CN117653506A - 一种套索柔顺驱动的下肢多关节外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人技术领域，尤其涉及一种套索柔顺驱动的下肢多关节外骨骼机器人。该外骨骼机器人包括外骨骼服、柔顺驱动装置、套管固定装置、套索固定装置、套索、套索换向装置和小腿后侧机械离合器。该外骨骼机器人采用套索传动，具有结构紧凑、重量轻、应用灵活等特点，可实现人体髋关节、膝关节主动助力，踝关节被动助力，且可实现踝关节驱动模式与自由运动模式的切换。

Description

一种套索柔顺驱动的下肢多关节外骨骼机器人

技术领域

本发明涉及医疗康复助力器械技术领域，尤其涉及一种套索柔顺驱动的下肢多关节外骨骼机器人。

背景技术

近几年来，外骨骼机器人成为了医疗康复领域的研究热点，可以辅助患者进行运动，增强人体机能，减轻医生压力，提高康复效率和效果，提升患者生活质量。

外骨骼是一种穿戴于人体肢体或躯干外部，与人体协同运动，为人体提供支撑并且辅助肢体运动，全面提升人体机能的人机交互式机器人系统。传统的刚性外骨骼通常采用大量金属刚性结构，虽然有良好的助力效果和运动精度，但刚性外骨骼惯性大，干扰步态，机械关节与人体关节错位等问题影响其应用与发展。

在专利公开号为CN110053019A的发明专利申请中，公开了一种膝关节外骨骼助力机构，由背包式驱动机构、大腿外骨骼、小腿外骨骼、套索组成，利用电机带动绕线盘转动实现对膝关节的伸展和弯曲进行助力。但由于是一个电机驱动一个关节的一个运动，使得驱动装置重量较大，便携性效果比较差。

在专利公开号为CN113681539 A的发明专利中，公开了一种对跖屈运动和髋屈运动助力下肢外骨骼。根据动态改变辅助力加载路径的需求，设计了自动绕线器，基于双向驱动器和自动绕线器的特点，实现了一个电机对多个关节运动进行助力。减少了电机的数量，但主动绕线器的加入使得外骨骼的总重量基本没有降低。而且由于一个电机对多关节助力的原因，使得自动绕线器的开合控制较为复杂。

在专利公开号为CN 213157438 U的实用新型专利中，公开了一种基于鲍登线传动的踝关节助力外骨骼，助力器的设计原理基于hill肌肉模型，为了避免影响肌腱的储能和释放功能，减少对步态的影响，将助力器助力的时间设定在步态周期的40％～60％之间。之后将助力器分类成两种，分别应用于自由行走和负重行走辅助的踝关节助力器。但由于只对踝关节助力使得没有将小腿受到的力转移到足底或其他地方，增加了穿戴的不适感。

因此，针对上述存在的一些技术问题，需要设计出一种助力下肢多关节、满足人体运动学特征的柔性下肢多关节外骨骼机器人，克服传统刚性外骨骼和上述柔性外骨骼存在的缺陷。

发明内容

本发明提供了一种套索柔顺驱动的下肢多关节外骨骼机器人，能够满足人体运动学特性，解决了现有技术中存在的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种套索柔顺驱动的下肢多关节外骨骼机器人，包括外骨骼服、柔顺驱动装置、套索机构和小腿后侧机械离合器装置；

所述柔顺驱动装置包括双向绕线盘、串联弹性单元、套索预紧螺栓、减速器、电机和驱动装置；所述套索机构包括套管、套索、套管固定装置、套索固定装置和套索换向装置，所述套索穿设于套管内；所述柔顺驱动装置牵动套索实现对外骨骼服内人体下肢关节活动的助力。

进一步地，所述套索直径为1.2mm、套管外径为4mm；双向绕线盘内径10mm，外径80mm，厚度13mm，材料选用铝合金，侧面开有安放套索的固定槽。串联弹性单元内径15mm，外径80mm，厚6mm，串联弹性单元内圈与外圈都开有直径为3mm的孔用于连接，采用高屈服强度的马氏体时效钢300作为串联弹性单元的材料。各支架、支撑架的材料选用铝合金，为了便于各部分之间的连接，各支架开有直径3mm的光孔。

