一种外骨骼人机连接装置及主动助力外骨骼的制作方法

1.本发明涉及人体可穿戴装置技术领域，特别涉及一种外骨骼人机连接装置及主动助力外骨骼。


背景技术：

2.外骨骼是一种可以为人体提供助力的可穿戴机械设备，采用刚性材料作为关节间支撑，采用电动、液压动力单元作为关节驱动，在工作过程中通过动力关节发力为人体提供辅助，共同完成目标作业。外骨骼人机连接装置是人机物理交互界面的重要组成部分，其穿戴于人体上肢和下肢，实现助力传递与传感信号获取。
3.现有的外骨骼人机连接装置存在以下几个问题：1.受外骨骼刚性材料的限制，穿戴适应性较差，无法保持动态条件下与人体始终贴合，造成局部压力过大、助力传递效率低；2.运动感测单元无法与人体保持贴合，获取的运动信号不能真实反映人体肢体运动，刚性集成到连接装置的运动感测单元受到外骨骼动力单元传导的机械振动影响，对外骨骼助力控制有效性带来不良影响。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种能够准确跟踪人体运动，同时隔离外骨骼动力单元传导的机械振动，实现运动传感信号准确获取的外骨骼人机连接装置。
5.本发明另一目的在于提供一种包括上述外骨骼人机连接装置的主动助力外骨骼。
6.为实现上述目的，本发明第一方面提供一种外骨骼人机连接装置，包括外骨骼连接座、弧形衬板、绑带和运动传感器，所述弧形衬板与所述外骨骼连接座连接形成包围件，所述外骨骼连接座与外骨骼上肢或下肢连杆相连，所述绑带连接在所述包围件上，通过所述包围件和所述绑带围绕上肢或下肢定位以将所述外骨骼人机连接装置与穿戴部位绑定；其中，所述弧形衬板的形状与穿戴部位的外形相配，所述运动传感器通过弹性元件设置在所述弧形衬板内侧，所述外骨骼人机连接装置与穿戴者绑定时，在所述弹性元件预紧力作用下使所述运动传感器始终与穿戴者穿戴部位紧密贴合。
7.进一步，所述弧形衬板和所述外骨骼连接座上分别设置有通孔，所述弧形衬板和所述外骨骼连接座的通孔位置与所述运动传感器的位置前后对应，且所述通孔的尺寸大于所述运动传感器的外轮廓尺寸，便于外骨骼人机连接装置与穿戴者绑定时所述运动传感器仅与穿戴者穿戴部位接触。
8.进一步，所述弧形衬板为柔性材料，外骨骼人机连接装置与穿戴者绑定时通过所述弧形衬板所述运动传感器与所述外骨骼连接座柔性接触。
9.进一步，所述弧形衬板、所述外骨骼连接座和所述绑带上分别设置有安装孔，所述绑带夹持在所述外骨骼连接座与所述弧形衬板之间，并且通过在所述弧形衬板、所述外骨骼连接座和所述绑带的安装孔中穿设固定件将所述弧形衬板、所述外骨骼连接座和所述绑
带可拆卸地固连。
10.进一步，所述弧形衬板的通孔两侧设置有穿设所述弹性元件的连接孔，所述弹性元件穿设在所述连接孔中以将所述运动传感器悬挂在所述弧形衬板内侧。
11.进一步，所述外骨骼人机连接装置通过转动副与外骨骼上肢或下肢连杆转动连接，所述外骨骼人机连接装置通过所述转动副能够小幅前后摆动。
12.进一步，所述外骨骼上肢或下肢连杆上设置有限位螺钉，所述限位螺钉向所述外骨骼人机连接装置侧凸出，抵挡在外骨骼人机连接装置的摆动轨迹上，以限定所述外骨骼人机连接装置最大摆动幅度。
13.进一步，在所述外骨骼连接座与外骨骼大腿杆下端相连时，外骨骼大腿杆上端动力连接有驱动电机，所述驱动电机根据所述运动传感器实时采集的腿部运动信息驱动所述外骨骼大腿杆摆动。
14.本发明第二方面提供一种主动助力外骨骼，包括第一方面所述的外骨骼人机连接装置、驱动电机和外骨骼大腿连杆，所述外骨骼连接座与外骨骼大腿杆下端转动连接，所述驱动电机与外骨骼大腿杆上端动力连接，所述驱动电机根据所述运动传感器实时采集的腿部运动信息驱动所述外骨骼大腿杆前后摆动。
15.进一步，所述驱动电机的动力输出端与转盘连接，所述外骨骼大腿杆上端通过沿矢状面设置的连接轴与转盘连接，所述外骨骼大腿杆能够绕所述连接轴左右摆动；所述驱动电机驱动所述转盘转动，进而带动所述外骨骼大腿杆前后摆动。
