CN108189008B - 一种仿生负载机动型外骨骼系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生负载机动型外骨骼系统，本发明髋部挡板两端两个第一转轴的轴线L21、髋部承力构件的第三转轴的轴线L22、平行连杆机构的中轴线L23相交于髋部挡板开口内侧的髋关节中心点O1，平行四边形结构的中心线L41、所述鞋垫的转动中心线L42、踝关节支架和两根小腿承力杆的铰接点中心连线L43三者相交于踝关节支架的开口端部的踝关节中心点O2，各个关节的旋转中心与人体关节中心重合，在空间上可避免外骨骼服与人体的几何干涉，从而减少外骨骼服与人体运动的内耗，提高外骨骼服的穿戴舒适性，结构复杂程度低，较为灵巧、能耗低、可靠性较好，驱动方式灵活。

Description

一种仿生负载机动型外骨骼系统

技术领域

本发明涉及外骨骼机器人，具体涉及一种仿生负载机动型外骨骼系统，用于供人体穿戴，起到增强穿戴者负荷能力和机动能力的功能。

背景技术

国外对于外骨骼的研究已有一定基础和成果，国内对其的研究也正兴起。目前外骨骼主要用于医疗康复、工业生产、单兵作战等领域。现有的外骨骼机器人在仿生设计上对人体结构做了简化，尤其是关节及其运动的简化，使得外骨骼与人体运动存在差异，穿戴舒适性不佳。另一方面，国内对于增强人体机能的负载型外骨骼的研究不多，对于现代单兵综合武器装备的研究与美国等发达国家更是有较大差距，因此，研制提高人体负荷能力和机动能力的外骨骼系统具有十分重要的意义和迫切性。

目前，申请号为201310686549.6、申请号为201310688125.3、申请号为201410855607.8的中国专利文献各公开了一种穿戴式外骨骼助力机器人，其髋关节都设计有三个自由度，可进行屈/伸，外摆/内收，内旋/外旋，然而其三个旋转中心与人体髋关节中心不重合，可能造成外骨骼服与人体的空间干涉，穿戴舒适性有待提高；申请号为201210319331.2的中国方面专利公开了一种可穿戴式重物型物资搬运助力仿生外骨骼，其踝关节设计有两个自由度，可模拟踝关节背屈及外翻/内翻，而无法实现人体踝关节的内旋/外旋，与人体运动存在较大差异，容易使人体运动受到限制；申请号为201310686549.6的中国发明专利公开了一种穿戴式外骨骼助力机器人，其踝关节设计有三个自由度，可进行屈/伸，外摆/内收，内旋/外旋，然而其三个旋转中心不与人体踝关节中心重合。 此外，申请号为201310202205.3的中国专利文献公开了一种外骨骼助力装置，其不包含脚部设计，助力无法直接传递到地面，增加人体负担，工作效率差；申请号为201310262919.3的中国专利文献公开了一种穿戴式下肢助力外骨骼，每条机械腿腿只使用一个电机进行驱动，这种供能方式对人体不同强度的运动不能进行有效的匹配，可能造成能源浪费或短暂的供能不足。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有外骨骼机器人存在的人机运动不协调、存在内耗、穿戴舒适性差、助力效果不明显等问题，提供一种负载机动型外骨骼系统，本发明各个仿生关节的转动中心与人体关节中心重合，避免外骨骼服与人体的空间干涉，减少内耗，穿戴舒适性更高、与人体运动更为协调、供能更为合理从而真正实现增强人体机动能力的。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种仿生负载机动型外骨骼系统，包括相互连接的承载单元和两组关节单元，每一组关节单元包括依次相连的髋关节、膝关节和踝关节，所述承载单元包括背架、承载箱和人体固定件，所述承载箱布置于背架后侧、所述人体固定件布置于背架前侧，所述背架上设有腰带，且所述背架的下端分别和各组关节单元的髋关节相连；所述髋关节包括髋部挡板、平行连杆机构和髋部承力构件，所述膝关节包括护膝，所述护膝的外侧铰接有可转动的支架，所述护膝和支架之间铰接有第二驱动元件，所述髋部挡板为弧形结构且下部设有大腿承力构件，所述大腿承力构件和支架相连，所述平行连杆机构做剪切运动时被约束在同一个平面上，所述平行连杆机构布置于髋部挡板的开口外侧且通过两个延长边通过第一转轴与髋部挡板的端部铰链连接，所述髋部承力构件为弧形结构且一端通过第三转轴铰接布置在平行连杆机构的中部、另一端与背架的下端相连，所述髋部承力构件和平行连杆机构之间连接有第一驱动元件，所述髋部挡板两端两个第一转轴的轴线L21、髋部承力构件的第三转轴的轴线L22、平行连杆机构的中轴线L23相交于髋部挡板开口内侧的髋关节中心点O1；所述踝关节包括机构杆件和呈U字形结构的踝关节支架，所述机构杆件和护膝相连，所述机构杆件和踝关节支架的开口端部之间铰接有两根平行布置的小腿承力杆，使得机构杆件、踝关节支架、两根小腿承力杆形成做剪切运动时约束在同一个平面活动的平行四边形结构，所述踝关节支架的开口端部设有踝关节绑带，所述踝关节支架的底部上侧装设有可转动的鞋垫，所述踝关节支架和一根小腿承力杆之间铰接有第三驱动元件、和另一根小腿承力杆之间铰接有被动蓄能元件，所述平行四边形结构的中心线L41、所述鞋垫的转动中心线L42、踝关节支架和两根小腿承力杆的铰接点中心连线L43三者相交于踝关节支架的开口端部的踝关节中心点O2。