进一步地，所述驱动装置为电机控制器。

进一步地，所述外骨骼服包括腰带模块、大腿模块、小腿模块、脚踝模块以及在各模块之间起连接和传递力作用的模块间传力带。

进一步地，在腰带模块前侧、大腿模块前侧、大和小腿模块的左右两侧均设有尼龙搭扣。各模块采用柔性高强度的尼龙、棉纶材料作为基底。各模块背面缝制魔术贴与外骨骼服内衬连接，正面基底上缝制“V”型与倒“A”型尼龙织带。

进一步地，在腰带模块、大腿模块、小腿模块两侧设有魔术贴；脚踝模块采用尼龙织带与尼龙搭扣结合。为了便于脚踝模块与套索固定装置的连接，在脚踝模块的后侧开有小孔。

进一步地，各个模块通过两侧的弹性魔术贴与背面的魔术贴，固定在外骨骼服内衬基底对应的位置上。

进一步地，模块间传力带为垂直尼龙带。

进一步地，所述柔顺驱动装置设于腰带模块后侧，包括对称设置的两组，在各双向绕线盘的两线槽内环绕设置两套索；所述腰带模块包括腰部后内衬和与腰部后内衬两侧相连的腰部前绑带，在腰部后内衬后侧设置腰部调直板，在腰部调直板后侧设置腰部固定板，在腰部固定板上支撑设置电机支撑架，在腰部固定板上方的腰部后内衬上支撑设置驱动装置支架，所述减速器、电机经电机支撑架固定，所述驱动装置经驱动装置支架固定；在腰部固定板两侧设置套索导向板，在套索导向板上设置套索预紧螺栓固定支架，所述套索预紧螺栓经套索预紧螺栓固定支架固定。

进一步地，所述腰部固定板包括腰部左固定板和腰部右固定板。

进一步地，通过电机正反转，带动双绕线盘转动，实现下肢外骨骼对左右腿相同关节同一运动进行助力。

进一步地，在套索预紧螺栓固定支架安装预紧螺栓，通过拧紧或放松预紧螺栓来调节驱动套索的松紧，从而可以为系统提供预紧力，调节套索传动系统进入张紧状态。

进一步地，承载驱动装置的驱动装置支架底板采用碳纤维板，可以在保证强度和刚度足够的前提下，大大减轻装置的重量，提升该装置的便携性和穿戴体验。

进一步地，所述套管固定装置设于所述大腿模块后侧，所述套索固定装置包括设于大腿模块后侧的第一套索固定装置、设于小腿模块后侧的第二套索固定装置和设于脚踝模块后侧的第三套索固定装置；所述套索换向装置设于所述大腿模块后侧；

所述套索包括右髋套索、左髋套索、右膝套索、左膝套索、离合器套索和鞋连接套索。

进一步地，在套管固定装置上设置用于包覆右髋套索上部和左髋套索上部的第一套管和用于包覆右膝套索上部和左膝套索上部的第二套管；各套管底端经套管固定装置固定，各套管顶端与套索导向板底端相连。

进一步地，所述右髋套索、左髋套索设于一侧的双向绕线盘上；所述右膝套索、左膝套索设于另一侧的双向绕线盘上。

进一步地，所述套管固定装置为带阶梯孔的套管固定支架，所述阶梯孔用于固定套管以及供大腿模块后侧与小腿模块后侧的套索穿过。

进一步地，所述套索换向装置包括髋关节换向机构和膝关节换向机构。

进一步地，在髋关节换向机构、膝关节换向机构的上方和下方均设有惯性测量单元IMU模块，用于实时测量髋关节伸展角度和膝关节弯曲角度。

进一步地，在减速器的输出轴上设置用于测量角位移的角位移传感器，在角位移传感器外侧套接所述双向绕线盘和串联弹性单元；所述双向绕线单元经螺栓与串联弹性单元连接，所述串联弹性单元经法兰连接于减速器输出轴外侧；在套索与套索固定装置之间设有拉力传感器，用于测量驱动装置产生的力。

进一步地，第一套管固定于腰带模块后侧下方的套管固定装置上，套管在此固定，相应套管内的套索则延伸连接至大腿模块后侧与第一套索固定装置相连的拉力传感器上。同理，对膝关节进行助力的第二套管在大腿后侧套管固定装置被固定，相应第二套索延伸连接至小腿后侧与第二套索固定装置相连的拉力传感器上。

