CN115177490B - 对下肢外骨骼进行人机交互力检测的装置 - Google Patents

对下肢外骨骼进行人机交互力检测的装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种对下肢外骨骼进行人机交互力检测的装置，其包括有传动轴连杆(3)、护板(11)、导轨(12)、滑块(13)、柔性变形体(1)以及编码器(14)。该人机交互力检测装置一端通过导轨(12)安装在外骨骼腿杆外侧，另一端通过护板(11)与人体下肢捆绑，这样一方面可以增大传动轴连杆(3)而便于变形检测，另一方面可以避免该检测装置与人体下肢出现运动干涉问题。本发明人机交互力检测装置的目标是实时精准地获取外骨骼对人腿所施加的作用力。

Description

对下肢外骨骼进行人机交互力检测的装置
技术领域
本发明涉及下肢康复外骨骼机器人技术领域，更特别地说，是指一种对下肢外骨骼进行人机交互力检测的装置。
背景技术
下肢康复外骨骼机器人主要是根据现代康复医学理论和人机合作机器人原理，采用机械腿杆与外界驱动单元(例如电机、液压、气压)组合模型来模拟人体骨骼肌肉系统，而由计算机处理的行走步态控制系统代替人体神经系统，使患者在外骨骼系统的帮助下能够按照正常人的步伐规律作康复治疗运动。要真正实现恢复行走机能功能就需要让患者主动参与到机器人控制系统决策当中，即首先通过传感系统感知患者的运动意图，之后将下肢康复外骨骼与患者之间的交互信息应用到人机协调控制系统当中，最终获得相对应的驱动信号来获取合适合理的步态轨迹，真正实现“人在回路”的人机协同控制。
在目前现有技术水平上，传统且最简单的检测人机交互信息方法是直接在人腿与外骨骼腿杆接触处添加压敏传感器，以此来直接获得外骨骼施加在人腿上的力(如图7所示，垂直作用力F垂直)。然而由于人腿组织属于一种软体组织，在实际运动过程中，人与机器之间的相对状态存在着极大的不确定性，进而导致检测信号不稳定且噪音比高等缺点。虽然这种不确定性可以通过提高人腿绑带压力来改善，但长时间的高压捆绑会对人腿血液循环及新陈代谢带来不好的影响，使得穿戴者的穿戴体验大大降低。
发明内容
为提高康复机器人下肢外骨骼人机交互信息检测的稳定性和有效性，在本发明中采用一种基于柔性变形体的间接测量方法。该方法主要是通过柔性变形体将力或力矩形式转化为角度位移形式，最终采用编码器检测该角度位移量来间接获取人机交互力信息。
本发明设计的一种对下肢外骨骼进行人机交互力检测的装置的目标是实时精准地获取外骨骼对人腿所施加的作用力(即垂直作用力F垂直和水平作用力F水平)。根据柔性变形体(1)在弹性变形范围内，常规传动轴连杆(3)所发生的变形量与其末端所受作用力呈线性关系。本发明通过柔性变形体(1)的结构设计使下肢外骨骼机器人腿杆施加在人体下肢大腿、小腿上的作用力转变成传动轴连杆(3)的弹性变形，从而将检测对象由力或力矩形式转化为角度位移形式，以此来间接获得其作用力大小。因此，在本发明设计的人机交互检测装置的工作机理是通过传动轴连杆(3)将人机交互力转换成扭矩，然后将该扭矩传递至柔性变形体(1)的Y轴轴线上，从而使得柔性变形体(1)的内圈(1B)与外圈(1A)之间发生弹性角度形变，最后通过编码器(14)来测量柔性变形体(1)的角度形变程度，而此时的编码器(14)输出信号就可以作为人体运动趋势的特征提取信息源。
本发明设计的一种对下肢外骨骼进行人机交互力检测的装置，其特征在于包括有柔性变形体(1)、支撑臂(2)、传动轴连杆(3)、动楔块(5)、静楔块(6)、锁扣(7)、磁编码器(14)、护板(11)、导轨(12)、滑块(13)；
