一种位移-力反馈下肢有源外骨骼装置

1.本发明涉及可穿戴外骨骼技术领域，尤其涉及一种位移-力反馈下肢有源外骨骼装置。


背景技术：

2.穿戴式助力外骨骼用于为人体关节动作提供助力，辅助人体运动，其在辅助医疗、单兵军事作战、重体力劳作等领域有着广泛的应用前景。
3.海军工程院校学报中公开的《能量辅助骨骼服naeies的开发》一文中采用的通过上肢摆动带动角度传感器使下肢进行移动存在着更高的局限性，遇到需要攀爬或者在营救任务转移被困民众等需要用双手的情况时，手臂上的角度传感器就很难再对下肢进行驱动。
4.南方医科大学公开的的《下肢外骨骼机器跟随系统研究》一文中采用的足底压力传感器进行预处理，再用倾角传感器对大腿进行检测的设计思路中，虽然在实验室有着较高的拟合程度，但是遇到凹凸不平的路面显然会让足底的应力传感器出现极大的干扰。
5.目前的外骨骼大多都只有对正前方的单自由度的检测，这种外骨骼难以满足大腿自由移动与满足复杂地形需要。而且很多有源外骨骼并不完全是独立于腿上的检测系统，在使用时容易受到多样的地形或因为其他功能而受到影响。目前的有源外骨骼对下肢的运动分析都是先让大腿带动外骨骼产生形变之后再对外骨骼产生的形变进行测量，这个问题必然会限制外骨骼往重型装备的发展。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种位移-力反馈下肢有源外骨骼装置，以解决检测系统容易受到上肢动作或路面的干扰。
7.本发明采用的技术方案如下：
8.本发明所提出的一种位移-力反馈下肢有源外骨骼装置，包括髋部组件、胯部组件、大腿组件、检测组件、膝关节组件、小腿组件、踝关节轴承和足部踏板；所述胯部组件分别对应转动连接在髋部组件左右两端前侧的底部；所述大腿组件的上端对应连接在胯部组件的内侧；所述大腿组件的下端通过膝关节组件与小腿组件的上端连接；所述小腿组件的下端通过踝关节轴承与足部踏板连接；所述检测组件分别对应设置在大腿组件和小腿组件的内侧。
9.进一步的，所述髋部组件包括外壳、电控盒、滑轨和滑块；所述滑轨横向固连在电控盒的前端面；所述外壳对应设置在电控盒和滑轨的外部；所述滑块分别对应设置在外壳的左右两侧；所述滑块均为l型结构，其一端穿过外壳后与滑轨对应滑动连接。
10.进一步的，所述胯部组件包括胯部壳、前后自由度轴承、内外自由度轴承、前后自由度电机和内外自由度电机；所述胯部壳的上端中部通过轴承与滑块前侧底部过盈配合；所述内外自由度电机分别设置在胯部壳的后侧中部，其输出端贯穿在胯部壳的前后两侧之
间；所述内外自由度电机输出端的前后两侧分别通过内外自由度轴承与胯部壳对应连接；所述前后自由度电机分别设置在胯部壳的内部并与内外自由度电机的输出端固连；所述大腿组件上端通过前后自由度轴承连接在胯部壳内侧并与前后自由度电机的输出端同轴固连。
11.进一步的，所述大腿组件包括第一限位件、第二限位件、测距线和定位卡槽；所述第一限位件的上端通过前后自由度轴承与胯部壳内侧转动连接并与前后自由度电机输出端同轴固连；所述定位卡槽对称固定在第一限位件下部的前后两侧；所述第二限位件对应竖向滑动连接在第一限位件内侧；所述测距线均布在第二限位件的侧壁上；所述第一限位件内部还安装有方波发射器。
12.进一步的，所述膝关节组件包括膝关节电机和膝关节轴承；所述小腿组件的上端与膝关节电机的输出端同轴固连；所述膝关节电机的输出端前侧穿过小腿组件的上端后通过膝关节轴承第二限位组件的下端同轴连接。
13.进一步的，所述小腿组件包括第三限位件和第四限位件；所述第三限位件的上端与膝关节电机的输出端同轴固连，且第三限位件下部的前后两侧也对称固定有定位卡槽；所述第四限位件对应竖向滑动连接在第三限位件的内侧；所述第四限位件的下端通过踝关节轴承与足部踏板转动连接。
14.进一步的，所述检测组件包括环形箍、卡块和直线位移传感器；所述环形箍的一侧设置有开口，开口的两端分别固连有与定位卡槽对应的卡块；所述环形箍分别通过卡块对应与第一限位件和第三限位件上的定位卡槽固连；所述直线位移传感器设置在环形箍的内圆周端面。
15.本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
