CN214818554U - 负载机动型外骨骼系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种负载机动型外骨骼系统，系统包括控制系统、脚部结构、躯干结构、连接脚部结构和躯干结构的腿部结构，腿部结构的每条仿生腿包括依次连接的仿生髋关节、可调大腿杆件、仿生膝关节、可调小腿杆件和仿生踝关节，以及髋关节液压缸、膝关节液压缸；仿生髋关节连接躯干结构的腰部支撑件，仿生踝关节连接脚部结构，髋关节液压缸连接仿生髋关节和腰部支撑件；膝关节液压缸连接可调大腿杆件与可调小腿杆件，躯干结构的液压站连接髋关节液压缸、膝关节液压缸，控制系统通过液压站驱动髋关节液压缸和膝关节液压缸的运动，从而驱动仿生腿的运动。本实用新型外骨骼系统具有良好的伸展自由度和承载力，能够与人体协调运动。

Description

负载机动型外骨骼系统

技术领域

本实用新型涉及外骨骼仿生结构技术领域，特别涉及一种负载机动型外骨骼系统。

背景技术

外骨骼仿生结构是模仿生物界外骨骼而提出的一种新型机械结构，结合传感、控制、信息融合、移动计算等技术，与人体协调运动，支撑有效载荷的负载并具有足够的动力以实现负重行走，能够为穿戴者提供支撑和防护，能够有效增强人体负重能力与耐力，在单兵机动作战、抢险救援、康复医疗以及民事应用领域(包括建筑作业、装配作业)具备广阔的应用前景。

然而，目前的外骨骼结构为实现运动意图感知、认知决策、具有足够的动力驱动和执行，其整体体积和重量往往较大，导致整个外骨骼系统使用起来非常不便，人机交互性较差，且关节控制也不够灵活，影响了运动的连贯性和平衡性，因此，如何遵循拟人化的设计思想对外骨骼的尺寸、关节自由度与仿生结构等方面进行设计，研制出能与人体协调运动的负载外骨骼机械结构，是亟待解决的技术难题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种负载机动型外骨骼系统，该系统具有良好的伸展自由度和承载力，能够与人体协调运动。

本实用新型的目的通过下述技术方案实现：

一种负载机动型外骨骼系统，包括：控制系统、脚部结构、躯干结构、连接脚部结构和躯干结构的腿部结构，其中，

脚部结构包括智能鞋，智能鞋内嵌设有压力传感器；

躯干结构包括背架、腰部支撑件、电源和液压站，背架作为基本架构，腰部支撑件、电源、液压站和控制系统均固定在背架背面，且电源、控制系统和液压站均位于腰部支撑件上方；

腿部结构由各自独立的左、右仿生腿组成，每条仿生腿包括腿部运动测量模块、从上至下依次连接的仿生髋关节、可调大腿杆件、仿生膝关节、可调小腿杆件和仿生踝关节，以及髋关节液压缸、膝关节液压缸；髋关节液压缸设置在仿生髋关节处，并连接仿生髋关节和腰部支撑件；膝关节液压缸设置在仿生膝关节处，并连接可调大腿杆件与可调小腿杆件；腿部运动测量模块包括惯性传感器、力传感器和位置传感器，惯性传感器设置在可调大腿杆件与可调小腿杆件之间，力传感器设置在髋关节液压缸与膝关节液压缸处，位置传感器设置在膝关节液压缸处；仿生踝关节与脚部结构相连接；

电源连接控制系统、液压站、压力传感器和腿部运动测量模块；压力传感器和腿部运动测量模块分别连接控制系统，并向控制系统发送所采集的传感数据；液压站连接每条仿生腿的髋关节液压缸、膝关节液压缸，控制系统通过液压站驱动髋关节液压缸和膝关节液压缸的运动，从而驱动仿生腿的运动。

