[发明专利]一种刚软一体式下肢外骨骼

说明书

本发明提供一种刚软一体式下肢外骨骼，包括髋关节气动软体驱动器，膝关节气动软体驱动器，踝关节气动软体驱动器，腰部刚性连杆，大腿刚性连杆，小腿刚性连杆，脚刚性连杆，腰部穿戴机构，大腿穿戴机构，小腿穿戴机构和脚穿戴机构，其中：各关节气动软体驱动器采用具有双层气囊的椭圆柱形或椭圆环形结构，向不同气囊充气实现双向弯曲变形；刚性连杆将各关节气动软体驱动器连接起来，在刚性连杆上安装穿戴机构，用于将外骨骼穿戴在人体上；关节气动软体驱动器的弯曲变形和弯曲力矩，通过刚性连杆和穿戴机构传递给人体下肢，从而驱动人体下肢关节的转动，达到辅助人体下肢运动的目的。

技术领域

本发明涉及种软体机器人技术领域的一种可穿戴辅助机器人，具体地，涉及一种刚软一体式下肢外骨骼。

背景技术

近年来，软体机器人逐渐成为机器人技术领域的热点研究对象，相对于传统的刚性机器人，软体机器人具有很好的柔性，不需要复杂的控制算法，便可以实现对环境和操作对象的自适应，而且能够避免碰撞引起的人体伤害以及物品和机器人损坏，在微创手术和康复治疗等医疗领域有很大的应用前景。

可穿戴辅助机器人主要用于穿戴在人体上辅助人体进行运动，例如帮助中风患者进行长期自主的肢体康复训练，在康复治疗方面有比较好的应用前景。传统的可穿戴康辅助机器人为全刚性结构、采用电机驱动，虽然驱动力大，但存在笨重、柔性差和关节轴线对准等问题。最近发展起来的软体机器人为可穿戴辅助机器人提供了很好的解决方案，出现了一类轻便、柔性高、穿戴舒适、关节轴线能自适应的软体外骨骼。

软体外骨骼采用硅橡胶、纤维、鲍登线、形状记忆合金等软体材料构成，通过气压、线拉力或电热效应驱动。如美国哈佛大学Wehner等人开发的一种基于气动人工肌肉驱动和线驱动的下肢软体外骨骼Exosuit，分别采用气动人工肌肉和鲍登线模仿人体肌腱，驱动人体关节运动；美国亚利桑那州立大学Thalman等人研究的一款模块化气袋式肘关节软体外骨骼，采用气袋的充气膨胀效应驱动人体肘关节的弯曲，能够辅助人体进行负重训练；新加坡国立大学的等人Yap等人研究的一款采用热胶合TPU合成布料制作而成的气动软体手指外骨骼，尺寸、重量与一般手套接近，穿戴在中风患者的手指上，能够辅助中风患者进行手指的康复训练。基于气动人工肌肉驱动或线驱动软体外骨骼，对穿戴者的肢体会产生高达200N的轴向拉力，使穿戴者的关节产生压迫感，容易引起穿戴不舒适甚至关节受损。采用全软结构的弯曲驱动软体外骨骼，存在弯曲轮廓与人体肢体轮廓不一致的问题，在非关节处产生较大约束力，但在关节处的有效驱动力却较小，穿戴舒适性差、驱动效率低。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种刚软一体式下肢外骨骼，通过关节气动软体驱动器与刚性连杆的组合，使下肢外骨骼在人体关节处不但能辅助穿戴者进行关节运动并且能自适应人体关节轴线的变化，而在非关节处使下肢外骨骼的变形轮廓与人体下肢的运动轮廓一致，能提高穿戴舒适性并增强驱动效率。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种刚软一体式下肢外骨骼，由关节气动软体驱动器、刚性连杆和穿戴机构构成，其中：

所述软体驱动器包括髋关节气动软体驱动器，膝关节气动软体驱动器，踝关节气动软体驱动器；

所述刚性连杆包括腰部刚性连杆，大腿刚性连杆，小腿刚性连杆，脚刚性连杆；

所述穿戴机构包括腰部穿戴机构，大腿穿戴机构，小腿穿戴机构和脚穿戴机构；