CN113827449A - 一种绑缚自适应柔性下肢助力外骨骼机器人和自适应方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种绑缚自适应柔性下肢助力外骨骼机器人和自适应方法，所述绑缚自适应柔性下肢助力外骨骼机器人包括绑缚组件、设置于绑缚组件的驱动器和自动绕线器，以及用于检测人体关节运动状态和基于人体关节运动状态控制所述驱动器的控制单元，所述绑缚自适应柔性下肢助力外骨骼机器人采用单电机为两个关节助力，并采用自动绕线器为驱动线提供预紧力和自适应调节驱动线的收线长度，整体结构简单，重量小，电机利用率高，响应速度快，而且能够避免绑缚滑动而产生的控制误差。

Description

一种绑缚自适应柔性下肢助力外骨骼机器人和自适应方法

技术领域

本发明涉及助力外骨骼机器人技术领域，特别是涉及一种绑缚自适应柔性下肢助力外骨骼机器人和自适应方法。

背景技术

柔性外骨骼作为新一代外骨骼机器人，具有良好的可穿戴性，同时产生的关节力矩也非常充足，与传统刚性外骨骼相比，因其具有较强的实用性和良好的发展前景而被广泛看好。柔性外骨骼在军事、民用、医疗康复等领域得到大量的开发和应用，为人们的生活提供便利。从普通用户的角度来看，柔性外骨骼具有更好的形态适应性、顺应性和更低调的外观，而且在重量方面比传统外骨骼大大降低，因此更加适宜于穿戴。柔性外骨骼机器人系统是一个复杂的人机交互系统，若要其起到辅助穿戴者运动的作用，需要保证其对人体运动信息的快速响应，且不能干扰穿戴者的正常运动。

目前，柔性外骨骼多采用电机驱动柔性绳索来为关节助力，大多采用一个电机驱动一个关节，造成电机的利用率很低。目前也有采用一个电机来驱动多个关节的柔性外骨骼，通过电机的循环往复拉动绳索从而拉动关节对穿戴者起到助力的作用。但由于驱动线上没有施加预紧力，当电机由未驱动到驱动状态时，绳索需要从松弛状态而逐渐切换到收紧状态，使得电机的力不能快速准确传递到绑缚上的受力点处，这造成了控制上有很大的延迟误差。而且电机每次都需要先将驱动线由松弛逐渐拉紧，导致响应速度降低。例如中国专利公开号为CN110733029A，公开日为2020年1月31日的专利申请公开的一种柔性外骨骼机器人的驱动单元及柔性外骨骼机器人，其驱动单元能够采用一个电机实现多驱动路径输出，但是由于其输出力的大小根据驱动电磁铁和动力电磁铁的吸合力大小决定，当需要的输出力较大时就会使电磁铁重量增加较大，系统重量会增加很多；此外，此驱动装置没有对驱动线预紧，在驱动电磁铁处于休息状态时，驱动线是松弛的，电机开始驱动时，驱动线还是有一个由松弛到逐渐预紧的过程，不能达到电机驱动绳索快速响应的目的。

虽然目前也有一些柔性外骨骼采用专门的收线装置来收线，但是这些装置往往是仅能够单次手动调节电机到收线装置之间的预紧，并没有从根本上改变电机驱动绳索不能快速响应的问题，而且也不能在运动过程中对绳索的长度进行实时的调整。另外，这些装置也仅具有较小的收线行程，无法满足电机正反转收线的需求，使用较为局限。例如，中国专利公开号为CN110328656A，公开日为2019年10月15日的专利申请公开了一种柔性外骨骼助力机器人鲍登线预紧机构，该预紧机构安装在轮子两侧，其提供预紧的工作原理为：当电机转动而拉紧鲍登线时，预紧机构的压簧收缩而吸收能量，当电机反向转动而使得鲍登线松弛时，压缩的压簧释放能量而给松弛的鲍登线提供预紧力，如此松弛下来的鲍登线就不会积累在轮子上，从而不会飞出卡入轮子与外壳间隙。这个预紧机构的预紧力受到弹簧的变形行程的限制，实际助力时电机收线会较长，这种采用弹簧收缩的结构无法满足电机收线的需求，而且该装置只针对的是预紧机构到轮子处的预紧，当鲍登线松弛时，预紧机构到助力点之间实际并无预紧，因此装置没有解决柔性外骨骼的刚度问题，不能达到电机驱动绳索快速响应的目的。

