[发明专利]一种无驱动的穿戴式膝关节助力外骨骼机器人

说明书

本发明公开了一种无驱动的穿戴式膝关节助力外骨骼机器人，包括大腿固定机构、小腿固定机构、离合机构、膝关节回转机构、两侧大腿支架、小腿支架，大腿固定机构、小腿固定机构分别滑动固定于大腿支架上部、小腿支架下部；离合机构设置于大腿支架上，该侧小腿支架上设置有正向拉伸弹簧、反向拉伸弹簧、正向旋转钢丝绳、反向旋转钢丝绳，通过正向旋转钢丝绳、反向旋转钢丝绳穿过膝关节回转机构后与离合机构相连提供膝关节回转时的弯曲锁紧与伸展助力。本发明利用智能离合器结构拟合人体膝关节运动特性，实现无驱动式膝关节助力，进行锁定与解锁过程的切换，从而达到节能助力效果，能够有效减轻运动关节的负担，便携轻巧成本更低。

技术领域

本发明涉及一种无驱动的穿戴式膝关节助力外骨骼机器人，属于助力外骨骼机器人技术领域。

背景技术

外骨骼机器人是一种可以并联穿戴在人的肢体上，为人的运动提供额外的动力或助力，增强人体机能的智能机械系统，可以使得操作者能轻松地完成很多艰难的活动和任务。助力外骨骼机器人系统的研制和应用主要分为民用和军用两类。民用方面主要用于辅助残疾人、老年人和丧失部分运动能力的病人行走；军用方面主要用来增强普通士兵的作业能力，提高军事活动和训练过程中士兵的耐力和体力。

传统的刚性结构下肢外骨骼机器人的驱动系统主要包括电机驱动、液压驱动、气缸驱动以及气动人工肌肉驱动等类型，但是这类需要驱动系统的外骨骼机器人具有诸多的不足，如机械结构本体较为笨重、能耗较高、便携性差。刚性机构由于并联在人体外部，无法与人体关节中心重合，人机耦合性较差，难以满足人机交互的协调性和精确性要求。

在专利号CN105856196A的发明专利中，公开了一种膝关节外骨骼助力装置，由小腿杆件、凸轮机构、锁定机构、大腿杆件以及液压机构组成，通过在大腿杆件和小腿杆件之间设置凸轮机构，利用液压缸提供驱动力，使得大腿杆件和小腿杆件实现更贴近人体实际的转动。但是整个机械机构较为笨重，需要液压驱动，无法达到节能的效果。

在专利号CN107811805A的发明专利中，公开了一种可穿戴式的下肢外骨骼康复机器人，由髋关节组件、膝关节组件、脚部组件、电机、谐波减速器等组成，其特征在于膝关节利用四连杆机构，通过踝膝联动机构，以此来使使用者在支撑相锁定，在摆动相解锁自由运动。但整体机构比较复杂，结构笨重，穿戴不方便。

在专利号CN105943316B的发明专利中，公开了一种具有回力结构的人体下肢外骨骼，通过改进人体下肢外骨骼的关节转轴结构，在腰部、髋关节、大腿、小腿、以及脚踝部位分别增加回力机构，使得具有回力机构的被动型人体下肢外骨骼能够减轻穿戴者的负载。但是整体构型复杂，结构比较笨重，穿戴不方便。

下肢外骨骼机器人是比较复杂的系统，主要包括动力系统、机械系统、控制系统、人机交互系统等。其中下肢的控制和机械结构设计以及动力系统的搭建方面是难点也是重点。传统的下肢外骨骼在每个关节助力的阶段都需要独立的动力源提供助力，这在一方面增加了整体构型的复杂性和装备的重量，增加人体代谢的能量消耗，在另一方面，下肢整体系列包括髋关节、膝关节和踝关节外骨骼的联合运动控制显得尤为复杂。

因此如何设计满足人体运动学特性，提高穿戴式外骨骼对人体的助力效果，简化下肢外骨骼机器人的机械系统、动力系统和控制系统，减小行走过程的能量消耗，是一个必须要考虑的问题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种无驱动的穿戴式膝关节助力外骨骼机器人，利用离合器的机理实现无驱动式膝关节助力，进行锁定与解锁过程的切换从而达到节能助力效果，能够有效减轻运动关节的负担，便携轻巧成本更低。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种无驱动的穿戴式膝关节助力外骨骼机器人，包括大腿固定机构、小腿固定机构、离合机构、膝关节回转机构以及两侧大腿支架；