CN113440372A - 一种柔性驱动膝关节外骨骼 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柔性驱动膝关节外骨骼，属于机器人技术领域。膝关节外骨骼包括外骨骼本体、串联弹性驱动器和并联弹簧。外骨骼本体包括输出杆、传动连接杆和多连杆机构。多连杆机构包括外骨骼大腿连杆、长曲柄、短曲柄和连接杆件，形成膝部瞬心拟合四杆机构。各部件之间互相通过膝部冠状轴形成转动副连接。外骨骼大腿连杆与串联弹性驱动器连接。并联弹簧以仿十字交叉韧带的形式设置在外骨骼大腿连杆前后两侧。串联弹性驱动器中的电机提供力矩，力矩通过输出轴传递给输出杆、传动连接杆及多连杆机构，带动瞬心拟合四杆机构开始运动，与人体膝关节同时进行弯曲动作，辅助人体膝关节运动。本发明减小了电机的需求力矩，力输出稳定。

Description

一种柔性驱动膝关节外骨骼
技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种柔性驱动膝关节外骨骼，可应用于下肢康复训练与下肢助力行走。
背景技术
心脑血管疾病、中风偏瘫等是老年人中常见的症状，极易出现行动不便、卧床不起等问题，另外，我国的残疾人口众多，大量的老人、肢体失能者渴望能通过康复治疗或辅助工具重新站立起来。下肢外骨骼机器人作为一种可穿戴的机械装置，可以被用于助老助残或医疗救助中。在国防军事上，下肢外骨骼机器人可以明显地提高士兵作战能力，能够在复杂地形环境下为士兵提供负重支撑、运动功能增强等功能，显著减小体力消耗和身体受损风险。因此，对于下肢外骨骼机器人的研究有重大的意义。
根据人体膝关节生理学解剖，在运动过程中随着小腿的逐渐弯曲，膝关节的瞬时转动中心呈现出“J”型的变化趋势。而以往大多数下肢外骨骼机器人为了简化机构设计，常常将其视为一个单纯的固定转轴转动副，由此造成人机膝关节转动中心不重合，导致人机***的不匹配，进而影响了穿戴者的舒适性和控制的精准性，甚至导致步态变形。
发明内容
本发明为了克服现有技术中人机膝关节转动中心不重合的问题，提供了一种柔性驱动膝关节外骨骼，符合人体膝关节生理学。
本发明柔性驱动膝关节外骨骼，包括外骨骼本体、并联弹簧和串联弹性驱动器。其中外骨骼本体包括输出杆、传动连接杆和多连杆机构。多连杆机构包括外骨骼大腿连杆、长曲柄、短曲柄和连接杆件。
所述输出杆的前端连接串联弹性驱动器。输出杆的后端设计有膝部冠状轴孔，与传动连接杆上端设计的膝部冠状轴孔对应连接形成副。
所述连接杆件为由大臂和小臂构成的L型结构，大臂上端设计有膝部冠状轴孔，与传动连接杆下端的膝部冠状轴孔对应连接形成转动副。小臂上设有两个膝部冠状轴孔，分别与长曲柄和短曲柄下端的膝部冠状轴孔对应形成转动副。
所述外骨骼大腿连杆上部与人体大腿相连；下部开有两个膝部冠状轴孔，分别与长曲柄和短曲柄上端的膝部冠状轴孔对应连接形成转动副；
所述并联弹簧安装于外骨骼大腿连杆下部与连接杆件之间，为位于外骨骼大腿连杆前侧与后侧的两根弹簧。两根弹簧的上端分别与外骨骼大腿连杆的前后侧面相连；其中前侧弹簧下端沿外骨骼大腿连杆前侧面向下绕过外骨骼大腿连杆底部后与连接杆件中小臂后端连接；后侧弹簧下端沿外骨骼大腿连杆后侧面向下绕过外骨骼大腿连杆底部后与连接杆件中小臂前端连接；使前侧弹簧和后侧弹簧在外骨骼大腿连杆下部和连接杆件之间形成十字交叉结构；
