CN107510575B - 一种轻型离合式助力外骨骼装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轻型离合式助力外骨骼装置及其控制方法，可以模拟人体运动、辅助人体进行负重，包括自上而下依次设置的背架、腰部机构、髋关节、膝关节、踝关节及足部。本发明具备多个自由度，可模拟人体的多种运动，能较好的实现与人体运动的匹配；采用离合式的关节驱动助力方式，所需传感硬件要求低，便于控制实现，并且离合式驱动能与本发明结构进行一体化设计，有效降低本发明质量及体积。本发明结构简单可靠、集成度高、控制简易，可用于增强穿戴者负重能力及助力行走，有效降低人体负重运动的疲劳感。

Description

一种轻型离合式助力外骨骼装置及其控制方法

技术领域

本发明属于仿生技术，具体涉及一种轻型离合式助力外骨骼装置及其控制方法。

背景技术

可穿戴式外骨骼助力系统是一种可穿戴在人体身上的伴随式智能装备，通过同步“跟随”人体运动，辅助或代替人体承重及机动，突破人体体能极限，大幅度提高人体的负重机动能力/持久作战能力。目前，该系统主要应用于人体下肢康复训练及辅助人体进行负重，可在反恐维稳、抢险救灾、助残与康复医疗等多领域得到广泛应用和推广。迄今为止，尽管针对类似的穿戴式外骨骼助力系统的研究已取得了部分进展，但距离实用还有很长一段路要走。

如申请号为201410063123.X的中国专利申请公开了一种适用于外骨骼辅助支撑机器人的具有膝关节参数测量的大小腿装置，所述大小腿装置采用液压缸驱动，提高了外骨骼辅助支撑机器人的响应速度和承载能力，但液压缸驱动需要液压源，从而导致外骨骼辅助支撑机器人的体积和质量较为庞大，且液压系统容易出现油液渗漏问题。如申请号为201610511532.0的中国专利申请公开了下肢助力外骨骼机器人，所述下肢助力外骨骼机器人的髋关节和膝关节均由电机驱动，具备较好的助力效果，并且两处关节均具有限位开关，安全性较高，但所述下肢助力外骨骼机器人结构复杂，且多个关节驱动会带来机器人质量及体积增大问题。另外，上述两个中国专利申请的机械零件结复杂，加工制造及装配困难。

又如申请号为201610614958.9的中国专利申请公开了一种智能下肢助力装置的在线步态规划系统及方法，所述智能下肢助力装置根据肌电采集单元、惯性采集单元采集的信息，提取特征，并与步态模型库匹配，得到预测关节角度，以在线控制智能下肢助力装置的步态；但其所使用的传感器数量众多，且均布置于穿戴者身上，穿戴不方便，舒适度较差，并且对人体信息的采集处理复杂、耗时长，同时所述控制算法计算流程冗长、繁复，将导致人机交互性感知速度慢、控制系统处理信号到发出指令时间长，最终使得外骨骼系统与穿戴者的步态协调一致性较差，穿戴效果不良。

发明内容

本发明的目的在于提供一种轻型离合式助力外骨骼装置及其控制方法，解决外骨骼的复杂机构设计及控制方法的问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种轻型离合式助力外骨骼装置，包括背架、腰部机构和两组腿脚机构，腰部机构与背架底部转动相连，两组腿脚机构对称设置在腰部机构两端，通过转动连接；所述腿脚机构包括自上向下依次固连的髋关节、膝关节、踝关节和足部，其中髋关节顶部与腰部机构转动相连。

所述髋关节包括髋轴向固定件、髋上连接件、髋主离合片、髋复位簧、髋从离合片、髋滚针轴承、髋下连接件、髋电磁吸盘、髋扭簧和髋固定壳；髋上连接件包括髋第一圆柱体和J形连接板，J形连接板的底端开有腰连接圆孔，通过腰连接圆孔与腰部机构转动连接，J形连接板的顶端固连在髋第一圆柱体的侧壁上，连接处设有髋扭簧固定孔，髋第一圆柱体的一端中心开有髋齿槽，髋齿槽外圈开有髋环形凹槽，另一端开有髋轴向固定通孔；髋主离合片的顶面设置有髋第一环状牙形齿，中心设置有髋吸磁圆柱，髋吸磁圆柱四周设置有髋圆环凹槽，髋主离合片侧壁设置有髋第一矩形齿，嵌入髋第一圆柱体的髋齿槽内；髋复位簧套在髋吸磁圆柱上，一端嵌入髋圆环凹槽中；髋从离合片外壁上设置有髋第二矩形齿，一个端面设置有髋第二环状牙形齿，另一端面上设置有均布螺纹孔；髋下连接件包括髋L形连接件和髋圆环，髋圆环侧壁固连在髋L形连接件的顶部，髋圆环的一端面上设置有髋矩形凹槽，另一端面上设有均布沉头孔，髋L形连接件末端设置有髋半圆槽，髋半圆槽两侧设置有螺纹孔，髋L形连接件的拐角处附近设置有髋轴向连接螺纹孔，髋L形连接件底端开有髋矩形槽孔，底端侧面设置有两块髋夹紧片，两髋夹紧片上分别开有沉头孔及螺纹孔；髋从离合片通过髋第二矩形齿及髋矩形凹槽，嵌入髋圆环内，并通过螺钉固定；髋滚针轴承套在髋圆环上，并嵌在髋环形凹槽内，径向固定髋下连接件；髋电磁吸盘嵌在髋圆环中间，磁性一端与髋从离合片的端面接触；髋轴向固定件上端设置有髋突出圆柱，嵌入髋上连接件的髋轴向固定通孔中，下端设置有髋轴向连接孔，通过螺钉穿过髋轴向连接孔、髋轴向连接螺纹孔与髋下连接件固连，将髋上连接件、髋主离合片、髋复位簧、髋从离合片、髋滚针轴承夹在中间；髋扭簧套在髋L形连接件及髋第一圆柱的外壁上，髋扭簧的一端嵌入髋半圆槽内，另一端插入髋扭簧固定孔，髋固定壳中间开有三个髋固定孔，通过螺钉穿过髋固定孔，分别与髋下连接件及髋电磁吸盘固连，并固定髋扭簧；膝关节的一端插入髋矩形槽孔中，并通过髋夹紧片夹紧固定。

