一种瞬心可调式变刚度柔性膝关节外骨骼

1.本发明涉及下肢外骨骼机器人技术领域，尤其涉及一种瞬心可调式变刚度柔性膝关节外骨骼。


背景技术：

2.助力行走型下肢外骨骼作为外骨骼机器人其中的一个重要研究方向，其主要结构可以分为控制器、驱动器、执行器。其作用原理如下：控制器通过预先输入的人体步态轨迹及传感器反馈的信号进行人体步态识别及人体意图预测，并发送指令驱动执行器对单关节或多关节进行助力，以辅助人体行走。
3.传统的下肢外骨骼膝关节采用单一刚性铰链接，不能适应人体膝关节变瞬心的特性，同时多为定刚度关节，刚性较大、缺乏柔性。目前，国内外也开展了柔性下肢外骨骼机器人的研究，出现了以柔性织物为主体的柔性下肢外骨骼套装，但是这种外骨骼套装缺乏支撑功能，仅适用于健康人群，而对下肢障碍人群帮助有限。
4.申请号为“cn201910693712.9”的发明专利公开了一种旋转瞬心可变的膝关节运动仿生机构，其结构包括：大腿连接件，小腿连接件，关节连接支撑件以及运动缓冲限位组件。大腿连接件与小腿连接件之间采用了齿轮啮合转动，模拟了膝关节中上下关节面的面接触转动与平动。但人体股骨与胫骨的接触面曲线并不是纯圆弧曲线，而是一种近似于椭圆弧的j字形曲线。同时，不同个体膝关节的旋转瞬心曲线存在差异，该机构的适应性较差。同时，运动缓冲限位组件采用单一弹簧，不能准确满足人体膝关节屈伸时的肌肉刚度变化。
5.申请号为“201710129374.7”的中国发明公开了一种基于绳驱的仿生下肢外骨骼机器人，其结构包括背包，腰部机构，大腿固定装置，膝关节机构，小腿固定装置，踝关节机构。该发明采用仿生设计方法，通过依靠摆动板偏心轴沿半圆弧槽滑动以及膝关节盒盖内表面的凸出轴沿摆动板直线槽滑动来实现变瞬心转动。但是其关节运动变瞬心曲线依靠设计滑槽中心线实现，计算及建模复杂，同时该变瞬心曲线固定，不能适应不同个体的膝关节生理功能，普适性较差，助行助力效果有限，易造成助力不当。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明的目的在于提出一种瞬心可调式变刚度柔性膝关节外骨骼，以解决现有技术的不足。
7.基于上述目的，提出一种瞬心可调式变刚度柔性膝关节外骨骼，包括瞬心可调式变刚度柔性膝关节，所述瞬心可调式变刚度柔性膝关节包括膝关节主体、并联交叉弹簧以及气压人工肌肉，所述外骨骼主膝关节主体部分包括大腿绑缚连接件、大腿连接件、膝关节大腿连接件、膝关节瞬心拟合四杆机构、膝关节小腿连接件、小腿连接件、小腿绑缚连接件、紧固气囊与imu传感器；
8.大腿绑缚连接件、大腿连接件、膝关节大腿连接件、膝关节瞬心拟合四杆机构、膝关节小腿连接件、小腿连接件与小腿绑缚连接件由上至下依次连接，形成多级串联的膝关
节结构，以适应人体膝关节变中心的转动，紧固气囊位于外骨骼主体部分内侧，且一边设置2个，imu传感器位于外骨骼主体部分的外侧，且一边设置2个，分别贴于大腿绑缚连接件以及小腿绑缚连接件，气压人工肌肉的两端分别与小腿绑缚连接件和大腿绑缚连接件相连接，并联交叉弹簧模拟人体膝关节处十字交叉韧带的形式与膝关节瞬心拟合四杆机构相连接；
9.其中，气压人工肌肉充、放气带动膝关节瞬心拟合四杆机构旋转移动，使外骨骼膝关节运动瞬心能够匹配人体膝关节运动瞬心。
10.可选的，所述膝关节瞬心拟合四杆机构包括膝关节上连接板、变瞬心机构支撑连杆、调心式伸缩气压缸以及膝关节下连接板，膝关节上连接板的下部与变瞬心机构支撑连杆可转动连接，膝关节上连接板的下部与调心式伸缩气压缸缸体可转动连接，变瞬心支撑连杆以及调心式伸缩气压缸的活塞杆分别与膝关节下连接板可转动连接；
11.其中，膝关节瞬心拟合四杆机构转动时其瞬心曲线贴合人体膝关节的瞬心曲线，通过调整调心式伸缩气压缸的伸出长度，调整膝关节瞬心拟合四杆机构瞬心曲线曲率，以适应不同人体的膝关节。