所述串联弹性驱动器与外骨骼大腿连杆间固定安装，包括电机、电机轴上安装的谐波减速器、谐波减速器输出端上安装的输出轴以及谐波减速器与输出轴间安装的弹性元件；输出轴与输出杆前端连接固定。
本发明柔性驱动膝关节外骨骼工作时，电机给外骨骼提供力矩，力矩通过输出轴传递给输出杆，输出杆通过与传动连接杆及多连杆机构形成的转动副，带动传动连接杆驱动瞬心拟合四杆机构开始运动，瞬心拟合四杆机构保证外骨骼与人体膝关节的中心重合，外骨骼本体与人体膝关节同时进行弯曲动作，辅助人体膝关节运动。
本发明的优点在于：
(1)本发明柔性驱动膝关节外骨骼，其驱动方式选择串联弹性驱动器，具有低阻抗、能量密度高、力输出稳定、力控精度高以及能缓冲外部冲击载荷的优点；
(2)本发明柔性驱动膝关节外骨骼，采用的多连杆机构能够拟合人体实际步态中膝关节瞬时转动中心，符合人体膝关节生理学；
(3)本发明柔性驱动膝关节外骨骼，采用的传动连接杆可以改变速度-电机力矩关系，减小电机力矩或者速度需求；
(4)本发明柔性驱动膝关节外骨骼，采用的并联弹簧减小了电机的需求力矩，同时起到稳定关节的作用。
附图说明
图1是本发明一种柔性驱动膝关节外骨骼的总体结构示意图。
图2是本发明一种柔性驱动膝关节外骨骼的串联弹性驱动器剖切示意图。
图中：
1-1.输出杆 1-2.传动连接杆 1-3.膝部冠状轴 1-4.连接杆件
1-5.长曲柄 1-6.短曲柄 1-7.并联弹簧 1-8.外骨骼大腿连杆
1-9.串联弹性驱动器 2-1.轴承 2-2.电机外壳 2-3.弹性元件
2-4.谐波减速器 2-5.编码器 2-6.电机轴 2-7.电机
2-8.输出端盖 2-9.法兰座 2-10.输出轴
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明一种柔性驱动膝关节外骨骼，如图1所示，包括外骨骼本体、并联弹簧1-7和串联弹性驱动器1-9。
所述外骨骼本体部分包含输出杆1-1、传动连接杆1-2和多连杆机构，相互之间通过膝部冠状轴1-3连接形成转动副连接，且各转动副轴线平行。多连杆机构包括外骨骼大腿连杆1-8、长曲柄1-5、短曲柄1-6和连接杆件1-4，各部分相互通过膝部冠状轴构成转动副连接，形成膝部瞬心拟合四杆机构。
上述外骨骼本体的具体连接方式为：
输出杆1-1的前端周向等角度间隔设有螺孔，用于通过螺栓连接串联弹性驱动器1-9。输出杆1-1的后端设计有膝部冠状轴孔，与传动连接杆1-2上端设计的膝部冠状轴孔对应，通过膝部冠状轴1-3连接形成转动副。
连接杆件1-4为由大臂和小臂构成的L型结构杆件，大臂上端设计有膝部冠状轴孔，与传动连接杆1-2下端设计的膝部冠状轴孔对应，通过膝部冠状轴1-3连接形成转动副。连接杆件1-4下端小臂前后位置设计有两个膝部冠状轴孔，分别与长曲柄1-5和短曲柄1-6下端设计的膝部冠状轴孔对应，通过膝部冠状轴1-3连接形成转动副。