一种基于轻型离合式助力外骨骼装置的控制方法，方法步骤如下：

步骤1、穿戴者穿戴上述轻型离合式助力外骨骼装置，转入步骤2；

步骤2、开机后，穿戴者保持站立静止状态若干时间，等待上述装置的传感器采集初始信息，并根据初始信息设定阈值，转入步骤3；

步骤3、控制系统实时检测两只足部的足底压力传感器的压力信号值，并与设定阈值进行大小比较，转入步骤4；

步骤4、当两只足底压力传感器的信号值均大于设定阈值时，转入步骤5；当仅一只足底压力传感器的压力信号值大于设定阈值时，转入步骤6；当两只足底压力传感器的信号值均小于设定阈值或无时，转入步骤7；

步骤5、控制系统控制两腿脚机构的髋、膝关节离合接合，转入步骤8；

步骤6、控制系统控制足底压力信号大于阈值的一条腿脚机构的髋关节离合以高频率不断接合、分离，膝关节保持接合，无信号或信号小于阈值的腿脚机构的髋、膝关节离合分离，转入步骤8；

步骤7、控制系统控制两组腿脚机构的髋关节、膝关节离合均分离，转入步骤8；

步骤8、返回步骤3，实现穿戴者与所述轻型离合式助力外骨骼装置之间的协调运动。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

（1）本发明零部件结构简单，大部分零件可通过高强度、轻质的铝合金进行制作，易于加工、装配，降低整体装置成本，同时可有效减轻装置质量，降低穿戴者在运动过程中的负担；（2）本发明的背架系统具备多自由度，可模拟人体地脊柱进行前向弯曲，同时该背架的置物板可折叠，缩小本发明的占用空间，以适应更多场合；（3）本发明将髋、膝关节驱动设计与其本体结构设计融为一体，大大降低了关节驱动所需元件，减轻了本发明的质量及体积负担，同时髋、膝关节的离合式刚性支撑助力效果更优，并且较一般的驱动系统控制更简单，另外髋、膝关节的驱动核心零件相同，具备互换性，提高零部件的利用率，维护修理更加便捷；（4）踝关节处设有缓冲机构，通过缓冲材料及油压缓冲器进行减振，可有效降低装置行走过程中零部件之间的刚性碰撞，提高本发明寿命；（5）本发明具备足够的自由度，以确保在穿戴时，可与人体较为贴合地实现同步运动：髋部的内收/外展及屈/伸自由度与人体髋关节关节自由度较为匹配；膝关节自由度能通过调节装置大小腿长度与人体膝关节旋转近似中心相匹配，实现模拟人体膝关节的屈/伸运动；踝关节结构紧凑，采用球铰式设计，可方便实现踝关节的屈/伸、内翻/外翻等动作；（6）本发明控制思路简单易实现，控制所需传感硬件要求低、数量少，可有效降低控制的复杂程度。

附图说明

图1是本发明轻型离合式助力外骨骼装置总体结构示意图。

图2是本发明背架爆炸图。

图3是本发明腰部机构爆炸图。

图4是本发明髋关节爆炸图。

图5是本发明膝关节爆炸图。

图6是本发明踝关节爆炸图。

图7是本发明足部爆炸图。

图8是本发明髋关节离合工作原理示意图。

图9是本发明控制方法流程图。

1-背架，2-腰部机构，3-髋关节，4-膝关节，5-踝关节，6-足部；101-脊柱体，102-第一连接轴，103-第二连接轴，104-连接架，105-第三连接轴，106-第四连接轴，107-控制电池盒，108-置物板，109-吸磁螺钉，110-辅助吸磁片；201-腰宽调节杆，202-腰宽调节旋转柱塞，203-腰背连接件，204-腰部旋转轴；301-髋轴向固定件，302-髋上连接件，303-髋主离合片，304-髋复位簧，305-髋从离合片，306-髋滚针轴承，307-髋下连接件，308-髋电磁吸盘，309-髋扭簧，310-髋固定壳；401-膝轴向固定件，402-膝上连接件，403-膝主离合片，404-膝复位簧，405-膝从离合片，406-膝滚针轴承，407-膝下连接件，408-膝电磁吸盘，409-膝扭簧，410-膝固定壳；501-踝上连接件，502-油压缓冲器，503-球头盖，504-球头杆，505-缓冲片，506-球头座；601-鞋垫，602-鞋底，603-脚后跟连接件，604-足底压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

