CN105835041A - 一种外骨骼机器人髋关节、外骨骼机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外骨骼机器人髋关节、外骨骼机器人及其控制方法，该髋关节包括依次连接的驱动电机、联轴器、单向轴承、丝杆连接套、髋关节座、前后摆臂运动件、左右摆臂运动件，以及设置在前后摆臂运动件上的扭力弹簧和用于感应前后摆臂运动件的摆动角度的角度感应器；驱动电机驱动单向轴承沿自由转动的方向转动，进而使髋关节座带动前后摆臂运动件向前摆动以带动腿部抬起，单向轴承用于在角度感应器达到预设值后锁住，扭力弹簧用于在前后摆臂运动件向前摆动时压缩蓄能并在单向轴承锁住之后释放能量以使前后摆臂运动件及腿部自由回落。本发明结构简单，控制灵活，并且穿戴者可以自己调整重心并自由着地，实现人负载后轻松、快速行走的功能。

Description

一种外骨骼机器人髋关节、外骨骼机器人及其控制方法

技术领域

本发明属于机器人技术领域，尤其涉及一种外骨骼机器人髋关节、外骨骼机器人及其控制方法。

背景技术

增力型外骨骼机器人具有广泛的应用前景：在军事领域上，可以使士兵携带更多的武器装备，且外骨骼本身的动力装置和运动系统能够有效增强士兵的行军能力和单兵的作战能力；在民用领域，外骨骼机器人可以广泛应用于登山、旅游、消防、救灾等需要背负沉重物资、装备，而车辆又无法使用的情况。

目前，美国伯克利的BLEEX外骨骼机器人每条腿装有很多个不同类型的传感器，用于实时获取运动及力等信息。依据这些信息，基于最小化人机交互作用设计控制策略，控制BLEEX伴随人体运动，保证了人体运动的安全、自由。日本的HAL外骨骼机器人包括肌电信号电极、足底压力传感器、编码器等多种记录人机运动状态的传感器，通过捕获激发人体运动的神经电信号(肌电信号)识别人的运动意图，然后根据事先采集的穿戴者的运动步态特征，控制外骨骼实现平滑运动。

在现有技术中，大多数外骨骼机器人的自由度比较少，使得正常人穿戴后背负重物行走的过程中受到很大的限制，舒适性和助力效果大大降低。另一方面，现有技术大多需要在外骨骼机器人身上安装很多传感器来判断人体所处的状态并进行控制，虽然能够比较全面获取人体行走过程的信息，但是却增加了外骨骼机器人系统的复杂性，不仅为安装带来不便，而且多种传感器信息必然存在冗余性，由此导致需要对数据做进一步处理，使得信息的滞后性更加严重；同时，多传感器也增加了对外骨骼机器人所携带电池的能耗，减少了电池的连续工作时间。

有些外骨骼机器人虽然安装的传感器数量比较少，但是却使用预设步态轨迹方法来控制外骨骼机器人带动穿戴者行走，这种控制方法简单、易操作，但是不同的人行走习惯不同、步态也各异，即使是同一个人，行走过程中也可能根据自身情况、外部环境随时改变步行速度、幅度，因此预设步态存在灵活性差、舒适度低等不足。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种外骨骼机器人髋关节，其使得穿戴者可以自己调整重心并自由着地，实现人负载后轻松、快速行走的功能。

本发明的技术方案是：提供了一种外骨骼机器人髋关节，包括依次连接的驱动电机、联轴器、单向轴承、丝杆连接套、髋关节座、前后摆臂运动件、左右摆臂运动件，以及设置在所述前后摆臂运动件上的扭力弹簧和用于感应所述前后摆臂运动件的摆动角度的角度感应器；所述驱动电机驱动所述单向轴承沿自由转动的方向转动，进而使所述髋关节座带动所述前后摆臂运动件向前摆动以带动腿部抬起，所述单向轴承用于在所述角度感应器达到预设值后锁住，所述扭力弹簧用于在所述前后摆臂运动件向前摆动时压缩蓄能并在所述单向轴承锁住之后释放能量以使所述前后摆臂运动件及腿部自由回落。

