本發明屬于機器人技術領域，尤其是一種下肢助力外骨骼機構系統。

背景技術：

近年來，助力外骨骼機器人開發與研究已成為國內外研究熱點。在高山密林地勢險峻，機械車輛不能運行，或者是不利于輪式裝置的階梯型地帶，重物需要人來背負等場合，外骨骼機器人能夠增強和拓展人類的承載能力，使人能背負重物遠程行走。同時，在軍事領域，助力外骨骼機器人能夠極大的增加士兵的背負能力；在醫療康復領域，助力外骨骼機器人能夠增強人體運動能力，輔助病人肌肉和骨骼康復等。因此，開發和應用這種助力外骨骼機器人具有非常現實的意義。

外骨骼助力機器人始于1960年通用電氣公司所研制的單兵助力外骨骼Hardiman，用于增強士兵的手臂持重能力。隨后美國的多個公司，如SARCOS公司、雷神公司、伯克利仿生公司、Yobotics公司等相繼研制了不同結構形式的外骨骼助力機器人，主要應用于軍事領域。同時，日本、韓國和瑞士等國家開發了應用于醫療康復領域的外骨骼助力機器人，如幫助體弱和行走不便的老人行走，幫助病人下肢康復訓練等。經過幾十年時間的理論探索和技術開發，下肢助力外骨骼技術已經取得了一定的成果。目前，在美國、日本和歐洲的一些國家，下肢助力外骨骼已經被嘗試應用到實際當中，一些性能優良的產品已應用于市場推廣上。我國相關科研院所，如中國科學院、浙江大學、華中科技大學、哈爾濱工業大學、電子科技大學等，也在外骨骼研究領域取得了一些收獲，為深一步的研究和應用做好了準備。

目前的助力外骨骼機器人系統的驅動結構主要有液壓和氣壓兩種。液壓驅動通過液壓缸作為執行器實現。液壓驅動的助力外骨骼機器人負重能力強，剛度大；氣壓驅動主要通過氣缸或氣動肌肉實現。氣壓驅動的外骨骼機器人裝置輕巧，柔順能力強。而在這兩種驅動系統中均有一定的缺點，如液壓驅動系統重量大，靈活性較差，柔順能力差；氣壓驅動系統結構剛度低，運動穩定性低等。如能結合以上兩種驅動方式，使得助力外骨骼機器人系統既具有較好的剛度，又具有較好的柔順能力，將對拓寬該系統的應用領域具有重要的意義。因此，本發明以氣液串聯缸結構替代傳統純液壓或氣壓支撐髖關節和膝關節，該結構設計是考慮到氣液串聯缸通過氣動驅動，可減少系統重量，提高驅動速度，而液壓缸可增強純氣動驅動剛度低和穩定性差的缺點。故此本發明專利提供的一種下肢助力外骨骼機構系統具有驅動快速性好、剛度高、穩定性強、運行平穩等優點，可提高下肢助力外骨骼機構系統的關鍵特性。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服現有技術的不足，在此提供一種下肢助力外骨骼機構系統，該結構設計是考慮到氣液串聯缸通過氣缸驅動，可減少系統重量，提高驅動速度；而液壓缸可克服純氣動驅動剛度低和穩定性差的缺點。故此本發明專利提供的一種下肢助力外骨骼驅動系統具有驅動快速性好、剛度高、穩定性強、運行平穩等優點，可提高下肢助力外骨骼機構系統的關鍵特性。

本發明是這樣實現的，構造一種下肢助力外骨骼驅動系統，其特征在于：包括髖關節氣液缸、剛性腰帶、髖關節電機、大腿、膝關節氣液缸、膝關節電機、小腿外桿、小腿內桿、踝關節電機和腳掌；

髖關節能夠實現三個自由度的旋轉，兩端分別與氣液缸、剛性腰帶和大腿連接；大腿將剛性腰帶和膝關節連接在一起；膝關節氣液缸連接大腿與小腿；小腿包括小腿外桿和小腿內桿兩部分，將膝關節電機和踝關節電機外側連接到一起；小腿外桿通過旋轉結構能夠沿著膝關節旋轉軸旋轉，實現相對于大腿的彎曲和伸展；小腿內桿連接至踝關節電機上部，并固定在一起；踝關節下方連接腳掌。