优选地，所述平行连杆机构包括第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆，所述第一连杆和第二连杆两者平行布置、第三连杆和第四连杆两者平行布置形成四边形结构，且所述第三连杆、第四连杆分别延伸形成两个延长边，且所述两个延长边通过第一转轴与髋部挡板的端部铰链连接。

优选地，所述第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆中任意相邻两者之间通过第二转轴活动连接，且所有的第二转轴的轴线之间相互平行布置使得平行连杆机构做剪切运动时被约束在同一个平面上。

优选地，所述第一连杆一端通过第二转轴和第三连杆的一端活动连接、另一端通过第二转轴和第四连杆的一端活动连接，所述第二连杆一端通过第二转轴和第三连杆的中部活动连接、另一端通过第二转轴和第四连杆的中部活动连接，所述第三连杆的另一端、第四连杆的另一端各通过一个第一转轴与髋部挡板的端部铰链连接，所述髋部承力构件的下端通过第三转轴铰接布置在第一连杆、第二连杆的中部，所述第一驱动元件一端固定在第一连杆端部，另一端固定在髋部承力构件中部。

优选地，所述大腿承力构件包括两根大腿承力杆，且所述两根大腿承力杆的下端连接有弧形支承条，所述大腿承力构件采用碳纤维材料制成。

优选地，所述两根大腿承力杆上固定有大腿绑带，所述大腿绑带采用柔性材料制成。

优选地，所述机构杆件包括两根相互平行布置的机构连杆，所述机构连杆的两端分别与小腿承力杆的上部铰接连接，所述机构连杆的两端分别与小腿承力杆的上部通过上转动轴连接，所述踝关节支架的开口端部与小腿承力杆的下部通过下转动轴连接，所述上转动轴、下转动轴均沿着鞋垫的长度方向平行布置；所述第三驱动元件一端铰接安装在小腿承力杆上、另一端通过驱动转动轴与踝关节支架的中部相连，所述驱动转动轴沿着鞋垫的宽度方向平行布置。

优选地，所述鞋垫包括前掌和后座，所述前掌和后座之间通过连接轴相连，所述后座安装在踝关节支架的底部上侧，所述后座的底部设于凹入部，所述踝关节支架的底部位于凹入部中；所述前掌上设有用于固定脚部的脚部绑带，所述踝关节绑带、脚部绑带均采用柔性材料制成，所述小腿承力杆采用碳纤维制成。

优选地，所述第一驱动元件、第二驱动元件、第三驱动元件为伺服阀和液压缸组合构成的液压执行器，且所述液压执行器上设有行程检测传感器；所述承载箱中设有双级驱动单元，所述双级驱动单元包括控制模块以及分别对应每一个执行器的小流量高压液压回路以及大流量低压液压回路，所述小流量高压液压回路上串联布置有第一单向阀、蓄能器、控制开关Swi和第二单向阀，所述大流量低压液压回路上串联布置有第三单向阀，所述控制开关Swi的控制端、行程检测传感器的输出端分别与控制模块相连。