本发明还提供了一种外骨骼机器人，包括上述所述的外骨骼机器人髋关节、膝关节、踝关节脚部部件，以及设置在所述踝关节脚部部件上的压力传感器。

本发明还提供了一种外骨骼机器人的控制方法，包括以下步骤：

A、判断实时采集的穿戴者两侧的压力传感器的数值是否都大于设定的阈值，若是则执行下一步骤，否则等待右腿着地，直到两侧压力传感器的数值均大于设定的阈值；

B、控制穿戴者左侧驱动电机正向转动，并驱动单向轴承帮助抬起左腿，同时判断左侧角度感应器是否达到预设值，若是则执行下一步骤，否则左侧驱动电机驱动单向轴承继续抬起左腿，直到左侧角度感应器达到预设值；

C、控制左侧单向轴承锁住，左侧驱动电机快速反向转动，左腿自由放下；

D、判断实时采集的穿戴者两侧的压力传感器的数值是否都大于设定的阈值，若是则执行下一步骤，否则等待左腿着地，直到两侧压力传感器的数值均大于设定的阈值；

E、控制穿戴者右侧驱动电机正向转动，并驱动单向轴承帮助抬起右腿，同时判断右侧角度感应器是否达到预设值，若是则执行下一步骤，否则右侧驱动电机驱动单向轴承继续抬起右腿，直到右侧角度感应器达到预设值；

F、控制右侧单向轴承锁住，右侧驱动电机快速反向转动，右腿自由放下，并返回步骤A。

实施本发明的一种外骨骼机器人髋关节，具有以下有益效果：其通过设置前后摆臂运动件和左右摆臂运动件，使得机器人具有直线行走和自由转弯的特点；借助髋关节结构中的单向轴承，在穿戴者抬腿时及时提供助力，到达预设高度后，单向轴承锁死，电机快速反转，同时借助扭力弹簧，使得髋关节释放，既达到了外骨骼机器人多自由度和助力的设计目标，又可以让穿戴者自由调整自己的步幅和步速，维持行走过程中的平衡性，提高了步态的舒适性和行走的安全性；另外，整个步态控制仅仅需要借助角度感应器和压力传感器，传感器数量的减少，既大大降低了外骨骼机器人的结构复杂性，又因不需给更多传感器供电而有效提高了其所带蓄电池的续航能力，同时也降低了外骨骼机器人本身的成本。

实施本发明的一种外骨骼机器人，具有以下有益效果：在外骨骼机器人的鞋底安装压力传感器，并在检测到穿戴者处于双支撑相时，髋关节及时提供助力帮助穿戴者抬起腿；髋关节结构中的角度感应器实时采集每条腿运动的角度，并在达到预设高度后，释放髋关节，从而穿戴者可以自己调整重心、维持平衡并安全着地，同时，穿戴者可以随时调整自己的步速和步幅，以适应各种复杂地面。

实施本发明的一种外骨骼机器人的控制方法，具有以下有益效果：其主要通过实时采集鞋底压力传感器的数值，来判断穿戴者左右脚的着地情况，然后借助单向轴承，在穿戴者抬腿时髋关节提供助力，其他情况髋关节释放，让穿戴者自己调整重心、保持平衡，从而安全、快速、轻松地负载行走。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的外骨骼机器人髋关节的爆炸图；

图2是本发明实施例提供的外骨骼机器人髋关节的剖视图；

图3是本发明实施例提供的外骨骼机器人髋关节的主视图；

图4是本发明实施例提供的外骨骼机器人髋关节的立体结构示意图；

图5是本发明实施例提供的联轴器的立体结构示意图；

图6是本发明实施例提供的扭力弹簧的立体结构示意图；

图7是本发明实施例提供的前后摆臂运动件的立体结构示意图；

图8是本发明实施例提供的左右摆臂运动件的立体结构示意图；

图9是本发明实施例提供的外骨骼机器人的控制方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接或间接在另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接或间接连接到另一个元件。

