[发明专利]柔性关节驱动的髋部外骨骼助行机器人

说明书

本发明涉及一种柔性关节驱动的髋部外骨骼助行机器人，包括穿戴件：穿戴件包括第一驱动关节、第二驱动关节、第三驱动关节以及第四驱动关节；每个驱动关节包括支撑件、输入轴、输出轴以及设置在输入轴和输出轴之间的传动模块，输入轴包括同轴设置在支撑件上的电机模块和减速器模块，输出轴包括同轴设置在支撑件上的串联弹性驱动器、离合器模块和编码器组件。本发明在人体髋关节的左侧、右侧、左后侧和右后侧设置四个驱动关节，可以实现矢状面内步长的调整以及冠状面内步宽的调整，以使穿戴者在行走轨迹平面内能够控制其任意方向的步态，而且采用了串联弹性驱动器加离合器的结构，能够减少突变载荷对人体关节的冲击，大大提高了穿戴者的舒适性。

技术领域

本发明涉及穿戴设备技术领域，尤其是指一种柔性关节驱动的髋部外骨骼助行机器人。

背景技术

外骨骼机器人作为一种穿戴式装备，具有增强人体运动能力的功能，相对于传统机器人，外骨骼是一款人机协同化的装备。外骨骼发展至今，已经广泛应用于医疗康复、工业搬运以及军事等领域。在医疗康复领域，随着人口老龄化的增加，肌肉萎缩和脑卒中等疾病严重影响了人类的行动能力，当穿戴者仅靠自身能力无法实现正常的运动时，外骨骼的出现为运动功能的重现提供了帮助。其工作的主要原理是通过穿戴式传感器检测人体的运动意图，由控制方法计算出控制量，再控制各动力元件进行相应的运动。

现有技术中专利申请公布号为CN106514627A的发明专利公开了一种气动外骨骼助力装置。在结构上，该专利采用气动方式实现外骨骼的助力，其缺点在于功率低、控制精度差，导致系统无法准确执行各项动作。在控制方法上，其采用手动控制阀和气动阀结合的控制方式，虽然可以在一定程度上为穿戴者提供助力，但无法实时监测穿戴者的运动意图，因此无法满足人机交互性的设计需求，会对系统的安全性和穿戴者的舒适性有较大的不利影响。

现有技术中专利申请公布号为CN111805511A的发明专利公开了一种腿杆长度主动可调的下肢外骨骼系统及控制方法。在结构上，该专利采用四自由度驱动关节分别布置于髋关节两侧和膝关节两侧，辅助穿戴者两腿髋关节的屈伸和膝关节的转动，由于髋关节驱动单元为两侧布置，所以该设计只能在矢状面上调节穿戴者的步长，而不能满足在冠状面上调整步宽的需求，同时，布置于膝关节的两驱动单元增加系统对质心的惯量，对穿戴者行走时的正常步态产生消极影响。

现有技术中专利申请公布号为CN112060060A的发明专利公开了一种主被动混合驱动的下肢助力外骨骼机器人及控制方法。该专利的驱动关节包括电机、谐波减速器以及角度传感器等组件，其较大的刚度会增加穿戴者的不适感。在控制方法上，通过布置在大小腿上的薄膜压力传感器采集人体的交互力判断运动意图，因此会增加外骨骼设备的穿戴难度。

因此，上述的现有技术中存在穿戴者在行走轨迹平面内无法控制其任意方向的步态、突变载荷对人体关节的冲击以及穿戴不舒适的缺陷。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中存在的穿戴者在行走轨迹平面内无法控制其任意方向的步态、突变载荷对人体关节的冲击以及穿戴不舒适的缺陷。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种柔性关节驱动的髋部外骨骼助行机器人，包括穿戴件：

所述穿戴件包括设置在人体髋关节左侧的第一驱动关节、设置在人体髋关节右侧的第二驱动关节、设置在人体髋关节左后侧的第三驱动关节以及设置在人体髋关节右后侧的第四驱动关节，通过所述第一驱动关节和所述第二驱动关节实现矢状面内步长的调整，通过所述第三驱动关节和所述第四驱动关节实现冠状面内步宽的调整；

每个驱动关节包括支撑件、输入轴、输出轴以及设置在所述输入轴和所述输出轴之间用于传递动力的传动模块，所述输入轴包括同轴设置在所述支撑件上的电机模块和减速器模块，所述输出轴包括同轴设置在所述支撑件上的串联弹性驱动器、离合器模块和编码器组件，通过所述串联弹性驱动器和离合器模块减少突变载荷对人体关节的冲击。