优选地，所述第一驱动元件、第二驱动元件、第三驱动元件为直线伺服电机构成的执行器，且所述执行器上设有行程检测传感器；所述承载箱中设有双级驱动单元，所述双级驱动单元包括控制模块以及分别对应每一个执行器的瞬时高功率回路以及长时低功率回路，所述瞬时高功率回路上串联布置有控制开关Swi，且瞬时高功率回路上设有单独的瞬时高功率源HS或者所有瞬时高功率回路共用一个瞬时高功率源HS，长时低功率回路上串联布置有单独的长时低功率源LS或者所有长时低功率回路共用一个长时低功率源LS，所述控制开关Swi的控制端、行程检测传感器的输出端分别与控制模块相连。

本发明的仿生负载机动型外骨骼系统具有下述优点：

一、本发明填补了外骨骼服在仿生关节设计领域的空白。

二、本发明的关节设计充分考虑人体仿生，髋部挡板两端两个第一转轴的轴线L21、髋部承力构件的第三转轴的轴线L22、平行连杆机构的中轴线L23相交于髋部挡板开口内侧的髋关节中心点O1，平行四边形结构的中心线L41、所述鞋垫的转动中心线L42、踝关节支架和两根小腿承力杆的铰接点中心连线L43三者相交于踝关节支架的开口端部的踝关节中心点O2，具有的三个自由度的旋转中心与人体关节中心重合，在空间上可避免外骨骼服与人体的几何干涉，从而减少外骨骼服与人体运动的内耗，提高外骨骼服的穿戴舒适性，结构复杂程度低，较为灵巧、能耗低、可靠性较好，驱动方式灵活，穿戴舒适。

三、本发明的设计的伺服驱动系统进一步为双级驱动单元，双级驱动单元采用双级供能，对于长时间低、中强度及短时高强度运动采取不同的供能模式，可提高系统供给压力与执行器负载所需压力的匹配度。

四、本发明的各个关节相互独立，因此对于人机耦合控制可根据需要基于机器学习实现，可根据自适应控制算法实时在线修正控制参数，实现外骨骼的精确控制。

五、本发明可适用于单兵作战、运输搬运、工业生产等领域，应用范围广。

附图说明

图1为本发明实施例一的主视结构示意图。

图2为本发明实施例一的侧视结构示意图。

图3为本发明实施例一的立体结构示意图。

图4为本发明实施例一髋关节的立体结构示意图。

图5为本发明实施例一髋关节的屈/伸自由度（主动）实现原理示意图。

图6为本发明实施例一髋关节的内旋/外旋自由度（被动）实现原理示意图。

图7为本发明实施例一髋关节的外摆/内收自由度（被动）实现原理示意图，为了便于观察，图中省略了髋部承力构件和驱动元件。

图8为本发明实施例一踝关节的立体结构示意图。

图9为本发明实施例一踝关节的侧视结构示意图。

图10为本发明实施例一踝关节的屈/伸的自由度示意图。

图11为本发明实施例一踝关节的外摆/内收的自由度示意图。

图12为本发明实施例一的双级驱动单元的原理示意图。

图13为本发明实施例二的双级驱动单元的原理示意图。

图例说明：1、承载单元；11、背架；12、承载箱；13、人体固定件；14、腰带；2、髋关节；21、髋部挡板；210、第一转轴；22、平行连杆机构；220、第二转轴；221、第一连杆；222、第二连杆；223、第三连杆；224、第四连杆；23、髋部承力构件；230、第三转轴；24、大腿承力构件；241、两根大腿承力杆；242、弧形支承条；243、大腿绑带；25、第一驱动元件；3、膝关节；31、护膝；32、支架；33、第二驱动元件；4、踝关节；41、机构杆件；411、机构连杆；42、踝关节支架；421、踝关节绑带；43、小腿承力杆；431、上转动轴；432、下转动轴；44、鞋垫；441、前掌；442、后座；4421、凹入部；443、脚部绑带；45、第三驱动元件；451、驱动转动轴；46、被动蓄能元件；5、双级驱动单元；51、大流量低压泵；52、小流量高压泵；53、可控离合器；54、驱动设备；55、控制模块；56、行程检测传感器。

