一种基于人机末端交互的下肢外骨骼机器人系统的制作方法

本发明涉及一种下肢外骨骼机器人，具体涉及一种基于人机末端交互的下肢外骨骼机器人系统。

背景技术：

外骨骼机器人是一种融合了传感技术、控制技术等多种技术的可穿戴设备，特别地，下肢外骨骼机器人是一种与人体下肢结构相类似的的外骨骼机器人，能够帮助穿戴者实现助力行走、下肢康复、上下楼梯等动作。

下肢外骨骼机器人主要髋关节、膝关节与踝关节构成，拥有15个自由度，包括腰部旋转、髋部伸屈、髋部外展、髋部内外旋转、膝部伸屈、踝部伸屈、踝部旋转、踝部内外翻。

目前，现有的下肢外骨骼与人体的贴合性较差、穿戴不舒适、人机交互信息不准确，导致人机跟随效果差，助力效果不明显。

技术实现要素：

本发明为解决现有的下肢外骨骼与人体的贴合性较差、穿戴不舒适、人机交互信息不准确，导致人机跟随效果差，助力效果不明显的问题，进而提供一种基于人机末端交互的下肢外骨骼机器人系统。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

本发明的基于人机末端交互的下肢外骨骼机器人系统包括背架1、两个髋关节2、两个惯性单元3、两个大腿杆4、两个膝关节5、两个小腿杆6、两个踝关节7和两个足底压力鞋8，所述背架1下部对称设置有两个髋关节支架104，髋关节支架104的一端通过内收外展轴201与背架1转动连接，每个髋关节支架104的自由端通过髋部内外旋转轴203与相应的髋关节2转动连接，每个髋关节2通过髋部屈伸轴202与相应的大腿杆4连接，每个大腿杆4的上部设置有一个惯性单元3，每个大腿杆4的下部通过一个膝关节5与相应的小腿杆6的上端连接，每个小腿杆6的下端通过一个踝关节7与相应的足底压力鞋8连接，所述下肢外骨骼机器人系统还包括两个气动弹簧106，气动弹簧106的一端与背架1连接，气动弹簧106的另一端与相应的一个髋关节支架104连接，踝关节7设置有远心机构701，远心机构包括第一连杆组件、第二连杆组件和多个连接轴711，第一连杆组件的一端与踝关节连接件703通过连接轴711转动连接，第一连杆组件的另一端与第二连杆组件的一端通过连接轴711转动连接，第二连杆组件的另一端与踝关节底座712通过连接轴711转动连接，踝关节底座712设置在足底压力鞋上。

进一步地，远心机构的第一连杆组件包括第一连杆705、第二连杆706和两个第一连接片708，第一连接705与第二连杆706平行且相对设置，第一连杆705的长度小于第二连杆706的长度，第一连杆705和第二连杆706的一端均通过一个连接轴711与踝关节连接件703转动连接，第一连杆705的另一端与第二连杆706的中部通过两个第一连接片708和两个连接轴711连接；远心机构的第二连杆组件包括第三连杆707、第四连杆710和两个第二连接片709，第三连杆707和第四连杆710平行且相对设置，第三连杆707的长度小于第四连杆710的长度，第三连杆707和第四连杆710的一端均通过一个连接轴711与踝关节底座712转动连接，第三连杆707的另一端与第一连杆705所述的另一端通过一个连接轴711转动连接，第四连杆710的另一端与第二连杆706所述的另一端通过一个连接轴711转动连接，第三连杆707所述的另一端通过两个第二连接片709与第四连杆710连接。

