CN107042502B - 闭链连杆式欠驱动下肢外骨骼机构 - Google Patents

Abstract

一种闭链连杆式欠驱动下肢外骨骼机构，其包括驱动器、髋关节、膝关节、踝关节、连接三个关节的连杆、连杆扭转关节、连接扭转关节的连杆、关节限位装置、滑块、扭转弹簧、直线弹簧以及大、小腿和脚部连杆和壳体,其中驱动器与机座连接，连杆一、二、三均通过连杆扭转关节连接，连杆三通过滑块与连杆四连接，脚部连杆通过连杆扭转关节和踝关节与连杆四和小腿连杆连接；髋关节与机座转动连接，大腿连杆与髋关节和小腿连杆连接，在大、小腿和脚部连杆外均设有壳体，在连杆一、二之间设有扭转弹簧，直线弹簧与滑块和小腿壳体上端连接，在髋关节、膝关节和踝关节上均设有限位装置。本发明成本低、易操作、重量轻、耗能少、有较高稳定性和刚性。

Description

闭链连杆式欠驱动下肢外骨骼机构

技术领域

本发明属于机器人技术领域,特别涉及一种下肢辅助行走外骨骼。

背景技术

目前传统的载人交通工具以轮式为主，可以实现高速、长途以及负重运行的目的。但是轮式交通工具对路面环境等要求较高，复杂路况环境无法进入。在军事、科考、消防营救等领域，士兵、科考人员及消防营救人员常常需要长距离行走、背负重物、运送伤员、野外作业、登山探险等。这些特殊环境无法借助传统的交通工具完成，且对运动者的身体素质要求很高。基于军事、科考、消防等领域的需求，欧美国等国家的实验室和研究机构研制出了穿戴式外骨骼机构。这种机构能为穿戴者提供充足的外界力量和耐力来增强的长距离行走和负重等能力，从而完成一些特殊任务。2009年美国洛克希德马丁公司对加州大学伯克利分校的BLEEX系统，进行了重新设计并试制演示样机推出一种可大幅度提升士兵负重能力的金属骨架——“人类负重外骨骼”(Human Universal Load Carrier,HULC)该款外骨骼能够通过提供外部助力来满足单兵对机动性的需求，提高士兵在各种复杂环境下的负重能力。HULC采用仿生设计，是一种模仿人类肢体的结构特点设计的穿戴式机械骨骼。这种装置相当于配有液压驱动装置的人体腿部关节结构，可有效地减轻穿戴者所负重量。HULC外置骨骼上装有便携式微型计算机，可以保证HULC和穿戴者保持运动协调一致，保证穿戴者在各种复杂环境中进行爬行、下蹲或者上举等任何动作。

在家庭与康复医疗方面，穿戴外骨骼也可以帮助残障人士或年老体弱者像健康的年轻人那样快速行走，上下楼梯等。这将大大减轻老龄化和下肢伤残带来的家庭和社会压力，机械外骨骼机构也可以大大提高运动康复训练的效果。例如由美国加州大学伯克利分校的一些青年学生创建的SuitX公司，2016年推出的SuitX Phoenix可穿戴外骨骼机器人，可以支持行走长达4小时，行进速度1.8公里/小时(正常成人步行速度是4-7公里/小时),能源来自于背包内的电池。可穿戴部分包括电池在内重约12公斤，成本价格4万美元左右。

从上世纪90年代开始，浙江大学就致力于人机一体化理论研究，通过分析外骨骼人机系统，采用气动系统设计研究了下肢运动康复性训练外骨骼系统，并利用自适应模糊神经网络的控制理论，对其人机耦合性进行了控制策略研究，从而保证下肢外骨骼舒适性和平稳性。2016年最新的资料显示，浙江大学对柔性支撑下肢外骨骼系统进行了研究，并且设计了重力驱动的被动传动结构，节约了系统能源。2004年，中科院合肥智能所对下肢外骨骼的设计技术进行了相关研究，首先对下肢外骨骼的系统分析构造机械装置，其次采用力传感器判别人体运动意图，最后提出了假想柔顺控制方法减少穿戴者的运动强度。西南交通大学在下肢外骨骼设计中结合了有限元软件对模型的强度进行分析，并建立虚拟样机模型模拟了人体下蹲和膝下跪的工况，之后将物理样机与虚拟样机进行分析对比，验证了机械结构的合理性。华东理工大学在液压驱动式下肢外骨骼研究深入，提出了一套液压系统的设计流程，通过性能分析对下肢外骨骼结构优化，并对下肢外骨骼进行性能评估系统研究，提出性能评估指标。除此之外，南京理工大学、哈尔滨工业大学、电子科技大学等高校与国防各单位合作，各自推出外骨骼产品样机，从理论分析和实际工作性能中验证下肢外骨骼行走系统的可行性。

