CN113524143B - 一种变刚度膝关节及下肢外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人领域，具体涉及一种变刚度膝关节及下肢外骨骼机器人。包括间隙连接的上连接件和下连接件，与上连接件固定连接的压盘，与下连接件固定连接的变刚度控制结构；压盘上设有环形槽，环形槽内壁至压盘中心的距离在180°范围内不等，当上连接件和下连接件之间因为力矩作用发生相对转动时，变刚度控制结构和压盘发生相对转动，由于不同范围内压盘内壁至中心点的距离不等，转动过程中变刚度控制结构受到径向力的作用发生形变，转动角度不同变刚度控制结构的形变量不同从而实现变刚度。本发明通过外部电信号的大小和数量来控制压电材料的压缩量；变刚度关节部分结构简单、刚度的调节范围大，可实现对关节刚度的非线性的实时控制。

Description

一种变刚度膝关节及下肢外骨骼机器人

技术领域

本发明属于机器人领域，具体涉及一种变刚度膝关节及下肢外骨骼机器人。

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。由于外骨骼机器人的刚度目前无法达到与人体相匹配的水平，严重影响人机融合，因此柔性外骨骼成了外骨骼领域的一个研究热点。

在外骨骼的设计中，由于机械机构关节的刚度不可变，在实际的使用中带来了一系列的问题：

在穿戴式的外骨骼领域，不同的穿戴者由于自身的特异性，使得不同的穿戴者在达到相同的运动要求时对关节的强度、刚度、柔顺性等的要求不同，现有的外骨骼关节无法满足这一要求。

现有的关节多是电机驱动的主动型关节，同一穿戴者在进行不用的运动时对关节的冲击程度不同，机器人传动系统和关节过大的刚度对关节的冲击损伤严重。

现有的拥有变刚度关节的外骨骼机器人均是通过弹簧、绳索等方式实现关节变刚度，不能对关节的刚度实现主动的控制，更无法实现对刚度的非线性控制，无法有效解决外骨骼机器人在实际应用中的问题。

现有的外骨骼膝关节在运动过程中除了受驱动电机的力矩外，还会因为外骨骼和人体的运动幅度不一致产生干涉力矩，会影响关节的使用寿命和功能。

在申请号为201811643893.6的中国专利申请中，公开了一种机器人变刚度关节，该关节的刚度是通过关节转动时机械内部结构的变化使叶片弹簧的形变量发生改变，实现变刚度。其缺点在于：首先，一个转动角度对应一个刚度，这使得刚度的调节范围有限；其次，转动角度和刚度一一对应的关系使得该型关节的使用范围在极大地程度上受到限制，尤其在外骨骼领域，若要达到舒适性和灵活性等要求，每一个使用者可能需要一个根据自身特性设计的关节，这使得通用性不强。

在申请号为201910800409.4的中国专利申请中，公开了一种压电式变刚度弹性关节，该关节可实现对关节刚度的主动控制，但是也有明显的缺点。该变刚度关节主要通过压电作动器改变扭转弹簧的扭转刚度来改变关节的刚度，可是该关节的转动角度极小，不适合大角度转动关节的刚度控制，使用范围有限。

在申请号为201711065264.5的中国专利申请中，公开了一种变刚度下肢外骨骼机器人，该机器人可实现对外骨骼系统刚度的控制，但是也有明显的缺点：该变刚度外骨骼机器人主要通过变刚度驱动器控制外骨骼机械结构的刚度，使外骨骼机构具有柔顺性，可是并没有针对在运动状态中具体的关节处产生的冲击。

在申请号为201910768255.5的中国专利申请中，公开了一种变刚度下肢外骨骼助力机器人，该机器人可实现对外骨骼系统刚度的控制，但是也有明显的缺点：该变刚度外骨骼机器人主要通过腰间设置驱动盘作为驱动源，驱动滑轮及钢丝绳形成变刚度机构，通过调整滑轮的组数来改变刚度的可调节范围。该结构的结构复杂，不能对外骨骼机器人的关节刚度进行实时精确的主动控制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种膝关节刚度可控的外骨骼机器人，能够保证在人机交互环境下的柔顺性要求；能够保证满足不同的穿戴对同一套外骨骼关节刚度、强度和柔顺性的要求；能够实现穿戴者或机器人在剧烈运动时（如奔跑或跳跃）的能量缓冲，并可通过控制器控制压电结构改变相对转动过程中弹性体的压缩量，实现对外骨骼膝关节刚度的非线性调节。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种变刚度膝关节，包括间隙连接的上连接件和下连接件，与上连接件固定连接的压盘，与下连接件固定连接的变刚度控制结构；

