重生动力机械骨骼系统的制作方法

本发明涉及骨骼机器人，是一种重生动力机械骨骼系统。

背景技术：

外骨骼机器人技术是一种融合传感、控制、信息、融合、移动计算等现代综合技术，并为操作者提供一种可穿戴的机械机构，即为一种套在人体外面的人体骨骼仿生机器人，也称为可穿戴的机器人，在军事、康复、运输等领域该项技术有广泛地应用空间。现有一些外骨骼机器人技术应用于搬运领域，如中国专利文献刊载的申请号201610454728.0，申请公布日2016.09.07，发明名称“重生动力机械骨骼系统”，该骨骼机器装置包括下肢外骨骼助行机器和上肢外骨骼助行机器，以及对应的包裹板和背带，所述下肢外骨骼助行机器与上肢外骨骼助行机器之间通过仿生脊椎连接；其要点是该协力骨骼机器装置还设有可编程逻辑控制器、人机显示器、挂载控制器、空压机和挂载器，所述吊臂呈弯曲伸出上部机架的前方，吊臂设有吊臂气缸，空压机通过气管与吊臂气缸、挂载器连接，上部机架通过吊臂的吊臂气缸和挂载器对重物进行抬起吊装动作，吊臂的角度可调节，挂载器的高度可调节，人机显示器控制吊臂气缸，挂载控制器控制挂载器。但上述机械骨骼系统主要用于重物的搬运，而不是用于残障人士的运动辅助，特别是残障人士的下肢运动辅助。

技术实现要素：

为克服上述不足，本发明的目的是向本领域提供一种重生动力机械骨骼系统，使其解决现有同类产品缺少数据信号预先捕捉采集，以及实时监控、还原步态位置信息和反馈补偿量的技术问题。其目的是通过如下技术方案实现的。

一种重生动力机械骨骼系统，该机械骨骼系统包括机械系统和数据采集系统，机械系统包括下肢随动机构和连接机构，下肢随动机构包括转动关节、腿长度调节、大腿绑带、小腿绑带、髋部长度调节，下肢随动机构的上机架包括髋关节连接板、肋下束带板、背板、背部调节板、腰部连接板，下肢随动机构的腿部包含大腿腿板、小腿腿板、膝关节连接板，以及带有谐波减速器的动力总成，谐波减速器包括膝关节减速器和髋关节减速器，膝关节连接板的一端通过螺栓与减速器法兰连接，膝关节连接板的另一端与大腿腿板连接，并且通过膝关节连接板上端的连接槽进行长度调节，膝关节减速器安装在小腿腿板的一个减速器安装孔中，髋关节减速器安装在大腿腿板的一个减速器安装孔中，动力总成分别安装在小腿腿板和大腿腿板中，动力总成设有保护罩。其结构设计要点是所述髋关节连接板与大腿腿板的大腿底板之间的转动关节，以及大腿腿板的大腿底板与小腿腿板的小腿底板之间的转动关节分别设有霍尔角度传感器，即霍尔角度传感器分别位于下肢随动机构中膝、髋关节的屈伸旋转轴线方向；首先，作为数据采集系统的霍尔角度传感器将人体下肢各关节的运动信息转换成数字量信息；然后，将来自各路不同关节的数字量信息经过以usb数据采集卡为核心的数据采集与缓存模块同步不间断地采集和预处理后，再通过usb传输模块传递给pc机；最后，pc机应用程序软件matlab对采集的数据进行最终的处理和存储，并通过人机交换界面以数据曲线形式实时的显示出来；即该机械骨骼系统通过霍尔角度传感器采集人体下肢和腰部的对地角度信号经各角度差计算得到的各关节角度值，预先捕捉人体的关节角度和力矩的信号，存储于该机械骨骼系统的控制系统，使用者自主选择控制模式；并通过控制系统实现对人体姿态的实时监控，并对人体步态还原控制过程提供肢体位置信息和反馈补偿量。