12.可选的，所述大腿绑缚连接件的下部连接大腿连接件，大腿连接件与膝关节大腿连接件可转动连接，组合成大腿部转动副，膝关节大腿连接件的下部与膝关节瞬心拟合四杆机构可转动连接，膝关节瞬心拟合四杆机构与膝关节小腿连接件可转动连接，膝关节小腿连接件与小腿连接件可转动连接，组合成小腿部转动副，小腿连接件连接小腿绑缚连接件，每个紧固气囊均连接于上述大腿部转动副和小腿部转动副之间，所述并联交叉弹簧包括前交叉韧带弹簧和后交叉韧带弹簧，前交叉韧带弹簧从膝关节上连接板的突起处开始，并引出钢丝绳沿变瞬心支撑连杆的中心开口延伸并最终固定膝关节下连接板上；后交叉韧带弹簧从小腿连接件后方的突起处开始，并引线穿过膝关节上连接板和调心式伸缩式液压缸刚体连接处的空间，最终固定在膝关节下连接板上；
13.并联交叉弹簧在膝关节瞬心拟合四杆机构中间形成十字交叉结构，模拟人体膝关节前后交叉韧带的作用，对人体的膝关节进行导向和限位运动。
14.可选的，所述气压人工肌肉包括人工肌肉外层与人工肌肉内层，人工肌肉内层由若干个气囊内腔室相连而成，气囊内腔室之间通过气孔相连通，人工肌肉外层为内部添加簧片的波纹管结构，还包括气压人工肌肉接头、膝关节上管夹与膝关节下管夹，气压人工肌肉接头设置在小腿绑缚连接件的两侧，气压人工肌肉的一端通过气压人工肌肉接头与小腿绑缚连接件相连接，气压人工肌肉的另一端与大腿绑缚连接件相连接，膝关节上管夹连接到膝关节上连接板上，膝关节下管夹连接到膝关节下连接板；
15.在人体下肢处于摆动相时，气压人工肌肉收缩做功并提供助力，辅助人体膝关节屈曲，且在膝关节屈曲阶段，人工肌肉随肌肉收缩而增大刚度；
16.在人体下肢处于支撑相时，气压人工肌肉膨胀，辅助人体膝关节伸展，且膝关节伸展阶段，人工肌肉随肌肉膨胀而减小刚度；
17.在人体单腿脚跟触地时，气压人工肌肉过伸以减振缓冲并吸收能量。
18.在一种实施方式中，一种瞬心可调式变刚度柔性膝关节外骨骼，还可以包括外骨骼大腿部分、外骨骼髋关节结构部分、外骨骼控制背包、外骨骼小腿部分与外骨骼踝关节结构部分，外骨骼大腿部分与外骨骼小腿部分均为导轨滑块结构，分别与膝关节的上下两端
相连接，外骨骼髋关节结构部分包括左髋关节与右髋关节，左髋关节与右髋关节通过腰板相互连接，腰板为导轨滑块结构，并分别与外骨骼控制背包进行连接，外骨骼踝关节结构部分与外骨骼小腿部分相连接，并采用万向节形式结构，其足板上装有足底压力传感器。
19.可选的，所述外骨骼控制背包包括背包框架，背包框架内安装有控制器、电源、气泵、气罐、安全阀、减压阀、电磁换向阀以及气管。
20.本发明的有益效果：
21.1、外骨骼膝关节的刚度可调节。与人体膝关节刚度变化保持一致：采用多级串联形式的膝关节结构，适应人体行走时的膝关节刚度变化，在支撑相时膝关节各级结构接触面紧密连接，刚度大，摆动相时，膝关节各级结构旋转仅保持一定的弧形接触面，刚度小，气压人工肌肉驱动刚度能与人体肌肉刚度传动保持一致：膝关节屈曲阶段，人工肌肉随肌肉收缩而增大刚度；膝关节伸展阶段，人工肌肉随肌肉膨胀而减小刚度；
22.2、外骨骼膝关节的高度柔性化。基于气压人工肌肉实现非线性驱动具有仿生性能良好、低阻抗、能量密度高、高柔性以及能缓冲外部冲击载荷的优点。在外骨骼膝关节两侧对称设置气压人工肌肉，模拟人腿部肌肉分布，合理分配膝关节助力力矩；在人体下肢处于摆动相时，人工肌肉随肌肉收缩做功并提供助力，辅助膝关节屈曲；在人体下肢处于支撑相时，人工肌肉随肌肉膨胀而恢复原状，辅助膝关节伸展；特别的，在脚跟触地和脚尖踮起时，人工肌肉伸长，减振缓冲，吸收能量。设计并联交叉韧带，模拟人体膝关节前后交叉韧带，使膝关节运动柔顺，在膝关节穿戴结构内侧设置紧固气囊，提升穿戴效果及舒适性；
