一种气动肌肉驱动的下肢外骨骼助力装置的制作方法

本发明涉及一种气动肌肉驱动的下肢外骨骼助力装置，属于气动技术和柔性外骨骼机器人领域。

背景技术：

柔性外骨骼机器人是一种穿附在操作员身上，为其提供身体支撑、运动辅助和助力等功能的机电一体化装置。其中，助力外骨骼机器人用于给活动正常的人提供助力及机能放大，在军事、救灾、医疗等方面具有广泛的应用前景。

目前国内外柔性外骨骼助力装置主要采用电机或液压驱动，电机驱动可以直接作为关节嵌入外骨骼中，具有控制方便、控制精度高等优点，但其功率-质量比较小，有限重量的电机难以承担较大负载。而液压驱动具有较大的功率-质量比，较小的驱动元件即可承载较大的负载，是目前军用外骨骼助力装置的主要驱动方式，但其容易发生泄漏且工作效率低、能量消耗大、可持续工作时间短、系统加工精度要求高、价格昂贵。

与传统电机、液压驱动相比，气动肌肉是外骨骼助力装置的一种非常理想的执行器：首先，气压驱动的工作介质对环境和人体友好，具有元器件重量轻、价格便宜、易维护等优点；其次，基于仿生学的类人肌肉-气动肌肉不但具有与液压缸相媲美的功率-体积比和功率-质量比，且其力-位移关系特性与人类肌肉特性相似而具有很好的柔顺性。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种气动肌肉驱动的下肢外骨骼助力装置，采用滑轮钢丝绳型的气动肌肉双对拉式结构来实现柔性外骨骼的驱动。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种气动肌肉驱动的下肢外骨骼助力装置，具有结构简单、尺寸可调、灵活安全、稳定可靠等优点，能有效提高助力装置的承载能力和控制精度，且安装维护方便，成本较低，清洁环保。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种气动肌肉驱动的下肢外骨骼助力装置，包括依次相连的控制箱、背部装置、腰部装置、下肢装置和脚部装置；

其中，腰部装置包括两个相配合的髋关节伸长板、两个相同的髋关节固定板、两个相同的髋关节旋转板及两个相同的髋关节连接板；两个髋关节伸长板的内侧对置相连，通过不同位置的内孔配合实现两个髋关节伸长板的伸缩固定；两个髋关节固定板对称地固定于两个髋关节伸长板的外端，每个髋关节固定板上均设置有两个对称的髋关节旋转限位挡扣；两个髋关节旋转板的内端分别与两个髋关节固定板的外端铰接，并通过髋关节旋转限位挡扣来限定每个髋关节旋转板的转动范围；两个髋关节旋转板的外端分别通过限位合页与两个髋关节连接板相连，限位合页的转动角度满足人体大腿髋关节处的运动范围。

通过调节两个髋关节伸长板的距离调节腰部装置的横向长度，以适应不同体格的人群；髋关节旋转机构处设置有髋关节旋转限位挡扣，且限位合页也限制了转动角度，有效提高了装置的安全性，防止外骨骼的转动超出人体极限而对人体造成伤害。

下肢装置包括两个相同的大腿装置和两个相同的小腿装置，且大腿装置和小腿装置的结构相同，其包括滑轮、滑轮轴、柔性钢绳、两个气动肌肉、伸缩支撑杆及连杆；所述伸缩支撑杆由两段支撑杆套设而成，且两段支撑杆的连接处设置有卡扣以固定长度；滑轮轴沿伸缩支撑杆的径向设置于伸缩支撑杆的上端，伸缩支撑杆的下端垂直固定于连杆中部；滑轮通过滚动轴承安装于滑轮轴上，且每个气动肌肉的两端均设置有耳环；柔性钢绳绕过滑轮且两端分别与两个气动肌肉上端的耳环相连，两个气动肌肉下端的耳环分别与连杆的两端铰接；通过两个气动肌肉的伸缩带动滑轮相对于滑轮轴的转动，也就是伸缩支撑杆相对于滑轮的转动；