进一步地，膝关节5包括电机501、固定盖502、谐波减速器503、连接板504、膝关节本体、大腿杆连接件505、小腿杆连接件507和减速器输出轴508，大腿杆连接件505的下端设置有外沿，固定盖502和连接板504平行设置且固装在大腿杆连接件505的外沿上，电机501固装在固定盖502的一端面上，谐波减速器503的一端固装在固定盖502的另一端面上，谐波减速器503的另一端与连接板504连接，减速器输出轴508固装在谐波减速器503上，膝关节本体通过深沟球轴承506安装在减速器输出轴508上，小腿杆连接件507的上端固装在膝关节本体的下部，所述下肢外骨骼异构膝关节还包括并联弹性体509、磁编码器磁环510、磁编码器磁头511和端盖512，端盖512通过法兰固装在膝关节本体的外环面上，并联弹性体509固装在端盖512内，并联弹性体509通过轴架与减速器输出轴508同轴固接，磁编码器磁环510安装在膝关节本体上，磁编码器磁头511安装在并联弹性体509上，磁编码器磁环510与磁编码器磁头511相对设置，膝关节本体上沿其外沿加工有圆弧凹槽，圆弧凹槽内设置有两个可调节限位块521，圆弧凹槽与连接板504正对设置，连接板504上沿其圆周方向加工有多个限位孔522，连接板504上插装有限位销523，可调节限位块521与限位销523之间设置有弹性橡胶块524，可调节限位块，521包括橡胶垫和两个调节片，橡胶垫位于两个调节片之间，可调节限位块521通过螺栓螺母锁紧在膝关节本体的圆弧凹槽上。

进一步地，并联弹性体509包括弹性体外环901、弹性体内环903、六对矩形弹簧902、三对三角块905和六对弹性定位销906，弹性体内环903上沿其圆周方向均布加工有三个燕尾块，弹性体外环901内壁上其圆周方向均布设置有三对三角块905，每对三角块905并列设置，弹性体内环903位于弹性体外环901内，每对矩形弹簧902的一端与一对三角块905相接触，每对矩形弹簧902的另一端与相应的一个燕尾块相接触，每个矩形弹簧902通过一个弹性定位销906定位，三角块905通过螺钉和两侧矩形弹簧902的压力作用与弹性体外环901固定在一起，并联弹性体509还包括六对球头销904，弹性体内环903的每个燕尾块的两侧均设置有一对球头销904。

进一步地，背架1包括背架内层和背架外层，背架内层包括两个柔性背带101和两个腰封103，两个柔性背带101设置在背架板前端面上部，两个腰封103设置在背架板前端面下部；背架外层包括电源110、控制盒107、六维力传感器102、六维力采集卡105、两个单维力采集卡109和电源板108，电源110、控制盒107、六维力采集卡105、两个单维力采集卡109和电源板108设置在背架板后端面上，背架板为双层背架板，六维力传感器102设置在双层背架板之间。

进一步地，大腿杆4的内侧设置有大腿绑带，大腿杆4的长度范围为418mm～478mm，小腿杆6的长度范围为390mm～450mm。

进一步地，大腿杆4和小腿杆6均采用碳纤维材料制成。

进一步地，足底压力鞋包括后跟挡板13、后绑带14、两个后绑带架15、两个后绑带架座16、前绑带17、两个前绑带架18、两个前绑带架座19、上层鞋底20、中层鞋底21和下层鞋底22，上层鞋底20、中层鞋底21和下层鞋底22由上至下依次设置，前绑带架座19和后绑带架座16前后对应设置在鞋底两侧，每个前绑带架座19上设置有一个前绑带架18，每个后绑带架座16上设置有一个后绑带架15，两个后绑带架15之间设置有后绑带14，两个前绑带架18之间设置有前绑带17，后跟挡板13设置在鞋底的后侧。

进一步地，中层鞋底21由前后两部分鞋底组成，中层鞋底21的前后两部分通过合页连接，中层鞋底21通过多个内六角圆柱头螺钉固定在下层鞋底22的上端面上；上层鞋底20由前后两部分鞋底组成，上层鞋底20的前部分通过螺钉固装在中层鞋底21的前部，上层鞋底20的后部分通过螺钉固装在中层鞋底21的后部。

