CN114083518B - 基于轻量化双向驱动助力的膝部柔性外骨骼装置及外骨骼 - Google Patents

基于轻量化双向驱动助力的膝部柔性外骨骼装置及外骨骼 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于轻量化双向驱动助力的膝部柔性外骨骼装置，包括固定模块、控制模块、动力模块、拉伸模块和感知模块；所述固定模块包括背包和固定硬板，所述固定硬板固定在所述背包的内部；所述控制模块和所述动力模块固定在所述固定硬板上；所述动力模块包括一个电机、电机驱动模块和供电电源；所述电机驱动模块与所述控制模块相连，所述拉伸模块与所述电机相连，所述电机内设置差动齿轮机构，通过拉伸模块分时驱动两条腿；所述感知模块设置在所述拉伸模块上，并与所述控制模块无线连接。本发明采用双向驱动方式，实现双向的分时控制，即在摆动腿的动力传导时，支撑腿不受力，有效解决两侧不对称分时助力的问题。

Description

基于轻量化双向驱动助力的膝部柔性外骨骼装置及外骨骼
技术领域
本发明涉及仿生机器人技术领域，具体地，涉及基于轻量化双向驱动设计的助力膝部柔性外骨骼及外骨骼。
背景技术
随着对下肢外骨骼的广泛研究，越来越多的学者开始研究下肢外骨骼的某个单一关节。由于人体正常行走时，膝关节的转动中心是动态变化的，因此增加了下肢外骨骼膝关节的研究难度，与此同时如何提高刚性下肢外骨骼与人体柔性关节之间的贴合度也成了下肢外骨骼研究的热点。在过去的二十年中，已经提出了许多下肢机器人外骨骼用于军事，目标为增强穿戴者力量和耐力。这些装置中的大多数由刚性结构组成，这些刚性结构有利于支撑所承载的负载或体重，并为佩戴者产生高辅助力。但是，当外骨骼关节与生物关节未对齐或有不支持的自由度存在时，刚性外骨骼会干扰穿戴者的自然运动。越来越多的下肢机器人可穿戴设备被开发出来，通常是为了增加或者辅助人体行走。这些设备中多包含刚性的承重结构，将重力引导在地面，同时跟踪或者向穿戴者关节提供助力。有一些用于截瘫者。另一些用于步行辅助，作用方式是不将重力引导在地面，这些设备多用于帮助残疾人。其他的旨在提供帮助健康者，以减少穿戴行走时能量消耗，或者增强耐力。目前社会经济在快速发展，人口数量也在增加。伴随着人口老龄化的程度空前居高，养老问题家庭责任负担日益增加。同时，由于各种交通事故造成人体腿部受伤的交通事故多有发生。从而使得助力助残人的问题变得更加迫切。因此在帮助人口老龄化，下肢力量不足的残疾人，老、弱、残患者行正常行走时研制外骨骼装置十分必要。同时增强穿戴者行走时耐力也尤为重要。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于轻量化双向驱动助力的膝部柔性外骨骼及外骨骼。
本发明的目的是通过以下方案实现的：
本发明的第一方面提供一种基于轻量化双向驱动助力的膝部柔性外骨骼装置，包括固定模块、控制模块、动力模块、拉伸模块和感知模块；
所述固定模块包括背包和固定硬板，所述固定硬板固定在所述背包的内部；所述控制模块和所述动力模块固定在所述固定硬板上；
所述动力模块包括一个电机、电机驱动模块和供电电源；所述电机驱动模块与所述控制模块相连，所述拉伸模块与所述电机相连，所述电机内设置差动齿轮机构，通过拉伸模块分时驱动两条腿；
所述感知模块设置在所述拉伸模块上，并与所述控制模块无线连接，所述感知模块包括一种或多种传感器，例如位姿传感器，拉力传感器，足底压力传感器，肌电传感器，耗氧量测量仪。
进一步地，所述控制模块包括嵌入式控制系统、CAN通信模块和电源，所述电源用于给所述嵌入式控制系统和所述CAN通信模块供电，所述嵌入式控制系统与所述CAN通信模块相连，所述CAN通信模块与所述电机驱动模块相连。
进一步地，所述拉伸模块包括两条鲍登线、腰部固定装置和两个大腿固定装置，所述鲍登线用于串联所述电机、所述腰部固定装置和大腿固定装置；所述感知模块包括三个位姿传感器，所述三个位姿传感器分别位于所述腰部固定装置和所述大腿固定装置的后侧，用于感知腰部的状态和大腿的运动状态，并实时向所述控制模块反馈信息。