优选的，每条仿生腿具有7个不同的自由度：3个髋关节自由度、1个膝关节自由度与3个踝关节自由度；

其中，3个髋关节自由度分别为1个主动自由度和2个被动自由度，1个主动自由度是指髋关节前屈/后伸，2个被动自由度是指髋关节内旋/外旋、髋关节外展/内收；膝关节自由度为主动自由度，是指膝关节屈曲/伸展；3个踝关节自由度均为被动自由度，分别是指踝关节趾屈/背伸、踝关节内旋/外旋、踝关节外展/内收，当使用者穿戴上外骨骼系统时，仿生踝关节的旋转中心与人体踝关节的旋转中心同心；

仿生关节的运动范围在各自由度上的运动范围大于人体步行的运动范围，且小于人体运动的最大运动范围。

优选的，脚部结构还包括脚底支撑块、支撑座、旋转轴、轴承和卡簧，其中，脚底支撑块固定在智能鞋一侧，支撑座固定在脚底支撑块上方；

旋转轴的一端通过轴承和卡簧与支撑座相连接，其中，轴承套在旋转轴的一端上并由卡簧限位；旋转轴的另一端也套有轴承，且通过轴承与仿生踝关节相连接。

更进一步的，智能鞋自底向上依次分为鞋底层、金属夹层、传感器层和鞋穿戴层，且不同层之间均通过粘接方式连接；

脚底支撑块相邻于鞋底层并与鞋底层通过粘接的方式相连接，脚底支撑块与支撑座也通过粘接的方式相连接；

金属夹层由多块金属板阵列排列而成，传感器层由间隔分布的多块薄膜压力传感器构成。

优选的，可调大腿杆件由不同尺寸的若干根大腿杆组成，可调大腿杆件通过将尺寸较小的大腿杆收容在尺寸较大的大腿杆中，或者将尺寸较小的大腿杆与尺寸较大的大腿杆拼接在一起来调节长度；

可调小腿杆件由不同尺寸的若干根小腿杆组成，可调小腿杆件通过将尺寸较小的小腿杆收容在尺寸较大的小腿杆中，或者将尺寸较小的小腿杆与尺寸较大的小腿杆拼接在一起来调节长度。

优选的，可调大腿杆件、可调小腿杆件和腰部支撑件的材质均为航空铝材料，背架采用摩尔背架。

优选的，仿生腿在可调大腿杆件或可调小腿杆件上设有腿穿戴件，背架正面设有肩部穿戴件和腰部穿戴件。

优选的，腰部支撑件具有一基部和自基部左、右两端分别延伸的连接部，基部与背架底部铰接，两个连接部分别通过轴承与左、右仿生腿的仿生髋关节相连接，仿生髋关节处的髋关节液压缸连接仿生髋关节，同时连接至连接部。

优选的，液压站包括电机、油源、液压泵、单向阀和液压阀，电机、单向阀、液压阀均与控制系统相连接，电机、液压泵和液压阀均与电源相连接，电机连接并驱动液压泵；髋关节液压缸和膝关节液压缸均采用单作用缸；

液压泵通过液压管连接油源和单向阀，单向阀通过液压管连接髋关节液压缸和膝关节液压缸，液压阀通过液压管连接油源、髋关节液压缸和膝关节液压缸；

电机通过液压泵控制髋关节液压缸和膝关节液压缸伸长及缩回运动过程中的油压，通过液压泵和单向阀控制髋关节液压缸和膝关节液压缸伸长运动过程中的流量，以驱动髋关节液压缸和膝关节液压缸的伸长运动；

髋关节液压缸和膝关节液压缸的缩回运动由人腿自行驱动，其中，髋关节液压缸和膝关节液压缸的换相和缩回运动过程中的流量通过液压阀控制。

更进一步的，控制系统由中央处理器、运动数据采集卡、伺服驱动器、CAN总线组成，中央处理器连接运动数据采集卡；运动数据采集卡连接压力传感器、腿部运动测量模块并获取传感数据；运动数据采集卡连接伺服驱动器；伺服驱动器通过CAN总线连接电机。