所述数据采集系统包括压力鞋垫，所述压力鞋垫内设有薄膜压力传感器，即薄膜压力传感器设置于泡沫鞋垫与中间层橡胶垫之间，薄膜压力传感器的引线穿过中间层橡胶垫与底部橡胶垫之间的间隙与引线接线板连接，压力鞋垫的足底压力信号与人体的关节角度、力矩的信号一起被预先捕捉，在使用者使用时提供实时监控。

所述上机架的两侧髋关节连接板通过第二内六角圆柱头螺栓、m3垫片与两侧的背部挂架一端连接的同时，两侧的髋关节连接板分布通过第四内六角圆柱头螺栓、腰部连接板与肋下束带板一端；髋关节连接板处的背部挂架设有调节孔，调节孔处的髋关节连接板设有连接槽，背部挂架的另一端通过背部调节板与背板，背板的后部设有能源背包，肋下束带板的另一端分布设有束带孔。上述上机架的部件采用铝板配合3d打印的方式进行制造，能源背包采用3d打印的方式进行制作，能源包为动力总成提供电能，并存放控制系统的电路板、控制器等电路部件。

所述腿部两侧的膝关节连接板一端分别通过m5垫片、第三内六角圆柱头螺栓与大腿底板的一端连接，大腿底板的另一端分别通过螺栓与髋关节连接板连接，膝关节连接板的另一端分别通过螺栓与小腿底板的一端连接，小腿底板的另一端分别通过第一内六角圆柱头螺栓与脚底底板连接，脚底底板呈l字形；膝关节连接板与小腿底板连接处，以及膝关节连接板与大腿底板连接处分别设有57步进电机、梅花联轴器、变向箱输入轴、第一变向箱板件、45度斜齿、第二变向箱板件、第三变向箱板件、同步带输出平面支架、同步带输出轴、变向箱输出轴，以及电机侧支架、电机挂架、谐波减速器、第六内六角圆柱头螺栓、m4垫片、第五内六角圆柱头螺栓、第四变向箱板件、深沟球轴承、第一支撑轴、同步带输出固定支架、第二支撑轴，即57步进电机通过电机侧支架、电机挂架、第五内六角圆柱头螺栓、第六内六角圆柱头螺栓固定于大小腿底板，第三变向箱板件与第一变向箱板件之间设有45度斜齿、第二变向箱板件、第四变向箱板件，45度斜齿两端的设有第一变向箱板件和第三变向箱板件处分别设有深沟球轴承，45度斜齿的一端伸出第一变向箱板件与57步进电机的梅花联轴器连接，第二变向箱板件和第四变向箱板件通过变向箱输出轴、同步带与谐波减速器的同步带输出轴连接，谐波减速器设有同步带输出平面支架、同步带输出固定支架，谐波减速器通过第二支撑轴、第一支撑轴固定于大小腿底板；上述57步进电机、谐波减速器、45度斜齿，以及对应的变向箱板件、输出轴、联轴器组成动力总成。从而下肢随动机构的双下肢共六个转动自由度，单下肢各三个自由度，分别为髋部二个自由度，完成髋关节屈伸和收展运动，两关节轴线通过髋部机构调整始终汇交于人体髋关节中心，髋部收展关节位于体后侧，关节轴线沿矢状轴方向，髋部屈伸关节位于体外侧，关节轴线沿额状轴方向，两者轴线正交垂直并交于一点；膝部关节一个自由度，与人体膝关节轴线平行，对应人体膝关节的屈伸运动。

所述小腿底板与脚底底板连接处设有脚底调节滑孔，小腿底板与脚底底板之间设有踝关节连接板，大小腿底板与髋关节连接板连接处设有底板调节滑孔。上结构便于大小腿底板之间，以及小腿底板和脚底底板之间进行长度方向的收放调节。