如图1至图9所示，本发明轻型离合式助力外骨骼装置，包括背架1、腰部机构2和两组腿脚机构，腰部机构2与背架1底部转动相连，两组腿脚机构对称设置在腰部机构2两端，通过转动连接；所述腿脚机构包括自上向下依次固连的髋关节3、膝关节4、踝关节5和足部6，其中髋关节3顶部与腰部机构2转动相连；

图2为本发明背架1爆炸图，所述背架1包括连接架104、控制电池盒107、置物板108、吸磁螺钉109、辅助吸磁片110、五个脊柱体101、四根第一连接轴102、第二连接轴103、第三连接轴105和第四连接轴106；脊柱体101呈Y型，上端设有贯穿两臂的第一通孔，下端设有第二通孔；通过四根第一连接轴102将五个脊柱体101依次串联，其中第一连接轴102穿过上一个脊柱体101的第二通孔和其下方脊柱体101的第一通孔；连接架104上端部开有第一连接槽，最下方的脊柱体101的下端设置在第一连接槽内，第二连接轴103穿过第一连接槽与脊柱体101的第二通孔，使得脊柱体101与连接架104转动连接；连接架104下部侧面设有连接凸块，置物板108的底端开有第二连接槽，连接架104的凸块与第二连接槽配合，第四连接轴106穿过凸块与第二连接槽，使得置物板108与连接架104转动连接；置物板108的顶端设置有螺钉安装孔，吸磁螺钉109通过螺钉安装孔与置物板108固连；控制电池盒107固连在连接架104的背面，控制电池盒107背面上嵌有辅助吸磁片110；连接架104的底部开有矩形槽，矩形槽上开有腰连接通孔，腰部机构2的腰背连接件203放置于矩形槽内，并利用第三连接轴105依次通过腰连接通孔、腰背连接孔，使得连接架104与腰部机构2转动相连。所述的五个脊柱体101串接后，有多个旋转自由度，可绕第一连接轴102转动，具备模拟人体脊柱向前弯曲的功能，另外在串接后的脊柱体101上安置有柔性织带，用于本发明与穿戴者上身躯干的连接；连接架104上也安置有柔性织带，用于连接穿戴者腰部；置物板108相对连接架104具备一定旋转自由度，当需要放置重物时，可将置物板108打开，不需要时，置物架108可通过吸磁螺钉109及辅助吸磁片110吸附在控制电池盒107上，以缩小本发明占据的空间，提高环境适应性及便携性；控制电池盒107内放置本发明所需的控制系统硬件及能源电池。

图3为本发明腰部机构2爆炸图，所述腰部机构2包括两个腰宽调节杆201、腰背连接件203、两个腰宽调节旋转柱塞202和两个腰部旋转轴204；腰背连接件203的中间开有腰背连接通孔，侧面开有腰矩形通孔，背面开有两个柱塞安装孔，腰背连接件203通过腰背连接通孔与背架1的连接架104转动连接；腰宽调节杆201上依次设置若干个长度调节通孔，外端面设置有扇形凹槽，扇形凹槽上开有髋连接通孔，腰宽调节杆201通过腰矩形通孔与腰背连接件203相连，并通过固定在柱塞安装孔上的旋转柱塞202穿过其中一个长度调节通孔进行固定，髋关节3的髋上连接件303的一端插入扇形凹槽中，并通过腰部旋转轴204插入髋连接通孔，使得髋关节3与腰宽调节杆201转动连接。通过拉动腰宽调节旋转柱塞202，使得旋转柱塞头脱离长度调节孔，以方便调整腰宽调节杆201在腰背连接203腰矩形通孔内的位置，松开腰宽调节旋转柱塞202，旋转柱塞头卡入调整好的长度调节孔中，以固定腰宽调节杆201；通过旋转柱塞的调节方式来调整本发明的腰部机构2宽度，以适应不同穿戴者，简单可靠；同时腰部机构2可通过腰背连接孔进行旋转，模拟人体腰部的左右摇摆动作。

