CN111070187A - 一种主被动结合的变瞬心柔性绳驱下肢外骨骼机器人及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种主被动结合的变瞬心绳驱下肢外骨骼机器人及控制方法，包括控制盒（Ⅰ）、腰部结构（Ⅱ）、膝关节机构（Ⅲ）、小腿部分（Ⅳ）以及踝关节机构（Ⅴ）。控制元件置于控制盒（Ⅰ）中，腰部结构（Ⅱ）包括了背板、电池、驱动器、腰托、腰部和背部柔性连接、髋关节以及大腿连接件，其中驱动器部分添加了离合器以实现主被动结合；膝关节机构（Ⅲ）为滚动凸轮变瞬心结构，连接大腿和小腿；小腿部分（Ⅳ）包括支撑小腿以及柔性绑带，可以进行长度调节；踝关节机构（Ⅴ）与小腿相连。本发明的变瞬心机构仿生性强，可以适应人体运动；结构简单，质量较小；可以实现主被动转换，灵活性强；柔性绳驱，安全可靠；柔性绑带内衬设计，穿戴舒适。

Description

一种主被动结合的变瞬心柔性绳驱下肢外骨骼机器人及控制 方法

技术领域

本发明涉及的是一种柔性绳驱下肢外骨骼机器人，具体是一种基于柔性绳驱的主被动结合的膝关节变瞬心自适应下肢外骨骼机器人。

背景技术

外骨骼机器人是一种可穿戴设备，可应用于军事领域、医疗领域以及民用领域。在军事上，随着科技的发展，士兵需要携带更多繁重的装备，外骨骼装置可以提高士兵的持续作战能力；在医疗上，人口老龄化以及中风、神经萎缩等疾病加剧，对于传统的一对一康复训练，外骨骼辅助康复训练可以节省大量的人力物力；在日常生活中，对于辅助行走和搬运重物，外骨骼可以提供显著的助力效果。外骨骼机器人具有支撑和防护的功能，研发一款穿戴舒适、可靠性高的外骨骼机器人是很有必要的。

目前，对于下肢外骨骼机器人，国内外都投入大量资金进行研究。国外的研究起步较早，研究成果较为突出，国内起步较晚，近几年也取得不错的成果。但是，对比现有的国内外大多数研究，发现其存在以下问题：刚性较大、缺少柔性；结构复杂、质量较大；机构和人体转动关节存在偏差，造成穿戴不适；主动外骨骼必须通过控制转动，灵活性差，功耗偏大，而被动外骨骼的助力效果较低。

经对现有技术文献的检索发现，中国发明专利申请号CN201711093654.3，该发明公开了一种电机连接主体结构的绳驱外骨骼机器人，该机构包括机器人主体、电机、滑轮组、臂体和翻转体。该结构传动部分的配合能够减小功率消耗，因此电机较小，材料为碳纤维，整体重量控制较理想；驱动方式为绳驱，具备一定的柔性，可以保证穿戴安全。但该结构关节设计为简单的转动副，无法实现人机关节协调适应；绕线较长，控制要求较高，无法实现被动运动，缺乏灵活性。

中国专利申请号CN201721563575.X，该发明公开了一种柔性下肢外骨骼，包括柔性护膝和仿生关节。该机构结构简单，质量较小，穿戴方便，通过连杆实现支撑件和关节板的分离，实现站立支撑和正常行走，较贴合人体关节转动。同时，被动结构可以按照人体意愿进行运动和停止，灵活性强。但是，被动式结构的助力效果较小，对于具有运动障碍的人群无法适用；同时，缺乏重力传导装置，支撑效果不够显著，并且无法负重。

