CN106426116A - 一种下肢助力外骨骼机构系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种下肢助力外骨骼驱动系统，其特征在于：包括髋关节气液缸、刚性腰带、髋关节电机、大腿、膝关节气液缸、膝关节电机、小腿外杆、小腿内杆、踝关节电机和脚掌组成。本发明以气液串联缸结构替代传统纯液压或纯气压驱动支撑髋关节和膝关节，该结构设计是考虑到气液串联缸通过气缸驱动，可减少系统重量，提高驱动速度，而液压缸可克服纯气动驱动刚度低和稳定性差的缺点。故此本发明提供的一种下肢助力外骨骼机构系统具有驱动快速性好、刚度高、稳定性强、运行平稳等优点，可提高下肢助力外骨骼机构系统的关键特性。

Description

一种下肢助力外骨骼机构系统

技术领域

本发明属于机器人技术领域，尤其是一种下肢助力外骨骼机构系统。

背景技术

近年来，助力外骨骼机器人开发与研究已成为国内外研究热点。在高山密林地势险峻，机械车辆不能运行，或者是不利于轮式装置的阶梯型地带，重物需要人来背负等场合，外骨骼机器人能够增强和拓展人类的承载能力，使人能背负重物远程行走。同时，在军事领域，助力外骨骼机器人能够极大的增加士兵的背负能力；在医疗康复领域，助力外骨骼机器人能够增强人体运动能力，辅助病人肌肉和骨骼康复等。因此，开发和应用这种助力外骨骼机器人具有非常现实的意义。

外骨骼助力机器人始于1960年通用电气公司所研制的单兵助力外骨骼Hardiman，用于增强士兵的手臂持重能力。随后美国的多个公司，如SARCOS公司、雷神公司、伯克利仿生公司、Yobotics公司等相继研制了不同结构形式的外骨骼助力机器人，主要应用于军事领域。同时，日本、韩国和瑞士等国家开发了应用于医疗康复领域的外骨骼助力机器人，如帮助体弱和行走不便的老人行走，帮助病人下肢康复训练等。经过几十年时间的理论探索和技术开发，下肢助力外骨骼技术已经取得了一定的成果。目前，在美国、日本和欧洲的一些国家，下肢助力外骨骼已经被尝试应用到实际当中，一些性能优良的产品已应用于市场推广上。我国相关科研院所，如中国科学院、浙江大学、华中科技大学、哈尔滨工业大学、电子科技大学等，也在外骨骼研究领域取得了一些收获，为深一步的研究和应用做好了准备。

目前的助力外骨骼机器人系统的驱动结构主要有液压和气压两种。液压驱动通过液压缸作为执行器实现。液压驱动的助力外骨骼机器人负重能力强，刚度大；气压驱动主要通过气缸或气动肌肉实现。气压驱动的外骨骼机器人装置轻巧，柔顺能力强。而在这两种驱动系统中均有一定的缺点，如液压驱动系统重量大，灵活性较差，柔顺能力差；气压驱动系统结构刚度低，运动稳定性低等。如能结合以上两种驱动方式，使得助力外骨骼机器人系统既具有较好的刚度，又具有较好的柔顺能力，将对拓宽该系统的应用领域具有重要的意义。因此，本发明以气液串联缸结构替代传统纯液压或气压支撑髋关节和膝关节，该结构设计是考虑到气液串联缸通过气动驱动，可减少系统重量，提高驱动速度，而液压缸可增强纯气动驱动刚度低和稳定性差的缺点。故此本发明专利提供的一种下肢助力外骨骼机构系统具有驱动快速性好、刚度高、稳定性强、运行平稳等优点，可提高下肢助力外骨骼机构系统的关键特性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，在此提供一种下肢助力外骨骼机构系统，该结构设计是考虑到气液串联缸通过气缸驱动，可减少系统重量，提高驱动速度；而液压缸可克服纯气动驱动刚度低和稳定性差的缺点。故此本发明专利提供的一种下肢助力外骨骼驱动系统具有驱动快速性好、刚度高、稳定性强、运行平稳等优点，可提高下肢助力外骨骼机构系统的关键特性。

本发明是这样实现的，构造一种下肢助力外骨骼驱动系统，其特征在于：包括髋关节气液缸、刚性腰带、髋关节电机、大腿、膝关节气液缸、膝关节电机、小腿外杆、小腿内杆、踝关节电机和脚掌；