进一步地，所述鲍登线与所述腰部固定装置的固定点在腰部的前侧，所述鲍登线与所述大腿固定装置的固定点在大腿的前侧。电机的驱动通过鲍登线传达到腰部前侧，并拉伸腰部固定装置前侧和大腿固定装置的前侧的距离，以达到对人行走的助力。
进一步地，所述鲍登线与所述腰部固定装置的固定点，向前突出使所述鲍登线不是紧紧贴在腰部和大腿部，并达到行走过程中有更大的助力。
进一步地，所述电机内部缠绕盘使用两个槽轮，左右腿的两条鲍登线相反缠绕，一腿拉伸则另一腿伸缩，以达到步行走动。
进一步地，所述感知模块选自位姿传感器，拉力传感器，足底压力传感器，肌电传感器，耗氧量测量仪中的一种或多种。
进一步地，所述差动齿轮机构包括电机主体、绕线盘、固定架、出线座和封装盖，所述电机主体的第一端和所述绕线盘的第一面固定，所述固定架套设在所述电机主体第一端的外侧，所述出线座套设在所述绕线盘的外侧，所述绕线盘的第二面嵌入所述封装盖内，所述固定架、出线座和封装盖之间通过固定孔和紧固件连接。
进一步地，所述绕线盘的第一面和第二面各设置一个绕线盘固线盖。
本发明的第二方面提供一种外骨骼，包括上述所述的基于轻量化双向驱动助力的膝部柔性外骨骼装置。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明基于轻量化双向驱动助力的膝部柔性外骨骼装置，使用的双向驱动模式，是利用人体步态运动中双腿分时来实现其运行，即支撑腿的伸展和摆动腿的收缩，设计差动齿轮机构，通过柔性传动机构分时驱动两条腿，保证人体在行走中没有机械阻抗的自然运动。这种双向驱动方式，可以实现双向的分时控制，即在摆动腿的动力传导时，支撑腿不受力，有效解决两侧不对称分时助力的问题。
2、本发明基于轻量化双向驱动助力的膝部柔性外骨骼装置，运行感知模块，使用三个位姿传感器来对腰部和腿部状态的感知，实时将腿部和腰部的位姿传给嵌入式控制模块，并根据信息进行调整助力，即运用腰部和大腿部的几何位置和行走时的步态状态，来进行拉伸助力，使人轻松助力行走。
3、本发明基于轻量化双向驱动助力的膝部柔性外骨骼装置，较传统刚性外骨骼具有轻便,助行效率更高的优点。
4、本发明基于轻量化双向驱动助力的膝部柔性外骨骼装置，优选使用“人在环中”算法进行步态协调控制，并通过CAN通信模块将驱动信号传达给电机驱动器，以达到对人的行走时助力。其中“人在环中”算法是将人的信息因素通过感知模块加入到系统的优化或控制汇总，例如将人穿戴柔性外骨骼的耗氧量加入到外骨骼控制参数的选取中，使得选出的参数能够在同等情况下使人的耗氧量更小。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明基于轻量化双向驱动助力的膝部柔性外骨骼装置的控制流图；
图2为本发明基于轻量化双向驱动助力的膝部柔性外骨骼装置的侧视图；
图3为本发明基于轻量化双向驱动助力的膝部柔性外骨骼装置的后视图。
图4为本发明基于轻量化双向驱动助力的膝部柔性外骨骼装置中电机缠绕盘双槽轮缠绕原理图；
图5为本发明基于轻量化双向驱动助力的膝部柔性外骨骼装置中差动齿轮机构的结构示意图；
图6为图5的的爆炸图；
图7为绕线盘的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明涉及仿生机器人领域，具体来说是基于轻量化双向驱动设计的助力膝部柔性外骨骼装置。其中下肢柔性外骨骼机器人可穿戴设备被开发出来，通常是为了增加或者辅助人体行走，以减少穿戴行走时能量消耗，或者增强耐力。这是柔性外骨骼的减轻穿戴者的体力的基本性能就尤为重要。本发明提供的基于轻量化双向驱动设计的助力膝部柔性外骨骼，设计轻量化的单电机双驱动模式。双驱动模式是指利用人体步态运动中双腿分时来实现其运行，即支撑腿的伸展和摆动腿的收缩，设计差动齿轮机构，通过柔性传动机构分时驱动两条腿，保证人体在行走中没有机械阻抗的自然运动，提出双向驱动策略，实现双向的分时控制，即在摆动腿的动力传导时，支撑腿不受力，有效解决两侧不对称分时助力的问题。使用动力驱动装置助力膝部的设计，其通过腰部固定装置来拉伸膝部已达助力膝部的效果。