根據本發明所述一種下肢助力外骨骼驅動系統，其特征在于：該系統還包括以下傳感器腳掌壓力傳感器、踝關節角位移傳感器、膝關節角位移傳感器和髖關節角位移傳感器，其中角位移傳感器采用電位計、位置敏感元件或碼盤測量相應關節的轉角位置。

根據本發明所述一種下肢助力外骨骼驅動系統，其特征在于：氣液缸由氣缸液缸串聯組成，氣缸作為主控缸通過氣動閥對氣液缸的位移進行控制，液壓缸作為被動缸體，通過在線或離線調節液壓閥改變氣液缸阻尼大小。

根據本發明所述一種下肢助力外骨骼驅動系統，其特征在于：氣液串聯缸部分中，氣壓缸采用比例閥、開關閥、流量閥；液壓缸采用比例閥、開關閥、流量閥。

根據本發明所述一種下肢助力外骨骼驅動系統，其特征在于：具有以下兩種系統運作模式：

形式一：被動助力模式：在被動助力模式下，系統讀取傳感器傳輸的數據，根據該數據預測行走者的運作趨勢，下肢助力外骨骼機構系統沿著這個行走趨勢運行，起到行走助力的作用；

形式二：主動助力模式：在主動助力模式下，預先編入下肢助力外骨骼機構系統行走路線，通過各個傳感器的測量和控制系統閉環完成規劃行走，行走者被動隨之運動。

根據本發明所述一種下肢助力外骨骼驅動系統，其特征在于：

形式一的工作過程：

系統首先通過踝關節角位移傳感器、膝關節角位移傳感器和髖關節角位移傳感器傳回的數據，經過運動學分析計算出當前時刻下肢助力外骨骼機構的位姿，并預測下一時刻系統運動位姿，通過驅動各個驅動關節電機和氣液缸達到預測位姿，然后再次讀取傳感器位置預測下一時刻的系統運動位姿，如此反復進行系統開環控制；

該過程中，行走者作為主動系統對運動動作進行規劃，下肢助力外骨骼機構系統作為隨動系統起到助力作用，故將這種運動方式稱為被動助力運作模式；

形式二的工作過程：

通過動力學和運動學計算分析，首先將系統的運動模式編入系統程序，通過電機和氣液缸執行器和各個傳感器，閉環完成系統預定運動模式的控制。行走者被動隨之運動；

該過程中，下肢助力外骨骼機構系統作為主動方對運動動作進行規劃，并起到助力作用，行走者被動隨之運動，故將這種運動方式稱為主動助力運作模式。

根據本發明所述一種下肢助力外骨骼驅動系統，其特征在于：所涉及到的氣液缸控制有兩種控制方式：

形式一： 離線開環液體阻尼調節控制方式：氣液串聯缸中的液壓缸部分通過單向節流閥開環控制，氣壓缸部分通過氣動閥（比例閥、開關閥或流量閥）進行閉環控制。這種控制形式的系統平臺通過離線開環調節液壓缸單向節流閥開口來調整系統阻尼大小；

形式二：在線閉環液體阻尼調節控制方式：氣液串聯缸中的液壓缸通過高速開關閥（或比例閥、流量閥）閉環控制，達到一定的系統阻尼，同時，氣液串聯缸中的氣壓缸通過氣動閥（比例閥、開關閥或流量閥）進行閉環控制。這種控制形式的系統平臺通過閉環在線調整液壓閥的開口和流量改變液壓缸的阻尼達到不同的運動特性。

本發明的優點在于：本發明以氣液串聯缸結構替代傳統純液壓或氣壓驅動髖關節和膝關節，該結構設計是考慮到氣液串聯缸通過氣動驅動，可減少系統重量，提高驅動速度，而液壓缸可克服純氣動中剛度低和穩定性差的缺點。故此本發明專利提供的一種下肢助力外骨骼機構系統具有驅動快速性好、剛度高、穩定性強、運行平穩等優點，可提高下肢助力外骨骼機構系統的關鍵特性。

附圖說明

圖1為下肢助力外骨骼機構系統原型樣機結構圖

圖2是本發明主視圖

圖3是本發明側面示意圖

圖4是本發明俯視圖。

圖中1.髖關節氣液缸，2. 剛性腰帶，3.髖關節電機，4.大腿，5.膝關節氣液缸，6.膝關節電機，7.小腿外桿，8.小腿內桿，9.踝關節電機、10.腳掌。

具體實施方式

下面將結合附圖1-4對本發明進行詳細說明，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，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。