发明内容

本发明旨在针对上述现有技术不足，开发了一种主被动结合的变瞬心绳驱下肢外骨骼机器人。核心是开发一种质量小、能实现主被动转换、柔性绳驱动以及适应人体关节瞬心变化的膝关节变瞬心外骨骼机器人。仿生学表明，人体下肢是一个6自由度的结构，行走时彼此相互协调，因此对于不同的步态以及不同的穿戴者来说，运动的瞬心是不同的，即表现为变瞬心运动。目前外骨骼膝关节结构通常设计为一个自由度的转动副，并且多为刚性机械结构，这将导致人体运动和外骨骼运动之间发生错位。这些错位必定带来或多或少的阻力，造成穿戴不适，长期使用甚至会对人体造成伤害。针对这一问题，本发明设计了一种独特的滚动凸轮连接膝关节结构，使得外骨骼膝关节运动时，能够根据穿戴者的运动情况，根据阻力最小进行展开与闭合，使得外骨骼膝关节的运动尽量契合人体膝关节的运动，减小错位带来的危害。

同时，为了实现变瞬心机构的展开和闭合，本发明采用两条绳子分别控制的绳驱方法。本发明的驱动部分设计安装在后背腰间，电机连接绕线盘。绕线盘设计为两个具有一定比例的圆盘，电机的正转反转控制滚动凸轮结构的张开和闭合，传动部分设计有滑轮以导向和减少摩擦。为了使传动精度得到保证，绳子应处于张紧状态，因此，在腰部和膝关节之间采用线鞘保证膝关节部分的绳子长度。由于控制张开和闭合的绳子长度不同，直接控制时会展现出非线性变化，对精度控制带来麻烦，因此在膝关节部分设计了线长弥补机构，结合特定的凸轮机构保证绳子变化呈现线性关系。

此外，由于绳子处于张紧状态和电机连接，在没有动力的情况下，外骨骼是不可以运动的，这样就使得外骨骼显得僵硬，缺乏灵活性。本发明针对这个问题，加入了一种牙嵌式磁电离合器，可以实现外骨骼的主被动转换。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种主被动结合的变瞬心绳驱下肢外骨骼机器人，其特征在于，以上至下依次包括：控制盒、腰部结构、膝关节机构、小腿部分以及踝关节机构。

在上述的一种主被动结合的变瞬心绳驱下肢外骨骼机器人，所述的控制盒包括：控制盒盖板、控制盒主体、航空接头、Elmo驱动器、WiFi模块、开关、隔板、控制板；整个控制盒分成上下两层，底层安装有Elmo驱动器和WiFi模块；上面一层为隔板，安装有控制板，隔板可以在控制盒主体上滑动，实现上下两层的便捷接线；控制盒主体的侧面上有航空接头和开关，航空接头主要针对外部接线，方便快捷，开关控制电路的通断，也可以实现紧急停止。

在上述的一种主被动结合的变瞬心绳驱下肢外骨骼机器人，所述的腰部结构包括：导轨、背板、电池、驱动部分、腰部导轨、腰托主体、髋部交接缓冲部分、腰部转动副、髋关节转动副、编码器、大腿连接件，另外背部和腰部柔性连接部分图中未给出，这部分包括背带和腰带两部分，分别固定于背板和腰托主体上；

其中驱动部分包括：驱动器、电机轴、离合器、电机壳、大绕线盘、小绕线盘、电机固定盘；驱动器包括了电机和谐波减速器，集合成一个整体，通过电机轴依次连接着离合器、大绕线盘以及小绕线盘；其中离合器连接控制盒，外接开关以实现绕线盘和驱动器的连接和断开，实现整个外骨骼系统的主动和被动转换；在实现主动控制时，驱动器正转带动大绕线盘的正转和小绕线盘反转，实现膝关节机构的张开，进而带动人体膝关节进行内屈运动；驱动器反转带动大绕线盘的反转和小绕线盘正转，实现膝关节机构的闭合，进而带动人体膝关节进行外展运动；通过膝关节机构上力传感器以及固定于人体脚背上的IMU的运动检测，结合控制系统的算法控制，实现膝关节机构的贴合人体意愿的屈伸运动，进而产生助力效果；在实现被动机构时，驱动器以及控制盒部分实际上和外骨骼机器人分离，其他部分组成刚性支架，对人体起支撑作用，绕线盘可以跟随人体运动时钢丝绳的变化而转动，人体运动更加自由灵活，能够实现在主动控制时不能或者较困难实现的动作，线长弥补机构的弹簧实现一定的运动缓冲作用；电机壳和电机固定盘通过螺钉连接把驱动器、离合器、绕线轮固定在背板上；

