本發明涉及穿戴式機器人技術領域，尤其涉及一種準被動膝踝關節耦合下肢外骨骼及其控制方法。

背景技術：

外骨骼是一種能維持或增強人體生理機能的可穿戴設備，在軍事、醫療、助老助殘等方面具有廣闊應用前景。下肢外骨骼作為其中一種，旨在助力人體行走。在軍事領域中，下肢外骨骼可增長徒步距離，提升負重能力，降低肌肉損傷風險，從而提升單兵作戰能力。在醫療領域，下肢外骨骼可以用于患者的步態康復和殘疾人的輔助行走。在助老領域，下肢外骨骼可以幫助老年人恢復行走能力。

人體在行走過程中需要消耗大量能量，其中大部分能量消耗在支撐相后期踝關節跖屈蹬地動作中。下肢外骨骼在踝關節蹬地瞬間提供外部助力，可替代小腿部分肌肉功能，實現人體行走功耗的降低。

然而，現有下肢外骨骼多為主動式外骨骼，需要通過大功率電機對踝關節進行助力，因此需要大質量驅動裝置和大容量能量供給裝置，會造成人體額外的能量消耗，且可移動性和續航能力較差。而且，目前的外骨骼原理都局限于對踝關節跖屈蹬地進行助力，然而人的行走是高度復雜的過程，在此過程中膝踝關節所做的負功也會造成很大的能量消耗，僅對踝關節進行助力所達到的效果較為有限。

技術實現要素：

(一)要解決的技術問題

本發明的目的是提供一種準被動膝踝關節耦合下肢外骨骼及其控制方法，解決現有的主動式外骨骼存在的會造成人體額外的能量消耗，可移動性和續航能力較差，以及僅對踝關節進行助力，所達到的效果較為有限的問題。

(二)技術方案

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種準被動膝踝關節耦合下肢外骨骼，包括下肢穿戴機構、儲能機構和控制機構；

其中，所述下肢穿戴機構包括大腿穿戴部、小腿穿戴部和腳底穿戴部；

所述儲能機構包括設置在所述小腿穿戴部上的固定軸，在所述固定軸的兩端對稱設置有膝關節離合器和踝關節離合器，其中所述膝關節離合器通過第一繩索連接所述大腿穿戴部，所述踝關節離合器通過第二繩索連接所述腳底穿戴部；所述的膝關節離合器和踝關節離合器均包括棘輪、棘爪和主動齒輪，所述棘輪通過軸承套設在所述固定軸上，所述棘爪轉動連接于所述固定軸的端面上，所述棘爪包括止動爪部和從動齒部，其中所述止動爪部與所述棘輪的內緣齒槽相配合，所述從動齒部與所述主動齒輪相嚙合；在所述膝關節離合器與所述踝關節離合器之間設有儲能扭簧，所述儲能扭簧的兩端分別與所述膝關節離合器、所述踝關節離合器相連；

所述控制機構包括用于分別控制所述膝關節離合器和所述踝關節離合器的兩個舵機，所述舵機與所述固定軸固定連接，在所述舵機的動力輸出軸上固定連接有舵機軸套，所述舵機軸套與所述主動齒輪固定連接；所述舵機的動力輸出軸通過所述舵機軸套控制所述主動齒輪的轉動，通過所述主動齒輪的轉動實現所述棘爪與所述棘輪之間的脫離或鎖死。

進一步地，所述的膝關節離合器和踝關節離合器均設有壓縮彈簧，所述壓縮彈簧的一端與所述舵機軸套相連，所述壓縮彈簧的另一端與所述主動齒輪相連。

進一步地，所述控制機構還包括足底壓力傳感器、單片機以及采樣電路，所述足底壓力傳感器通過所述采樣電路與所述單片機相連，所述單片機與所述舵機相連。

具體地，所述小腿穿戴部與所述腳底穿戴部之間轉動連接，其中所述小腿穿戴部上設有腿部支架，所述固定軸與所述腿部支架固定連接；所述腳底穿戴部上設有腳部支架，所述踝關節離合器通過所述繩索與所述腳部支架相連。

