[发明专利]下肢负重移动外骨骼

说明书

本发明公开了一种下肢负重移动外骨骼，包括背板部件、髋关节驱动器部件和大腿连接部件，其中，所述髋关节驱动器部件有两个且分别与所述背板部件的两端连接，所述大腿连接部件有两个且分别与两个所述髋关节驱动器部件相连；当人体髋关节处于摆动期时，屈曲的髋关节对应的所述髋关节驱动器部件处于储能状态；当人体髋关节处于支撑期时，伸展的髋关节对应的所述髋关节驱动器部件处于能量释放状态，以辅助人体负重移动。本发明可以辅助人体负重向前移动，为负重移动用户平地行走、爬坡或上楼梯时提供助力，大幅增加了普适性，并且增加了最大负重，具有更广阔的市场前景。

技术领域

本发明涉及仿生机器人技术领域，尤其是涉及一种下肢负重移动外骨骼。

背景技术

本发明的主要应用领域有民用、医疗、军事等领域，主要应用对象是下肢负重移动外骨骼。在民用领域方面，负重移动外骨骼机器人可以用于抢险救援，减轻救援人员运送设备的负担；医疗领域方面，与康复外骨骼机器人不同，负重移动外骨骼机器人可以帮助医务人员轻松地移动患者，更方便地照顾患者；军事领域方面，负重移动外骨骼机器人可以提高战场的救援效率，帮助更多的受伤人员，并可以解决士兵负重携行问题，提升士兵作战效能。因此，这一设备对于以上领域来说都具有积极的意义。

当前，国内外均对下肢负重移动外骨骼进行了一系列研究，也在核心技术和实际应用方面取得了丰硕的成果。现有的下肢外骨骼设备主要分为动力和无动力两种。动力外骨骼的发展始于上世纪60年代，经历了探索、积累到快速发展等阶段。目前，最具代表性的军用动力外骨骼为美国加州大学伯克利分校2000年开始研制的BLEEX，它通过由力传感器、倾角传感器、足底压力传感器和陀螺仪组成的传感器系统测量行走中的各类参数，通过线性液压驱动自行保持平衡，穿戴者仅需要提供导向就可以实现机器人的运动。动力助力外骨骼从最初主要致力于增强人体承受和背负负载的能力，已经发展到致力于轻型化、智能化和更好的人机融合。虽然BLEEX等动力外骨骼已经实现了需求，使穿戴者可以携带75磅负载，在3.2km/h的平均速度下行走，但是由于这类外骨骼通常具有复杂的电控、传感和动力系统，其体积和重量通常较大，维修保养不易，而且价格高昂，不能大量投入使用。

最具代表性的无动力负重移动外骨骼机器人由美国麻省理工学院研发。该项目的目的是研究和开发一款轻盈高效的被动式的外骨骼助力机器人，能够使士兵在负载36公斤的情况下以1m/s的速度行走，其中80％的负重被传递到地面上。驱动方式不采用电力驱动，只利用弹簧储能和变阻尼器驱动关节驱动。髋关节屈曲过程中运动弹簧储存能量，伸展运动时弹簧释放能量，膝关节利用磁流变阻尼器，踝关节利用碳纤维弹簧缓冲脚后跟对地面的冲力。传感器系统由安装在外骨骼外壳上的桥式应变片传感器和安装在膝关节的电位计组成，用于控制膝关节处的磁流变阻尼器。相比动力式外骨骼设备复杂的控制系统和庞大的驱动装置，无动力式助力外骨骼设备通过将负重传递到地面上来减少人体承受的重量，同时通过弹簧储能，将重心下降时的能量存储起来，在髋关节伸展时释放能量，目的在于减少行走能耗；变阻尼器用于缓冲脚跟着地带来的冲击力，起保护膝关节的作用，驱动部分起到将周期性的冲击力均匀化，降低损伤的同时增加了持续行走的能力。

无动力负重移动外骨骼虽然在平地上的表现较好，但是由于无能量输入，无法实际做功，在爬坡或上楼梯的过程中起到的辅助作用有限。此外，由于负重行走过程中髋关节屈曲所消耗的能量占行走过程总能耗的比例低于30％，因此外骨骼通过在屈髋阶段提供助力提升士兵负重行走的效果并不理想。动力助力外骨骼机器人的综合表现较好，但是除了结构复杂外，还有一个问题就是需要电机间歇性提供极大扭矩，这不仅增加了控制系统的复杂程度，还增加了对于电机的要求，从而增加了动力外骨骼机器人的体积和重量。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种下肢负重移动外骨骼，为用户尤其是负重移动的用户平地行走、爬坡或上楼梯时提供助力，大幅增加了普适性，并且增加了最大负重。

根据本发明实施例的下肢负重移动外骨骼，包括：