本發(fā)明涉及康復(fù)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)的下肢助力外骨骼機(jī)器人。

背景技術(shù)：

隨著生活水平的逐步提高和醫(yī)療條件的不斷改進(jìn)，中國人的平均壽命已經(jīng)達(dá)到了70多歲，整個社會的老齡化趨勢愈加明顯，而老年人面臨的一個常見問題即是行走能力的下降。行走能力的下降與缺失有多種原因，主要包括：視覺、平衡等系統(tǒng)缺陷導(dǎo)致的感知能力下降，腦卒中、脊髓外傷等神經(jīng)系統(tǒng)損傷導(dǎo)致對機(jī)體控制能力下降，關(guān)節(jié)磨損導(dǎo)致活動時的疼痛導(dǎo)致行動的意愿缺失，髖、踝等大關(guān)節(jié)周圍肌肉群中全部或部分肌肉為所造成的肌肉力量下降等。而針對行走能力的下降，常見的行走輔具只有拐杖、助行架、手動或電動輪椅等，使用者無法維持正常的步態(tài)，也因此會導(dǎo)致活動量的下降，從而引發(fā)一系列次生的健康問題如體重增加、心血管疾病風(fēng)險加大等等。

目前在世界范圍內(nèi)，行走助力外骨骼的研發(fā)是一個大趨勢，與傳統(tǒng)行走輔具相比，助力外骨骼可在很大程度上令佩戴者保持直立姿態(tài)，并盡量貼近正常行走的步態(tài)，對佩戴者的活動能力和生理、心理健康均有助益。國內(nèi)外陸續(xù)已有部分行走助力外骨骼處于產(chǎn)品化的不同階段，如以色列的Rewalk和日本的Cyberdyne HAL。值得一提的是，目前雖有商業(yè)化產(chǎn)品，但尚未進(jìn)入大規(guī)模的實(shí)際應(yīng)用。按照所提供的功能，現(xiàn)有產(chǎn)品大致可分為如下幾類：

1、不考慮佩戴者意圖的主動驅(qū)動、覆蓋全下肢、需要佩戴者額外拄拐杖的外骨骼。代表產(chǎn)品為以色列的Rewalk、美國的Ekso Bionics。此類產(chǎn)品一般針對截癱患者，其特點(diǎn)是體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格高昂，對意外摔倒缺乏主動和被動保護(hù)機(jī)制，因此目前在市場上的反響并不好。

2、基于肌肉電信號、覆蓋全下肢、無需拄拐但只能在康復(fù)環(huán)境中使用的外骨骼。代表產(chǎn)品為日本Cyberdyne的HAL。此類產(chǎn)品基于采集的肌電信號驅(qū)動關(guān)節(jié)，因此病人可在一定程度上主動控制其運(yùn)動并獲得助力。但此類產(chǎn)品由于肌電信號采集本身的特點(diǎn)，受到汗液的影響其數(shù)據(jù)精確度會急劇下降。同時由于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的缺失，其肢體運(yùn)動軌跡并不符合人體工學(xué)，其主要應(yīng)用范圍仍然是康復(fù)機(jī)構(gòu)內(nèi)部，患者只能在在上半身相對固定的跑步機(jī)上慢走，進(jìn)行功能恢復(fù)性訓(xùn)練，無法在日常生活中長期佩戴使用。

3、基于角度傳感器，覆蓋大腿部分、出力較小的助力外骨骼。此類外骨骼代表為本田的SMA。其主要特點(diǎn)是輕便、體積小，佩戴簡單，但限于基于角度傳感器的剛性關(guān)節(jié)先天的安全性缺失，以及佩戴的舒適度，關(guān)節(jié)出力被限制在較小的水平，僅有4NM。而人在行走時髖關(guān)節(jié)的扭矩至少在60-120NM級別，其助力效果有限，僅能將步速從約1.2m/s提升至約1.3m/s。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)的下肢助力外骨骼機(jī)器人，其通過髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器感知佩戴者腿部動作意圖，并為佩戴者腿部運(yùn)動提供助力，提升佩戴者的行動能力。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：一種基于可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)的下肢助力外骨骼機(jī)器人，其包括中控系統(tǒng)、髖關(guān)節(jié)連接機(jī)構(gòu)、髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器及設(shè)置在佩戴者大腿上的大腿連接機(jī)構(gòu)；

所述中控系統(tǒng)設(shè)置在佩戴者腰部，與所述髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器電氣連接，并通過所述髖關(guān)節(jié)連接機(jī)構(gòu)與所述髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器物理連接，用于接收所述髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器發(fā)送的信息并控制所述髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器的運(yùn)行；