本实用新型相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)本实用新型负载机动型外骨骼系统可穿戴在使用者身上，智能鞋的压力传感器、腿部运动测量模块构成了传感系统；控制系统作为整个外骨骼系统的控制中心；液压站、电源、髋关节液压缸和膝关节液压缸构成了动力系统，仿生髋关节、可调大腿杆件、仿生膝关节、可调小腿杆件和仿生踝关节构成了机械系统，使得外骨骼系统可以实现运动意图感知，认知决策、动力驱动和动力执行，实现与人体的协调运动。

(2)本实用新型外骨骼系统的左、右仿生腿控制独立，并且以液压站和液压缸提供驱动力，通过控制左、右仿生腿的髋关节液压缸和膝关节液压缸的运动，实现了多自由度地控制髋关节和膝关节的运动，由此保证了外骨骼系统具有良好的灵活性、可靠性和较高的仿生程度。液压缸设置在仿生关节处，可以一定程度上节省空间，减小外骨骼系统尺寸。

(3)本实用新型外骨骼系统是根据人体尺寸设计的大、小腿杆尺寸，并且大、小腿杆长度可调，因此可以更好地匹配人腿，使得腿部结构几乎是拟人化的，人穿戴上本实用新型外骨骼系统后走路可以顺畅自如，提高了使用安全性并减小了干涉，进而减小了人机交互力。

(4)本实用新型外骨骼系统由于设置了腰部支撑件，背架底部与腰部支撑件铰接，左、右仿生腿的仿生髋关节均与腰部支撑件通过轴承连接，仿生髋关节处的髋关节液压缸连接腰部支撑件和仿生髋关节，使得两个仿生髋关节彼此独立且可进行自由旋转而与躯干不产生干涉。这种有限范围的自由度能够允许外骨骼在水平面具有一定的灵活性，还允许仿生髋关节相对躯干结构旋转一定角度，使得左、右仿生腿具有伸展自由度，外骨骼系统控制更加灵活。

(5)本实用新型外骨骼系统通过背架与腰部支撑件承接负载重量，后通过髋关节液压缸、可调大腿杆件、膝关节液压缸、可调小腿杆件、脚底支撑块和支撑座实现将负载的重量传导到地面，既能减少人体所承担的负载重量，增强人体负重能力，又保持人体行动灵活性。

附图说明

图1是本实用新型负载机动型外骨骼系统的立体示意图。

图2是图1外骨骼系统在另一视角下的立体示意图。

图3是图1外骨骼系统的后视图。

图4是图1外骨骼系统的侧视图。

图5是智能鞋的分离示意图。

图6是外骨骼自由度的示意图。

图7是仿生腿的示意图。

图8是图1外骨骼系统的原理图。

标号说明：

负载机动型外骨骼系统100，控制系统1，脚部结构2，智能鞋2-1，鞋底层2-1-1，金属夹层2-1-2，传感器层2-1-3，鞋穿戴层2-1-4，脚底支撑块2-2，支撑座2-3，躯干结构3，背架3-1，腰部支撑件3-2，基部3-2-1，连接部3-2-2，电源3-3，液压站3-4，电机3-4-1，油源3-4-2，液压泵3-4-3，单向阀3-4-4，液压阀3-4-5，仿生腿4，仿生髋关节4-1，可调大腿杆件4-2，仿生膝关节4-3，可调小腿杆件4-4，仿生踝关节4-5，髋关节液压缸4-6，膝关节液压缸4-7，插孔4-8，腿穿戴件4-9，位置传感器4-10。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

本实施例公开了一种负载机动型外骨骼系统100，如图1～4所示，包括：控制系统1、脚部结构2、躯干结构3、连接脚部结构和躯干结构的腿部结构。

如图1～5所示，脚部结构包括智能鞋2-1、脚底支撑块2-2、支撑座2-3、旋转轴、轴承和卡簧，智能鞋自底向上依次分为鞋底层2-1-1、金属夹层2-1-2、传感器层2-1-3和鞋穿戴层2-1-4，且不同层之间均通过粘接方式连接。在图1～图4中，为简化表示，智能鞋仅显示鞋底层。