进一步地，所述电机为M3508直流无刷减速电机。

进一步地，在双向绕线盘的侧面薄壁桶中安装的所述角位移传感器测量双向绕线盘转动的角度。

进一步地，通过上述串联弹性单元的结构具有变形能力的内外圈弹性梁和变形体分别与输入、输出端连接来完成扭矩传递，外圈与双向绕线盘相连，内圈与减速器输出法兰相连，弹性体内圈与外圈之间通过U形弹性结构相连，连接处使用相切圆和矩形槽。这使得在扭矩作用下，U形弹性结构会均匀地发生拉伸或压缩，从而使弹性体压缩或拉伸受力分布均匀。当达到设定的变形角度后，内圈与外圈通过限位梁限位，同时传递串联弹性元件扭矩与电机扭矩，实现缓冲冲击的作用。

进一步地，所述角位移传感器、拉力传感器均与电机控制器电连接。

进一步地，所述小腿后侧机械离合器装置包括离合器底板、棘爪、棘轮、离合器螺栓、离合器绕线盘、离合器套索、扭簧、棘轮转动轴和转轴固定封口。

进一步地，所述小腿后侧机械离合器装置设于所述小腿模块的后侧。

进一步地，小腿后侧机械离合器除螺栓外其余零件皆采用未来工厂的7500高性能尼龙材料经过3D打印技术加工。

进一步地，离合器底板中间开有直径为7mm的通孔和深2.5mm的扭簧槽，四端设有直径为3mm连接孔，在底板的右侧设有高6mm，直径为3mm的圆柱形限位块，离合器底板的背面开有内切圆直径为11mm、深1.5mm的正六边形槽，离合器底板直角位置都做半径为1mm的圆角处理。

进一步地，棘爪底端设有直径为3mm连接孔，为避免应力集中，棘爪顶端做圆角处理。为提高小腿后侧机械离合器的整体性，棘轮与绕线盘采用3D打印一体成型，棘轮的平台右侧设有直径为3mm的螺纹孔与限位块，在离合器绕线盘的背面开有直径为7mm、深6.5mm的转轴孔与扭簧槽，离合器绕线盘侧面开有安放离合器套索的固定槽。

进一步地，离合器螺栓采用直径为3mm的内六角螺栓。扭簧选用外径为14mm，线径为1.4mm，圈数为6圈的扭簧。棘轮转动轴一端为六边形，一端开有直径为3mm，用于连接转轴固定封口的螺纹孔。

进一步地，在踝关节背屈时，离合器套索拉动离合器绕线盘顺时针转动，使得棘爪与棘轮啮合，离合器内部扭簧发生变形，辅助弹簧被拉长储存弹性势能。当踝关节跖屈时，弹簧的弹性势能释放助力踝关节跖屈运动。当弹簧恢复至原长时，离合器内部的扭簧恢复变形，棘轮移动至初始位置，使得在人体行走摆动期时，离合器不会影响脚踝自由运动。

进一步地，采用轻质，不易变形的柔性材料来设计上述外骨骼服。以氨纶材质的紧身裤为基底，采用高密度尼龙织带、魔术贴、拉链、氯丁橡胶、泡沫垫等材料的组合构成外骨骼服的不同模块。氨纶材质的紧身裤具有良好的弹性和包裹性，可以通过产生弹性变形来适应穿戴者不同的体型。

进一步地，将拉力传感器的数据线采用拉链沿着布线路径封闭起来，可以做到有效藏线。氯丁橡胶可以在腰带模块的骨盆髂骨处布置以起到缓冲的作用。

进一步地，为了提高各模块的刚度，减小外骨骼服的变形，减少人体在锚点位置的不适感，在各模块的基底上沿力传递方向缝制“V”型或“A”尼龙织带。在“V”型或“A”尼龙织带顶端缝制套索固定装置与套管固定装置，在“V”型或“A”尼龙织带缝制尼龙搭扣用于连接传力带。