柔性变形体(1)为一体成型结构件；柔性变形体(1)为盘式柔性体结构设计；柔性变形体(1)上设有外圈(1A)、内圈(1B)、第一柔性体(1C)、第二柔性体(1D)、第三柔性体(1E)、内连接盘(1F)、凹圆柱(1G)；
柔性变形体(1)一端的外圈(1A)上安装有支撑臂(2)的圆盘端(2A)；柔性变形体(1)另一端的外圈(1A)上安装有端盖(4)；柔性变形体(1)的内连接盘(1F)安装在传动轴连杆(3)的圆盘连接端(3B)上；
在柔性变形体(1)上外圈(1A)与内圈(1B)之间设置三个结构相同的第一柔性体(1C)、第二柔性体(1D)和第三柔性体(1E)，且第一柔性体(1C)、第二柔性体(1D)和第三柔性体(1E)之间为两两互成120度分布；
第三柔性体(1E)由CA簧片(1E1)、CB簧片(1E2)、CC簧片(1E3)、CD簧片(1E4)组成；CA簧片(1E1)的一端与内圈(1B)的接合处为C内圈接合点(1E5)；CD簧片(1E4)的另一端与外圈(1A)的接合处为C外圈接合点(1E6)；CA簧片(1E1)的另一端与CB簧片(1E2)的一端的接合处为CA拐点(1E7)；CB簧片(1E2)的另一端与CC簧片(1E3)的一端的接合处为CB拐点(1E8)；CC簧片(1E3)的另一端与CD簧片(1E4)的一端的接合处为CC拐点(1E9)；
支撑臂(2)为一体成型结构件；支撑臂(2)的一端是圆盘端(2A)，支撑臂(2)的另一端是矩形连接端(2B)；圆盘端(2A)与矩形连接端(2B)之间是收敛段(2E)；所述圆盘端(2A)上设有B沉头腔(2C)，B沉头腔(2C)的中心设有B中心通孔(2D)；B中心通孔(2D)用于放置传动轴连杆(3)的传动轴(3C)；
支撑臂(2)的矩形连接端(2B)安装在滑块(13)上；
传动轴连杆(3)为一体成型结构件；传动轴连杆(3)的一端是连杆(3A)，传动轴连杆(3)的另一端是圆盘连接端(3B)；圆盘连接端(3B)的中心设有传动轴(3C)；所述传动轴(3C)的端部设有C沉头腔(3D)，C沉头腔(3D)用于放置磁编码器(14)的敏感头；
连杆(3A)的端部设有矩形通孔(3A1)，在矩形通孔(3A1)处分别设有CA通孔(3A2)和CB通孔(3A3)；
传动轴(3C)一端穿过端盖(4)的D中心通孔(4A)后套接上柔性变形体(1)和支撑臂(2)；
连杆(3A)上的矩形通孔(3A1)中放置有动楔块(5)的摆臂连接端(5B1)，并用螺钉顺次穿过CA通孔(3A2)、动楔块(5)和CB通孔(3A3)，达到将动楔块(5)固定安装在传动轴连杆(3)的连杆(3A)上；
动楔块(5)为一体成型结构件；动楔块(5)的一端是锁体件(5A)，动楔块(5)的另一端是摆臂(5B)；锁体件(5A)上设有开口锁槽(5A1)，开口锁槽(5A1)用于放置静楔块(6)的FB面板(6B)，且使F立板(6C)穿过；锁体件(5A)的侧面板上设有EA通孔(5C)，EA通孔(5C)用于放置锁扣(7)的锁柱(7A)；
摆臂(5B)的端部是摆臂连接端(5B1)，摆臂连接端(5B1)上设有EB通孔(5B2)；摆臂连接端(5B1)置于连杆(3A)的矩形通孔(3A1)中；EB通孔(5B2)用于螺钉穿过；
静楔块(6)为一体成型结构件；静楔块(6)上设有FA面板(6A)、FB面板(6B)和F立板(6C)，F立板(6C)位于FA面板(6A)与FB面板(6B)之间；
FB面板(6B)的侧面板上设有F通孔(6B1)；F通孔(6B1)用于放置锁扣(7)的锁柱(7A)；
锁扣(7)上设有锁柱(7A)和拉环(7B)；
护板(11)的两端分别设有KA长条槽(11A)和KB长条槽(11B)；护板(11)的背部设有凸台(11C)，凸台(11C)与静楔块(6)的FA面板(6A)通过螺钉固定安装；护板(11)的前部设有缓冲腔(11D)，缓冲腔(11D)中设有通孔；