另外，目前柔性外骨骼中多采用柔性材料用魔术贴等形式绑缚在人体上，在行走中绑缚会和人体发生相对滑动，进而产生误差。目前的柔性外骨骼均没有考虑如何解决由绑缚滑动位置变化造成驱动线长度变化而影响电机驱动响应速度的问题。例如中国专利公开号为CN110977935A，公开日为2020年4月10日的专利申请公开的柔性外骨骼机器人、驱动线调节装置以及调节器，公开了一种驱动线调节装置，能够对驱动线快速进行调节，其采用的是弹性抵推件抵接于第一底座的内壁的方式，使得弹性抵推件在内壁的反作用下对驱动线进行夹紧，并随着向第二底座拉动驱动线而与内壁分离的方式来实现对驱动线的释放，为一种由穿戴用户在穿戴时自行调节柔性外骨骼的驱动线的调节装置，并非为一种能够在运动过程中自适应调节的装置，该调节装置仅考虑了电机到调节装置之间的松紧度，并没有考虑绑缚实时滑动位置变化对驱动线的长度造成变化而影响电机控制响应速度的问题，而且通过弹性抵推件抵接夹紧驱动线的方式，存在夹持力不足的问题。

总的来讲，目前的柔性外骨骼机器人存在以下几点问题:其一，现有的柔性外骨骼大多采用一个电机控制一个关节，多个关节需要多个电机，导致系统重量较高，在人体下肢运动过程中电机不是连续工作的，导致电机的利用率不高；其二，现有的柔性外骨骼通过电机的循环往复拉动绳索对穿戴者起到助力的作用，但是当电机未驱动时，绳索处于松弛状态逐渐收紧，使电机的力不能快速准确传递到绑缚上的受力点处，这造成了控制上有很大的延迟误差；其三，由于现有下肢外骨骼多用柔性材料绑缚到人体腿部，但是在人体运动过程中绑缚会滑动产生误差。

发明内容

本发明的一目的是，提供一种绑缚自适应柔性下肢助力外骨骼机器人和自适应方法，旨在解决现有的柔性外骨骼机器人存在的重量大、控制响应速度慢、绑缚滑动而产生控制误差的问题。

一种绑缚自适应柔性下肢助力外骨骼机器人，包括：

绑缚组件，所述绑缚组件包括适于绑缚在人体腰部的腰部绑缚件和适于绑缚在人体腿部的腿部绑缚件；

驱动器，所述驱动器设置于所述腰部绑缚件，并包括电机和联动于所述电机的两根驱动线，所述电机被设置为能够正反转动，以交替驱动对应的所述驱动线为相应的所述腿部绑缚件施加牵引力；

控制单元，所述控制单元用于检测人体关节运动状态，并基于人体关节运动状态控制所述驱动器的所述电机的正反转动；以及

两个自动绕线器，两个所述自动绕线器分别设置于对应的所述腿部绑缚件，并分别连接于对应的所述驱动线，各所述自动绕线器具有锁死状态和收线状态，在所述锁死状态，所述自动绕线器为所述驱动线提供预紧力而使得所述驱动线处于收紧状态，所述电机能够经由所述驱动线和所述自动绕线器将牵引力施加到对应的所述腿部绑缚件，当所述电机正转或反转而使得所述驱动线松弛时，所述自动绕线器切换至所述收线状态而自动对所述驱动线收线。

在本发明的一实施例中，各所述自动绕线器包括预紧绕线模块、固定于所述预紧绕线模块的联轴器以及联动于所述联轴器的锁定机构，所述预紧绕线模块包括绕线辊、缠绕于所述绕线辊并连接于对应的所述驱动线的助力线、以及呈弹性变形状态地设置在所述绕线辊内的卷簧，所述锁定机构用于切换所述自动绕线器至所述锁死状态，并被设置为能够在所述收线状态以与所述绕线辊转动收线相同的方向单向转动，所述卷簧用于释放弹性变形势能而切换所述自动绕线器至所述收线状态。

在本发明的一实施例中，所述预紧绕线模块还包括绕线器外壳，所述绕线器外壳的内侧壁形成有用于安装所述绕线辊的安装槽，且所述绕线器外壳向靠近于所述锁定机构的方向延伸形成有内出轴，所述绕线辊穿过所述内出轴地安装在所述绕线器外壳的所述安装槽内，所述卷簧的外端固定于所述绕线辊，所述卷簧的内端固定于所述内出轴。

在本发明的一实施例中，所述锁定机构包括棘轮外壳，与所述棘轮外壳相适配的棘轮盖，以及设置在所述棘轮外壳和所述棘轮盖之间的棘轮、棘爪和扭簧，所述扭簧的两端分别固定于所述棘爪和所述棘轮外壳，当所述电机经由所述驱动线驱动所述自动绕线器而使得所述扭簧产生变形时，所述棘爪能够在所述扭簧的扭力作用下与所述棘轮相啮合，从而形成所述锁定机构锁定所述绕线辊的状态，以此切换所述自动绕线器的锁死状态。

在本发明的一实施例中，所述联轴器具有圆盘部和连接于所述圆盘部的连接轴，所述圆盘部固定连接于所述绕线辊，所述连接轴的一端连接于所述圆盘部，另一端穿过所述棘轮外壳地固定连接于所述棘轮。