髋部交接缓冲部分和髋关节转动副部分包括了导轨部分和被动转动关节部分；导轨限位机构和髋板通过铰链连接，实现髋关节的外展自由度，滑块和上面两个结构连接；导轨通过螺钉固定在腰部过渡板上，它和滑块的配合关系实现结构的上下滑动，整体上符合运动的实际效果，并实现人在运动时的缓冲；髋板、髋关节零件固定以及大腿过度连接组成简单的转动副，包括了轴以及轴承等零件；线鞘髋部固定件通过螺钉连接固定于髋关节零件固定上；编码器安装于髋关节零件固定，实现对髋部的运动监测，保证人机交互的可靠性和安全性。

在上述的一种主被动结合的变瞬心绳驱下肢外骨骼机器人，所述的膝关节机构包括：大腿连接板、拉线编码器、线鞘膝部固定、大腿链接框架、线长弥补机构、变瞬心连杆、膝关节线鞘以及小腿链接框架；

其中大腿连接板部分和上述大腿过度连接通过螺钉连接，这部分处于整个外骨骼机器人的中间位置，为了提高外骨骼机器人的便携性，这部分连接在保证强度的前提下，尽可能地使连接简单，以便于机器人的拆卸和装配；拉线编码器固定于膝关节内侧，包括了齿轮、线盘、轴以及盖子等小零件，用于实时监测钢丝绳的状态，保证人机交互的可靠性和安全性；线鞘膝部固定安装于大腿链接框架；线长弥补机构通过螺钉连接固定于大腿链接框架上，里面包括有力传感器、弹簧、直线轴承、滑轮以及外壳，力传感器主要通过测试钢丝绳人机交互的力进而反馈于控制系统，实现整个外骨骼的实时运动；变瞬心连杆通过滑轮以及光杆螺丝组合形成一个可张开闭合的膝关节变瞬心机构；变瞬心连杆的左侧为一个精密设计的凸轮，保证张开时钢丝绳的线性变化，当大绕线轮正转时，机构中的某一个变瞬心连杆会张开，根据实时情况的不同，张开的变瞬心连杆会不一样；变瞬心连杆的右侧为一个凹槽，里面安装滑轮，当小绕线轮正转时，钢丝绳可使机构闭合；变瞬心连杆的长度经过精密计算，保证了闭合时的钢丝绳也呈现为线性变化。

在上述的一种主被动结合的变瞬心绳驱下肢外骨骼机器人，所述的小腿部分包括：小腿连接过度件、绑带扣、柔性绑带以及小腿碳板；

其中小腿连接过度件连接小腿连接框架以及小腿碳板，实现力的传导效果；绑带扣和柔性绑带通过螺钉连接固定于小腿碳板上，保证外骨骼小腿部分和人体小腿部分处于贴合状态，当膝关节机构实现张开闭合运动时，通过绑带扣和柔性绑带这两部分的力传导带动人体小腿部分的运动，实现助力效果；

所述的踝关节机构包括：小腿连接、踝关节一、踝关节二以及脚板；

其中小腿连接和小腿碳板通过螺钉连接，踝关节一和踝关节二通过轴承以及轴的配合，形成被动的转动关节，踝关节一和踝关节二上分别设计有一定角度的凸台，实现限位作用；脚板和踝关节二连接，把整个外骨骼机器人的自重以及需要背负的重量传导于地面，并且在外骨骼机器人实现被动转换时对人体进行支撑助力。

一种主被动结合的变瞬心绳驱下肢外骨骼机器人的控制方法，其特征在于，包括：

首先将外骨骼腰部往外打开，使用者穿上背带，把脚板和外骨骼脚板固定后，绑上小腿柔性绑带，接着系好腰带；当驱动器工作时，可带动绕线盘转动，通过钢丝绳过渡实现膝关节机构的张开和闭合，进而带动外骨骼及使用者腿部及足部进行屈伸运动，以实现助力功能；当需要实现被动行走时，可使用离合器把驱动器分离，进而实现被动助力支撑作用。