其中，鞋底层的脚跟区域的材质为聚氨酯材料，能保证具有较大硬度，以便将负载的重量转移到地面上；鞋底层的脚趾区域的材质为柔性材料，能提高穿戴舒适性。金属夹层由多块金属板阵列排列而成，具有减小路面不平对传感器层的干扰作用，金属板可采用铝合金板。传感器层由间隔分布的多块薄膜压力传感器构成，用于检测人体重量分布和中心变化，以便控制系统判断脚是否与地面接触。鞋穿戴层具有常用的快速佩戴锁扣结构，可使智能鞋可靠地穿戴在使用者脚上。

脚底支撑块固定在智能鞋一侧，支撑座固定在脚底支撑块上方，在本实施例中，脚底支撑块相邻于鞋底层并与鞋底层通过粘接的方式相连接，脚底支撑块与支撑座也通过粘接的方式相连接。

旋转轴的一端通过轴承和卡簧与支撑座相连接，其中，轴承具体是套在旋转轴的一端上并由卡簧限位；旋转轴的另一端也套有轴承，且通过轴承与腿部结构相连接。

如图1～4、图7所示，腿部结构由各自独立的左、右仿生腿组成，每条仿生腿4包括腿部运动测量模块、从上至下依次连接的仿生髋关节4-1、可调大腿杆件4-2、仿生膝关节4-3、可调小腿杆件4-4和仿生踝关节4-5，以及髋关节液压缸4-6、膝关节液压缸4-7。

其中，仿生踝关节连接旋转轴，从而使得仿生踝关节与脚部结构相连接。

可调大腿杆件由不同尺寸的若干根大腿杆组成，可调大腿杆件通过将尺寸较小的大腿杆收容在尺寸较大的大腿杆中，或者与尺寸较大的大腿杆拼接在一起来调节长度。

可调小腿杆件由不同尺寸的若干根小腿杆组成，可调小腿杆件通过将尺寸较小的小腿杆收容在尺寸较大的小腿杆中，或者与尺寸较大的小腿杆拼接在一起来调节长度。

具体来说，每根大腿杆设有多个插孔4-8，因此可以通过插接件如螺钉、插销等插入插孔来将不同大腿杆拼接在一起，通过将插接件插入不同的插孔来调节可调大腿杆件长度，以使可调大腿杆件能够与人体实际大腿长度相匹配。

同样，每根小腿杆也设有多个插孔4-8，因此也可以通过插接件如螺钉、插销等插入插孔来将不同小腿杆拼接在一起，通过将插接件插入不同的插孔来调节可调小腿杆件长度，以使可调小腿杆件能够与人体实际小腿长度相匹配。另外，仿生踝关节也可以相应设置插孔，使得小腿杆可以通过插孔与插接件来与仿生踝关节相连接。

这里，大腿杆和小腿杆尺寸的设计以GB10000-88《中国成年人人体尺寸》为基础，将人体高度转化为近似的链节长度，使得外骨骼系统的腿部结构与人体腿部高度相似，外骨骼系统几乎是拟人化的，由于外骨骼的拟人化程度越高，即与人体腿部贴合性越好，则运动安全性与交互力均会得到较大改善，因此这样的设计可以确保系统具有最大的安全性与最小的人机交互力。

髋关节液压缸设置在仿生髋关节处，并连接仿生髋关节和腰部支撑件。膝关节液压缸设置在仿生膝关节处，并连接可调大腿杆件与可调小腿杆件。各个关节液压缸可采用单作用液压缸，为相应关节提供驱动力。

由于仿生腿采用拟人化结构，因此与人腿相同，每条仿生腿具有7个不同的自由度(DOF)：3个髋关节自由度、1个膝关节自由度与3个踝关节自由度，可参见图6。

其中，3个髋关节自由度分别为1个主动自由度和2个被动自由度，1个主动自由度是指髋关节前屈/后伸，2个被动自由度是指髋关节内旋/外旋、髋关节外展/内收。膝关节自由度为主动自由度，是指膝关节屈曲/伸展。3个踝关节自由度均为被动自由度，分别是指踝关节趾屈/背伸、踝关节内旋/外旋、踝关节外展/内收，当使用者穿戴上外骨骼系统时，仿生踝关节的旋转中心与人体踝关节的旋转中心同心。