进一步地，髋关节2采用无刷电机和谐波减速器作为外骨骼的驱动单元，髋关节2包括无刷电机、谐波减速器、磁编码器和并联弹性体，髋关节2与膝关节5的结构相同。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明的基于人机末端交互的下肢外骨骼机器人系统设置有两个气动弹簧，通过重力平衡的方式达到穿戴者不用克服重力做功的效果，即采用基于主动平衡设计的髋关节结构；本发明将髋部内收外展轴、髋部屈伸轴、髋部内外旋转轴与人体髋关节转轴重合，髋关节杆件设计成曲面形式，可最大程度地包络髋部，髋关节杆件自由度为可伸缩机构，以满足不同髋关节宽度的穿戴者需求，最大可调节至440mm；

外骨骼机器人系统采用电机作为动力，系统需要电源、控制器和驱动器，为了保证电气系统的使用安全，使机器人整体结构紧凑，电气各模块均布置于外骨骼机器人的腰背部，同时背部还需要承担负载，额定负载为20kg，同时在躯干腰部增加一个旋转自由度，避免下坐、下蹲时，后背不能活动的情况；

在腰腹部安装腰封，腰封一方面可以对人机髋关节起到固定作用，另一方面在人机系统行走过程中，当其中一条人机耦合腿抬起时，即其处于摆动相位时，其这条腿的部分重量可通过腰带与髋关节转移到另一支处于支撑相位的腿上，这样可以部分分担一条腿抬起时，腿部重力对穿戴者产生的重力压迫；

人机交互信息，通过can总线方式与控制盒进行通信，并设计了各原件的供电电源板，整个系统采用两个24v的锂电池电源供电，能够保证连续工作时间为两小时，电源板设计为集成模块，可提供24v、12v、5v多种电压，保证下肢外骨骼系统整体的续航能力。

本发明下肢外骨骼与人体的贴合性好、穿戴舒适、人机交互信息准确，人机跟随效果好，助力效果明显。

附图说明

图1是本发明的基于人机末端交互的下肢外骨骼机器人系统整体结构示意图；

图2是本发明具体实施方式一中背架1的左视图；

图3是本发明具体实施方式一中背架1的后视图；

图4是本发明具体实施方式一中背架1和髋关节的主视图；

图5是本发明具体实施方式三中膝关节5的整体结构爆炸示意图；

图6是本发明具体实施方式三中膝关节本体的右视图；

图7是本发明具体实施方式四中并联弹性体509的结构示意图；

图8是本发明具体实施方式一中踝关节7的远心机构701示意图；

图9是本发明具体实施方式二和具体实施方式八中远心机构701和足底压力鞋的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1～8所示，本实施方式的基于人机末端交互的下肢外骨骼机器人系统包括背架1、两个髋关节2、两个惯性单元3、两个大腿杆4、两个膝关节5、两个小腿杆6、两个踝关节7和两个足底压力鞋8，所述背架1下部对称设置有两个髋关节支架104，髋关节支架104的一端通过内收外展轴201与背架1转动连接，每个髋关节支架104的自由端通过髋部内外旋转轴203与相应的髋关节2转动连接，每个髋关节2通过髋部屈伸轴202与相应的大腿杆4连接，每个大腿杆4的上部设置有一个惯性单元3，每个大腿杆4的下部通过一个膝关节5与相应的小腿杆6的上端连接，每个小腿杆6的下端通过一个踝关节7与相应的足底压力鞋8连接，所述下肢外骨骼机器人系统还包括两个气动弹簧106，气动弹簧106的一端与背架1连接，气动弹簧106的另一端与相应的一个髋关节支架104连接，踝关节7设置有远心机构701，远心机构包括第一连杆组件、第二连杆组件和多个连接轴711，第一连杆组件的一端与踝关节连接件703通过连接轴711转动连接，第一连杆组件的另一端与第二连杆组件的一端通过连接轴711转动连接，第二连杆组件的另一端与踝关节底座712通过连接轴711转动连接，踝关节底座712设置在足底压力鞋上。