本发明相比现有技术具有以下优点：

本发明设计了一种仿生滚动凸轮结构，使得人体穿戴时，能实现变瞬心自适应功能，让膝关节能够更好地跟贴合人体大腿的转动，减小外骨骼膝关节和人体膝关节的转动角度偏差，减小由于偏差带来的损伤，使得穿戴及行走更加舒适。同时，本发明的髋关节考虑到人体运动的特点，采用导轨缓冲结构，使得穿戴更加舒适。在踝关节设计了一个被动自由度并加入限位机构，使得人体足部的运动更加安全可靠。

同时，本发明结合绳驱动的方法，将驱动器部分与下肢外骨骼关节分开布置，并且在电机输入端加入离合器实现主被动结合的功能，不仅具有柔性驱动器输出阻尼低，抗冲击载荷强，安全性高等优点，同时兼具穿戴便携，运动柔顺，使用灵活等优点。

附图说明

图1是本发明的整体示意图。

图2是控制盒内部结构示意图。

图3是腰部机构部分示意图。

图4是膝关节机构示意图。

图5是小腿部分示意图。

图6是踝关节示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例子。

首先介绍本发明的主要结构本发明包括：控制盒，腰部机构，膝关节机构，小腿部分和踝关节机构。

本发明的控制系统集成于控制盒中。为了减小体积，控制盒设计为抽屉式两层结构，下面一层固定电机驱动器、WiFi模块和转接板，上面一层安装控制板。为了便于安装和拆卸，控制盒与外部的连接通过航空接头连接，让走线可以更加方便快捷；控制盒下面安装有导轨卡扣，可以安装在背板上的导轨上。

本发明的腰部结构包括背板、电池、驱动器、腰部和背部柔性连接部分、腰托主体、髋部交接缓冲部分、髋关节转动副以及大腿连接件。

其中背板上安装有控制盒、电池和驱动器部分，考虑到这部分重心偏向后方，因此添加了一个背板过度件，起脊柱的作用。腰部和背部柔性连接部分主要是防止刚性机构和人体直接接触以及使背板固定在人身上，包括腰带、背带以及绑带扣。腰带用螺钉固定在背板过度件上，绑带扣固定在背板上，背带则和绑带扣连接在一起。

腰托主体用于固定背板以及穿戴在人体腰部。为了实现腰托部分适应人体腰部，提高穿戴舒适性，每侧腰托部分分成三个具有一定弧度的零件，彼此通过转动副连接，并添加一个导轨滑块机构进行长度调整。

根据仿生学，人体运动时，左右两边髋部会有一个上下方向的倾斜，本发明的髋部交接部分可以较好地模拟人体运动。这部分结构包括髋关节的外展内收运动以及利用导轨的上下滑动，可以很好地起到运动调整和缓冲作用。

髋关节转动副设计为被动结构，上面跟髋部交接部分连接，下面和大腿连接件相连。在转动副上，安装有编码器以实时测量转角信息。

本发明的膝关节机构包括线鞘固定件、线长弥补机构、滚动凸轮连杆、大腿连接框架、小腿连接框架、绕线机构以及拉线编码器。

其中线鞘固定件安装在一块碳板上，用来固定腰部连下来的线鞘。线长弥补机构用来保证两条钢丝绳的变化呈现线性变化，由直线轴承、弹簧以及顶盖组成。在拉好线后，弹簧对穿线长弥补机构的钢丝绳进行顶紧，运动时会保证钢丝绳处于张紧状态。

滚动凸轮连杆机构由几个滚动凸轮连杆相互配合组成，在凸轮一侧通过光杆螺丝连接，首尾两个连杆上安装有滑轮，利用钢丝绳控制闭合，另一侧安装有滑轮，钢丝绳控制张开。本结构经过数学计算和仿真建模，在运动时，配合线长弥补机构，能够保证线长变化的线性关系。每一侧有5个滚动凸轮连杆，当穿着在人体上时，会根据人体运动的不同状态的最小阻力张开其中一个或者几个，从而实现变瞬心运动。

