[发明专利]一种轻质灵巧型膝关节助力外骨骼机器人

说明书

本发明提供了一种轻质灵巧型膝关节助力外骨骼机器人，包括肩带、腰带、控制器、电源、髋部柔性绑带、腿部结构和膝关节驱动单元，所述腿部结构包括外侧支撑结构、内侧支撑结构、大腿后侧护具、小腿后侧护具、以及腿部绑缚。本发明融合了“膝关节直驱、腿部双侧支撑、大小腿外形调整结构、大小腿内侧柔性变形结构”的机械结构方案，以及“肩部绑缚+腰部绑缚+髋部柔性绑带+腿部柔性绑缚”的绑缚方案，从机械结构和绑缚两方面改善人机匹配性和力矩传递的有效性，能够较好的解决人机匹配性，降低力矩传递过程中不期望力产生，增加人机之间的接触面积，实现提高穿戴舒适性、稳定性和助力效率的效果。

技术领域

本发明属于外骨骼机器人技术领域，特别涉及一种轻质灵巧型膝关节助力外骨骼机器人。

背景技术

助力型外骨骼机器人是一种穿戴式辅助智能机器人，利用随身能源为机器人本体提供动力，利用传感器网络采集和判断人体与环境信息，结合任务需求实现对人体单个或多个关节的助力。助力型外骨骼机器人可分为负重支撑型和运动辅助型。负重支撑型助力外骨骼一般与负重、与人体、与环境(地面)存在结构接口界面，利用自身机械结构将人体背负的全部或部分重量传递至地面，降低人体实际背负重量。运动辅助型助力外骨骼机器人大多只与人体存在结构接口界面，针对局部关节助力设计，外骨骼与关节和关节连接肢体形成并联结机构，构成人机闭合运动链路，辅助关节出力，降低关节运动相关肌肉群能量消耗和关节压力。

运动辅助型助力外骨骼机器人具有质量轻，运动灵活，运动速度快的特点，但其自身重量一般由人体负担，面临人机匹配性、穿戴舒适性、助力效率低的难题。膝关节助力外骨骼机器人需要跟人体腿部贴合，匹配腿部肌肉外形，适应腿部动态运动过程中肌肉变化，国外现有技术方案，例如加拿大b-temia公司的Keeogo等，其单侧或双侧主体结构外形固定，适应性不足，造成人机之间间隙大，影响穿戴稳定性和助力性能。穿戴舒适性需要外骨骼适应人体穿戴部位的骨骼肌肉结构特点，人机结构接口部位的压力分布合理，现有膝关节外骨骼技术方案结构部分采用全刚性结构，存在质量重，运动灵活性差，穿戴不牢靠现象。部分技术方案为减轻膝关节外骨骼运动下坠问题，引入刚性髋关节结构，进一步增加重量，降低助力效率。助力效率体现在助力大小和助力延时两个方面，现有技术一般采用关节处直接驱动和单侧结构方案，这种方式存在绕人体旋转惯量大，人机作用面小的问题，难以解决快速运动过程中人机稳定性差问题，人机之间的不期望运动随运动速度加快明显增加，力矩的传递效率降低，力矩的传递时间增大。

因而，有必要对膝关节助力外骨骼机器人进行深入研究，以提高人机匹配性、穿戴舒适性、和助力效率。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种轻质灵巧型膝关节助力外骨骼机器人，其融合了“膝关节直驱、腿部双侧支撑、大小腿外形调整结构、大小腿内侧柔性变形结构”的机械结构方案，以及“肩部绑缚+腰部绑缚+髋部柔性绑带+腿部柔性绑缚”的绑缚方案，从机械结构和绑缚两方面改善人机匹配性和力矩传递的有效性，能够较好的解决人机匹配性，降低力矩传递过程中不期望力产生，增加人机之间的接触面积，实现提高穿戴舒适性、稳定性和助力效率的效果，从而完成本发明。

本发明提供的技术方案如下：

一种轻质灵巧型膝关节助力外骨骼机器人，包括肩带、腰带、控制器、电源、髋部柔性绑带、腿部结构和膝关节驱动单元，其中，所述肩带下端与腰带连接，用于搭载在人体肩部；所述腰带采用集成化设计，其上固定有控制器、电源和电缆，电缆将电源和控制器与腿部结构上的姿态传感器以及膝关节驱动单元电连接，用于供电和信号传输；所述控制器用于接收腿部结构上姿态传感器发送的信号，根据信号判断人体运动状态，形成控制指令发送至膝关节驱动单元，控制膝关节驱动单元的运动；所述髋部柔性绑带上端连接腰带，下端连接腿部结构，长度可调；所述腿部结构穿戴于人体腿部，膝关节驱动单元位于膝关节外侧，与腿部结构的内侧旋转轴同轴，与人体膝关节屈伸运动的旋转轴大致位置相同。

根据本发明提供的一种轻质灵巧型膝关节助力外骨骼机器人，具有以下有益效果：