膝关节屈伸自适应减损助力机器人及补偿控制方法与流程

本发明专利涉及穿戴机器人，具体而言，涉及膝关节屈伸自适应减损助力机器人及补偿控制方法。

背景技术：

1、在军事训练与作战环境中，官兵常需背负数十公斤作战装具，高频次执行上下楼梯、坡度行进等高强度任务。此类活动导致膝关节在0°至约100°的屈曲范围内，周期性地承受高达数倍体重的冲击负荷，其累积效应是髌股疼痛、半月板损伤及韧带劳损等典型军事训练伤的核心致因。传统被动式护具仅能提供有限的支撑与保暖，而无法主动分担关节负荷，因此提供一种能够主动输出辅助力矩的助力设备，已成为缓解官兵膝关节过劳损伤、维持部队持续作战能力的迫切需求。然而，现有主动助力技术多沿用基于平地行走模式开发的固定控制策略，其提供的单一力矩曲线与上下楼梯等动作中膝关节力矩随角度非线性变化的复杂需求严重不匹配。这种固有的“助力-需求”失调，非但无法在关键发力阶段有效分流负荷，反而可能干扰官兵高度适应的步态动力学，甚至在错误时相施加阻力，加剧关节内部应力，最终使“助力”设备异化为“增负”装置，制约了其在军事训练以及作战环境的有效应用。

2、经检索发现，现有膝关节助力技术其改进方向多集中于通过增加驱动单元与复杂控制以实现主动助力，但这往往导致系统整体重量过大、结构臃肿，与军事装备所要求的轻量化、高可靠性背道而驰。 例如中国发明专利（cn106491319b）公开一种可穿戴型膝关节助力机器人，该机器人采用了两个微型气泵分别为左右腿执行机构提供正负压。该设计不仅因双泵及复杂气路导致系统笨重，其步态周期内气泵的频繁启停与换向更带来了显著的可靠性隐患。再比如中国发明专利（cn117245632a）公开的一种便携穿戴式助力外骨骼机器人，该机器人采用了双电机驱动方案，电机本身的重量已使系统不堪重负，加之其控制逻辑要求电机在每一步态周期内均需进行频繁的正转与反转切换，这种工作模式不仅效率低下、控制复杂，更因持续的电流与扭矩冲击而严重制约了电机寿命与系统整体可靠性。由此可见，现有技术在追求助力的同时，普遍牺牲了装备的便携性与耐用性，难以满足部队实战化训练的需求。

3、基于现有技术中普遍存在的系统笨重、控制复杂及可靠性不足等问题，申请人提出一种通过单电机持续驱动的膝关节屈伸自适应减损助力机器人及补偿控制方法，在实现有效膝关节助力的同时，显著降低系统重量与复杂度，为部队作战与训练任务提供了可靠的装备保障。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供膝关节屈伸自适应减损助力机器人及补偿控制方法，通过单电机驱动结合步频自适应控制，实现了轻量化与高可靠性；同时采用流量阀动态补偿技术，精准调节膝关节屈伸角度，使助力输出能自适应不同地形，在保证助力效果的同时显著降低膝关节损伤风险。

2、本发明是这样实现的，本发明提供了膝关节屈伸自适应减损助力机器人，包括背部动力总成和两个膝关节执行机构；

3、背部动力总成包括控制箱、电机、传动机构和两个对称布置于驱动机构两侧的缸体作用机构；两个缸体作用机构与两个膝关节执行机构之间设有将其分别连接的连接管；电机的输出轴与传动机构连接，传动机构使两个缸体作用机构交替为对应的膝关节执行机构加压，使膝关节执行机构交替屈伸；

4、两个缸体作用机构上设有压力补偿单元，压力补偿单元根据膝关节的弯曲角度变化对缸体作用机构补偿气压，使膝关节执行机构能输出自适应的辅助力矩；

5、助力机器人还包括电性连接的惯性测量单元、足底压力传感器、肌电传感器和控制器。

6、进一步，膝关节执行机构包括多条绑带、两个固定板以及屈伸单元；多条绑带用于绑定于大腿和小腿上，两个固定板固定贴合于绑带上，且两个固定板的端部铰接且铰接位置位于膝关节一侧；屈伸单元安装于两个固定板上，为两个固定板转动提供辅助力矩。

7、进一步，屈伸单元为气缸，气缸的固定端与伸缩端分别转动安装于两个固定板上；连接管的一端与气缸的密封腔室连通。

8、进一步，屈伸单元包括圆柱形密封壳体、转动板和限位块；密封壳体内开有截面为半圆形的密封腔体；转动板的一端为位于密封壳体轴心的转轴，另一端与密封腔体侧壁滑动触接，转动板将密封腔体分割为两部分密封腔室；限位块固定安装于密封腔体的内侧壁上；连接管与密封腔体连接，其连接处与限位块分别位于转动板两侧的密封腔室。

9、进一步，缸体作用机构包括密封筒体、活塞和连接杆；活塞滑动设置于密封筒体内，连接杆的一端与活塞连接，另一端与传动机构连接；两个缸体作用机构的活塞在工作时朝着相反的方向移动；压力补偿单元与密封筒体以及连接管连通。

