，所述髋关节和腰护垫之间设置有转臂，转臂的一端和腰护垫通过轴承连接，另一端和髋关节的关节箱体滑动配合，转臂可以调整大腿和腰护垫之间的距离，以满足不同身高的穿戴者使用。

进一步，为了防止主动涡轮发生偏移造成摩擦等情况，所述关节箱体和从动蜗轮之间设置有定位轴承，关节箱体上设置有保护定位轴承的安装盖。

进一步，为了实现穿戴舒适和整个装置更加轻便，所述腰护垫为两块与腰部贴合的塑料弧形面，它们通过腰带连接，所述大腿连接杆的形状为与人体大腿面贴合的塑料弧形面，小腿连接杆形状为与和人体小腿贴合的塑料弧形面，转臂为塑料转臂也是为了减轻重量。

最后，所述关节箱体滑动配合的转臂上设置有耐磨圆套，关节箱体与转臂滑动配合部分的内侧设置有耐磨衬套，其目的是提高转臂的使用寿命和灵活性。