各个仿生关节的运动范围是依据人体的关节运动范围来确定的，其关节运动范围比人体最大的运动范围稍大，通常设计仿生关节在各自由度上的运动范围大于人体步行的运动范围，且小于人体运动的最大运动范围。当然，在实际应用中，为防止机械干涉，还可以在设计过程中减少某些关节运动范围，如本实施例设计如表1所示的仿生髋关节、仿生膝关节、仿生踝关节的运动范围。

表1

关节运动	人体步行最大角度	外骨骼最大角度	成年男性平均最大角度
				踝关节跖屈	14.1°	45°	35°
踝关节背伸	20.6°	45°	38°
				踝关节外展	--	20°	23°
踝关节内收	--	20°	24°
				膝关节屈曲	73.50°	121°	159°
髋关节前屈	32.29°	121°.	125°
				髋关节后伸	22.59°	10°	--
髋关节外展	7.9°	16°	53°
				髋关节内收	6.49°	16°	31°
腿部总外旋	13.29°	35°	73°
				腿部总内旋	1.60°	35°	66°

在本实施例中，大腿杆、小腿杆的材质均为航空铝材料，仿生腿可在可调大腿杆件或可调小腿杆件设有腿穿戴件4-9，使用者可通过腿穿戴件将仿生腿固定在腿上。

腿部运动测量模块包括惯性传感器、力传感器和位置传感器4-10，惯性传感器设置在可调大腿杆件与可调小腿杆件之间，力传感器设置在膝关节液压缸与髋关节液压缸处，位置传感器设置在膝关节液压缸处，用于实时检测膝关节液压缸的位置。

如图1～4所示，躯干结构3包括背架3-1、腰部支撑件3-2、电源3-3和液压站3-4，背架作为基本架构，腰部支撑件、电源、液压站和控制系统均固定在背架背面，且电源、控制系统和液压站均位于腰部支撑件上方。外加的负载可固定在背架背面，并位于腰部支撑件上方。电源连接控制系统、液压站、压力传感器和腿部运动测量模块，并为这些器件供电，电源可采用锂电池。

为更符合人体腰部外形，背架对应设置为弧形，可根据实际情况增设海绵，提高穿戴的舒适性。背架可采用摩尔背架，背架正面可设有肩部穿戴件和腰部穿戴件，使用者可通过肩部穿戴件和腰部穿戴件将躯干结构固定在人体背部上。腰部支撑件的材质可为航空铝材料。

如图1～4所示，腰部支撑件具有一基部3-2-1和自基部左、右两端分别延伸的连接部3-2-2，基部与背架底部铰接，两个连接部分别通过轴承与左、右仿生腿的仿生髋关节相连接，仿生髋关节处的髋关节液压缸连接仿生髋关节，同时连接至连接部。

腰部支撑件可以使左、右仿生腿的仿生髋关节彼此独立且可进行自由旋转而与躯干结构不产生干涉。这种有限范围的自由度可允许外骨骼系统在水平面具有一定的灵活性，还允许左、右仿生腿的仿生髋关节围绕腰部支撑件旋转一定角度，从而使得腿部结构具有伸展自由度。

液压站连接每条仿生腿的髋关节液压缸、膝关节液压缸，具体来说，如图1～4所示，液压站3-4包括电机3-4-1、油源3-4-2、液压泵3-4-3、单向阀3-4-4和液压阀3-4-5，液压泵通过液压管连接油源和单向阀，单向阀再通过液压管连接髋关节液压缸和膝关节液压缸，液压阀也通过液压管连接油源、髋关节液压缸和膝关节液压缸。