本發明提供的一種下肢助力外骨骼機構系統，如圖1所示，包括髖關節氣液缸1、剛性腰帶2、髖關節電機3、大腿4、膝關節氣液缸5、膝關節電機6、小腿外桿7、小腿內桿8、踝關節電機9和腳掌10組成。髖關節可實現三個自由度的旋轉，兩端分別與氣液缸1、剛性腰帶2和大腿4連接；大腿4將剛性腰帶2和膝關節連接在一起；膝關節氣液缸5連接大腿與小腿。其中，氣液串聯缸由氣缸液缸串聯組成，氣缸作為主控缸通過氣動閥對氣液缸的位移進行控制，液壓缸作為被動缸體，通過在線或離線調節液壓閥改變氣液缸阻尼大小。氣液串聯缸部分中，氣壓缸可采用各種形式的氣壓閥（如：比例閥、開關閥、流量閥等），液壓缸可采用各種形式的液壓閥（如：比例閥、開關閥、流量閥等）。小腿包括小腿外桿7和小腿內桿8兩部分，將膝關節電機6和踝關節電機9外側連接到一起；小腿外桿通過旋轉結構能夠沿著膝關節旋轉軸旋轉，實現相對于大腿的彎曲和伸展。小腿內桿連接至踝關節電機9上部，并固定在一起；踝關節下方連接腳掌10。

本發明所述的一種下肢助力外骨骼機構系統具有兩種系統運作模式：

實施例一：

在被動助力模式下，系統讀取傳感器傳輸的數據，根據該數據預測行走者的運作趨勢，下肢助力外骨骼機構系統沿著這個行走趨勢運行，起到行走助力的作用。這種運動模式常常應用于攜行負重機器人系統中。

該實施方案的工作過程：

系統首先通過踝關節角位移傳感器、膝關節角位移傳感器和髖關節角位移傳感器傳回的數據，經過運動學分析計算出當前時刻下肢助力外骨骼機構的位姿，并預測下一時刻系統運動位姿，通過驅動各個驅動關節電機和氣液缸達到預測位姿，然后再次讀取傳感器位置預測下一時刻的系統運動位姿，如此反復進行系統開環控制。

該實例中，行走者作為主動系統對運動動作進行規劃，下肢助力外骨骼機構系統作為隨動系統起到助力作用，故將這種運動方式稱為被動助力運作模式。

實施例二：

在主動助力模式下，下肢助力外骨骼機構系統預先編入其行走路線，通過各個傳感器的測量和控制系統閉環完成規劃行走，行走者被動隨之運動。這種運動模式常常應用于醫療康復系統中。

該實施方案的工作過程：

通過動力學和運動學計算分析，首先將系統的運動模式編入系統程序，通過電機和氣液缸執行器和各個傳感器，閉環完成系統預定運動模式的控制。行走者被動隨之運動。

該實例中，下肢助力外骨骼機構系統作為主動方對運動動作進行規劃，并起到助力作用，行走者被動隨之運動，故將這種運動方式稱為主動助力運作模式。

以上的系統運行過程中，所涉及到的氣液缸控制有兩種控制方式：

形式一： 離線開環液體阻尼調節控制方式：氣液串聯缸中的液壓缸部分通過單向節流閥開環控制，氣壓缸部分通過氣動閥（比例閥、開關閥或流量閥）進行閉環控制。這種控制形式的系統平臺通過離線開環調節液壓缸單向節流閥開口來調整系統阻尼大小。

形式二：在線閉環液體阻尼調節控制方式：氣液串聯缸中的液壓缸通過高速開關閥（或比例閥、流量閥）閉環控制，達到一定的系統阻尼，同時，氣液串聯缸中的氣壓缸通過氣動閥（比例閥、開關閥或流量閥）進行閉環控制。這種控制形式的系統平臺通過閉環在線調整液壓閥的開口和流量改變液壓缸的阻尼達到不同的運動特性。

綜上所述，本發明專利以氣液串聯缸結構替代傳統純液壓或純氣壓驅動支撐髖關節和膝關節，具有驅動快速性好、剛度高、穩定性強、運行平穩等優點，可提高下肢助力外骨骼機構系統的關鍵特性。

對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。