具体实施方式

如图1、图2、图3、图4和图8所示，本实施例的仿生负载机动型外骨骼系统包括相互连接的承载单元1和两组关节单元，每一组关节单元包括依次相连的髋关节2、膝关节3和踝关节4，承载单元1包括背架11、承载箱12和人体固定件13，承载箱12布置于背架11后侧、人体固定件13布置于背架11前侧，背架11上设有腰带14，且背架11的下端分别和各组关节单元的髋关节2相连；髋关节2包括髋部挡板21、平行连杆机构22和髋部承力构件23，髋部挡板21为弧形结构且下部设有大腿承力构件24，膝关节3包括护膝31，护膝31的外侧铰接有可转动的支架32，护膝31和支架32之间铰接有第二驱动元件33，大腿承力构件24和支架32相连，平行连杆机构22做剪切运动时被约束在同一个平面上，平行连杆机构22布置于髋部挡板21的开口外侧且通过两个延长边通过第一转轴210与髋部挡板21的端部铰链连接，髋部承力构件23为弧形结构且一端通过第三转轴230铰接布置在平行连杆机构22的中部、另一端与背架11的下端相连，髋部承力构件23和平行连杆机构22之间连接有第一驱动元件25，髋部挡板21两端两个第一转轴210的轴线L21、髋部承力构件23的第三转轴230的轴线L22、平行连杆机构22的中轴线L23相交于髋部挡板21开口内侧的髋关节中心点O1；踝关节4包括机构杆件41和呈U字形结构的踝关节支架42，机构杆件41和护膝31相连，机构杆件41和踝关节支架42的开口端部之间铰接有两根平行布置的小腿承力杆43，使得机构杆件41、踝关节支架42、两根小腿承力杆43形成做剪切运动时约束在同一个平面活动的平行四边形结构，踝关节支架42的开口端部设有踝关节绑带421，踝关节支架42的底部上侧装设有可转动的鞋垫44，踝关节支架42和一根小腿承力杆43之间铰接有第三驱动元件45、和另一根小腿承力杆43之间铰接有被动蓄能元件46，平行四边形结构的中心线L41、鞋垫44的转动中心线L42、踝关节支架42和两根小腿承力杆43的铰接点中心连线L43三者相交于踝关节支架42的开口端部的踝关节中心点O2。

参见图1、图2和图3，本实施例中的人体固定件13具体为背心，此外也可以根据需要采用绑带、套环等部件来进行人体固定。此外，背架11与人体之间设有采用柔性的高韧性纺织材料制成的缓冲部件，用于保护人体，提高穿戴时的舒适度。

参见图4，髋部承力构件23和平行连杆机构22之间连接有第一驱动元件25，髋部挡板21两端两个第一转轴210的轴线L21、髋部承力构件23的第三转轴230的轴线L22、平行连杆机构22的中轴线L23相交于髋部挡板21开口内侧的髋关节中心点O1，使得具有的三个自由度的旋转中心与人体髋关节中心重合，在空间上可避免外骨骼服与人体的几何干涉，从而减少外骨骼服与人体运动的内耗，提高外骨骼服的穿戴舒适性，本实施例的结构复杂程度低，较为灵巧、能耗低、可靠性较好，驱动方式灵活。

参见图8，平行四边形结构的中心线L41、鞋垫44的转动中心线L42、踝关节支架42和两根小腿承力杆43的铰接点中心连线L43三者相交于踝关节支架42的开口端部的踝关节中心点O2，使得具有的三个自由度的旋转中心与人体的踝关节中心（踝关节中心点O2）重合，使穿戴者运动更为自然，同时在空间上可避免外骨骼服与人体的几何干涉，从而减少外骨骼服与人体运动的内耗，提高外骨骼服的穿戴舒适性，具有系统结构简单、灵巧轻便（质量和体积均较小）、容易控制、维护使用简单、可靠性较好的优点。

如图4和图6所示，平行连杆机构22包括第一连杆221、第二连杆222、第三连杆223和第四连杆224，第一连杆221和第二连杆222两者平行布置、第三连杆223和第四连杆224两者平行布置形成四边形结构，且第三连杆223、第四连杆224分别延伸形成两个延长边，且两个延长边通过第一转轴210与髋部挡板21的端部铰链连接，通过上述结构能够确保平行连杆机构22与髋部挡板21的连接结构简单、组装方便，也不会影响或妨碍连杆机构22做剪切运动时被约束在同一个平面上。

如图4和图6所示，第一连杆221、第二连杆222、第三连杆223和第四连杆224中任意相邻两者之间通过第二转轴220活动连接，且所有的第二转轴220的轴线之间相互平行布置使得平行连杆机构22做剪切运动时被约束在同一个平面上。