大腿连接框架和小腿连接框架分别连接大腿和小腿部分，传导机构的重力，提高穿戴舒适性。

绕线机构包括了上述的线鞘、滑轮以及中空的连接杆，滑轮主要是为了较小摩擦，线鞘和连接杆可以限制钢丝绳的位置，防止跳线。拉线编码器为根据相关原理制作，主要是保证大小体积能够合适匹配。为了减小体积，采用两个齿轮进行运动传递。

本发明的小腿部分包括小腿支撑件、膝关节连接件、绑带扣、柔性绑带。其中小腿支撑件为碳纤维材料，上面开有多排孔，实现长度调节。柔性绑带采用魔术贴绑带，穿着解除方便，其他零件为铝合金，保证强度达到要求。

本发明的踝关节机构包括小腿链接、踝关节和脚板部分。为了使这部分结构简单，并且能承受较大的重量，踝关节为被动单一自由度。同时，转动副中设计有限位机构，保证穿戴安全可靠。

本发明的主被动结合的下肢外骨骼机器人工作时：首先将外骨骼腰部往外打开，使用者穿上背带，把脚板和外骨骼脚板固定后，绑上小腿部分的绑带，接着系好腰带。当驱动器工作时，可带动绕线盘转动，通过钢丝绳过渡实现膝关节的张开和闭合，进而带动外骨骼及使用者腿部及足部进行屈伸运动，以实现助力功能。当需要实现被动行走时，可使用离合器把驱动器分离，进而实现被动助力支撑作用。

下面结合附图进行具体说明。

如图1所示，本发明的机器人包括：控制盒Ⅰ、腰部结构Ⅱ、膝关节机构Ⅲ、小腿部分Ⅳ以及踝关节机构Ⅴ。

如图2所示，本发明的控制盒Ⅰ包括：控制盒盖板1、控制盒主体2、航空接头3、Elmo驱动器4、WiFi模块5、开关6、隔板7、控制板8。

整个控制盒分成上下两层，底层安装有Elmo驱动器4和WiFi模块5等。上面一层为隔板7，安装有控制板8，隔板7可以在控制盒主体2上滑动，实现上下两层的便捷接线。控制盒主体2的侧面上有航空接头3和开关6，航空接头3主要针对外部接线，方便快捷，开关6控制电路的通断，也可以实现紧急停止。

如图3所示，本发明的腰部结构Ⅱ包括：导轨9、背板10、电池11、驱动部分12、腰部导轨13、腰托主体14、髋部交接缓冲部分15、腰部转动副16、髋关节转动副17、编码器18、大腿连接件19，另外背部和腰部柔性连接部分图中未给出，这部分包括背带和腰带两部分，分别固定于背板10和腰托主体14上。

其中驱动部分12包括：驱动器20、电机轴21、离合器22、电机壳23、大绕线盘24、小绕线盘25、电机固定盘26。驱动器20包括了电机和谐波减速器，集合成一个整体，通过电机轴依次连接着离合器22、大绕线盘24以及小绕线盘25。其中离合器22连接控制盒Ⅰ，外接开关以实现绕线盘2425和驱动器20的连接和断开，实现整个外骨骼系统的主动和被动转换。在实现外骨骼机器人的主动控制时，驱动器20正转带动大绕线盘24的正转和小绕线盘25反转，实现膝关节机构Ⅲ的张开，进而带动人体膝关节进行内屈运动；驱动器20反转带动大绕线盘24的反转和小绕线盘25正转，实现膝关节机构Ⅲ的闭合，进而带动人体膝关节进行外展运动。通过膝关节机构Ⅲ上力传感器以及固定于人体脚背上的IMU的运动检测，结合控制系统的算法控制，实现膝关节机构Ⅲ的贴合人体意愿的屈伸运动，进而产生助力效果。在实现外骨骼机器人被动运动时，驱动器20以及控制盒Ⅰ部分实际上和外骨骼机器人分离，其他部分组成刚性支架，对人体起支撑助力的作用，绕线盘2425可以跟随人体运动时钢丝绳的变化而转动，人体运动更加自由灵活，能够实现在主动控制时不能或者较困难实现的动作，此外，线长弥补机构39的弹簧能实现一定的运动缓冲作用。电机壳23和电机固定盘26通过螺钉连接把驱动器20、离合器22、绕线轮2425固定在背板10上。