所述压盘上设有环形槽，环形槽内壁至压盘中心的距离在180°范围内不等，当上连接件和下连接件之间因为力矩作用发生相对转动时，变刚度控制结构和压盘发生相对转动，由于不同范围内压盘内壁至中心点的距离不等，转动过程中变刚度控制结构受到径向力的作用发生形变，转动角度不同变刚度控制结构的形变量不同从而实现变刚度。

进一步的，上连接件包括圆环，圆环上表面设有螺纹孔，下连接件包括带有环形凸起的圆盘；

压盘通过螺钉与上连接件圆环的上表面的螺纹孔连接，上连接件的圆环与下连接件的环形凸起间隙配合，变刚度控制结构通过U型压块和下连接件的圆盘连接。

进一步的，变刚度控制结构包括多个弹性元件和中心架；

中心架上设有多个孔，每个孔内插入一个弹性元件，变刚度控制结构和压盘发生相对转动时，弹性元件沿压盘的环形槽转动。

进一步的，所述弹性元件包括一体成型的弹性元件基座和钢板弹簧；

弹性元件基座包括弧形板和安装座，钢板弹簧设在弧形板的一侧，变刚度控制结构和压盘发生相对转动时，钢板弹簧沿压盘的环形槽内壁转动；安装座设在弧形板的另一侧，通过安装座实现与中心架的连接。

进一步的，压盘的环形槽分为两层，每层环形槽由两段曲率逐渐变大的弧形壁组成，两段弧形壁的最大和最小曲率分别相同，且一段弧形壁的大曲率一端和另一段弧形壁的小曲率一端相邻；

进一步的，各弹性元件顶端与两层环形槽内壁形成线接触，互为对角的弹性元件在同一层环形槽内接触，弹性元件在环形槽内壁曲率最小处处于无压缩状态。

进一步的，所述变刚度控制结构还包括多个压电材料和多个用于将压电材料的形变放大为径向形变的位移放大元件；

每个压电材料嵌套在中心架的孔内，位移放大元件的一端嵌入中心架的孔内与压电材料接触，另一端与弹性元件连接；

通过控制压电材料实现膝关节变刚度的可控。

一种包括上述的变刚度膝关节的下肢外骨骼机器人，还包括髋关节机构，线性驱动机构，大腿，小腿，信息采集单元，底层执行器，CAN总线通信模块和嵌入式控制器；

所述压电材料与底层执行器连接，所述信息采集单元用于采集数据，通过CAN总线通信模块将数据传送给嵌入式控制器，控制器根据实时的信息计算出外骨骼系统所需最佳的关节刚度，控制器控制底层执行器输出相应的电压信号控制关节刚度的变化。

进一步的，还包括背板，柔性绑缚和踝关节机构；

所述嵌入式控制器设置在背板内，所述柔性绑缚用于穿戴机器人时的固定。

进一步的，信息采集单元包括足底压力数据采集子单元，人机交互力数据采集子单元和位置姿态数据采集子单元；

足底压力数据采集子单元包括足底的压力传感器，采集运动过程中的足底压力信号；

人机交互力数据采集子单元包括配置在柔性绑缚上的力/力矩传感器，采集运动过程中的人机交互信息；

位置姿态数据采集子单元由配置在大/小腿处的姿态传感器、加速度传感器和倾角仪以及髋关节处的编码器组成，主要采集运动过程中的腿部姿态、位置及加速度信息。

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）：将背板外侧的信息采集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；

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，进行各信息采集单元的初始信息采集与标定；

步骤（3）：在穿戴者进行运动时，通过足底压力数据采集子单元、人机交互力数据采集子单元、位置姿态数据采集子单元采集人体运动时的信息；

步骤（4）：将步骤（3）采集到的足底压力信息、人机交互力信息、位置姿态信息传递给嵌入式控制器；嵌入式控制器对外骨骼系统进行阻抗控制，使外骨骼跟随人体运动，嵌入式控制器控制底层伺服系统驱动相应的电机实现外骨骼系统的运动；