10、进一步，压力补偿单元包括补偿管和流量调节阀，流量调节阀安装于补偿管上，流量调节阀用于调节补偿管进入密封筒体的气体流量，实现对缸体作用机构进行动态气压补偿。

11、进一步，补偿管的两端分别与两个缸体作用机构的密封筒体连通。

12、进一步，压力补偿单元还包括t形三通阀，t形三通阀的三个连接端分别与连接管、密封筒体以及补偿管连接，用于控制三根管路的连通方向。

13、进一步，传动机构包括驱动盘、两根传动杆、两个滑块和两个导向杆；驱动盘的轴心与电机的输出轴固定连接，两根传动杆的一端铰接于驱动盘表面的同一处；另一端分别与对应的滑块铰接；两根导向杆分别固定安装于两个密封筒体的端部，滑块滑动设置于导向杆内。

14、本发明还提供了膝关节屈伸自适应减损助力机器人的补偿控制方法，应用于权利要求1-9任意一项的膝关节屈伸自适应减损助力机器人中，其特征在于，包括运动意图的侦测与启动、步行节奏的跟踪与同步、助力大小的自适应调节三项控制方式；

15、（1）运动意图的侦测与启动的具体控制方式为：

16、当肌电传感器感应到股四头肌信号大于80、腘绳肌信号大于20且持续时间均超过预设时间，判定膝关节具有运动意图并启动系统；

17、（2）步行节奏的跟踪与同步的具体控制方式为：

18、基于足底压力传感器的信号实时计算用户的步行频率，控制器根据步行频率控制电机转速，使助力周期与用户的步态周期同步；

19、（3）助力大小的自适应调节的具体控制方式为：

20、基于惯性测量单元测量的膝关节弯曲角度，控制器控制流量调节阀的开度，动态补偿输入缸体作用机构的气体流量，以在不同关节弯曲角度下提供自适应的助力输出

21、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

22、1、本发明通过单电机持续转动驱动背部动力总成中的对称双缸作用机构，实现了机器人整体结构的轻量化与高可靠性，从根本上解决了传统多电机方案因频繁启停和正反转导致的效率低下与机械磨损问题；基于肌电传感器、足底压力传感器与惯性测量单元的多模态信息融合，构建了涵盖运动意图侦测、步频同步至助力自适应调节的完整智能控制回路；特别通过压力补偿单元中的流量调节阀，根据膝关节实时弯曲角度动态调节进入密封筒体的补偿气体流量，使膝关节执行机构在不同运动姿态下均能输出平滑且自适应的辅助力矩，在显著提升单兵机动性的同时，为膝关节提供了有效的生物力学保护与减损效果。

23、2、本发明的传动机构通过将两根传动杆同时铰接于驱动盘盘面的同一位置，并使两个缸体作用机构的连接杆分别通过滑块与对应传动杆相连。当驱动盘在电机驱动下持续转动时，该对称联动结构能够确保两个缸体作用机构中的活塞始终保持反向同步运动，从而驱动两个膝关节执行机构实现交替屈伸，为使用者在行走过程中提供稳定、对称的交替助力；此外，该传动机构仅通过改变驱动盘转速即可同步调节双侧膝关节的屈伸频率，进一步实现了助力频率的便捷调节，使系统能够实时适应使用者的步频变化，显著提升了助力过程的自适应性与人机协调性。

24、3、本发明在两个缸体作用机构上设置的压力补偿单元，通过流量调节阀精确控制补偿管的通气开度，实现了动态气压补偿功能。该设计的核心创新在于：在活塞行程固定的前提下，当膝关节处于较小弯曲角度时（如平地行走），活塞排出的气体体积不足以驱动执行机构完成所需的助力行程，此时控制器通过对流量调节阀的开度控制，从外部吸入适量补偿气体，确保密封筒体内建立足够的压力；当膝关节处于较大弯曲角度时（如上楼梯），活塞排出的气体体积恰好满足执行机构的行程需求，系统则相应减少或关闭外部气体补偿。这一创新设计有效解决了固定行程活塞系统与可变关节角度之间的匹配难题，确保在不同运动场景下均能输出稳定的辅助力矩，显著提升了助力过程的平滑度与地形适应性。

25、4、本发明压力补偿单元通过同时连接两个密封筒体，构建了内部气体循环通路。由于两个活塞始终保持反向同步运动（一者排气时另一者吸气），能够将正在排气的缸体作用机构所排出的气体直接用于补偿另一正在吸气的缸体作用机构。这一创新结构不仅确保了在相同路面条件下交替屈伸的双侧膝关节执行机构能够保持完全对称的运动状态，还通过内部气体循环利用显著减少了外部补偿元件，进一步优化了整体结构，进一步实现了机器人的整体轻量化设计。

26、5、本发明在压力补偿单元中增设t形三通阀，该结构具有双重功能：在助力模式下，通过流量调节阀调节通路实现动态气压补偿；当处于非助力模式时，t形三通阀可将膝关节执行机构通过连接管和补偿管与外部大气直接连通，形成开放式气路。这一设计使官兵在正常训练时，机器人不会对膝关节自然活动产生额外阻力，既保障了训练的正常进行，又有效降低了系统能耗与机械磨损，显著提升了装备的实际使用价值和环境适应性。