如图1至图7所示，接下来结合具体实施例和附图对本发明做进一步详细描述。
实施例1
一种基于轻量化双向驱动助力的膝部柔性外骨骼装置，包括五部分：固定模块、控制模块、动力模块、拉伸模块和感知模块。
固定模块包括背包1和固定硬板2，固定硬板2固定在背包1的内部；控制模块和动力模块固定在固定硬板2上；感知模块设置在拉伸模块上，并与控制模块无线连接；感知模块用来感知人的步态，以达到对人的步态实时感知。
动力模块包括一个电机5、电机驱动模块6和电池二号，电机驱动模块与电机相连，电池二号是给一个电机和电机驱动模块供电；电机驱动模块6与控制模块相连，拉伸模块与电机5相连，电机5内设置差动齿轮机构，通过拉伸模块分时驱动两条腿；实现了使用一个电机交替牵引两条大腿达到助力的效果。
所述差动齿轮机构包括电机主体11、绕线盘12、固定架13、出线座14和封装盖15，所述电机主体11的第一端和所述绕线盘12的第一面固定，所述固定架13套设在所述电机主体11第一端的外侧，所述出线座14套设在所述绕线盘12的外侧，所述绕线盘12的第二面嵌入所述封装盖15内，所述固定架13、出线座14和封装盖15之间通过固定孔和紧固件连接。
所述绕线盘12的第一面和第二面各设置一个绕线盘固线盖16。
实施例2
本实施例是实施例1的优选实施例。其中，控制模块包括嵌入式控制系统3、CAN通信模块4和电池一号，电池一号用于给嵌入式控制系统3和CAN通信模块4供电，嵌入式控制系统3与CAN通信模块4相连，CAN通信模块4与电机驱动模块6相连。嵌入式控制系统基于“人在环中”算法控制电机驱动，将控制信号通过CAN通信模块传给电机驱动模块，然后来控制电机的驱动，以达到与人的步态协调一致，从而助力人行走。
拉伸模块包括两条鲍登线7、腰部固定装置8和两个大腿固定装置9，鲍登线7用于串联电机5、腰部固定装置8和大腿固定装置9。使用动力驱动装置助力膝部的设计，通过腰部固定装置来拉伸膝部已达助力膝部的效果。
感知模块包括三个位姿传感器10，三个位姿传感器10分别位于腰部固定装置8和大腿固定装置9的后侧，用于感知腰部的状态和大腿的运动状态，以达到实时向嵌入式控制系统3反馈腰部和腿部的状态，并调整步态和人的步态一致性，并达到提前为人的行走助力。优选地，所述感知模块选自位姿传感器，拉力传感器，足底压力传感器，肌电传感器，耗氧量测量仪中的一种或多种。
电机驱动模块与一个电机相连，而两条鲍登线一端分别与电机相连，再于腰部固定装置相连，两条鲍登线的另一端分别于大腿固定装置相连，电机的驱动通过鲍登线传达到腰部前侧，并拉伸腰部固定装置前侧和大腿固定装置的前侧的距离，以达到对人行走的助力。优选地，鲍登线7与腰部固定装置8的固定点在腰部的前侧，鲍登线7与所述大腿固定装置9的固定点也在大腿的前侧。鲍登线7与腰部固定装置8的相接触点是腰部前侧，并且向前突出一部分使鲍登线7不是紧紧贴在腰部和大腿部，这使腿部行走过程中有更大的助力。
一个电机交替牵引大腿实现助力的效果，电机5内部缠绕盘使用两个槽轮，左右腿的两条鲍登线7相反缠绕(缠绕方式如图4所示)，一腿拉伸则另一腿伸缩，以达到步行走动。
综上可知，本发明助力柔性外骨骼系统设计了五部分，包括固定模块、控制模块、动力模块、拉伸模块和感知模块等。在前三部分中是控制系统对步态协调控制，使用“人在环中”算法对步态进行优化调整，以达到对人行走时的助力。第四部分是助力行走的关键部分，使用人行走时的周期性和腰部和大腿之间的几何位置进行助力，使人在行走过程中减少体力和增加耐力，同时将腰部前侧与鲍登线的接触点前突，使鲍登线不会紧紧贴住腰部和腿部，使助力更有效果。最后一部分是使用三个位姿传感器来实时感知腰部和腿部的位置状态，并传给嵌入式控制模块，以对控制的步态进行调整，是柔性外骨骼更好的助力。本发明能够很好的应用在人行走时的助力过程中，对减少体能增加耐力很有价值。