由于在人体行走、上下台阶、蹲起等过程中都会输出较大的关节力矩和瞬时功率，则在髋部处引入助力机构很有必要，有许多外骨骼系统将此自由度设计为驱动自由度，但是这种设计会增加控制算法的难度且增加系统的整体质量，因此，为了在降低穿戴者的输出功率的同时使系统更加的轻量化，该自由度设计为两个对称的气动弹簧106进行支撑，通过重力平衡的方式达到穿戴者不用克服重力做功的效果，即采用基于主动平衡设计的髋关节结构。为了将该自由度设计成准拟人化结构，进一步改善舒适性，基于人体工程学设计，将该自由度设计有在后方髋部内收外展轴201、髋部屈伸轴202、髋部内外旋转轴203与人体髋关节转轴重合。如图4所示，髋关节支架104设计成曲面形式，可最大程度地包络髋部，并将该自由度设计为可伸缩机构，以满足不同髋关节宽度的穿戴者需求，最大可调节至440mm。

具体实施方式二：如图8和图9所示，本实施方式远心机构的第一连杆组件包括第一连杆705、第二连杆706和两个第一连接片708，第一连接705与第二连杆706平行且相对设置，第一连杆705的长度小于第二连杆706的长度，第一连杆705和第二连杆706的一端均通过一个连接轴711与踝关节连接件703转动连接，第一连杆705的另一端与第二连杆706的中部通过两个第一连接片708和两个连接轴711连接；远心机构的第二连杆组件包括第三连杆707、第四连杆710和两个第二连接片709，第三连杆707和第四连杆710平行且相对设置，第三连杆707的长度小于第四连杆710的长度，第三连杆707和第四连杆710的一端均通过一个连接轴711与踝关节底座712转动连接，第三连杆707的另一端与第一连杆705所述的另一端通过一个连接轴711转动连接，第四连杆710的另一端与第二连杆706所述的另一端通过一个连接轴711转动连接，第三连杆707所述的另一端通过两个第二连接片709与第四连杆710连接。如此设计，使得外骨骼踝关节外旋、内旋的旋转中心均与人体的旋转中心重合的，避免了穿戴者在运动时的不舒适，同时减缓在抬腿和落地的过程中对脚踝的压迫，长时间使用也不会有不适感，符合人体工程学设计。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

在冠状面内的外翻/内翻自由度的旋转中心是与人体的旋转中心不重合的，这会造成穿戴者在进行此自由度的运动时极其不舒适，本发明采用了一种基于远心机构的下肢外骨骼踝关节，用于下肢外骨骼机器人，通过双平行四边形远心机构701，将转动中心置于人体踝关节内外翻转动点，实现外骨骼踝关节转动中心与踝关节转动中心重合，从而协助人体绕远心点内外翻运动，避免了外骨骼踝关节内外翻转动中心与人体踝关节转动中心不重合的问题，提高人体穿戴外骨骼的舒适性。

具体实施方式三：如图5所示，本实施方式膝关节5包括电机501、固定盖502、谐波减速器503、连接板504、膝关节本体、大腿杆连接件505、小腿杆连接件507和减速器输出轴508，大腿杆连接件505的下端设置有外沿，固定盖502和连接板504平行设置且固装在大腿杆连接件505的外沿上，电机501固装在固定盖502的一端面上，谐波减速器503的一端固装在固定盖502的另一端面上，谐波减速器503的另一端与连接板504连接，减速器输出轴508固装在谐波减速器503上，膝关节本体通过深沟球轴承506安装在减速器输出轴508上，小腿杆连接件507的上端固装在膝关节本体的下部，所述下肢外骨骼异构膝关节还包括并联弹性体509、磁编码器磁环510、磁编码器磁头511和端盖512，端盖512通过法兰固装在膝关节本体的外环面上，并联弹性体509固装在端盖512内，并联弹性体509通过轴架与减速器输出轴508同轴固接，磁编码器磁环510安装在膝关节本体上，磁编码器磁头511安装在并联弹性体509上，磁编码器磁环510与磁编码器磁头511相对设置，膝关节本体上沿其外沿加工有圆弧凹槽，圆弧凹槽内设置有两个可调节限位块521，圆弧凹槽与连接板504正对设置，连接板504上沿其圆周方向加工有多个限位孔522，连接板504上插装有限位销523，可调节限位块521与限位销523之间设置有弹性橡胶块524，可调节限位块，521包括橡胶垫和两个调节片，橡胶垫位于两个调节片之间，可调节限位块521通过螺栓螺母锁紧在膝关节本体的圆弧凹槽上。如此设计，可以使得关节限位缓冲满足柔性需要，同时可以调整限位角度来满足不同的关节角度奇异，具有较高的普适性。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