所述髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器與所述大腿連接機(jī)構(gòu)連接，用于通過大腿連接機(jī)構(gòu)感知佩戴者腿部的運(yùn)動，并為佩戴者腿部運(yùn)動提供助力。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。

進(jìn)一步，所述髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器包括伺服電機(jī)、與所述伺服電機(jī)連接的諧波減速機(jī)、與所述諧波減速機(jī)連接的環(huán)形力矩傳感器和與所述環(huán)形力矩傳感器連接的轉(zhuǎn)矩輸出盤；

所述環(huán)形力矩傳感器還與所述中控系統(tǒng)連接，用于監(jiān)測佩戴者腿部關(guān)節(jié)扭矩，獲得關(guān)節(jié)扭矩?cái)?shù)據(jù)；

所述中控系統(tǒng)根據(jù)所述關(guān)節(jié)扭矩?cái)?shù)據(jù)控制所述伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動，以通過所述轉(zhuǎn)矩輸出盤帶動所述大腿連接機(jī)構(gòu)運(yùn)動，為佩戴者腿部運(yùn)動提供助力。

進(jìn)一步，所述髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器還包括角度編碼器，所述角度編碼器用于監(jiān)測佩戴者腿部關(guān)節(jié)位移，獲得關(guān)節(jié)位移數(shù)據(jù)；

所述中控系統(tǒng)還根據(jù)所述關(guān)節(jié)位移數(shù)據(jù)控制所述伺服電機(jī)及諧波減速機(jī)的轉(zhuǎn)動，以帶動所述大腿連接機(jī)構(gòu)運(yùn)動，為佩戴者腿部運(yùn)動提供助力。

進(jìn)一步，所述髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器還包括輸入端外殼、輸入端內(nèi)殼和輸出端外殼；

所述伺服電機(jī)、諧波減速機(jī)及環(huán)形力矩傳感器均設(shè)置于所述輸入端內(nèi)殼內(nèi)，所述轉(zhuǎn)矩輸出盤設(shè)置在所述輸出端外殼內(nèi)，所述輸出端外殼與所述大腿連接機(jī)構(gòu)剛性連接。

進(jìn)一步，所述輸入端內(nèi)殼靠近所述輸出端外殼的側(cè)壁上設(shè)置有限位件，所述輸出端外殼靠近所述輸入端內(nèi)殼的一面上設(shè)置有凹槽，所述凹槽上開設(shè)有開口；

當(dāng)所述轉(zhuǎn)矩輸出盤轉(zhuǎn)動時，所述輸出端外殼隨所述轉(zhuǎn)矩輸出盤轉(zhuǎn)動，所述限位件在所述凹槽內(nèi)運(yùn)動，當(dāng)所述限位件運(yùn)動至所述開口處時，被卡設(shè)在所述開口中，限制了所述轉(zhuǎn)矩輸出盤的繼續(xù)轉(zhuǎn)動。

進(jìn)一步，還包括緊急解鎖機(jī)構(gòu)，所述緊急解鎖機(jī)構(gòu)內(nèi)置在所述輸入端內(nèi)殼中；所述轉(zhuǎn)矩輸出盤通過所述緊急解鎖機(jī)構(gòu)與所述輸出端外殼連接；

當(dāng)所述緊急解鎖機(jī)構(gòu)接收到外界發(fā)來的解鎖信號時，所述緊急解鎖機(jī)構(gòu)與所述轉(zhuǎn)矩輸出盤或與所述輸出端外殼斷開連接，以停止對大腿連接機(jī)構(gòu)的驅(qū)動。

進(jìn)一步，還包括外置的緊急解鎖構(gòu)件，所述外置的緊急解鎖構(gòu)件與為所述伺服電機(jī)提供電能的電池連接，用于緊急狀況下斷開電池與伺服電機(jī)的連接。

進(jìn)一步，所述大腿連接機(jī)構(gòu)包括連桿、柔性綁帶和用于包覆大腿的包覆式外殼；所述連桿與所述髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器剛性連接，所述包覆式外殼設(shè)置在所述連桿上，并通過所述柔性綁帶固定在所述大腿上。

進(jìn)一步，所述連桿為可伸縮結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步，所述包覆式外殼與大腿接觸的一面上設(shè)置有軟墊。

進(jìn)一步，所述髖關(guān)節(jié)連接機(jī)構(gòu)為剛性結(jié)構(gòu)、單自由度活動結(jié)構(gòu)或兩自由度活動結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步，還包括與所述大腿連接機(jī)構(gòu)連接的膝關(guān)節(jié)被動機(jī)構(gòu)和與所述膝關(guān)節(jié)被動機(jī)構(gòu)連接的小腿連接機(jī)構(gòu)，所述膝關(guān)節(jié)被動機(jī)構(gòu)通過所述小腿連接機(jī)構(gòu)設(shè)置在佩戴者的小腿上；所述小腿連接機(jī)構(gòu)通過可調(diào)節(jié)綁帶連接在佩戴者的小腿上。

