CN106859922A - 一种基于可变柔性关节的下肢助力外骨骼机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于可变柔性关节的下肢助力外骨骼机器人，其包括中控系统、髋关节连接机构、髋关节驱动器及设置在佩戴者大腿上的大腿连接机构；所述中控系统设置在佩戴者腰部，与所述髋关节驱动器电气连接，并通过所述髋关节连接机构与所述髋关节驱动器物理连接，用于接收所述髋关节驱动器发送的信息并控制所述髋关节驱动器的运行；所述髋关节驱动器与所述大腿连接机构连接，用于通过大腿连接机构感知佩戴者腿部的运动，并为佩戴者腿部运动提供助力。其通过髋关节驱动器感知佩戴者腿部动作意图，并为佩戴者腿部运动提供助力，提升佩戴者的行动能力。
Description
技术领域
本发明涉及康复机器人技术领域，尤其涉及一种基于可变柔性关节的下肢助力外骨骼机器人。
背景技术
随着生活水平的逐步提高和医疗条件的不断改进，中国人的平均寿命已经达到了70多岁，整个社会的老龄化趋势愈加明显，而老年人面临的一个常见问题即是行走能力的下降。行走能力的下降与缺失有多种原因，主要包括：视觉、平衡等系统缺陷导致的感知能力下降，脑卒中、脊髓外伤等神经系统损伤导致对机体控制能力下降，关节磨损导致活动时的疼痛导致行动的意愿缺失，髋、踝等大关节周围肌肉群中全部或部分肌肉为所造成的肌肉力量下降等。而针对行走能力的下降，常见的行走辅具只有拐杖、助行架、手动或电动轮椅等，使用者无法维持正常的步态，也因此会导致活动量的下降，从而引发一系列次生的健康问题如体重增加、心血管疾病风险加大等等。
目前在世界范围内，行走助力外骨骼的研发是一个大趋势，与传统行走辅具相比，助力外骨骼可在很大程度上令佩戴者保持直立姿态，并尽量贴近正常行走的步态，对佩戴者的活动能力和生理、心理健康均有助益。国内外陆续已有部分行走助力外骨骼处于产品化的不同阶段，如以色列的Rewalk和日本的Cyberdyne HAL。值得一提的是，目前虽有商业化产品，但尚未进入大规模的实际应用。按照所提供的功能，现有产品大致可分为如下几类：
1、不考虑佩戴者意图的主动驱动、覆盖全下肢、需要佩戴者额外拄拐杖的外骨骼。代表产品为以色列的Rewalk、美国的Ekso Bionics。此类产品一般针对截瘫患者，其特点是体积庞大，结构复杂，价格高昂，对意外摔倒缺乏主动和被动保护机制，因此目前在市场上的反响并不好。
2、基于肌肉电信号、覆盖全下肢、无需拄拐但只能在康复环境中使用的外骨骼。代表产品为日本Cyberdyne的HAL。此类产品基于采集的肌电信号驱动关节，因此病人可在一定程度上主动控制其运动并获得助力。但此类产品由于肌电信号采集本身的特点，受到汗液的影响其数据精确度会急剧下降。同时由于机械结构设计方面的缺失，其肢体运动轨迹并不符合人体工学，其主要应用范围仍然是康复机构内部，患者只能在在上半身相对固定的跑步机上慢走，进行功能恢复性训练，无法在日常生活中长期佩戴使用。
3、基于角度传感器，覆盖大腿部分、出力较小的助力外骨骼。此类外骨骼代表为本田的SMA。其主要特点是轻便、体积小，佩戴简单，但限于基于角度传感器的刚性关节先天的安全性缺失，以及佩戴的舒适度，关节出力被限制在较小的水平，仅有4NM。而人在行走时髋关节的扭矩至少在60-120NM级别，其助力效果有限，仅能将步速从约1.2m/s提升至约1.3m/s。
发明内容
为克服现有技术存在的上述技术问题，本发明提供了一种基于可变柔性关节的下肢助力外骨骼机器人，其通过髋关节驱动器感知佩戴者腿部动作意图，并为佩戴者腿部运动提供助力，提升佩戴者的行动能力。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于可变柔性关节的下肢助力外骨骼机器人，其包括中控系统、髋关节连接机构、髋关节驱动器及设置在佩戴者大腿上的大腿连接机构；