所述控制系统通过前期人体数据采集并建立了人体运动数据库，根据数据库的分析表明，人体在不同运动模式下具有周期性的关节角度变化，且呈多角度协同运作；基于以上的运动数据分析建立人体体征控制力量辅助系统，该控制系统通过对多种人体运动模式进行分类的控制方法；使用者通过选择不同的运动模式，来切换人体体征控制力量辅助系统需要处在的工作和控制状态，以适应当前人机所处的环境；主控台读取人体运动数据库中在当前运动模式下的运动参数所映射的控制参数，运动控制卡根据所得的控制参数，输出相应脉冲数量与脉冲频率驱动步进电机，得到不同的关节角度输出；在整个运动控制过程中，由霍尔角度传感器协同的人体姿态反馈系统实时监控机架的运作状态，该控制系统通过安装在人体两足、小腿、大腿及上肢腰部的霍尔角度传感器采集人体下肢和腰部的对地角度信号经各角度差计算得到各关节角度值，实现对人体姿态的实时监控，并对人体步态还原控制过程提供肢体位置信息和反馈补偿量。

所述控制系统的控制器采用多轴联动plc型运动控制器。该控制器集成了plc与运动控制器双重功能，能同时控制多个电机运动，实现点位、连续、联动等功能，具有循环、跳转等功能；同时，便于连接电脑软件，实现电脑模拟控制，软件分步调试、示教等功能。

本发明结构设计合理，装配、操作、程序设定方便，智能化控制和程序设定方便；适合作为残障人士的重生动力机械骨骼系统使用，及其同类产品的结构改进。

附图说明

图1是本发明的侧面结构示意图。

图2是本发明的正面结构示意图。

图3是本发明的俯视结构示意图。

图4是本发明的压力鞋垫内部结构示意图。

图5是本发明的压力鞋垫结构示意图。

附图序号及名称：1、脚底底板，2、第一内六角圆柱头螺栓，3、踝关节连接板，4、右小腿底板，5、57步进电机，6、梅花联轴器，7、变向箱输入轴，8、第一变向箱板件，9、45度斜齿，10、第二变向箱板件，11、第三变向箱板件，12、同步带输出平面支架，13、膝关节连接板，14、右大腿底板，15、电机侧支架，16、电机挂架，17、谐波减速器，18、髋关节连接板，19、第二内六角圆柱头螺栓，20、m3垫片，21、背部挂架右，22、肋下束带板，23、能源背包，24、m5垫片，25、第三内六角圆柱头螺栓，26、背板，27、背部调节板，28、第四内六角圆柱头螺栓，29、腰部连接板，30、背部挂架左，31、第二支撑轴，32、同步带输出固定支架，33、第一支撑轴，34、深沟球轴承，35、第四变向箱板件，36、第五内六角圆柱头螺栓，37、m4垫片，38、第六内六角圆柱头螺栓，39、左大腿底板，40、同步带输出轴，41、变向箱输出轴，42、左小腿底板，43、压力鞋垫。