在本发明的一实施例中，所述驱动器还包括驱动器基座、与所述驱动器基座相适配的驱动器外壳、以及在沿所述驱动器基座向所述驱动器外壳的方向上，依次设置在所述驱动器基座和所述驱动器外壳之间的所述电机、电机外壳、绕线辊外壳、第一轴承、双向绕线辊、第二轴承以及轴承端盖，两根所述驱动线反向缠绕于所述双向绕线辊，所述电机的输出轴连接于所述双向绕线辊而能够联动所述双向绕线辊正反转动，从而驱动对应的所述驱动线为相应的所述腿部绑缚件施加牵引力。

在本发明的一实施例中，所述驱动器包括两个出线口，所述腰部绑缚件包括腰部软管，所述腰部软管的两端分别固定于所述驱动器的对应的出线口和对应的腰部锚点，两根所述驱动线从所述驱动器外壳的对应的出线口进入所述腰部软管，并自对应的所述腰部锚点处引出而连接于对应的所述助力线。

在本发明的一实施例中，所述控制单元设置在所述驱动器，并包括电连接于所述电机的控制板、可通信地连接于所述控制板的传感器测量组件以及导电连接于所述控制板的供电单元，所述传感器测量组件用于检测人体运动状态信息，所述控制板用于基于所述传感器测量组件检测的人体运动状态信息控制所述电机的工作，所述供电单元用于为所述驱动器和所述控制单元提供电能输出。

在本发明的一实施例中，所述传感器测量组件包括一个或多个扭矩传感器和/或角度传感器。

一种绑缚自适应柔性下肢助力外骨骼机器人的自适应方法，包括以下步骤：

S1、对两个自动绕线器进行预紧，使得所述自动绕线器的卷簧产生变形而储蓄弹性势能；

S2、控制单元检测人体运动状态，并基于人体运动状态控制电机的正反转动；

S3、基于所述电机的正反转动，两个所述自动绕线器交替切换锁死状态和收线状态；

S4、在所述电机正转或反转而使得所述自动绕线器的扭簧产生变形时，所述自动绕线器的棘爪在所述扭簧的扭力作用下与棘轮啮合，从而形成所述自动绕线器的所述锁死状态；

S5、经由所述电机的正转或反转的驱动，联动对应的驱动线拉动处于所述锁死状态的所述自动绕线器，从而将所述电机产生的牵引力施加到对应的腿部绑缚件；

S6、在所述电机正转或反转而使得所述驱动线松弛时，所述自动绕线器的所述卷簧释放弹性变形势能而使得所述自动绕线器的绕线辊转动回收助力线和所述驱动线，所述自动绕线器切换至所述收线状态；

S7、重复步骤S2至S6，实现对在时间上不连续的人体关节运动的助力。

本发明的所述绑缚自适应柔性下肢助力外骨骼机器人具有以下有益效果：

(1)采用单电机和两根驱动线为两个关节的运动提供助力，结构简单、重量小且电机利用率高，助力效果好；

(2)采用自动绕线器为对应的驱动线提供预紧力，维持驱动线始终处于预紧状态，并能够在不影响人体运动的情况下自适应地调节驱动线到合适的收线长度，使得驱动线能够迅速响应电机的驱动，提高了系统刚度和响应速度，并且使得电机对驱动线的驱动不受绑缚位置滑动的影响，避免控制产生误差；

(3)自动绕线器采用卷簧为驱动线提供预紧力，一方面在电机的辅助力传递路径上施加了大小合适的预紧力，另一方面卷簧也使得绕线辊具有较大的回收绕线行程，能够满足电机收线长的需求；

(4)自动绕线器采用由棘轮和棘爪构成的棘轮机构来实现对自动绕线器的锁定，利用棘轮机构的单向自锁性特性，确保锁死状态稳定，从而使得电机能够传递较大的辅助力至对应的腿部绑缚件；

(5)系统具有可重构性，即自动绕线器可以布置在任意需要助力的关节处，给相位不重叠的运动提供助力。

通过对随后的描述和附图的理解，本发明进一步的目的和优势将得以充分体现。

附图说明

图1为根据本发明的一优选实施例的绑缚自适应柔性下肢助力外骨骼机器人的穿戴示意图；

图2为图1所示的所述绑缚自适应柔性下肢助力外骨骼机器人的自动绕线器的结构示意图；

图3为图1所示的所述绑缚自适应柔性下肢助力外骨骼机器人的驱动器的结构示意图。

附图标号说明：绑缚自适应柔性下肢助力外骨骼机器人100；绑缚组件10；腰部绑缚件11；腰部软管111；腰部锚点112；腿部绑缚件12；驱动器20；电机21；电机外壳22；绕线辊外壳23；第一轴承24；双向绕线辊25；驱动线26；第二轴承27；轴承端盖28；出线口201；驱动器基座202；驱动器外壳203；控制单元30；控制板31；供电单元32；自动绕线器40；预紧绕线模块41；绕线辊411；助力线412；卷簧413；绕线器外壳414；安装槽415；内出轴416；联轴器42；圆盘部421；连接轴422；锁定机构43；棘轮外壳431；固定轴4311；棘轮盖432；棘轮433；棘爪434；扭簧435。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、形变方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“竖向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1至图3所示，根据本发明的一优选实施例的一种绑缚自适应柔性下肢助力外骨骼机器人100的具体结构被阐明。以下将以助力髋部屈曲运动为例对所述绑缚自适应柔性下肢助力外骨骼机器人100的具体结构进行描述。

