申请/专利权人：南京理工大学

申请日：2018-08-23

公开（公告）日：2024-03-19

公开（公告）号：CN109202867B

主分类号：B25J9/00

分类号：B25J9/00;B25J9/16

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.03.19#授权;2019.02.12#实质审查的生效;2019.01.15#公开

摘要：本发明公开了一种轻型励磁摩擦式离合助力外骨骼装置及其控制方法，可以模拟人体运动，在人体运动或背负重物时提供支撑力，并对关节提供一定的保护。本发明中外骨骼装置单条腿的髋、膝关节分别提供一个自由度，踝关节提供两个自由度；采用励磁式摩擦离合器控制关节的运动，通过脚面的传感器提供控制离合器所需要的信号，控制方便且传感硬件要求低，控制便于实现。本发明利用现有商用励磁摩擦式离合器，结构简单可靠，集成度高，控制简便，有利于提高人机工效，同时与人体较好的配合，便于穿戴，提高穿戴者的负重能力，有效降低人体负重运动的疲劳感。

主权项：1.一种轻型励磁摩擦式离合助力外骨骼装置，其特征在于，包括背架1、髋关节结构2、膝关节结构3、踝关节结构4和控制系统，所述背架1、髋关节结构2、膝关节结构3和踝关节结构4从上到下依次固连，所述髋关节结构2包括髋关节限位板201、髋关节上侧连接件202、髋关节输出齿轮轴承203、第一髋关节中间齿轮轴承204、髋关节输入齿轮轴承205、髋关节中间齿轮套筒206、髋关节输入齿轮套筒207、髋关节输出齿轮套筒208、髋关节输出齿轮209、髋关节中间齿轮210、髋关节输入齿轮211、髋关节挡板212、髋关节下侧连接件213、髋关节单向轴承214、髋关节励磁摩擦式离合器215、第二髋关节中间齿轮轴承216，髋关节限位板201与髋关节下侧连接件213通过螺钉固连，髋关节限位板201侧面的圆形突起嵌入髋关节上侧连接件202的下圆孔，髋关节输出齿轮轴承203、第一髋关节中间齿轮轴承204和髋关节输入齿轮轴承205从上至下依次配合安装在髋关节上侧连接件202上对应的圆孔中，第二髋关节中间齿轮轴承216配合安装在髋关节挡板212上，髋关节中间齿轮套筒206安装在髋关节中间齿轮210和第一髋关节中间齿轮轴承204之间，髋关节输出齿轮套筒208安装于髋关节输出齿轮209和髋关节输出齿轮轴承203之间，髋关节输入齿轮套筒207安装于髋关节输入齿轮211和髋关节输入齿轮轴承205之间，髋关节输入齿轮211与髋关节单向轴承214固连，髋关节输出齿轮209与髋关节励磁摩擦式离合器215固连，髋关节挡板212与髋关节下侧连接件213之间通过键槽相配合，髋关节励磁摩擦式离合器215与髋关节挡板212固连，髋关节单向轴承214与髋关节下侧连接件213固连，髋关节上侧连接件202与髋关节挡板212通过螺钉固连，所述膝关节结构3包括膝关节励磁摩擦式离合器301、膝关节单向轴承302、膝关节下侧连接件303、第一膝关节中间齿轮轴承304、膝关节挡板305、膝关节中间齿轮306、膝关节输入齿轮308、膝关节输出齿轮307、膝关节输入齿轮套筒309、膝关节输出齿轮套筒310、膝关节输出齿轮轴承312、第二膝关节中间齿轮轴承311、膝关节中间齿轮套筒313、膝关节上侧连接件314、膝关节输入齿轮轴承315、膝关节定位板316，膝关节定位板316与膝关节下侧连接件303通过螺钉固连，膝关节定位板316的侧面圆形突起嵌入膝关节上侧连接件314的下圆孔，膝关节输出齿轮轴承312、第二膝关节中间齿轮轴承311、膝关节输入齿轮轴承315从上至下依次配合安装在膝关节上侧连接件314上对应的圆孔中，第一膝关节中间齿轮轴承304配合安装在膝关节挡板305上，膝关节中间齿轮套筒313安装在膝关节中间齿轮306和第二膝关节中间齿轮轴承311之间，膝关节输出齿轮套筒310安装于膝关节输出齿轮307和膝关节输出齿轮轴承312之间，膝关节输入齿轮套筒309安装于膝关节输入齿轮308和膝关节输入齿轮轴承315之间，膝关节输入齿轮308与膝关节单向轴承302固连，膝关节输出齿轮307与膝关节励磁摩擦式离合器301固连，膝关节挡板305与膝关节下侧连接件303之间通过键槽相配合，膝关节励磁摩擦式离合器301与膝关节挡板305固连，膝关节单向轴承302与膝关节下侧连接件303固连，膝关节上侧连接件314与膝关节挡板305通过螺钉固连，所述踝关节结构4包括踝关节上连接件401、踝关节支撑件402、第一踝关节弹簧座403、第二踝关节弹簧座405、踝关节弹簧404、踝关节轴销406、脚背挡板407及脚背压力传感器408，踝关节上连接件401与位于其下部的踝关节支撑件402旋转连接，踝关节支撑件402与脚背挡板407通过踝关节轴销406连接，踝关节弹簧404通过第一踝关节弹簧座403和第二踝关节弹簧座405安装在踝关节支撑件402和脚背挡板407之间，脚背压力传感器408安装于脚背挡板407前部内侧，所述控制系统与髋关节励磁摩擦式离合器215、膝关节励磁摩擦式离合器301和脚背压力传感器408连接；所述髋关节输出齿轮轴承203、第一髋关节中间齿轮轴承204和髋关节输入齿轮轴承205从上至下依次过盈配合安装在髋关节上侧连接件202上对应的圆孔中；所述膝关节输出齿轮轴承312、第二膝关节中间齿轮轴承311、膝关节输入齿轮轴承315从上至下依次过盈配合安装在膝关节上侧连接件314上对应的圆孔中。

