一种外骨骼机器人的制作方法

本实用新型涉及外骨骼机器人技术领域，具体涉及一种外骨骼机器人。

背景技术：

经过近数十年的发展，对外骨骼机器人技术领域的研究已取得了长足进步，并获得了一些重要成果，其为外骨骼的产业应用提供了参考。目前的很多外骨骼系统，比如穿戴式外骨骼机器人，虽然实现了简单的功能性的动作，但远远未能达到人体的使用需求。

由于人体运动具有很强的自主性，自由度高，信息复杂，动作多样，而为了实现良好的辨识与预测，则需要具有传感器的感知系统能较大程度反映出系统状态，辨识延时小，预测精度高，计算复杂度低。但目前在人体运动预测方面，对人体与外骨骼耦合信息的研究较为匮乏，特别是对人体与外骨骼之间的信息获取与信息处理，并基于耦合信息估计与预测人体运动等问题较为突出，例如，穿戴式外骨骼机器人目前的生物信号检测停留在对神经元信号、肌电信号、关节运动信息、压力等特定的、单一模态的生物信号检测，尤其是神经元的信号和肌电信号个体差异极大，此外传感器本身也非常昂贵。另外，基于脑信号获取运动意图，虽然其全局性强同时信号无滞后，但就目前的科技水平来说，脑信号特征提取及解码技术仍不成熟，如此一来，其获取意图的准确性较低；基于肌电信号获取运动意图，虽然其信号无滞后，但由于测量肌电信息的传感器是根据肌肉活动时皮肤表面传送的微弱电流信号或肌肉的软硬程度来推断人的行为意识，传感器表面电极放置位置、人体汗液以及体温变化等不确定因素将影响所获取信息的稳定性和准确性。

目前，国内外的一些单位或企业均投入大量精力来研究外骨骼机器人相关的技术，比如，日本hal外骨骼采用能检测脑电信号和肌电信号等生物传感器来获取穿戴者的运动意图，然而这类信号通常比较微弱，对环境变化十分敏感，因此采集难度较大，采集质量不高，这在一定程度上限制了hal外骨骼在复杂环境下的工作能力。

因此，如何提供一种能够更加准确获取人体运动时的各个数据的外骨骼机器人便成为了本领域技术人员急需解决的技术问题。

技术实现要素：

本实用新型提供一种外骨骼机器人，包括外骨骼机器人本体和安装于所述外骨骼机器人本体上的传感器；

所述外骨骼机器人本体包括上部支撑结构和下肢结构，所述下肢结构对称设于所述上部支撑结构下方的左右两侧，所述上部支撑结构包括背架，所述下肢结构包括髋部杆件、大腿杆件、小腿杆件、足部构件，所述髋部杆件连接所述背架，还包括连接所述髋部杆件与所述大腿杆件的髋关节、连接所述大腿杆件与所述小腿杆件的膝关节、连接所述小腿杆件与所述足部构件的踝关节；

所述传感器包括用于检测足底压力的薄膜应变片传感器，所述薄膜应变片传感器安装于所述足部构件的鞋内，还包括用于检测左右髋膝关节处关节角度的编码器，所述左右髋膝关节处分别安装所述编码器，还包括用于检测左右髋膝关节处力/力矩的力传感器，所述左右髋膝关节处分别安装所述力传感器，还包括用于检测运动速度/加速度的姿态传感器，左右所述小腿杆件、左右所述大腿杆件和所述背架分别安装所述姿态传感器，还包括用于检测左右大腿杆件和左右小腿杆件处肌肉张力的电容式传感器，所述左右大腿杆件和所述左右小腿杆件上分别设有连接绑带，每个所述连接绑带上固定有与人体皮肤非接触的所述电容式传感器，每个所述电容式传感器包括至少一个电极贴片。