所述中控系统设置在佩戴者腰部，与所述髋关节驱动器电气连接，并通过所述髋关节连接机构与所述髋关节驱动器物理连接，用于接收所述髋关节驱动器发送的信息并控制所述髋关节驱动器的运行；
所述髋关节驱动器与所述大腿连接机构连接，用于通过大腿连接机构感知佩戴者腿部的运动，并为佩戴者腿部运动提供助力。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述髋关节驱动器包括伺服电机、与所述伺服电机连接的谐波减速机、与所述谐波减速机连接的环形力矩传感器和与所述环形力矩传感器连接的转矩输出盘；
所述环形力矩传感器还与所述中控系统连接，用于监测佩戴者腿部关节扭矩，获得关节扭矩数据；
所述中控系统根据所述关节扭矩数据控制所述伺服电机的转动，以通过所述转矩输出盘带动所述大腿连接机构运动，为佩戴者腿部运动提供助力。
进一步，所述髋关节驱动器还包括角度编码器，所述角度编码器用于监测佩戴者腿部关节位移，获得关节位移数据；
所述中控系统还根据所述关节位移数据控制所述伺服电机及谐波减速机的转动，以带动所述大腿连接机构运动，为佩戴者腿部运动提供助力。
进一步，所述髋关节驱动器还包括输入端外壳、输入端内壳和输出端外壳；
所述伺服电机、谐波减速机及环形力矩传感器均设置于所述输入端内壳内，所述转矩输出盘设置在所述输出端外壳内，所述输出端外壳与所述大腿连接机构刚性连接。
进一步，所述输入端内壳靠近所述输出端外壳的侧壁上设置有限位件，所述输出端外壳靠近所述输入端内壳的一面上设置有凹槽，所述凹槽上开设有开口；
当所述转矩输出盘转动时，所述输出端外壳随所述转矩输出盘转动，所述限位件在所述凹槽内运动，当所述限位件运动至所述开口处时，被卡设在所述开口中，限制了所述转矩输出盘的继续转动。
进一步，还包括紧急解锁机构，所述紧急解锁机构内置在所述输入端内壳中；所述转矩输出盘通过所述紧急解锁机构与所述输出端外壳连接；
当所述紧急解锁机构接收到外界发来的解锁信号时，所述紧急解锁机构与所述转矩输出盘或与所述输出端外壳断开连接，以停止对大腿连接机构的驱动。
进一步，还包括外置的紧急解锁构件，所述外置的紧急解锁构件与为所述伺服电机提供电能的电池连接，用于紧急状况下断开电池与伺服电机的连接。
进一步，所述大腿连接机构包括连杆、柔性绑带和用于包覆大腿的包覆式外壳；所述连杆与所述髋关节驱动器刚性连接，所述包覆式外壳设置在所述连杆上，并通过所述柔性绑带固定在所述大腿上。
进一步，所述连杆为可伸缩结构。
进一步，所述包覆式外壳与大腿接触的一面上设置有软垫。
进一步，所述髋关节连接机构为刚性结构、单自由度活动结构或两自由度活动结构。
进一步，还包括与所述大腿连接机构连接的膝关节被动机构和与所述膝关节被动机构连接的小腿连接机构，所述膝关节被动机构通过所述小腿连接机构设置在佩戴者的小腿上；所述小腿连接机构通过可调节绑带连接在佩戴者的小腿上。
进一步，所述膝关节被动机构为单自由度结构、两自由度结构或三自由度结构的关节。
进一步，还包括足底支撑机构，所述足底支撑机构与所述小腿连接机构连接。
进一步，所述中控系统包括行走助力单元，所述行走助力单元用于接收所述环形力矩传感器发送的扭矩数据；
当所述行走助力单元接收到同向的扭矩数据大于第一预设阈值时，其控制所述伺服电机转动以使得所述髋关节驱动器为佩戴者髋关节的移动提供同向的助力，以增加佩戴者髋关节的出力；
当所述行走助力单元接收到反向的扭矩数据大于第二预设阈值时，其控制所述伺服电机转动以使得所述髋关节驱动器为佩戴者髋关节的移动提供反向的助力，以增加佩戴者髋关节的出力。
进一步，所述中控系统还包括数据处理单元，所述数据处理单元用于接收、处理并存储所述环形力矩传感器获得的关节扭矩数据和所述角度传感器获得的关节位移数据。
进一步，所述中控系统还包括动作限定单元和过载保护单元；