还需要说明的是，本发明实施例中的左、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

本发明实施例针对现有技术中的不足，将增加外骨骼机器人的自由度，除了实现直线行走也实现自由转弯。同时，尽量减少外骨骼机器人所需配置的传感器数量，目前仅采用角度感应器和压力传感器两种传感器来实时判断穿戴者的行走状态，传感器数量大大减少，使得外骨骼机器人的结构简单，控制灵活，实时性得到改善。另外，为了保证行走的安全性、快速性和灵活性，本发明实施例使用了单向轴承，使得外骨骼机器人的髋关节只在穿戴者抬腿时提供助力，其他时候释放，从而穿戴者在负载行走过程中具有足够的自由性，能够根据实际情况改变自己的步速和步幅，并实时调整自己的重心、维持平衡。

具体地，如图1至图4所示，本发明实施例提供的外骨骼机器人髋关节包括依次连接的驱动电机1、联轴器2、单向轴承3、丝杆连接套4、髋关节座5、前后摆臂运动件6、左右摆臂运动件7、扭力弹簧8和角度感应器9。

其中，驱动电机1通过联轴器2与单向轴承3连接，因此可以实现髋关节在一个方向上驱动(本发明实施例的驱动方向是穿戴者抬起腿的方向)，另一个方向释放(本发明实施例的释放方向是穿戴者放下腿的方向)。具体来讲，就是当驱动电机1正向转动时，对应单向轴承3自由转动的方向，此时单向轴承3能够带动大腿部件向上运动(即对应穿戴者行走过程中，大腿抬起)；而在角度感应器9达到预设值后，驱动电机1快速逆向转动，此时对应单向轴承3锁死的方向，此时髋关节对穿戴者不起控制作用，穿戴者可以根据实际情况，调整自己的重心，保持平衡，放下大腿。在保证人机耦合的情况下，提高了穿戴外骨骼机器人后负载行走的自由性，并增强了负载行走的舒服性和助力效果。

并且，由于使用了单向轴承3，在外骨骼机器人帮助穿戴者抬腿过程中，穿戴者可以自己用力将腿抬得更高、更快，来安全通过崎岖路面和跨越行走过程中的障碍物等。在放下腿的过程中，由于髋关节对穿戴者不起控制作用，所以穿戴者可以自己调整着地的速度和位置，使得行走过程更加灵活、舒服。当然，此时另一条腿的膝关节会锁住，帮助人支撑重物，使得穿戴者在放下腿的过程中不会感到重物压在自己的身上。

另外，单向轴承3通过丝杆连接套4与髋关节座5内的丝杆连接，驱动电机1驱动单向轴承3沿自由转动的方向转动，进而驱动髋关节座5内的丝杆上下移动并带动前后摆臂运动件6前后摆动；左右摆臂运动件7设置在前后摆臂运动件6的下方，可相对前后摆臂运动件6左右摆动；扭力弹簧8设置在前后摆臂运动件6上，用于在前后摆臂运动件6向前摆动时压缩，并在前后摆臂运动件6伸展时释放能量；角度感应器9设置在前后摆臂运动件6上，且用于感应前后摆臂运动件6的摆动角度。优选地，在本发明实施例中，驱动电机1优选为减速电机。

本发明实施例的外骨骼机器人髋关节，其通过设置前后摆臂运动件6和左右摆臂运动件7，使得机器人具有直线行走和自由转弯的特点；借助髋关节结构中的单向轴承3，在穿戴者抬腿时及时提供助力，到达预设高度后，单向轴承3锁死，电机快速反转，同时借助扭力弹簧8，使得髋关节释放，既达到了外骨骼机器人多自由度和助力的设计目标，又可以让穿戴者自由调整自己的步幅和步速，维持行走过程中的平衡性，提高了步态的舒适性和行走的安全性。