两个大腿装置的滑轮分别固定在两个髋关节连接板上，两个小腿装置的滑轮分别固定在两个大腿装置的伸缩支撑杆底部。

下肢装置采用滑轮钢丝绳型的气动肌肉双对拉式结构，通过两个气动肌肉对偶控制一个关节转动，其两端分别连接钢丝绳与连杆，工作时控制一根缩短、另一根伸长，利用柔性钢丝绳与滑轮间的摩擦力带动滑轮转动从而实现关节驱动。与连杆机构相比，受力主要集中在钢丝绳上，受力较均匀，提高了装置的可靠性和安全性；且在负载过大的情况下，钢丝绳滑轮会发生打滑现象，起过载保护作用。并且这种连接方式可以更换采用不同型号的气动肌肉，简单快捷。

优选的，所述控制箱包括箱体，箱体内设置有控制器、气动阀组和气动三联件；控制器传递控制信号给气动阀组，气动三联件通过气动阀组而与八个气动肌肉相连。

优选的，所述背部装置包括背板及柔性背带，柔性背带固定于背板上；控制箱固定于背板后侧，背板底部通过连接板与髋关节伸长板相连。

优选的，所述脚部装置包括两个脚板，每个脚板上均设置有轴承及转轴，两个脚板通过轴承和转轴的结构分别与两个小腿装置的伸缩支撑杆底部铰接。通过脚板和旋转机构保证了助力装置的稳定性和灵活性。

助力装置通过上身背带和下肢绑带与操作人员固定，根据操作人员的运动意图闭环控制各关节转动，从而带动腿部运动达到助力目的。

优选的，所述两个大腿装置的滑轮及两个小腿装置的滑轮上均设置有角度传感器，角度传感器传递检测信号给控制器，从而构成反馈控制系统，有效提高助力装置的控制精度。

有益效果：本发明提供的一种气动肌肉驱动的下肢外骨骼助力装置，相对于现有技术，具有以下优点：1、本发明结构简单，稳定可靠，有效提高了助力装置的承载能力和控制精度，且穿戴维护方便，节约成本，清洁环保；2、本发明在髋关节处设置有三个自由度，膝关节一个自由度，踝关节一个自由度，可以完成多种复杂动作，灵活多变且尺寸可调；3、采用气动肌肉的驱动方式，具有质量轻、价格低、易维护等优点，避免了液压驱动可能漏油的情况，也弥补了电机驱动提供的力矩不足等缺点，工作安全可靠，柔顺性极好。

附图说明

图1为本发明一种气动肌肉驱动的下肢外骨骼助力装置的总体结构示意图；

图2为本发明一种气动肌肉驱动的下肢外骨骼助力装置中腰部装置的结构示意图；

图3为本发明一种气动肌肉驱动的下肢外骨骼助力装置中下肢装置活动单元的结构示意图；

图4为本发明一种气动肌肉驱动的下肢外骨骼助力装置中控制箱的的结构示意图；

图中包括：1、控制箱，2、背部装置，3、腰部装置，4、下肢装置，5、脚部装置，3-1、髋关节伸长板，3-2、髋关节固定板，3-3、髋关节旋转限位挡扣，3-4、髋关节旋转板，3-5、限位合页，3-6、髋关节连接板，4-1、滑轮，4-2、柔性钢绳，4-3、耳环，4-4、伸缩支撑杆，4-5、卡扣，4-6、气动肌肉，4-7、连杆，4-8、滑轮轴，1-1、箱体，1-2、气动阀组，1-3、气动三联件。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种气动肌肉驱动的下肢外骨骼助力装置，包括依次相连的控制箱1、背部装置2、腰部装置3、下肢装置4和脚部装置5；

如图2所示，腰部装置3包括两个相配合的髋关节伸长板3-1、两个相同的髋关节固定板3-2、两个相同的髋关节旋转板3-4及两个相同的髋关节连接板3-6；两个髋关节伸长板3-1的内侧对置相连，通过不同位置的内孔配合实现两个髋关节伸长板3-1的伸缩固定，从而调整腰部装置3的横向长度；两个髋关节固定板3-2对称地固定于两个髋关节伸长板3-1的外端，每个髋关节固定板3-2上均设置有两个对称的髋关节旋转限位挡扣3-3；两个髋关节旋转板3-4的内端分别与两个髋关节固定板3-2的外端铰接，并通过髋关节旋转限位挡扣3-3来保证每个髋关节旋转板3-4的安全转动角度范围；两个髋关节旋转板3-4的外端分别通过限位合页3-5与两个髋关节连接板3-6相连，髋关节连接板3-6与限位合页3-5的配合应尽力满足人体大腿处运动轴线与限位合页3-5的安装轴线在同一位置。