所述动作限定单元用于根据所述角度编码器获得的关节位移数据监控佩戴者髋关节位移幅度；当监测到的关节位移幅度变化总量或速率大于第三预设阈值时，停止所述伺服电机的驱动或断开电源；
所述过载保护单元用于根据所述环形力矩传感器获得的关节扭矩数据监控佩戴者关节移动力矩变化，当监测到关节移动力矩变化总量或速率大于第四预设阈值时，停止所述伺服电机的驱动或断开电源。
与现有技术相比，本发明提供的基于可变柔性关节的下肢助力外骨骼机器人，其通过在髋关节驱动器中增加力矩传感器感知佩戴者腿部运动，为其提供助力，与现有应用于康复外骨骼的可变柔性关节内部结构中包含直线弹簧、钢丝绳以及相应形变测量手段的结构相比，零件总数少，控制系统软件编写难度低。
附图说明
图1为本发明实施例二提供的基于可变柔性关节的下肢助力外骨骼机器人的结构示意图；
图2为本发明图1中髋关节驱动器的结构示意图；
图3为本发明图2中输入端内壳的结构示意图；
图4为本发明图2中输出端外壳的结构示意图；
图5为图1中中控系统的结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1-中控系统，2-髋关节连接机构，3-髋关节驱动器，4-连杆，5-包覆式外壳，6-柔性绑带，7-膝关节被动机构，8-小腿连接机构，9-小腿绑带，10-伺服电机，11-初级减速齿轮，12-谐波减速机，13-环形力矩传感器，14-转矩输出盘，15-输入端外壳，16-输出端外壳，17-输入端内壳，18-紧急解锁机构，19-限位件，20-凹槽，21-开口。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本实施例提供的基于可变柔性关节的下肢助力外骨骼机器人，其包括中控系统、髋关节连接机构、髋关节驱动器及设置在佩戴者大腿上的大腿连接机构；
所述中控系统设置在佩戴者腰部，与所述髋关节驱动器电气连接，并通过所述髋关节连接机构与所述髋关节驱动器物理连接，用于接收所述髋关节驱动器发送的信息并控制所述髋关节驱动器的运行；
所述髋关节驱动器与所述大腿连接机构连接，用于通过大腿连接机构感知佩戴者腿部的运动，并为佩戴者腿部运动提供助力。
该外骨骼机器人可用于单腿的助力或双腿的助力，当用于双腿的助力时，连接机构、髋关节驱动器和大腿连接机构都需对称设置两套，中控系统通过绑带固定在佩戴者腰部，同时作为整台外骨骼的结构核心，内置主电池，中控系统的两端对称设置连接机构，连接机构可置于佩戴者腰后部，中控系统通过连接机构与对应的髋关节驱动器物理连接。其它结构均固定在其上，起到支撑和稳定的作用。中控系统通过电源和通信线缆与髋关节驱动器实现电气连接，起到实时数据采集、反馈、针对佩戴者动作输入做出反应、对外骨骼进行实时控制并在系统层面保护佩戴者安全的作用。
根据需求，其中的髋关节连接机构可以是刚性连接、单自由度活动或者两自由度活动，并且其活动范围可以是可调节的。例如，该连接结构可由三个连接杆构成，分别为第一连接杆、第二连接杆和第三连接杆，三个连接杆依次通过关节连接，第一连接杆与中控系统连接，第二连接杆呈L型，一端与第一连接杆连接，另一端与第三连接杆连接，L型的第二连接杆绕过佩戴者腰部与再与髋关节驱动器连接。其中的第一连接杆与第二连接杆可通过一关节连接，实现第一连接杆或旋转的伸缩，第二连接杆与第三连接杆通过另一关节连接，实现第三连接杆的伸缩。
实施例二
如图1所示，图1为本实施例示例性的给出了外骨骼机器人的结构示意图。本实施例提供了基于可变柔性关节的下肢助力外骨骼机器人的其他实施方式，具体地，该基于可变柔性关节的下肢助力外骨骼机器人包括：
中控系统1、髋关节连接机构2、髋关节驱动器3及设置在佩戴者大腿上的大腿连接机构；其中，所述中控系统1设置在佩戴者腰部，与所述髋关节驱动器3电气连接，并通过所述髋关节连接机构2与所述髋关节驱动器3物理连接，用于接收所述髋关节驱动器3发送的信息并控制所述髋关节驱动器3的运行；所述髋关节驱动器3与所述大腿连接机构连接，用于通过大腿连接机构感知佩戴者腿部的运动，并为佩戴者腿部运动提供助力。