导轨(12)上活动套接有滑块(13)；导轨(12)用于与仿生膝关节下肢外骨骼结构体进行连接；
滑块(13)通过滑槽(13A)活动套接在导轨(12)上；滑块(13)上安装有支撑臂(2)的矩形连接端(2B)。
附图说明
图1是本发明对下肢外骨骼进行人机交互力检测的装置的结构图。
图1A是本发明对下肢外骨骼进行人机交互力检测的装置的另一视角结构图。
图1B是本发明对下肢外骨骼进行人机交互力检测的装置的分解图。
图1C是本发明对下肢外骨骼进行人机交互力检测的装置的剖面结构图。
图1D是本发明对下肢外骨骼进行人机交互力检测的装置的图片。
图1E是本发明对下肢外骨骼进行人机交互力检测的装置的另一视角图片。
图2是本发明人机交互力检测装置中支撑臂的结构图。
图2A是本发明人机交互力检测装置中支撑臂的另一视角结构图。
图3是本发明人机交互力检测装置中传动轴连杆的结构图。
图3A是本发明人机交互力检测装置中传动轴连杆的另一视角结构图。
图4是本发明人机交互力检测装置中动静楔块的装配结构图。
图4A是本发明人机交互力检测装置中静楔块的结构图。
图4B是本发明人机交互力检测装置中动楔块的结构图。
图4C是本发明人机交互力检测装置中锁扣的结构图。
图5是本发明人机交互力检测装置中柔性变形体的结构图。
图5A是本发明人机交互力检测装置中柔性变形体的另一视角结构图。
图5B是本发明人机交互力检测装置中柔性变形体的侧视结构图。
图5C是本发明人机交互力检测装置中柔性变形体的图片。
图5D是本发明人机交互力检测装置中柔性变形体的图片。
图5E是本发明人机交互力检测装置中柔性变形体的柔性体的结构图。
图6是本发明人机交互力检测装置的O－XYZ坐标系简图。
图6A是本发明人机交互力检测装置的YOZ坐标系简图。
图6B是本发明人机交互力检测装置的XOZ坐标系简图。
图6C是本发明人机交互力检测装置的XOZ坐标系另一视角简图。
图7是本发明对下肢外骨骼进行人机交互力检测的装置的使用状态图。
图8A是本发明人机交互力检测装置的柔性变形体的等效应力图。
图8B本发明人机交互力检测装置的柔性变形体的安全因子云图。
图9是本发明人机交互力检测装置的柔性变形体的弹性刚度性能图。
1.柔性变形体 1A.外圈 1B.内圈
1C.第一柔性体 1C5.A内圈接合点 1C6.A外圈接合点
1C9.AC拐点 1D.第二柔性体 1D5.B内圈接合点
1D6.B外圈接合点 1D9.BC拐点 1E.第三柔性体
1E1.CA簧片 1E2.CB簧片 1E3.CC簧片
1E4.CD簧片 1E5.C内圈接合点 1E6.C外圈接合点
1E7.CA拐点 1E8.CB拐点 1E9.CC拐点
1F.内连接盘 1G.凹圆柱 1H.中心通孔
2.支撑臂 2A.圆盘端 2B.矩形连接端
2C.B沉头腔 2D.B中心通孔 2E.收敛段
3.传动轴连杆 3A.连杆 3A1.矩形通孔
3A2.CA通孔 3A3.CB通孔 3B.圆盘连接端
3C.传动轴 3D.C沉头腔 4.端盖
4A.D中心通孔 5.动楔块 5A.锁体件
5A1.开口锁槽 5B.摆臂 5B1.摆臂连接端
5B2.EB通孔 5C.EA通孔 6.静楔块
6A.FA面板 6B.FB面板 6B1.F通孔
6C.立板 7.锁扣 7A.锁柱
7B.拉环 11.护板 11A.KA长条槽
11B.KB长条槽 11C.凸台 11D.缓冲腔
12.导轨 13.滑块 13A.滑槽
14.磁编码器
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