作为优选，所述电极贴片固定安装于所述连接绑带的内表面上，所述电极贴片背离所述内表面的一侧设有一层硅橡胶；

或者，所述电极贴片固定安装于所述连接绑带的内表面和外表面之间。

作为优选，每个所述电容式传感器均包括六个所述电极贴片，所述连接绑带围成圆形时，六个所述电极贴片沿所述圆形周向方向均匀排列。

作为优选，还包括驱动装置，所述驱动装置包括膝关节电机驱动器和髋关节电机驱动器，所述膝关节电机驱动器连接安装于所述膝关节处的电机，所述髋关节电机驱动器连接安装于所述髋关节处的电机。

作为优选，每个所述鞋内的所述薄膜应变片传感器的数量为七个，对应脚拇指处的所述鞋内设有一个所述薄膜应变片传感器，对应脚后跟的所述鞋内设有两个并排的所述薄膜应变片传感器，对应脚后跟的前方处设有一个薄膜应变片传感器，对应脚拇指的后方处设有三个并排的薄膜应变片传感器。

作为优选，所述背架上设有五个所述姿态传感器，对应腰处设有并排的两个所述姿态传感器，对应胸脯处设有呈三角形的三个所述姿态传感器。

本实用新型的一种外骨骼机器人，具有如下技术效果：

所提供的外骨骼机器人由多种传感器组成，主要用来检测人机交互作用与反馈系统运行状态，其包括用于反映运动意图的力反馈信息和位置反馈信息，比如可采集足底压力、关节处力/力矩、速度/加速度等数据，尤其基于电容传感，将肌肉张力传感器于肌肉接触改为柔性佩戴、非接触式，且根据安装位置定位及人体参数检测，能自动检测和调整接触位置和强度，大幅度提高适应性，其相比基于肌电信号的研究，不仅可以达到同样的识别精度，而且克服了表面肌电信号测量必须接触皮肤的缺点，为肌肉变形检测领域的研究提供了一个全新的方式，能够更加准确的辨识与预测人体运动时的各个数据。

作为优选，电极贴片的布置方式使得其不直接接触人体的皮肤，可准确测量肌肉外形变形量、肌肉电容、肌肉密度测量、emg(表面肌电信号)来获得肌肉张力。

作为优选，六个电极贴片沿圆形周向方向均匀排列，可更加全面检测大腿小腿上各处的肌肉张力。

作为优选，每个鞋内的薄膜应变片传感器的数量为七个，并于不同位置设置，可检测到更加精确的足底压力，基于该足底压力数据，可更加明确区分不同运动模式。

作为优选，背架上设有五个姿态传感器，对应腰处设有并排的两个姿态传感器，对应胸脯处设有呈三角形的三个姿态传感器，同样，可检测到更加精确的速度/加速度，基于该数据，可更加明确区分不同运动模式。

附图说明

图1为本实用新型所提供的一种外骨骼机器人的外骨骼机器人本体的结构示意图(未示出大腿处的连接绑带)；

图2为本实用新型所提供的一种外骨骼机器人本体和传感器之间的结构示意图；

图3为薄膜应变片传感器的分布示意图；

图4为姿态传感器的分布示意图；

图1-4中附图标记如下：

1上部支撑结构，2髋部杆件，3大腿杆件，4小腿杆件，5足部构件，6髋关节，7膝关节，8踝关节，9连接绑带，10薄膜应变片传感器，11编码器，12力传感器，13姿态传感器，14电容式传感器，15外骨骼机器人本体。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

如图1-4所示，图1为本实用新型所提供的一种外骨骼机器人的外骨骼机器人本体的结构示意图(未示出大腿处的连接绑带)；

图2为本实用新型所提供的一种外骨骼机器人本体和传感器之间的结构示意图；

图3为薄膜应变片传感器的分布示意图；

图4为姿态传感器的分布示意图；

结合图1-4，本实用新型提供的一种外骨骼机器人，一种具体实施方式中，其包括外骨骼机器人本体15和安装于外骨骼机器人本体15上的传感器；

其中，如图1所示，外骨骼机器人本体15包括上部支撑结构1和下肢结构，下肢结构对称设于所述上部支撑结构1下方的左右两侧，上部支撑结构包括背架，下肢结构包括髋部杆件2、大腿杆件3、小腿杆件4、足部构件5，髋部杆件2连接背架，还包括连接髋部杆件2与大腿杆3件的髋关节6、连接大腿杆件3与小腿杆件4的膝关节7、连接小腿杆件4与足部构件5的踝关节8；

