[发明专利]一种准被动膝踝关节耦合下肢外骨骼及其控制方法

说明书

本发明涉及穿戴式机器人技术领域，尤其涉及一种准被动膝踝关节耦合下肢外骨骼及其控制方法。该下肢外骨骼包括下肢穿戴机构、储能机构和控制机构，其中所述储能机构包括固定轴，在所述固定轴的两端设有膝关节离合器和踝关节离合器，所述膝关节离合器连接大腿穿戴部，所述踝关节离合器连接脚底穿戴部，在所述膝关节离合器与所述踝关节离合器之间设有储能扭簧，所述储能扭簧的两端分别与所述膝关节离合器、所述踝关节离合器相连。本发明将人体下肢膝关节和踝关节进行耦合，通过对膝、踝关节能量的收集、储存和释放，在无需外部能量输入的情况下，助力人体行走，实现了外骨骼装置的轻量化和能量经济性，使得降低人体行走中新陈代谢能耗成为可能。

技术领域

本发明涉及穿戴式机器人技术领域，尤其涉及一种准被动膝踝关节耦合下肢外骨骼及其控制方法。

背景技术

外骨骼是一种能维持或增强人体生理机能的可穿戴设备，在军事、医疗、助老助残等方面具有广阔应用前景。下肢外骨骼作为其中一种，旨在助力人体行走。在军事领域中，下肢外骨骼可增长徒步距离，提升负重能力，降低肌肉损伤风险，从而提升单兵作战能力。在医疗领域，下肢外骨骼可以用于患者的步态康复和残疾人的辅助行走。在助老领域，下肢外骨骼可以帮助老年人恢复行走能力。

人体在行走过程中需要消耗大量能量，其中大部分能量消耗在支撑相后期踝关节跖屈蹬地动作中。下肢外骨骼在踝关节蹬地瞬间提供外部助力，可替代小腿部分肌肉功能，实现人体行走功耗的降低。

然而，现有下肢外骨骼多为主动式外骨骼，需要通过大功率电机对踝关节进行助力，因此需要大质量驱动装置和大容量能量供给装置，会造成人体额外的能量消耗，且可移动性和续航能力较差。而且，目前的外骨骼原理都局限于对踝关节跖屈蹬地进行助力，然而人的行走是高度复杂的过程，在此过程中膝踝关节所做的负功也会造成很大的能量消耗，仅对踝关节进行助力所达到的效果较为有限。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种准被动膝踝关节耦合下肢外骨骼及其控制方法，解决现有的主动式外骨骼存在的会造成人体额外的能量消耗，可移动性和续航能力较差，以及仅对踝关节进行助力，所达到的效果较为有限的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种准被动膝踝关节耦合下肢外骨骼，包括下肢穿戴机构、储能机构和控制机构；

其中，所述下肢穿戴机构包括大腿穿戴部、小腿穿戴部和脚底穿戴部；

所述储能机构包括设置在所述小腿穿戴部上的固定轴，在所述固定轴的两端对称设置有膝关节离合器和踝关节离合器，其中所述膝关节离合器通过第一绳索连接所述大腿穿戴部，所述踝关节离合器通过第二绳索连接所述脚底穿戴部；所述的膝关节离合器和踝关节离合器均包括棘轮、棘爪和主动齿轮，所述棘轮通过轴承套设在所述固定轴上，所述棘爪转动连接于所述固定轴的端面上，所述棘爪包括止动爪部和从动齿部，其中所述止动爪部与所述棘轮的内缘齿槽相配合，所述从动齿部与所述主动齿轮相啮合；在所述膝关节离合器与所述踝关节离合器之间设有储能扭簧，所述储能扭簧的两端分别与所述膝关节离合器、所述踝关节离合器相连；

所述控制机构包括用于分别控制所述膝关节离合器和所述踝关节离合器的两个舵机，所述舵机与所述固定轴固定连接，在所述舵机的动力输出轴上固定连接有舵机轴套，所述舵机轴套与所述主动齿轮固定连接；所述舵机的动力输出轴通过所述舵机轴套控制所述主动齿轮的转动，通过所述主动齿轮的转动实现所述棘爪与所述棘轮之间的脱离或锁死。

进一步地，所述的膝关节离合器和踝关节离合器均设有压缩弹簧，所述压缩弹簧的一端与所述舵机轴套相连，所述压缩弹簧的另一端与所述主动齿轮相连。

进一步地，所述控制机构还包括足底压力传感器、单片机以及采样电路，所述足底压力传感器通过所述采样电路与所述单片机相连，所述单片机与所述舵机相连。