本发明人机交互力检测装置通过导轨12安装在外骨骼腿杆外侧，本发明人机交互力检测装置通过绳索(或者绑带)将护板11捆绑在穿戴者的大腿、小腿上如图7所示。当穿戴者的大腿、小腿与外骨骼腿杆之间进行人机交互行为时，利用编码器14检测柔性变形体1的压缩或拉伸的变形量，以此实现对下肢外骨骼进行检测。
参见图1、图1A、图1B、图1C所示，本发明设计的一种对下肢外骨骼进行人机交互力检测的装置包括有柔性变形体1、支撑臂2、传动轴连杆3、动楔块5、静楔块6、锁扣7、编码器14、护板11、导轨12、滑块13。
柔性变形体1
本发明所设计柔性变形体的角度变形只有沿着其Y轴轴线(图6、图6A、图6B、图6C所示)发生才具有实质意义，即该检测装置只能测量出垂直于人体下肢方向上的作用力。但由于零部件加工误差、装配误差以及人体关节特殊生理结构的影响，在使用者穿戴下肢康复外骨骼机器人进行康复训练过程中，患者所受外骨骼腿杆处的作用力并非始终垂直于患者下肢，也就是说该检测装置不仅受到垂直作用力F垂直(图7所示)，还受到一定程度上的水平作用力F水平(图7所示)。这种水平作用力F水平在使用过程中会对该检测装置造成损害，并在某种程度上极大地影响其检测精度。针对这一问题，在本发明中在具体结构设计上通过增添一个沿腿杆长度方向上的被动自由度，以此来降低该检测装置在使用过程中所受到的水平作用力F水平。在本发明中所面向的对象下肢康复外骨骼机器人主要通过电机驱动机械腿杆来带动穿戴者的下肢大小腿进行步态行走，且大腿与小腿之间是有膝关节200的，因此穿戴者与外骨骼之间进行人机交互行为主要包括两个部位，分别是大腿部位与小腿部位，大腿部位上安装的本发明检测装置称为大腿外骨骼压力检测装置100，小腿部位上安装的本发明检测装置称为小腿外骨骼压力检测装置300，关于下肢康复外骨骼机器人的结构请参考申请号201711015294.5，发明名称“基于3－RPR并联机构的仿生膝关节下肢外骨骼结构体”。其中安装在外骨骼机器人的大腿、小腿部位的人机交互检测装置的结构保持一致。大腿外骨骼压力检测装置100的护板和小腿外骨骼压力检测装置300的护板通过捆绑方式与人腿接合。
参见图1B、图1C、图5、图5A、图5B、图5C、图5D所示，柔性变形体1为一体成型结构件。本发明的柔性变形体1为盘式柔性体结构设计。柔性变形体1上设有外圈1A、内圈1B、第一柔性体1C、第二柔性体1D、第三柔性体1E、内连接盘1F、凹圆柱1G。
柔性变形体1一端的外圈1A固定安装在支撑臂2的圆盘端2A上。柔性变形体1另一端的外圈1A固定安装在端盖4上。柔性变形体1的内连接盘1F固定安装在传动轴连杆3的圆盘连接端3B上。
其中，第一柔性体1C、第二柔性体1D和第三柔性体1E的结构相同。
在柔性变形体1上外圈1A与内圈1B之间设置三个结构相同的柔性体(即第一柔性体1C、第二柔性体1D和第三柔性体1E)，且第一柔性体1C、第二柔性体1D和第三柔性体1E之间为两两互成120度分布。
为了方便说明，以第三柔性体1E的结构进行详细说明柔性变形体1的结构设计。参见图5E所示，第三柔性体1E由CA簧片1E1、CB簧片1E2、CC簧片1E3、CD簧片1E4组成。
CA簧片1E1的一端与内圈1B的接合处为C内圈接合点1E5。
CD簧片1E4的另一端与外圈1A的接合处为C外圈接合点1E6。
CA簧片1E1的另一端与CB簧片1E2的一端的接合处为CA拐点1E7。
CB簧片1E2的另一端与CC簧片1E3的一端的接合处为CB拐点1E8。
CC簧片1E3的另一端与CD簧片1E4的一端的接合处为CC拐点1E9。
同理可得，第一柔性体1C由AA簧片、AB簧片、AC簧片、AD簧片组成。
AA簧片的一端与内圈1B的接合处为A内圈接合点1C5。
AD簧片的另一端与外圈1A的接合处为A外圈接合点1C6。