步骤（5）：当控制器对外骨骼的运动进行控制驱动时，髋关节处的编码器开始采集髋关节运动信息，控制器根据实时的信息计算出外骨骼系统所需最佳的关节刚度，控制器控制底层执行器输出相应的电压信号控制关节刚度的变化；

步骤（6）：信息采集单元实时测量外骨骼的运动学信息，监测底层伺服系统输出是否正确，将其作为反馈输入到控制器中，完成对外骨骼运动的闭环控制。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

（1）本发明提出的可控变刚度膝关节能够实现对外骨骼机器人关节柔顺性的控制要求；满足在人机交互领域中因穿戴者由于自身体重、肢体的肌肉力量和运动习惯等因素的不同，在达到相同的运动目标时对关节的强度、刚度、柔顺性等提出的不同要求。

（2）本发明提出的可控变刚度膝关节可以有效解决外骨骼设备在不同工作模式中的刚度需求；外骨骼机器人在随人体做出如奔跑、上楼梯、起身等不同的动作时，对外骨骼的关节刚度的要求是不同。本发明提出的变刚度外骨骼可以在不同的工作模式中做出最优的刚度控制，使外骨骼适应环境的能力增强。

（3）本发明提出的可控变刚度膝关节能够缓冲机器人或者外骨骼穿戴者在剧烈运动时的能量冲击，对膝关节实施有效的保护；人体在剧烈运动时本身会对自身关节有所损伤，当人体穿戴外骨骼时，人体骨骼和外骨骼因为运动的不同步而产生干涉的可能性明显增加，这一过程会对人体关节造成损伤。本发明所设计的变刚度关节中的弹性件会缓冲这一过程产生的冲击，对人体关节做出最大保护。

附图说明

图1为本发明的下肢外骨骼机器人总体结构示意图。

图2为本发明的变刚度膝关节与大小腿连接结构示意图。

图3为本发明的变刚度膝关节结构示意图。

图4为本发明的压盘示意图。

图5为本发明的压电控制结构和压盘、上连接件的连接示意图。

图6为本发明的压电控制结构示意图。

图7为本发明的弹性元件示意图。

图8为变刚度膝关节控制系统示意图。

图9为外骨骼机器人控制系统示意图。

附图标记说明：

-背板，

-柔性绑缚，

-髋关节机构，

-线性驱动机构，

-大腿，

-膝关节机构，

-小腿，

-踝关节机构，1-上连接件，2-压盘，3-变刚度控制结构，4-下连接件，5-螺钉，6-U型压块，301-弹性元件，302-中心架，303-位移放大元件，304-压电材料，3011-弹性元件基座，3012-钢板弹簧。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。示例实施例仅为帮助更好的理解本发明，并不构成对本发明的限定。附图仅为说明本实施例，并不是按照比例绘制。

一种基于可控变刚度膝关节的下肢外骨骼机器人，整体结构包括背板

、柔性绑缚

、髋关节机构

、线性驱动机构

、大腿

、膝关节机构

、小腿

和踝关节机构

。如图1。

本发明的一种基于可控变刚度膝关节的下肢外骨骼机器人，膝关节连接处结构包括大腿

、膝关节机构

、小腿

。膝关节结构与大/小腿由销钉连接。如图2。

本发明所设计的一种基于可控变刚度膝关节的下肢外骨骼机器人，膝关节整体结构包括上连接件1、压盘2、压电控制结构3、下连接件4和螺钉5。如图3。压盘的结构如图4所示，压盘内的环形槽设有上下两侧，保证压盘和压电控制结构之间有足够的相对转动角度(两个可以至少保证转动180°)。保证同样的材料下可控刚度的范围更大。

本发明的一种基于可控变刚度膝关节的下肢外骨骼机器人，在膝关节机构

处，压盘2通过螺钉5与上连接件1连接，压电控制结构3由U型压块6压紧连接于下连接件4，如图5。

本发明的一种基于可控变刚度膝关节的下肢外骨骼机器人，在膝关节机构

处，压电控制结构包括弹性元件301、中心架302、位移放大元件303和压电材料304。其中压电材料304和位移放大元件303均装在中心架的孔里，弹性元件301的基座3011和位移放大元件303的顶部过盈配合，如图6。