23.3、外骨骼膝关节运动瞬心可调节，可包络人体膝关节运动瞬心的变化，采用多级串联形式的膝关节结构能更好的适应人体膝关节变中心的转动，提升穿戴舒适性及运动合理性。膝关节瞬心拟合四杆机构为2自由度的欠驱动机构，转动时机构瞬心曲线贴合人体膝关节瞬心曲线，通过调整调心式伸缩气压缸长度l，从而调整机构瞬心曲线曲率以适应不同人体膝关节，人体膝关节转动10
°
至70
°
时运动节瞬心曲线在本发明膝关节瞬心曲线的工作空间内，能够满足人体行走要求。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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，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。
25.图1为本发明的外骨骼膝关节整体结构示意图；
26.图2为本发明的柔性膝关节外骨骼侧视图；
27.图3为本发明的固定气囊安装位置示意图；
28.图4为本发明的并联交叉弹簧安装位置示意图；
29.图5为本发明的气压人工肌肉整体及局部剖视图；
30.图6为本发明的膝关节弯曲工作状态示意图；
31.图7为本发明的外骨骼整体示意图；
32.图8为本发明基于不同l长度下的外骨骼膝关节瞬心曲线示意图。
33.图中：
[0034]ⅰ、膝关节主体；ⅱ、并联交叉弹簧；ⅲ、气压人工肌肉；ⅳ、外骨骼大腿部分；
ⅴ
、外骨骼髋关节结构部分；ⅵ、外骨骼控制背包；ⅶ、外骨骼小腿部分；ⅶ、外骨骼踝关节结构部分；1-1、大腿绑缚连接件；1-2、大腿连接件；1-3膝关节大腿连接件；1-4-1、膝关节上连接板；1-4-2、瞬心机构支撑连杆；1-4-3、调心式伸缩液压缸；1-4-4、膝关节下连接板；1-5、小腿膝关节连接件；1-6、小腿连接件；1-7、小腿绑缚连接件；1-8、紧固气囊；1-9、imu传感器；1-10、气动人工肌肉接头；1-11、膝关节上管夹；1-12、膝关节下管夹；2-1、前交叉韧带弹簧；2-2、后交叉韧带弹簧；3-1、气压人工肌肉外层；3-2、气压人工肌肉内层；3-3、簧片；
[0035]
图8中的l为调心式伸缩液压缸的整体长度，单位：mm，l取的数值分别为55mm、65mm、75mm、85mm。
具体实施方式
[0036]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。
[0037]
需要说明的是，除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
[0038]
如图1所示，一种瞬心可调式变刚度柔性膝关节外骨骼，包括瞬心可调式变刚度柔性膝关节，包括瞬心可调式变刚度柔性膝关节包括膝关节主体ⅰ、并联交叉弹簧ⅱ以及气压人工肌肉ⅲ。
[0039]
所述外骨骼主膝关节主体部分ⅰ，如图2所示，包括：大腿绑缚连接件1-1、大腿连接件1-2、膝关节大腿连接件1-3、膝关节瞬心拟合四杆机构、膝关节小腿连接件1-5、小腿连接件1-6、小腿绑缚连接件1-7、紧固气囊1-8、imu传感器1-9、气压人工肌肉接头1-10、膝关节上管夹1-11及膝关节下管夹1-12。外骨骼主体呈轴对称分布，从上至下看，整体呈现“u字形”，贴合人体腿部两侧。
[0040]
上述膝关节瞬心拟合四杆机构包括：膝关节上连接板1-4-1，变瞬心机构支撑连杆1-4-2、调心式伸缩气压缸1-4-3以及膝关节下连接板1-4-4。膝关节上连接板1-4-1下部有2个冠状轴通孔，其中位置相对较高的冠状轴通孔与变瞬心机构支撑连杆1-4-2连接形成转动副，位置相对较低的冠状轴通孔与调心式伸缩气压缸1-4-3缸体连接形成转动副。同理，变瞬心支撑连杆1-4-2以及调心式伸缩气压缸1-4-3的活塞杆分别与膝关节下连接板1-4-4连接形成转动副。