由于机器人存在极限奇异，当抬腿时可能会出现死点，即主动件上的力无穷大也无法推动杆件，从而使得膝关节无法正常运动，甚至对人体造成伤害。为了避免出现奇异点，现将外骨骼膝关节进行一定角度的异构。为了实现膝关节异构，可调节限位块521用于机械限位，异构角度可设置为三个档：0°、20°、45°，用于限制膝关节屈伸自由度的转动范围，其中弹性橡胶块524可以起到缓冲的作用，而避免纯刚性接触。

具体实施方式四：如图7所示，本实施方式并联弹性体509包括弹性体外环901、弹性体内环903、六对矩形弹簧902、三对三角块905和六对弹性定位销906，弹性体内环903上沿其圆周方向均布加工有三个燕尾块，弹性体外环901内壁上其圆周方向均布设置有三对三角块905，每对三角块905并列设置，弹性体内环903位于弹性体外环901内，每对矩形弹簧902的一端与一对三角块905相接触，每对矩形弹簧902的另一端与相应的一个燕尾块相接触，每个矩形弹簧902通过一个弹性定位销906定位，三角块905通过螺钉和两侧矩形弹簧902的压力作用与弹性体外环901固定在一起，并联弹性体509还包括六对球头销904，弹性体内环903的每个燕尾块的两侧均设置有一对球头销904。如此设计，使得弹性体满足小尺寸大刚度的需求，可以实现弹簧对三角块905正向施加压力，可以提高力传递效率，三角块905通过螺钉连接方便安装和拆卸，可以根据需要更换弹簧，同时内外环相对转动的过程中弹簧与球面始终能保持线接触，能够保证运动过程的稳定性。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：如图1、图2和图3所示，本实施方式背架1包括背架内层和背架外层，背架内层包括两个柔性背带101和两个腰封103，两个柔性背带101设置在背架板前端面上部，两个腰封103设置在背架板前端面下部；背架外层包括电源110、控制盒107、六维力传感器102、六维力采集卡105、两个单维力采集卡109和电源板108，电源110、控制盒107、六维力采集卡105、两个单维力采集卡109和电源板108设置在背架板后端面上，背架板为双层背架板，六维力传感器102设置在双层背架板之间。如此设计，一方面通过背架内层贴合人体设计，提高了外骨骼与人体接触的舒适性，另一方面外层集成了电控单元，方便穿戴者随时切换电源和采集设备信息。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。

背架外层放置电源110、控制盒107、六维力采集卡105、单维力采集卡109、电源板108，背架内外层通过六维力传感器102连接，通过六维力可检测出人体上身倾斜及蹲起意图。

腰部设计为可调节结构，调节范围为440mm±10，以适应不同腰围的穿戴者。为了使外骨骼机器人在行走过程中更平稳，在腰腹部安装腰封103，腰封一方面可以对人机髋关节起到固定作用，另一方面在人机系统行走过程中，当其中一条人机耦合腿抬起时，即其处于摆动相位时，其这条腿的部分重量可通过腰带与髋关节转移到另一支处于支撑相位的腿上，这样可以部分分担一条腿抬起时，腿部重力对穿戴者产生的重力压迫。

