一种具有单侧动力解耦功能的辅助行走外骨骼装置

本发明属于下肢外骨骼，具体来说涉及一种具有单侧动力解耦功能的辅助行走外骨骼装置。

背景技术：

1、随着人口老龄化加剧及肢体功能障碍患者数量的增加，能够提供主动助力的下肢外骨骼在康复训练与日常辅助中具有重要应用价值。现有技术中，拮抗型绳驱动外骨骼通过双侧电机对抗式牵引，可在输出关节力矩的同时连续调节关节等效刚度，具有良好的运动柔顺性与人机交互安全性，是本领域的主流研究方向。但是，现有的拮抗型绳驱外骨骼需要在单侧髋关节的屈、伸两个运动方向分别配置独立的驱动电机与传动单元，导致系统中的执行器数量过多，进而导致系统的体积与重量偏大、以及设备成本的上升与控制复杂度的增加。因此，如何开发出一种新的辅助行走外骨骼装置，能够减少执行器的数量，进而减轻系统自重与体积，降低设备成本和控制复杂度，是本领域技术人员需要研究的方向。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种具有单侧动力解耦功能的辅助行走外骨骼装置，能够减少系统中的离合器，进而降低系统的体积、重量、成本以及控制复杂度。

2、本发明提供了一种具有单侧动力解耦功能的辅助行走外骨骼装置，其包括：

3、躯干承载组件，所述躯干承载组件穿戴于人体上；所述躯干承载组件包括：

4、四个变刚度模块，所述四个变刚度模块通过所述躯干承载组件对称设置于人体的左右两侧，各所述变刚度模块分别包括背侧拉簧组件、髋侧拉簧组件以及转向滑轮；所述背侧拉簧组件和所述髋侧拉簧组件分别包括第一拉簧、第二拉簧、第一上连接件、第二上连接件、第一下连接件和第二下连接件；所述第一拉簧和所述第二拉簧呈并联设置；所述第一上连接件设于所述第一拉簧及所述第二拉簧的头端、所述第二上连接件设于所述第一拉簧及所述第二拉簧的头端、所述第一下连接件设于所述第一拉簧及所述第二拉簧的尾端、所述第二下连接件设于所述第一拉簧及所述第二拉簧的尾端，所述第一上连接件和所述第二上连接件分别与所述导绳滑轮相连接，所述第二下连接件和所述第一下连接件上分别安装有外螺纹轴承；所述外螺纹轴承与所述躯干承载组件螺纹连接；

5、绳驱动模块，所述绳驱动模块上设有控制器和两个驱动电机，所述控制器用于分别控制两个所述驱动电机工作；两个所述驱动电机的输出轴分别通过电机输出法兰同轴连接一缠线盘；两个所述缠线盘上分别引出两根绳索、且所述两根绳索的其中一根依序连接位于人体左侧的一个变刚度模块中的所述背侧拉簧组件、所述转向滑轮以及所述髋侧拉簧组件；所述两根绳索的另一根依序连接位于人体右侧的一个变刚度模块中的所述背侧拉簧组件、所述转向滑轮以及所述髋侧拉簧组件；

6、两个大腿组件，所述两个大腿组件对称设置于人体的左右两侧；所述两个大腿组件分别包括大腿连杆和大腿绑带，所述大腿连杆一端与所述大腿绑带连接；所述大腿连杆另一端与所述髋侧拉簧组件连接。

7、通过采用这种技术方案：所述绳驱动模块中的两个驱动电机共同构成一个双侧驱动单元。通过控制两个驱动电机进行差动收放，驱动交叉布置的四根绳索，能够同步为左侧和右侧髋关节提供可独立调节的拮抗输出力矩与等效关节刚度。由此，实现了基于两个驱动电机实现对人体双髋关节的独立拮抗驱动与刚度调节，因此减少了执行器的数量，进而实现了设备的整体小型化与轻质化。

8、优选的是，上述辅助行走外骨骼装置中，还包括：背部支撑组件，所述背部支撑组件沿人体脊柱中轴线左右对称布置；所述两个驱动电机的转子轴线呈共线设置，且所述两个驱动电机的的输出端彼此相对；所述两个驱动电机通过所述电机法兰固定安装在所述背部支撑梁上。

9、优选的是，上述辅助行走外骨骼装置中，两个所述缠线盘上引出的所述绳索呈交叉布置、分别导向人体的左右两侧。

10、更优选的是，上述辅助行走外骨骼装置中，还包括：离合组件，所述离合组件的数量为两个、分别位于身体左右两侧；两个所述离合组件分别包括离合器、髋输出法兰、第一旋转编码器和第二旋转编码器；

11、所述绳索依序穿过所述背侧拉簧组件上的导绳滑轮以及所述髋侧拉簧组件上的导绳滑轮、连接至所述髋输出法兰，所述髋输出法兰连接所述离合器的输入端；所述离合器的输出端与所述大腿连杆铰接连接；

12、所述第一旋转编码器用于检测所述离合器的输入端旋转位置，所述第二旋转编码器用于检测所述大腿连杆的旋转位置；所述离合器、所述第一旋转编码器、所述第二旋转编码器分别与所述控制器信号连接；所述控制器还用于读取所述第一旋转编码器和所述第二旋转编码器、控制所述离合器切换所述髋侧拉簧组件与所述大腿连杆之间的结合/分离状态。

13、通过采用这种技术方案：所述离合组件能够基于所述第一位置传感器与第二位置传感器的信号差值判断步态对称性，并在判定为非对称步态时执行单侧分离，从而保障了运动安全。

14、优选的是，上述辅助行走外骨骼装置中，所述控制器被配置为能够接收外部急停信号、并基于所述急停信号控制所述离合器工作。

15、优选的是，上述辅助行走外骨骼装置中，所述控制器采用stm32f103zet6；

16、所述驱动电机采用ec-a4310-p2-36；

17、所述离合器采用三木普利546-13-34-nf-24v；

18、所述第一旋转编码器、所述第二旋转编码器分别采用gjw-mas1磁编码器。

19、与现有技术相比，本发明取得了以下技术进步：

20、首先，本发明实现了仅通过两个电机实现双髋关节的独立拮抗驱动与刚度调节，因此减少了执行器的数量，实现了设备的整体小型化与轻质化。

21、其次，本发明通过串联在绳驱路径中的并联拉簧组件实现刚度功能，刚度的调节直接源于电机的拮抗控制，无需额外刚度调节电机，简化了系统。

22、最后，本发明能够在检测到步态异常或收到安全信号时分别实现快速分离，提升了人机交互的安全性与对复杂步态的适应性。

1.一种具有单侧动力解耦功能的辅助行走外骨骼装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的辅助行走外骨骼装置，其特征在于，还包括：背部支撑组件，所述背部支撑组件沿人体脊柱中轴线左右对称布置；所述两个驱动电机的转子轴线呈共线设置，且所述两个驱动电机的的输出端彼此相对；所述两个驱动电机通过所述电机法兰固定安装在所述背部支撑梁上。

3.根据权利要求2所述的辅助行走外骨骼装置，其特征在于，两个所述缠线盘上引出的所述绳索呈交叉布置、分别导向人体的左右两侧。

4.根据权利要求3所述的辅助行走外骨骼装置，其特征在于，

5.根据权利要求4所述的辅助行走外骨骼装置，其特征在于，

6.根据权利要求5所述的辅助行走外骨骼装置，其特征在于，