本发明的有益效果：

在本发明的技术方案中采用了仿生学结构，从hill肌肉模型理论出发，结合套索(鲍登线)传动的特点，研制了一款适用于柔性下肢外骨骼的套索人工肌肉。利用柔顺驱动装置的电机正反转，带动双向绕线盘转动，使得外骨骼适用于人体下肢的两条腿，并且减少了电机的数量，节省了成本。该技术方案实现了人体关节仿生结构，设计的串联弹性单元在传递电机扭矩的同时，能够缓冲外界冲击和扰动，提升穿戴者的舒适性和安全性。另外，本发明的下肢外骨骼采用的套索驱动，使得驱动装置可以作为背包背在穿戴者身上，从而使驱动装置远离驱动关节，减低下肢各关节的运动惯性。其轻量化的设计使得因自身重量所带来的消耗降低。相比刚性外骨骼关节轴心与人体关节无法对齐，会对人体的肌肉产生额外的负担，生物关节和外骨骼关节的静态错位，引起疼痛甚至对使用者照成伤害，本发明在人体下肢采用套索与锚点结合取代刚性外骨骼关节，解决了外骨骼关节轴心与人体关节无法对齐的问题。

附图说明

图1是该下肢多关节外骨骼机器人穿戴在人体上的示意图，并展示了人体的正面；

图2是该下肢多关节外骨骼机器人穿戴在人体上的示意图，并展示了人体的背面；

图3是本发明外骨骼服示意图；

图4是本发明外骨骼服腰带模块结构示意图；

图5是本发明外骨骼服大腿模块结构示意图；

图6是本发明外骨骼服小腿模块结构示意图；

图7是本发明驱动装置示意图；

图8是是本发明串联弹性单元结构示意图；

图9是本发明双向绕线盘结构示意图；

图10是本发明双向绕线盘剖视图；

图11是本发明套管固定装置结构示意图；

图12是图11俯视结构示意图；

图13是图12中A-A向剖视结构示意图；

图14是本发明套索固定装置结构示意图；

图15是本发明套索换向装置结构示意图；

图16是本发明小腿后侧机械离合器装置正视图；

图17是本发明小腿后侧机械离合器装置后视图；

图18是本发明小腿后侧机械离合器装置爆炸视图；

图19是本发明串联弹性单元驱动原理图。

图中，1外骨骼服、2柔顺驱动装置、3套管固定装置、4套索固定装置、5套索换向装置、6小腿后侧机械离合器装置、7人体、110腰带模块、120大腿模块、130小腿模块、140脚踝模块、150垂直尼龙带、160外骨骼服内衬；111腰带模块基底、112氯丁橡胶缓冲垫、113腰带模块魔术贴、114腰带模块尼龙传力带、115腰带模块尼龙搭扣、116腰带模块套管外圈固定块；1101腰部后内衬、1102腰部前绑带、1103腰部调直板、1104腰部固定板；121大腿模块魔术贴毛面、123大腿模块尼龙传力带、124大腿模块尼龙搭扣、125大腿模块基底、126大腿模块魔术贴钩面、127大腿模块套管外圈固定块；131小腿模块魔术贴毛面、132小腿模块基底、134小腿模块尼龙传力带、135小腿模块尼龙搭扣、136小腿模块魔术贴钩面；21背带连接杆、22角位移传感器、23串联弹性单元、231外圈、232内圈、233U形弹性结构、24减速器固定支架、25减速器、26电机、27电机支撑架、28电机控制器支架、29套索预紧螺栓、210套索预紧螺栓固定支架、212套索、2120右髋套索、2121左髋套索、2122右膝套索、2123左膝套索、2124鞋连接套索、213双向绕线盘；30套索导向板、301第一套管、302第二套管；31套索固定块；41第一套索固定装置、42第二套索固定装置、43第三套索固定装置、401套索固定轴、402套索固定装置底盘；51U型槽滑轮、52滑轮固定轴、53套索换向装置底板；501髋关节换向装置、502膝关节换向装置；61棘轮转动轴、62离合器底板、621圆柱形限位块、622转轴孔、623扭簧槽、63扭簧、64离合器套索、65棘轮-绕线盘、66转轴固定封口、67离合器螺栓、68棘爪。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，结合附图,对本发明进行详细阐述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“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，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1-图19所示，该套索柔顺驱动的下肢多关节外骨骼机器人包括外骨骼服1、柔顺驱动装置2、套管固定装置3、套索固定装置4、套索换向装置5和小腿后侧机械离合器装置6，该外骨骼可穿戴在人体7身上。