本发明的一种基于可控变刚度膝关节的下肢外骨骼机器人，在膝关节机构

处，压电材料通过导线与外部底层执行器连接，如图6。

本发明的一种基于可控变刚度膝关节的下肢外骨骼机器人，在膝关节机构

处，弹性件301结构包括顶部钢板弹簧3012和底部基座3011，如图7。

本发明的一种基于可控变刚度膝关节的下肢外骨骼机器人，由众多的力传感器组成人机交互信息采集单元；由加速度传感器、姿态传感器，倾角仪等传感器组成人体姿态、位置信息采集单元。控制器、底层执行器、底层伺服系统和信息采集单元之间都使用 CAN总线进行通信。控制器控制底层执行器实现对变刚度膝关节电压信号的控制。如图8；控制器控制底层伺服系统实现对下肢外骨骼满足运动要求的控制；如图9。

实施例1

此实施例中，人体和外骨骼机器人在某一运动模态同步运动，控制器通过对信息采集系统的信号进行分析，系统分析计算得到一个最优的关节刚度控制策略，控制底层执行器实现对刚度的控制。此时上连接件1或下连接件4受到外部力矩时发生相对转动，带动压盘2和压电控制结构3发生相对转动，由于压盘台阶孔内壁至压盘中心的距离在一定旋转范围内不同，压盘2内壁给压电控制结构3中的弹性元件301一个径向力，弹性元件301的钢板弹簧3012在旋转过程中受力压缩变形，在转动过程中底层控制器不给任何压电材料施加外部电信号，此时钢板弹簧3012的压缩量只和旋转角度相关，实现外骨骼机器人膝关节旋转过程中的变刚度。

实施例2

此实施例中，人体和外骨骼机器人在某任一运动模态同步运动，控制器通过采集的信号进行分析，计算得到一个最优的关节刚度控制策略，控制底层执行器实现对刚度的控制。此时上连接件1或下连接件4受到外部力矩发生相对转动，带动压盘2和压电控制结构3发生相对转动，弹性元件301的钢板弹簧3012在旋转过程中受力压缩变形，在旋转过程中底层控制器给所有的压电材料施加相同强度的外部电信号，由于逆压电效应，所有压电材料会产生相同的形变，经过位移放大元件303给弹性元件301输出相同的径向位移，此时钢板弹簧3012的压缩量和旋转角度及电信号强度相关，旋转过程中可通过电信号控制钢板弹簧3012的压缩量，实现外骨骼机器人膝关节的可控变刚度。

实施例3

此实施例中，人体和外骨骼机器人在某任一运动模态同步运动，控制器通过信号分析，计算得到一个最优的关节刚度控制策略，控制底层执行器实现对刚度的控制。此时上连接件1或下连接件4受到外部力矩发生相对转动，带动压盘2和压电控制结构3发生相对转动，弹性件301的钢板弹簧3012在旋转过程中受力压缩变形，在旋转过程底层控制器中给部分压电材料施加外部电信号，此时钢板弹簧3012的压缩量和旋转角度与电信号强度相关，旋转过程中可通过电信号控制部分钢板弹簧3012的压缩量，实现外骨骼机器人膝关节的可控变刚度。

实施例4

此实施例中，人体和外骨骼机器人在某任一运动模态同步运动，控制器通过信号行分析，计算得到一个最优的关节刚度控制策略，控制底层执行器实现对刚度的控制。此时上连接件1或下连接件4受到外部力矩发生相对转动，带动压盘2和压电控制结构3发生相对转动，弹性件301的钢板弹簧3012在旋转过程中受力压缩变形，在旋转过程中底层控制器给所有压电材料施加不同强度外部电信号，此时钢板弹簧3012的压缩量和旋转角度与电信号强度相关，旋转过程中可通过电信号控制所有弹性元件301顶部的钢板弹簧3012产生不同的压缩量，实现外骨骼机器人膝关节的可控变刚度。

Claims (2)

1.一种包括变刚度膝关节的下肢外骨骼机器人的控制方法，其特征在于，变刚度膝关节的下肢外骨骼机器人，包括变刚度膝关节和髋关节机构，线性驱动机构，大腿，小腿，信息采集单元，底层执行器，CAN总线通信模块和嵌入式控制器；所述信息采集单元用于采集数据，通过CAN总线通信模块将数据传送给嵌入式控制器，控制器根据实时的信息计算出外骨骼系统所需最佳的关节刚度，控制器控制底层执行器输出相应的电压信号控制关节刚度的变化；