髋关节能够实现三个自由度的旋转，两端分别与气液缸、刚性腰带和大腿连接；大腿将刚性腰带和膝关节连接在一起；膝关节气液缸连接大腿与小腿；小腿包括小腿外杆和小腿内杆两部分，将膝关节电机和踝关节电机外侧连接到一起；小腿外杆通过旋转结构能够沿着膝关节旋转轴旋转，实现相对于大腿的弯曲和伸展；小腿内杆连接至踝关节电机上部，并固定在一起；踝关节下方连接脚掌。

根据本发明所述一种下肢助力外骨骼驱动系统，其特征在于：该系统还包括以下传感器脚掌压力传感器、踝关节角位移传感器、膝关节角位移传感器和髋关节角位移传感器，其中角位移传感器采用电位计、位置敏感元件或码盘测量相应关节的转角位置。

根据本发明所述一种下肢助力外骨骼驱动系统，其特征在于：气液缸由气缸液缸串联组成，气缸作为主控缸通过气动阀对气液缸的位移进行控制，液压缸作为被动缸体，通过在线或离线调节液压阀改变气液缸阻尼大小。

根据本发明所述一种下肢助力外骨骼驱动系统，其特征在于：气液串联缸部分中，气压缸采用比例阀、开关阀、流量阀；液压缸采用比例阀、开关阀、流量阀。

根据本发明所述一种下肢助力外骨骼驱动系统，其特征在于：具有以下两种系统运作模式：

形式一：被动助力模式：在被动助力模式下，系统读取传感器传输的数据，根据该数据预测行走者的运作趋势，下肢助力外骨骼机构系统沿着这个行走趋势运行，起到行走助力的作用；

形式二：主动助力模式：在主动助力模式下，预先编入下肢助力外骨骼机构系统行走路线，通过各个传感器的测量和控制系统闭环完成规划行走，行走者被动随之运动。

根据本发明所述一种下肢助力外骨骼驱动系统，其特征在于：

形式一的工作过程：

系统首先通过踝关节角位移传感器、膝关节角位移传感器和髋关节角位移传感器传回的数据，经过运动学分析计算出当前时刻下肢助力外骨骼机构的位姿，并预测下一时刻系统运动位姿，通过驱动各个驱动关节电机和气液缸达到预测位姿，然后再次读取传感器位置预测下一时刻的系统运动位姿，如此反复进行系统开环控制；

该过程中，行走者作为主动系统对运动动作进行规划，下肢助力外骨骼机构系统作为随动系统起到助力作用，故将这种运动方式称为被动助力运作模式；

形式二的工作过程：

通过动力学和运动学计算分析，首先将系统的运动模式编入系统程序，通过电机和气液缸执行器和各个传感器，闭环完成系统预定运动模式的控制。行走者被动随之运动；

该过程中，下肢助力外骨骼机构系统作为主动方对运动动作进行规划，并起到助力作用，行走者被动随之运动，故将这种运动方式称为主动助力运作模式。

根据本发明所述一种下肢助力外骨骼驱动系统，其特征在于：所涉及到的气液缸控制有两种控制方式：

形式一： 离线开环液体阻尼调节控制方式：气液串联缸中的液压缸部分通过单向节流阀开环控制，气压缸部分通过气动阀（比例阀、开关阀或流量阀）进行闭环控制。这种控制形式的系统平台通过离线开环调节液压缸单向节流阀开口来调整系统阻尼大小；

形式二：在线闭环液体阻尼调节控制方式：气液串联缸中的液压缸通过高速开关阀（或比例阀、流量阀）闭环控制，达到一定的系统阻尼，同时，气液串联缸中的气压缸通过气动阀（比例阀、开关阀或流量阀）进行闭环控制。这种控制形式的系统平台通过闭环在线调整液压阀的开口和流量改变液压缸的阻尼达到不同的运动特性。

本发明的优点在于：本发明以气液串联缸结构替代传统纯液压或气压驱动髋关节和膝关节，该结构设计是考虑到气液串联缸通过气动驱动，可减少系统重量，提高驱动速度，而液压缸可克服纯气动中刚度低和稳定性差的缺点。故此本发明专利提供的一种下肢助力外骨骼机构系统具有驱动快速性好、刚度高、稳定性强、运行平稳等优点，可提高下肢助力外骨骼机构系统的关键特性。

