柔性外骨骼机器人的制作方法
【技术领域】
[0001]涉及机器人领域，特别是一种辅助行走装置。
【背景技术】
[0002]下肢助力外骨骼机器人是一种并联在人体下肢外部，对穿戴者进行行走助力的机器人，随着老龄化的加剧，下肢助力外骨骼机器人是近年来研究的热点。目前，下肢助力外骨骼机器人多采用刚性连杆组成的刚性框架机构系统，借助大腿、小腿处的绑缚装置与穿戴者下肢耦合在一起。当穿戴者进行行走运动时，刚性杆并联在人体下肢外部运动，增加了人体下肢的运动阻抗，改变了穿戴者的运动自然频率，造成运动干扰。此外，人体各关节的运动是由肌肉骨骼系统共同作用下沿着复杂关节骨曲面形成的空间三维运动，而刚性下肢外骨骼的各关节运动轴很难与穿戴者的运动轴相匹配，导致行走运动中外骨骼机械腿与人腿存在很大的未对准误差，这种误差影响了穿戴者的穿戴舒适性，严重时还会造成穿戴者下肢疼痛及运动损伤。尽管通过构型优化可实现下肢外骨骼机构的轻量化设计，但下肢外骨骼的刚性连杆机构对穿戴者自然行走步态的运动干扰仍不能忽视。
[0003]为了实现下肢助力外骨骼在行走运动中能对穿戴者有效助力，并且对穿戴者自然运动影响较小，需要下肢助力外骨骼系统具有重量轻、人机贴合性好的特点，同时下肢助力外骨骼的驱动机制应像人体肌肉一样具有较低的机械输出阻抗及能适应较大控制带宽的特点；现有技术还未解决这些问题。
【发明内容】
[0004]为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种柔性下肢助力外骨骼机器人，本发明提供了一种采用柔性材料做成的轻型、易穿戴的下肢柔性绑缚装置，使用仿生驱动方式驱动下肢柔性绑缚装置辅助人体行走。
[0005]为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案:
柔性外骨骼机器人，包括:穿戴于人体下肢上的下肢柔性绑缚装置，驱动下肢柔性绑缚装置运动的仿生驱动装置，连接于驱动装置与下肢柔性绑缚装置之间的传动装置。
[0006]前述的柔性外骨骼机器人，下肢柔性绑缚装置包括:布置于小腿后侧位置的小腿交叉捆绑带，小腿束缚环带，连接于小腿束缚环带的大腿束缚环带，连接于上述大腿束缚环带并布置于大腿前侧位置的大腿交叉捆绑带，连接于大腿交叉捆绑带的臀部束缚环带。
[0007]前述的柔性外骨骼机器人，仿生驱动装置包括:连接于人体的背部的装置外壳，置于装置外壳内的气动肌肉支架，固定于气动肌肉支架上的气动肌肉。
[0008]前述的柔性外骨骼机器人，传动装置包括:连接于气动肌肉与下肢柔性绑缚装置之间的套索。
[0009]前述的柔性外骨骼机器人，套索组成有:布置在柔性下肢外骨骼上的套索段，一端连接于上述套索段且另一端连接于上述气动肌肉的输出端的套索线。
[0010]前述的柔性外骨骼机器人，传动装置还包括:置于装置外壳上并连接于套索的导向件。
[0011]前述的柔性外骨骼机器人，导向件为槽轮。
[0012]前述的柔性外骨骼机器人，还包括:连接于传动装置的足部穿戴装置。
[0013]前述的柔性外骨骼机器人，足部穿戴装置包括:固连于穿戴者的鞋套的固定部，安装套索段的安装部。
[0014]本发明的有益之处在于:本发明提供一种柔性下肢助力外骨骼机器人，本发明提供了一种采用柔性材料做成的轻型、易穿戴的下肢柔性绑缚装置，实现人机贴合，减少了对穿戴者运动的干扰，使得穿戴者能按照本身的自然运动频率实现下肢运动；使用仿生驱动装置和套索传递动力实现外骨骼驱动，此驱动方式具有较好的仿生肌肉运动效果。
【附图说明】
[0015]图1是本发明一种实施例的前视图；
图2是本发明一种实施例的右视图；
图3是穿戴者使用本发明在平地行走时下肢各关节角度值；
图4是穿戴者使用本发明在平地行走时下肢各关节力矩值；
图5是穿戴者使用本发明在平地行走时下肢各关节功率值；
图6是仿生驱动装置和传动装置的一种实施例的示意图。
[0016]1小腿束缚环带，2小腿交叉捆绑带，3大腿束缚环带，4大腿交叉捆绑带，5大腿交叉捆绑带，6臀部束缚环带，7装置外壳，8气动肌肉支架，9气动肌肉，10足部穿戴装置，11套索线，12套索段，13槽轮。
【具体实施方式】
[0017]以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
[0018]柔性外骨骼机器人，包括:穿戴于人体下肢上的下肢柔性绑缚装置，驱动下肢柔性绑缚装置运动的仿生驱动装置，连接于驱动装置与下肢柔性绑缚装置之间的传动装置。
[0019]下肢柔性绑缚装置包括:布置于小腿后侧位置的小腿交叉捆绑带，小腿束缚环带，连接于小腿束缚环带的大腿束缚环带，连接于上述大腿束缚环带并布置于大腿前侧位置的大腿交叉捆绑带，连接于大腿交叉捆绑带的臀部束缚环带。下肢柔性绑缚装置由纺织品布料制作而成，具有轻型、易穿戴的优点，实现人机贴合，减少了对穿戴者运动的干扰，使得穿戴者能按照本身的自然运动频率实现下肢运动。