具體地，所述固定軸中間設有舵機安裝孔，所述舵機安裝于所述舵機安裝孔中。

具體地，所述棘輪外側設有繩槽，所述繩索纏繞設置在所述繩槽中。

具體地，所述小腿穿戴部和所述腳底穿戴部分別采用剛性材料制成，其中所述小腿穿戴部設有用于與人體小腿部分進行緊固的魔術貼；所述大腿穿戴部采用柔性材料制成，所述大腿穿戴部設有安全帶。

具體地，在所述膝關節離合器和所述踝關節離合器的外部分別設有蓋子，所述蓋子上設有繩索通孔。

為了解決上述技術問題，本發明還提供了一種準被動膝踝關節耦合下肢外骨骼控制方法，該方法采用所述的準被動膝踝關節耦合下肢外骨骼進行輔助踝關節跖屈蹬地控制，包括如下步驟：

通過控制機構中的足底壓力傳感器測量足底壓力并輸出關于足底壓力的電阻信號，通過采樣電路采集所述電阻信號，所述采樣電路將所述電阻信號轉化為電壓信號，并將所述電壓信號輸出至單片機；

所述單片機接收所述電壓信號，根據所述電壓信號確定人體行走的步態周期；

所述單片機根據所述步態周期向兩個舵機輸出pwm信號，分別控制兩個舵機動力輸出軸的轉動角度；

根據兩個舵機動力輸出軸的轉動，分別控制膝關節離合器和踝關節離合器的打開或鎖死。

進一步地，所述人體行走的步態周期包括擺動相初期、擺動相中期、擺動相后期、支撐相初期、支撐相中期和支撐相后期，其中，

在所述擺動相初期，所述膝關節離合器和所述踝關節離合器均處于打開狀態；

在所述擺動相中期，所述踝關節離合器處于鎖死狀態，所述膝關節離合器保持打開狀態，膝關節的伸展運動拉動第一繩索，所述第一繩索拉動所述膝關節離合器中的棘輪繞固定軸轉動，儲能扭簧形變量增大，膝關節所做負功被收集到儲能扭簧中；

在所述擺動相后期，腳跟與地面接觸之前，所述膝關節離合器處于鎖死狀態，所述踝關節離合器保持鎖死狀態；

在所述支撐相初期，腳跟與地面相接觸，所述膝關節離合器和所述踝關節離合器均保持鎖死狀態；

在所述支撐相中期，所述踝關節離合器處于打開狀態，所述膝關節離合器保持鎖死狀態，踝關節的背屈運動拉動第二繩索，所述第二繩索拉動所述踝關節離合器中的棘輪繞固定軸轉動，儲能扭簧形變量增大，踝關節所做負功被收集到儲能扭簧中；

在所述支撐相后期，踝關節進入跖屈蹬地狀態，所述膝關節離合器保持鎖死狀態，所述踝關節離合器保持打開狀態，所述儲能扭簧中的力被傳遞至所述第二繩索，對踝關節施加跖屈方向的扭矩，輔助踝關節蹬地。

(三)有益效果

本發明的上述技術方案具有如下優點：

本發明將人體下肢膝關節和踝關節進行耦合，利用儲能機構分別收集膝關節在擺動相時期擺動所做的負功以及踝關節在支撐相時期背屈所做的負功，并將收集到的能量通過儲能扭簧進行存儲，最終在踝關節跖屈蹬地時釋放能量，用于輔助踝關節進行跖屈蹬地，從而減小大腿后側腘繩肌對膝關節施加的扭矩與小腿后側腓腸肌對肌腱施加的力，優化了人體行走過程，實現了能量經濟性，使得人體行走中新陳代謝能耗成為可能。

本發明無需設置大功率電機這種大質量驅動裝置，只采用了兩個低功率的舵機進行控制，具有重量輕，體積小，續航時間長，輕量便攜，成本低的優點，同時實現了外部能量的注入，降低了人體行走的功耗。