在下肢外骨骼的设计研究方面，经过了几十年时间的理论探索和技术开发，技术已经比较成熟。目前，下肢外骨骼技术在美国、日本和欧洲一些国家逐渐得到实际应用，其中ReWalk、SuitX Phoenix、Indego等部分性能优良的助力或康复机器人已经形成产品，并且在2016年取得FDA批准，批量向市场推广。我国科研院所的研究也取得了部分成果，为进一步的研究和开发打下了良好的基础，但是还是停留在试验样机阶段，与国外的研究技术仍有一定的差距。

无论是军用下肢外骨骼还是医疗康复下肢外骨骼，其中一个重要的特点是轻便、节能，适合长时间工作。因此外骨骼自身重量越小，外骨骼机构的驱动器数量越少，外骨骼机构对自身所携带的有限能源利用效率越高，就越能够得到使用者的认可。欠驱动外骨骼机构恰好可以满足这一特点。所谓欠驱动机构，是指驱动器的数目少于系统自由度的数目的一类运动机构。往往因为减少了自身重量较大的驱动器(电机、液压缸等)的数量，因此机构的整体重量得以减轻。目前外骨骼下肢机器人专利方面主要集中于常规的开链连杆式外骨骼机构，个别涉及绳索驱动的被动下肢，如专利CN105643598A(基于套索驱动的节能半被动下肢外骨骼)，该专利技术原理上也属于欠驱动下肢外骨骼机构。但是这种绳索驱动的外骨骼驱动力比较小，且无法克服绳索产生的弹性变形。专利CN105616113A(一种用于下肢助力外骨骼的被动储能足部机构)，模仿人体足部构造，设计了一种踝关节被动储能的足部机构，该机构不涉及下肢外骨骼的腿部机构。其他对于欠驱动下肢外骨骼的技术报导主要为已发表的科技论文为主，主要涉及关节局部的被动连接技术，对于闭链连杆式欠驱动下肢外骨骼机构的专利及论文未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低成本、易操作、重量轻、耗能少、有较高稳定性和刚性的闭链连杆式欠驱动下肢外骨骼机构。

本发明包括驱动器、髋关节、膝关节、踝关节、连接三个关节的连杆、连杆扭转关节、连接扭转关节的连杆、关节限位装置、大腿连杆、小腿连杆、脚部连杆、滑块、扭转弹簧、直线弹簧以及大、小腿和脚壳体,其中驱动器与机座连接，连杆一的一端与驱动器连接，连杆一的另一端通过连杆扭转关节一与连杆二的一端连接，连杆二的另一端通过连杆扭转关节二与连杆三的一端连接，连杆三的另一端通过设在小腿壳体上的滑块与连杆四的一端连接，连杆四的另一端通过连杆扭转关节三连接；髋关节与机座转动连接，大腿连杆的一端与髋关节连接，大腿连杆的另一端通过膝关节与小腿连杆的一端连接，小腿连杆的另一端通过踝关节与脚部连杆的一端连接，脚部连杆的另一端与上述连杆扭转关节三连接；在大腿连杆、小腿连杆和脚部连杆的外面均设有大、小腿和脚壳体，大、小腿和脚壳体依次通过髋关节、膝关节、踝关节转动副连接；在上述连杆一与连杆二连接的一端设有连接两个连杆的扭转弹簧，直线弹簧的一端与滑块连接，其另一端连接在小腿壳体上端，滑块的滑道设在小腿壳体上；外骨骼穿戴时候，大腿连杆、小腿连杆应分别与穿戴者的大腿，小腿捆绑固定在一起，并且要求外骨骼大腿及小腿关节与穿戴者自身的关节定位相同。在髋关节、膝关节和踝关节上均设有限位装置，用来限制三个关节转动角度的极限位置，避免下肢外骨骼在运动过程中超过人体关节极限位置而引起对穿戴者的损伤。所述髋关节、膝关节、踝关节和所有连杆扭转关节均为转动副。

本发明为闭链连杆式，并带有欠驱动关节。可以仅依靠髋关节的唯一驱动源来驱动髋、膝、踝三个关节的运动，大大降低了驱动器的数量以及外骨骼的重量。同时在欠驱动关节设置储能元件，可穿戴外骨骼在腿部下落支撑过程中吸收腿部重心下降产生的重力势能，并转化为弹性势能；在抬腿摆动的过程中，储能元件释放所储存的弹性势能，为腿部抬升摆动提供一部分能量。