進(jìn)一步，所述膝關(guān)節(jié)被動機(jī)構(gòu)為單自由度結(jié)構(gòu)、兩自由度結(jié)構(gòu)或三自由度結(jié)構(gòu)的關(guān)節(jié)。

進(jìn)一步，還包括足底支撐機(jī)構(gòu)，所述足底支撐機(jī)構(gòu)與所述小腿連接機(jī)構(gòu)連接。

進(jìn)一步，所述中控系統(tǒng)包括行走助力單元，所述行走助力單元用于接收所述環(huán)形力矩傳感器發(fā)送的扭矩?cái)?shù)據(jù)；

當(dāng)所述行走助力單元接收到同向的扭矩?cái)?shù)據(jù)大于第一預(yù)設(shè)閾值時，其控制所述伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動以使得所述髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器為佩戴者髖關(guān)節(jié)的移動提供同向的助力，以增加佩戴者髖關(guān)節(jié)的出力；

當(dāng)所述行走助力單元接收到反向的扭矩?cái)?shù)據(jù)大于第二預(yù)設(shè)閾值時，其控制所述伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動以使得所述髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器為佩戴者髖關(guān)節(jié)的移動提供反向的助力，以增加佩戴者髖關(guān)節(jié)的出力。

進(jìn)一步，所述中控系統(tǒng)還包括數(shù)據(jù)處理單元，所述數(shù)據(jù)處理單元用于接收、處理并存儲所述環(huán)形力矩傳感器獲得的關(guān)節(jié)扭矩?cái)?shù)據(jù)和所述角度傳感器獲得的關(guān)節(jié)位移數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步，所述中控系統(tǒng)還包括動作限定單元和過載保護(hù)單元；

所述動作限定單元用于根據(jù)所述角度編碼器獲得的關(guān)節(jié)位移數(shù)據(jù)監(jiān)控佩戴者髖關(guān)節(jié)位移幅度；當(dāng)監(jiān)測到的關(guān)節(jié)位移幅度變化總量或速率大于第三預(yù)設(shè)閾值時，停止所述伺服電機(jī)的驅(qū)動或斷開電源；

所述過載保護(hù)單元用于根據(jù)所述環(huán)形力矩傳感器獲得的關(guān)節(jié)扭矩?cái)?shù)據(jù)監(jiān)控佩戴者關(guān)節(jié)移動力矩變化，當(dāng)監(jiān)測到關(guān)節(jié)移動力矩變化總量或速率大于第四預(yù)設(shè)閾值時，停止所述伺服電機(jī)的驅(qū)動或斷開電源。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的基于可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)的下肢助力外骨骼機(jī)器人，其通過在髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器中增加力矩傳感器感知佩戴者腿部運(yùn)動，為其提供助力，與現(xiàn)有應(yīng)用于康復(fù)外骨骼的可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)內(nèi)部結(jié)構(gòu)中包含直線彈簧、鋼絲繩以及相應(yīng)形變測量手段的結(jié)構(gòu)相比，零件總數(shù)少，控制系統(tǒng)軟件編寫難度低。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例二提供的基于可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)的下肢助力外骨骼機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明圖1中髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明圖2中輸入端內(nèi)殼的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明圖2中輸出端外殼的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為圖1中中控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖中，各標(biāo)號所代表的部件列表如下：

1-中控系統(tǒng)，2-髖關(guān)節(jié)連接機(jī)構(gòu)，3-髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器，4-連桿，5-包覆式外殼，6-柔性綁帶，7-膝關(guān)節(jié)被動機(jī)構(gòu)，8-小腿連接機(jī)構(gòu)，9-小腿綁帶，10-伺服電機(jī)，11-初級減速齒輪，12-諧波減速機(jī)，13-環(huán)形力矩傳感器，14-轉(zhuǎn)矩輸出盤，15-輸入端外殼，16-輸出端外殼，17-輸入端內(nèi)殼，18-緊急解鎖機(jī)構(gòu)，19-限位件，20-凹槽，21-開口。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。

實(shí)施例一

本實(shí)施例提供的基于可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)的下肢助力外骨骼機(jī)器人，其包括中控系統(tǒng)、髖關(guān)節(jié)連接機(jī)構(gòu)、髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器及設(shè)置在佩戴者大腿上的大腿連接機(jī)構(gòu)；