[0041]
所述外骨骼主体的具体连接方式如下：
[0042]
大腿绑缚连接件1-1整体呈现“u字形”，轴对称分布，贴合人体腿部两侧。大腿绑缚连接件1-1两侧设有气路通道和柔性绑带孔，下方开有直线凹槽并设有螺孔，用于通过螺栓连接大腿连接件1-2。
[0043]
大腿连接件1-2为上端具有凸台，下端为具有特定曲线的凹槽的不规则壳体。大腿连接件1-2下端凹槽开有通孔，用于通过销轴连接膝关节大腿连接件1-3，与膝关节大腿连接件1-3形成转动副。
[0044]
膝关节大腿连接件1-3为上下两端均为具有圆弧曲面的凸台。凸台部分开有通孔，分别与大腿连接件1-2及膝关节上连接板1-4-1的凹槽相配合，构成转动副。
[0045]
膝关节上连接板1-4-1为上端为具有特定曲线的凹槽，下端具有凸台不规则壳体。膝关节上连接板1-4-1瞬心机构支撑连杆1-4-2、调心式伸缩液压缸1-4-3以及膝关节下连接板1-4-4共同构成膝关节变瞬心拟合四杆机构。
[0046]
膝关节下连接板1-4-4为上端具有凸台，下端为具有特定曲线的凹槽的不规则壳体。膝关节下连接板1-4-4下端凹槽开有通孔，用于通过销轴连接膝关节小腿连接件1-5，构成转动副。
[0047]
膝关节小腿连接件1-5为上下两端均为具有圆弧曲面的凸台。凸台部分开有通孔，与小腿连接件1-6的凹槽相配合，构成转动副。
[0048]
小腿连接件1-6为上端为具有特定曲线的凹槽，下端具有凸台的不规则壳体。下端凸台开有螺孔，用于通过螺栓连接小腿绑缚连接件1-7。
[0049]
小腿绑缚连接件整体呈现“u字形”，轴对称分布，贴合人体腿部两侧。小腿绑缚连接件1-7两侧设有气压人工肌肉接头1-10和柔性绑带孔，上方开有直线凹槽并设有螺孔，用于通过螺栓连接小腿连接件1-6。
[0050]
所述紧固气囊1-8，如图2和图3所示，位于外骨骼主体内侧，一边2个，每个紧固气囊1-8通过两个销轴连接于上述大腿部和小腿部的转动副之间。本发明穿戴时，通过打气筒使气囊膨胀直至人体股骨、胫骨、腓骨的突出部分接触，辅助本发明的穿戴，并能有效避免同类型发明矢状面上的相对滑移。
[0051]
imu传感器1-9，如图2所示，位于外骨骼主体外侧，一边2个，分别贴于大腿绑缚连接件1-1以及小腿绑缚连接件1-7。在人体步态处于支撑相时，大、小腿部位的imu传感器1-9相互平行；在人体步态处于摆动相时，可根据大、小腿部位imu传感器1-9俯仰角之差确定膝关节角度，作为控制的输入量。
[0052]
所述的并联交叉弹簧ⅱ模拟人体膝关节处十字交叉韧带的形式，分为前交叉韧带弹簧2-1和后交叉韧带弹簧2-2。如图2和图4所示，前交叉韧带弹簧2-1从膝关节上连接板1-4-1的突起处开始，并引出钢丝绳沿变瞬心支撑连杆1-4-2的中心开口延伸并最终固定膝关节下连接板1-4-4上；后交叉韧带弹簧2-2从小腿连接件后方的突起处开始，并引线穿过膝关节上连接板1-4-1和调心式伸缩式液压缸1-4-3刚体连接处的空间，最终固定在膝关节下连接板1-4-4上。
[0053]
所述的气压人工肌肉ⅲ，如图5所示，共有两层。人工肌肉外层3-1为添加簧片3-3的波纹管结构，作为气压人工肌肉的骨架，膨胀时具有一定刚度和弹性，能够缓冲人体足部触地时的压力；收缩时能够跟随人体膝关节进行弯曲。人工肌肉内层3-2为分成一个个相连的内腔室的类气囊结构，每个内腔仅通过一个气孔相联通，保证人工肌肉膨胀和收缩的运动动作为各个腔室顺序动作，使驱动更加柔顺。
[0054]
如图2所示，气压人工肌肉ⅲ通过气压人工肌肉接头1-10与小腿绑缚连接件1-7通过螺纹与大腿绑缚连接件1-1的气路通道紧固连接。
[0055]