与实施例一中所描述的外骨骼机器人的部分结构一致，该外骨骼机器人可用于单腿的助力或双腿的助力，当用于双腿的助力时，髋关节连接机构2、髋关节驱动器3和大腿连接机构都需对称设置两套，中控系统1通过绑带固定在佩戴者腰部，同时作为整台外骨骼的结构核心，内置主电池，中控系统1的两端对称设置髋关节连接机构2，髋关节连接机构2可置于佩戴者腰后部，中控系统1通过髋关节连接机构2与对应的髋关节驱动器3物理连接。其它结构均固定在其上，起到支撑和稳定的作用。中控系统1通过电源和通信线缆与髋关节驱动器3实现电气连接，起到实时数据采集、反馈、针对佩戴者动作输入做出反应、对外骨骼进行实时控制并在系统层面保护佩戴者安全的作用。
在其中一个实施方式中，如图2所示，上述所述的髋关节驱动器3包括伺服电机10、与所述伺服电机10连接的谐波减速机12、与所述谐波减速机12连接的环形力矩传感器13和与所述环形力矩传感器13连接的转矩输出盘14；所述环形力矩传感器13还与所述中控系统1连接，用于监测佩戴者腿部关节扭矩，获得关节扭矩数据；所述中控系统1根据所述关节扭矩数据控制所述伺服电机10的转动，以通过所述转矩输出盘14带动所述大腿连接机构运动，为佩戴者腿部运动提供助力。需要说明的是，还可设置初级减速齿轮11，伺服电机10通过初级减速齿轮11与谐波减速机12连接。由于髋关节驱动器3工作于力矩控制模式下，中控系统1可以随时感知佩戴者的意图并作出反应，无需像其他方案一样只能依赖于事前的测量结果并套用固定的驱动曲线，从而增强产品的安全性和易用性。
髋关节驱动器3结构为可变柔性关节，其主要结构特点是由伺服电机10驱动谐波减速机12。谐波减速机12的输出端通过刚性连接与环形力矩传感器13相连。环形力矩传感器13则通过刚性连接与下一级连接件相连。为减小关节驱动器的体积，还可将电机反置于谐波减速机12中的通孔中，使得关节驱动器的整体体积较小。
在其中一实施方式中，还可在髋关节驱动器3中同时内置角度编码器，其用于监测佩戴者腿部关节位移，获得关节位移数据；所述中控系统1还根据所述关节位移数据控制所述伺服电机10及谐波减速机12的转动，以带动所述大腿连接机构运动，为佩戴者腿部运动提供助力。通过位移与力矩交联的控制模式令每个关节可表现出柔顺性，从而将负载的变化率保持在佩戴者感到舒适的范围内，不会由于外骨骼位移或者负载的突然变化导致佩戴者受到损伤。
可选地，如图2所示，所述髋关节驱动器3还可包括输入端外壳15、输入端内壳17和输出端外壳16；所述伺服电机10、初级减速齿轮11、谐波减速机12及环形力矩传感器13均设置于所述输入端内壳17内，所述转矩输出盘14设置在所述输出端外壳16内，所述输出端外壳16与所述大腿连接机构刚性连接。为保证佩戴者的安全，如图3所示，可在输入端内壳17靠近所述输出端外壳16的侧壁上设置限位件19，如图4所示，可在输出端外壳16靠近所述输入端内壳17的一面上设置凹槽20，所述凹槽20上开设有开口21；当所述转矩输出盘14转动时，所述输出端外壳16随所述转矩输出盘14转动，所述限位件19在所述凹槽20内运动，当所述限位件19运动至所述开口21处时，被卡设在所述开口21中，限制了所述转矩输出盘14的继续转动，从而可限制每个关节的旋转范围，保证在行走过程中每个关节的活动范围不会超过人体关节的极限。
另外，为进一步加强佩戴者的安全，如图2所示，还可在髋关节驱动器3中内置紧急解锁机构18，紧急解锁机构18内置在所述输入端内壳17中；所述转矩输出盘14通过所述紧急解锁机构18与所述输出端外壳16连接。该紧急解锁机构18可以为电磁铁或继电器，当紧急解锁机构18在未收到解锁信号时处于闭合状态，此时髋关节驱动器3可以在电机驱动下转动；当紧急解锁机构18接收到外界发来的解锁信号时即处于打开状态，此时，紧急解锁机构18与所述转矩输出盘14或与所述输出端外壳16断开连接，从而将髋关节驱动器3与大腿连接机构解锁，以停止对大腿连接机构的驱动，令其可以自由转动。解锁机构的电源可由外置紧急解锁按钮或机械臂控制软件接通与切断。