图4为本发明髋关节3爆炸图，所述髋关节3包括髋轴向固定件301、髋上连接件302、髋主离合片303、髋复位簧304、髋从离合片305、髋滚针轴承306、髋下连接件307、髋电磁吸盘308、髋扭簧309和髋固定壳310；髋上连接件302包括髋第一圆柱体和J形连接板，J形连接板的底端开有腰连接圆孔，通过腰连接圆孔与腰部机构2的腰宽调节杆201转动连接，J形连接板的顶端固连在髋第一圆柱体的侧壁上，连接处设有髋扭簧固定孔，髋第一圆柱体的一端中心开有髋齿槽，髋齿槽外圈开有髋环形凹槽，另一端开有髋轴向固定通孔；髋主离合片303的顶面设置有髋第一环状牙形齿，中心设置有髋吸磁圆柱，髋吸磁圆柱四周设置有髋圆环凹槽，髋主离合片303侧壁设置有髋第一矩形齿，嵌入髋第一圆柱体的髋齿槽内；髋复位簧304套在髋吸磁圆柱上，一端嵌入髋圆环凹槽中；髋从离合片305外壁上设置有髋第二矩形齿，一个端面设置有髋第二环状牙形齿，另一端面上设置有均布螺纹孔；髋下连接件307包括髋L形连接件和髋圆环，髋圆环侧壁固连在髋L形连接件的顶部，髋圆环的一端面上设置有髋矩形凹槽，另一端面上设有均布沉头孔，髋L形连接件末端设置有髋半圆槽，髋半圆槽两侧设置有螺纹孔，髋L形连接件的拐角处附近设置有髋轴向连接螺纹孔，髋L形连接件底端开有髋矩形槽孔，底端侧面设置有两块髋夹紧片，两髋夹紧片上分别开有沉头孔及螺纹孔；髋从离合片305通过髋第二矩形齿及髋矩形凹槽，嵌入髋圆环内，并通过螺钉固定；髋滚针轴承306套在髋圆环上，并嵌在髋环形凹槽内，径向固定髋下连接件307；髋电磁吸盘308嵌在髋圆环中间，磁性一端与髋从离合片305的端面接触；髋轴向固定件301上端设置有髋突出圆柱，嵌入髋上连接件302的髋轴向固定通孔中，下端设置有髋轴向连接孔，通过螺钉穿过髋轴向连接孔、髋轴向连接螺纹孔与髋下连接件307固连，将髋上连接件302、髋主离合片303、髋复位簧304、髋从离合片305、髋滚针轴承306夹在中间；髋扭簧309套在髋L形连接件及髋第一圆柱的外壁上，髋扭簧309的一端嵌入髋半圆槽内，另一端插入髋扭簧固定孔，髋固定壳310中间开有三个髋固定孔，通过螺钉穿过髋固定孔分别与髋下连接件307及髋电磁吸盘308固连，并固定髋扭簧309；膝关节4的膝上连接件403的顶部插入髋矩形槽孔中，并通过髋夹紧片夹紧固定。髋关节3的J形连接板通过插入腰宽调节杆201的扇形凹槽中，并利用腰部旋转轴204与腰部机构2转动相连，匹配人体髋关节内收/外展运动轴；髋关节3添加的髋扭簧309在人体落腿时，储存人体及本发明的重力势能，在人体进行抬腿时，将储存的能量释放，可辅助人体进行抬腿，降低人体能量损耗；另外髋下连接件307上还设置有弹性织带，用于连接人体大腿与本发明。

图5为本发明膝关节4爆炸图，所述膝关节4包括膝轴向固定件401、膝上连接件402、膝主离合片403、膝复位簧404、膝从离合片405、膝滚针轴承406、膝下连接件407、膝电磁吸盘408、膝扭簧409和膝固定壳410；膝上连接件402包括膝第一圆柱体和S形连接板，S形连接板的底端固连在膝第一圆柱体的侧壁上，S形连接板的上端截面为矩形，插入髋关节3的髋下连接件307的髋矩形槽孔中，与髋关节3固定连接，膝第一圆柱体的一端中心开有膝齿槽，膝齿槽外圈开有膝环形凹槽，另一端开有膝轴向固定通孔；膝主离合片403的顶面设置有膝第一环状牙形齿，中心设置有膝吸磁圆柱，膝吸磁圆柱四周设置有膝圆环凹槽，膝主离合片403侧壁设置有膝第一矩形齿，嵌入膝第一圆柱体的膝齿槽内；膝复位簧404套在膝吸磁圆柱上，一端嵌入膝圆环凹槽中；膝从离合片405外壁上设置有膝第二矩形齿，一个端面设置有膝第二环状牙形齿，另一端面上设置有均布螺纹孔；膝下连接件407包括膝L形连接件和膝圆环，膝圆环侧壁固连在膝L形连接件的顶部，膝圆环的一端面上设置有膝矩形凹槽，另一端面上设有均布沉头孔，膝L形连接件的拐角处附近设置有膝轴向连接螺纹孔，L形连接件末端设置有膝半圆槽，膝半圆槽两侧设置有螺纹孔，膝L形连接件底端开有膝矩形槽孔，底端侧面设置有两块膝夹紧片，两膝夹紧片上分别开有沉头孔及螺纹孔；膝从离合片405通过膝第二矩形齿及膝矩形凹槽，嵌入膝圆环内，并通过螺钉固定；膝滚针轴承406套在膝圆环上，并嵌在膝环形凹槽内，径向固定膝下连接件407；膝电磁吸盘408嵌在膝圆环中间，磁性一端与膝从离合片405的端面接触；膝轴向固定件401上端设置有膝突出圆柱，嵌入膝上连接件402的膝轴向固定通孔中，下端设置有膝轴向连接孔，通过螺钉穿过膝轴向连接孔、膝轴向连接螺纹孔与膝下连接件407固连，将膝上连接件402、膝主离合片403、膝复位簧404、膝从离合片405、膝滚针轴承406夹在中间；膝扭簧409套在膝L形连接件及膝第一圆柱的外壁，膝扭簧409的一端嵌入膝半圆槽内，膝固定壳410中间开有三个膝固定孔，通过螺钉穿过膝固定孔，分别与膝下连接件407及膝电磁吸盘408固连，并固定膝扭簧409；踝关节5的踝上连接件501的顶端插入膝矩形槽孔中，通过膝夹紧片夹紧固定。膝扭簧409在膝关节弯曲时，储存能量，在膝关节伸直时释放能量，从而降低人体膝关节能量损耗；另外，通过调节膝上连接件402插入髋下连接件307的长度，可调整髋关节3与膝关节4之间的距离，以适应不同身高穿戴者；此外膝下连接件407上还设置有弹性织带，用于连接人体小腿与本发明。

