CN113547505B - 高集成化负重下肢腿部控制模组 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高集成化负重下肢腿部控制模组，下肢腿部的膝关节和髋关节之间通过弹簧杆连接；所述高集成化负重下肢腿部控制模组包括集成设置于下肢腿部上的：电源模块、主控模块、髋关节驱动模块、膝关节支撑模块、大腿姿态模块、髋关节交互力模块、膝关节交互力模块、膝关节角度测量模块；所述电源模块为各模块供电；所述主控模块与所述髋关节交互力模块、膝关节角度测量模块、膝关节交互力模块、膝关节支撑模块信号传输。本发明的高集成化负重下肢腿部控制模组中，各模块全部集中在大腿部分，降低了装配调试难度，避免了长距离的线缆连接以及外骨骼机器人关节运动对电气系统的影响，极大的提升了系统的可靠性。

Description

高集成化负重下肢腿部控制模组
技术领域
本发明涉及机械外骨骼技术领域，尤其涉及一种高集成化负重下肢腿部控制模组。
背景技术
机械外骨骼是一种穿戴在人体上,将人体和机械并联在一起的人机一体化机电智能装备，它将人的智慧和机械的力量相结合，由人来引导机械动作，同时用机械的力量来扩展人的能力。
其中，针对负重行走的下肢助力机械外骨骼是机械外骨骼研究中最重要的研究方向之一，主要目的是为了在人体负重行走过程中为人体提供助力。下肢机械外骨骼是通过将人的下肢与两足步行的机械腿并联在一起,并利用人体自身的平衡调节及步态控制来实现对机械腿步态的控制与调节,从而很好地解决了普通两足机器人研究中常见的步态规划及其稳定性的问题，同时机械腿又为人体步行提供了助力，大大提高了人体步行中的负载能力，缓解了人体在负重行走状态下的疲劳感。
然而，现有的有源下肢外骨骼机器人通常是主控板、电池、节点板、传感器、驱动器分布在背部及大腿的各个位置，各个模组之间通过线缆或无线的方式连接，增加了系统的装配调试难度及可靠性。安装于背部的电池及主控板等占用了背部背负空间，将身体重心后移影响重力传递，背部凸起影响起坐等姿势。因此，针对上述问题，有必要提出进一步的解决方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高集成化负重下肢腿部控制模组，以克服现有技术中存在的不足。
为实现上述发明目的，本发明提供一种高集成化负重下肢腿部控制模组，下肢腿部的膝关节和髋关节之间通过弹簧杆连接；
所述高集成化负重下肢腿部控制模组包括集成设置于下肢腿部上的：电源模块、主控模块、髋关节驱动模块、膝关节支撑模块、大腿姿态模块、髋关节交互力模块、膝关节交互力模块、膝关节角度测量模块；
所述电源模块为各模块供电；所述主控模块与所述髋关节交互力模块、膝关节角度测量模块、膝关节交互力模块、膝关节支撑模块信号传输。
作为本发明高集成化负重下肢腿部控制模组的改进，所述髋关节驱动模块包括电机和驱动器，所述电机经驱动器与所述下肢腿部的髋关节传动连接。
作为本发明高集成化负重下肢腿部控制模组的改进，所述膝关节支撑模块包括推拉式电磁铁，所述推拉式电磁铁集成于弹簧杆的下端。
作为本发明高集成化负重下肢腿部控制模组的改进，所述弹簧杆上还设置有用于所述推拉式电磁铁插入锁死的锁孔。
作为本发明高集成化负重下肢腿部控制模组的改进，所述大腿姿态模块集成于主控模块的电路板上。
作为本发明高集成化负重下肢腿部控制模组的改进，所述髋关节交互力模块包括应变片，所述应变片集成于所述下肢腿部的大腿挡板和髋关节之间。
作为本发明高集成化负重下肢腿部控制模组的改进，所述膝关节交互力模块包括第一力传感器，所述第一力传感器集成于所述弹簧杆的下端。
作为本发明高集成化负重下肢腿部控制模组的改进，所述膝关节角度测量模块包括第二力传感器，所述第二力传感器集成于所述弹簧杆的上端。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的高集成化负重下肢腿部控制模组中，各模块全部集中在大腿部分，降低了装配调试难度，避免了长距离的线缆连接以及外骨骼机器人关节运动对电气系统的影响，极大的提升了系统的可靠性。
本发明的高集成化负重下肢腿部控制模组中，膝关节支撑模块结构简单，仅使用一个推拉式电磁铁就可为膝关节提供强有力的支撑，相较电机极大的节省了系统功耗和尺寸重量。
本发明的高集成化负重下肢腿部控制模组中，膝关节交互力模块巧妙地将小腿的人机交互力通过连杆的方式转移到大腿处进行测量，避免了大小腿之间的线缆连接。同时相较小腿杆，连杆较细，规避了在小腿杆承重能力即交互力测量灵敏度之间的权衡。
本发明的高集成化负重下肢腿部控制模组中，膝关节角度测量模块通过测量力的方式得到位移，避免了在膝关节处安装传感器，将全部模块集中在大腿，降低了膝关节出的结构复杂度，提升了系统稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明高集成化负重下肢腿部控制模组一实施例的模块图；
图2为本发明高集成化负重下肢腿部控制模组一实施例的平面示意图；
图3为本发明高集成化负重下肢腿部控制模组一实施例的立体示意图。
具体实施方式