变刚度膝关节包括间隙连接的上连接件和下连接件，与上连接件固定连接的压盘，与下连接件固定连接的变刚度控制结构；压盘上设有环形槽，环形槽内壁至压盘中心的距离在180°范围内不等，当上连接件和下连接件之间因为力矩作用发生相对转动时，变刚度控制结构和压盘发生相对转动，由于不同范围内压盘内壁至中心点的距离不等，转动过程中变刚度控制结构受到径向力的作用发生形变，转动角度不同变刚度控制结构的形变量不同从而实现变刚度；上连接件包括圆环，圆环上表面设有螺纹孔，下连接件包括带有环形凸起的圆盘；压盘通过螺钉与上连接件圆环的上表面的螺纹孔连接，上连接件的圆环与下连接件的环形凸起间隙配合，变刚度控制结构通过U型压块和下连接件的圆盘连接；变刚度控制结构包括多个弹性元件和中心架；中心架上设有多个孔，每个孔内插入一个弹性元件，变刚度控制结构和压盘发生相对转动时，弹性元件沿压盘的环形槽转动；所述弹性元件包括一体成型的弹性元件基座和钢板弹簧；弹性元件基座包括弧形板和安装座，钢板弹簧设在弧形板的一侧，变刚度控制结构和压盘发生相对转动时，钢板弹簧沿压盘的环形槽内壁转动；安装座设在弧形板的另一侧，通过安装座实现与中心架的连接；压盘的环形槽分为两层，每层环形槽由两段曲率逐渐变大的弧形壁组成，两段弧形壁的最大和最小曲率分别相同，且一段弧形壁的大曲率一端和另一段弧形壁的小曲率一端相邻；各弹性元件顶端与两层环形槽内壁形成线接触，互为对角的弹性元件在同一层环形槽内接触，弹性元件在环形槽内壁曲率最小处处于无压缩状态；所述变刚度控制结构还包括多个压电材料和多个用于将压电材料的形变放大为径向形变的位移放大元件；每个压电材料嵌套在中心架的孔内，位移放大元件的一端嵌入中心架的孔内与压电材料接触，另一端与弹性元件连接；通过控制压电材料实现膝关节变刚度的可控；所述压电材料与底层执行器连接；

所述下肢外骨骼机器人还包括背板，柔性绑缚和踝关节机构；

信息采集单元包括足底压力数据采集子单元，人机交互力数据采集子单元和位置姿态数据采集子单元；足底压力数据采集子单元包括足底的压力传感器，采集运动过程中的足底压力信号；人机交互力数据采集子单元包括配置在柔性绑缚上的力/力矩传感器，采集运动过程中的人机交互信息；位置姿态数据采集子单元由配置在大/小腿处的姿态传感器、加速度传感器和倾角仪以及髋关节处的编码器组成，主要采集运动过程中的腿部姿态、位置及加速度信息；

方法包括如下步骤：

步骤（1）：将背板外侧的信息采集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；

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，进行各信息采集单元的初始信息采集与标定；

步骤（3）：在穿戴者进行运动时，通过足底压力数据采集子单元、人机交互力数据采集子单元、位置姿态数据采集子单元采集人体运动时的信息；

步骤（4）：将步骤（3）采集到的足底压力信息、人机交互力信息、位置姿态信息传递给嵌入式控制器；嵌入式控制器对外骨骼系统进行阻抗控制，使外骨骼跟随人体运动，嵌入式控制器控制底层伺服系统驱动相应的电机实现外骨骼系统的运动；

步骤（5）：当控制器对外骨骼的运动进行控制驱动时，髋关节处的编码器开始采集髋关节运动信息，控制器根据实时的信息计算出外骨骼系统所需最佳的关节刚度，控制器控制底层执行器输出相应的电压信号控制关节刚度的变化；

步骤（6）：信息采集单元实时测量外骨骼的运动学信息，监测底层伺服系统输出是否正确，将其作为反馈输入到控制器中，完成对外骨骼运动的闭环控制。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述嵌入式控制器设置在背板内，所述柔性绑缚用于穿戴机器人时的固定。

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