如图4和图6所示，第一连杆221一端通过第二转轴220和第三连杆223的一端活动连接、另一端通过第二转轴220和第四连杆224的一端活动连接，第二连杆222一端通过第二转轴220和第三连杆223的中部活动连接、另一端通过第二转轴220和第四连杆224的中部活动连接，第三连杆223的另一端、第四连杆224的另一端各通过一个第一转轴210与髋部挡板21的端部铰链连接，髋部承力构件23的下端通过第三转轴230铰接布置在第一连杆221、第二连杆222的中部，第一驱动元件25一端固定在第一连杆221端部，另一端固定在髋部承力构件23中部。

如图4和图7所示，大腿承力构件24包括两根大腿承力杆241，且两根大腿承力杆241的下端连接有弧形支承条242，能够较好地适应大腿形状，使用更舒适。大腿承力构件24采用碳纤维材料制成，结构轻便、高强度，承载的同时兼具防护功能，而大腿绑带采用弹性和柔性材料，能提高穿戴的舒适性。

如图5和图7所示，两根大腿承力杆241上固定有大腿绑带243，大腿绑带243采用柔性材料制成，使用舒适，佩戴牢固稳定。

本实施例的髋关节2具有三个转动自由度：可实现屈/伸（主动）、内旋/外旋（被动）、外摆/内收（被动）。当第一驱动元件25推出，髋关节上下转动（即屈/伸自由度），此时髋部挡板21、髋部承力构件23之间围绕髋部承力构件23的第三转轴230的轴线L22转动，运动方向如图5箭头所示。当穿戴人员进行内旋/外旋时，髋关节内旋/外旋的自由度通过平行连杆机构22实现，随着平行连杆机构22内旋/外旋的角度不同，平行连杆机构22围绕中轴线L23形成不同偏移角度的形变，从而实现图6中箭头所示的内旋/外旋。当穿戴人员进行外摆/内收时，髋关节的外摆/内收自由度则通过髋部挡板21、平行连杆机构22之间的铰接结构实现，从而使得髋部挡板21、平行连杆机构22之间基于第一转轴210，实现图7中箭头所示的外摆/内收。

本实施例中踝关节支架42和另一根小腿承力杆43之间铰接有被动蓄能元件46，通过被动蓄能元件46和第二驱动元件45形成了主被动结合的驱动形式，采用第二驱动元件45提供主动驱动助力，同时采用被动蓄能元件46被动蓄能助力，可增强外骨骼的力学性能和续航时间。本实施例中，被动蓄能元件46具体采用弹簧实现，此外也可以根据需要采用气缸、油缸或者弹簧棘轮机构等蓄能元件，虽然结构各异，但是应用于踝关节支架42和另一根小腿承力杆43之间以实现主被动结合的驱动形式与本实施例相同，故在此不再赘述。

本实施例的膝关节3包括护膝31，护膝31的外侧铰接有可转动的支架32，护膝31和支架32之间铰接有第二驱动元件33，此外还包括膝部绑带来实现膝部的固定，通过护膝31将外踝关节4与髋关节2连接形成能够绕护膝31和支架32之间的转动中心转动（1个自由度）的膝关节3。

如图8、图9、图10和图11示，机构杆件41包括两根相互平行布置的机构连杆411，机构连杆411的两端分别与小腿承力杆43的上部铰接连接，机构连杆411的两端分别与小腿承力杆43的上部通过上转动轴431连接，踝关节支架42的开口端部与小腿承力杆43的下部通过下转动轴432连接，上转动轴431、下转动轴432均沿着鞋垫44的长度方向平行布置；第三驱动元件45一端铰接安装在小腿承力杆43上、另一端通过驱动转动轴451与踝关节支架42的中部相连，驱动转动轴451沿着鞋垫44的宽度方向平行布置，通过上述结构，确保踝关节屈/伸、外摆/内收两个自由度的稳定可靠。

如图8、图9、图10和图11示，鞋垫44包括前掌441和后座442，前掌441和后座442之间通过连接轴相连，后座442安装在踝关节支架42的底部上侧，可实现脚掌的前翻/后翻自由度，后座442的底部设于凹入部4421，踝关节支架42的底部位于凹入部4421中，有利于提高鞋垫4与地面的接触面积，而且能够防止踝关节支架42过度磨损。