图6为本发明踝关节5爆炸图，所述踝关节5包括踝上连接件501、油压缓冲器502、球头盖503、球头杆504、缓冲片505及球头座506。踝上连接件501顶部截面为矩形，插入膝关节4的膝下连接件407的膝矩形槽孔中，与膝关节4固定连接，底部开有缓冲安装圆孔，两侧壁至上向下设置有第一螺纹孔、第二螺纹孔，油压缓冲器502通过缓冲安装圆孔放置于踝上连接件501内部，并通过设置在第一螺纹孔上的紧定螺钉固定；球头盖503底面开有球面圆孔，球头杆504包括圆柱与球头，圆柱与球头固连，球头座506顶部开有球面槽，缓冲片505安装在球面槽内，球头杆504的球头放置在缓冲片505上，球头盖503的球面圆孔穿过球头杆504，与球头座506固连，并夹紧球头杆504与缓冲片505；球头杆504的圆柱侧面上开有长圆槽，圆柱插入缓冲安装圆孔中，圆柱端面与油压缓冲器502接触，并通过设置在第二螺纹孔上的定位螺钉顶在长圆槽中；球头座506通过设置在底部的沉头孔与足部6的脚后跟连接件603固连。当球头座506受地面传递的冲击时，压迫缓冲片505，起到一定的缓冲作用，同时将受力传递给球头杆504，使得球头杆504在踝上连接件501的缓冲圆孔内滑动，挤压油压缓冲器502变形，油压缓冲器502内部的液压油受压发热，从而将本发明受到的冲击能量转换为热能消耗掉，由此提升本发明的缓冲减振能力，提高本发明寿命及控制稳定性，同时也能降低噪音；另外通过调节踝上连接件501插入膝下连接件407的长度，可调整膝关节4与踝关节5之间的距离，以适应不同身高穿戴者。

图7为本发明足部6爆炸图，所述足部6包括鞋垫601、鞋底602、脚后跟连接件603、足底压力传感器604；脚后跟连接件603包括U形脚后跟连接板、L形传感器安装座和矩形足底连接件，L形传感器安装座固连在U形脚后跟连接板中心，L形传感器安装座中心为圆孔，侧壁开有两个相互垂直的第一矩形槽和第二矩形槽，矩形足底连接件固连在U形脚后跟连接板的一侧，矩形足底连接件中心开有第三矩形槽，并与第二矩形槽相通；鞋底602后端开有与脚后跟连接件603下端部相同的鞋底凹槽；足底压力传感器604固连在所述L形传感器安装座上，脚后跟连接件603通过螺钉固连在所述鞋底凹槽处；鞋垫601缝制在鞋底602上，覆盖所述足底压力传感器604和脚后跟连接件603，矩形足底连接件通过螺钉与踝关节5的球头座506固连。足底压力传感器604用于检测穿戴者足底与本发明足部6之间的力学信息，并作为控制系统的输入，鞋底602上设置有绑带，用于穿戴者足部与本发明足部6的连接。

髋关节3内部的离合工作原理如图8所示，当髋电磁吸盘308通电时，产生吸引力，吸引髋吸磁圆柱克服髋复位簧304的弹力，使得髋主离合片303在髋第一圆柱体的髋齿槽内，向髋从离合片305方向移动，最终髋第一环状牙形齿与髋第二环状牙形齿接合，从而使得髋上连接件302与髋下连接件307之间不能相对转动，形成刚性支撑来进行本发明的负载力传递，降低人体负担；在髋电磁吸盘308断电后，吸引力消失，髋主离合片303在髋复位簧304的作用下，回到原来位置，髋第一环状牙形齿与髋第二环状牙形齿分离，如此髋下连接件307可相对髋上连接件302自由转动，提高本发明的运动灵活性。