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“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为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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，因此不能理解为对本申请的限制。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种基于轻量化双向驱动助力的膝部柔性外骨骼装置，其特征在于，包括
固定模块、控制模块、动力模块、拉伸模块和感知模块；
所述固定模块包括背包(1)和固定硬板(2)，所述固定硬板(2)固定在所述背包(1)的内部；所述控制模块和所述动力模块固定在所述固定硬板(2)上；
所述动力模块包括一个电机(5)、电机驱动模块(6)和供电电源；所述电机驱动模块(6)与所述控制模块相连，所述拉伸模块与所述电机(5)相连，所述电机(5)内设置差动齿轮机构，通过拉伸模块分时驱动两条腿；
所述感知模块设置在所述拉伸模块上，并与所述控制模块无线连接；
所述拉伸模块包括两条鲍登线(7)、腰部固定装置(8)和两个大腿固定装置(9)，所述鲍登线(7)用于串联所述电机(5)、所述腰部固定装置(8)和大腿固定装置(9)；所述电机(5)内部的缠绕盘使用两个槽轮，左右腿的两条鲍登线(7)相反缠绕，一腿拉伸则另一腿伸缩，以达到步行走动；所述感知模块包括三个位姿传感器(10)，所述三个位姿传感器(10)分别位于所述腰部固定装置(8)和所述大腿固定装置(9)的后侧，用于感知腰部的状态和大腿的运动状态，并实时向所述控制模块反馈信息。
2.根据权利要求1所述的基于轻量化双向驱动助力的膝部柔性外骨骼装置，其特征在于，所述控制模块包括嵌入式控制系统(3)、CAN通信模块(4)和电源，所述电源用于给所述嵌入式控制系统(3)和所述CAN通信模块(4)供电，所述嵌入式控制系统(3)与所述CAN通信模块(4)相连，所述CAN通信模块(4)与所述电机驱动模块(6)相连。
3.根据权利要求1所述的基于轻量化双向驱动助力的膝部柔性外骨骼装置，其特征在于，所述鲍登线(7)与所述腰部固定装置(8)的固定点在腰部的前侧，所述鲍登线(7)与所述大腿固定装置(9)的固定点在大腿的前侧。
4.根据权利要求3所述的基于轻量化双向驱动助力的膝部柔性外骨骼装置，其特征在于，所述鲍登线(7)与所述腰部固定装置(8)的固定点，向前突出使所述鲍登线(7)不是紧紧贴在腰部和大腿部。
5.根据权利要求1所述的基于轻量化双向驱动助力的膝部柔性外骨骼装置，其特征在于，所述感知模块选自位姿传感器，拉力传感器，足底压力传感器，肌电传感器，耗氧量测量仪中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的基于轻量化双向驱动助力的膝部柔性外骨骼装置，其特征在于，所述差动齿轮机构包括电机主体(11)、绕线盘(12)、固定架(13)、出线座(14)和封装盖(15)，所述电机主体(11)的第一端和所述绕线盘(12)的第一面固定，所述固定架(13)套设在所述电机主体(11)第一端的外侧，所述出线座(14)套设在所述绕线盘(12)的外侧，所述绕线盘(12)的第二面嵌入所述封装盖(15)内，所述固定架(13)、出线座(14)和封装盖(15)之间通过固定孔和紧固件连接。
7.根据权利要求6所述的基于轻量化双向驱动助力的膝部柔性外骨骼装置，其特征在于，所述绕线盘(12)的第一面和第二面各设置一个绕线盘固线盖(16)。
8.一种外骨骼，其特征在于，包括权利要求1至7任一项所述的基于轻量化双向驱动助力的膝部柔性外骨骼装置。
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