附图说明

图1为下肢助力外骨骼机构系统原型样机结构图

图2是本发明主视图

图3是本发明侧面示意图

图4是本发明俯视图。

图中1.髋关节气液缸，2. 刚性腰带，3.髋关节电机，4.大腿，5.膝关节气液缸，6.膝关节电机，7.小腿外杆，8.小腿内杆，9.踝关节电机、10.脚掌。

具体实施方式

下面将结合附图1-4对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供的一种下肢助力外骨骼机构系统，如图1所示，包括髋关节气液缸1、刚性腰带2、髋关节电机3、大腿4、膝关节气液缸5、膝关节电机6、小腿外杆7、小腿内杆8、踝关节电机9和脚掌10组成。髋关节可实现三个自由度的旋转，两端分别与气液缸1、刚性腰带2和大腿4连接；大腿4将刚性腰带2和膝关节连接在一起；膝关节气液缸5连接大腿与小腿。其中，气液串联缸由气缸液缸串联组成，气缸作为主控缸通过气动阀对气液缸的位移进行控制，液压缸作为被动缸体，通过在线或离线调节液压阀改变气液缸阻尼大小。气液串联缸部分中，气压缸可采用各种形式的气压阀（如：比例阀、开关阀、流量阀等），液压缸可采用各种形式的液压阀（如：比例阀、开关阀、流量阀等）。小腿包括小腿外杆7和小腿内杆8两部分，将膝关节电机6和踝关节电机9外侧连接到一起；小腿外杆通过旋转结构能够沿着膝关节旋转轴旋转，实现相对于大腿的弯曲和伸展。小腿内杆连接至踝关节电机9上部，并固定在一起；踝关节下方连接脚掌10。

本发明所述的一种下肢助力外骨骼机构系统具有两种系统运作模式：

实施例一：

在被动助力模式下，系统读取传感器传输的数据，根据该数据预测行走者的运作趋势，下肢助力外骨骼机构系统沿着这个行走趋势运行，起到行走助力的作用。这种运动模式常常应用于携行负重机器人系统中。

该实施方案的工作过程：

系统首先通过踝关节角位移传感器、膝关节角位移传感器和髋关节角位移传感器传回的数据，经过运动学分析计算出当前时刻下肢助力外骨骼机构的位姿，并预测下一时刻系统运动位姿，通过驱动各个驱动关节电机和气液缸达到预测位姿，然后再次读取传感器位置预测下一时刻的系统运动位姿，如此反复进行系统开环控制。

该实例中，行走者作为主动系统对运动动作进行规划，下肢助力外骨骼机构系统作为随动系统起到助力作用，故将这种运动方式称为被动助力运作模式。

实施例二：

在主动助力模式下，下肢助力外骨骼机构系统预先编入其行走路线，通过各个传感器的测量和控制系统闭环完成规划行走，行走者被动随之运动。这种运动模式常常应用于医疗康复系统中。

该实施方案的工作过程：

通过动力学和运动学计算分析，首先将系统的运动模式编入系统程序，通过电机和气液缸执行器和各个传感器，闭环完成系统预定运动模式的控制。行走者被动随之运动。

该实例中，下肢助力外骨骼机构系统作为主动方对运动动作进行规划，并起到助力作用，行走者被动随之运动，故将这种运动方式称为主动助力运作模式。

以上的系统运行过程中，所涉及到的气液缸控制有两种控制方式：

形式一： 离线开环液体阻尼调节控制方式：气液串联缸中的液压缸部分通过单向节流阀开环控制，气压缸部分通过气动阀（比例阀、开关阀或流量阀）进行闭环控制。这种控制形式的系统平台通过离线开环调节液压缸单向节流阀开口来调整系统阻尼大小。

形式二：在线闭环液体阻尼调节控制方式：气液串联缸中的液压缸通过高速开关阀（或比例阀、流量阀）闭环控制，达到一定的系统阻尼，同时，气液串联缸中的气压缸通过气动阀（比例阀、开关阀或流量阀）进行闭环控制。这种控制形式的系统平台通过闭环在线调整液压阀的开口和流量改变液压缸的阻尼达到不同的运动特性。