电机、液压泵和液压阀均与电源相连接，由电源供电。髋关节液压缸和膝关节液压缸均采用单作用缸，电机可采用直流电机。

电机连接并驱动液压泵，且通过控制自身转速来控制液压泵，液压泵可以产生油压，因此，电机可以通过液压泵控制髋关节液压缸和膝关节液压缸伸长及缩回运动过程中的油压，通过液压泵结合单向阀来控制髋关节液压缸和膝关节液压缸伸长运动过程中的流量，以驱动髋关节液压缸和膝关节液压缸的伸长运动。由于本实施例的髋关节液压缸和膝关节液压缸均为单作用缸，因此，髋关节液压缸和膝关节液压缸的缩回运动由人腿自行驱动。在这一过程中，髋关节液压缸和膝关节液压缸的换相和缩回运动过程中的流量通过液压阀控制。

电机、单向阀、液压阀均与控制系统相连接，直流电机的工作状态、单向阀和液压阀的开度可由控制系统控制，因此，控制系统可以通过控制液压站的电机、单向阀、液压阀来驱动每条仿生腿的髋关节液压缸和膝关节液压缸的运动，从而实现多自由度地控制髋关节和膝关节的运动，完成仿生腿的驱动。

这里，如图8所示，控制系统可由中央处理器、运动数据采集卡、伺服驱动器、CAN总线组成，其中，中央处理器连接运动数据采集卡并下发控制指令。

运动数据采集卡连接压力传感器、腿部运动测量模块并获取传感数据，以及将传感数据上传给中央控制器。运动数据采集卡连接伺服驱动器，可以根据控制指令向伺服驱动器下发驱动指令。

伺服驱动器通过CAN总线连接电机，因此伺服驱动器可以根据驱动指令控制电机，以控制髋关节液压缸和膝关节液压缸。

中央处理器存储有多种机器算法例如智能模糊推理算法、最小化人机交互力控制算法与自适应阻抗调节算法，可用于根据传感数据生成最优控制指令。

中央处理器还可以通过无线通信方式连接计算机，计算机作为监控中心，可以实时监控外骨骼系统的各项传感数据，也可以通过对外骨骼系统下发控制指令。

总的来说，如图8所示，智能鞋的压力传感器、腿部运动测量模块可构成负载机动型外骨骼系统用于意图感知的传感系统。躯干结构中的控制系统可作为整个外骨骼系统的控制中心，用于认知决策。液压站、电源、髋关节液压缸和膝关节液压缸可构成动力系统，用于驱动由仿生髋关节、可调大腿杆件、仿生膝关节、可调小腿杆件和仿生踝关节构成的机械系统，该机械系统用于执行相关动作。

上述负载机动型外骨骼系统的使用过程具体如下：

S1、使用者根据自身外形调节负载机动型外骨骼系统，然后穿戴上负载机动型外骨骼系统，启动外骨骼系统的电源。

这里，由于人与外骨骼的腿部运动并不完全相同(仅相似)，因此使用者通过鞋穿戴层与脚部结构刚性连接，通过腿穿戴件与仿生腿刚性连接(不会有位移)，通过肩部穿戴件和腰部穿戴件与躯干结构柔性连接(可在一定范围内移动)。

S2、使用者开始做出动作，此时，外骨骼系统的智能鞋通过内部的压力传感器实时检测人体重量分布和中心变化，仿生腿上的惯性传感器实时检测可调大腿杆件与可调小腿杆件的速度、加速度和/或角速度，膝关节液压缸与髋关节液压缸处的力传感器实时检测膝关节液压缸与髋关节液压缸输出力，膝关节液压缸处的位置传感器实时检测膝关节液压缸的位置，这些传感数据均发送给控制系统。

S3、控制系统根据传感数据判断使用者的运动意图，具体来说，控制系统由压力传感器的传感数据获知人体重量分布和中心变化，由惯性传感器获知可调大腿杆件与可调小腿杆件的速度、加速度和/或角速度，由力传感器获知膝关节液压缸与髋关节液压缸的输出力，根据位置传感器检测到的膝关节液压缸位置计算仿生膝关节的实时运动角度，综合这些数据判断使用者是打算进行坐、站立、上楼梯、下楼梯、跑步或步行等运动。