AA簧片的另一端与AB簧片的一端的接合处为AA拐点。
AB簧片的另一端与AC簧片的一端的接合处为AB拐点。
AC簧片的另一端与AD簧片1E4的一端的接合处为AC拐点1C9。
同理可得，第二柔性体1D由BA簧片、BB簧片、BC簧片、BD簧片组成。
BA簧片的一端与内圈1B的接合处为B内圈接合点1D5。
BD簧片的另一端与外圈1A的接合处为B外圈接合点1D6。
BA簧片的另一端与BB簧片的一端的接合处为BA拐点。
BB簧片的另一端与BC簧片的一端的接合处为BB拐点。
BC簧片的另一端与BD簧片的一端的接合处为BC拐点1D9。
在本发明中，与内圈1B接合处的三个拐点(A内圈接合点1C5、B内圈接合点1D5、C内圈接合点1E5)在承载垂直作用力F垂直时，所述三个拐点承载压力为最大，这有利于编码器14进行检测人机交互力的信息。然后最大的压力经三个柔性体(1C、1D、1E)上的簧片结构进行缓冲后，在到达拐点(AC拐点1C9、BC拐点1D9、CC拐点1E9)时承载压力变到最小，这有利于减少对人腿的伤害。柔性变形体的等效应力图如图8A所示。对于柔性体上的簧片结构另一方面也是缓解垂直作用力F垂直与水平作用力F水平在膝关节200处(如图7所示)发生对撞，对人腿膝关节造成伤害，影响穿戴者在康复时的行走步态。
在本发明中，外圈1A作为柔性变形体1的固定端，而内圈1B作为柔性变形体1的施力端，用于承载经传动轴连杆3传递来的垂直作用力F垂直。
本发明设计的柔性变形体1的这种结构能够在力矩较小的情况下发生大变形，从而使得编码器14(即传感器)更方便进行人机交互力的检测，进而提高力检测装置的检测灵敏度。其中三个柔性体(1C、1D、1E)选择一种3－RPR柔性结构，当三个柔性体(1C、1D、1E)和内圈1B相对于外圈1A转动时，3－RPR柔性结构发生压缩或拉伸的弹性变形，有利于缓解水平作用力F水平对穿戴者在康复时的行走步态，从而实现保护穿戴者的下肢。
在本发明中，对柔性变形体1的性能分析如图8A、图8B所示，其对应的柔性变形体1尺寸参数如表1所示。从图8A、图8B中可以看出，该尺寸下的柔性体在承受最大扭矩5Nm下的安全因子为1.176(本发明的安全因子是大于1的)，最大变形角度为4.98°。
表1柔性变形体1尺寸参数
设计参数 T W D1 D2 D3 D4
最优值(mm) 5 1 19 26 33 40
参见图5E所示的柔性变形体1尺寸参数，T为外圈半径，W为内圈半径，D1为CA簧片的曲率直径，D2为CB簧片的曲率直径，D3为CC簧片的曲率直径，D4为CD簧片的曲率直径。
在本发明中，在确定好柔性变形体1的尺寸之后，在workbench软件中，分别施加不同的扭矩负载，通过仿真获得并记录内圈相对于外圈所发生的变形角度，根据仿真结果绘制柔性变形体1的理论刚度曲线，如图9所示，进而可得柔性变形体1所受负载与其变形角度的线性关系十分强烈，且其刚度值为56.38～57.37N/rad，其检测扭矩范围为－5Nm～5Nm，说明柔性变形体1的结构满足设计刚度要求。
本发明通过拓扑优化方法进行设计并优化该人机交互力检测装置的柔性变形体1，使得柔性变形体1更加适用于该下肢外骨骼的人机交互力范围以及检测灵敏度要求，从而使得整个检测结果更加精准且更符合性能要求。
支撑臂2
参见图2、图2A所示，支撑臂2为一体成型结构件。支撑臂2的一端是圆盘端2A，支撑臂2的另一端是矩形连接端2B。圆盘端2A与矩形连接端2B之间是收敛段2E。所述圆盘端2A上设有B沉头腔2C，B沉头腔2C的中心设有B中心通孔2D。
在本发明中，B中心通孔2D用于放置传动轴连杆3的传动轴3C(如图1B、图3、图3A所示)，传动轴3C端部的C沉头腔3D中放置有编码器14的敏感头，而编码器14的壳体固定在B沉头腔2C的B中心通孔2D处。
