CN112060056A - 电机与外骨骼下肢重心共线的外骨骼机器人及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于下肢外骨骼机器人领域，具体涉及一种电机与外骨骼下肢重心共线的外骨骼机器人及控制方法。包括背架机构和两组下肢机构，下肢机构包括髋关节传动机构、大腿机构、膝关节传动机构、小腿机构；膝关节传动机构包括电机、一组斜齿轮传动机构、一组行星轮系减速机构，电机通过联轴器与斜齿轮组连接进行传动，斜齿轮组和行星轮系的太阳齿轮同轴相连，从而连接行星轮系进行传动。本发明结构紧凑，把电机安装在外骨骼下肢主体内部，通过斜齿轮完成传动，行星轮系完成减速，能够有效地减少外骨骼给穿戴者施加的扭矩，还可以有效地避免电机启动或关闭的瞬间带来的关节运动突变，具有更好的人机协同性以及穿戴舒适性。

Description

电机与外骨骼下肢重心共线的外骨骼机器人及控制方法

技术领域

本发明属于下肢外骨骼机器人领域，具体涉及一种电机与外骨骼下肢重心共线的外骨骼机器人及控制方法。

背景技术

随着人类社会科学技术的进步，人们已经逐渐无法满足于身体极限的突破，转而开发能够增强人体性能的辅助设施，因此，外骨骼逐渐进入人们的视野。从工程机电学角度来说，外骨骼系统是为其穿戴者增强物理能力的一种机电可穿戴设备。这种装备在军事领域，可以使士兵携带更多的武器装备，增强士兵的运动能力，有效提高单兵作战能力；在民用领域，可以广泛用于消防、救灾等车辆无法通行又需要背负沉重物资或搬运伤员等情况；在医疗领域，下肢外骨骼机器人还可以辅助残疾人、老年人行走，也可以帮助暂时丧失运动能力的患者进行人体机能恢复训练，因此具有广泛前景。关于主动式外骨骼机器人，比较著名的包括美国洛克希德马丁公司开发的外骨骼机器人HULC和佛罗里达研究所人机认知研究院开发的机器人外骨骼IHMC等

上述主动式下肢外骨骼机器人在膝关节的电机安装位置会使电机重心和外骨骼下肢重心不在同一直线，甚至不再同一平面，而且减速器与电机配合结构复杂不好安装且体积过大。

在现有的主动下肢外骨骼机器人产品中，其电机重心与外骨骼下肢重心不一致，电机减速器导致关节处体积过大会带来以下问题：

(1)现有机构会给外骨骼下肢增加多余的扭矩，使得穿戴者在穿戴外骨骼时会受到多余的压力，影响人体和外骨骼在运动时的舒适性。

(2)现有机构由于在膝关节体积过大，在穿戴者穿戴外骨骼运动时会导致膝关节配合人体运动不是很好，影响人体在运动时和外骨骼的配合。

(3)现有机构属于电机直接驱动，在电机刚刚启动时，可能会造成关节运动突变，在穿戴者开始起步运行时，会突然受到很大的力，影响人体和外骨骼运动的舒适性，且如果初始力矩过大还可能受伤。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电机重心与外骨骼下肢重心共线的下肢外骨骼机器人，解决了现有外骨骼膝关节助力传动机构不能很好的匹配人体膝关节运动和减少人体穿戴时所受多余扭矩的问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种电机重心与外骨骼下肢重心共线的下肢外骨骼机器人，包括背架机构和两组下肢机构，两组下肢机构对称设置在背架机构两侧，每组所述下肢机构包括髋关节传动机构、大腿机构、膝关节传动机构、小腿机构；

所述膝关节传动机构配设有电机，所述大腿机构和小腿机构组成外骨骼下肢，所述电机的重心和外骨骼下肢重心在同一条直线上。

进一步的，所述大腿机构包括大腿外壳Ⅰ和大腿外壳Ⅱ；

所述膝关节传动机构还包括联轴器，斜齿轮组，行星轮系和小腿连接件；

所述电机和联轴器设置在大腿外壳Ⅰ和大腿外壳Ⅱ组成的空间内，所述电机的输出轴通过联轴器与斜齿轮组连接，斜齿轮组改变传动方向，斜齿轮组后连接行星轮系，小腿连接件将行星轮系与小腿机构连接。

进一步的，所述斜齿轮组包括一大一小两个啮合斜齿轮，所述行星轮系(4-4)包括四个外啮合齿轮和一个内啮合齿轮，中心的外啮合齿轮即为太阳齿轮，周围三个外啮合齿轮为行星齿轮，内啮合齿轮为行星盘；所述行星盘设置在小腿连接件的上部；