如图1至图3所示，所述绑缚自适应柔性下肢助力外骨骼机器人100包括绑缚组件10、设置于所述绑缚组件10的驱动器20、设置于所述驱动器20的控制单元30以及连接于所述驱动器20的两个自动绕线器40，其中所述绑缚组件10包括适于绑缚在人体腰部的腰部绑缚件11和适于绑缚在人体腿部的腿部绑缚件12；所述驱动器20设置于所述腰部绑缚件11，并包括电机21和联动于所述电机21的两根驱动线26，所述电机21被设置为能够正反转动，从而能够交替驱动对应的所述驱动线26为相应的所述腿部绑缚件12施加牵引力，以实现为人体腿部的连续活动提供助力；所述控制单元30用于检测人体关节运动状态，并基于人体关节运动状态控制所述驱动器20的所述电机21的正反转动；两个所述自动绕线器40分别设置于对应的所述腿部绑缚件12，并分别连接于对应的所述驱动线26，各所述自动绕线器40具有锁死状态和收线状态，在所述锁死状态，所述自动绕线器40为所述驱动线26提供预紧力而使得所述驱动线26处于收紧状态，所述电机21能够经由所述驱动线26和所述自动绕线器40将牵引力施加到对应的所述腿部绑缚件12，当所述电机21正转或反转而使得所述驱动线26松弛时，所述自动绕线器40切换至所述收线状态而自动对所述驱动线26收线。

可以理解的是，所述绑缚自适应柔性下肢助力外骨骼机器人100通过所述自动绕线器40在人体运动过程中动态改变辅助力加载路径，实现所述绑缚自适应柔性下肢助力外骨骼机器人100对时间上连续运动的助力，通过所述电机21的正反转动实现对在时间上不连续的人体关节运动的助力。

而且，所述绑缚自适应柔性下肢助力外骨骼机器人100通过一个电机可以对两个关节运动进行助力，显著提高了电机利用率，并降低了重量，使得助力效果更好。另外，所述绑缚自适应柔性下肢助力外骨骼机器人100还能够对所述驱动线26施加一个合适的预紧力，不仅使得所述驱动线26能够快速响应所述电机21的驱动，而且当所述绑缚组件10滑动时可以调节所述驱动线26到绑缚的长度，实现绑缚的自适应。

进一步地，如图2所示，各所述自动绕线器40包括预紧绕线模块41、固定于所述预紧绕线模块41的联轴器42以及联动于所述联轴器42的锁定机构43，所述预紧绕线模块41包括绕线辊411、缠绕于所述绕线辊411并连接于对应的所述驱动线26的助力线412、以及呈弹性变形状态地设置在所述绕线辊411内的卷簧413，所述锁定机构43用于切换所述自动绕线器40至所述锁死状态，并被设置为能够在所述收线状态以与所述绕线辊411转动收线相同的方向单向转动，所述卷簧413用于释放弹性变形势能而切换所述自动绕线器40至所述收线状态。

在本申请一实施方式中，所述驱动器20包括两个出线口201，所述腰部绑缚件11包括腰部软管111，所述腰部软管111的两端分别固定于所述驱动器20的对应的出线口201和对应的腰部锚点112，两根所述驱动线26从所述驱动器外壳203的对应的出线口201进入所述腰部软管111，并自对应的所述腰部锚点112处引出而连接于对应的所述助力线412。

更进一步地，所述锁定机构43包括棘轮外壳431、与所述棘轮外壳431相适配的棘轮盖432、以及设置在所述棘轮外壳431和所述棘轮盖432之间的棘轮433、棘爪434和扭簧435，所述扭簧435的两端分别固定于所述棘爪434和所述棘轮外壳431，当所述电机21经由所述驱动线26驱动所述自动绕线器40而使得所述扭簧435产生变形时，所述棘爪434能够在所述扭簧435的扭力作用下与所述棘轮433相啮合，从而形成所述锁定机构43锁定所述绕线辊411的状态，以此切换所述自动绕线器40的锁死状态。

可以理解的是，所述驱动器20驱动所述驱动线26为所述腿部绑缚件12施加牵引力的过程为：当所述电机21驱动所述驱动线26时，所述驱动线26拉动所述助力线412而使得所述绕线辊411转动放线，但是在所述绕线辊411转动而经由所述联轴器42联动所述棘轮外壳431转动时，连接于所述棘爪434和所述棘轮外壳431的所述扭簧435会产生弹性形变，在所述扭簧435的扭力作用下，所述棘爪434与所述棘轮433啮合，从而使得所述棘轮433无法转动，进而使得所述联轴器42、所述绕线辊411无法转动，以此形成所述自动绕线器40的锁死状态，所述助力线412无法被拉出，由此所述电机21能够经由所述驱动线26将牵引力施加到对应的所述腿部绑缚件12上。