具体实施方式

现结合附图，对本发明的结构和工作原理进行进一步描述。如图1-图5所示，该机械骨骼系统包括机械系统和数据采集系统，机械系统包括下肢随动机构和连接机构，下肢随动机构包括转动关节、腿长度调节、大腿绑带、小腿绑带、髋部长度调节，下肢随动机构的上机架包括髋关节连接板18、肋下束带板22、背板26、背部调节板27、腰部连接板29，下肢随动机构的腿部包含大腿腿板、小腿腿板、膝关节连接板13，以及带有谐波减速器17的动力总成，谐波减速器包括膝关节减速器和髋关节减速器，膝关节连接板的一端通过螺栓与减速器法兰连接，膝关节连接板的另一端与大腿腿板连接，并且通过膝关节连接板上端的连接槽进行长度调节，膝关节减速器安装在小腿腿板的一个减速器安装孔中，髋关节减速器安装在大腿腿板的一个减速器安装孔中，动力总成分别安装在小腿腿板和大腿腿板中，动力总成设有保护罩；髋关节连接板18与大腿腿板的大腿底板之间的转动关节，以及大腿腿板的大腿底板与小腿腿板的小腿底板之间的转动关节分别设有霍尔角度传感器，即霍尔角度传感器分别位于下肢随动机构中膝、髋关节的屈伸旋转轴线方向。具体结构如下：上机架的两侧髋关节连接板18通过第二内六角圆柱头螺栓19、m3垫片20与两侧的背部挂架一端连接的同时，两侧的髋关节连接板分布通过第四内六角圆柱头螺栓28、腰部连接板29与肋下束带板22一端；髋关节连接板处的背部挂架设有调节孔，调节孔处的髋关节连接板设有连接槽，背部挂架的另一端通过背部调节板27与背板26，背板的后部设有能源背包23，肋下束带板的另一端分布设有束带孔。腿部两侧的膝关节连接板13一端分别通过m5垫片24、第三内六角圆柱头螺栓25与大腿底板的一端连接，大腿底板的另一端分别通过螺栓与髋关节连接板18连接，膝关节连接板的另一端分别通过螺栓与小腿底板的一端连接，小腿底板的另一端分别通过第一内六角圆柱头螺栓2与脚底底板1连接，脚底底板呈l字形；膝关节连接板与小腿底板连接处，以及膝关节连接板与大腿底板连接处分别设有57步进电机5、梅花联轴器6、变向箱输入轴7、第一变向箱板件8、45度斜齿9、第二变向箱板件10、第三变向箱板件11、同步带输出平面支架12、同步带输出轴40、变向箱输出轴41，以及电机侧支架15、电机挂架16、谐波减速器17、第六内六角圆柱头螺栓38、m4垫片37、第五内六角圆柱头螺栓36、第四变向箱板件35、深沟球轴承34、第一支撑轴33、同步带输出固定支架32、第二支撑轴31，即57步进电机通过电机侧支架、电机挂架、第五内六角圆柱头螺栓、第六内六角圆柱头螺栓固定于大小腿底板，第三变向箱板件与第一变向箱板件之间设有45度斜齿、第二变向箱板件、第四变向箱板件，45度斜齿两端的设有第一变向箱板件和第三变向箱板件处分别设有深沟球轴承，45度斜齿的一端伸出第一变向箱板件与57步进电机的梅花联轴器连接，第二变向箱板件和第四变向箱板件通过变向箱输出轴、同步带与谐波减速器的同步带输出轴连接，谐波减速器设有同步带输出平面支架、同步带输出固定支架，谐波减速器通过第二支撑轴、第一支撑轴固定于大小腿底板。上述57步进电机、谐波减速器、45度斜齿，以及对应的变向箱板件、输出轴、联轴器组成动力总成；同时，小腿底板与脚底底板之间设有踝关节连接板3，小腿底板包括右小腿底板4和左小腿底板42，大腿底板包括右大腿底板14和左大腿底板39，背部挂架包括背部挂架右21和背部挂架左30。数据采集系统包括压力鞋垫43，所述压力鞋垫内设有薄膜压力传感器，即薄膜压力传感器设置于泡沫鞋垫与中间层橡胶垫之间，薄膜压力传感器的引线穿过中间层橡胶垫与底部橡胶垫之间的间隙与引线接线板连接。

该机械骨骼系统包括下肢随动机构和连接机构组成，其由多种仿生腿部关节组成，包含髋关节、膝关节的屈伸角度测量及足底压力的测量。下肢随动机构是该机械骨骼系统的设计重点，下肢随动机构主要组成部分分为五大部分：转动关节(其外侧安装有霍尔角度传感器)、腿长度调节、大腿绑带、小腿绑带、髋部长度调节组成，该机构实现了人体下肢作较大幅度的左、右侧摆运动和前、后屈伸运动，完成行走动作。穿戴式腿部数据采集器采用亚克力为材料，使用激光切割进行加工，精度可靠，装配误差精度控制在±0.1mm，最大限度降低由于装配误差而导致的系统误差。