髋部交接缓冲部分15和髋关节转动副17部分包括了导轨部分和被动转动关节部分。导轨限位机构30和髋板31通过铰链连接，实现髋关节的外展自由度，滑块27和上面两个结构连接。导轨28通过螺钉固定在腰部过渡板29上，它和滑块27的配合关系实现结构的上下滑动，整体上符合人体运动的实际效果，提高系统稳定性和穿戴舒适度，并能实现人在运动时对髋关节的缓冲。髋板31、髋关节零件固定32以及大腿过度连接34组成简单的转动副，包括了轴以及轴承等零件。线鞘髋部固定件32通过螺钉连接固定于髋关节零件固定32上。编码器18安装于髋关节零件固定32，实现对髋部的运动监测，保证人机交互的可靠性和安全性。

如图4所示，本发明的膝关节机构Ⅲ包括：大腿连接板35、拉线编码器36、线鞘膝部固定37、大腿链接框架38、线长弥补机构39、变瞬心连杆40、膝关节线鞘41以及小腿链接框架42。

其中大腿连接板35部分和上述大腿过度连接34通过螺钉连接，这部分处于整个外骨骼机器人的中间位置，为了提高外骨骼机器人的便携性，这部分连接在保证强度的前提下，尽可能地使连接简单，以便于机器人的拆卸和装配。拉线编码器36固定于膝关节内侧，包括了齿轮、线盘、轴以及盖子等小零件，用于实时监测钢丝绳的状态，保证人机交互的可靠性和安全性。线鞘膝部固定37安装于大腿链接框架38。线长弥补机构39通过螺钉连接固定于大腿链接框架38上，里面包括有力传感器、弹簧、直线轴承、滑轮以及外壳，力传感器主要通过测试钢丝绳人机交互的力进而反馈于控制系统，实现整个外骨骼的实时运动。变瞬心连杆40通过滑轮以及光杆螺丝组合形成一个可张开闭合的膝关节变瞬心机构。变瞬心连杆40的左侧为一个精密设计的凸轮，保证张开时钢丝绳的线性变化，当大绕线轮24正转时，机构中的某一个变瞬心连杆40会张开，根据实时情况的不同，张开的变瞬心连杆40会不一样。变瞬心连杆40的右侧为一个凹槽，里面安装滑轮，当小绕线轮25正转时，钢丝绳可使机构闭合。变瞬心连杆40的长度经过精密计算，保证了闭合时的钢丝绳也呈现为线性变化。

如图5所示，本发明的小腿部分Ⅳ包括：小腿连接过度件43、绑带扣44、柔性绑带45以及小腿碳板46。其中小腿连接过度件43连接小腿连接框架42以及小腿碳板46，实现力的传导效果。绑带扣44和柔性绑带45固定于小腿碳板46上，保证外骨骼小腿部分Ⅳ和人体小腿部分处于贴合状态，当膝关节机构Ⅲ实现张开闭合运动时，通过绑带扣44和柔性绑带45这两部分的力传导带动人体小腿部分的运动，实现助力效果。

如图6所示，本发明的踝关节机构Ⅴ包括：小腿连接47、踝关节一48、踝关节二49以及脚板50。其中小腿连接47和小腿碳板46通过螺钉连接，踝关节一48和踝关节二49通过轴承以及轴的配合，形成被动的转动关节，踝关节一48和踝关节二49上分别设计有一定角度的凸台，实现限位作用。脚板50和踝关节二49连接，把整个外骨骼机器人的自重以及需要背负的重量传导于地面，并且在外骨骼机器人实现被动转换时对人体进行支撑助力。