膝关节4内部的离合工作原理与髋关节3相同，膝电磁吸盘408通电时，离合结合，进行本发明的负载力传递，断电时，离合分离，提高本发明的运动灵活性；同时，膝关节4所用的膝主离合片403、膝复位簧404、膝从离合片405、膝滚针轴承406、膝电磁吸盘408与髋关节的髋主离合片303、髋复位簧304、髋从离合片305、髋滚针轴承306、髋电磁吸盘308均相同，具备互换性，提高本发明零件利用率，降低设计制造成本，也便于后期维护修理。

一种基于轻型离合式助力外骨骼装置的控制方法，流程图如图9所示，方法步骤如下：

步骤1、穿戴者穿戴上述轻型离合式助力外骨骼装置，转入步骤2；

步骤2、开机后，穿戴者保持站立静止状态若干时间，等待上述装置的传感器采集初始信息，并根据初始信息设定阈值，转入步骤3；

步骤3、控制系统实时检测两只足部的足底压力传感器的压力信号值，并与设定阈值进行大小比较，转入步骤4；

步骤4、当两只足底压力传感器的信号值均大于设定阈值时，转入步骤5；当仅一只足底压力传感器的压力信号值大于设定阈值时，转入步骤6；当两只足底压力传感器的信号值均小于设定阈值或无时，转入步骤7；

步骤5、控制系统控制两腿脚机构的髋、膝关节离合接合，转入步骤8；

步骤6、控制系统控制足底压力信号大于阈值的一条腿脚机构的髋关节离合以高频率不断接合、分离，膝关节保持接合，无信号或信号小于阈值的腿脚机构的髋、膝关节离合分离，转入步骤8；

步骤7、控制系统控制两组腿脚机构的髋关节、膝关节离合均分离，转入步骤8；

步骤8、返回步骤3，实现穿戴者与所述轻型离合式助力外骨骼装置之间的协调运动。

Claims (7)

1.一种轻型离合式助力外骨骼装置，其特征在于：包括背架（1）、腰部机构（2）和两组腿脚机构，腰部机构（2）与背架（1）底部转动相连，两组腿脚机构对称设置在腰部机构（2）两端，通过转动连接；所述腿脚机构包括自上向下依次固连的髋关节（3）、膝关节（4）、踝关节（5）和足部（6），其中髋关节（3）顶部与腰部机构（2）转动相连；

所述髋关节（3）包括髋轴向固定件（301）、髋上连接件（302）、髋主离合片（303）、髋复位簧（304）、髋从离合片（305）、髋滚针轴承（306）、髋下连接件（307）、髋电磁吸盘（308）、髋扭簧（309）和髋固定壳（310）；髋上连接件（302）包括髋第一圆柱体和J形连接板，J形连接板的底端开有腰连接圆孔，通过腰连接圆孔与腰部机构（2）转动连接，J形连接板的顶端固连在髋第一圆柱体的侧壁上，连接处设有髋扭簧固定孔，髋第一圆柱体的一端中心开有髋齿槽，髋齿槽外圈开有髋环形凹槽，另一端开有髋轴向固定通孔；髋主离合片（303）的顶面设置有髋第一环状牙形齿，中心设置有髋吸磁圆柱，髋吸磁圆柱四周设置有髋圆环凹槽，髋主离合片（303）侧壁设置有髋第一矩形齿，嵌入髋第一圆柱体的髋齿槽内；髋复位簧（304）套在髋吸磁圆柱上，一端嵌入髋圆环凹槽中；髋从离合片（305）外壁上设置有髋第二矩形齿，一个端面设置有髋第二环状牙形齿，另一端面上设置有均布螺纹孔；髋下连接件（307）包括髋L形连接件和髋圆环，髋圆环侧壁固连在髋L形连接件的顶部，髋圆环的一端面上设置有髋矩形凹槽，另一端面上设有均布沉头孔，髋L形连接件末端设置有髋半圆槽，髋半圆槽两侧设置有螺纹孔，髋L形连接件的拐角处附近设置有髋轴向连接螺纹孔，髋L形连接件底端开有髋矩形槽孔，底端侧面设置有两块髋夹紧片，两髋夹紧片上分别开有沉头孔及螺纹孔；髋从离合片（305）通过髋第二矩形齿及髋矩形凹槽，嵌入髋圆环内，并通过螺钉固定；髋滚针轴承（306）套在髋圆环上，并嵌在髋环形凹槽内，径向固定髋下连接件（307）；髋电磁吸盘（308）嵌在髋圆环中间，磁性一端与髋从离合片（305）的端面接触；髋轴向固定件（301）上端设置有髋突出圆柱，嵌入髋上连接件（302）的髋轴向固定通孔中，下端设置有髋轴向连接孔，通过螺钉穿过髋轴向连接孔、髋轴向连接螺纹孔与髋下连接件（307）固连，将髋上连接件（302）、髋主离合片（303）、髋复位簧（304）、髋从离合片（305）、髋滚针轴承（306）夹在中间；髋扭簧（309）套在髋L形连接件及髋第一圆柱的外壁上，髋扭簧（309）的一端嵌入髋半圆槽内，另一端插入髋扭簧固定孔，髋固定壳（310）中间开有三个髋固定孔，通过螺钉穿过髋固定孔，分别与髋下连接件（307）及髋电磁吸盘（308）固连，并固定髋扭簧（309）；膝关节（4）的一端插入髋矩形槽孔中，并通过髋夹紧片夹紧固定。