具体实施方式六：如图1所示，本实施方式大腿杆4的内侧设置有大腿绑带，大腿杆4的长度范围为418mm～478mm，小腿杆6的长度范围为390mm～450mm。如此设计，可以满足不同身高尺寸的人穿戴，按需求进行调节。其它组成及连接关系与具体实施方式四或五相同。

为了避免直线类型外骨骼的奇异点问题，抬腿困难的问题，同时满足缓冲吸振的作用，采用基于异构式设计的膝关节，同时大小腿杆件设计为可调节模式，此外还可以适应不同身高的穿戴者进行穿戴。大腿的长度设计为448mm±30，小腿杆的长度设计为420mm±30，穿戴者的适用身高范围为165cm至185cm。同时为了使整个系统重量减轻，大小腿杆采用碳纤维材料制造。外骨骼机器人系统采用电机作为动力，系统需要电源、控制器和驱动器，为了保证电气系统的使用安全，使机器人整体结构紧凑，电气各模块均布置于外骨骼机器人的腰背部。同时背部还需要承担负载，额定负载为20kg，同时在躯干腰部增加一个旋转自由度，避免下坐、下蹲时，后背不能活动的情况。

具体实施方式七：如图1所示，本实施方式大腿杆4和小腿杆6均采用碳纤维材料制成。如此设计，可以降低外骨骼系统自重，满足外骨骼轻型化设计。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、四或五相同。

具体实施方式八：如图1和图9所示，本实施方式足底压力鞋包括后跟挡板13、后绑带14、两个后绑带架15、两个后绑带架座16、前绑带17、两个前绑带架18、两个前绑带架座19、上层鞋底20、中层鞋底21和下层鞋底22，上层鞋底20、中层鞋底21和下层鞋底22由上至下依次设置，前绑带架座19和后绑带架座16前后对应设置在鞋底两侧，每个前绑带架座19上设置有一个前绑带架18，每个后绑带架座16上设置有一个后绑带架15，两个后绑带架15之间设置有后绑带14，两个前绑带架18之间设置有前绑带17，后跟挡板13设置在鞋底的后侧。如此设计，可以缓冲运动中对上下两层压力传导的冲击，提高压力鞋的舒适性，方便穿戴。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或四相同。

具体实施方式九：如图9所示，本实施方式中层鞋底21由前后两部分鞋底组成，中层鞋底21的前后两部分通过合页连接，中层鞋底21通过多个内六角圆柱头螺钉固定在下层鞋底22的上端面上；上层鞋底20由前后两部分鞋底组成，上层鞋底20的前部分通过螺钉固装在中层鞋底21的前部，上层鞋底20的后部分通过螺钉固装在中层鞋底21的后部。如此设计，前绑带架通过第二合页与前传感器支撑层活动连接，便于足底鞋穿戴，增强了足底鞋穿戴的灵活性。其它组成及连接关系与具体实施方式八相同。

具体实施方式十：如图1所示，本实施方式髋关节2采用无刷电机和谐波减速器作为外骨骼的驱动单元，髋关节2包括无刷电机、谐波减速器、磁编码器和并联弹性体，髋关节2与膝关节5的结构相同。如此设计，通过增加了膝关节的柔性，增加了控制力的带宽，并联弹性体的内圈与减速器输出轴相连，并联弹性体的外圈与大腿杆相连，通过磁编码器和电机编码器测量角度差，进而进行人机交互力的测量。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、四、六、七或九相同。

本发明控制系统采用elmo驱动器对电机进行控制，主控制器采用基于cortex-arm9为核心的工控板，单维力采集卡109和六维力采集卡105分别采集人机交互信息，通过can总线方式与控制盒107进行通信，并设计了各原件的供电电源板，整个系统采用两个24v的锂电池电源110供电，能够保证连续工作时间为两小时。电源板108设计为集成模块，可提供24v、12v、5v等多种电压，保证下肢外骨骼系统整体的续航能力。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落在本发明的保护范围。