所述中控系統(tǒng)設(shè)置在佩戴者腰部，與所述髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器電氣連接，并通過所述髖關(guān)節(jié)連接機(jī)構(gòu)與所述髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器物理連接，用于接收所述髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器發(fā)送的信息并控制所述髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器的運(yùn)行；

所述髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器與所述大腿連接機(jī)構(gòu)連接，用于通過大腿連接機(jī)構(gòu)感知佩戴者腿部的運(yùn)動，并為佩戴者腿部運(yùn)動提供助力。

該外骨骼機(jī)器人可用于單腿的助力或雙腿的助力，當(dāng)用于雙腿的助力時，連接機(jī)構(gòu)、髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器和大腿連接機(jī)構(gòu)都需對稱設(shè)置兩套，中控系統(tǒng)通過綁帶固定在佩戴者腰部，同時作為整臺外骨骼的結(jié)構(gòu)核心，內(nèi)置主電池，中控系統(tǒng)的兩端對稱設(shè)置連接機(jī)構(gòu)，連接機(jī)構(gòu)可置于佩戴者腰后部，中控系統(tǒng)通過連接機(jī)構(gòu)與對應(yīng)的髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器物理連接。其它結(jié)構(gòu)均固定在其上，起到支撐和穩(wěn)定的作用。中控系統(tǒng)通過電源和通信線纜與髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)電氣連接，起到實(shí)時數(shù)據(jù)采集、反饋、針對佩戴者動作輸入做出反應(yīng)、對外骨骼進(jìn)行實(shí)時控制并在系統(tǒng)層面保護(hù)佩戴者安全的作用。

根據(jù)需求，其中的髖關(guān)節(jié)連接機(jī)構(gòu)可以是剛性連接、單自由度活動或者兩自由度活動，并且其活動范圍可以是可調(diào)節(jié)的。例如，該連接結(jié)構(gòu)可由三個連接桿構(gòu)成，分別為第一連接桿、第二連接桿和第三連接桿，三個連接桿依次通過關(guān)節(jié)連接，第一連接桿與中控系統(tǒng)連接，第二連接桿呈L型，一端與第一連接桿連接，另一端與第三連接桿連接，L型的第二連接桿繞過佩戴者腰部與再與髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器連接。其中的第一連接桿與第二連接桿可通過一關(guān)節(jié)連接，實(shí)現(xiàn)第一連接桿或旋轉(zhuǎn)的伸縮，第二連接桿與第三連接桿通過另一關(guān)節(jié)連接，實(shí)現(xiàn)第三連接桿的伸縮。

實(shí)施例二

如圖1所示，圖1為本實(shí)施例示例性的給出了外骨骼機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖。本實(shí)施例提供了基于可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)的下肢助力外骨骼機(jī)器人的其他實(shí)施方式，具體地，該基于可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)的下肢助力外骨骼機(jī)器人包括：

中控系統(tǒng)1、髖關(guān)節(jié)連接機(jī)構(gòu)2、髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器3及設(shè)置在佩戴者大腿上的大腿連接機(jī)構(gòu)；其中，所述中控系統(tǒng)1設(shè)置在佩戴者腰部，與所述髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器3電氣連接，并通過所述髖關(guān)節(jié)連接機(jī)構(gòu)2與所述髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器3物理連接，用于接收所述髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器3發(fā)送的信息并控制所述髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器3的運(yùn)行；所述髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器3與所述大腿連接機(jī)構(gòu)連接，用于通過大腿連接機(jī)構(gòu)感知佩戴者腿部的運(yùn)動，并為佩戴者腿部運(yùn)動提供助力。

與實(shí)施例一中所描述的外骨骼機(jī)器人的部分結(jié)構(gòu)一致，該外骨骼機(jī)器人可用于單腿的助力或雙腿的助力，當(dāng)用于雙腿的助力時，髖關(guān)節(jié)連接機(jī)構(gòu)2、髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器3和大腿連接機(jī)構(gòu)都需對稱設(shè)置兩套，中控系統(tǒng)1通過綁帶固定在佩戴者腰部，同時作為整臺外骨骼的結(jié)構(gòu)核心，內(nèi)置主電池，中控系統(tǒng)1的兩端對稱設(shè)置髖關(guān)節(jié)連接機(jī)構(gòu)2，髖關(guān)節(jié)連接機(jī)構(gòu)2可置于佩戴者腰后部，中控系統(tǒng)1通過髖關(guān)節(jié)連接機(jī)構(gòu)2與對應(yīng)的髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器3物理連接。其它結(jié)構(gòu)均固定在其上，起到支撐和穩(wěn)定的作用。中控系統(tǒng)1通過電源和通信線纜與髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器3實(shí)現(xiàn)電氣連接，起到實(shí)時數(shù)據(jù)采集、反饋、針對佩戴者動作輸入做出反應(yīng)、對外骨骼進(jìn)行實(shí)時控制并在系統(tǒng)層面保護(hù)佩戴者安全的作用。