参见图3-图6，上述外骨骼服1包括：腰带模块110、大腿模块120、小腿模块130、脚踝模块140以及在各个模块之间起到连接和传递力作用的垂直尼龙带150。腰带模块110前侧设置腰带模块尼龙搭扣115，大腿模块120前侧以及大腿模块左、右两侧设有大腿模块尼龙搭扣124，在小腿模块及小腿模块左、右两侧设置小腿模块尼龙搭扣135。各模块采用柔性高强度的尼龙、棉纶材料作为基底，包括腰带模块基底111、大腿模块基底125、小腿模块基底132。各模块背面缝制魔术贴与外骨骼服内衬160连接，正面基底上缝制“V”型与倒“A”型尼龙织带。在腰带模块基底111上设置氯丁橡胶缓冲垫112。在腰带模块上还设置腰带模块尼龙传力带114，在大腿模块上设置大腿模块尼龙传力带123、在小腿模块上设置小腿模块尼龙传力带134。腰带模块110、大腿模块120、小腿模块130两侧分别设有腰带模块魔术贴113、大腿模块魔术贴毛面121,大腿模块魔术贴钩面126、小腿模块魔术贴毛面131,小腿模块魔术贴钩面136。脚踝模块140采用尼龙织带与尼龙搭扣结合，为了便于脚踝模块与套索固定装置的连接，在脚踝模块的后侧开有小孔。

参见图7-图10、图19，在上述腰带模块110上设置腰部后内衬1101和与腰部后内衬两侧相连的腰部前绑带1102，在腰部后内衬后侧设置腰部调直板1103，在腰部调直板后侧的两端设置腰部固定板1104。所述腰部固定板包括腰部左固定板和腰部右固定板。

所述柔顺驱动装置2设于腰部后内衬1101后侧，包括对称设置的两组。柔顺驱动装置包括：套索212、双向绕线盘213、串联弹性单元23、套索预紧螺栓29、套索预紧螺栓固定支架210、减速器固定支架24、减速器25、电机26、电机支撑架27、电机控制器及电机控制器支架28，此处电机控制器支架可以选用一横向调节板，主要与设于腰部后内衬上的背带连接杆21固定，并可经螺栓与背带连接杆实现横向位置调节，图7中未示出电机控制器。在背带连接杆上设置背带。

上述套索212直径为1.2mm、套管212外径为4mm；双向绕线盘213内径10mm，外径80mm，厚度13mm，材料选用铝合金，侧面开有安放套索212的固定槽。串联弹性单元23内径15mm，外径80mm，厚6mm，串联弹性单元23内圈与外圈都开有直径为3mm的孔用于连接，采用高屈服强度的马氏体时效钢300作为弹性单元的材料。各支架、支撑架的材料选用铝合金，为了便于各部分之间的连接，各支架开有直径3mm的光孔。

上述电机支撑架27设于腰部固定板上，电机控制器支架28设于腰部固定板上方的腰部后内衬上，与背带连接杆21固定；所述减速器、电机经电机支撑架固定，所述电机控制器经电机控制器支架28固定；在腰部固定板两侧设置套索导向板30，在套索导向板上设置套索预紧螺栓固定支架210，所述套索预紧螺栓29经套索预紧螺栓固定支架210固定。套索导向板和套索预紧螺栓固定支架可以一体成型为一个板体。通过拧紧或放松套索预紧螺栓29来调节驱动套索212的松紧，从而可以为系统提供预紧力，调节套索传动系统进入张紧状态。对于具有两个线槽的双向绕线盘213，通过电机26的正反转带动双向绕线盘213转动，实现下肢外骨骼对左、右腿相同关节同一运动进行助力。

在减速器的输出轴上设置用于测量角位移的角位移传感器22，在角位移传感器外侧套接所述双向绕线盘213和串联弹性单元23，角位移传感器进一步安装于双向饶线盘213侧面薄壁桶中。所述双向绕线盘经螺栓与串联弹性单元连接，所述串联弹性单元经法兰连接于减速器25输出轴外侧；在套索212与套索固定装置4之间还设置拉力传感器(图中未示出)，可用于测量柔顺驱动装置产生的力。

