[發明專利]一種可穿戴式套索驅動關節輔助步行下肢外骨骼機器人

有效

• 申請號: 202010429695.0
• 申請日: 2020-05-20
• 公開（公告）號: CN111671622B
• 公開（公告）日: 2022-04-05
• 發明（設計）人: 吳青聰;曾泓炳;李黎明;耿天宇;張洺銘;楊冰云
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: B25J9/00
• 分類號: B25J9/00;A61H3/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 張弛

本發明公開一種可穿戴式套索驅動關節輔助步行下肢外骨骼機器人，包括背部主控系統、連接背部主控系統下方的腰部動力系統、安裝在腰部動力系統側方的下肢桿件結構、套索傳動系統、人機綁縛結構；其中通過套索驅動，使動力系統放置到了腰部動力系統，減輕了外骨骼下肢腿桿的慣量。套索的遠距離傳輸使得關節設計可以模塊化。膝關節的結構設計減小了下肢體積。髖關節有兩個自由度的設計并設有限位結構。交互力傳感器的設計使得能用價格低廉的薄膜壓力傳感器完成二維力測量，并且方便更換。外骨骼足底的設計，結構簡單，實現成本低。

技術領域

本發明涉及機器人領域，尤其是一種可穿戴外骨骼機器人。

背景技術

為了輔助下肢力量虛弱的老年人日常出行需求，通常需要一種輔助裝置來代替或輔助人體行走。輪椅作為最常用的代替人體行走的裝置，通常為人坐在椅子中，使用手或電動控制輪子速度完成移動功能。

下肢外骨骼機器人是一種可穿戴的機電設備，通常為使用電機或其他動力提供驅動力，通過傳動結構將驅動力輸出到人體關節處，在人體步行過程中為關節提供助力。下肢外骨骼機器人通常有剛性的機械腿桿，將自身負重傳遞到地面，因此穿戴者感受到的裝置重量很小。外骨骼機器人通常具有體積小、可穿戴、跟隨人體運動、可助力的特點，因此在輔助步行方面比輪椅有更好的地形通過性與適應性。

以上兩種方式的不足之處在于手動輪椅受體積限制，不方便進入一些空間狹小的地區，或者是一些不平坦的地區，且難以上下樓梯，使用者在長時間使用后手部容易疲勞，且在危險時刻用手剎車容易導致手部受傷。電動輪椅雖然比手動輪椅更加方便，但是受到續航限制。

下肢外骨骼機器人中，采用齒輪、滾珠絲杠作為傳動結構的，結構重量大，傳動距離短，且不利于維修。因為傳動距離短，驅動器通常安裝于輸出關節附近，比如安裝于大腿附近、小腿附近。驅動器一般由電機和減速器組成，其體積大、重量大，安裝在大小腿附近會使得機器人腿部結構慣量大，加大了運動控制難度。其次，驅動器的安裝結構使得機器人腿部機械結構復雜，難以加工。

故，需要一種新的技術方案以解決上述問題。

發明內容

發明目的：本發明的目的是設計一種可穿戴式的、單關節驅動下肢外骨骼機器人，驅動器不再安裝在腿部結構或腿部關節上，使用剛性腿桿結構使得背部負載能夠通過剛性結構傳遞到地面，結構簡單，減輕結構重量，獲得更好的運動控制效果。

技術方案：為達到上述目的，本發明可采用如下技術方案：

一種可穿戴式套索驅動關節輔助步行下肢外骨骼機器人，包括背部主控系統、連接背部主控系統下方的腰部動力系統、安裝在腰部動力系統側方的下肢桿件結構、套索傳動系統、人機綁縛結構；所述套索傳動系統包括安裝在下肢桿件結構上的套索驅動輪及纏繞套索驅動輪的套索，套索的上端與腰部動力系統連接，

所述下肢桿件結構包括與腰部動力系統側方連接的髖關節、自髖關節延伸的大腿桿、與大腿桿下方連接的膝關節、自膝關節向下延伸的小腿桿、與小腿桿下方連接的踝關節雙頭螺柱，與踝關節雙頭螺柱下方連接的外骨骼足底；

人機綁縛結構包括腿部護具以及腿部護具連接的交互力傳感器用以測量人體腿部對下肢桿件結構施加的交互力。

進一步的，所述交互力傳感器包括固定在下肢桿件結構上的固定件以及相對固定件轉動的活動件，固定件的兩個側壁內側包住活動件，固定件和活動件的兩側之間分別有空隙，且分別貼上薄膜壓力傳感器和彈性橡膠墊；當活動件與固定件有相對轉動時，一側的薄膜壓力傳感器被擠壓，另一側放松，兩個薄膜壓力傳感器產生壓力差而體現交互力。