在其中一個實(shí)施方式中，如圖2所示，上述所述的髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器3包括伺服電機(jī)10、與所述伺服電機(jī)10連接的諧波減速機(jī)12、與所述諧波減速機(jī)12連接的環(huán)形力矩傳感器13和與所述環(huán)形力矩傳感器13連接的轉(zhuǎn)矩輸出盤14；所述環(huán)形力矩傳感器13還與所述中控系統(tǒng)1連接，用于監(jiān)測佩戴者腿部關(guān)節(jié)扭矩，獲得關(guān)節(jié)扭矩?cái)?shù)據(jù)；所述中控系統(tǒng)1根據(jù)所述關(guān)節(jié)扭矩?cái)?shù)據(jù)控制所述伺服電機(jī)10的轉(zhuǎn)動，以通過所述轉(zhuǎn)矩輸出盤14帶動所述大腿連接機(jī)構(gòu)運(yùn)動，為佩戴者腿部運(yùn)動提供助力。需要說明的是，還可設(shè)置初級減速齒輪11，伺服電機(jī)10通過初級減速齒輪11與諧波減速機(jī)12連接。由于髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器3工作于力矩控制模式下，中控系統(tǒng)1可以隨時感知佩戴者的意圖并作出反應(yīng)，無需像其他方案一樣只能依賴于事前的測量結(jié)果并套用固定的驅(qū)動曲線，從而增強(qiáng)產(chǎn)品的安全性和易用性。

髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器3結(jié)構(gòu)為可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)，其主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是由伺服電機(jī)10驅(qū)動諧波減速機(jī)12。諧波減速機(jī)12的輸出端通過剛性連接與環(huán)形力矩傳感器13相連。環(huán)形力矩傳感器13則通過剛性連接與下一級連接件相連。為減小關(guān)節(jié)驅(qū)動器的體積，還可將電機(jī)反置于諧波減速機(jī)12中的通孔中，使得關(guān)節(jié)驅(qū)動器的整體體積較小。

在其中一實(shí)施方式中，還可在髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器3中同時內(nèi)置角度編碼器，其用于監(jiān)測佩戴者腿部關(guān)節(jié)位移，獲得關(guān)節(jié)位移數(shù)據(jù)；所述中控系統(tǒng)1還根據(jù)所述關(guān)節(jié)位移數(shù)據(jù)控制所述伺服電機(jī)10及諧波減速機(jī)12的轉(zhuǎn)動，以帶動所述大腿連接機(jī)構(gòu)運(yùn)動，為佩戴者腿部運(yùn)動提供助力。通過位移與力矩交聯(lián)的控制模式令每個關(guān)節(jié)可表現(xiàn)出柔順性，從而將負(fù)載的變化率保持在佩戴者感到舒適的范圍內(nèi)，不會由于外骨骼位移或者負(fù)載的突然變化導(dǎo)致佩戴者受到損傷。

可選地，如圖2所示，所述髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器3還可包括輸入端外殼15、輸入端內(nèi)殼17和輸出端外殼16；所述伺服電機(jī)10、初級減速齒輪11、諧波減速機(jī)12及環(huán)形力矩傳感器13均設(shè)置于所述輸入端內(nèi)殼17內(nèi)，所述轉(zhuǎn)矩輸出盤14設(shè)置在所述輸出端外殼16內(nèi)，所述輸出端外殼16與所述大腿連接機(jī)構(gòu)剛性連接。為保證佩戴者的安全，如圖3所示，可在輸入端內(nèi)殼17靠近所述輸出端外殼16的側(cè)壁上設(shè)置限位件19，如圖4所示，可在輸出端外殼16靠近所述輸入端內(nèi)殼17的一面上設(shè)置凹槽20，所述凹槽20上開設(shè)有開口21；當(dāng)所述轉(zhuǎn)矩輸出盤14轉(zhuǎn)動時，所述輸出端外殼16隨所述轉(zhuǎn)矩輸出盤14轉(zhuǎn)動，所述限位件19在所述凹槽20內(nèi)運(yùn)動，當(dāng)所述限位件19運(yùn)動至所述開口21處時，被卡設(shè)在所述開口21中，限制了所述轉(zhuǎn)矩輸出盤14的繼續(xù)轉(zhuǎn)動，從而可限制每個關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)范圍，保證在行走過程中每個關(guān)節(jié)的活動范圍不會超過人體關(guān)節(jié)的極限。