16.本发明通过外骨骼连接座、弧形衬板和绑带将外骨骼人机连接装置与穿戴者绑定，弧形衬板的形状与穿戴部位适配能够适配不同体型穿戴者的佩戴需求，保持动态条件下与人体始终贴合，运动传感器在弹性元件预紧力作用下保持与穿戴部位紧密贴合，实现舒适、可靠的力学传递和高精准运动传感信号获取，提高了外骨骼助力效率。
17.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1a、图1b为本发明一实施例的外骨骼人机连接装置的结构示意图；
20.图2为本发明一实施例的包围件与绑带的装配示意图；
21.图3为本发明一实施例的外骨骼大腿连杆与外骨骼连接座的装配示意图；
22.图4为本发明一实施例的主动助力外骨骼的结构示意图。
具体实施方式
23.现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。
24.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
25.全文中描述使用的术语“顶部”、“底部”、“在
……
上方”、“下”和“在
……
上”、“左右方向”、“上下方向”是相对于装置的部件的相对位置，例如装置内部的顶部和底部衬底的相对位置。可以理解的是装置是多功能的，与它们在空间中的方位无关。
26.术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含所指示的技术特征的数量。由此，限定的“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
27.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
28.如图1a和1b所示，外骨骼人机连接装置，包括外骨骼连接座1、弧形衬板2、绑带3和运动传感器4，所述弧形衬板2与所述外骨骼连接座1连接形成包围件，所述外骨骼连接座1与外骨骼上肢或下肢连杆相连，所述绑带3连接在所述包围件上，通过所述包围件和所述绑带3围绕上肢或下肢定位以将所述外骨骼人机连接装置与穿戴者绑定；其中，所述弧形衬板2的形状与穿戴者的上肢和/或下肢形状相配，弧形衬板2的形状与穿戴部位适配能够适配不同体型穿戴者的佩戴需求，保持动态条件下与人体始终贴合，可以避免外骨骼穿戴时局部压力过大、助力传递效率低等问题。所述运动传感器4通过弹性元件5设置在所述弧形衬板2内侧，所述外骨骼人机连接装置与穿戴部位绑定时，在所述弹性元件5预紧力作用下使所述运动传感器4始终与穿戴部位紧密贴合。弹性元件5可以为两条等长度弹性连接带，弹性连接带保持绷紧状态，未穿戴时运动传感器4通过弹性连接带悬挂，穿戴好绑带3后，穿戴部位与弧形衬板2紧贴并紧贴运动传感器4，随着穿戴部位向前运动前推运动传感器4，运动传感器4受到弹性连接带预紧力作用，能够保证在运动条件下始终与穿戴部位贴合，精准感测穿戴部位倾角、角速度、加速度等运动信息。在本实施例中外骨骼连接座与外骨骼大腿连杆相连，以对腿部助力，然而外骨骼连接座连接部位并不局限于此，其也可以与外骨骼臂杆相连，对上肢助力。
29.在本发明一实施例中，所述弧形衬板2和所述外骨骼连接座1上分别设置有通孔21、11，所述弧形衬板2和所述外骨骼连接座1的通孔21、11位置与所述运动传感器4的位置前后对应，且所述通孔21、11的尺寸大于所述运动传感器4的外轮廓尺寸，便于外骨骼人机连接装置与穿戴者绑定时所述运动传感器4仅与穿戴者穿戴部位接触，而不与外骨骼人机连接装置和外骨骼直接接触，运动传感器4的感测结果不受到碰撞干扰，提高感觉结果的准确性。