支撑臂2的矩形连接端2B安装在滑块13上。
传动轴连杆3
参见图3、图3A所示，传动轴连杆3为一体成型结构件。传动轴连杆3的一端是连杆3A，传动轴连杆3的另一端是圆盘连接端3B，圆盘连接端3B上固定安装有柔性变形体1的内连接盘1F。圆盘连接端3B的中心设有传动轴3C。所述传动轴3C的端部设有C沉头腔3D，C沉头腔3D用于放置磁编码器14的敏感头。
连杆3A的端部设有矩形通孔3A1，在矩形通孔3A1处分别设有CA通孔3A2和CB通孔3A3。
传动轴3C上套接有柔性变形体1和支撑臂2。柔性变形体1的一端面是固定安装有端盖4，柔性变形体1的另一端面是固定安装有支撑臂2的圆盘端2A。端盖4中心是D中心通孔4A，所述D中心通孔4A用于传动轴3C穿过。
连杆3A上的矩形通孔3A1中放置有动楔块5的摆臂连接端5B1，并用螺钉顺次穿过CA通孔3A2、动楔块5和CB通孔3A3，达到将动楔块5固定安装在传动轴连杆3的连杆3A上。
在本发明中，将磁编码器14安装在传动轴3C的端部，同时传动轴3C穿过柔性变形体1的中心通孔后与支撑臂2的圆盘端2A固定，此处结构与磁编码器14组合使得人机交互力的检测更精确。本发明采用基于柔性变形体1的间接测量方法。该方法主要是通过特制柔性变形体1将力或力矩形式转化为角度位移形式，最终采用磁编码器检测该角度位移量，来间接获人机交互力信息。磁编码器14选用14位AS5048A磁编码器作为检测装置的传感模块。本发明选择的磁编码器14最小检测交互力为1N，经柔性变形体1后使得本发明设计的人机交互力检测装置的分辨率为0.22Nm。
端盖4
端盖4的中心是D中心通孔4A，所述D中心通孔4A用于传动轴3C穿过。端盖4安装在柔性变形体1另一端的外圈1A上。
动楔块5
参见图4、图4B所示，动楔块5为一体成型结构件。动楔块5的一端是锁体件5A，动楔块5的另一端是摆臂5B。锁体件5A上设有开口锁槽5A1，开口锁槽5A1用于放置静楔块6的FB面板6B，且使F立板6C穿过。锁体件5A的侧面板上设有EA通孔5C，EA通孔5C用于放置锁扣7的锁柱7A。
摆臂5B的端部是摆臂连接端5B1，摆臂连接端5B1上设有EB通孔5B2。摆臂连接端5B1置于连杆3A的矩形通孔3A1中。EB通孔5B2用于螺钉穿过。
静楔块6
参见图4、图4A所示，静楔块6为一体成型结构件。静楔块6上设有FA面板6A、FB面板6B和F立板6C，F立板6C位于FA面板6A与FB面板6B之间。
FB面板6B的侧面板上设有F通孔6B1。F通孔6B1用于放置锁扣7的锁柱7A。
锁扣7
参见图4、图4C所示，锁扣7上设有锁柱7A和拉环7B。
护板11
参见图1、图1A、图1B、图1C、图1D、图1E所示，护板11的两端分别设有KA长条槽11A和KB长条槽11B。护板11的背部设有凸台11C，凸台11C与静楔块6的FA面板6A通过螺钉固定安装。护板11的前部设有缓冲腔11D，缓冲腔11D中设有通孔。
护板11前部的安装面设计成与人体大腿或者小腿相贴合的构型，这有利于穿戴舒适。另一方面，护板11前部的缓冲腔11D设计，起到了吸盘效果，能够缓冲护板11前部与大腿或者小腿的贴合部位在接触时的刚性度。
导轨12
参见图1、图1A、图1B、图1C、图1D、图1E所示，导轨12上活动套接有滑块13。导轨12用于与仿生膝关节下肢外骨骼结构体的腿杆进行连接，本发明设计的人机交互力检测装置的护板与人腿捆绑，这样就通过人机交互力检测装置实现了人腿与仿生膝关节下肢外骨骼结构体的安装。
滑块13
参见图1、图1A、图1B、图1C、图1D、图1E所示，滑块13通过滑槽13A活动套接在导轨12上。滑块13上安装有支撑臂2的矩形连接端2B。