另外，為進(jìn)一步加強(qiáng)佩戴者的安全，如圖2所示，還可在髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器3中內(nèi)置緊急解鎖機(jī)構(gòu)18，緊急解鎖機(jī)構(gòu)18內(nèi)置在所述輸入端內(nèi)殼17中；所述轉(zhuǎn)矩輸出盤14通過所述緊急解鎖機(jī)構(gòu)18與所述輸出端外殼16連接。該緊急解鎖機(jī)構(gòu)18可以為電磁鐵或繼電器，當(dāng)緊急解鎖機(jī)構(gòu)18在未收到解鎖信號時處于閉合狀態(tài)，此時髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器3可以在電機(jī)驅(qū)動下轉(zhuǎn)動；當(dāng)緊急解鎖機(jī)構(gòu)18接收到外界發(fā)來的解鎖信號時即處于打開狀態(tài)，此時，緊急解鎖機(jī)構(gòu)18與所述轉(zhuǎn)矩輸出盤14或與所述輸出端外殼16斷開連接，從而將髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器3與大腿連接機(jī)構(gòu)解鎖，以停止對大腿連接機(jī)構(gòu)的驅(qū)動，令其可以自由轉(zhuǎn)動。解鎖機(jī)構(gòu)的電源可由外置緊急解鎖按鈕或機(jī)械臂控制軟件接通與切斷。

由于髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器3內(nèi)置緊急解鎖機(jī)構(gòu)18，該外骨骼機(jī)器人也可提供外置緊急解鎖功能，即外置緊急解鎖構(gòu)件，將外置的緊急解鎖構(gòu)件與為伺服電機(jī)10提供電能的電池連接，用于緊急狀況下斷開電池與伺服電機(jī)10的連接。當(dāng)佩戴者或醫(yī)護(hù)人員認(rèn)為必要時可激活此功能，此時髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器3電源切斷，每個關(guān)節(jié)驅(qū)動器都將解鎖從而可以自由轉(zhuǎn)動。。

在其中一個實(shí)施方式中，如圖1所示，其中的大腿連接機(jī)構(gòu)可包括連桿4、柔性綁帶6和用于包覆大腿的包覆式外殼5；所述連桿4與所述髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器3剛性連接，所述包覆式外殼5設(shè)置在所述連桿4上，并通過所述柔性綁帶6固定在所述大腿上。該連桿4可以是固定長度或者可調(diào)長度，包覆式外殼5亦可能由一條或多條綁帶代替。可選地，還可在包覆式外殼5與大腿接觸的一面上設(shè)置軟墊。包覆式外殼5的形狀可針對佩戴者體型定制。

在其中一個實(shí)施方式中，如圖1所示，該外骨骼機(jī)器人還可包括與所述大腿連接機(jī)構(gòu)連接的膝關(guān)節(jié)被動機(jī)構(gòu)7和與所述膝關(guān)節(jié)被動機(jī)構(gòu)7連接的小腿連接機(jī)構(gòu)8，所述膝關(guān)節(jié)被動機(jī)構(gòu)7通過所述小腿連接機(jī)構(gòu)8設(shè)置在佩戴者的小腿上；所述小腿連接機(jī)構(gòu)8通過可小腿綁帶9連接在佩戴者的小腿上。該外骨骼機(jī)器人的重量由小腿上的調(diào)節(jié)綁帶支撐，同時膝關(guān)節(jié)周圍支撐結(jié)構(gòu)會將正常站立或行走狀態(tài)下關(guān)節(jié)本身承擔(dān)的壓力傳導(dǎo)到小腿綁帶9上，并由小腿承擔(dān)，從而起到減輕膝關(guān)節(jié)壓力的作用。

膝關(guān)節(jié)被動機(jī)構(gòu)7與髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器3通過大腿連接機(jī)構(gòu)連接，其結(jié)構(gòu)由單自由度結(jié)構(gòu)、兩自由度結(jié)構(gòu)或三自由度結(jié)構(gòu)的支撐關(guān)節(jié)組成，保證膝關(guān)節(jié)活動時的穩(wěn)定性和舒適性，圖1中示出的膝關(guān)節(jié)被動機(jī)構(gòu)7為單自由度結(jié)構(gòu)。小腿連接機(jī)構(gòu)8與膝關(guān)節(jié)被動機(jī)構(gòu)7的下半部為剛性連接，并通過可調(diào)節(jié)的綁帶與佩戴者的小腿實(shí)現(xiàn)物理連接。需要說明的是，膝關(guān)節(jié)被動機(jī)構(gòu)7與小腿連接機(jī)構(gòu)8亦可由更簡單的護(hù)膝代替，在選用護(hù)膝時，外骨骼重量可由腰部綁帶承擔(dān)。還可在小腿連接機(jī)構(gòu)8上加掛足底支撐機(jī)構(gòu)，可將外骨骼重量以及佩戴者的一部分體重由足底部分承擔(dān)，減小踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)所受的壓力。