另外，由于所述卷簧413呈弹性变形状态地设置在所述绕线辊411内，即所述卷簧413处于储蓄弹性变形势能的状态，所述自动绕线器40对所述助力线412预先施加有预紧力。而且由于所述棘轮433和所述棘爪434具有单向自锁的特性，所述棘轮433能够与所述绕线辊411转动收线相同的方向转动，因此所述棘轮433和所述棘爪434不会影响所述绕线辊411的自动收线。当所述电机21释放所述驱动线26时，所述驱动线26会带动所述助力线412松弛，此时所述卷簧413释放所储蓄的弹性变形势能而能够使得所述绕线辊411转动回收所述助力线412，以此能够避免所述驱动线26堆积在所述电机21放线处，并且能够使得所述驱动线26维持预紧状态，在所述电机21再次驱动所述驱动线26时，所述驱动线26能够快速响应所述电机21的驱动。

可以理解的是，利用所述卷簧413对所述助力线412的自动收线特性，在绑缚发生滑动时，所述自动绕线器40能够自动调整所述助力线412和所述驱动线26的收线长度，使得所述驱动线26能够始终被维持在合适的长度，以此实现了对绑缚位置的自适应。

还可以理解的是，由于本申请采用所述棘轮433和所述棘爪434构成的棘轮机构来对所述自动绕线器40进行锁定，利用棘轮机构的单向自锁性特性，能够确保锁死状态稳定，从而使得所述电机21能够传递较大的辅助力至对应的腿部绑缚件12。

也就是说，本发明采用棘轮机构而非电磁铁来动态地切换所述自动绕线器40的所述锁死状态，能够增大所述绑缚自适应柔性下肢助力外骨骼机器人100所能传递的辅助力。

在本申请一实施方式中，所述预紧绕线模块41还包括绕线器外壳414，所述绕线器外壳414的内侧壁形成有用于安装所述绕线辊411的安装槽415，且所述绕线器外壳414向靠近于所述锁定机构43的方向延伸形成有内出轴416，所述绕线辊411穿过所述内出轴416且安装在所述绕线器外壳414的所述安装槽415内，所述卷簧413的外端固定于所述绕线辊411，所述卷簧413的内端固定于所述内出轴416。

特别地，所述自动绕线器40采用所述卷簧413为所述驱动线26提供预紧力，一方面在所述电机21的辅助力传递路径上为所述驱动线26施加了大小合适的预紧力，另一方面所述卷簧413也使得所述绕线辊411具有较大的回收绕线行程，能够满足所述电机21收线长的需求。

在本申请一实施方式中，所述联轴器42具有圆盘部421和连接于所述圆盘部421的连接轴422，所述圆盘部421固定连接于所述绕线辊411，所述连接轴422的一端连接于所述圆盘部421，另一端穿过所述棘轮外壳431地固定连接于所述棘轮433，从而形成所述联轴器42固定连接于所述预紧绕线模块41和所述锁定机构43的状态。

此外，还值得一提的是，所述扭簧435安装在所述棘爪434内，所述棘爪434固定在所述棘轮外壳431的固定轴4311上形成转动副，所述扭簧435的一端固定在所述棘爪434的槽口内，另一端固定在所述棘轮外壳431的槽口内；所述棘轮盖432、所述棘轮外壳431以及所述绕线器外壳414通过螺钉固定在一起。

进一步地，如图3所示，所述驱动器20还包括驱动器基座202、与所述驱动器基座202相适配的驱动器外壳203、以及在沿所述驱动器基座202向所述驱动器外壳203的方向上依次设置在所述驱动器基座202和所述驱动器外壳203之间的所述电机21、电机外壳22、绕线辊外壳23、第一轴承24、双向绕线辊25、第二轴承27以及轴承端盖28，两根所述驱动线26反向缠绕于所述双向绕线辊25，所述电机21的输出轴连接于所述双向绕线辊25而能够联动所述双向绕线辊25正反转动，从而驱动对应的所述驱动线26为相应的所述腿部绑缚件12施加牵引力。

值得一提的是，所述电机外壳22用于封装所述电机21，所述绕线辊外壳23用于封装所述双向绕线辊25、所述第一轴承24、所述第二轴承27以及所述轴承端盖28。

进一步地，所述控制单元30设置在所述驱动器20，并包括电连接于所述电机21的控制板31、可通信地连接于所述控制板31的传感器测量组件(图未示)以及导电连接于所述控制板31的供电单元32，所述传感器测量组件用于检测人体运动状态信息，所述控制板31用于基于所述传感器测量组件检测的人体运动状态信息控制所述电机21的工作，所述供电单元32用于为所述驱动器20和所述控制单元30提供电能输出。