上述在双向绕线盘213的侧面薄壁桶中安装的角位移传感器211测量双向绕线盘转动的角度。通过串联弹性单元23具有变形能力的内外圈弹性梁和变形体分别与输入输出端连接来完成扭矩传递，串联弹性单元的外圈231与绕线盘213相连，串联弹性单元的内圈232与减速器25输出法兰相连，上述弹性体的内圈与外圈之间通过U形弹性结构233相连，连接处使用相切圆和矩形槽，具体参见图8_。这使得在扭矩作用下，U形弹性结构233会均匀地发生拉伸或压缩,从而使弹性体的内、外圈压缩或拉伸受力分布均匀。当达到设定的变形角度后，串联弹性单元的内圈232与外圈231通过外圈上的限位梁限位，同时传递串联弹性单元元件扭矩与电机扭矩，从而实现缓冲冲击的作用。

在本发明实施方式中，利用电机自带编码器和双向绕线盘侧面安装的角位移传感器测量串联弹性单元内外圈的转动角度差△θ，再根据τ＝k×△θ可测得驱动力矩。

参见图11-图15，示出了本发明套管固定装置3、套索固定装置4及套索换向装置5的结构。所述套管固定装置3设于所述大腿模块120后侧。结合图2、图5和图6，所述套索固定装置4包括设于大腿模块120后侧的第一套索固定装置41、设于小腿模块后侧的第二套索固定装置42和设于脚踝模块后侧的第三套索固定装置43。所述套索换向装置5设于所述大腿模块120后侧。结合图2和图7，所述套索212包括第一套索、第二套索、离合器套索64和鞋连接套索2124，第一套索包括右髋套索2120、左髋套索2121，第二套索包括右膝套索2122、左膝套索2123。在套管固定装置3上设置用于包覆第一套索上部，即包覆右髋套索2120上部和左髋套索2121上部的第一套管301，以及用于包覆第二套索上部即包覆右膝套索2122上部和左膝套索2123上部的第二套管302；各套管底端经套管固定装置固定，各套管顶端与套索导向板30底端相连。在腰带模块110上设置腰带模块套管外圈固定块116，在大腿模块120上设置大腿模块套管外圈固定块127，以此实现两套管中部的进一步固定。进一步地，第一套管301固定于腰带模块后侧下方的套管固定装置上，该套管在此固定，相应套管内的第一套索则延伸连接至大腿模块后侧与第一套索固定装置41相连的拉力传感器上。同理，对膝关节进行助力的第二套管在大腿后侧套管固定装置被固定，相应第二套索延伸连接至小腿后侧与第二套索固定装置42相连的拉力传感器上。将拉力传感器的数据线采用拉链沿着布线路径封闭起来，可以做到有效藏线。图中未示出拉力传感器，不影响本领域技术人员对前述技术的理解。

结合图11-图13，套管固定装置3包括M3螺栓、套索固定块31。套索固定块采用未来工厂的7500高性能尼龙材料经过3D打印技术加工，套索固定块下侧设有直径为3mm的用于固定套索固定块的孔，上侧设有直径为3mm的孔用于固定套管。腰带模块110后侧及大腿模块后侧的的套管固定装置均为带阶梯孔的套管固定支架，阶梯孔用于固定套管以及供大腿模块后侧与小腿模块后侧的相应套索穿过。

结合图14，各套索固定装置包括套索固定轴401、套索固定装置底盘402，均采用未来工厂的7500高性能尼龙材料经过3D打印技术加工，在装置的转角处加工半径1mm的圆角，在固定装置的底部设有直径为2mm的用来固定固定装置的孔。

结合图15，套索换向装置包括：U型槽滑轮51、滑轮固定轴52、套索换向装置底板53。套索换向装置底板53设有直径为2mm的孔，两侧设有直径为4mm的螺栓孔，在支架的转角处加工半径为1mm的圆角。

上述右髋套索2120、左髋套索2121设于一侧的双向绕线盘上，具体为柔顺驱动装置左侧的双向绕线盘上；所述右膝套索2122、左膝套索2123设于另一侧的双向绕线盘上。