2.根据权利要求1所述的轻型离合式助力外骨骼装置，其特征在于：所述背架（1）包括连接架（104）、控制电池盒（107）、置物板（108）、吸磁螺钉（109）、辅助吸磁片（110）、五个脊柱体（101）、四根第一连接轴（102）、第二连接轴（103）、第三连接轴（105）和第四连接轴（106）；脊柱体（101）呈Y型，上端设有贯穿两臂的第一通孔，下端设有第二通孔；通过四根第一连接轴（102）将五个脊柱体（101）依次串联，其中第一连接轴（102）穿过上一个脊柱体（101）的第二通孔和其下方脊柱体（101）的第一通孔；连接架（104）上端部开有第一连接槽，最下方的脊柱体（101）的下端设置在第一连接槽内，第二连接轴（103）穿过第一连接槽与脊柱体（101）的第二通孔，使得脊柱体（101）与连接架（104）转动连接；连接架（104）下部侧面设有连接凸块，置物板（108）的底端开有第二连接槽，连接架（104）的凸块与第二连接槽配合，第四连接轴（106）穿过凸块与第二连接槽，使得置物板（108）与连接架（104）转动连接；置物板（108）的顶端设置有螺钉安装孔，吸磁螺钉（109）通过螺钉安装孔与置物板（108）固连；控制电池盒（107）固连在连接架（104）的背面，控制电池盒（107）背面上嵌有辅助吸磁片（110）；连接架（104）的底部开有矩形槽，矩形槽上开有腰连接通孔，腰部机构（2）放置于矩形槽内，并利用第三连接轴（105）穿过腰连接通孔，使得连接架（104）与腰部机构（2）转动相连。

3.根据权利要求1所述的轻型离合式助力外骨骼装置，其特征在于：所述腰部机构（2）包括腰背连接件（203）、两个腰宽调节杆（201）、两个腰宽调节旋转柱塞（202）和两个腰部旋转轴（204）；腰背连接件（203）的中间开有腰背连接通孔，侧面开有腰矩形通孔，背面开有两个柱塞安装孔，腰背连接件（203）通过腰背连接通孔与背架（1）转动连接，腰宽调节杆（201）上依次设置若干个长度调节通孔，外端面设置有扇形凹槽，扇形凹槽上开有髋连接通孔，腰宽调节杆（201）通过腰矩形通孔与腰背连接件（203）相连，并通过固定在柱塞安装孔上的旋转柱塞（202）穿过其中一个长度调节通孔进行固定，髋关节（3）的一端插入扇形凹槽中，并通过腰部旋转轴（204）插入髋连接通孔，使得髋关节（3）与腰宽调节杆（201）转动连接。

4.根据权利要求1所述的轻型离合式助力外骨骼装置，其特征在于：所述膝关节（4）包括膝轴向固定件（401）、膝上连接件（402）、膝主离合片（403）、膝复位簧（404）、膝从离合片（405）、膝滚针轴承（406）、膝下连接件（407）、膝电磁吸盘（408）、膝扭簧（409）和膝固定壳（410）；膝上连接件（402）包括膝第一圆柱体和S形连接板，S形连接板的底端固连在膝第一圆柱体的侧壁上，S形连接板的上端截面为矩形，插入髋关节（3）中，与髋关节（3）固定连接，膝第一圆柱体的一端中心开有膝齿槽，膝齿槽外圈开有膝环形凹槽，另一端开有膝轴向固定通孔；膝主离合片（403）的顶面设置有膝第一环状牙形齿，中心设置有膝吸磁圆柱，膝吸磁圆柱四周设置有膝圆环凹槽，膝主离合片（403）侧壁设置有膝第一矩形齿，嵌入膝第一圆柱体的膝齿槽内；膝复位簧（404）套在膝吸磁圆柱上，一端嵌入膝圆环凹槽中；膝从离合片（405）外壁上设置有膝第二矩形齿，一个端面设置有膝第二环状牙形齿，另一端面上设置有均布螺纹孔；膝下连接件（407）包括膝L形连接件和膝圆环，膝圆环侧壁固连在膝L形连接件的顶部，膝圆环的一端面上设置有膝矩形凹槽，另一端面上设有均布沉头孔，L形连接件末端设置有膝半圆槽，膝半圆槽两侧设置有螺纹孔，膝L形连接件的拐角处附近设置有膝轴向连接螺纹孔，膝L形连接件底端开有膝矩形槽孔，底端侧面设置有两块膝夹紧片，两膝夹紧片上分别开有沉头孔及螺纹孔；膝从离合片（405）通过膝第二矩形齿及膝矩形凹槽，嵌入膝圆环内，并通过螺钉固定；膝滚针轴承（406）套在膝圆环上，并嵌在膝环形凹槽内，径向固定膝下连接件（407）；膝电磁吸盘（408）嵌在膝圆环中间，磁性一端与膝从离合片（405）的端面接触；膝轴向固定件（401）上端设置有膝突出圆柱，嵌入膝上连接件（402）的膝轴向固定通孔中，下端设置有膝轴向连接孔，通过螺钉穿过膝轴向连接孔、膝轴向连接螺纹孔与膝下连接件（407）固连，将膝上连接件（402）、膝主离合片（403）、膝复位簧（404）、膝从离合片（405）、膝滚针轴承（406）夹在中间；膝扭簧（409）套在膝L形连接件及膝第一圆柱的外壁，膝扭簧（409）的一端嵌入膝半圆槽内，膝固定壳（410）中间开有三个膝固定孔，通过螺钉穿过膝固定孔，分别与膝下连接件（407）及膝电磁吸盘（408）固连，并固定膝扭簧（409）；踝关节（5）的一端插入膝矩形槽孔中，并通过膝夹紧片夹紧固定。