例如，先根据压力传感器的数据判断是坐姿、站立这类非周期性活动还是上楼梯、下楼梯、跑步或步行这些周期性活动(若是处于坐姿和站立状态，其地面接触力不会发生显著变化)，假如判断是非周期性活动，则再根据仿生膝关节角度判断是坐姿或站立，角度小则为站立，角度大则是坐姿。假如判断是周期性活动，则根据人体重量分布和中心变化判断是否为跑步(若是跑步，双脚在某些时刻不接触地面)，若不是跑步，再根据左、右仿生腿的仿生膝关节角度判断是上楼梯、下楼梯或步行(上楼梯过程中膝关节的屈曲角度更大；下楼梯过程的膝关节表现出更大的伸展角度；步行活动时，膝关节的角度较小)。

然后，控制系统基于所判断的运动意图，通过控制液压站来驱动髋关节液压缸和膝关节液压缸的运动，从而驱动仿生腿的运动。

具体来说，控制系统通过控制液压站的电机转速来控制液压泵，进而通过控制液压泵控制髋关节液压缸和膝关节液压缸伸长及缩回运动过程中的油压，以及通过控制液压泵和单向阀来控制髋关节液压缸、膝关节液压缸伸长运动过程中的流量，左、右仿生腿的髋关节液压缸、膝关节液压缸根据对应的油压与流量，驱动所在关节达到对应的旋转角度，进而带动使用者完成想要执行的动作。

在这一过程中，控制系统还根据位置传感器的传感数据判断膝关节液压缸是否运动到极限位置，以便及时控制液压站关闭，避免外骨骼系统损坏。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种负载机动型外骨骼系统，其特征在于，包括：控制系统、脚部结构、躯干结构、连接脚部结构和躯干结构的腿部结构，其中，

脚部结构包括智能鞋，智能鞋内嵌设有压力传感器；

躯干结构包括背架、腰部支撑件、电源和液压站，背架作为基本架构，腰部支撑件、电源、液压站和控制系统均固定在背架背面，且电源、控制系统和液压站均位于腰部支撑件上方；

腿部结构由各自独立的左、右仿生腿组成，每条仿生腿包括腿部运动测量模块、从上至下依次连接的仿生髋关节、可调大腿杆件、仿生膝关节、可调小腿杆件和仿生踝关节，以及髋关节液压缸、膝关节液压缸；髋关节液压缸设置在仿生髋关节处，并连接仿生髋关节和腰部支撑件；膝关节液压缸设置在仿生膝关节处，并连接可调大腿杆件与可调小腿杆件；腿部运动测量模块包括惯性传感器、力传感器和位置传感器，惯性传感器设置在可调大腿杆件与可调小腿杆件之间，力传感器设置在髋关节液压缸与膝关节液压缸处，位置传感器设置在膝关节液压缸处；仿生踝关节与脚部结构相连接；

电源连接控制系统、液压站、压力传感器和腿部运动测量模块；压力传感器和腿部运动测量模块分别连接控制系统，并向控制系统发送所采集的传感数据；液压站连接每条仿生腿的髋关节液压缸、膝关节液压缸，控制系统通过液压站驱动髋关节液压缸和膝关节液压缸的运动，从而驱动仿生腿的运动。

2.根据权利要求1所述的负载机动型外骨骼系统，其特征在于，每条仿生腿具有7个不同的自由度：3个髋关节自由度、1个膝关节自由度与3个踝关节自由度；

其中，3个髋关节自由度分别为1个主动自由度和2个被动自由度，1个主动自由度是指髋关节前屈/后伸，2个被动自由度是指髋关节内旋/外旋、髋关节外展/内收；膝关节自由度为主动自由度，是指膝关节屈曲/伸展；3个踝关节自由度均为被动自由度，分别是指踝关节趾屈/背伸、踝关节内旋/外旋、踝关节外展/内收，当使用者穿戴上外骨骼系统时，仿生踝关节的旋转中心与人体踝关节的旋转中心同心；