进一步地，如图5所示，联轴器2呈变径梅花状，其包括上半联轴节21和下半联轴节22。其中，上半联轴节21内径小，且直接与驱动电机1的输出轴套接；下半联轴节22内径大，且用于依次套接单向轴承3、丝杆连接套4和髋关节座5内的丝杆连接扁轴，使得整体穿入髋关节座5中，将驱动电机1及上半联轴节21从上端插入并安装到位，实现上半联轴节21和下半联轴节22通过梅花状弹性件进行扭矩传递。另外，在本发明实施例中，上半联轴节21的内径小于下半联轴节22的内径。

进一步地，如图7所示，前后摆臂运动件6包括前后摆臂主体61、第一耦件轴62和套筒63。其中，第一耦件轴62穿设在前后摆臂主体61上，且用于与髋关节座5转动连接，进而实现髋关节的前后摆动；套筒63套设在第一耦件轴62外，且扭力弹簧8的两个扭臂81(如图6所示)分别靠在髋关节座5的限位杆上和前后摆臂主体61上。具体地，前后摆臂运动件6通过第一耦件轴62连接到髋关节座5时，第一耦件轴62会先穿过套筒63，然后组合在一起穿过扭力弹簧8，扭力弹簧8的两个扭臂81分别靠在髋关节座5中的限位杆51和前后摆臂运动件6上，使得髋关节弯曲时扭力弹簧8压缩蓄能，而在伸展时释放能量，从而实现负载后起立和伸腿等时候可以减轻电机负荷的目的。

进一步地，为了实现左右摆臂运动件7与前后摆臂运动件6的转动连接，在前后摆臂主体61的下端开设有水平横向孔611，该水平横向孔611用于连接左右摆臂运动件7，进而实现髋关节的左右摆动。该水平横向孔611与第一耦件轴62垂直设置，即左右摆臂运动件7的摆动方向与前后摆臂运动件6的摆动方向垂直。具体地，如图8所示，左右摆臂运动件7包括左右摆臂主体71，以及穿设在左右摆臂主体71上且用于转动连接在水平横向孔611内的第二耦件轴72。

进一步地，本发明实施例的外骨骼机器人髋关节还包括磁珠和紧定螺丝(未示出)。其中，磁珠设置在第一耦件轴62一端的端部且用于固定安装角度感应器9，紧定螺丝用于沿第一耦件轴62的径向固定前后摆臂主体61和第一耦件轴62。具体地，连接前后摆臂运动件6和髋关节座5的第一耦件轴62靠外侧的轴端固定安装角度感应器9的磁珠，使得角度感应器9的安装更加紧凑，同时前后摆臂运动件6与第一耦件轴62在径向通过紧定螺丝固定，保证磁珠与前后摆臂运动件6同步转动，从而准确获得髋关节运动的角度值。

进一步地，本发明实施例的外骨骼机器人髋关节还包括大腿支承杆10、组合轴承11和多个钢球12。其中，大腿支承杆10连接在左右摆臂运动件7远离前后摆臂运动件6的一端，且该大腿支承杆10与左右摆臂运动件7围合成环形容腔；组合轴承11套设在大腿支承杆10上，多个钢球12设置在环形容腔内，且用于轴向定位大腿支承杆10。

具体地，大腿支承杆10的上方外侧具有呈半圆截面的环形槽，左右摆臂运动件的内部设有环形凹槽，在套上组合轴承11连接到左右摆臂运动件7时，环形槽会和环形凹槽抵接对齐组成呈圆截面的环形容腔。

另外，在左右摆臂运动件7的侧壁上开设有与环形容腔连通的开孔711，多个钢球12可以通过该开孔711装入到环形容腔内，使得大腿支承杆10在轴向获得定位，同时保留了绕轴心转动的自由度。因此，在组合成外骨骼机器人的髋关节时，大腿支承杆10绕轴心转动的自由度和左右摆臂运动件7实现的左右摆动自由度结合起来，可以实现穿戴者的自由转弯。