上述總體結(jié)構(gòu)可為模塊化設(shè)計(jì)，即使是同一佩戴者，根據(jù)不同階段的需求也可在上述多個實(shí)施方式中的多種構(gòu)型中自由選擇。

實(shí)施例三

該實(shí)施例提供的基于可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)的下肢助力外骨骼機(jī)器人，其除了實(shí)施例一或二所述的結(jié)構(gòu)外，還可包括以下實(shí)施方式。

在該外骨骼機(jī)器人的結(jié)構(gòu)中，中控系統(tǒng)中的控制軟件采集的數(shù)據(jù)包括角度編碼器提供的關(guān)節(jié)位移信號和力矩傳感器提供的關(guān)節(jié)扭矩信號，控制軟件綜合各個關(guān)節(jié)的輸入信號可實(shí)現(xiàn)如下功能：1)兩側(cè)獨(dú)立調(diào)整的助力強(qiáng)度與變化率；2)零阻抗、零助力模式；3)過載保護(hù)。

具體地，如圖5所示，該中控系統(tǒng)可包括行走助力單元，所述行走助力單元用于接收所述環(huán)形力矩傳感器發(fā)送的扭矩?cái)?shù)據(jù)；當(dāng)所述行走助力單元接收到同向的扭矩?cái)?shù)據(jù)大于第一預(yù)設(shè)閾值時，其控制所述伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動以使得所述髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器為佩戴者髖關(guān)節(jié)的移動提供同向的助力，以增加佩戴者髖關(guān)節(jié)的出力；當(dāng)所述行走助力單元接收到反向的扭矩?cái)?shù)據(jù)大于第二預(yù)設(shè)閾值時，其控制所述伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動以使得所述髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器為佩戴者髖關(guān)節(jié)的移動提供反向的助力，以增加佩戴者髖關(guān)節(jié)的出力，以增加步速，改進(jìn)步態(tài)并減少佩戴者的能耗。

還可通過測量髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器的當(dāng)前位置和輸入力矩，獲得針對每個佩戴者每側(cè)髖關(guān)節(jié)在步行過程中不同階段的姿態(tài)和動作進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，在佩戴一段時間后可更好的貼合特定佩戴者的行走習(xí)慣，提供更舒適的助力。

還可根據(jù)佩戴者的個體需求，將中控系統(tǒng)中的軟件模式設(shè)定為步態(tài)矯正，在每個行走周期的不同階段，針對每側(cè)的肢體提供單獨(dú)設(shè)定的阻尼或助力，幫助每個佩戴者在康復(fù)訓(xùn)練的不同階段，針對步態(tài)的具體特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)個性化的矯正功能。

在其中一個實(shí)施方式中，所述中控系統(tǒng)還包括數(shù)據(jù)處理單元，所述數(shù)據(jù)處理單元用于接收并、處理并存儲所述環(huán)形力矩傳感器獲得的關(guān)節(jié)扭矩?cái)?shù)據(jù)和所述角度傳感器獲得的關(guān)節(jié)位移數(shù)據(jù)。在行走助力過程中采集的佩戴者所有肢體活動與力量數(shù)據(jù)均經(jīng)過數(shù)據(jù)處理單元中的處理程序進(jìn)行處理、匯總，并將處理后的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)處理單元中，同時可將這些數(shù)據(jù)記錄保存于云端服務(wù)器。佩戴者本人及其授權(quán)的其他人員(家庭成員、醫(yī)護(hù)人員或緊急聯(lián)系人)將可隨時隨地審閱、評估病人的康復(fù)進(jìn)程并對康復(fù)計(jì)劃進(jìn)行相應(yīng)修改，外骨骼機(jī)器人可向緊急聯(lián)系人提供摔倒告警。同時由于數(shù)據(jù)在云端備份，即使康復(fù)患者隨后前往不同的康復(fù)機(jī)構(gòu)，數(shù)據(jù)仍可隨之遷移并由新機(jī)構(gòu)的醫(yī)護(hù)人員讀取并使用。