上述套索换向装置5包括髋关节换向装置501和膝关节换向装置502。在髋关节换向装置、膝关节换向装置的上方和下方均设有惯性测量单元IMU模块，用于实时测量髋关节伸展角度和膝关节弯曲角度。

参见图16-图18，示出的小腿后侧机械离合器装置6包括离合器底板62、棘爪68、棘轮-绕线盘65、离合器螺栓67、扭簧63、棘轮转动轴61和转轴固定封口66，在棘轮-绕线盘上设有离合器套索64。该小腿后侧机械离合器装置设于所述小腿模块130的后侧。

上述离合器底板62中间开有直径为7mm的通孔和深2.5mm的扭簧槽；四端设有直径为3mm连接孔；在离合器底板的右侧设有高6mm，直径为3mm的圆柱形限位块621；离合器底板的背面开有内切圆直径为11mm、深1.5mm的正六边形槽，用于安装六角螺栓；离合器底板直角位置都做半径为1mm的圆角处理。

棘爪68底端设有直径为3mm连接孔，为避免应力集中，棘爪顶端做圆角处理。为提高小腿后侧机械离合器的整体性，棘轮与绕线盘采用3D打印一体成型，在离合器绕线盘的背面开有直径为7mm、深6.5mm的转轴孔622与扭簧槽623，离合器绕线盘侧面开有安放离合器套索的固定槽。

上述扭簧选用外径为14mm，线径为1.4mm，圈数为6圈的扭簧。棘轮转动轴一端为六边形，一端开有直径为3mm，用于连接转轴固定封口的螺纹孔。

在踝关节背屈时，离合器套索64拉动离合器绕线盘顺时针转动，使得棘爪68与棘轮啮合，离合器内部扭簧63发生变形，辅助弹簧被拉长储存弹性势能。当踝关节跖屈时，弹簧的弹性势能释放助力踝关节跖屈运动。当弹簧恢复至原长时，离合器内部的扭簧恢复变形，棘轮移动至初始位置，使得在人体行走摆动期时，离合器不会影响脚踝自由运动。

在本发明的实施方式中，串联弹性单元与小腿后侧离合器装置处的辅助弹簧代表肌腱和其他肌纤维组织，套索预紧螺栓代表肌纤维的被动成分，其实现人体关节仿生的方式如下：电机带动减速器转动时，减速器与串联弹性单元内圈相连，内圈转动一定角度后带动与外圈相连的双向绕线盘转动；绕线盘的转动会拉动套索，从而为髋关节屈曲与膝关节弯曲运动提供力矩，而通过拧紧或放松套索预紧螺栓29来调节驱动套索的松紧，从而可以为系统提供预紧力，调节套索传动系统进入张紧状态，从而使得该技术方案的形变更加接近人体生物肌肉的运动变化。设计的串联弹性单元23在传递电机扭矩的同时，能够缓冲外界冲击和扰动，提升穿戴者的舒适性和安全性。具体地，在电机带动双向绕线盘转动时，两双向绕线盘同步转动，分别与两双向绕线盘缠绕固定的相应套索配合，实现对下肢关节的拉动进而实现腿部弯曲、直立动作的完成。如左腿被拉动弯曲动作如下：两电机分别一同转动，右侧电机正转，与右侧电机相连的右侧的双向绕线盘收缩与左腿小腿模块连接的左膝套索2123，左膝套索进而牵动左腿膝关节弯曲，与此同时，左侧电机正转，与左侧电机相连的左侧双向绕线盘拉动收缩与右腿大腿模块上侧的髋部所连接的右髋套索2120，对不动的右腿起到一定拉动支撑效果，而与左腿大腿模块上侧相连的左髋套索2121则因左侧电机转动实现一定伸长方向，较好的配合了弯曲的左腿髋部位置会带动左髋套索拉伸的动作。电机反转时，上述左腿的弯曲动作在逐渐恢复伸展的过程中，相应的左膝套索拉紧力逐渐回复，左腿完整一个动作过程；与此同时，逐渐被右侧电机反转牵动的右膝套索2122牵动右腿膝关节弯曲，左侧电机反转则逐渐牵动左腿后侧左髋套索2121的拉动，实现对回复直立不再动作的左腿一定拉动稳固支撑，进而按照前述原理完成另一侧腿部的弯曲。整个过程中，双向绕线盘上的相应套索的拉动，较好实现了下肢活动的助力。