人机交互力检测装置与下肢外骨骼的结合
参见图7所示，将本发明设计的人机交互力检测装置与仿生膝关节下肢外骨骼结构体进行安装：在仿生膝关节下肢外骨骼结构体的大腿杆上安装一本发明设计的人机交互力检测装置(即称为大腿外骨骼压力检测装置100)，在小腿杆上安装一本发明设计的人机交互力检测装置(即称为小腿外骨骼压力检测装置300)，大腿杆与小腿杆之间是膝关节200。垂直作用力F垂直由大腿杆向小腿杆方向施力，大腿外骨骼压力检测装置100和小腿外骨骼压力检测装置300上都存在有水平作用力F水平。
大腿外骨骼压力检测装置100通过导轨安装在大腿杆外侧，另一端通过护板与人体大腿捆绑，这样可以增大大腿上经传动轴连杆传送至柔性变形体上的变形力的角度位移检测。
小腿外骨骼压力检测装置300通过导轨安装在大腿杆外侧，另一端通过护板与人体小腿捆绑，这样可以增大小腿上经传动轴连杆传送至柔性变形体上的变形力的角度位移检测。
如图7所示，在穿戴者的人腿上下分别安装本发明设计的人机交互力检测装置，其目标是实时精准地获取下肢康复外骨骼机器人对人腿所施加的作用力。
本发明所设计的人机交互力检测装置将较难检测的力/力矩信号转化为容易检测的角度位移信号，这使得整个检测设备检测过程与原理更加简便，检测结果也更加精准。
本发明的一种对下肢外骨骼进行人机交互力检测的装置与传统的人机交互信息检测的优点在于：传统的检测人机交互信息方法是直接在人腿与外骨骼腿杆接触处添加压敏传感器，以此来直接获得外骨骼施加在人腿上的力。然而由于人腿组织属于一种软体组织，在实际运动过程中，人与机器之间的相对状态存在着极大的不确定性，进而导致检测信号不稳定且噪音比高等缺点。虽然这种不确定性可以通过提高人腿绑带压力来改善，但长时间的高压捆绑会对人腿血液循环及新陈代谢带来不好的影响，使得穿戴者的穿戴体验大大降低。而本发明所设计的检测装置可避免与人腿直接接触，从而更好地保证所检测信息的准确性。

Claims (6)

1.一种对下肢外骨骼进行人机交互力检测的装置，其特征在于包括有柔性变形体(1)、支撑臂(2)、传动轴连杆(3)、动楔块(5)、静楔块(6)、锁扣(7)、磁编码器(14)、护板(11)、导轨(12)、滑块(13)；
柔性变形体(1)为一体成型结构件；柔性变形体(1)为盘式柔性体结构设计；柔性变形体(1)上设有外圈(1A)、内圈(1B)、第一柔性体(1C)、第二柔性体(1D)、第三柔性体(1E)、内连接盘(1F)、凹圆柱(1G)；
柔性变形体(1)一端的外圈(1A)上安装有支撑臂(2)的圆盘端(2A)；柔性变形体(1)另一端的外圈(1A)上安装有端盖(4)；柔性变形体(1)的内连接盘(1F)安装在传动轴连杆(3)的圆盘连接端(3B)上；
在柔性变形体(1)上外圈(1A)与内圈(1B)之间设置三个结构相同的第一柔性体(1C)、第二柔性体(1D)和第三柔性体(1E)，且第一柔性体(1C)、第二柔性体(1D)和第三柔性体(1E)之间为两两互成120度分布；
第三柔性体(1E)由CA簧片(1E1)、CB簧片(1E2)、CC簧片(1E3)、CD簧片(1E4)组成；CA簧片(1E1)的一端与内圈(1B)的接合处为C内圈接合点(1E5)；CD簧片(1E4)的另一端与外圈(1A)的接合处为C外圈接合点(1E6)；CA簧片(1E1)的另一端与CB簧片(1E2)的一端的接合处为CA拐点(1E7)；CB簧片(1E2)的另一端与CC簧片(1E3)的一端的接合处为CB拐点(1E8)；CC簧片(1E3)的另一端与CD簧片(1E4)的一端的接合处为CC拐点(1E9)；