30.在本发明一实施例中，弧形衬板2和外骨骼连接座1上也可以不设置供运动传感器4通过的通孔，而将所述弧形衬板2采用柔性材料，外骨骼人机连接装置与穿戴者绑定时，通过所述弧形衬板2所述运动传感器4与所述外骨骼连接座1柔性接触可以吸收外骨骼连接座1的振动影响，也可以减少运动传感器4的感测结果受碰撞干扰的影响，提高感觉结果的准确性。
31.如图2所示，在本发明一实施例中，所述弧形衬板2、所述外骨骼连接座1和所述绑带3上分别设置有安装孔22、12、31，所述绑带3夹持在所述外骨骼连接座1与所述弧形衬板2之间，并且通过在所述弧形衬板2、所述外骨骼连接座1和所述绑带3的安装孔22、12、31中穿设固定件将所述弧形衬板2、所述外骨骼连接座1和所述绑带3可拆卸地固连。弧形衬板2可以通过上述可拆卸地连接方式连接在外骨骼连接座1上，便于更换不同尺寸的弧形衬板2，适应不同体现穿戴者的穿戴需求。所述弧形衬板2的通孔两侧设置有穿设所述弹性元件5的连接孔23，所述弹性元件5穿设在所述连接孔23中以将所述运动传感器4悬挂在所述弧形衬板2内侧，并且通过调整弹性元件5穿设在连接孔23中的长度还可以调整弹性元件5的弹性预紧力。
32.如图3所示，在本发明一实施例中，所述外骨骼人机连接装置通过转动副与外骨骼上肢或下肢连杆转动连接，所述外骨骼人机连接装置通过所述转动副能够小幅前后摆动。转动副包括转轴轴套6和转轴13，外骨骼连接座1端部设置转轴13，转轴穿过转轴轴套6形成转动副，通过转动副可以实现舒适、可靠的力学传递。所述外骨骼上肢或下肢连杆上设置有限位螺钉7，所述限位螺钉7向所述外骨骼人机连接装置侧凸出，抵挡在外骨骼人机连接装置的摆动轨迹上，以限定所述外骨骼人机连接装置最大摆动幅度。此外，限位螺钉7还可以保持装置始终位于腿部正面，防止误穿戴。工作时，连接装置绑缚于穿戴部，连接装置与上肢或下肢连杆之间具有一个转动自由度，二者之间可相对转动，使弧形衬板2始终与穿戴部位保持贴合，提供前后向助力。限位螺钉7可以防止装置转动角度过大，具有安全防护作用。通过调整限位螺钉7的设置位置，还可以改变转动限位角度范围。
33.如图4所示，本发明的主动助力外骨骼，包括上述外骨骼人机连接装置、驱动电机8和外骨骼大腿连杆9，所述外骨骼连接座1与外骨骼大腿连杆9下端转动连接，所述驱动电机8与外骨骼大腿连杆9上端动力连接，所述驱动电机8根据所述运动传感器实时采集的腿部运动信息驱动所述外骨骼大腿杆9前后摆动。其中，所述驱动电机8的动力输出端与转盘10连接，所述外骨骼大腿杆9上端通过沿矢状面设置的连接轴14与转盘10连接，所述外骨骼大腿杆9能够绕所述连接轴14左右摆动，增加运动灵活性；所述驱动电机8驱动所述转盘10转动，进而带动所述外骨骼大腿杆9前后摆动。本实施例驱动电机8设置在外骨骼髋板外侧，该实施例以髋关节电动助力外骨骼为例进行说明，其也可以安装在外骨骼不同部位对人体助力。运动传感器实时采集人体腿部运动信息(欧拉角、加速度等)，为感知、控制算法提供信息源。采集到的人体运动信息经过感知算法实时解算后可以得到人体运动模式、步态相位参数，并传递给控制器。控制器依据目标控制模式和实时传感信号控制主动关节电机的输出转矩或者关节特性，为人体提供精准适宜的助力。
34.综上所述，本发明通过外骨骼连接座、弧形衬板和绑带将外骨骼人机连接装置与穿戴者绑定，弧形衬板的形状与穿戴部位适配能够适配不同体型穿戴者的佩戴需求，保持动态条件下与人体始终贴合，运动传感器在弹性元件预紧力作用下保持与穿戴部位紧密贴合，实现舒适、可靠的力学传递和高精准运动传感信号获取，提高了外骨骼助力效率。
35.本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本技术旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的
权利要求指出。
36.应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。