以闭链多连杆机构为基本结构：根据人体下肢的生理结构尺寸，以多连杆、连杆滑块机构为基本机械结构单元，组合设计了包含髋关节、膝关节、踝关节，以及大腿、小腿的人体下肢外骨骼机构，其尺寸以及功能满足助力行走、康复辅助治疗市场需求。

大腿部分骨骼由一个5连杆机构组成，小腿及脚部由一个4杆滑块综合机构组成，闭链连杆机构在支撑状态下设有关节扭转极限限位，因此该闭链连杆机构具有较高的整体刚度和稳定性，在外加载荷较大的情况下，仍然可以依靠单腿对载荷进行有效支撑，同时另一条腿进行摆腿动作，可以保证外骨骼在较大的负重情况下稳定运行。

在大腿连杆、小腿连杆分别设置一个欠驱动关节，系统的自由度数目多余系统驱动器的数目，该连杆式下肢外骨骼机构为欠驱动机构，为了限制其运动在关节处分别设置了扭转弹簧和直线弹簧，实际工作过程中，扭转弹簧和直线弹簧在拉伸及压缩过程中除了产生弹性变形以外还会产生阻尼，在摆动—支撑的步态变化过程中，可以起到对机构降低冲击、平稳运动的效果。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、外骨骼机构模拟了人体髋关节、膝关节、踝关节以及大腿、小腿、脚面的正常生理结构尺寸；

2、闭链连杆式外骨骼结构可以承担较大的载荷，在腿部支撑地面的状态下对所承担的载荷进行有效支撑，保证较高的稳定行和刚度；

3、欠驱动连杆机构实现了仅依靠髋关节处的一个驱动源对髋关节、膝关节、踝关节三处自由关节的驱动，有效地减少了系统中驱动器的数目，节省了下肢外骨骼所携带的能源。

4、低成本、易操作、控制简便。

附图说明

图1是本发明的示意简图；

图2是本发明的下肢外骨骼步行各个相位的结构示意图。

图中：1-驱动器、2-髋关节、3-连杆一、4-扭转弹簧、5-连杆扭转关节一、6-连杆二、7-连杆扭转关节二、8-连杆三、9-滑块、10-连杆四、11-连杆扭转关节三、12-脚外壳、13-脚部连杆、14-踝关节、15-小腿外壳、16-小腿连杆、17-直线弹簧、18-膝关节、19-大腿连杆、20-大腿外壳。

具体实施方式

在图1所示的闭链连杆式欠驱动下肢外骨骼机构示意图中，驱动器1与机座连接，连杆一3的一端与驱动器连接，连杆一的另一端通过连杆扭转关节一5与连杆二6的一端连接，连杆二的另一端通过连杆扭转关节二7与连杆三8的一端连接，连杆三的另一端通过设在小腿壳体上的滑块9与连杆四10的一端连接，连杆四的另一端通过连杆扭转关节三11连接；髋关节2与机座转动连接，大腿连杆19的一端与髋关节连接，大腿连杆的另一端通过膝关节18与小腿连杆16的一端连接，小腿连杆的另一端通过踝关节14与脚部连杆13的一端连接，脚部连杆的另一端与上述连杆扭转关节三连接；在大腿连杆、小腿连杆和脚部连杆的外面均设有大腿外壳20、小腿外壳15和脚壳体12，大、小腿和脚壳体依次通过髋关节、膝关节、踝关节转动副连接；在上述连杆一与连杆二连接的一端设有连接两个连杆的扭转弹簧4，直线弹簧17的一端与滑块连接，其另一端与小腿壳体连接，滑块的滑道设在小腿壳体上。在髋关节、膝关节和踝关节上均设有限位装置，用来限制三个关节转动角度的极限位置，避免下肢外骨骼在运动过程中超过人体关节极限位置而引起对穿戴者的损伤。所述髋关节、膝关节、踝关节和所有连杆扭转关节均为转动副。

如图2所示，本发明的工作原理和应用过程如下：

1、在腿部直立状态下(支撑状态)，此时扭转弹簧4处于压缩状态，直线弹簧17处于拉伸状态，准备迈步(腿部向后摆动)。

2、驱动器1驱动连杆一3顺时针转动，在连杆一和连杆二6的牵引下，大腿连杆19和小腿连杆16向后摆动，髋关节2与膝关节18转动，同时直线弹簧17收缩，滑块9向上运动，脚踝关节14转动，脚后跟位置离开地面。