仿生关节的运动范围在各自由度上的运动范围大于人体步行的运动范围，且小于人体运动的最大运动范围。

3.根据权利要求1所述的负载机动型外骨骼系统，其特征在于，脚部结构还包括脚底支撑块、支撑座、旋转轴、轴承和卡簧，其中，脚底支撑块固定在智能鞋一侧，支撑座固定在脚底支撑块上方；

旋转轴的一端通过轴承和卡簧与支撑座相连接，其中，轴承套在旋转轴的一端上并由卡簧限位；旋转轴的另一端也套有轴承，且通过轴承与仿生踝关节相连接。

4.根据权利要求3所述的负载机动型外骨骼系统，其特征在于，智能鞋自底向上依次分为鞋底层、金属夹层、传感器层和鞋穿戴层，且不同层之间均通过粘接方式连接；

脚底支撑块相邻于鞋底层并与鞋底层通过粘接的方式相连接，脚底支撑块与支撑座也通过粘接的方式相连接；

金属夹层由多块金属板阵列排列而成，传感器层由间隔分布的多块薄膜压力传感器构成。

5.根据权利要求1所述的负载机动型外骨骼系统，其特征在于，可调大腿杆件由不同尺寸的若干根大腿杆组成，可调大腿杆件通过将尺寸较小的大腿杆收容在尺寸较大的大腿杆中，或者将尺寸较小的大腿杆与尺寸较大的大腿杆拼接在一起来调节长度；

可调小腿杆件由不同尺寸的若干根小腿杆组成，可调小腿杆件通过将尺寸较小的小腿杆收容在尺寸较大的小腿杆中，或者将尺寸较小的小腿杆与尺寸较大的小腿杆拼接在一起来调节长度。

6.根据权利要求1所述的负载机动型外骨骼系统，其特征在于，可调大腿杆件、可调小腿杆件和腰部支撑件的材质均为航空铝材料，背架采用摩尔背架。

7.根据权利要求1所述的负载机动型外骨骼系统，其特征在于，仿生腿在可调大腿杆件或可调小腿杆件上设有腿穿戴件，背架正面设有肩部穿戴件和腰部穿戴件。

8.根据权利要求1所述的负载机动型外骨骼系统，其特征在于，腰部支撑件具有一基部和自基部左、右两端分别延伸的连接部，基部与背架底部铰接，两个连接部分别通过轴承与左、右仿生腿的仿生髋关节相连接，仿生髋关节处的髋关节液压缸连接仿生髋关节，同时连接至连接部。

9.根据权利要求1所述的负载机动型外骨骼系统，其特征在于，液压站包括电机、油源、液压泵、单向阀和液压阀，电机、单向阀、液压阀均与控制系统相连接，电机、液压泵和液压阀均与电源相连接，电机连接并驱动液压泵；髋关节液压缸和膝关节液压缸均采用单作用缸；

液压泵通过液压管连接油源和单向阀，单向阀通过液压管连接髋关节液压缸和膝关节液压缸，液压阀通过液压管连接油源、髋关节液压缸和膝关节液压缸；

电机通过液压泵控制髋关节液压缸和膝关节液压缸伸长及缩回运动过程中的油压，通过液压泵和单向阀控制髋关节液压缸和膝关节液压缸伸长运动过程中的流量，以驱动髋关节液压缸和膝关节液压缸的伸长运动；

髋关节液压缸和膝关节液压缸的缩回运动由人腿自行驱动，其中，髋关节液压缸和膝关节液压缸的换相和缩回运动过程中的流量通过液压阀控制。

10.根据权利要求9所述的负载机动型外骨骼系统，其特征在于，控制系统由中央处理器、运动数据采集卡、伺服驱动器、CAN总线组成，中央处理器连接运动数据采集卡；运动数据采集卡连接压力传感器、腿部运动测量模块并获取传感数据；运动数据采集卡连接伺服驱动器；伺服驱动器通过CAN总线连接电机。

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