由于髋关节驱动器3内置紧急解锁机构18，该外骨骼机器人也可提供外置紧急解锁功能，即外置紧急解锁构件，将外置的紧急解锁构件与为伺服电机10提供电能的电池连接，用于紧急状况下断开电池与伺服电机10的连接。当佩戴者或医护人员认为必要时可激活此功能，此时髋关节驱动器3电源切断，每个关节驱动器都将解锁从而可以自由转动。。
在其中一个实施方式中，如图1所示，其中的大腿连接机构可包括连杆4、柔性绑带6和用于包覆大腿的包覆式外壳5；所述连杆4与所述髋关节驱动器3刚性连接，所述包覆式外壳5设置在所述连杆4上，并通过所述柔性绑带6固定在所述大腿上。该连杆4可以是固定长度或者可调长度，包覆式外壳5亦可能由一条或多条绑带代替。可选地，还可在包覆式外壳5与大腿接触的一面上设置软垫。包覆式外壳5的形状可针对佩戴者体型定制。
在其中一个实施方式中，如图1所示，该外骨骼机器人还可包括与所述大腿连接机构连接的膝关节被动机构7和与所述膝关节被动机构7连接的小腿连接机构8，所述膝关节被动机构7通过所述小腿连接机构8设置在佩戴者的小腿上；所述小腿连接机构8通过可小腿绑带9连接在佩戴者的小腿上。该外骨骼机器人的重量由小腿上的调节绑带支撑，同时膝关节周围支撑结构会将正常站立或行走状态下关节本身承担的压力传导到小腿绑带9上，并由小腿承担，从而起到减轻膝关节压力的作用。
膝关节被动机构7与髋关节驱动器3通过大腿连接机构连接，其结构由单自由度结构、两自由度结构或三自由度结构的支撑关节组成，保证膝关节活动时的稳定性和舒适性，图1中示出的膝关节被动机构7为单自由度结构。小腿连接机构8与膝关节被动机构7的下半部为刚性连接，并通过可调节的绑带与佩戴者的小腿实现物理连接。需要说明的是，膝关节被动机构7与小腿连接机构8亦可由更简单的护膝代替，在选用护膝时，外骨骼重量可由腰部绑带承担。还可在小腿连接机构8上加挂足底支撑机构，可将外骨骼重量以及佩戴者的一部分体重由足底部分承担，减小踝关节、膝关节和髋关节所受的压力。
上述总体结构可为模块化设计，即使是同一佩戴者，根据不同阶段的需求也可在上述多个实施方式中的多种构型中自由选择。
实施例三
该实施例提供的基于可变柔性关节的下肢助力外骨骼机器人，其除了实施例一或二所述的结构外，还可包括以下实施方式。
在该外骨骼机器人的结构中，中控系统中的控制软件采集的数据包括角度编码器提供的关节位移信号和力矩传感器提供的关节扭矩信号，控制软件综合各个关节的输入信号可实现如下功能：1)两侧独立调整的助力强度与变化率；2)零阻抗、零助力模式；3)过载保护。
具体地，如图5所示，该中控系统可包括行走助力单元，所述行走助力单元用于接收所述环形力矩传感器发送的扭矩数据；当所述行走助力单元接收到同向的扭矩数据大于第一预设阈值时，其控制所述伺服电机转动以使得所述髋关节驱动器为佩戴者髋关节的移动提供同向的助力，以增加佩戴者髋关节的出力；当所述行走助力单元接收到反向的扭矩数据大于第二预设阈值时，其控制所述伺服电机转动以使得所述髋关节驱动器为佩戴者髋关节的移动提供反向的助力，以增加佩戴者髋关节的出力，以增加步速，改进步态并减少佩戴者的能耗。
还可通过测量髋关节驱动器的当前位置和输入力矩，获得针对每个佩戴者每侧髋关节在步行过程中不同阶段的姿态和动作进行自主学习，在佩戴一段时间后可更好的贴合特定佩戴者的行走习惯，提供更舒适的助力。
还可根据佩戴者的个体需求，将中控系统中的软件模式设定为步态矫正，在每个行走周期的不同阶段，针对每侧的肢体提供单独设定的阻尼或助力，帮助每个佩戴者在康复训练的不同阶段，针对步态的具体特点实现个性化的矫正功能。