附圖說明

圖1是本發明實施例準被動膝踝關節耦合下肢外骨骼的結構示意圖；

圖2是本發明實施例準被動膝踝關節耦合下肢外骨骼中儲能機構的剖視圖；

圖3是本發明實施例準被動膝踝關節耦合下肢外骨骼中離合器打開狀態的正視圖；

圖4是本發明實施例準被動膝踝關節耦合下肢外骨骼中離合器鎖死狀態的正視圖；

圖5是本發明實施例準被動膝踝關節耦合下肢外骨骼中控制機構的結構框圖；

圖6是本發明實施例中關于準被動膝踝關節耦合下肢外骨骼在工作時與步態周期相對應的外骨骼狀態、足底反力、膝關節離合器狀態、踝關節離合器狀態和外骨骼狀態圖的表格示意圖。

圖中：1：大腿穿戴部；2：小腿穿戴部；3：腳底穿戴部；4：固定軸；5：膝關節離合器；6：踝關節離合器；7：第一繩索；8：第二繩索；9：棘輪；901：內緣齒槽；10：棘爪；101：止動爪部；102：從動齒部；11：主動齒輪；12：滾針軸承；13：儲能扭簧；14：舵機；141：動力輸出軸；15：舵機軸套；16：壓縮彈簧；17：腿部支架；18：腳部支架；19：魔術貼；20：蓋子；21：螺栓。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

如圖1-5所示，本發明實施例提供的準被動膝踝關節耦合下肢外骨骼，包括下肢穿戴機構、儲能機構和控制機構。

所述下肢穿戴機構包括大腿穿戴部1、小腿穿戴部2和腳底穿戴部3，其中所述小腿穿戴部2與所述腳底穿戴部3之間轉動連接。

所述儲能機構包括設置在所述小腿穿戴部2上的固定軸4、膝關節離合器5和踝關節離合器6，所述膝關節離合器5和所述踝關節離合器6對稱設置在所述固定軸4的兩端，其中所述膝關節離合器5通過第一繩索7連接所述大腿穿戴部1，所述踝關節離合器6通過第二繩索8連接所述腳底穿戴部3。

所述的膝關節離合器5和踝關節離合器6均包括棘輪9、棘爪10和主動齒輪11，所述棘輪9通過滾針軸承12套設在所述固定軸4上，所述棘爪10通過螺栓21轉動連接于所述固定軸4的端面上，所述棘爪10包括止動爪部101和從動齒部102，其中所述止動爪部101與所述棘輪9的內緣齒槽901相配合，所述從動齒部102與所述主動齒輪11相嚙合。在所述膝關節離合器5與所述踝關節離合器6之間設有儲能扭簧13，所述儲能扭簧13的主體套設在所述固定軸4上，且所述儲能扭簧13的兩端分別與所述膝關節離合器5、所述踝關節離合器6相連。

所述控制機構包括設置在所述腳底穿戴部3上的足底壓力傳感器、設置在所述小腿穿戴部2上的單片機、以及用于分別控制所述膝關節離合器5和所述踝關節離合器6的兩個舵機14，其中所述足底壓力傳感器通過采樣電路與所述單片機相連，所述單片機與所述舵機14相連。在所述固定軸中間設有用于安裝所述舵機14的舵機安裝孔，所述舵機14固定安裝于所述舵機安裝孔中。在所述舵機14的動力輸出軸141上固定連接有舵機軸套15，所述舵機軸套15與所述主動齒輪11固定連接。

在工作時，通過所述足底壓力傳感器采集足底壓力并輸出關于足底壓力的電阻信號，所述采樣電路采集所述電阻信號，所述采樣電路將所述電阻信號轉化為電壓信號，并將所述電壓信號輸出至單片機，所述單片機根據電壓信號的變化獲得足底壓力信息，再通過所述單片機輸出pwm信號來控制兩個所述舵機14的動力輸出軸141的轉動角度，所述舵機14的動力輸出軸141再通過所述舵機軸套15控制所述主動齒輪11的轉動，進而實現所述棘爪10與所述棘輪9之間的脫離或鎖死。在這一過程中，通過小型鋰電池對所述單片機和所述舵機14進行供電。如圖3所示，當所述棘爪10的止動爪部101與所述棘輪9的內緣齒槽901相脫離時，所述棘輪9可以雙向轉動，此時所述的離合器處于打開狀態。如圖4所示，當所述棘爪10的止動爪部101與所述棘輪9的內緣齒槽901扣合鎖死時，所述棘輪9只能單向轉動，此時所述的離合器處于鎖死狀態。