如图3所示，下肢装置4包括两个相同的大腿装置和两个相同的小腿装置，且大腿装置和小腿装置的结构相同，其包括滑轮4-1、滑轮轴4-8、柔性钢绳4-2、两个气动肌肉4-6、伸缩支撑杆4-4及连杆4-7；所述伸缩支撑杆4-4由两段支撑杆套设而成，且两段支撑杆的连接处设置有卡扣4-5以固定长度，从而调整下肢装置4的长度；滑轮轴4-8沿伸缩支撑杆4-4的径向设置于伸缩支撑杆4-4的上端，伸缩支撑杆4-4的下端垂直固定于连杆4-7中部；滑轮4-1通过滚动轴承安装于滑轮轴4-8上，且每个气动肌肉4-6的两端均设置有耳环4-3，耳环4-3通过螺纹连接固定于气动肌肉4-6的端部；柔性钢绳4-2绕过滑轮4-1且两端分别与两个气动肌肉4-6上端的耳环4-3相连，两个气动肌肉4-6下端的耳环4-3分别与连杆4-7的两端通过螺栓铰接；通过两个气动肌肉4-6的伸缩带动滑轮4-1相对于滑轮轴4-8的转动，也就是伸缩支撑杆4-4相对于滑轮4-1的转动；

两个大腿装置的滑轮4-1分别通过螺栓固定在两个髋关节连接板3-6上，两个小腿装置的滑轮4-1分别通过螺栓固定在两个大腿装置的伸缩支撑杆4-4底部。

如图4所示，所述控制箱1包括箱体1-1，箱体1-1内设置有控制器、气动阀组1-2和气动三联件1-3；控制器传递控制信号给气动阀组1-2，气动三联件1-3通过气动阀组1-2而与八个气动肌肉4-6相连。具体的，所述气动三联件1-3的进气口通过气管连接气源，气动三联件1-3的出气口通过气管连接气动阀组1-2的进气口，气动阀组1-2的八个出气口分别与八个气动肌肉4-6的进气口连通。气动阀组1-2可采用比例压力阀、比例流量阀、高速开关阀和比例方向阀。

本实施例中，所述背部装置2包括背板、柔性背带、负重板和加强筋，负重板通过加强筋固定在背板上，柔性背带固定于背板上；控制箱1固定于背板后侧，背板底部通过连接板与髋关节伸长板3-1相连。

本实施例中，所述脚部装置5包括两个脚板，每个脚板上均设置有轴承及转轴，两个脚板通过轴承和转轴的结构分别与两个小腿装置的伸缩支撑杆4-4底部铰接。

本实施例中，所述两个大腿装置的滑轮4-1及两个小腿装置的滑轮4-1上均设置有角度传感器，角度传感器传递检测信号给控制器。角度传感器采用光电旋转编码器，编码器连接件与滑轮4-1通过螺栓固定，光电旋转编码器固定在编码器连接件上，光电旋转编码器与滑轮轴4-8通过空心圆柱套、定位销连接。

本发明的具体实施方式如下：

1、将该助力装置通过柔性背带和下肢绑带与操作人员固定，根据操作人员的体型设置腰部装置3的横向长度及各伸缩支撑杆4-4的长度，完成助力装置的穿戴；

2、开机准备，控制器通过气动阀组1-2控制气动肌肉4-6的进气，相应两侧气动肌肉4-6各自膨胀/收缩直至到额定伸长的一半，使柔性钢绳4-2正好处于张紧的状态；

3、控制器依据给定的人体运动意图信号得到大腿杆或小腿杆关节处需旋转的角度，然后计算出各个气动肌肉4-6需要伸长或缩短的长度并根据控制器内部算法计算出气动肌肉4-6的控制量；

4、控制器通过控制气动阀组1-2使一侧气动肌肉4-6充气收缩，另一侧气动肌肉4-6放气伸长，收缩量与伸长量时刻保持一致；气动肌肉4-6的伸缩拉动柔性钢丝绳并通过摩擦力带动滑轮4-1转动，由于滑轮4-1固定，根据相对运动，气动肌肉4-6及钢丝绳4-2带动伸缩支撑杆4-4、滑轮轴4-8绕滑轮4-1转动，从而达到助力目的。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。