在其中一个实施方式中，所述中控系统还包括数据处理单元，所述数据处理单元用于接收并、处理并存储所述环形力矩传感器获得的关节扭矩数据和所述角度传感器获得的关节位移数据。在行走助力过程中采集的佩戴者所有肢体活动与力量数据均经过数据处理单元中的处理程序进行处理、汇总，并将处理后的数据存储在数据处理单元中，同时可将这些数据记录保存于云端服务器。佩戴者本人及其授权的其他人员(家庭成员、医护人员或紧急联系人)将可随时随地审阅、评估病人的康复进程并对康复计划进行相应修改，外骨骼机器人可向紧急联系人提供摔倒告警。同时由于数据在云端备份，即使康复患者随后前往不同的康复机构，数据仍可随之迁移并由新机构的医护人员读取并使用。
另外，为加强对佩戴者安全的保护，该中控系统还可包括动作限定单元和过载保护单元；所述动作限定单元用于根据所述角度编码器获得的关节位移数据监控佩戴者髋关节位移幅度；当监测到的关节位移幅度变化总量或速率大于第三预设阈值时，停止所述伺服电机的驱动或断开电源；所述过载保护单元用于根据所述环形力矩传感器获得的关节扭矩数据监控佩戴者关节移动力矩变化，当监测到关节移动力矩变化总量或速率大于第四预设阈值时，停止所述伺服电机的驱动或断开电源。
通过测量髋关节驱动器的当前位置和输入力矩，动作限定单元和过载保护单元可实时监控突然的或幅度较大的位移与负载变化，当变化的总量或速率超出设定的软性动限与过载保护阈值时，动作限定单元和过载保护单元将自动停止髋关节驱动器的运行或者切断通往髋关节的电源以保证用户的安全。具体地阈值可针对佩戴者每个关节的具体情况进行单独设置，满足不同佩戴者的潜在不同需求以保证更强的安全性。
在硬件结构上，该外骨骼机器人与现有技术相比，其简化了髋关节驱动器的内部结构。其在力矩控制模式下，中控系统可根据力矩传感器感知负载的方向与幅度判断佩戴者的意图，命令关节驱动器在同向旋转，在驱动时随时保证大腿连接机构施加在佩戴者肢体上的力矩符合事先定义的或系统自主学习获得的驱动力矩曲线。由于对佩戴者意图的判断具有实时性，当意图发生变化时，中控系统可以感知异常并做出反应，从而最大限度保证安全性和易用性。其在位移控制模式下，髋关节驱动器直接按照事先给定的位移曲线驱动，带动肢体按照给速度运动；力矩传感器随时收集负载信息，当负载超过给定阈值时则根据工作模式自动急停或解锁。
与现有应用于康复外骨骼的可变柔性关节内部结构中包含直线弹簧、钢丝绳以及相应形变测量手段的结构相比，零件总数少，控制系统软件编写难度低。另外，其简化了外骨骼机器人的自身结构、重量及其惯性。与采用刚性关节的其他外骨骼方案相比，在总体结构上省略了以下部分：
i.安装其他外置传感器的支撑结构、线缆与包覆结构及其重量；
ii.其他外置传感器及相应的装配、测量、校准要求；
iii.膝关节主动驱动关节及其重量。
与同样采用可变柔性关节的其他外骨骼相比，简化的驱动器内部结构省略了以下部分：
1、外置传感器及相应的装配、测量、校准要求；
2、将驱动器的动作传导到外骨骼活动部位的传动机构及其带来的安装、测量误差；
3、以提供柔性连接和提高安全性为目的的滑块、丝杆、弹簧、尼龙绳；
4、上述结构及为其连接、支撑的连接件及其重量。
由于简化的结构带来的成本下降，令本发明提供的外骨骼机器人可在同类产品十分之一的价格下提供满足无需全包覆外骨骼人群对行走助力的需求，这部分人群的数量也远远超出全包覆式外骨骼的适用人群。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (17)
1.一种基于可变柔性关节的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于，包括中控系统(1)、髋关节连接机构(2)、髋关节驱动器(3)及设置在佩戴者大腿上的大腿连接机构；
