[发明专利]负载机动型外骨骼系统及其使用方法

说明书

本发明公开了一种负载机动型外骨骼系统及其使用方法，系统包括控制系统、脚部结构、躯干结构、连接脚部结构和躯干结构的腿部结构，腿部结构的每条仿生腿包括依次连接的仿生髋关节、可调大腿杆件、仿生膝关节、可调小腿杆件和仿生踝关节，以及髋关节液压缸、膝关节液压缸；仿生髋关节连接躯干结构的腰部支撑件，仿生踝关节连接脚部结构，髋关节液压缸连接仿生髋关节和腰部支撑件；膝关节液压缸连接可调大腿杆件与可调小腿杆件，躯干结构的液压站连接髋关节液压缸、膝关节液压缸，控制系统通过液压站驱动髋关节液压缸和膝关节液压缸的运动，从而驱动仿生腿的运动。本发明外骨骼系统具有良好的伸展自由度和承载力，能够与人体协调运动。

技术领域

本发明涉及外骨骼仿生结构技术领域，特别涉及一种负载机动型外骨骼系统及其使用方法。

背景技术

外骨骼仿生结构是模仿生物界外骨骼而提出的一种新型机械结构，结合传感、控制、信息融合、移动计算等技术，与人体协调运动，支撑有效载荷的负载并具有足够的动力以实现负重行走，能够为穿戴者提供支撑和防护，能够有效增强人体负重能力与耐力，在单兵机动作战、抢险救援、康复医疗以及民事应用领域(包括建筑作业、装配作业)具备广阔的应用前景。

然而，目前的外骨骼结构为实现运动意图感知、认知决策、具有足够的动力驱动和执行，其整体体积和重量往往较大，导致整个外骨骼系统使用起来非常不便，人机交互性较差，且关节控制也不够灵活，影响了运动的连贯性和平衡性，因此，如何遵循拟人化的设计思想对外骨骼的尺寸、关节自由度与仿生结构等方面进行设计，研制出能与人体协调运动的负载外骨骼机械结构，是亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明的第一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种负载机动型外骨骼系统，该系统具有良好的伸展自由度和承载力，能够与人体协调运动。

本发明的第二目的在于提供一种负载机动型外骨骼系统的使用方法。

本发明的第一目的通过下述技术方案实现：

一种负载机动型外骨骼系统，包括：控制系统、脚部结构、躯干结构、连接脚部结构和躯干结构的腿部结构，其中，

脚部结构包括智能鞋，智能鞋内嵌设有用于检测人体重量分布和中心变化的压力传感器；

躯干结构包括背架、腰部支撑件、电源和液压站，背架作为基本架构，腰部支撑件、电源、液压站和控制系统均固定在背架背面，且电源、控制系统和液压站均位于腰部支撑件上方；

腿部结构由各自独立的左、右仿生腿组成，每条仿生腿包括腿部运动测量模块、从上至下依次连接的仿生髋关节、可调大腿杆件、仿生膝关节、可调小腿杆件和仿生踝关节，以及髋关节液压缸、膝关节液压缸；髋关节液压缸设置在仿生髋关节处，并连接仿生髋关节和腰部支撑件；膝关节液压缸设置在仿生膝关节处，并连接可调大腿杆件与可调小腿杆件；腿部运动测量模块包括惯性传感器、力传感器和位置传感器，惯性传感器设置在可调大腿杆件与可调小腿杆件之间，力传感器设置在髋关节液压缸与膝关节液压缸处，位置传感器设置在膝关节液压缸处；仿生踝关节与脚部结构相连接；

电源连接控制系统、液压站、压力传感器和腿部运动测量模块；压力传感器和腿部运动测量模块分别连接控制系统，并向控制系统发送所采集的传感数据；液压站连接每条仿生腿的髋关节液压缸、膝关节液压缸，控制系统通过液压站驱动髋关节液压缸和膝关节液压缸的运动，从而驱动仿生腿的运动。

优选的，每条仿生腿具有7个不同的自由度：3个髋关节自由度、1个膝关节自由度与3个踝关节自由度；

其中，3个髋关节自由度分别为1个主动自由度和2个被动自由度，1个主动自由度是指髋关节前屈/后伸，2个被动自由度是指髋关节内旋/外旋、髋关节外展/内收；膝关节自由度为主动自由度，是指膝关节屈曲/伸展；3个踝关节自由度均为被动自由度，分别是指踝关节趾屈/背伸、踝关节内旋/外旋、踝关节外展/内收，当使用者穿戴上外骨骼系统时，仿生踝关节的旋转中心与人体踝关节的旋转中心同心；