[發(fā)明專利]柔性關(guān)節(jié)驅(qū)動的髖部外骨骼助行機(jī)器人

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110322017.9
• 申請日: 2021-03-25
• 公開（公告）號: CN113070866A
• 公開（公告）日: 2021-07-06
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張庭;馮凱祥;寧傳新;鞏振華;唐慶康;李陽
• 申請（專利權(quán)）人: 蘇州大學(xué)
• 主分類號: B25J9/00
• 分類號: B25J9/00;B25J17/00;B25J13/00
• 代理公司: 蘇州市中南偉業(yè)知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 32257
• 代理人: 李柏柏

本發(fā)明涉及一種柔性關(guān)節(jié)驅(qū)動的髖部外骨骼助行機(jī)器人，包括穿戴件：穿戴件包括第一驅(qū)動關(guān)節(jié)、第二驅(qū)動關(guān)節(jié)、第三驅(qū)動關(guān)節(jié)以及第四驅(qū)動關(guān)節(jié)；每個驅(qū)動關(guān)節(jié)包括支撐件、輸入軸、輸出軸以及設(shè)置在輸入軸和輸出軸之間的傳動模塊，輸入軸包括同軸設(shè)置在支撐件上的電機(jī)模塊和減速器模塊，輸出軸包括同軸設(shè)置在支撐件上的串聯(lián)彈性驅(qū)動器、離合器模塊和編碼器組件。本發(fā)明在人體髖關(guān)節(jié)的左側(cè)、右側(cè)、左后側(cè)和右后側(cè)設(shè)置四個驅(qū)動關(guān)節(jié)，可以實現(xiàn)矢狀面內(nèi)步長的調(diào)整以及冠狀面內(nèi)步寬的調(diào)整，以使穿戴者在行走軌跡平面內(nèi)能夠控制其任意方向的步態(tài)，而且采用了串聯(lián)彈性驅(qū)動器加離合器的結(jié)構(gòu)，能夠減少突變載荷對人體關(guān)節(jié)的沖擊，大大提高了穿戴者的舒適性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及穿戴設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，尤其是指一種柔性關(guān)節(jié)驅(qū)動的髖部外骨骼助行機(jī)器人。

背景技術(shù)

外骨骼機(jī)器人作為一種穿戴式裝備，具有增強(qiáng)人體運動能力的功能，相對于傳統(tǒng)機(jī)器人，外骨骼是一款人機(jī)協(xié)同化的裝備。外骨骼發(fā)展至今，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)療康復(fù)、工業(yè)搬運以及軍事等領(lǐng)域。在醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域，隨著人口老齡化的增加，肌肉萎縮和腦卒中等疾病嚴(yán)重影響了人類的行動能力，當(dāng)穿戴者僅靠自身能力無法實現(xiàn)正常的運動時，外骨骼的出現(xiàn)為運動功能的重現(xiàn)提供了幫助。其工作的主要原理是通過穿戴式傳感器檢測人體的運動意圖，由控制方法計算出控制量，再控制各動力元件進(jìn)行相應(yīng)的運動。

現(xiàn)有技術(shù)中專利申請公布號為CN106514627A的發(fā)明專利公開了一種氣動外骨骼助力裝置。在結(jié)構(gòu)上，該專利采用氣動方式實現(xiàn)外骨骼的助力，其缺點在于功率低、控制精度差，導(dǎo)致系統(tǒng)無法準(zhǔn)確執(zhí)行各項動作。在控制方法上，其采用手動控制閥和氣動閥結(jié)合的控制方式，雖然可以在一定程度上為穿戴者提供助力，但無法實時監(jiān)測穿戴者的運動意圖，因此無法滿足人機(jī)交互性的設(shè)計需求，會對系統(tǒng)的安全性和穿戴者的舒適性有較大的不利影響。

現(xiàn)有技術(shù)中專利申請公布號為CN111805511A的發(fā)明專利公開了一種腿桿長度主動可調(diào)的下肢外骨骼系統(tǒng)及控制方法。在結(jié)構(gòu)上，該專利采用四自由度驅(qū)動關(guān)節(jié)分別布置于髖關(guān)節(jié)兩側(cè)和膝關(guān)節(jié)兩側(cè)，輔助穿戴者兩腿髖關(guān)節(jié)的屈伸和膝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動，由于髖關(guān)節(jié)驅(qū)動單元為兩側(cè)布置，所以該設(shè)計只能在矢狀面上調(diào)節(jié)穿戴者的步長，而不能滿足在冠狀面上調(diào)整步寬的需求，同時，布置于膝關(guān)節(jié)的兩驅(qū)動單元增加系統(tǒng)對質(zhì)心的慣量，對穿戴者行走時的正常步態(tài)產(chǎn)生消極影響。

現(xiàn)有技術(shù)中專利申請公布號為CN112060060A的發(fā)明專利公開了一種主被動混合驅(qū)動的下肢助力外骨骼機(jī)器人及控制方法。該專利的驅(qū)動關(guān)節(jié)包括電機(jī)、諧波減速器以及角度傳感器等組件，其較大的剛度會增加穿戴者的不適感。在控制方法上，通過布置在大小腿上的薄膜壓力傳感器采集人體的交互力判斷運動意圖，因此會增加外骨骼設(shè)備的穿戴難度。

因此，上述的現(xiàn)有技術(shù)中存在穿戴者在行走軌跡平面內(nèi)無法控制其任意方向的步態(tài)、突變載荷對人體關(guān)節(jié)的沖擊以及穿戴不舒適的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容

為此，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的穿戴者在行走軌跡平面內(nèi)無法控制其任意方向的步態(tài)、突變載荷對人體關(guān)節(jié)的沖擊以及穿戴不舒適的缺陷。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種柔性關(guān)節(jié)驅(qū)動的髖部外骨骼助行機(jī)器人，包括穿戴件：

所述穿戴件包括設(shè)置在人體髖關(guān)節(jié)左側(cè)的第一驅(qū)動關(guān)節(jié)、設(shè)置在人體髖關(guān)節(jié)右側(cè)的第二驅(qū)動關(guān)節(jié)、設(shè)置在人體髖關(guān)節(jié)左后側(cè)的第三驅(qū)動關(guān)節(jié)以及設(shè)置在人體髖關(guān)節(jié)右后側(cè)的第四驅(qū)動關(guān)節(jié)，通過所述第一驅(qū)動關(guān)節(jié)和所述第二驅(qū)動關(guān)節(jié)實現(xiàn)矢狀面內(nèi)步長的調(diào)整，通過所述第三驅(qū)動關(guān)節(jié)和所述第四驅(qū)動關(guān)節(jié)實現(xiàn)冠狀面內(nèi)步寬的調(diào)整；

每個驅(qū)動關(guān)節(jié)包括支撐件、輸入軸、輸出軸以及設(shè)置在所述輸入軸和所述輸出軸之間用于傳遞動力的傳動模塊，所述輸入軸包括同軸設(shè)置在所述支撐件上的電機(jī)模塊和減速器模塊，所述輸出軸包括同軸設(shè)置在所述支撐件上的串聯(lián)彈性驅(qū)動器、離合器模塊和編碼器組件，通過所述串聯(lián)彈性驅(qū)動器和離合器模塊減少突變載荷對人體關(guān)節(jié)的沖擊。