支撑臂(2)为一体成型结构件；支撑臂(2)的一端是圆盘端(2A)，支撑臂(2)的另一端是矩形连接端(2B)；圆盘端(2A)与矩形连接端(2B)之间是收敛段(2E)；所述圆盘端(2A)上设有B沉头腔(2C)，B沉头腔(2C)的中心设有B中心通孔(2D)；B中心通孔(2D)用于放置传动轴连杆(3)的传动轴(3C)；
支撑臂(2)的矩形连接端(2B)安装在滑块(13)上；
传动轴连杆(3)为一体成型结构件；传动轴连杆(3)的一端是连杆(3A)，传动轴连杆(3)的另一端是圆盘连接端(3B)；圆盘连接端(3B)的中心设有传动轴(3C)；所述传动轴(3C)的端部设有C沉头腔(3D)，C沉头腔(3D)用于放置磁编码器(14)的敏感头；
连杆(3A)的端部设有矩形通孔(3A1)，在矩形通孔(3A1)处分别设有CA通孔(3A2)和CB通孔(3A3)；
传动轴(3C)一端穿过端盖(4)的D中心通孔(4A)后套接上柔性变形体(1)和支撑臂(2)；
连杆(3A)上的矩形通孔(3A1)中放置有动楔块(5)的摆臂连接端(5B1)，并用螺钉顺次穿过CA通孔(3A2)、动楔块(5)和CB通孔(3A3)，达到将动楔块(5)固定安装在传动轴连杆(3)的连杆(3A)上；
动楔块(5)为一体成型结构件；动楔块(5)的一端是锁体件(5A)，动楔块(5)的另一端是摆臂(5B)；锁体件(5A)上设有开口锁槽(5A1)，开口锁槽(5A1)用于放置静楔块(6)的FB面板(6B)，且使F立板(6C)穿过；锁体件(5A)的侧面板上设有EA通孔(5C)，EA通孔(5C)用于放置锁扣(7)的锁柱(7A)；
摆臂(5B)的端部是摆臂连接端(5B1)，摆臂连接端(5B1)上设有EB通孔(5B2)；摆臂连接端(5B1)置于连杆(3A)的矩形通孔(3A1)中；EB通孔(5B2)用于螺钉穿过；
静楔块(6)为一体成型结构件；静楔块(6)上设有FA面板(6A)、FB面板(6B)和F立板(6C)，F立板(6C)位于FA面板(6A)与FB面板(6B)之间；
FB面板(6B)的侧面板上设有F通孔(6B1)；F通孔(6B1)用于放置锁扣(7)的锁柱(7A)；
锁扣(7)上设有锁柱(7A)和拉环(7B)；
护板(11)的两端分别设有KA长条槽(11A)和KB长条槽(11B)；护板(11)的背部设有凸台(11C)，凸台(11C)与静楔块(6)的FA面板(6A)通过螺钉固定安装；护板(11)的前部设有缓冲腔(11D)，缓冲腔(11D)中设有通孔；
导轨(12)上活动套接有滑块(13)；导轨(12)用于与仿生膝关节下肢外骨骼结构体进行连接；
滑块(13)通过滑槽(13A)活动套接在导轨(12)上；滑块(13)上安装有支撑臂(2)的矩形连接端(2B)。
2.根据权利要求1所述的对下肢外骨骼进行人机交互力检测的装置，其特征在于：与内圈(1B)接合处的A内圈接合点(1C5)、B内圈接合点(1D5)和C内圈接合点(1E5)在承载垂直作用力F垂直时，所述三个拐点承载压力为最大。
3.根据权利要求1所述的对下肢外骨骼进行人机交互力检测的装置，其特征在于：柔性变形体(1)在承受最大扭矩5Nm下的安全因子为1.176。
4.根据权利要求1所述的对下肢外骨骼进行人机交互力检测的装置，其特征在于：柔性变形体(1)的刚度值为56.38～57.37N/rad，其检测扭矩范围为－5Nm～5Nm。
5.根据权利要求1所述的对下肢外骨骼进行人机交互力检测的装置，其特征在于：在磁编码器(14)最小检测交互力为1N，经柔性变形体(1)后使得所述的人机交互力检测装置的分辨率为0.22Nm。
6.根据权利要求1所述的对下肢外骨骼进行人机交互力检测的装置，其特征在于：磁编码器(14)选用14位AS5048A磁编码器。
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