如图2所示，膝关节上管夹1-11通过铆钉连接到膝关节上连接板1-4-1上；膝关节下管夹1-12通过铆钉连接到膝关节下连接板1-4-4上。结合图3所示，膝关节上管夹1-4-1和膝关节下管夹1-4-2对于气压人工肌肉ⅲ起运动限位作用，辅助规划气压人工肌肉ⅲ对于膝关节外骨骼整体的助力方向，合理分配力矩。
[0056]
本发明的穿戴方式如下：
[0057]
结合图7所示，本发明穿戴时，首先将脚与外骨骼踝关节结构部分ⅶ的足板用绑带固定。再从“u字形”槽口方向穿戴，外骨骼大腿绑缚连接件1-1与人体大腿间用柔性绑带相对固定。之后，调整大腿部紧固气囊1-8位置并充气使之与膝关节股骨两侧突起相贴合。之后，控制调心式伸缩气压缸1-4-3伸长量，调整小腿部紧固气囊1-8位置并充气使之与膝关节胫骨和腓骨两侧突起相贴合。然后，通过柔性绑带穿过开孔使外骨骼小腿绑缚连接件1-7与人体小腿间相互固定。最后，再通过外骨骼控制背包上的背带与人体上半身完成穿戴。
[0058]
瞬心可调式变刚度柔性膝关节可以作为一种瞬心可调式变刚度柔性膝关节外骨骼进行穿戴使用，在一种实施方式中，瞬心可调式变刚度柔性膝关节外骨骼还可以包括外骨骼大腿部分、外骨骼髋关节结构部分、外骨骼控制背包、外骨骼小腿部分与外骨骼踝关节结构部分的一种或多种的组合。
[0059]
具体的说，外骨骼大腿部分ⅳ与外骨骼小腿部分ⅶ为导轨滑块结构，能够根据不同人腿部长度进行调节，并通过螺钉分别与外骨骼膝关节主体部分ⅰ进行连接。
[0060]
外骨骼髋关节结构部分
ⅴ
自由度为2，其中矢状面的屈伸自由度采用拮抗式的气压人工肌肉来完成，冠状面的内外旋则采用销轴连接的被动自由度。左右髋关节通过腰板相互连接，腰板为导轨滑块结构能够根据不同人腰部长度进行调节，并通过螺钉分别与外骨骼控制背包ⅵ进行连接。
[0061]
外骨骼控制背包ⅵ主要包括：背包框架、控制器、电源、气泵、气罐、安全阀、减压阀、电磁换向阀以及气管构成。
[0062]
外骨骼踝关节结构部分
ⅷ
自由度为2，采用万向节形式结构，其足板上装有足底压力传感器，采集足底压力信号来判断人体步态相位。
[0063]
本发明的工作方式如下：
[0064]
当人体步态相位处于支撑相时，工作状态如图2所示，气体从气泵经过各级气压元件，再通过大腿绑缚连接件的气路通道注入气压人工肌肉ⅲ，使气压人工肌肉ⅲ膨胀并具有一定刚度缓冲外界冲击载荷。气压人工肌肉ⅲ依次带动该膝关节外骨骼主体的各连接件依次转动到机械限位，此外骨骼主体整体处于直立状态，整体刚度大。
[0065]
当人体步态相位处于摆动相时，气压人工肌肉ⅲ的气体被抽回气罐，使气压人工肌肉ⅲ中的各腔室依次收缩。通过膝关节上管夹1-11以及膝关节下管夹1-12限定气压人工肌肉收缩时弯曲的方向。此外，气压人工肌肉ⅲ贴有簧片3-3的一侧刚度较大，故气压人工肌肉外层3-1无簧片一侧收缩变形程度较大，使气压人工肌肉ⅲ依次带动该膝关节外骨骼主体的各连接件依次转动到机械限位，使外骨骼主体整体处于弯曲状态。外骨骼弯曲工作状态如图6所示。
[0066]
外骨骼主体部分ⅰ通过各连接件之间凹槽和凸台的配合情况，为各转动副提供机械限位，并为本发明膝关节弯曲时提供导向作用。
[0067]
并联交叉弹簧ⅲ在变瞬心四杆拟合机构1-4中间形成十字交叉结构，起到稳定关
节的作用，并对本发明膝关节弯曲时，提供一定的导向作用和限位作用。
[0068]
如图8所示，给出了本发明的膝关节瞬心拟合四杆机构的膝关节瞬心曲线，人体膝关节转动10
°
至70
°
时运动节瞬心曲线在本发明膝关节瞬心曲线的工作空间内，能够满足人体行走要求。
[0069]
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
[0070]
本发明旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。