小斜齿轮与联轴器的被动轴相连，大斜齿轮与行星轮系的太阳齿轮共轴传动；太阳齿轮与三个行星齿轮啮合，三个行星齿轮的定位件通过轴承与大斜齿轮和太阳齿轮连接的轴相连接；三个行星齿轮与行星盘啮合，从而完成电机(4-1)到小腿连接件的传动。

进一步的，所述大腿外壳Ⅰ和大腿外壳Ⅱ通过螺钉螺母连接。

进一步的，所述小腿机构的长度可调，小腿机构的长度变化范围为30-150mm。

进一步的，还包括踝关节传动机构和足底机构；

所述小腿机构包括小腿外管和踝关节连接件；

所述小腿连接件上设有多个竖向设置的孔，所述小腿外管上设有多个竖向设置的孔，小腿连接件和小腿外管通过销轴连接，不同的孔之间连接实现小腿机构的长度可调；所述小腿外管的另一端通过销轴与踝关节连接件连接，所述踝关节连接件另一端连接踝关节传动机构，踝关节传动机构的另一端与足底机构连接。

进一步的，所述髋关节传动机构、膝关节传动机构处均配置有编码器；

所述背架机构外侧且位于人体背部的位置设有惯性测量单元，大腿机构外侧且位于人体后侧的位置设有惯性测量单元，小腿机构外侧且位于人体小腿后侧的位置设有惯性测量单元；

背架机构上配置有微处理器、CAN通信模块、电路板和电源。

一种上述的下肢外骨骼机器人的控制方法，包括如下步骤：

步骤(1)：将背架机构外侧的惯性测量单元作为固定不动的参考点，构建下肢外骨骼机器人的数学模型，通过相对位置的变化可以算出安装在下肢的惯性测量单元相对于参考点的姿态变化，进而得到人体关节的运动信息；

步骤(2)：在穿戴者穿戴好下肢外骨骼机器人后，保持静止状态一定时间，进行各主动关节编码器和各惯性测量单元的初始信息采集；

步骤(3)：当穿戴者进行运动时，通过配置的惯性测量单元采集穿戴者下肢运动数据，将数据传输给微处理器，通过数据处理得到人体关节运动信息，控制相应外骨骼关节的驱动机构进行输出，实现下肢外骨骼的运动，外骨骼运动将带动关节编码器开始记录，可以实时测量出外骨骼关节的运动学信息，监测下肢外骨骼机构的运动是否正确，将其作为反馈输入到处理器中，完成对关节驱动机构的闭环控制。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)本发明通过膝关节与其相连的大腿外壳，下肢外骨骼机器人电机在大腿外壳内部，使得电机的重心和下肢外骨骼下肢重心一致，减少了电机对外骨骼下肢增加的多余扭矩，减少穿戴者在穿戴时因此增加的压力，更贴合人体运动。

(2)本发明通过大腿外壳将电机包裹在内部，膝关节和大腿外骨骼融为一体，使得电机在运动中受外界的影响更小，可以减少外部因素对电机在使用时的影响。

(3)本发明通过使用斜齿轮组改变传动方向、使用行星轮系减速并合理的安排机械机构，使得膝关节结构更加紧凑，进一步提高了人体穿戴的舒适性。

(4)本发明在助力膝关节的过程中，是通过电机传动斜齿轮，斜齿轮带动行星轮系转动，从而带动小腿转动；这样的传动机构可以有效地避免电机在刚刚启动时给关节带来的初始力矩所造成的力的突变，是穿戴者在穿戴外骨骼运动中更加流畅，减少电机运动突变对外骨骼运动的影响。

(5)本发明的小腿机构可以调节小腿长度，通过销轴连接小腿连接件和小腿外管、小腿外管和踝关节连接件，使得小腿在安装拆卸时更加便捷，也使得在调节小腿长度时更加方便。

附图说明

图1是本发明的下肢外骨骼机器人示意图。

图2是本发明大腿机构爆炸示意图。

图3是本发明膝关节机构的爆炸示意图。

图4是本发明小腿机构爆炸示意图。

图5是本发明膝关节机构示意图。

图6是本发明膝关节机构内部示意图。

图7是本发明控制方法流程图。

附图标记说明：

1-背架机构，2-髋关节机构，3-大腿机构，3-1-大腿壳体Ⅰ，3-2-大腿壳体Ⅱ，4-膝关节机构，4-1-电机，4-2-联轴器，4-3-斜齿轮组，4-4-行星轮系，4-5-小腿连接件，5-小腿机构，5-1-小腿外管，5-2-踝关节连接件，6-踝关节机构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1，一种电机重心与外骨骼下肢共线的外骨骼膝关节，包括背架机构1和两组下肢机构，两组下肢机构对称设置在背架机构1两侧，其中下肢机构包括髋关节传动机构2、大腿机构3、膝关节传动机构4、小腿机构5、踝关节传动机构6和足底机构；