全文数据：一种轻型励磁摩擦式离合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领域，具体涉及一种轻型励磁摩擦式离合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。对于外骨骼膝关节部分的要求，首先膝关节作为大腿与小腿之间的连接部分，需要承受上半身以及背负装备的重力，同时在关节活动时，因上身及装备的重力以及运动时会产生大量的扭矩。膝关节活动角度较大，范围在0°至140°之间，行走和上下楼梯时，运动范围通常为0°至70°之间。在运动时，尤其是上下楼梯时，膝关节则需要承受更大的压力及扭矩。这增加了膝关节设计的难度。申请号201610335226.6的中国专利申请公开了一件膝关节助力外骨骼装置，在装置中运用了液压机构，以便在小腿伸张时提供动力，但是液压机构自身体积重量较大，同时需要匹配电机，或增加了外骨骼整体的质量，降低了穿戴者的舒适感。又如申请号为201280030701.9的中国专利申请公开了一种外骨骼设计方式用于康复功能，但整体体积较大，不便于穿戴应用于日常生活中。目前大部分外骨骼结构都有设计脚部鞋子，因为要完成至少三个旋转自由度，结构较为复杂，增加了控制难度。。发明内容本发明的目的在于提供一种轻型励磁摩擦式离合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可靠性低的问题。为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种轻型励磁摩擦式离合助力外骨骼装置，包括背架、髋关节结构、膝关节结构、踝关节结构和控制系统，所述背架、髋关节结构、膝关节结构和踝关节结构从上到下依次固连，所述髋关节结构包括髋关节限位板、髋关节上侧连接件、髋关节输出齿轮轴承、第一髋关节中间齿轮轴承、髋关节输入齿轮轴承、髋关节中间齿轮套筒、髋关节输入齿轮套筒、髋关节输出齿轮套筒、髋关节输出齿轮、髋关节中间齿轮、髋关节输入齿轮、髋关节挡板、髋关节下侧连接件、髋关节单向轴承、髋关节励磁摩擦式离合器、第二髋关节中间齿轮轴承，髋关节限位板与髋关节下侧连接件通过螺钉固连，髋关节限位板侧面的圆形突起嵌入髋关节上侧连接件的下圆孔，髋关节输入齿轮轴承、第一髋关节中间齿轮轴承和髋关节输入齿轮轴承从上至下依次配合安装在髋关节上侧连接件上对应的圆孔中，第二髋关节中间齿轮轴承配合安装在髋关节挡板上，髋关节中间齿轮套筒安装在髋关节中间齿轮和第一髋关节中间齿轮轴承之间，髋关节输出齿轮套筒安装于髋关节输出齿轮和髋关节输出齿轮轴承之间，髋关节输入齿轮套筒安装于髋关节输入齿轮和髋关节输入齿轮轴承之间，髋关节输入齿轮与髋关节单向轴承固连，髋关节输出齿轮与髋关节励磁摩擦式离合器固连，髋关节挡板与髋关节下侧连接件之间通过键槽相配合，髋关节励磁摩擦式离合器与髋关节挡板固连，髋关节单向轴承与髋关节下侧连接件固连，髋关节上侧连接件与髋关节挡板通过螺钉固连，所述膝关节包括膝关节励磁摩擦式离合器、膝关节单向轴承、膝关节下侧连接件、第一膝关节中间齿轮轴承、膝关节挡板、膝关节中间