本发明还提供了一种外骨骼机器人，其包括上述所述的外骨骼机器人髋关节、跟髋关节结构相似的膝关节、踝关节脚部部件，以及设置在踝关节脚部部件上的压力传感器。本发明实施例的髋关节结构简单，控制灵活。在外骨骼机器人的鞋底安装压力传感器，并在检测到穿戴者处于双支撑相时，髋关节及时提供助力帮助穿戴者抬起腿。髋关节结构中的角度感应器9实时采集每条腿运动的角度，并在达到预设高度后，释放髋关节，从而穿戴者可以自己调整重心、维持平衡并安全着地。同时，穿戴者可以随时调整自己的步速和步幅，以适应各种复杂地面。

本发明实施例的外骨骼机器人的整个步态控制仅仅需要借助角度感应器9和压力传感器，传感器数量的减少，既大大降低了外骨骼机器人的结构复杂性，又因不需给更多传感器供电而有效提高了其所带蓄电池的续航能力，同时也降低了外骨骼机器人本身的成本。由于仅仅使用两种传感器，减少了处理大量冗余数据的时间，提高了外骨骼机器人步态控制的实时性。

本发明还提供了一种外骨骼机器人的控制方法，如图9所示，包括以下步骤：

A、判断实时采集的穿戴者两侧的压力传感器的数值是否都大于设定的阈值，若是则执行下一步骤，否则等待右腿着地，直到两侧压力传感器的数值均大于设定的阈值；

B、控制穿戴者左侧驱动电机1正向转动，并驱动单向轴承3帮助抬起左腿，同时判断左侧角度感应器9是否达到预设值，若是则执行下一步骤，否则左侧驱动电机1驱动单向轴承3继续抬起左腿，直到左侧角度感应器9达到预设值；

C、控制左侧单向轴承3锁住，左侧驱动电机1快速反向转动，左腿自由放下；

D、判断实时采集的穿戴者两侧的压力传感器的数值是否都大于设定的阈值，若是则执行下一步骤，否则等待左腿着地，直到两侧压力传感器的数值均大于设定的阈值；

E、控制穿戴者右侧驱动电机1正向转动，并驱动单向轴承3帮助抬起右腿，同时判断右侧角度感应器9是否达到预设值，若是则执行下一步骤，否则右侧驱动电机1驱动单向轴承3继续抬起右腿，直到右侧角度感应器9达到预设值；

F、控制右侧单向轴承3锁住，右侧驱动电机1快速反向转动，右腿自由放下，并返回步骤A。

具体地，穿戴者行走过程中的每一步可以分为以下步骤：首先是穿戴者站立，两个压力传感器采集的数据均大于预设的阈值，此时驱动电机1正向转动，驱动单向轴承3给髋关节提供助力，帮助穿戴者抬起左腿，角度传感器9会实时检测左髋抬起的高度，当到达预设的高度后，驱动电机1立即停止转动；接着，驱动电机1会快速反向旋转，对应单向轴承3锁死的方向，此时髋关节对穿戴者不起作用，穿戴者可以自由调整重心来保持平衡，并放下左腿；然后，当外骨骼机器人检测到两个压力传感器采集的数据都大于预设阈值时，左膝的驱动电机1会停止转动，帮助穿戴者支撑负载的重量，同时驱动右髋关节帮助穿戴者抬起右腿，并在右腿抬到指定高度后，停止转动；最后，右髋的驱动电机1会快速反转，让穿戴者自然放下。如此循环，就可以让穿戴者携带负载快速行走，不会感到劳累。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种外骨骼机器人髋关节，其特征在于，包括依次连接的驱动电机、联轴器、单向轴承、丝杆连接套、髋关节座、前后摆臂运动件、左右摆臂运动件，以及设置在所述前后摆臂运动件上的扭力弹簧和用于感应所述前后摆臂运动件的摆动角度的角度感应器；所述驱动电机驱动所述单向轴承沿自由转动的方向转动，进而使所述髋关节座带动所述前后摆臂运动件向前摆动以带动腿部抬起，所述单向轴承用于在所述角度感应器达到预设值后锁住，所述扭力弹簧用于在所述前后摆臂运动件向前摆动时压缩蓄能并在所述单向轴承锁住之后释放能量以使所述前后摆臂运动件及腿部自由回落。