上机架：采用铝板配合3d打印的方式进行制造，其中采用铝板制造的为髋关节连接板18、肋下束带板22、背板26、背部调节板27、腰部连接板29，能源背包23采用3d打印的方式进行制作。采用铝板作为加工原材料，并采用分体式设计，能自由调节尺寸以适应不同的使用者进行穿戴，调整髋关节高度时髋关节会与机架不易发生干涉，适用使用群体更多，自由度较为合理，安全性较好，通过进行激光切割加工，且工序简单。

腿部：包含大腿腿板、小腿腿板、膝关节连接板，以及带有谐波减速器的动力总成，其中膝关节连接板一端利用螺栓与减速器法兰相连接，膝关节连接板另一端与大腿腿板相连接，并且可以通过上端的连接槽进行长度方向的收放调节，其中膝关节减速器安装在小腿腿板中的一个减速器安装孔中，髋关节减速器用同样的方式固定在大腿腿板中，动力总成分别安装在不同的腿板中，并通过保护罩进行保护。该设计方案较为紧凑，动力总成很紧凑的连接在腿板上，占用空间较小，空间利用率高，其次膝关节连接处作为固定的连接方式长度方面调整方便，采用多处微调设计可以适合不同身高的使用者，适用于不同身高的人群，其加工制作成本较低，加工方式简单。

动力总成：动力总成的传动系统由电机、联轴器、齿轮箱、同步带、同步带轮、谐波减速器等元件组成，其中齿轮箱中的齿轮为45度斜齿轮，其传动过程如下：电机旋转，带动联轴器，联轴器带动齿轮箱输入轴，通过两个45度斜齿轮进行90度的方向变化，齿轮箱输出轴带动同步带轮，在同步带的作用下，谐波减速器输入轴输入扭矩，最后扭矩通过谐波减速器的输出法兰输出。该设计方案能合理利用空间，整体布局紧凑，并且通过联轴器中的间隙对齿轮箱进行上下平移，从而对同步带进行张紧的工作；其设计思路清晰，设计新颖，合理利用各元件的特性，维护保养方便。

压力鞋垫:作为测量足底压力值及反映足底压力变化曲线的一种装置，为确保其精确度其各部分皆为定制尺寸，压力鞋垫内薄膜压力传感器的主要功能部件是由柔软，含有超弹性硅橡胶弹性体微通道填充有液体金属合金的薄结构。当传感器被拉伸时，弹性体变形，这些微通道的几何形状被改变，导致在其中测量该电路的电阻的变化。

本发明的工作原理如下：首先，该机械骨骼系统通过4处转动关节的4个霍尔角度传感器(分别位于下肢随动机构的膝、髋关节的屈伸旋转轴线方向)将人体下肢各关节的运动信息转换成数字量信息；然后，将来自各路不同关节的数字量信息经过以usb数据采集卡为核心的数据采集与缓存模块同步不间断地采集和预处理后，再通过usb传输模块传递给pc机；最后，pc机应用程序软件matlab对采集的数据进行最终的处理和存储，并通过人机交换界面以数据曲线形式实时的显示出来；其中，matlab与usb数据采集卡通过dll动态链接库实现衔接，自行编写了matlab数据采集的预处理mat程序。

综上所述，本发明为了降低数据采集误差，利用catia进行采集器机械骨架的设计，综合考量了人机工程、机械工程学及人体运动学，并且参考相关国家标准，设计并制作了穿戴式下肢运动数据采集器。所设计的人体下肢运动信息数据采集系统主要分为两大部分：机械系统和数据采集系统。首先，被测试者通过穿戴的方式使人体下肢与机械系统中的下肢随动机构匹配相连，然后通过霍尔角度传感器将机械系统与数据采集系统连接为一体，最终实现被测试者下肢运动信息的采集与处理。本发明通过预先捕捉有关人体的关节角度、力矩及足底压力信号，自主选择控制模式；并通过安装在两足小腿、大腿及上肢腰部的多对空间角度传感器以采集人体下肢和腰部的对地角度信号经各角度差计算得到的各关节角度值，实现对人体姿态的实时监控，并对人体步态还原控制过程提供肢体位置信息和反馈补偿量，在上述所检文献中未见具体述及。