如图8、图9、图10和图11示，前掌441上设有用于固定脚部的脚部绑带443，有利于固定脚掌；踝关节绑带421、脚部绑带443均采用柔性材料制成，使用舒适；小腿承力杆43采用碳纤维制成，使外骨骼兼具刚性外骨骼的承载性能，又具有柔性外骨骼的舒适、高效能提高穿戴的舒适性。

本实施例的踝关节4具有三个转动自由度：屈/伸，外摆/内收，内旋/外旋，其中通过第三驱动元件45驱动踝关节支架42和一根小腿承力杆43之间相对运动，液压缸推出和收进时踝关节上下转动，可实现踝关节4的屈/伸的自由度，如图10所示；通过机构杆件41、踝关节支架42、两根小腿承力杆43形成做剪切运动时约束在同一个平面活动的平行四边形结构，可实现踝关节外摆/内收的自由度，如图11所示；通过踝关节支架42的底部上侧装设有可转动的鞋垫44，使得踝关节支架42和鞋垫44增加转动副，实现了踝关节4的内旋/外旋的自由度，如图8中弧状箭头所示。

平行四边形结构的中心线L41、鞋垫44的转动中心线L42、踝关节支架42和两根小腿承力杆43的铰接点中心连线L43三者相交于踝关节支架42的开口端部的踝关节中心点O2，从而使得具有的三个自由度的旋转中心与人体的踝关节中心（踝关节中心点O2）重合，使穿戴者运动更为自然，同时在空间上可避免外骨骼服与人体的几何干涉，从而减少外骨骼服与人体运动的内耗，提高外骨骼服的穿戴舒适性，具有系统结构简单、灵巧轻便（质量和体积均较小）、容易控制、维护使用简单、可靠性较好的优点。

如图12所示，第一驱动元件25、第二驱动元件33、第三驱动元件45为伺服阀和液压缸组合构成的液压执行器，且液压执行器上设有行程检测传感器50；承载箱12中设有双级驱动单元5，双级驱动单元5包括控制模块51以及分别对应每一个液压执行器的小流量高压液压回路以及大流量低压液压回路，小流量高压液压回路上串联布置有第一单向阀52、蓄能器53、控制开关Swi（Sw_1～Sw_n）和第二单向阀54，大流量低压液压回路上串联布置有第三单向阀55，控制开关Swi（Sw_1～Sw_n）的控制端、行程检测传感器50的输出端分别与控制模块51相连。本实施例使用液压执行器为外骨骼各个关节提供驱动，当液压缸推出时，可实现各关节的主动自由度（即屈/伸自由度）。双级驱动单元5采用双级供能，大流量低压泵源直接给所有执行器供能，用于长时间较低强度的运动；而小流量高压泵源用于蓄能器53充能，为瞬时高强度运动提供能量，对低、中等强度运动采用集中式长时间额定功率压力源，而短时高强度则采用分布式瞬时高功率压力源，可提高系统供给压力与执行器负载所需压力的匹配度，实现了多级供能，能够提高能源利用效率，具有系统结构简单、灵巧轻便、容易控制、能耗低、可靠性较好的优点。

参见图12，本实施例中，小流量高压液压回路以及大流量低压液压回路共用同一个汽油机/电机，并且在小流量高压液压回路和汽油机/电机之间布置有一个可控离合器，可控离合器的控制端与控制模块51相连，从而实现了结构的共用和简化；毫无疑问，小流量高压液压回路以及大流量低压液压回路两者也可以根据需要采用完全独立的液压系统。

本实施例中，控制模块51上运行的人机耦合控制系统进一步可基于机器学习实现，有助于提高人机耦合系统的协同性和稳定性，针对识别出的穿戴者的步态特征定制助力模型，从而找到最适合穿戴个体的助力模式。所述控制系统的自适应控制算法能根据穿戴者的运动意图及执行机构的反馈信息，以执行机构末端动作分辨率及跟随性为评价指标，实时在线修正控制参数，从而实现外骨骼精确控制。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，其主要区别点为：驱动元件以及驱动系统不同。如图13所示，本实施例中，第一驱动元件25、第二驱动元件33、第三驱动元件45为直线伺服电机构成的执行器，且执行器上设有行程检测传感器50；承载箱12中设有双级驱动单元5，双级驱动单元5包括控制模块51以及分别对应每一个执行器的瞬时高功率回路以及长时低功率回路，所有瞬时高功率回路共用一个瞬时高功率源HS，所有长时低功率回路共用一个长时低功率源LS，控制开关Swi的控制端、行程检测传感器50的输出端分别与控制模块51相连。同样地，长时低功率源LS直接给所有执行器供能，用于长时间较低强度的运动；而瞬时高功率源HS用于蓄能器充能，为瞬时高强度运动提供能量，同样可提高系统供给压力与执行器负载所需压力的匹配度，实现了多级供能，能提高能源利用效率。本实施例所用电机系统技术成熟可靠、系统结构简单、无污染、维护使用简单。