本发明的主被动结合的下肢外骨骼机器人工作时：首先将外骨骼腰部往外打开，使用者穿上背带，把脚板和外骨骼脚板50固定后，绑上小腿柔性绑带45，接着系好腰带。当驱动器20工作时，可带动绕线盘(24)(25)转动，通过钢丝绳过渡实现膝关节机构Ⅲ的张开和闭合，进而带动外骨骼及使用者腿部及足部进行屈伸运动，以实现助力功能。当需要实现被动行走时，可使用离合器22把驱动器20分离，进而实现被动助力支撑作用。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种主被动结合的变瞬心绳驱下肢外骨骼机器人，其特征在于，以上至下依次包括：控制盒（Ⅰ）、腰部结构（Ⅱ）、膝关节机构（Ⅲ）、小腿部分（Ⅳ）以及踝关节机构（Ⅴ）。

2.根据权利要求1所述的一种主被动结合的变瞬心绳驱下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述的控制盒（Ⅰ）包括：控制盒盖板（1）、控制盒主体（2）、航空接头（3）、Elmo驱动器（4）、WiFi模块（5）、开关（6）、隔板（7）、控制板（8）；整个控制盒分成上下两层，底层安装有Elmo驱动器（4）和WiFi模块（5）等；上面一层为隔板（7），安装有控制板（8），隔板（7）可以在控制盒主体（2）上滑动，实现上下两层的便捷接线；控制盒主体（2）的侧面上有航空接头（3）和开关（6），航空接头（3）主要针对外部接线，方便快捷，开关（6）控制电路的通断，也可以实现紧急停止。

3.根据权利要求1所述的一种主被动结合的变瞬心绳驱下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述的腰部结构（Ⅱ）包括：导轨（9）、背板（10）、电池（11）、驱动部分（12）、腰部导轨（13）、腰托主体（14）、髋部交接缓冲部分（15）、腰部转动副（16）、髋关节转动副（17）、编码器（18）、大腿连接件（19），另外背部和腰部柔性连接部分图中未给出，这部分包括背带和腰带两部分，分别固定于背板（10）和腰托主体（14）上；

其中驱动部分（12）包括：驱动器（20）、电机轴（21）、离合器（22）、电机壳（23）、大绕线盘（24）、小绕线盘（25）、电机固定盘（26）；驱动器（20）包括了电机和谐波减速器，集合成一个整体，通过电机轴依次连接着离合器（22）、大绕线盘（24）以及小绕线盘（25）；其中离合器（22）连接控制盒（Ⅰ），外接开关以实现绕线盘（24）（25）和驱动器（20）的连接和断开，实现整个外骨骼系统的主动和被动转换；在实现主动控制时，驱动器（20）正转带动大绕线盘（24）的正转和小绕线盘（25）反转，实现膝关节机构（Ⅲ）的张开，进而带动人体膝关节进行内屈运动；驱动器（20）反转带动大绕线盘（24）的反转和小绕线盘（25）正转，实现膝关节机构（Ⅲ）的闭合，进而带动人体膝关节进行外展运动；通过膝关节机构（Ⅲ）上力传感器以及固定于人体脚背上的IMU的运动检测，结合控制系统的算法控制，实现膝关节机构（Ⅲ）的贴合人体意愿的屈伸运动，进而产生助力效果；在实现被动机构时，驱动器（20）以及控制盒（Ⅰ）部分实际上和外骨骼机器人分离，其他部分组成刚性支架，对人体起支撑作用，绕线盘（24）（25）可以跟随人体运动时钢丝绳的变化而转动，人体运动更加自由灵活，能够实现在主动控制时不能或者较困难实现的动作，线长弥补机构（39）的弹簧实现一定的运动缓冲作用；电机壳（23）和电机固定盘（26）通过螺钉连接把驱动器（20）、离合器（22）、绕线轮（24）（25）固定在背板（10）上；

髋部交接缓冲部分（15）和髋关节转动副（17）部分包括了导轨部分和被动转动关节部分；导轨限位机构（30）和髋板（31）通过铰链连接，实现髋关节的外展自由度，滑块（27）和上面两个结构连接；导轨（28）通过螺钉固定在腰部过渡板（29）上，它和滑块（27）的配合关系实现结构的上下滑动，整体上符合运动的实际效果，并实现人在运动时的缓冲；髋板（31）、髋关节零件固定（32）以及大腿过度连接（34）组成简单的转动副，包括了轴以及轴承等零件；线鞘髋部固定件（32）通过螺钉连接固定于髋关节零件固定（32）上；编码器（18）安装于髋关节零件固定（32），实现对髋部的运动监测，保证人机交互的可靠性和安全性。