下面结合各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
本发明高集成化负重下肢腿部控制模组，实现了髋关节助力和膝关节辅助支撑，代替原先安装在腰部及腿部各个位置的若干模组，降低了装配复杂度。模组将电源、主控、驱动、传感全部集中在大腿处，降低了外骨骼运动过程中对电气系统的影响，提升了系统的可靠性。
如图1~3所示，本发明一实施例提供一种高集成化负重下肢腿部控制模组，其中，下肢腿部的膝关节和髋关节之间通过弹簧杆10连接。
具体地，高集成化负重下肢腿部控制模组包括集成设置于下肢腿部上的：电源模块20、主控模块30、髋关节驱动模块40、膝关节支撑模块50、大腿姿态模块60、髋关节交互力模块70、膝关节交互力模块80、膝关节角度测量模块90。上述各功能模块可采用现有的成品模块，本领域技术人员可根据实际需求选择并应用于本实施例中。
电源模块20与髋关节驱动模块40和主控模块30电连接，并为模组中的各模块进行供电。主控模块30与髋关节交互力模块70、膝关节角度测量模块90、膝关节交互力模块80、膝关节支撑模块50信号传输，该主控模块30能够控制整个模组的运行。
髋关节驱动模块40包括电机41和驱动器42，电机41经驱动器42与下肢腿部的髋关节传动连接。该髋关节驱动模块40为髋关节提供主动助力，帮助抬腿、落腿；膝关节支撑模块50辅助膝关节支撑，传递背负重量。
膝关节支撑模块50用于辅助膝关节支撑，传递背负重量，其包括推拉式电磁铁，推拉式电磁铁集成于弹簧杆10的下端。相应的，弹簧杆10上还设置有用于推拉式电磁铁插入锁死的锁孔。
从而，膝关节支撑模块50通过电磁铁控制膝关节锁死和解锁，当膝关节角度接近直立且膝关节交互力判断穿戴者没有屈膝意图时，控制电磁铁打开，膝关节锁死，外骨骼腿部直立，重力沿腿杆顺利传导至地面；当膝关节交互力表示穿戴者有屈膝意图时，膝关节电磁铁关闭，膝关节解锁，穿戴者可正常行走。
如此，膝关节支撑模块50结构简单，仅使用一个推拉式电磁铁就可为膝关节提供强有力的支撑，相较电机极大的节省了系统功耗和尺寸重量。
大腿姿态模块60用于测量大腿姿态角集成于主控模块的电路板上。
髋关节交互力模块70用于测量髋关节交互力用于髋关节电机控制，其包括应变片，应变片集成于下肢腿部的大腿挡板和髋关节之间。
从而，髋关节交互力模块70安装于大腿挡板和髋关节之间，并应变片测量大腿杆前后弯曲方向的应力，所测得的力作为反馈量控制髋关节为穿戴者行走时进行助力。
膝关节交互力模块80用于测量膝关节交互力，进而控制膝关节解锁，其包括第一力传感器，第一力传感器集成于弹簧杆10的下端。
从而，膝关节交互力模块80安装于大腿挡板和髋关节之间，用应变片测量大腿杆前后弯曲方向的应力，所测得的力作为反馈量控制髋关节为穿戴者行走时进行助力。
如此，膝关节交互力模块80巧妙地将小腿的人机交互力通过连杆的方式转移到大腿处进行测量，避免了大小腿之间的线缆连接。同时相较小腿杆，连杆较细，规避了在小腿杆承重能力即交互力测量灵敏度之间的权衡。
膝关节角度测量模块90用于模块测量膝关节角度，进而控制膝关节锁死，其包括第二力传感器，第二力传感器集成于弹簧杆10的上端。
从而，膝关节角度测量模块90通过测量弹簧弹力的方式测得到弹簧伸缩量，进而计算出膝关节角度，避免了在膝关节处安装角度传感器，计算出的膝关节的角度作为反馈量控制膝关节锁死或解锁。设测得的力为F，k为弹簧的劲度系数，则弹簧杆的伸缩量为-F/k，进而可根据余弦定理可以计算出膝关节的角度。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种高集成化负重下肢腿部控制模组，其特征在于，下肢腿部的膝关节和髋关节之间通过弹簧杆连接；
所述高集成化负重下肢腿部控制模组包括集成设置于下肢腿部上的：电源模块、主控模块、髋关节驱动模块、膝关节支撑模块、大腿姿态模块、髋关节交互力模块、膝关节交互力模块、膝关节角度测量模块；
所述电源模块为各模块供电；所述主控模块与所述髋关节交互力模块、膝关节角度测量模块、膝关节交互力模块、膝关节支撑模块信号传输；
所述膝关节支撑模块包括推拉式电磁铁，所述推拉式电磁铁集成于弹簧杆的下端；所述膝关节交互力模块包括第一力传感器，所述第一力传感器集成于所述弹簧杆的下端。
2.根据权利要求1所述的高集成化负重下肢腿部控制模组，其特征在于，所述髋关节驱动模块包括电机和驱动器，所述电机经驱动器与所述下肢腿部的髋关节传动连接。
3.根据权利要求1所述的高集成化负重下肢腿部控制模组，其特征在于，所述弹簧杆上还设置有用于所述推拉式电磁铁插入锁死的锁孔。
4.根据权利要求1所述的高集成化负重下肢腿部控制模组，其特征在于，所述大腿姿态模块集成于主控模块的电路板上。
5.根据权利要求1所述的高集成化负重下肢腿部控制模组，其特征在于，所述髋关节交互力模块包括应变片，所述应变片集成于所述下肢腿部的大腿挡板和髋关节之间。
6.根据权利要求1所述的高集成化负重下肢腿部控制模组，其特征在于，所述膝关节角度测量模块包括第二力传感器，所述第二力传感器集成于所述弹簧杆的上端。
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