实施例三：

本实施例与实施例二基本相同，其主要区别点为：双级驱动单元5的形式有所不同。本实施例中，瞬时高功率回路上设有单独的瞬时高功率源HS，长时低功率回路上串联布置有单独的长时低功率源LS，其原理与实施例二相同，故在此不再赘述。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种仿生负载机动型外骨骼系统，其特征在于：包括相互连接的承载单元（1）和两组关节单元，每一组关节单元包括依次相连的髋关节（2）、膝关节（3）和踝关节（4），所述承载单元（1）包括背架（11）、承载箱（12）和人体固定件（13），所述承载箱（12）布置于背架（11）后侧、所述人体固定件（13）布置于背架（11）前侧，所述背架（11）上设有腰带（14），且所述背架（11）的下端分别和各组关节单元的髋关节（2）相连；所述髋关节（2）包括髋部挡板（21）、平行连杆机构（22）和髋部承力构件（23），所述膝关节（3）包括护膝（31），所述护膝（31）的外侧铰接有可转动的支架（32），所述护膝（31）和支架（32）之间铰接有第二驱动元件（33），所述髋部挡板（21）为弧形结构且下部设有大腿承力构件（24），所述大腿承力构件（24）和支架（32）相连，所述平行连杆机构（22）做剪切运动时被约束在同一个平面上，所述平行连杆机构（22）布置于髋部挡板（21）的开口外侧且通过两个延长边通过第一转轴（210）与髋部挡板（21）的端部铰链连接，所述髋部承力构件（23）为弧形结构且一端通过第三转轴（230）铰接布置在平行连杆机构（22）的中部、另一端与背架（11）的下端相连，所述髋部承力构件（23）和平行连杆机构（22）之间连接有第一驱动元件（25），所述髋部挡板（21）两端两个第一转轴（210）的轴线L21、髋部承力构件（23）的第三转轴（230）的轴线L22、平行连杆机构（22）的中轴线L23相交于髋部挡板（21）开口内侧的髋关节中心点O1；所述踝关节（4）包括机构杆件（41）和呈U字形结构的踝关节支架（42），所述机构杆件（41）和护膝（31）相连，所述机构杆件（41）和踝关节支架（42）的开口端部之间铰接有两根平行布置的小腿承力杆（43），使得机构杆件（41）、踝关节支架（42）、两根小腿承力杆（43）形成做剪切运动时约束在同一个平面活动的平行四边形结构，所述踝关节支架（42）的开口端部设有踝关节绑带（421），所述踝关节支架（42）的底部上侧装设有可转动的鞋垫（44），所述踝关节支架（42）和一根小腿承力杆（43）之间铰接有第三驱动元件（45）、和另一根小腿承力杆（43）之间铰接有被动蓄能元件（46），所述平行四边形结构的中心线L41、所述鞋垫（44）的转动中心线L42、踝关节支架（42）和两根小腿承力杆（43）的铰接点中心连线L43三者相交于踝关节支架（42）的开口端部的踝关节中心点O2。

2.根据权利要求1所述的仿生负载机动型外骨骼系统，其特征在于：所述平行连杆机构（22）包括第一连杆（221）、第二连杆（222）、第三连杆（223）和第四连杆（224），所述第一连杆（221）和第二连杆（222）两者平行布置、第三连杆（223）和第四连杆（224）两者平行布置形成四边形结构，且所述第三连杆（223）、第四连杆（224）分别延伸形成两个延长边，且所述两个延长边通过第一转轴（210）与髋部挡板（21）的端部铰链连接。

3.根据权利要求2所述的仿生负载机动型外骨骼系统，其特征在于：所述第一连杆（221）、第二连杆（222）、第三连杆（223）和第四连杆（224）中任意相邻两者之间通过第二转轴（220）活动连接，且所有的第二转轴（220）的轴线之间相互平行布置使得平行连杆机构（22）做剪切运动时被约束在同一个平面上。

