[实用新型]一种柔性外骨骼助力机器人

说明书

本实用新型公开一种柔性外骨骼助力机器人，其特征在于，该助力机器人由柔性穿戴服、控制箱、前侧驱动单元、鲍登线、传感系统构成；该助力机器人采用髋关节前屈拉伸和伸展拉伸的助力方案，通过两种拉伸助力的协同控制，使外骨骼系统能够在摆腿相和支撑相都能提供助力。采用基于代理的滑模控制策略，结合PID控制和滑模控制的优点，设计柔性外骨骼的人机协调控制系统，确保跟踪精度和快速平滑响应，实现多场景下的助力需求。

技术领域

本实用新型涉及机动工具领域，具体是一种柔性外骨骼助力机器人。该助力机器人采用髋关节前屈拉伸和伸展拉伸的助力方式，通过两种拉伸助力的协同控制，使外骨骼系统能够在摆腿相和支撑相都能提供助力。

背景技术

随着现代科技的飞速发展，武器装备水平越来越成为现代战争胜利的重要保证。作战部队规模小、作战消耗高成为现代战争的基本特征。同时，反恐战争等新形式的武装打击对单兵装备要求越来越高，单兵负荷也随之增大，但过重的单兵负荷又是影响执行任务成败的重要因素。能够提升单兵携行能力又不妨碍动作敏捷性的外骨骼系统受到广泛的关注。外骨骼系统是一种穿戴在单兵身体上的伴随式智能装备，通过人机协调同步运动，为单兵提供承重及运动助力，提升其搬移托举能力、承载携行能力及快速机动能力。目前国内外对硬质外骨骼研究最多，硬质结构外骨骼机器人还普遍存在重量大、动作灵活性差、反应速度慢、舒适性差、穿脱不方便、携带不方便等方面的问题，无法满足单兵实战需求，制约了其普及应用。

近年，柔性外骨骼系统因其能够克服硬质外骨骼系统的上述瓶颈问题而受到更多青睐。哈佛大学Ye Ding等人研制的主动式离线式下肢助力柔性外骨骼包括踝关节、膝关节、髋关节驱动，其力传递采用绳索，外骨骼最大可以为踝关节、膝关节、髋关节提供124.6Nm、40Nm、104Nm的力矩，正常人穿戴该外骨骼，行走时可以减少22.83±3.17％代谢消耗。这种外置实验平台的设计只能进行实验研究，不能商业化和实际运用。哈佛AlanT.Asbeck等人报告一种可穿戴的多关节辅助软外套，帮助踝关节伸展和髋关节伸展，行走速度可达 1.79m/s(4.0mph)。外套在踝关节负荷路径上施加力最大值为300N，在髋关节伸展处施加力最大值为150N。多关节辅助软外套使用一种利用关节协同作用的新的驱动方法，其中一台电机驱动双腿上踝关节载荷路径，一台电机驱动双腿上的髋关节延伸载荷路径，以便减少总系统重量。缺陷是这种设计只能助力支撑相运动。人在爬坡上台阶时，抬腿也是很关键的助力项。

实用新型内容

为解决现有技术的不足，本实用新型提供一种柔性外骨骼助力机器人。实现多场景下的助力需求，能在最低功耗条件下达到最佳的助力效果和穿戴者的安全与舒适。在穿戴者负重25kg行军过程中相比于同类其他系统能够有效减小代谢成本。该助力机器人可解决单兵高负荷作战面临的一系列问题。助力机器人的外形类似运动员穿戴的护膝、髌骨带等护具，通过采用柔性材料，可大幅降低其自重，使携带更为方便。助力机器人适用于士兵的日常负荷和作战环境中频繁进行的蹲、爬、匍匐、奔跑等动作，能够防止并减轻肌肉与骨骼损伤。而且，它还能够在运动过程中吸收身体受到的冲击，并利用其自身弹性吸收人机控制的不协调性，从而确保穿戴的舒适性。通过同步“跟随”人体运动，辅助单兵承重助力及负重机动，有效提升单兵的搬移托举能力、承载携行能力和快速机动能力，在后装物资装填搬移保障、物资伴随支援保障、边防巡逻保障等领域具有广泛的军事需求。

本实用新型所采用的技术方案是：设计一种柔性外骨骼助力机器人，其特征在于，该助力机器人由柔性穿戴服、控制箱、前侧驱动单元、鲍登线、传感系统构成；

所述柔性穿戴服包括双肩带、外腰带、腰部内衬、大腿绑缚、柔性带、安全带；双肩带与外腰带连接，外腰带里层下部连接腰部内衬，所述安全带为尼龙带；安全带缝制在外腰带和腰部内衬之间后侧的两侧；