齿轮、膝关节输入齿轮、膝关节输出齿轮、膝关节输入齿轮套筒、膝关节输出齿轮套筒、膝关节输出齿轮轴承、第二膝关节中间齿轮轴承、膝关节中间齿轮套筒、膝关节上侧连接件、膝关节输入齿轮轴承、膝关节定位板，膝关节限位板与膝关节下侧连接件通过螺钉固连，膝关节定位板的侧面圆形突起嵌入膝关节上侧连接件的下圆孔，膝关节输入齿轮轴承、第一膝关节中间齿轮轴承、膝关节输入齿轮轴承从上至下依次配合安装在膝关节上侧连接件上对应的圆孔中，第一膝关节中间齿轮轴承配合安装在膝关节挡板上，膝关节中间齿轮套筒安装在膝关节中间齿轮和第二膝关节中间齿轮轴承之间，膝关节输出齿轮套筒安装于膝关节输出齿轮和膝关节输出齿轮轴承之间，膝关节输入齿轮套筒安装于膝关节输入齿轮和膝关节输入齿轮轴承之间，膝关节输入齿轮与膝关节单向轴承固连，膝关节输出齿轮与膝关节励磁摩擦式离合器固连，膝关节挡板与膝关节下侧连接件之间通过键槽相配合，膝关节励磁摩擦式离合器与膝关节挡板固连，膝关节单向轴承与膝关节下侧连接件固连，膝关节上侧连接件与膝关节挡板通过螺钉固连，所述踝关节结构包括踝关节上连接件、踝关节支撑件、第一踝关节弹簧座、第二踝关节弹簧座、踝关节弹簧、踝关节轴销、脚背挡板及脚背压力传感器，踝关节上连接件与位于其下部的踝关节支撑件旋转连接，踝关节支撑件与脚背挡板通过轴销连接，踝关节弹簧通过第一踝关节弹簧座和第二踝关节弹簧座安装在踝关节支撑件和脚背挡板之间，脚背压力传感器安装于脚背挡板前部内侧，所述控制系统与髋关节励磁摩擦式离合器、膝关节励磁摩擦式离合器、和脚背压力传感器连接。进一步地，所述髋关节输入齿轮轴承、第一髋关节中间齿轮轴承和髋关节输入齿轮轴承从上至下依次过盈配合安装在髋关节上侧连接件上对应的圆孔中。进一步地，所述膝关节输入齿轮轴承、第一膝关节中间齿轮轴承、膝关节输入齿轮轴承从上至下依次过盈配合安装在膝关节上侧连接件上对应的圆孔中。进一步地，所述髋关节励磁摩擦式离合器与髋关节挡板通过螺钉固连，所述膝关节励磁摩擦式离合器与膝关节挡板通过螺钉固连。进一步地，所述背架包括背架主体部分和背架髋关节连接件，背架主体部分包括一竖向的矩形板和一与所述矩形板底部连接的横向向前伸出的C型板，背架髋关节连接件与所述C型板的外侧固连，背架髋关节连接件与髋关节结构固定连接。进一步地，所述膝关节下侧连接件由一圆柱形圆片和位于其下方的矩形长板结合而成，所述圆片中间包括一圆形通孔用于安装膝关节单向轴承，矩形长板通过螺钉与膝关节限位板固定连接。进一步地，所述膝关节挡板包括主体部分以及位于主体部分上部的与膝关节上侧连接件相连的矩形板，所述主体部分包括三个圆孔，三个圆孔自上而下依次配合膝关节励磁摩擦式离合器、第一膝关节中间齿轮轴承、膝关节下侧连接件，膝关节挡板下侧弧形凸起嵌入膝关节下侧连接件的圆形轨道中。