所述中控系统(1)设置在佩戴者腰部，与所述髋关节驱动器(3)电气连接，并通过所述髋关节连接机构(2)与所述髋关节驱动器(3)物理连接，用于接收所述髋关节驱动器(3)发送的信息并控制所述髋关节驱动器(3)的运行；
所述髋关节驱动器(3)与所述大腿连接机构连接，用于通过大腿连接机构感知佩戴者腿部的运动，并为佩戴者腿部运动提供助力。
2.根据权利要求1所述的基于可变柔性关节的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于，所述髋关节驱动器(3)包括伺服电机(10)、与所述伺服电机(10)连接的谐波减速机(12)、与所述谐波减速机(12)连接的环形力矩传感器(13)和与所述环形力矩传感器(13)连接的转矩输出盘(14)；
所述环形力矩传感器(13)还与所述中控系统(1)连接，用于监测佩戴者腿部关节扭矩，获得关节扭矩数据；
所述中控系统(1)根据所述关节扭矩数据控制所述伺服电机(10)的转动，以通过所述转矩输出盘(14)带动所述大腿连接机构运动，为佩戴者腿部运动提供助力。
3.根据权利要求2所述的基于可变柔性关节的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于，所述髋关节驱动器(3)还包括角度编码器，所述角度编码器用于监测佩戴者腿部关节位移，获得关节位移数据；
所述中控系统(1)还根据所述关节位移数据控制所述伺服电机(10)及谐波减速机(12)的转动，以带动所述大腿连接机构运动，为佩戴者腿部运动提供助力。
4.根据权利要求3所述的基于可变柔性关节的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于，所述髋关节驱动器(3)还包括输入端外壳(15)、输入端内壳(17)和输出端外壳(16)；
所述伺服电机(10)、谐波减速机(12)及环形力矩传感器(13)均设置于所述输入端内壳(17)内，所述转矩输出盘(14)设置在所述输出端外壳(16)内，所述输出端外壳(16)与所述大腿连接机构刚性连接。
5.根据权利要求4所述的基于可变柔性关节的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于，所述输入端内壳(17)靠近所述输出端外壳(16)的侧壁上设置有限位件(19)，所述输出端外壳(16)靠近所述输入端内壳(17)的一面上设置有凹槽(20)，所述凹槽(20)上开设有开口(21)；
当所述转矩输出盘(14)转动时，所述输出端外壳(16)随所述转矩输出盘(14)转动，所述限位件(19)在所述凹槽(20)内运动，当所述限位件(19)运动至所述开口(21)处时，被卡设在所述开口(21)中，限制了所述转矩输出盘(14)的继续转动。
6.根据权利要求4或5所述的基于可变柔性关节的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于，还包括紧急解锁机构(18)，所述紧急解锁机构(18)内置在所述输入端内壳(17)中；所述转矩输出盘(14)通过所述紧急解锁机构(18)与所述输出端外壳(16)连接；
当所述紧急解锁机构(18)接收到外界发来的解锁信号时，所述紧急解锁机构(18)与所述转矩输出盘(14)或与所述输出端外壳(16)断开连接，以停止对大腿连接机构的驱动。
7.根据权利要求6所述的基于可变柔性关节的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于，还包括外置的紧急解锁构件，所述外置的紧急解锁构件与为所述伺服电机(10)提供电能的电池连接，用于紧急状况下断开电池与伺服电机(10)的连接。
