[发明专利]主被动结合穿戴式膝关节助力外骨骼

说明书

一种主被动结合穿戴式膝关节助力外骨骼，包括单腿助力单元，单腿助力单元包括：大腿架组件；小腿架组件，小腿架组件与大腿架组件铰接并形成助力点；一体化膝关节，一体化膝关节设置于助力点上用于主动助力；用于提供弹性被动助力的被动助力系统。本发明采用一体化电动膝关节和模具弹簧模组相配合的主被动结合模组化设计，主动助力部分实现根据行走、深蹲起立、半蹲维持，坐姿起立，上楼梯步态的不同进行智能助力，被动助力部分可以保证特定动作场景下的大力矩出力，提高整体助力效率。本发明被动助力部分可实现非线性储能和助力，减少了启动被动储能模组时对鲍登线和髌骨的冲击，提高了被动模具弹簧模组的使用寿命，本发明可实现主被动助力。

技术领域

本发明属于助力装置技术领域，更具体地说，特别涉及一种主被动结合穿戴式膝关节助力外骨骼。

背景技术

外骨骼系统融合了传感、控制、信息获取、移动计算等机器人技术，是一种在操作者的无意识控制下完成助力行走等功能和任务的人机一体化系统。

外骨骼系统通常有两种不同的应用：一是补偿人类失去的运动能力；二是增强人类的运动能力。对于第一种应用而言，外骨骼系统主要应用对象是脊髓损伤、中风等原因导致运动功能丧失的患者。外骨骼以辅具和康复器具的方式去代替或康复患者的运动能力。对于第二种应用而言，外骨骼系统主要应用在工业和军事等领域中，其应用包括：能够增强人四肢力量以便提起更重的物体，加强人身体的承载力防止关节受损，或者是减小长行军时的新陈代谢。

在众多外骨骼系统中，针对膝关节助力的外骨骼系统研究非常广泛，其主要原因有以下几点：首先是膝关节所需外骨骼机器人自由度较少，设置一个与膝关节对心的旋转自由度即可满足要求，其次膝关节所承受力矩较大，正常行走步态中能够达到50Nm以上，膝关节助力外骨骼能够显著减少进行步行和下蹲等日常活动所需的最大肌肉力量，降低人体疲劳度。此外，临床上髌骨关节炎发病率很高,占整个骨性关节炎的73％，膝关节助力外骨骼能够显著减少对髌骨的冲击。

膝关节助力外骨骼机器人按是否使用电池可以分为有源主动和无源被动两种助力方式。

有源主动助力的膝关节外骨骼可以根据步态不同，持续提供智能助力，例如行走助力、上楼梯助力、运动缓冲、身体支撑等功能，减少肌肉疲劳度。但由于膝关节在支撑阶段需要很大的扭矩，对单纯的主动驱动需要的电机和减速器提出了很高的要求，往往导致设备重量较大，助力效率不足，长时间使用续航能力有限等问题。

无源助力膝关节外骨骼则可以通过内部的弹性结构实现人体能量的储存和再分配，例如在下蹲动作中能够实现能量存储，并在恢复站立时释放能量提供助力。使用可储存能量较高的弹性元件可以实现较大力矩出力。此外，被动外骨骼不需要电机和电池，因此能够减少对外界能量供应的需求，使其不受续航问题限制。但是，无源助力外骨骼的力矩输出方式单一，大部分仅与膝关节角度成线性关系，难以实现有源助力方式中的智能助力，并且可储存能量较高的弹性元件重量也较大，若装备在膝关节附近，则会由于距离人体腰部重心较远形成额外附加的阻力矩，增大人体代谢能量损耗。

发明内容

综上所述，如何提供一种能够提供双助力的外骨骼助力系统，以实现有源与无源助力外骨骼使用优点的结合，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

为解决上述问题，本发明提供了一种主被动结合穿戴式膝关节助力外骨骼，该主被动结合穿戴式膝关节助力外骨骼具体是一种结构简单、符合人体结构、使用方便的穿戴式膝关节助力外骨骼机器人。

具体地，本发明的技术方案如下：

本发明提供了一种主被动结合穿戴式膝关节助力外骨骼，在本发明中，该主被动结合穿戴式膝关节助力外骨骼包括单腿助力单元，所述单腿助力单元包括：

用于穿戴到人体大腿上的大腿架组件；

用于穿戴到人体小腿上的小腿架组件，所述小腿架组件与所述大腿架组件对应于人体髌骨位置铰接并形成助力点；