外骨骼大腿连杆1-8具有上下两部分；上部分与下部分同轴安装于串联弹性驱动器1-9的上下两端；且其中上部分连接人体腿部；下部分下端前后位置设计有两个膝部冠状轴孔，分别与长曲柄1-5和短曲柄1-6上端设计的膝部冠状轴孔对应，通过膝部冠状轴1-3连接形成转动副；由此通过外骨骼大腿连杆1-8下部分、长曲柄1-5、短曲柄1-6和连接杆件1-4间的连接方式，形成膝部瞬心拟合四杆机构，使得外骨骼的瞬心与人体膝关节中心重合。同时外骨骼大腿连杆1-8下部端面还安装有连接头，用于连接人体小腿处。
所述并联弹簧1-7安装于外骨骼大腿连杆1-8的下部分与连接杆件1-4之间，包括两根弹簧，以仿十字交叉韧带的形式设置在外骨骼大腿连杆1-8前后两侧；两根弹簧的上端分别挂接在外骨骼大腿连杆1-8的前后侧面上设计的凸台上；两根弹簧下端设计细长结构的牵引段，用于与连接杆件1-4相连的，具体方式为：前侧弹簧下端的牵引段沿外骨骼大腿连杆1-8前侧面向下绕过外骨骼大腿连杆1-8底部后与连接杆件1-4中小臂后端连接。后侧弹簧下端牵引段沿外骨骼大腿连杆1-8后侧面向下绕过外骨骼大腿连杆1-8底部后与连接杆件1-4中小臂前端连接；使前侧弹簧和后侧弹簧的牵引段在外骨骼大腿连杆1-8与连接杆件1-4之间形成十字交叉结构，起到稳定关节的作用。上述前侧弹簧和后侧弹簧下端牵引段还分别穿过外骨骼大腿连杆1-8前后侧面上设计的导向台上的通孔，由导向台对并联弹簧的尾线进行导向。
所述串联弹性驱动器1-9的结构如图2所示，串联弹性驱动器1-9包括电机2-7、与电机轴2-6相连的谐波减速器2-4、夹紧电机的电机外壳2-2、弹性元件2-3、输出轴2-10、与输出轴配合的轴承2-1、压紧轴承的法兰座2-9、输出端盖2-8以及安装于电机一端并用于测量电机位置和速度的编码器2-5。谐波减速器2-4通过弹性元件2-3与输出轴2-10连接。输出轴2-10与外骨骼本体部分的输出杆1-1前端上的螺孔通过螺栓固连。
本发明柔性驱动膝关节外骨骼的佩戴及工作方式为：
1、佩戴方式
整体设置于人体腿部外侧，外骨骼大腿连杆1-8上部与人体大腿间相对固定，可通过在人体大腿处穿戴大腿矫形器，并在大腿矫形器与外骨骼大腿连杆1-8上部上对应开孔通过螺栓固定实现。外骨骼大腿连杆1-8下部与人体小腿间固定，可通过在外骨骼大腿连杆1-8下部连接件上开孔，通过绑带穿过开孔后绑缚于人体小腿处实现。
2、工作方式
串联弹性驱动器1-9通过与外骨骼本体的输出杆1-1、多连杆机构的外骨骼大腿连杆1-8相连，将内部电机2-7的可控力矩传递到外骨骼本体部分，进而驱动外骨骼本体运动，辅助人体膝关节运动。过程中，弹性元件2-3可以通过测量其变形精确控制末端输出力，并且能缓冲外界冲击载荷，对电机2-7和减速器起到保护作用；同时，并联弹簧1-7通过与外骨骼本体的多连杆机构相连，减小串联弹性驱动器部分电机2-7的需求力矩，力矩改变情况如下：
由于正常平地行走时，膝关节力矩范围大致为[-0.3,0.6]Nm*W(其中W为人体体重)，对应地，膝关节外骨骼应提供等同的力矩。外骨骼提供的力矩等于并联弹簧1-7提供的力矩与电机输出力矩之和，通过本发明中设计的并联弹簧1-7，将所需电机力矩由[-0.3,0.6]Nm*W调整为[-0.45,0.45]Nm*W，即峰值扭矩由0.6Nm*W降低到了0.45Nm*W。