8.根据权利要求1所述的基于可变柔性关节的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于，所述大腿连接机构包括连杆(4)、柔性绑带(6)和用于包覆大腿的包覆式外壳(5)；所述连杆(4)与所述髋关节驱动器(3)刚性连接，所述包覆式外壳(5)设置在所述连杆(4)上，并通过所述柔性绑带(6)固定在所述大腿上。
9.根据权利要求8所述的基于可变柔性关节的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于，所述连杆(4)为可伸缩结构。
10.根据权利要求8所述的基于可变柔性关节的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于，所述包覆式外壳(5)与大腿接触的一面上设置有软垫。
11.根据权利要求1所述的基于可变柔性关节的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于，所述髋关节连接机构(2)为刚性结构、单自由度活动结构或两自由度活动结构。
12.根据权利要求1所述的基于可变柔性关节的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于，还包括与所述大腿连接机构连接的膝关节被动机构(7)和与所述膝关节被动机构(7)连接的小腿连接机构(8)，所述膝关节被动机构(7)通过所述小腿连接机构(8)设置在佩戴者的小腿上；所述小腿连接机构(8)通过可调节绑带连接在佩戴者的小腿上。
13.根据权利要求12所述的基于可变柔性关节的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于，所述膝关节被动机构(7)为单自由度结构、两自由度结构或三自由度结构的关节。
14.根据权利要求12所述的基于可变柔性关节的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于，还包括足底支撑机构，所述足底支撑机构与所述小腿连接机构(8)连接。
15.根据权利要求3所述的基于可变柔性关节的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于，所述中控系统(1)包括行走助力单元，所述行走助力单元用于接收所述环形力矩传感器(13)发送的扭矩数据；
当所述行走助力单元接收到同向的扭矩数据大于第一预设阈值时，其控制所述伺服电机(10)转动以使得所述髋关节驱动器(3)为佩戴者髋关节的移动提供同向的助力，以增加佩戴者髋关节的出力；
当所述行走助力单元接收到反向的扭矩数据大于第二预设阈值时，其控制所述伺服电机(10)转动以使得所述髋关节驱动器(3)为佩戴者髋关节的移动提供反向的助力，以增加佩戴者髋关节的出力。
16.根据权利要求15所述的基于可变柔性关节的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于，所述中控系统(1)还包括数据处理单元，所述数据处理单元用于接收、处理并存储所述环形力矩传感器(13)获得的关节扭矩数据和所述角度传感器获得的关节位移数据。
17.根据权利要求15所述的基于可变柔性关节的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于，所述中控系统(1)还包括动作限定单元和过载保护单元；
所述动作限定单元用于根据所述角度编码器获得的关节位移数据监控佩戴者髋关节位移幅度；当监测到的关节位移幅度变化总量或速率大于第三预设阈值时，停止所述伺服电机(10)的驱动或断开电源；
所述过载保护单元用于根据所述环形力矩传感器(13)获得的关节扭矩数据监控佩戴者关节移动力矩变化，当监测到关节移动力矩变化总量或速率大于第四预设阈值时，停止所述伺服电机(10)的驱动或断开电源。
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