5.根据权利要求1所述的轻型离合式助力外骨骼装置，其特征在于：所述踝关节（5）包括踝上连接件（501）、油压缓冲器（502）、球头盖（503）、球头杆（504）、缓冲片（505）和球头座（506）；踝上连接件（501）顶部截面为矩形，插入膝关节（4）中，与膝关节（4）固定连接，底部开有缓冲安装圆孔，两侧壁至上向下设置有第一螺纹孔、第二螺纹孔，油压缓冲器（502）通过缓冲安装圆孔放置于踝上连接件（501）内部，并通过设置在第一螺纹孔上的紧定螺钉固定；球头盖（503）底面开有球面圆孔，球头杆（504）包括圆柱与球头，圆柱与球头固连，球头座（506）顶部开有球面槽，缓冲片（505）安装在球面槽内，球头杆（504）的球头放置在缓冲片（505）上，球头盖（503）的球面圆孔穿过球头杆（504），与球头座（506）固连，并夹紧球头杆（504）与缓冲片（505）；球头杆（504）的圆柱侧面上开有长圆槽，圆柱插入缓冲安装圆孔中，圆柱端面与油压缓冲器（502）接触，并通过设置在第二螺纹孔上的定位螺钉顶在长圆槽中；球头座（506）通过设置在底部的沉头孔与足部（6）固连。

6.根据权利要求1所述的轻型离合式助力外骨骼装置，其特征在于：所述足部（6）包括鞋垫（601）、鞋底（602）、脚后跟连接件（603）和足底压力传感器（604）；脚后跟连接件（603）包括U形脚后跟连接板、L形传感器安装座和矩形足底连接件，L形传感器安装座固连在U形脚后跟连接板中心，L形传感器安装座中心为圆孔，侧壁开有两个相互垂直的第一矩形槽和第二矩形槽，矩形足底连接件固连在U形脚后跟连接板的一侧，矩形足底连接件中心开有第三矩形槽，并与第二矩形槽相通；鞋底（602）后端开有与脚后跟连接件（603）下端部相同的鞋底凹槽；足底压力传感器（604）固连在所述L形传感器安装座上，脚后跟连接件（603）通过螺钉固连在所述鞋底凹槽处；鞋垫（601）缝制在鞋底（602）上，覆盖所述足底压力传感器（604）和脚后跟连接件（603），矩形足底连接件通过螺钉与踝关节（5）固连。

7.一种基于上述任意一条权利要求所述的轻型离合式助力外骨骼装置的控制方法，其特征在于，方法步骤如下：

步骤1、穿戴者穿戴上述轻型离合式助力外骨骼装置，转入步骤2；

步骤2、开机后，穿戴者保持站立静止状态若干时间，等待上述装置的传感器采集初始信息，并根据初始信息设定阈值，转入步骤3；

步骤3、控制系统实时检测两只足部的足底压力传感器的压力信号值，并与设定阈值进行大小比较，转入步骤4；

步骤4、当两只足底压力传感器的信号值均大于设定阈值时，转入步骤5；当仅一只足底压力传感器的压力信号值大于设定阈值时，转入步骤6；当两只足底压力传感器的信号值均小于设定阈值或无时，转入步骤7；

步骤5、控制系统控制两腿脚机构的髋、膝关节离合接合，转入步骤8；

步骤6、控制系统控制足底压力信号大于阈值的一条腿脚机构的髋关节离合以高频率不断接合、分离，膝关节保持接合，无信号或信号小于阈值的腿脚机构的髋、膝关节离合分离，转入步骤8；

步骤7、控制系统控制两组腿脚机构的髋关节、膝关节离合均分离，转入步骤8；

步骤8、返回步骤3，实现穿戴者与所述轻型离合式助力外骨骼装置之间的协调运动。

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