進一步來說，所述的膝關節離合器5和踝關節離合器6均設有壓縮彈簧16，所述壓縮彈簧16的一端與所述舵機軸套15相連，所述壓縮彈簧16的另一端與所述主動齒輪11相連。其中所述壓縮彈簧16的作用是：在所述的離合器鎖死的情況下，當所述棘輪9轉過一個齒槽后，所述棘爪10能夠在所述壓縮彈簧16的作用下回位，重新扣合在所述棘輪9的齒槽901上。

進一步來說，在所述小腿穿戴部2上設有腿部支架17，所述固定軸4與所述腿部支架17固定連接。在所述腳底穿戴部3上設有腳部支架18，所述踝關節離合器6通過第二繩索8與所述腳部支架18相連。

進一步來說，所述儲能扭簧13兩端加工有螺紋，在所述棘輪9上設有安裝孔，所述所述儲能扭簧13的兩端分別穿過兩個所述棘輪9的安裝孔，并通過螺母實現螺紋連接。當所述棘輪9相對于所述固定軸4進行正向或反向轉動時，會拉伸或釋放所述儲能扭簧13，從而實現能量的存儲或釋放。

更進一步來說，在兩個所述棘輪9的外側分別設有繩槽，所述第一繩索7和所述第二繩索8分別纏繞設置在兩個所述棘輪9的繩槽中。當膝關節角度變化，使得所述大腿穿戴部1上的繩索連接點a相對于所述儲能機構的距離變長時，所述第一繩索7會拉動所述膝關節離合器5中的棘輪轉動，使所述棘輪向儲能扭簧形變量增大的方向轉動，進而使所述儲能扭簧13存儲能量。同理，當踝關節角度變化，使得所述腳底穿戴部3上的繩索連接點b相對于所述儲能機構的距離變長時，所述第二繩索8會拉動所述踝關節離合器6中的棘輪轉動，使所述棘輪向儲能扭簧形變量增大的方向轉動，進而使所述儲能扭簧13存儲能量。當所述膝關節離合器5或所述踝關節離合器6處于鎖死狀態時，所述棘輪9只能向儲能扭簧形變量增大的方向轉動，而不能向使扭簧形變量減小的方向轉動，此時所述儲能扭簧13只能儲存能量不能釋放能量。當所述踝關節離合器6處于打開狀態時，此時所述儲能扭簧13可以釋放能量，通過拉動所述第二繩索8將力作用于所述腳部支架18，從而輔助踝關節蹬地。

具體來說，所述小腿穿戴部2和所述腳底穿戴部3分別采用剛性材料制成，其中所述小腿穿戴部2設有用于與人體小腿部分進行緊固的魔術貼19。而所述大腿穿戴部1采用柔性材料制成，通過在所述大腿穿戴部1上設置安全帶來提高所述大腿穿戴部1的剛度。

此外，在所述膝關節離合器5和所述踝關節離合器6的外部還分別設有蓋子20，所述蓋子20上設有繩索通孔。

如圖6所示，本發明實施例還提供一種準被動膝踝關節耦合下肢外骨骼控制方法，該方法采用上述的準被動膝踝關節耦合下肢外骨骼進行輔助踝關節跖屈蹬地控制。由于人在行走過程中，擺動期的足底壓力為零，支撐期足底壓力中心由腳跟移動到腳掌，因此可以通過足底壓力信息劃分步態周期。則該方法具體包括如下步驟：

通過所述足底壓力傳感器實時測量足底壓力并輸出關于足底壓力的電阻信號，通過采樣電路采集所述電阻信號，所述采樣電路將所述電阻信號轉化為電壓信號，并將所述電壓信號輸出至單片機。