所述膝关节传动机构把大腿机构3和小腿机构5连接到一起并完成助力的传动运动。

结合图2、图3和图6，所述的下肢外骨骼机器人，一种膝关节传动机构，包括大腿外壳、电机4-1、斜齿轮组4-3、行星轮系4-4、小腿连接件4-5；所述膝关节可以让电机4-1的重心和外骨骼下肢重心在同一直线上。

结合图2，所述的一种膝关节，大腿外壳包括大腿壳体Ⅰ3-1和大腿壳体Ⅱ3-2，大腿壳体Ⅰ3-1和大腿壳体Ⅱ3-2用螺钉螺母固定，所述大腿壳体将电机4-1和联轴器4-2包裹在里面，并可将电机固定。

结合图3、图6，小腿连接件4-5，小腿连接件4-5将小腿杆件和行星轮系4-4的行星盘连接成一体。

结合图3、图6，斜齿轮组4-3改变了传动方向，并与行星轮系相连。

结合图3，行星轮系4-4将斜齿轮4-3和小腿连接件4-5相连接并完成减速目的。

行星轮系有4个外啮合齿轮和一个内啮合齿轮组成，中心的外啮合齿轮即为太阳齿轮，周围3个外啮合齿轮为行星齿轮，内啮合齿轮为行星盘。结合图3，电机4-1的输出轴与联轴器4-2相连，做联轴器4-2的主动轴，联轴器的被动轴与斜齿轮组相连，斜齿轮组由一大一小两个啮合斜齿轮组成，小斜齿轮与联轴器的被动轴相连，大斜齿轮与行星轮系的太阳齿轮共轴传动，太阳齿轮与3个行星齿轮啮合，三个行星齿轮的定位件通过轴承与大斜齿轮和太阳齿轮连接的轴相连接，三个行星齿轮与行星盘啮合，行星盘与小腿连接件做成一体机构即4-5，从而完成电机4-1到小腿连接件4-5的传动。

结合图4，小腿调节长度机构包括小腿连接件4-5、小腿外管5-1、踝关节连接件5-2。

结合图4，小腿连接件4-5通过销轴和小腿外管5-1连接固定，小腿外管5-1通过销轴与踝关节连接件5-2连接，其中长度变化可以从30—150mm，可以针对不同使用者进行调节。

结合图3、图6，可以看出膝关节在助力时，首先，通过电机4-1转动带动联轴器4-2转动，再通过斜齿轮改变传动方向与行星轮系连接，最终完成整个关节的助力运动。

结合图1，穿戴者的大腿与下肢外骨骼的大腿机构3用大腿绑带相连接，人体小腿与小腿机构5通过小腿绑带相连接。在外骨骼要助力人体运动时，电机4-1转动，通过斜齿轮改变传动方向，在通过行星轮系减速，最终将力传递给小腿，使得外骨骼小腿机构5有一个向前或者向后的力，从而助力人体向前运动。

结合图1所述的下肢外骨骼机器人，髋关节传动机构2、膝关节传动机构4处均配置有编码器，背架机构1上配置有微处理器、CAN通信模块、电路板、电源。

为获得人体下肢在运动时的膝关节的运动信息，需要安装惯性测量单元，背架机构1外侧且位于人体背部的位置设有惯性测量单元，大腿3外侧且位于人体后侧的位置设有惯性测量单元，小腿5外侧且位于人体小腿后侧的位置设有惯性测量单元。为了精确测量外骨骼膝关节转过的角度，需要在关节处安装传感器。

结合图7，首先构建本发明下肢外骨骼机器人的机构数学模型，在穿戴者穿戴好本发明的下肢外骨骼机器人后，保持静止状态若干时间，进行各主动关节传感器和惯性测量单元的初始信息采集，在运动过程中，通过坐标转换得到安装在下肢绑带处的惯性测量单元相对于背架外侧惯性测量单元参考点的姿态变化，进而得到人体下肢膝关节的运动信息，根据该信息来控制外骨骼膝关节执行器进行输出，并将编码器获取到的外骨骼关节运动信息作为反馈，完成闭环控制，实现本发明与穿戴者的运动匹配。

Claims (8)

