一种被动刚度自适应的外骨骼气动髋关节装置的制作方法

本发明属于外骨骼机器人，具体涉及一种被动刚度自适应的外骨骼气动髋关节装置。

背景技术：

1、外骨骼机器人是穿戴在人体上的仿生机器人，在军事、工业、以及康复医疗等领域具有广泛的应用前景，是当前机器人领域关注的重点之一。具体地在军事领域中，外骨骼期望被用于提高士兵速度、力量以及耐力等方面，在负重行军、挂弹装载等方面已有部分实际应用。根据外骨骼与人体相对关系可分为串联式外骨骼与并联式外骨骼，按驱动方式可分为：主动式、被动式。主动式外骨骼常采用电机、气压、液压等动力源驱动，助力效果较好，但同样存在诸多固有缺陷。例如驱动系统以及控制算法复杂，动力装置体积重量较大，续航时间难以保证，价格昂贵等。而被动式无源外骨骼结构简单，无需复杂的驱动系统与控制算法，机构稳定性高。从原理上看，一方面，被动式外骨骼可以通过与人体并联式的结构设计实现载荷的传递，分担负载重量，提高士兵负载能力与耐力；另一方面，被动式外骨骼可以实现回收人体运动部分阶段中的能量，例如行走或下蹲时因重心降低而产生的重力势能，肌肉组织耗散的能量等，通过储能元件储存并在恰当的时机释放以达到助力效果；此外，回收能量原理还适用于储存人体主动提供的能量，例如利用被动式外骨骼实现偏瘫人群下肢健全侧带动偏瘫侧运动，或将能量在人体运动不同阶段传递以平滑做功曲线，减小峰值功。

2、特别地，现有的负重型被动式外骨骼中的髋关节结构能提供的髋关节力矩较小；此外，所采用的储能元件的刚度固定后无法适应不同负载情况下的使用，从而限制了负重型外骨骼的使用范围。

技术实现思路

1、(一)要解决的技术问题

2、本发明要解决的技术问题是：如何提供一种用于载荷传递、负重行走以及蹲起辅助的一种被动刚度自适应的外骨骼气动髋关节装置，以解决现有负重型外骨骼技术中髋关节结构助力力矩小，储能元件刚度固定的问题。

3、(二)技术方案

4、为了解决上述技术问题，本发明提供一种被动刚度自适应的外骨骼气动髋关节装置，所述装置具有矢状面、冠状面以及水平面内三个方向的自由度，髋关节结构屈伸刚度被动自适应调节，最大负载质量不低于40kg；

5、所述装置包括：可调节的躯干固定单元、可调节的大腿固定单元、髋关节本体、第一连接结构与第二连接杆；所述的第一连接结构将躯干固定单元与髋关节本体相连接，允许髋关节在冠状面的小幅自由转动；第二连接结构将大腿固定单元与髋关节本体相连接，允许髋关节在水平面的小幅自由转动。

6、其中，所述的躯干固定单元包括：一对与肩部体表特征匹配的肩托(1)，可调节长度的背部结构(3)以及冠状面内左右受限摆动自由度接口。

7、其中，所述的第一连接结构包括：髋关节连接件(8)、冠状面内受限摆动自由度机构及适配人体身形的连接杆件。

8、其中，所述的髋关节本体包括：储能装置，髋关节盖板(10)，曲柄滑块机构以及四连杆机构，允许髋关节在矢状面的自由转动。

9、其中，所述的储能装置包括：气囊气缸(5)，连通气管(7)以及标准气缸(9)，所述连通气管(7)将气囊气缸(5)与标准气缸(9)连通且气压相等。

10、其中，所述的可调节长度的背部结构(3)上设置有承载负重的平台。

11、其中，所述承载负重的平台上左右对称地放置有两个气囊气缸(5)，气囊气缸(5)用于调节不同负重情况髋关节本体的等效刚度。

12、其中，所述髋关节盖板(10)上设置有螺纹，用于连接标准气缸(9)，所述髋关节盖板(10)上设有导向槽。

13、其中，所述曲柄滑块机构包括：直线运动滑块(28)，可调节的连杆以及长摇杆(33)；

14、所述直线运动滑块(28)与所述标准气缸(9)的气缸推杆(27)通过螺纹连接，所述直线运动滑块(28)与所述可调节的连杆通过导向固定件(24)铰接，所述导向固定件(24)两侧对称放置有深沟球轴承(23)，所述深沟球轴承(23)与导向槽接触，用于约束直线运动滑块(28)的运动方向。