具体地，所述供电单元32可以为电池，所述电池和所述控制板31设置在所述驱动器基座202。

可选地，所述传感器测量组件包括一个或多个扭矩传感器和/或角度传感器，用于根据关节运动的扭矩和/或角度变化来获得关节运动位移信息，以便于所述控制单元30能够基于所述传感器测量组件获得人体关节运动信息来控制所述驱动器20的工作。所述传感器测量组件可根据实际使用需求，安装在所述绑缚自适应柔性下肢助力外骨骼机器人100的合适位置上，如人体运动关节对应的位置上，本发明对此不作限制。

具体地，以下将结合具体应用对所述绑缚自适应柔性下肢助力外骨骼机器人100的具体工作流程进行说明。

具体以所述电机21正转驱动所述驱动线26而反转释放所述驱动线26为例，对所述绑缚自适应柔性下肢助力外骨骼机器人100的各个部件之间的联动关系进行说明：

所述绑缚自适应柔性下肢助力外骨骼机器人100在使用时穿戴在人体上。所述自动绕线器40事先需要预紧，即将所述绕线辊411和所述卷簧413转动而使得所述卷簧413呈弹性变形收缩的状态，所述卷簧413存储弹性势能，以此在所述电机21正转或者反转而使得所述驱动线26和所述助力线412松弛时，所述卷簧413能够释放弹性势能，带动所述绕线辊411转动收回所述助力线412和所述驱动线26。

在所述电机21正转时，所述自动绕线器40的所述棘爪434在所述扭簧435的扭力作用下与所述棘轮433啮合，处于锁死状态，此时所述绕线辊411在所述助力线412被拉出的方向上被锁死，使得所述助力线412无法被拉出，所述驱动器20产生的辅助力可以传递到所述自动绕线器40所处的所述腿部绑缚件12处。由于所述棘轮433和所述棘爪434组成的棘轮机构具有单向自锁性，所述棘轮433能够在所述助力线412回收的方向上转动，以此在所述电机21反转而使得所述驱动线26和所述助力线412松弛时，所述卷簧413能够释放弹性势能，带动所述绕线辊411转动收回所述助力线412和所述驱动线26，而且由于所述卷簧413使得所述绕线辊411具有较大的回收线的行程，在所述绑缚组件10产生滑动而使得绑缚位置产生变化时，所述自动绕线器40能够自适应地调整对所述驱动线26的收线长度，使得所述驱动线26能够始终保持预紧状态，从而能够避免绑缚位置变化对控制产生误差，而且也能够确保所述驱动线26始终能够快速响应所述电机21的驱动。

在助力人体行走或跑步的髋屈和跖屈运动时，以同一只脚的前后两次脚跟触地时间为一个步态周期。在足尖蹬离运动时，所述电机21正转，当前腿的髋部的所述自动绕线器40均处于锁死状态，而对侧腿的髋部的所述自动绕线器40处于收线状态时，所述驱动线26可以被收回，不会影响对侧腿的自由运动。而在当前腿完成足尖蹬离运动后，立即进入摆动初期，腿部离开地面，开始摆动，此时当前腿的髋部的所述自动绕线器40处于锁死状态时，所述驱动器20的辅助力可以传递到对应的所述腿部绑缚件12。在当前腿的摆动后期，髋屈运动结束，所述助力线412和所述驱动线26由于所述卷簧413的预紧，能够自动收线预紧，在绑缚滑动时，所述驱动线26和所述助力线412的长度也会自动调整而不会影响人的正常运动。直到对侧腿开始蹬离运动时，所述电机21反转，开始对对侧腿进行助力。重复以上步骤，两个所述腿部绑缚件12的所述自动绕线器40的所述绕线辊411到所述腰部锚点112处的长度最终会达到平衡，完成对人体行走或跑步时的髋屈和跖屈运动的助力。

可以理解的是，以所述电机21正转时对应为左腿助力而反转时为右腿助力为例，所述电机21正转时，左腿对应的所述自动绕线器40的所述棘爪434在所述扭簧435的扭力作用下和所述棘轮433啮合，使得所述自动绕线器40处于锁死状态，所述助力线412无法被拉出，右腿对应的所述自动绕线器40的所述棘爪434不起作用，由于所述卷簧413释放的弹性变形势能而自动收线，右腿对应的所述自动绕线器40处于收线状态，并对应于右腿松弛状态，当所述电机21反转时，右腿被拉紧，对应的所述自动绕线器40切换至锁死状态，左腿对应的所述自动绕线器40处于收线状态，且对应于左腿的松弛状态。以此，所述电机21通过正反转两个方向分别控制两条辅助力加载路径，这两条辅助力加载路径分别连接在左右大腿上绑缚的对应的所述自动绕线器40。

还可以理解的是，两条腿对应的所述自动绕线器40是交替切换锁死状态和收线状态，因此在其中一条腿对应的所述自动绕线器40处于锁死状态时，所述驱动器20施加的辅助力会传递到锁死状态的所述自动绕线器40而不会传递到处于收线状态的腿部，反转时相反。通过这样的方式，所述电机正反转而对两条腿施加助力时，两条腿的运动不会相互产生干涉，使得所述绑缚自适应柔性下肢助力外骨骼机器人100的控制更顺应于人体连续的关节运动。