另外，為加強(qiáng)對佩戴者安全的保護(hù)，該中控系統(tǒng)還可包括動作限定單元和過載保護(hù)單元；所述動作限定單元用于根據(jù)所述角度編碼器獲得的關(guān)節(jié)位移數(shù)據(jù)監(jiān)控佩戴者髖關(guān)節(jié)位移幅度；當(dāng)監(jiān)測到的關(guān)節(jié)位移幅度變化總量或速率大于第三預(yù)設(shè)閾值時，停止所述伺服電機(jī)的驅(qū)動或斷開電源；所述過載保護(hù)單元用于根據(jù)所述環(huán)形力矩傳感器獲得的關(guān)節(jié)扭矩?cái)?shù)據(jù)監(jiān)控佩戴者關(guān)節(jié)移動力矩變化，當(dāng)監(jiān)測到關(guān)節(jié)移動力矩變化總量或速率大于第四預(yù)設(shè)閾值時，停止所述伺服電機(jī)的驅(qū)動或斷開電源。

通過測量髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器的當(dāng)前位置和輸入力矩，動作限定單元和過載保護(hù)單元可實(shí)時監(jiān)控突然的或幅度較大的位移與負(fù)載變化，當(dāng)變化的總量或速率超出設(shè)定的軟性動限與過載保護(hù)閾值時，動作限定單元和過載保護(hù)單元將自動停止髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器的運(yùn)行或者切斷通往髖關(guān)節(jié)的電源以保證用戶的安全。具體地閾值可針對佩戴者每個關(guān)節(jié)的具體情況進(jìn)行單獨(dú)設(shè)置，滿足不同佩戴者的潛在不同需求以保證更強(qiáng)的安全性。

在硬件結(jié)構(gòu)上，該外骨骼機(jī)器人與現(xiàn)有技術(shù)相比，其簡化了髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。其在力矩控制模式下，中控系統(tǒng)可根據(jù)力矩傳感器感知負(fù)載的方向與幅度判斷佩戴者的意圖，命令關(guān)節(jié)驅(qū)動器在同向旋轉(zhuǎn)，在驅(qū)動時隨時保證大腿連接機(jī)構(gòu)施加在佩戴者肢體上的力矩符合事先定義的或系統(tǒng)自主學(xué)習(xí)獲得的驅(qū)動力矩曲線。由于對佩戴者意圖的判斷具有實(shí)時性，當(dāng)意圖發(fā)生變化時，中控系統(tǒng)可以感知異常并做出反應(yīng)，從而最大限度保證安全性和易用性。其在位移控制模式下，髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器直接按照事先給定的位移曲線驅(qū)動，帶動肢體按照給速度運(yùn)動；力矩傳感器隨時收集負(fù)載信息，當(dāng)負(fù)載超過給定閾值時則根據(jù)工作模式自動急?；蚪怄i。

與現(xiàn)有應(yīng)用于康復(fù)外骨骼的可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)內(nèi)部結(jié)構(gòu)中包含直線彈簧、鋼絲繩以及相應(yīng)形變測量手段的結(jié)構(gòu)相比，零件總數(shù)少，控制系統(tǒng)軟件編寫難度低。另外，其簡化了外骨骼機(jī)器人的自身結(jié)構(gòu)、重量及其慣性。與采用剛性關(guān)節(jié)的其他外骨骼方案相比，在總體結(jié)構(gòu)上省略了以下部分：

i.安裝其他外置傳感器的支撐結(jié)構(gòu)、線纜與包覆結(jié)構(gòu)及其重量；

ii.其他外置傳感器及相應(yīng)的裝配、測量、校準(zhǔn)要求；

iii.膝關(guān)節(jié)主動驅(qū)動關(guān)節(jié)及其重量。

與同樣采用可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)的其他外骨骼相比，簡化的驅(qū)動器內(nèi)部結(jié)構(gòu)省略了以下部分：

1、外置傳感器及相應(yīng)的裝配、測量、校準(zhǔn)要求；

2、將驅(qū)動器的動作傳導(dǎo)到外骨骼活動部位的傳動機(jī)構(gòu)及其帶來的安裝、測量誤差；

3、以提供柔性連接和提高安全性為目的的滑塊、絲桿、彈簧、尼龍繩；

4、上述結(jié)構(gòu)及為其連接、支撐的連接件及其重量。

由于簡化的結(jié)構(gòu)帶來的成本下降，令本發(fā)明提供的外骨骼機(jī)器人可在同類產(chǎn)品十分之一的價格下提供滿足無需全包覆外骨骼人群對行走助力的需求，這部分人群的數(shù)量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出全包覆式外骨骼的適用人群。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，術(shù)語“頂”、“底”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi)部的連通。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。此外，在本發(fā)明的描述中，除非另有說明，“多個”的含義是兩個或兩個以上。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。