15、其中，所述可调节的连杆包括：螺纹杆(35)、叉臂(34)以及固定螺母(38)；所述螺纹杆(35)与所述叉臂(34)上分别设置有外螺纹与内螺纹，调节螺纹旋入长度改变所述可调节的连杆的长度，固定螺母(38)在完成调节后起到锁紧作用。

16、其中，所述长摇杆(33)一端与髋关节盖板(10)铰接，另一端设有两个通孔，其中一个通孔通过第五带孔销(32)与所述可调节的连杆铰接。

17、其中，所述四连杆机构包括：长摇杆(33)、连杆(21)以及短摇杆(13)；

18、所述长摇杆(33)作为所述四连杆机构中的连接部件，所述长摇杆(33)另一个通孔通过第四带孔销(31)与所述四连杆机构中所述连杆(21)铰接，所述连杆(21)另一端与所述短摇杆(13)铰接，所述短摇杆(13)另一端与所述髋关节盖板(10)铰接。

19、其中，所述的第二连接结构采用髋部导向固定件(11)与髋部固定带(12)通过固定件连/铆接；所述导向轴(40)与所述髋部导向固定件(11)通过导向轴固定支架(39)固连，所述导向轴固定件(24)通过沉头螺钉(41)与髋关节盖板(10)连接，所述导向轴固定件(24)可沿所述导向轴(40)滑动，允许髋关节在水平面的小幅自由转动。

20、其中，所述的大腿固定单元包括：大腿连接件(14)，大腿调节件(17)以及大腿固定件(16)；

21、所述的大腿固定件(16)利用垂直于人体冠状面上的通孔采用大腿固定螺钉(15)与大腿连接件(14)铰接，允许髋关节在冠状面的小幅度自由转动。

22、其中，所述大腿连接件(14)与所述大腿调节件(17)采用齿条啮合方式调节长度，所述大腿固定件(16)与所述大腿调节件(37)通过大腿固定螺钉(15)固定，另外，长度调节完毕后，使用大腿固定螺钉(15)锁死。

23、其中，所述曲柄滑块机构与所述四连杆机构中各杆间的相对位置与各杆的杆长比例经过择优计算，使髋关节本体在矢状面的运动范围内具有最优的传动角与传力效率。

24、(三)有益效果

25、与现有技术相比较，本发明具有以下特点：

26、本发明中，髋关节装置采用被动式气缸的方式储能。本发明适用于士兵负重时的载荷传递与辅助士兵的负重蹲起过程，最大负载质量不低于40kg，对储能元件的要求很高。气缸的压缩比要显著大于弹簧，可以实现以相对小的体积提供足额的输出力，另外，通过将标准气缸与气囊气缸连通，气囊气缸放置于负载重物下的设计，使得负载重物可以压缩气囊气缸从而改变标准气缸的预压力，实现不同负载重量下的被动式气缸的等效刚度自适应，使标准气缸提供的推力与背负重物的质量相匹配。另外，通过残差和最小的优化方法，优选标准气缸与气囊气缸参数，使得在负重蹲起过程中，本发明采用的标准气缸提供的推力随髋关节角度变化的曲线与髋关节需求力矩随髋关节角度变化的曲线相匹配。

27、左右分体式标准气缸与气囊气缸的组合使用，使得在负重行走过程中，外骨骼可以适应重心在左右脚的交叉变化，例如从自然站立相开始步行，左腿抬起时，重心转移到右脚，此时左腿髋关节角度由0增大，左侧气缸压力减小，气缸所做的负功减少。左腿落地，右腿抬起时，同理，外骨骼对右侧髋关节做负功，外骨骼储能。但此时左腿髋关节角度经历从大到小，人体重心提升过程，此时外骨骼对左侧髋关节做正功，且由于重心转移到支撑腿，左侧气缸压力增加，外骨骼所做正功增加，相应地右侧气缸压力减小，外骨骼所做负功减少。实现利用行走过程中重心的变化储能并助力的效果。

28、本发明中，在满足髋关节活动范围的前提下，优化所采用的四连杆机构、曲柄滑块机构的各部件间的相对摆放位置以及连杆长度，使得在整个允许的髋关节活动范围内机构具有最优的传动角与传力效率。此外，优化后气缸行程的变化与髋关节角度的变化基本呈线性，平滑运动与助力过程。