16.1、本发明实现了多自由度的检测，可以让大腿自由移动满足复杂地形需要；
17.2、独立于腿上的检测系统，不会受到过多的外界干扰；
18.3、大腿只需要对检测模块产生形变之后即可驱动整个外骨骼，检测精度更高，而且能够使外骨骼承受更大更重的装备和搭载更大扭矩的电机。
附图说明
19.图1为本发明的整体结构示意图；
20.图2为图1中髋部组件的结构示意图；
21.图3为图1中胯部组件的结构示意图；
22.图4为图1中大腿组件的结构示意图；
23.图5为图1中检测组件的结构示意图；
24.图6为图1中膝关节组件的结构示意图；
25.图7为图1中踝关节轴承与小腿组件和足部踏板连接的结构示意图。
26.其中，附图标记：1-髋部组件；2-胯部组件；3-大腿组件；4-检测组件；5-膝关节组件；6-小腿组件；7-踝关节轴承；8-足部踏板；9-外壳；10-电控盒；11-滑轨；12-滑块；13-胯部壳；14-前后自由度轴承；15-内外自由度轴承；16-前后自由度电机；17-内外自由度电机；18-第一限位件；19-第二限位件；20-测距线；21-定位卡槽；22-膝关节电机；23-膝关节轴承；24-第三限位件；25-第四限位件；26-环形箍；27-卡块；28-直线位移传感器。
具体实施方式
27.为了更清楚地说明本发明实施例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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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。
28.需要说明的是，在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“顶部”、“底部”、“一侧”、“另一侧”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作。
29.如图1至7所示，给出了本发明所提出的一种位移-力反馈下肢有源外骨骼装置一个实施例的整体结构，所述装置包括髋部组件1、胯部组件2、大腿组件3、检测组件4、膝关节组件5、小腿组件6、踝关节轴承7和足部踏板8；所述胯部组件2分别对应转动连接在髋部组件1左右两端前侧的底部；所述大腿组件3分别竖向设置在胯部组件2的下方，大腿组件3的上端对应同轴连接在胯部组件2的内侧；所述大腿组件3的下端通过膝关节组件5与小腿组件6的上端连接；所述小腿组件6的下端通过踝关节轴承7与足部踏板8连接；所述检测组件4分别对应设置在大腿组件3和小腿组件6的内侧。
30.其中，所述髋部组件1包括外壳9、电控盒10、滑轨11和滑块12；所述滑轨11横向固连在电控盒10的前端面；所述外壳9对应包裹在电控盒10和滑轨11的外部；所述滑块12分别对应设置在外壳9的左右两侧。本实施例中，所述滑块12均为l型结构，其短边端垂直穿过外壳9后通过侧面装载的滚轮与内部的滑轨11对应滑动连接。
31.所述胯部组件2包括胯部壳13、前后自由度轴承14、内外自由度轴承15、前后自由度电机16和内外自由度电机17；所述胯部壳13的上端中部设置有竖向固定轴，且通过轴承与滑块12前侧底部过盈配合；所述内外自由度电机17分别固定在胯部壳13的后侧中部，且内外自由度电机17的输出轴贯穿在胯部壳13前后两侧的中部之间；所述内外自由度电机17输出端的前后两侧分别通过内外自由度轴承15与胯部壳13的前后两侧对应连接；所述前后自由度电机分16别设置在胯部壳13的内部并与内外自由度电机17的输出端固连。所述前后自由度电机16和内外自由度电机17上分别设置有与电控盒10连接的编码器。
32.所述大腿组件3包括第一限位件18、第二限位件19、测距线20和定位卡槽21；所述第一限位件18的上端通过前后自由度轴承14与胯部壳13内侧转动连接并与前后自由度电机16输出端同轴固连；所述定位卡槽21对称固定在第一限位件18下部的前后两侧；所述第二限位件19通过滑动滑轨对应竖向滑动连接在第一限位件18内侧，能够通过滑动滑轨调整大腿组件3的长度；所述测距线20均布在第二限位件19的侧壁上，且所述第一限位件18的内部还安装有方波发射器，用以检测扫描过的测距线20的个数，以确定大腿根部与膝关节的中心距离。