1.一种电机与外骨骼下肢重心共线的外骨骼机器人，包括背架机构(1)和两组下肢机构，两组下肢机构对称设置在背架机构(1)两侧，每组所述下肢机构包括髋关节传动机构(2)、大腿机构(3)、膝关节传动机构(4)、小腿机构(5)；

其特征在于，所述膝关节传动机构(4)配设有电机(4-1)，所述大腿机构(3)和小腿机构(5)组成外骨骼下肢，所述电机的重心和外骨骼下肢重心在同一条直线上。

2.根据权利要求1所述的下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述大腿机构(3)包括大腿外壳Ⅰ(3-1)和大腿外壳Ⅱ(3-2)；

所述膝关节传动机构(4)还包括联轴器(4-2)，斜齿轮组(4-3)，行星轮系(4-4)和小腿连接件(4-5)；

所述电机(4-1)和联轴器(4-2)设置在大腿外壳Ⅰ(3-1)和大腿外壳Ⅱ(3-2)组成的空间内，所述电机(4-1)的输出轴通过联轴器(4-2)与斜齿轮组(4-3)连接，斜齿轮组(4-3)改变传动方向，斜齿轮组(4-3)后连接行星轮系(4-4)，小腿连接件(4-5)将行星轮系(4-4)与小腿机构(5)连接。

3.根据权利要求2所述的下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述斜齿轮组(4-3)包括一大一小两个啮合斜齿轮；

所述行星轮系(4-4)包括四个外啮合齿轮和一个内啮合齿轮，中心的外啮合齿轮即为太阳齿轮，周围三个外啮合齿轮为行星齿轮，内啮合齿轮为行星盘；所述行星盘设置在小腿连接件的上部；

小斜齿轮与联轴器(4-2)的被动轴相连，大斜齿轮与行星轮系(4-4)的太阳齿轮共轴传动；太阳齿轮与三个行星齿轮啮合，三个行星齿轮的定位件通过轴承与大斜齿轮和太阳齿轮连接的轴相连接；三个行星齿轮与行星盘啮合，从而完成电机(4-1)到小腿连接件(4-5)的传动。

4.根据权利要求2所述的下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述大腿外壳Ⅰ(3-1)和大腿外壳Ⅱ(3-2)通过螺钉螺母连接。

5.根据权利要求3所述的下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述小腿机构(5)的长度可调，小腿机构(5)的长度变化范围为30-150mm。

6.根据权利要求5所述的下肢外骨骼机器人，其特征在于，还包括踝关节传动机构(6)和足底机构；

所述小腿机构(5)包括小腿外管(5-1)和踝关节连接件(5-2)；

所述小腿连接件(4-5)上设有多个竖向设置的孔，所述小腿外管(5-1)上设有多个竖向设置的孔，小腿连接件(4-5)和小腿外管(5-1)通过销轴连接，不同的孔之间连接实现小腿机构的长度可调；所述小腿外管(5-1)的另一端通过销轴与踝关节连接件(5-2)连接，所述踝关节连接件(5-2)另一端连接踝关节传动机构(6)，踝关节传动机构(6)的另一端与足底机构连接。

7.根据权利要求6所述的下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述髋关节传动机构(2)、膝关节传动机构(4)处均配置有编码器；

所述背架机构(1)外侧且位于人体背部的位置设有惯性测量单元，大腿机构(3)外侧且位于人体后侧的位置设有惯性测量单元，小腿机构(5)外侧且位于人体小腿后侧的位置设有惯性测量单元；

背架机构(1)上配置有微处理器、CAN通信模块、电路板和电源。

8.一种权利要求7所述的下肢外骨骼机器人的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)：将背架机构外侧的惯性测量单元作为固定不动的参考点，构建下肢外骨骼机器人的数学模型，通过相对位置的变化可以算出安装在下肢的惯性测量单元相对于参考点的姿态变化，进而得到人体关节的运动信息；

步骤(2)：在穿戴者穿戴好下肢外骨骼机器人后，保持静止状态一定时间，进行各主动关节编码器和各惯性测量单元的初始信息采集；

步骤(3)：当穿戴者进行运动时，通过配置的惯性测量单元采集穿戴者下肢运动数据，将数据传输给微处理器，通过数据处理得到人体关节运动信息，控制相应外骨骼关节的驱动机构进行输出，实现下肢外骨骼的运动，外骨骼运动将带动关节编码器开始记录，可以实时测量出外骨骼关节的运动学信息，监测下肢外骨骼机构的运动是否正确，将其作为反馈输入到处理器中，完成对关节驱动机构的闭环控制。

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