一种根据上述所述的轻型励磁摩擦式离合助力外骨骼装置的控制方法，包括以下步骤：步骤1：穿戴者穿戴上述轻型离合式助力外骨骼装置，背部抵靠背架，髋关节位于髋关节结构处，膝关节位于膝关节结构处，脚位于脚背挡板下方，转入步骤2；步骤2：控制系统提前设定一定的压力阈值，控制系统实时检测两只脚背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3；步骤3：当两只脚背压力传感器的信号值均小于设定阈值时，转入步骤4；当仅一只脚背压力传感器的压力信号值小于设定阈值时，转入步骤5；当两只脚背压力传感器的信号值均大于设定阈值，转入步骤6；步骤4：控制系统控制髋关节励磁摩擦式离合器和膝关节励磁摩擦式离合器接合，转入步骤7；步骤5：控制系统控制脚背压力信号小于阈值的那一侧的髋关节励磁摩擦式离合器和膝关节励磁摩擦式离合器保持接合，信号大于阈值的那一侧的髋关节励磁摩擦式离合器和膝关节励磁摩擦式离合器分离，转入步骤7；步骤6：控制系统控制两腿的髋关节励磁摩擦式离合器和膝关节励磁摩擦式离合器均分离，转入步骤7；步骤7：返回步骤2，实现穿戴者与所述轻型励磁摩擦式离合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本发明通过齿轮传动减小转矩，从而降低了对与励磁离合器的要求，减小所需离合器的体积与质量，同时，通过齿轮传动，提供了较高的可靠性和较好的稳定性，同时具有较长的使用寿命；3本发明解决了励磁离合器单独工作时可能出现的无法准确完成运动和停止两个状态转换的传递，在通过其他零件的传递过程中会出现偏差，本发明通过齿轮和单向轴承解决了这个问题；4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；5选用励磁离合器和单向轴承的结合，保护膝关节，完成要求动作的同时减少结构质量和体积；6踝关节取消了底板设计，通过脚部自己的转动完成未设计的旋转自由度，简化结构，同时方便控制，提高结构稳定性，穿戴者通过与身体直接接触的鞋底与地面接触，方便穿戴者更直接获取地面反馈信息，以便直观的判断以及决策运行状态，便于穿戴者控制外骨骼。同时踝关节支撑件保证外骨骼的支撑功能。附图说明图1是本发明轻型励磁摩擦式离合助力外骨骼装置整体结构示意图。图2是本发明背架结构示意图。图3是本发明髋关节结构爆炸图。图4是本发明膝关节结构爆炸图。图5是本发明踝关节结构示意图。具体实施方式下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。如图1所示的轻型励磁摩擦式离合助力外骨骼装置，包括背架1、髋关节结构2、膝关节结构3、踝关节结构4，各机构从上到下依次固连。图2为背架1的结构示意图，所述背架1由一矩形钢板和一C型钢板固连组成背架主体部分101，通过背架髋关节连接102与髋关节上侧连接件202平行移动连接。背架主体部分101与背架髋关节连接件102通过螺钉固连。图3为髋关节结构2的结构爆炸图，由髋关节限位板201、髋关节上侧连接件202、髋关节输出齿轮轴承203、第一髋关节中间齿轮轴承204、髋关节输入齿轮轴承205、髋关节中间齿轮套筒206、髋关节输入齿轮套筒207、髋关节输出齿轮套筒208、髋关节输出齿轮209、髋关节中间齿轮210、髋关节输入齿轮211、髋关节挡板212、髋关节下侧连接件213、髋关节单向轴承214、髋关节励磁摩擦式离合器215、第二髋关节中间齿轮轴承216。