[0020]仿生驱动装置包括:连接于人体的背部的装置外壳，置于装置外壳内的气动肌肉支架，固定于气动肌肉支架上的气动肌肉。传动装置包括:连接于气动肌肉与下肢柔性绑缚装置之间的套索；为了使得套索传送稳定，传动装置还包括:置于装置外壳上并连接于套索的导向件；作为一种优选，导向件为槽轮。套索组成有:套索线和套索段；套索段布置在柔性下肢外骨骼上，套索线连接与套索段的一端，且另一端与气动肌肉的输出端相连。左右腿上的下肢柔性绑缚装置由不同的气动肌肉和套索驱动，两个气动肌肉和两个套索控制一条腿。
[0021]柔性外骨骼机器人，还包括:连接于传动装置的足部穿戴装置；足部穿戴装置包括:固连于穿戴者的鞋套的固定部，安装上述套索段的安装部。
[0022]本发明采用气动肌肉带动套索运动，套索传递动力到下肢柔性绑缚装置。人体下肢行走过程中通过套索张力进行运动助力。在单条腿上，动力传递包含固定套索端的足部穿戴装置和套索。
[0023]在进行驱动及动力传递设计时，如何配置驱动动力实现行走过程中有效助力且以轻量化为目标是设计的关键，进行人体过程中各关节的运动学及动力学研究对驱动系统的设计提供重要的理论依据。穿戴者身体关键部位粘贴标记点，在内嵌力板的行走轨道内行走，高速摄像机进行运动图像采集，经过数据处理获得平地行走过程中下肢各关节角度曲线如图3所示，各关节力矩曲线如图4所示，各力矩曲线如图5所示。由行走运动学及动力学分析结果可知，在平地行走过程中，下肢踝关节及髋关节做功为正值，膝关节平均功率基本为负值，故在图2给出的实施例中，对踝关节及髋关节进行动力驱动，膝关节为被动。对于不同的运动模式，下肢各关节的运动学及动力学输出则会发生变化，其驱动系统需根据不同运动功能进行调整。图6给出了平地行走运动模式的柔性下肢外骨骼驱动系统示意图。在气动肌肉支撑架中，连接左边下肢柔性绑缚装置的气动肌肉通过槽轮带动套索传动，套索带动下肢柔性绑缚装置捆绑的左边的单侧腿运动。同理，连接右边下肢柔性绑缚装置的气动肌肉通过槽轮带动套索传动，套索进而带动右边的单侧腿运动。
[0024]实施例在工作过程中，气动肌肉带动套索进行驱动，柔性绑缚系统提供柔顺的力传递通道，外骨骼机器人系统具有轻型、仿生运动特征，大大减小了对穿戴者的运动干扰，使得穿戴者能以自然运动状态进行行走运动且柔性外骨骼系统在其运动过程中进行舒适的行走助力。
[0025]以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
【主权项】
1.柔性外骨骼机器人，其特征在于，包括:穿戴于人体下肢上的下肢柔性绑缚装置，驱动上述下肢柔性绑缚装置运动的仿生驱动装置，连接于上述驱动装置与下肢柔性绑缚装置之间的传动装置。2.根据权利要求1所述的柔性外骨骼机器人，其特征在于，下肢柔性绑缚装置包括:布置于小腿后侧位置的小腿交叉捆绑带，小腿束缚环带，连接于上述小腿束缚环带的大腿束缚环带，连接于上述大腿束缚环带并布置于大腿前侧位置的大腿交叉捆绑带，连接于上述大腿交叉捆绑带的臀部束缚环带。3.根据权利要求1所述的柔性外骨骼机器人，其特征在于，上述仿生驱动装置包括:连接于人体的背部的装置外壳，置于上述装置外壳内的气动肌肉支架，固定于上述气动肌肉支架上的气动肌肉。4.根据权利要求3所述的柔性外骨骼机器人，其特征在于，上述传动装置包括:连接于上述气动肌肉与下肢柔性绑缚装置之间的套索。5.根据权利要求4所述的柔性外骨骼机器人，其特征在于，上述套索组成有:布置在柔性下肢外骨骼上的套索段，一端连接于上述套索段且另一端连接于上述气动肌肉输出端的套索线。6.根据权利要求4所述的柔性外骨骼机器人，其特征在于，上述传动装置还包括:置于上述装置外壳上并连接于上述套索的导向件。7.根据权利要求5所述的柔性外骨骼机器人，其特征在于，上述导向件为槽轮。8.根据权利要求5所述的柔性外骨骼机器人，其特征在于，还包括:连接于上述传动装置的足部穿戴装置。9.根据权利要求8所述的柔性外骨骼机器人，其特征在于，上述足部穿戴装置包括:固连于穿戴者的鞋套的固定部，安装上述套索段的安装部。
【专利摘要】本发明公开了一种柔性外骨骼机器人,包括：穿戴于人体下肢上的下肢柔性绑缚装置，驱动下肢柔性绑缚装置运动的仿生驱动装置，连接于驱动装置与下肢柔性绑缚装置之间的传动装置。本发明提供一种柔性下肢助力外骨骼机器人，本发明提供了一种采用柔性材料做成的轻型、易穿戴的下肢柔性绑缚装置，使用仿生驱动方式驱动下肢柔性绑缚装置辅助人体行走。
【IPC分类】A61H3/00, A61F4/00
【公开号】CN105266939
【申请号】CN201510850693
【发明人】韩亚丽, 朱松青, 郝大彬, 周洲, 时煜
【申请人】南京工程学院
【公开日】2016年1月27日
【申请日】2015年11月30日