4.根据权利要求3所述的仿生负载机动型外骨骼系统，其特征在于：所述第一连杆（221）一端通过第二转轴（220）和第三连杆（223）的一端活动连接、另一端通过第二转轴（220）和第四连杆（224）的一端活动连接，所述第二连杆（222）一端通过第二转轴（220）和第三连杆（223）的中部活动连接、另一端通过第二转轴（220）和第四连杆（224）的中部活动连接，所述第三连杆（223）的另一端、第四连杆（224）的另一端各通过一个第一转轴（210）与髋部挡板（21）的端部铰链连接，所述髋部承力构件（23）的下端通过第三转轴（230）铰接布置在第一连杆（221）、第二连杆（222）的中部，所述第一驱动元件（25）一端固定在第一连杆（221）端部，另一端固定在髋部承力构件（23）中部。

5.根据权利要求4所述的仿生负载机动型外骨骼系统，其特征在于：所述大腿承力构件（24）包括两根大腿承力杆（241），且所述两根大腿承力杆（241）的下端连接有弧形支承条（242），所述大腿承力构件（24）采用碳纤维材料制成。

6.根据权利要求5所述的仿生负载机动型外骨骼系统，其特征在于：所述两根大腿承力杆（241）上固定有大腿绑带（243），所述大腿绑带（243）采用柔性材料制成。

7.根据权利要求6所述的仿生负载机动型外骨骼系统，其特征在于：所述机构杆件（41）包括两根相互平行布置的机构连杆（411），所述机构连杆（411）的两端分别与小腿承力杆（43）的上部铰接连接，所述机构连杆（411）的两端分别与小腿承力杆（43）的上部通过上转动轴（431）连接，所述踝关节支架（42）的开口端部与小腿承力杆（43）的下部通过下转动轴（432）连接，所述上转动轴（431）、下转动轴（432）均沿着鞋垫（44）的长度方向平行布置；所述第三驱动元件（45）一端铰接安装在小腿承力杆（43）上、另一端通过驱动转动轴（451）与踝关节支架（42）的中部相连，所述驱动转动轴（451）沿着鞋垫（44）的宽度方向平行布置。

8.根据权利要求7所述的仿生负载机动型外骨骼系统，其特征在于：所述鞋垫（44）包括前掌（441）和后座（442），所述前掌（441）和后座（442）之间通过连接轴相连，所述后座（442）安装在踝关节支架（42）的底部上侧，所述后座（442）的底部设于凹入部（4421），所述踝关节支架（42）的底部位于凹入部（4421）中；所述前掌（441）上设有用于固定脚部的脚部绑带（443），所述踝关节绑带（421）、脚部绑带（443）均采用柔性材料制成，所述小腿承力杆（43）采用碳纤维制成。

9.根据权利要求1～8中任意一项所述的仿生负载机动型外骨骼系统，其特征在于：所述第一驱动元件（25）、第二驱动元件（33）、第三驱动元件（45）为伺服阀和液压缸组合构成的液压执行器，且所述液压执行器上设有行程检测传感器（50）；所述承载箱（12）中设有双级驱动单元（5），所述双级驱动单元（5）包括控制模块（51）以及分别对应每一个液压执行器的小流量高压液压回路以及大流量低压液压回路，所述小流量高压液压回路上串联布置有第一单向阀（52）、蓄能器（53）、控制开关Swi和第二单向阀（54），所述大流量低压液压回路上串联布置有第三单向阀（55），所述控制开关Swi的控制端、行程检测传感器（50）的输出端分别与控制模块（51）相连。

10.根据权利要求1～8中任意一项所述的仿生负载机动型外骨骼系统，其特征在于：所述第一驱动元件（25）、第二驱动元件（33）、第三驱动元件（45）为直线伺服电机构成的执行器，且所述执行器上设有行程检测传感器（50）；所述承载箱（12）中设有双级驱动单元（5），所述双级驱动单元（5）包括控制模块（51）以及分别对应每一个执行器的瞬时高功率回路以及长时低功率回路，所述瞬时高功率回路上串联布置有控制开关Swi，且瞬时高功率回路上设有单独的瞬时高功率源HS或者所有瞬时高功率回路共用一个瞬时高功率源HS，长时低功率回路上串联布置有单独的长时低功率源LS或者所有长时低功率回路共用一个长时低功率源LS，所述控制开关Swi的控制端、行程检测传感器（50）的输出端分别与控制模块（51）相连。

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