4.根据权利要求1所述的一种主被动结合的变瞬心绳驱下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述的膝关节机构（Ⅲ）包括：大腿连接板（35）、拉线编码器（36）、线鞘膝部固定（37）、大腿链接框架（38）、线长弥补机构（39）、变瞬心连杆（40）、膝关节线鞘（41）以及小腿链接框架（42）；

其中大腿连接板（35）部分和上述大腿过度连接（34）通过螺钉连接，这部分处于整个外骨骼机器人的中间位置，为了提高外骨骼机器人的便携性，这部分连接在保证强度的前提下，尽可能地使连接简单，以便于机器人的拆卸和装配；拉线编码器（36）固定于膝关节内侧，包括了齿轮、线盘、轴以及盖子等小零件，用于实时监测钢丝绳的状态，保证人机交互的可靠性和安全性；线鞘膝部固定（37）安装于大腿链接框架（38）；线长弥补机构（39）通过螺钉连接固定于大腿链接框架（38）上，里面包括有力传感器、弹簧、直线轴承、滑轮以及外壳，力传感器主要通过测试钢丝绳人机交互的力进而反馈于控制系统，实现整个外骨骼的实时运动；变瞬心连杆（40）通过滑轮以及光杆螺丝组合形成一个可张开闭合的膝关节变瞬心机构；变瞬心连杆（40）的左侧为一个精密设计的凸轮，保证张开时钢丝绳的线性变化，当大绕线轮（24）正转时，机构中的某一个变瞬心连杆（40）会张开，根据实时情况的不同，张开的变瞬心连杆（40）会不一样；变瞬心连杆（40）的右侧为一个凹槽，里面安装滑轮，当小绕线轮（25）正转时，钢丝绳可使机构闭合；变瞬心连杆（40）的长度经过精密计算，保证了闭合时的钢丝绳也呈现为线性变化。

5.根据权利要求1所述的一种主被动结合的变瞬心绳驱下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述的小腿部分（Ⅳ）包括：小腿连接过度件（43）、绑带扣（44）、柔性绑带（45）以及小腿碳板（46）；

其中小腿连接过度件（43）连接小腿连接框架（42）以及小腿碳板（46），实现力的传导效果；绑带扣（44）和柔性绑带（45）通过螺钉连接固定于小腿碳板（46）上，保证外骨骼小腿部分（Ⅳ）和人体小腿部分处于贴合状态，当膝关节机构（Ⅲ）实现张开闭合运动时，通过绑带扣（44）和柔性绑带（45）这两部分的力传导带动人体小腿部分的运动，实现助力效果；

所述的踝关节机构（Ⅴ）包括：小腿连接（47）、踝关节一（48）、踝关节二（49）以及脚板（50）；

其中小腿连接（47）和小腿碳板（46）通过螺钉连接，踝关节一（48）和踝关节二（49）通过轴承以及轴的配合，形成被动的转动关节，踝关节一（48）和踝关节二（49）上分别设计有一定角度的凸台，实现限位作用；脚板（50）和踝关节二（49）连接，把整个外骨骼机器人的自重以及需要背负的重量传导于地面，并且在外骨骼机器人实现被动转换时对人体进行支撑助力。

6.一种主被动结合的变瞬心绳驱下肢外骨骼机器人的控制方法，其特征在于，包括：

首先将外骨骼腰部往外打开，使用者穿上背带，把脚板和外骨骼脚板（50）固定后，绑上小腿柔性绑带（45），接着系好腰带；当驱动器（20）工作时，可带动绕线盘(24)(25)转动，通过钢丝绳过渡实现膝关节机构（Ⅲ）的张开和闭合，进而带动外骨骼及使用者腿部及足部进行屈伸运动，以实现助力功能；当需要实现被动行走时，可使用离合器（22）把驱动器（20）分离，进而实现被动助力支撑作用。

Images