上述具体实施方式不能作为对本发明保护范围的限制，对于本技术领域的技术人员来说，对本发明实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在本发明的保护范围内。

本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种套索柔顺驱动的下肢多关节外骨骼机器人，其特征在于，包括外骨骼服、柔顺驱动装置、套索机构和小腿后侧机械离合器装置；

所述柔顺驱动装置包括双向绕线盘、串联弹性单元、套索预紧螺栓、减速器、电机和驱动装置；所述套索机构包括套管、套索、套管固定装置、套索固定装置和套索换向装置，所述套索穿设于套管内；所述柔顺驱动装置牵动套索实现对外骨骼服内人体下肢关节活动的助力。

2.根据权利要求1所述的套索柔顺驱动的下肢多关节外骨骼机器人，其特征在于，所述外骨骼服包括腰带模块、大腿模块、小腿模块、脚踝模块以及在各模块之间起连接和传递力作用的模块间传力带。

3.根据权利要求2所述的套索柔顺驱动的下肢多关节外骨骼机器人，其特征在于，所述柔顺驱动装置设于腰带模块后侧，包括对称设置的两组，在各双向绕线盘的两线槽内环绕设置两套索；所述腰带模块包括腰部后内衬和与腰部后内衬两侧相连的腰部前绑带，在腰部后内衬后侧设置腰部调直板，在腰部调直板后侧设置腰部固定板，在腰部固定板上支撑设置电机支撑架，在腰部固定板上方的腰部后内衬上支撑设置驱动装置支架，所述减速器、电机经电机支撑架固定，所述驱动装置经驱动装置支架固定；在腰部固定板两侧设置套索导向板，在套索导向板上设置套索预紧螺栓固定支架，所述套索预紧螺栓经套索预紧螺栓固定支架固定。

4.根据权利要求3所述的套索柔顺驱动的下肢多关节外骨骼机器人，其特征在于，所述套管固定装置设于所述大腿模块后侧，所述套索固定装置包括设于大腿模块后侧的第一套索固定装置、设于小腿模块后侧的第二套索固定装置和设于脚踝模块后侧的第三套索固定装置；所述套索换向装置设于所述大腿模块后侧；

所述套索包括右髋套索、左髋套索、右膝套索、左膝套索、离合器套索和鞋连接套索。

5.根据权利要求4所述的套索柔顺驱动的下肢多关节外骨骼机器人，其特征在于，在套管固定装置上设置用于包覆右髋套索上部和左髋套索上部的第一套管和用于包覆右膝套索上部和左膝套索上部的第二套管；各套管底端经套管固定装置固定，各套管顶端与套索导向板底端相连。

6.根据权利要求4所述的套索柔顺驱动的下肢多关节外骨骼机器人，其特征在于，所述右髋套索、左髋套索设于一侧的双向绕线盘上；所述右膝套索、左膝套索设于另一侧的双向绕线盘上。

7.根据权利要求4所述的套索柔顺驱动的下肢多关节外骨骼机器人，其特征在于，所述套管固定装置为带阶梯孔的套管固定支架，所述阶梯孔用于固定套管以及供大腿模块后侧与小腿模块后侧的套索穿过。

8.根据权利要求4所述的套索柔顺驱动的下肢多关节外骨骼机器人，其特征在于，所述套索换向装置包括髋关节换向机构和膝关节换向机构。

9.根据权利要求1所述的套索柔顺驱动的下肢多关节外骨骼机器人，其特征在于，在减速器的输出轴上设置用于测量角位移的角位移传感器，在角位移传感器外侧套接所述双向绕线盘和串联弹性单元；所述双向绕线单元经螺栓与串联弹性单元连接，所述串联弹性单元经法兰连接于减速器输出轴外侧；在套索与套索固定装置之间设有拉力传感器，用于测量驱动装置产生的力。

10.根据权利要求1所述的套索柔顺驱动的下肢多关节外骨骼机器人，其特征在于，所述小腿后侧机械离合器装置包括离合器底板、棘爪、棘轮、离合器螺栓、离合器绕线盘、离合器套索、扭簧、棘轮转动轴和转轴固定封口。