3、驱动器驱动连杆一3继续顺时针转动，在连杆一和连杆二6的牵引下，大腿连杆19和小腿连杆16继续向后摆动，使得髋关节2与膝关节18继续转动。同时直线弹簧17收缩至平衡状态，滑块9继续向上运动，脚踝关节14转动，脚底逐渐完全离开地面，在此过程中扭转弹簧4逐渐打开，最终扭转弹簧4恢复原长。

4、驱动器1驱动连杆一3继续顺时针转动，大腿连杆19达到限位装置的顺时针极限位置，脚部抬到最高，腿部后摆达到最大状态。这时连杆一转动方向即将发生改变，即将向前迈腿。

5、驱动器1驱动连杆一3在上述状态4的基础上逆时针转动，连杆一3和连杆二6带动髋关节2以及大腿连杆19逆时针运动，向前迈腿。此时小腿连杆16以及脚部连杆13作为一个整体绕着膝关节18逆时针旋转。此过程中扭转弹簧4以及直线弹簧17均不发生变化。

6、驱动器1驱动连杆一3在上述状态5的基础上继续逆时针转动，连杆一3和连杆二6带动髋关节2以及大腿连杆19逆时针运动，向前迈腿。接近连杆一3的逆时针运动极限位置，扭转弹簧4以及直线弹簧17均不发生变化。

7、驱动器1驱动连杆一3在上述状态6的基础上继续逆时针转动，达到大腿连杆19的逆针极限位置，限位装置工作。此时大腿连杆19不动，连杆一3、二6、三8驱动大腿连杆19继续逆时针转动，大腿连杆19与小腿连杆16相对位置接近以直线，向前摆腿达到最大角度。这一过程中，扭转弹簧4以及直线弹簧17均不发生变化。

8、驱动器1驱动连杆一3在上述状态7的基础上顺时针转动，大腿连杆19及小腿连杆16顺时针运动，向回收腿。大腿连杆19与小腿连杆16的相对位置关系不发生变化。后脚跟位置为整个下肢外骨骼机构的最低点，脚部准备落地。

9、驱动器1驱动连杆一3在上述状态8的基础上继续顺时针转动，带动大腿连杆19及小腿连杆16顺时针运动。脚后脚跟位置首先落地，并逐渐整个脚步地面落地，平稳站立。这个过程中扭转弹簧4被压缩，直线弹簧17被拉伸，滑块9向下运动。脚部落地的过程中扭转弹簧4和直线弹簧17的弹簧阻尼系统被动工作，起到了对膝关节的缓冲减震作用，同时储存了一部分势能。

10、待脚部全部平稳落地之后，一个摆腿迈步的周期结束。腿部变换为支撑状态，此时下肢外骨骼的各个连杆和弹簧恢复到了上述状态1的情况(支撑状态)。下肢外骨骼的一个工作周期结束。

Claims (1)

1.一种闭链连杆式欠驱动下肢外骨骼机构，其特征在于：其包括驱动器、髋关节、膝关节、踝关节、连接三个关节的连杆、连杆扭转关节、连接扭转关节的连杆、关节限位装置、大腿连杆、小腿连杆、脚部连杆、滑块、扭转弹簧、直线弹簧以及大、小腿和脚壳体,其中驱动器与机座连接，连杆一的一端与驱动器连接，连杆一的另一端通过连杆扭转关节一与连杆二的一端连接，连杆二的另一端通过连杆扭转关节二与连杆三的一端连接，连杆三的另一端通过设在小腿壳体上的滑块与连杆四的一端连接，连杆四的另一端与连杆扭转关节三连接；髋关节与机座转动连接，大腿连杆的一端与髋关节连接，大腿连杆的另一端通过膝关节与小腿连杆的一端连接，小腿连杆的另一端通过踝关节与脚部连杆的一端连接，脚部连杆的另一端与上述连杆扭转关节三连接；在大腿连杆、小腿连杆和脚部连杆的外面分别设有大、小腿和脚壳体，大、小腿和脚壳体依次通过髋关节、膝关节、踝关节转动副连接；在上述连杆一与连杆二连接的一端设有连接两个连杆的扭转弹簧，直线弹簧的一端与滑块连接，其另一端连接在小腿壳体上端，滑块的滑道设在小腿壳体上；在髋关节、膝关节和踝关节上均设有限位装置，所述髋关节、膝关节、踝关节和所有连杆扭转关节均为转动副。