[发明专利]负载机动型外骨骼系统及其使用方法

权利要求书

1.一种负载机动型外骨骼系统，其特征在于，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。

2.根据权利要求1所述的负载机动型外骨骼系统，其特征在于，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；

仿生关节的运动范围在各自由度上的运动范围大于人体步行的运动范围，且小于人体运动的最大运动范围。

3.根据权利要求1所述的负载机动型外骨骼系统，其特征在于，脚部结构还包括脚底支撑块、支撑座、旋转轴、轴承和卡簧，其中，脚底支撑块固定在智能鞋一侧，支撑座固定在脚底支撑块上方；

旋转轴的一端通过轴承和卡簧与支撑座相连接，其中，轴承套在旋转轴的一端上并由卡簧限位；旋转轴的另一端也套有轴承，且通过轴承与仿生踝关节相连接。

4.根据权利要求3所述的负载机动型外骨骼系统，其特征在于，智能鞋自底向上依次分为鞋底层、金属夹层、传感器层和鞋穿戴层，且不同层之间均通过粘接方式连接；

脚底支撑块相邻于鞋底层并与鞋底层通过粘接的方式相连接，脚底支撑块与支撑座也通过粘接的方式相连接；

金属夹层由多块金属板阵列排列而成，传感器层由间隔分布的多块薄膜压力传感器构成。

5.根据权利要求1所述的负载机动型外骨骼系统，其特征在于，可调大腿杆件由不同尺寸的若干根大腿杆组成，可调大腿杆件通过将尺寸较小的大腿杆收容在尺寸较大的大腿杆中，或者将尺寸较小的大腿杆与尺寸较大的大腿杆拼接在一起来调节长度；

可调小腿杆件由不同尺寸的若干根小腿杆组成，可调小腿杆件通过将尺寸较小的小腿杆收容在尺寸较大的小腿杆中，或者将尺寸较小的小腿杆与尺寸较大的小腿杆拼接在一起来调节长度。

6.根据权利要求1所述的负载机动型外骨骼系统，其特征在于，可调大腿杆件、可调小腿杆件和腰部支撑件的材质均为航空铝材料，背架采用摩尔背架；

仿生腿在可调大腿杆件或可调小腿杆件上设有腿穿戴件，背架正面设有肩部穿戴件和腰部穿戴件。

7.根据权利要求1所述的负载机动型外骨骼系统，其特征在于，腰部支撑件具有一基部和自基部左、右两端分别延伸的连接部，基部与背架底部铰接，两个连接部分别通过轴承与左、右仿生腿的仿生髋关节相连接，仿生髋关节处的髋关节液压缸连接仿生髋关节，同时连接至连接部。