应该理解的是，由于所述电机21正反转两个运动是相对的，其中一条腿对应于所述电机21正转驱动所述驱动线26而反转释放所述驱动线26的模式，另一条腿则对应于所述电机21反转驱动所述驱动线26而正转释放所述驱动线26的模式，也就是说，在助力髋部屈曲运动模式下，两条腿之间的所述电机21驱动所述驱动线26的过程是相反的过程，本发明对此不作限制。

还应该理解的是，所述绑缚自适应柔性下肢助力外骨骼机器人100除用于助力髋部屈曲运动之外，还可以用于助力髋关节外展、内收、外旋、内旋等运动，而且所述绑缚自适应柔性下肢助力外骨骼机器人100可以应用于医疗康复领域、工业领域、军事领域等，本发明对所述绑缚自适应柔性下肢助力外骨骼机器人100的应用不作限制。

基于上述工作流程，本申请在另一方面还提供了所述绑缚自适应柔性下肢助力外骨骼机器人100的自适应方法，包括以下步骤：

S1、对两个自动绕线器40进行预紧，使得所述自动绕线器40的卷簧413产生变形而储蓄弹性势能；

S2、控制单元30检测人体运动状态，并基于人体运动状态控制电机21的正反转动；

S3、基于所述电机21的正反转动，两个所述自动绕线器40交替切换锁死状态和收线状态；

S4、在所述电机21正转或反转而使得所述自动绕线器40的扭簧435产生变形时，所述自动绕线器40的棘爪434在所述扭簧435的扭力作用下与棘轮433啮合，从而形成所述自动绕线器40的所述锁死状态；

S5、经由所述电机21的正转或反转的驱动，联动对应的驱动线26拉动处于所述锁死状态的所述自动绕线器40，从而将所述电机21产生的牵引力施加到对应的腿部绑缚件12；

S6、在所述电机21正转或反转而使得所述驱动线26松弛时，所述自动绕线器40的所述卷簧413释放弹性变形势能而使得所述自动绕线器40的绕线辊411转动回收助力线412和所述驱动线26，所述自动绕线器40切换至所述收线状态；

S7、重复步骤S2至S6，实现对在时间上不连续的人体关节运动的助力。

可以理解的是，所述绑缚自适应柔性下肢助力外骨骼机器人100通过单个电机为两个关节运动提供助力，结构简单、重量小且电机利用率高，助力效果好。而且，所述绑缚自适应柔性下肢助力外骨骼机器人100通过所述自动绕线器40在人体运动过程中自动适应绑缚位置变化，为所述驱动线26施加合理的预紧力，使得所述驱动线26始终能够保持预紧状态，从而能够快速响应所述电机21的驱动，以此确保了所述绑缚自适应柔性下肢助力外骨骼机器人100的刚度和提高了响应速度，并且在绑缚滑动时也能够自适应调整所述驱动线26的长度，使得所述驱动器20对所述驱动线26的控制不受绑缚位置的变化的影响，避免了控制误差。另外，所述绑缚自适应柔性下肢助力外骨骼机器人100的整个系统具有可重构性，即所述自动绕线器40可以布置在任意需要助力的关节处，给相位不重叠的运动提供助力。

总的来讲，本发明提供了一种重量小、控制响应速度快、不受绑缚滑动而产生控制误差的绑缚自适应柔性下肢助力外骨骼机器人100。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种绑缚自适应柔性下肢助力外骨骼机器人，其特征在于，包括：

绑缚组件，所述绑缚组件包括适于绑缚在人体腰部的腰部绑缚件和适于绑缚在人体腿部的腿部绑缚件；

驱动器，所述驱动器设置于所述腰部绑缚件，并包括电机和联动于所述电机的两根驱动线，所述电机被设置为能够正反转动，以交替驱动对应的所述驱动线为相应的所述腿部绑缚件施加牵引力；

控制单元，所述控制单元用于检测人体关节运动状态，并基于人体关节运动状态控制所述驱动器的所述电机的正反转动；以及

两个自动绕线器，两个所述自动绕线器分别设置于对应的所述腿部绑缚件，并分别连接于对应的所述驱动线，各所述自动绕线器具有锁死状态和收线状态，在所述锁死状态，所述自动绕线器为所述驱动线提供预紧力而使得所述驱动线处于收紧状态，所述电机能够经由所述驱动线和所述自动绕线器将牵引力施加到对应的所述腿部绑缚件，当所述电机正转或反转而使得所述驱动线松弛时，所述自动绕线器切换至所述收线状态而自动对所述驱动线收线。