综上所述，本发明专利以气液串联缸结构替代传统纯液压或纯气压驱动支撑髋关节和膝关节，具有驱动快速性好、刚度高、稳定性强、运行平稳等优点，可提高下肢助力外骨骼机构系统的关键特性。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种下肢助力外骨骼驱动系统，其特征在于：包括髋关节气液缸（1）、刚性腰带（2）、髋关节电机（3）、大腿（4）、膝关节气液缸（5）、膝关节电机（6）、小腿外杆（7）、小腿内杆（8）、踝关节电机（9）和脚掌（10）；

髋关节能够实现三个自由度的旋转，两端分别与气液缸（1）、刚性腰带（2）和大腿（4）连接；大腿（4）将刚性腰带（2）和膝关节连接在一起；膝关节气液缸（5）连接大腿与小腿；小腿包括小腿外杆（7）和小腿内杆（8）两部分，将膝关节电机（6）和踝关节电机（9）外侧连接到一起；小腿外杆通过旋转结构能够沿着膝关节旋转轴旋转，实现相对于大腿的弯曲和伸展；小腿内杆连接至踝关节电机（9）上部，并固定在一起；踝关节下方连接脚掌（10）。

2.根据权利要求1所述一种下肢助力外骨骼驱动系统，其特征在于：该系统还包括以下传感器脚掌压力传感器、踝关节角位移传感器、膝关节角位移传感器和髋关节角位移传感器，其中角位移传感器采用电位计、位置敏感元件或码盘测量相应关节的转角位置。

3.根据权利要求1所述一种下肢助力外骨骼驱动系统，其特征在于：气液缸由气缸液缸串联组成，气缸作为主控缸通过气动阀对气液缸的位移进行控制，液压缸作为被动缸体，通过在线或离线调节液压阀改变气液缸阻尼大小。

4.根据权利要求3所述一种下肢助力外骨骼驱动系统，其特征在于：气液串联缸部分中，气压缸采用比例阀、开关阀、流量阀；液压缸采用比例阀、开关阀、流量阀。

5.根据权利要求1所述一种下肢助力外骨骼驱动系统，其特征在于：具有以下两种系统运作模式：

形式一：被动助力模式：在被动助力模式下，系统读取传感器传输的数据，根据该数据预测行走者的运作趋势，下肢助力外骨骼机构系统沿着这个行走趋势运行，起到行走助力的作用；

形式二：主动助力模式：在主动助力模式下，预先编入下肢助力外骨骼机构系统行走路线，通过各个传感器的测量和控制系统闭环完成规划行走，行走者被动随之运动。

6.根据权利要求5所述一种下肢助力外骨骼驱动系统，其特征在于：

形式一的工作过程：

系统首先通过踝关节角位移传感器、膝关节角位移传感器和髋关节角位移传感器传回的数据，经过运动学分析计算出当前时刻下肢助力外骨骼机构的位姿，并预测下一时刻系统运动位姿，通过驱动各个驱动关节电机和气液缸达到预测位姿，然后再次读取传感器位置预测下一时刻的系统运动位姿，如此反复进行系统开环控制；

该过程中，行走者作为主动系统对运动动作进行规划，下肢助力外骨骼机构系统作为随动系统起到助力作用，故将这种运动方式称为被动助力运作模式；

形式二的工作过程：

通过动力学和运动学计算分析，首先将系统的运动模式编入系统程序，通过电机和气液缸执行器和各个传感器，闭环完成系统预定运动模式的控制；行走者被动随之运动；

该过程中，下肢助力外骨骼机构系统作为主动方对运动动作进行规划，并起到助力作用，行走者被动随之运动，故将这种运动方式称为主动助力运作模式。

7.根据权利要求1所述一种下肢助力外骨骼驱动系统，其特征在于：所涉及到的气液缸控制有两种控制方式：

形式一：离线开环液体阻尼调节控制方式：气液串联缸中的液压缸部分通过单向节流阀开环控制，气压缸部分通过气动阀（比例阀、开关阀或流量阀）进行闭环控制；

这种控制形式的系统平台通过离线开环调节液压缸单向节流阀开口来调整系统阻尼大小；

形式二：在线闭环液体阻尼调节控制方式：气液串联缸中的液压缸通过高速开关阀（或比例阀、流量阀）闭环控制，达到一定的系统阻尼，同时，气液串联缸中的气压缸通过气动阀（比例阀、开关阀或流量阀）进行闭环控制；

这种控制形式的系统平台通过闭环在线调整液压阀的开口和流量改变液压缸的阻尼达到不同的运动特性。