[發(fā)明專利]負(fù)載機(jī)動型外骨骼系統(tǒng)及其使用方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110188455.0
• 申請日: 2021-02-19
• 公開（公告）號: CN112809657A
• 公開（公告）日: 2021-05-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 屈盛官;姜笑天;尹鵬;李小強(qiáng)
• 申請（專利權(quán)）人: 華南理工大學(xué)
• 主分類號: B25J9/00
• 分類號: B25J9/00
• 代理公司: 廣州市華學(xué)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44245
• 代理人: 鄭浦娟

本發(fā)明公開了一種負(fù)載機(jī)動型外骨骼系統(tǒng)及其使用方法，系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)、腳部結(jié)構(gòu)、軀干結(jié)構(gòu)、連接腳部結(jié)構(gòu)和軀干結(jié)構(gòu)的腿部結(jié)構(gòu)，腿部結(jié)構(gòu)的每條仿生腿包括依次連接的仿生髖關(guān)節(jié)、可調(diào)大腿桿件、仿生膝關(guān)節(jié)、可調(diào)小腿桿件和仿生踝關(guān)節(jié)，以及髖關(guān)節(jié)液壓缸、膝關(guān)節(jié)液壓缸；仿生髖關(guān)節(jié)連接軀干結(jié)構(gòu)的腰部支撐件，仿生踝關(guān)節(jié)連接腳部結(jié)構(gòu)，髖關(guān)節(jié)液壓缸連接仿生髖關(guān)節(jié)和腰部支撐件；膝關(guān)節(jié)液壓缸連接可調(diào)大腿桿件與可調(diào)小腿桿件，軀干結(jié)構(gòu)的液壓站連接髖關(guān)節(jié)液壓缸、膝關(guān)節(jié)液壓缸，控制系統(tǒng)通過液壓站驅(qū)動髖關(guān)節(jié)液壓缸和膝關(guān)節(jié)液壓缸的運(yùn)動，從而驅(qū)動仿生腿的運(yùn)動。本發(fā)明外骨骼系統(tǒng)具有良好的伸展自由度和承載力，能夠與人體協(xié)調(diào)運(yùn)動。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及外骨骼仿生結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種負(fù)載機(jī)動型外骨骼系統(tǒng)及其使用方法。

背景技術(shù)

外骨骼仿生結(jié)構(gòu)是模仿生物界外骨骼而提出的一種新型機(jī)械結(jié)構(gòu)，結(jié)合傳感、控制、信息融合、移動計(jì)算等技術(shù)，與人體協(xié)調(diào)運(yùn)動，支撐有效載荷的負(fù)載并具有足夠的動力以實(shí)現(xiàn)負(fù)重行走，能夠?yàn)榇┐髡咛峁┲魏头雷o(hù)，能夠有效增強(qiáng)人體負(fù)重能力與耐力，在單兵機(jī)動作戰(zhàn)、搶險(xiǎn)救援、康復(fù)醫(yī)療以及民事應(yīng)用領(lǐng)域(包括建筑作業(yè)、裝配作業(yè))具備廣闊的應(yīng)用前景。

然而，目前的外骨骼結(jié)構(gòu)為實(shí)現(xiàn)運(yùn)動意圖感知、認(rèn)知決策、具有足夠的動力驅(qū)動和執(zhí)行，其整體體積和重量往往較大，導(dǎo)致整個(gè)外骨骼系統(tǒng)使用起來非常不便，人機(jī)交互性較差，且關(guān)節(jié)控制也不夠靈活，影響了運(yùn)動的連貫性和平衡性，因此，如何遵循擬人化的設(shè)計(jì)思想對外骨骼的尺寸、關(guān)節(jié)自由度與仿生結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，研制出能與人體協(xié)調(diào)運(yùn)動的負(fù)載外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)，是亟待解決的技術(shù)難題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的第一目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種負(fù)載機(jī)動型外骨骼系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有良好的伸展自由度和承載力，能夠與人體協(xié)調(diào)運(yùn)動。