2.根据权利要求1所述的绑缚自适应柔性下肢助力外骨骼机器人，其特征在于，各所述自动绕线器包括预紧绕线模块、固定于所述预紧绕线模块的联轴器以及联动于所述联轴器的锁定机构，所述预紧绕线模块包括绕线辊、缠绕于所述绕线辊并连接于对应的所述驱动线的助力线、以及呈弹性变形状态地设置在所述绕线辊内的卷簧，所述锁定机构用于切换所述自动绕线器至所述锁死状态，并被设置为能够在所述收线状态以与所述绕线辊转动收线相同的方向单向转动，所述卷簧用于释放弹性变形势能而切换所述自动绕线器至所述收线状态。

3.根据权利要求2所述的绑缚自适应柔性下肢助力外骨骼机器人，其特征在于，所述预紧绕线模块还包括绕线器外壳，所述绕线器外壳的内侧壁形成有用于安装所述绕线辊的安装槽，且所述绕线器外壳向靠近于所述锁定机构的方向延伸形成有内出轴，所述绕线辊穿过所述内出轴地安装在所述绕线器外壳的所述安装槽内，所述卷簧的外端固定于所述绕线辊，所述卷簧的内端固定于所述内出轴。

4.根据权利要求2所述的绑缚自适应柔性下肢助力外骨骼机器人，其特征在于，所述锁定机构包括棘轮外壳、与所述棘轮外壳相适配的棘轮盖、以及设置在所述棘轮外壳和所述棘轮盖之间的棘轮、棘爪和扭簧，所述扭簧的两端分别固定于所述棘爪和所述棘轮外壳，当所述电机经由所述驱动线驱动所述自动绕线器而使得所述扭簧产生变形时，所述棘爪能够在所述扭簧的扭力作用下与所述棘轮相啮合，从而形成所述锁定机构锁定所述绕线辊的状态，以此将所述自动绕线器切换至所述锁死状态。

5.根据权利要求4所述的绑缚自适应柔性下肢助力外骨骼机器人，其特征在于，所述联轴器具有圆盘部和连接于所述圆盘部的连接轴，所述圆盘部固定连接于所述绕线辊，所述连接轴的一端连接于所述圆盘部，另一端穿过所述棘轮外壳地固定连接于所述棘轮。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的绑缚自适应柔性下肢助力外骨骼机器人，其特征在于，所述驱动器还包括驱动器基座、与所述驱动器基座相适配的驱动器外壳、以及在沿所述驱动器基座向所述驱动器外壳的方向上，依次设置在所述驱动器基座和所述驱动器外壳之间的所述电机、电机外壳、绕线辊外壳、第一轴承、双向绕线辊、第二轴承以及轴承端盖，两根所述驱动线反向缠绕于所述双向绕线辊，所述电机的输出轴连接于所述双向绕线辊而联动所述双向绕线辊正反转动，从而驱动对应的所述驱动线为相应的所述腿部绑缚件施加牵引力。

7.根据权利要求6所述的绑缚自适应柔性下肢助力外骨骼机器人，其特征在于，所述驱动器包括两个出线口，所述腰部绑缚件包括腰部软管，所述腰部软管的两端分别固定于所述驱动器的对应的出线口和对应的腰部锚点，两根所述驱动线从所述驱动器外壳的对应的出线口进入所述腰部软管，并自对应的所述腰部锚点处引出而连接于对应的所述助力线。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的绑缚自适应柔性下肢助力外骨骼机器人，其特征在于，所述控制单元设置在所述驱动器，并包括电连接于所述电机的控制板、可通信地连接于所述控制板的传感器测量组件以及导电连接于所述控制板的供电单元，所述传感器测量组件用于检测人体运动状态信息，所述控制板用于基于所述传感器测量组件检测的人体运动状态信息控制所述电机的工作，所述供电单元用于为所述驱动器和所述控制单元提供电能输出。

9.根据权利要求8所述的绑缚自适应柔性下肢助力外骨骼机器人，其特征在于，所述传感器测量组件包括一个或多个扭矩传感器和/或角度传感器。

10.一种根据权利要求1至9中任一项绑缚自适应柔性下肢助力外骨骼机器人的自适应方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、对两个自动绕线器进行预紧，使得所述自动绕线器的卷簧产生变形而储蓄弹性势能；

S2、控制单元检测人体运动状态，并基于人体运动状态控制电机的正反转动；

S3、基于所述电机的正反转动，两个所述自动绕线器交替切换锁死状态和收线状态；

S4、在所述电机正转或反转而使得所述自动绕线器的扭簧产生变形时，所述自动绕线器的棘爪在所述扭簧的扭力作用下与棘轮啮合，从而形成所述自动绕线器的所述锁死状态；

S5、经由所述电机的正转或反转的驱动，联动对应的驱动线拉动处于所述锁死状态的所述自动绕线器，从而将所述电机产生的牵引力施加到对应的腿部绑缚件；

S6、在所述电机正转或反转而使得所述驱动线松弛时，所述自动绕线器的所述卷簧释放弹性变形势能而使得所述自动绕线器的绕线辊转动回收助力线和所述驱动线，所述自动绕线器切换至所述收线状态；

S7、重复步骤S2至S6，实现对在时间上不连续的人体关节运动的助力。

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