2.如权利要求1所述的外骨骼机器人髋关节，其特征在于，所述联轴器包括用于与所述驱动电机的输出轴套接的上半联轴节，以及用于依次套接所述单向轴承、所述丝杆连接套及所述髋关节座内的丝杆连接扁轴的下半联轴节，且所述上半联轴节的内径小于所述下半联轴节的内径。

3.如权利要求1所述的外骨骼机器人髋关节，其特征在于，所述前后摆臂运动件包括前后摆臂主体、穿设在所述前后摆臂主体上且用于与所述髋关节座转动连接的第一耦件轴，以及套设在所述第一耦件轴外的套筒；所述扭力弹簧的两个扭臂分别靠在所述髋关节座的限位杆上和所述前后摆臂主体上。

4.如权利要求3所述的外骨骼机器人髋关节，其特征在于，所述前后摆臂主体的下端开设有用于连接所述左右摆臂运动件且与所述第一耦件轴垂直设置的水平横向孔，所述左右摆臂运动件包括左右摆臂主体，以及穿设在所述左右摆臂主体上且用于转动连接在所述水平横向孔内的第二耦件轴。

5.如权利要求1所述的外骨骼机器人髋关节，其特征在于，所述髋关节还包括设置在所述第一耦件轴一端的端部且用于固定安装所述角度感应器的磁珠，以及用于沿径向固定所述前后摆臂主体和第一耦件轴的紧定螺丝。

6.如权利要求1所述的外骨骼机器人髋关节，其特征在于，所述髋关节还包括连接在所述左右摆臂运动件远离所述前后摆臂运动件的一端且与所述左右摆臂运动件围合成环形容腔的大腿支承杆、套设在所述大腿支承杆上的组合轴承，以及设置在所述环形容腔内以轴向定位所述大腿支承杆的多个钢球。

7.如权利要求6所述的外骨骼机器人髋关节，其特征在于，所述大腿支承杆的上方外侧设有环形槽，所述左右摆臂运动件的内部设有环形凹槽，所述环形槽与所述环形凹槽抵接组成呈圆截面的所述环形容腔。

8.如权利要求6所述的外骨骼机器人髋关节，其特征在于，所述左右摆臂运动件的侧壁上开设有与所述环形容腔连通且用于装入所述钢球的开孔。

9.一种外骨骼机器人，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的外骨骼机器人髋关节、膝关节、踝关节脚部部件，以及设置在所述踝关节脚部部件上的压力传感器。

10.一种如权利要求9所述的外骨骼机器人的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、判断实时采集的穿戴者两侧的压力传感器的数值是否都大于设定的阈值，若是则执行下一步骤，否则等待右腿着地，直到两侧压力传感器的数值均大于设定的阈值；

B、控制穿戴者左侧驱动电机正向转动，并驱动单向轴承帮助抬起左腿，同时判断左侧角度感应器是否达到预设值，若是则执行下一步骤，否则左侧驱动电机驱动单向轴承继续抬起左腿，直到左侧角度感应器达到预设值；

C、控制左侧单向轴承锁住，左侧驱动电机快速反向转动，左腿自由放下；

D、判断实时采集的穿戴者两侧的压力传感器的数值是否都大于设定的阈值，若是则执行下一步骤，否则等待左腿着地，直到两侧压力传感器的数值均大于设定的阈值；

E、控制穿戴者右侧驱动电机正向转动，并驱动单向轴承帮助抬起右腿，同时判断右侧角度感应器是否达到预设值，若是则执行下一步骤，否则右侧驱动电机驱动单向轴承继续抬起右腿，直到右侧角度感应器达到预设值；

F、控制右侧单向轴承锁住，右侧驱动电机快速反向转动，右腿自由放下，并返回步骤A。