本發(fā)明的第二目的在于提供一種負(fù)載機(jī)動型外骨骼系統(tǒng)的使用方法。

本發(fā)明的第一目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種負(fù)載機(jī)動型外骨骼系統(tǒng)，包括：控制系統(tǒng)、腳部結(jié)構(gòu)、軀干結(jié)構(gòu)、連接腳部結(jié)構(gòu)和軀干結(jié)構(gòu)的腿部結(jié)構(gòu)，其中，

腳部結(jié)構(gòu)包括智能鞋，智能鞋內(nèi)嵌設(shè)有用于檢測人體重量分布和中心變化的壓力傳感器；

軀干結(jié)構(gòu)包括背架、腰部支撐件、電源和液壓站，背架作為基本架構(gòu)，腰部支撐件、電源、液壓站和控制系統(tǒng)均固定在背架背面，且電源、控制系統(tǒng)和液壓站均位于腰部支撐件上方；

腿部結(jié)構(gòu)由各自獨(dú)立的左、右仿生腿組成，每條仿生腿包括腿部運(yùn)動測量模塊、從上至下依次連接的仿生髖關(guān)節(jié)、可調(diào)大腿桿件、仿生膝關(guān)節(jié)、可調(diào)小腿桿件和仿生踝關(guān)節(jié)，以及髖關(guān)節(jié)液壓缸、膝關(guān)節(jié)液壓缸；髖關(guān)節(jié)液壓缸設(shè)置在仿生髖關(guān)節(jié)處，并連接仿生髖關(guān)節(jié)和腰部支撐件；膝關(guān)節(jié)液壓缸設(shè)置在仿生膝關(guān)節(jié)處，并連接可調(diào)大腿桿件與可調(diào)小腿桿件；腿部運(yùn)動測量模塊包括慣性傳感器、力傳感器和位置傳感器，慣性傳感器設(shè)置在可調(diào)大腿桿件與可調(diào)小腿桿件之間，力傳感器設(shè)置在髖關(guān)節(jié)液壓缸與膝關(guān)節(jié)液壓缸處，位置傳感器設(shè)置在膝關(guān)節(jié)液壓缸處；仿生踝關(guān)節(jié)與腳部結(jié)構(gòu)相連接；

電源連接控制系統(tǒng)、液壓站、壓力傳感器和腿部運(yùn)動測量模塊；壓力傳感器和腿部運(yùn)動測量模塊分別連接控制系統(tǒng)，并向控制系統(tǒng)發(fā)送所采集的傳感數(shù)據(jù)；液壓站連接每條仿生腿的髖關(guān)節(jié)液壓缸、膝關(guān)節(jié)液壓缸，控制系統(tǒng)通過液壓站驅(qū)動髖關(guān)節(jié)液壓缸和膝關(guān)節(jié)液壓缸的運(yùn)動，從而驅(qū)動仿生腿的運(yùn)動。

優(yōu)選的，每條仿生腿具有7個(gè)不同的自由度：3個(gè)髖關(guān)節(jié)自由度、1個(gè)膝關(guān)節(jié)自由度與3個(gè)踝關(guān)節(jié)自由度；

其中，3個(gè)髖關(guān)節(jié)自由度分別為1個(gè)主動自由度和2個(gè)被動自由度，1個(gè)主動自由度是指髖關(guān)節(jié)前屈/后伸，2個(gè)被動自由度是指髖關(guān)節(jié)內(nèi)旋/外旋、髖關(guān)節(jié)外展/內(nèi)收；膝關(guān)節(jié)自由度為主動自由度，是指膝關(guān)節(jié)屈曲/伸展；3個(gè)踝關(guān)節(jié)自由度均為被動自由度，分別是指踝關(guān)節(jié)趾屈/背伸、踝關(guān)節(jié)內(nèi)旋/外旋、踝關(guān)節(jié)外展/內(nèi)收，當(dāng)使用者穿戴上外骨骼系統(tǒng)時(shí)，仿生踝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)中心與人體踝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)中心同心；