33.所述膝关节组件5包括膝关节电机22和膝关节轴承23；所述小腿组件6的上端与膝关节电机22的输出端同轴固连；所述膝关节电机22的输出端前侧穿过小腿组件6的上端后通过膝关节轴承23与第二限位组件19的下端同轴连接。所述膝关节组件5内部还同轴搭载编码器，小腿上的检测组件4的直线位移传感器28把数据传递至电控盒10主板，并计算出膝关节电机22应输出的转速与持续时间。所有大小腿上的所有传感器的相对位移归零后，再
通过编码器的数据进行姿态判断，便于之后的数据记录。
34.所述小腿组件包括第三限位件24和第四限位件25；所述第三限位件24的上端与膝关节电机22的输出端同轴固连，且第三限位件24下部的前后两侧也对称固定有定位卡槽21；所述第四限位件25同样通过滑动滑轨对应竖向滑动连接在第三限位件24的内侧，以便调整小腿组件6的长度；所述第四限位件25的下端通过踝关节轴承7与足部踏板8转动连接。由于踝关节的自由度多，且控制比较困难，因此本发明采用了无动力处理并仅通过一个踝关节轴承7将其限定为一个自由度。
35.所述检测组件4包括环形箍26、卡块27和直线位移传感器28；所述环形箍26的一侧设置有开口，开口的两端分别固连有与定位卡槽21对应的卡块27；所述环形箍26分别通过卡块27对应与第一限位件18和第三限位件24上的定位卡槽21固连，方便穿戴；所述直线位移传感器28设置在环形箍26的内圆周端面不同方位，本实施例中，所述直线位移传感器28设置有三个，分别安装在环形箍26内圆周端面的前后两侧以及内侧，方向与人体大腿垂直。不同方位的直线位移传感器28用以检测大腿对于不同的方向的瞬时位移量，并将数据转化为电信号传递至电控盒10的主板中，电控盒10主板根据信息计算出前后自由度电机16和内外自由度电机17应输出的转速与持续时间，从而带动整个外骨骼对大腿进行跟随运动。
36.本发明的检测原理：由于在运动过程中，大腿的长度到髋部的距离始终处于一个恒定的值。我们可以认为，大腿在运动过程中，每一个位点都是绕髋部进行的球面运动，将整个运动围绕前、内外两个自由度分解后，可以认为球面运动是由两个相互垂直的圆周运动组成的。
37.对于圆周运动而言，要想监测圆周运动，需要提供运动半径r与圆周运动的速度v。半径r通过第一限位件18上的方波发生器，来检测第二限位件19上经过的测距线20的条数，再加上第一限位件18和定位卡槽21的检测位点与髋部的初始距离，我们就能够得到直线位移传感器28所监测的大腿截面与髋部的实际距离，即运动半径r。
38.在使用之前，通过按钮，将电控盒10里面的主板里录入的直线位移传感器28上的数据置为零位。在使用过程中，我们可以将大腿与环形箍26视作一个同心圆，其中目前的直线位移传感器28为大腿的当前状态。当大腿移动的时候，将会破坏大腿与环形箍26的同心圆的状态，其上不同方向的直线位移传感器28则会记录当前瞬时的大腿位移距离。
39.又因为脉冲信号的周期极短，因此我们可以化曲为直，且将当前各方向的直线位移传感器28视作该方向上的瞬时速度v。
40.有了r与v之后，我们便能够完整的监测一个圆周运动，当两个相互垂直的圆周运动组合起来后，便是我们所求的球面运动。
41.电控盒10中的主板在收到来自直线位移传感器28的数据之后，将传递的数据进行分析，通过对应的公式计算得到内外自由度电机17、前后自由度电机16和膝关节电机22应该输出的转速以及转向，来保证直线位移传感器28的数值回归零位。同时，电控盒10的主板读取三个电机的编码器的数据作为辅助分析，来判断目前穿戴者的运动状态，辅助主控板对三个电机的功率进行更为有效的控制。
42.本发明未详尽事宜为公知技术。
43.以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方
案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。