[发明专利]一种瞬心可调式变刚度柔性膝关节外骨骼

说明书

本发明涉及下肢外骨骼机器人技术领域，尤其涉及一种瞬心可调式变刚度柔性膝关节外骨骼，包括瞬心可调式变刚度柔性膝关节，所述瞬心可调式变刚度柔性膝关节包括膝关节主体、并联交叉弹簧以及气压人工肌肉，所述外骨骼主膝关节主体部分包括大腿绑缚连接件、大腿连接件、膝关节大腿连接件、膝关节瞬心拟合四杆机构、膝关节小腿连接件、小腿连接件、小腿绑缚连接件、紧固气囊与IMU传感器，本发明使得外骨骼膝关节的刚度可调节、外骨骼膝关节的高度柔性化，提升穿戴效果及舒适性，外骨骼膝关节运动瞬心可调节，可包络人体膝关节运动瞬心的变化。

技术领域

本发明涉及下肢外骨骼机器人技术领域，尤其涉及一种瞬心可调式变刚度柔性膝关节外骨骼。

背景技术

助力行走型下肢外骨骼作为外骨骼机器人其中的一个重要研究方向，其主要结构可以分为控制器、驱动器、执行器。其作用原理如下：控制器通过预先输入的人体步态轨迹及传感器反馈的信号进行人体步态识别及人体意图预测，并发送指令驱动执行器对单关节或多关节进行助力，以辅助人体行走。

传统的下肢外骨骼膝关节采用单一刚性铰链接，不能适应人体膝关节变瞬心的特性，同时多为定刚度关节，刚性较大、缺乏柔性。目前，国内外也开展了柔性下肢外骨骼机器人的研究，出现了以柔性织物为主体的柔性下肢外骨骼套装，但是这种外骨骼套装缺乏支撑功能，仅适用于健康人群，而对下肢障碍人群帮助有限。

申请号为“CN201910693712.9”的发明专利公开了一种旋转瞬心可变的膝关节运动仿生机构，其结构包括：大腿连接件，小腿连接件，关节连接支撑件以及运动缓冲限位组件。大腿连接件与小腿连接件之间采用了齿轮啮合转动，模拟了膝关节中上下关节面的面接触转动与平动。但人体股骨与胫骨的接触面曲线并不是纯圆弧曲线，而是一种近似于椭圆弧的J字形曲线。同时，不同个体膝关节的旋转瞬心曲线存在差异，该机构的适应性较差。同时，运动缓冲限位组件采用单一弹簧，不能准确满足人体膝关节屈伸时的肌肉刚度变化。

申请号为“201710129374.7”的中国发明公开了一种基于绳驱的仿生下肢外骨骼机器人，其结构包括背包，腰部机构，大腿固定装置，膝关节机构，小腿固定装置，踝关节机构。该发明采用仿生设计方法，通过依靠摆动板偏心轴沿半圆弧槽滑动以及膝关节盒盖内表面的凸出轴沿摆动板直线槽滑动来实现变瞬心转动。但是其关节运动变瞬心曲线依靠设计滑槽中心线实现，计算及建模复杂，同时该变瞬心曲线固定，不能适应不同个体的膝关节生理功能，普适性较差，助行助力效果有限，易造成助力不当。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种瞬心可调式变刚度柔性膝关节外骨骼，以解决现有技术的不足。

基于上述目的，提出一种瞬心可调式变刚度柔性膝关节外骨骼，包括瞬心可调式变刚度柔性膝关节，所述瞬心可调式变刚度柔性膝关节包括膝关节主体、并联交叉弹簧以及气压人工肌肉，所述外骨骼主膝关节主体部分包括大腿绑缚连接件、大腿连接件、膝关节大腿连接件、膝关节瞬心拟合四杆机构、膝关节小腿连接件、小腿连接件、小腿绑缚连接件、紧固气囊与IMU传感器；

大腿绑缚连接件、大腿连接件、膝关节大腿连接件、膝关节瞬心拟合四杆机构、膝关节小腿连接件、小腿连接件与小腿绑缚连接件由上至下依次连接，形成多级串联的膝关节结构，以适应人体膝关节变中心的转动，紧固气囊位于外骨骼主体部分内侧，且一边设置2个，IMU传感器位于外骨骼主体部分的外侧，且一边设置2个，分别贴于大腿绑缚连接件以及小腿绑缚连接件，气压人工肌肉的两端分别与小腿绑缚连接件和大腿绑缚连接件相连接，并联交叉弹簧模拟人体膝关节处十字交叉韧带的形式与膝关节瞬心拟合四杆机构相连接；

其中，气压人工肌肉充、放气带动膝关节瞬心拟合四杆机构旋转移动，使外骨骼膝关节运动瞬心能够匹配人体膝关节运动瞬心。