所述單片機接收并處理所述電壓信號，根據對所述電壓信號的處理結果確定人體當前的步態周期。

所述單片機根據所述步態周期向兩個舵機分別輸出pwm信號，用于分別控制兩個舵機動力輸出軸的轉動角度。

根據兩個舵機動力輸出軸的轉動，分別控制所述膝關節離合器和所述踝關節離合器的打開或鎖死。

進一步來說，所述步態周期包括擺動相初期、擺動相中期、擺動相后期、支撐相初期、支撐相中期和支撐相后期。

在所述擺動相初期，所述膝關節離合器和所述踝關節離合器均處于打開狀態。

在所述擺動相中期，膝關節即將開始伸展時，膝關節處于彎曲角度最大的狀態，而踝關節處于自然位置。此時所述踝關節離合器鎖死，所述膝關節離合器保持打開狀態。在膝關節伸展過程中，膝關節的伸展運動拉動所述第一繩索，使所述大腿穿戴部上的繩索連接點a相對于所述儲能機構的距離變長，所述第一繩索拉動所述膝關節離合器中的棘輪繞固定軸轉動，所述儲能扭簧的形變量增大，膝關節所做負功被收集到所述儲能扭簧中，在該過程中外骨骼輔助腘繩肌對膝關節進行減速。

在所述擺動相后期，腳跟與地面接觸之前，所述膝關節離合器鎖死，所述踝關節離合器保持鎖死狀態，使得所述儲能扭簧中的能量不會被提前釋放。

在所述支撐相初期，腳跟與地面接觸，踝關節由跖屈狀態逐漸背屈至自然狀態，此時所述膝關節離合器和所述踝關節離合器均保持鎖死狀態。

在所述支撐相中期，踝關節繼續背屈，此時所述踝關節離合器打開，所述膝關節離合器保持鎖死狀態。踝關節的背屈運動拉動第二繩索，使所述腳底穿戴部上的繩索連接點b相對于所述儲能機構的距離變長，所述第二繩索拉動所述踝關節離合器中的棘輪繞固定軸轉動，儲能扭簧形變量進一步增大，踝關節所做負功被收集到所述儲能扭簧中。

在所述支撐相后期，踝關節進入跖屈蹬地狀態，此時所述膝關節離合器保持鎖死狀態，所述踝關節離合器保持打開狀態，所述儲能扭簧釋放能量，所述儲能扭簧中的力被傳遞至所述第二繩索，通過所述第二繩索對踝關節施加跖屈方向的扭矩，輔助踝關節蹬地。在該過程中，外骨骼可部分替代小腿三頭肌和阿基里斯肌腱作用。

在蹬地結束后，所述膝關節離合器打開，所述棘輪與所述儲能扭簧回復到初始位置，也即重新進入到擺動相初期，以此往復。

其中，圖6是關于所述準被動膝踝關節耦合下肢外骨骼在工作時與所述步態周期相對應的外骨骼狀態、足底反力、膝關節離合器狀態、踝關節離合器狀態和外骨骼狀態圖的表格示意圖，其中，外骨骼狀態圖中的(a)、(b)、(c)、(d)、(e)和(f)分別與所述步態周期的擺動相初期、擺動相中期、擺動相后期、支撐相初期、支撐相中期和支撐相后期一一對應。

綜上所述，本發明將人體下肢膝關節和踝關節進行耦合，利用儲能機構分別收集膝關節在擺動相時期擺動所做的負功以及踝關節在支撐相時期背屈所做的負功，并將收集到的能量通過儲能扭簧進行存儲，最終在踝關節跖屈蹬地時釋放能量，用于輔助踝關節進行跖屈蹬地，從而減小大腿后側腘繩肌對膝關節施加的扭矩與小腿后側腓腸肌對肌腱施加的力，優化了人的行走過程，實現了能量經濟性，使得人體行走中新陳代謝能耗成為可能，降低了人體行走的功耗，具有重量輕，體積小，續航時間長，輕量便攜，成本低的優點。

最后應說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和范圍。