本发明柔性驱动膝关节外骨骼中，通过调整传动连接杆的尺寸参数，可改变外骨骼的速度-力矩关系，具体方式为：结合输出杆、传动连接杆以及瞬心拟合四杆机构的逆运动学模型，以实际测量人体膝关节随屈伸角度变化的最大关节扭矩为输入量，建立目标函数，使电机在不同屈膝角度下的输出扭矩相对最小，求得目标函数最优解，从而反解出外骨骼本体部分中输出杆与传动连接杆的尺寸参数，达到改变速度-力矩关系的目的。

Claims (5)

1.一种柔性驱动膝关节外骨骼，其特征在于：包括外骨骼本体、并联弹簧和串联弹性驱动器；其中外骨骼本体包括输出杆、传动连接杆和多连杆机构。多连杆机构包括外骨骼大腿连杆、长曲柄、短曲柄和连接杆件；
所述输出杆的前端连接串联弹性驱动器。输出杆的后端设计有膝部冠状轴孔，与传动连接杆上端设计的膝部冠状轴孔对应连接形成副；
所述连接杆件为由大臂和小臂构成的L型结构，大臂上端设计有膝部冠状轴孔，与传动连接杆下端的膝部冠状轴孔对应连接形成转动副；小臂上设有两个膝部冠状轴孔，分别与长曲柄和短曲柄下端的膝部冠状轴孔对应形成转动副；
所述外骨骼大腿连杆上部与人体大腿相连；下部开有两个膝部冠状轴孔，分别与长曲柄和短曲柄上端的膝部冠状轴孔对应连接形成转动副；
所述并联弹簧安装于外骨骼大腿连杆下部与连接杆件之间，为位于外骨骼大腿连杆前侧与后侧的两根弹簧；两根弹簧的上端分别与外骨骼大腿连杆的前后侧面相连，下端均涉及有牵引段；其中前侧弹簧下端牵引段沿外骨骼大腿连杆前侧面向下绕过外骨骼大腿连杆底部后与连接杆件中小臂后端连接；后侧弹簧下端牵引段沿外骨骼大腿连杆后侧面向下绕过外骨骼大腿连杆底部后与连接杆件中小臂前端连接；使前侧弹簧和后侧弹簧在外骨骼大腿连杆下部和连接杆件之间形成十字交叉结构；
所述串联弹性驱动器与外骨骼大腿连杆间固定安装，包括电机、电机轴上安装的谐波减速器、谐波减速器输出端上安装的输出轴以及谐波减速器与输出轴间安装的弹性元件；输出轴与输出杆前端连接固定。
2.基于权利要求1所述一种柔性驱动膝关节外骨骼，其特征在于：外骨骼大腿连杆的上部分与下部分设计为分体结构，同轴安装于串联弹性驱动器的上下两端。
3.基于权利要求1所述一种柔性驱动膝关节外骨骼，其特征在于：两根弹簧下端牵引段分别穿过外骨骼大腿连杆前后侧面上的导向台通孔。
4.基于权利要求1所述一种柔性驱动膝关节外骨骼，其特征在于：电机给外骨骼提供力矩，力矩通过输出轴传递给输出杆，输出杆通过与传动连接杆及多连杆机构形成的转动副，带动传动连接杆驱动由外骨骼大腿连杆、长曲柄、短曲柄和连接杆件形成的膝部瞬心拟合四杆机构开始运动，保证外骨骼与人体膝关节的中心重合，外骨骼本体与人体膝关节同时进行弯曲动作，达到辅助人体膝关节运动。
5.基于权利要求1所述一种柔性驱动膝关节外骨骼，其特征在于：调整传动连接杆的尺寸参数，实现外骨骼的速度-力矩关系的改变，具体方式为：结合输出杆、传动连接杆以及瞬心拟合四杆机构的逆运动学模型，以实际测量人体膝关节随屈伸角度变化的最大关节扭矩为输入量，建立目标函数，使电机在不同屈膝角度下的输出扭矩相对最小，求得目标函数最优解，从而反解出外骨骼本体部分中输出杆与传动连接杆的尺寸参数，达到改变速度-力矩关系的目的。
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