传感器包括用于检测足底压力的薄膜应变片传感器10，薄膜应变片传感器10安装于足部构件5的鞋内，还包括用于检测左右髋膝关节处关节角度的编码器11，左右髋膝关节处分别安装所述编码器11，还包括用于检测左右髋膝关节处力/力矩的力传感器12，左右髋膝关节处分别安装所述力传感器12，还包括用于检测运动速度/加速度的姿态传感器13，左右小腿杆件、左右大腿杆件和所述背架分别安装所述姿态传感器13，还包括用于检测左右大腿杆件3和左右小腿杆件4处肌肉张力的电容式传感器14，左右大腿杆件3和左右小腿杆件4上分别设有连接绑带9，每个连接绑带9上固定有与人体皮肤非接触的电容式传感器14，每个电容式传感器14包括至少一个电极贴片；

其中，连接绑带的材质可以为纺织材质，但不限于此。

所提供的外骨骼机器人由多种传感器组成，主要用来检测人机交互作用与反馈系统运行状态，其包括用于反映运动意图的力反馈信息和位置反馈信息，比如可采集足底压力、关节处力/力矩、速度/加速度等数据，尤其基于电容传感的运动意图识别，将肌肉张力传感器于肌肉接触改为柔性佩戴、非接触式，且根据安装位置定位及人体参数检测，能自动检测和调整接触位置和强度，大幅度提高适应性，其相比基于肌电信号的研究，不仅可以达到同样的识别精度，而且克服了表面肌电信号测量必须接触皮肤的缺点，为肌肉变形检测领域的研究提供了一个全新的方式，能够更加准确的辨识与预测人体运动时的各个数据。

其中，关于电极贴片的具体设置位置，可采用以下两种方式之一：

第一种，电极贴片固定安装于连接绑带9的内表面上，电极贴片背离所述内表面的一侧设有一层硅橡胶；一层硅橡胶放置的厚度可以为2.5毫米。

第二种，电极贴片固定安装于连接绑带9的内表面和外表面之间，直接将电极贴片置于连接绑带9内部。

电极贴片的布置方式使得其不直接接触人体的皮肤，可准确测量肌肉外形变形量、肌肉电容、肌肉密度测量、emg(表面肌电信号)来获得肌肉张力。

该具体实施方式中，每个电容式均包括六个电极贴片，连接绑带9围成圆形时，六个电极贴片沿圆形周向方向均匀排列。个数不限于六个。

六个电极贴片沿圆形周向方向均匀排列，可更加全面检测大腿小腿上各处的肌肉张力。

进一步的，该具体实施方式中，还包括驱动装置(附图中未示出)，驱动装置包括膝关节电机驱动器和髋关节电机驱动器，膝关节电机驱动器连接安装于膝关节处的电机，髋关节电机驱动器连接安装于髋关节处的电机。

如图3所示，每个鞋内的薄膜应变片传感器10的数量为七个，对应脚拇指处的鞋内设有一个薄膜应变片传感器10，对应脚后跟的鞋内设有两个并排的薄膜应变片传感器10，对应脚后跟的前方处设有一个薄膜应变片传感器10，对应脚拇指的后方处设有三个并排的薄膜应变片传感器10。

每个鞋内的薄膜应变片传感器10的数量为七个，并于不同位置设置，可检测到更加精确的足底压力，基于该足底压力数据，可更加准确获取人体不同运动模式下的足底压力数据。

如图4所示，背架上设有五个姿态传感器13，对应腰处设有并排的两个姿态传感器13，对应胸脯处设有呈三角形的三个姿态传感器13。

背架上设有五个姿态传感器13，对应腰处设有并排的两个姿态传感器13，对应胸脯处设有呈三角形的三个姿态传感器13，同样，可检测到更加精确的速度/加速度。

以上实施方式仅为本实用新型的示例性实施方式，不用于限制本实用新型，本实用新型的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员在本实用新型的实质和保护范围内，对本实用新型做出的各种修改或等同替换也落在本实用新型的保护范围内。