髋关节限位板201与髋关节下侧连接件213通过螺钉固连，髋关节限位板201圆形突起图中视角看不出，结构与图3中膝关节限位板316的圆形突起类似嵌入髋关节上侧连接件202上圆孔。髋关节输入齿轮轴承203、第一髋关节中间齿轮轴承204、髋关节输入齿轮轴承205过盈配合安装在髋关节上侧连接件202上对应的圆孔中，第二髋关节中间齿轮轴承216过盈配合安装在髋关节挡板212上。髋关节中间齿轮套筒206安装在髋关节中间齿轮210和第一髋关节中间齿轮轴承204之间，髋关节输出齿轮套筒208安装于髋关节输出齿轮209和髋关节输出齿轮轴承203之间，髋关节输入齿轮套筒207安装于髋关节输入齿轮211和髋关节输入齿轮轴承205之间。髋关节输入齿轮211与髋关节单向轴承214固连，髋关节输出齿轮209与髋关节励磁摩擦式离合器215固连。髋关节挡板212与髋关节下侧连接件213之间通过键槽相配合。髋关节励磁摩擦式离合器215与髋关节挡板212通过螺钉固连，髋关节单向轴承214与髋关节下侧连接件213固连。髋关节上侧连接件202与髋关节挡板212通过螺钉固连。图4为膝关节结构3的结构爆炸图，由膝关节励磁摩擦式离合器301、膝关节单向轴承302、膝关节下侧连接件303、第一膝关节中间齿轮轴承304、膝关节挡板305、膝关节中间齿轮306、膝关节输入齿轮308、膝关节输出齿轮307、膝关节输入齿轮套309、膝关节输出齿轮套筒310、膝关节输出齿轮轴承312、第二膝关节中间齿轮轴承311、膝关节中间齿轮套筒313、膝关节上侧连接件314、膝关节输入齿轮轴承315、膝关节定位板316组成。膝关节限位板316与膝关节下侧连接件303通过螺钉固连，膝关节限位板316圆形突起嵌入膝关节上侧连接件314下圆孔。膝关节输入齿轮轴承315、第一膝关节中间齿轮轴承311、膝关节输入齿轮轴承312过盈配合安装在膝关节上侧连接件314上对应的圆孔中，第一膝关节中间齿轮轴承304过盈配合安装在膝关节挡板305上。膝关节中间齿轮套筒313安装在膝关节中间齿轮306和第二膝关节中间齿轮轴承311之间，膝关节输出齿轮套筒310安装于膝关节输出齿轮307和膝关节输出齿轮轴承312之间，膝关节输入齿轮套筒309安装于膝关节输入齿轮308和膝关节输入齿轮轴承315之间。膝关节输入齿轮308与膝关节单向轴承302固连，膝关节输出齿轮307与膝关节励磁摩擦式离合器301固连。膝关节挡板316与膝关节下侧连接件314之间通过键槽相配合。膝关节励磁摩擦式离合器301与膝关节挡板305通过螺钉固连，膝关节单向轴承302与膝关节下侧连接件303固连。膝关节上侧连接件314与膝关节挡板305通过螺钉固连。结合励磁摩擦式离合器和单向轴承联合工作。励磁摩擦式离合器和单向轴承中间由齿轮组传动。膝关节上侧连接件314由一长方形长板构成，末端向运动方向弯曲一定角度，支撑作用时其弯曲结构为机构提供一定的缓冲。膝关节下侧连接件303有一矩形长板和一圆柱形圆片结合而成。圆柱形原片主要起轴向限位的作用，圆片中间安装膝关节单向轴承302，和单向轴承外圈保持相同运动状态。另一侧通过螺钉固定膝关节限位板316，主动齿轮、膝上连接件以及膝关节挡板的外壳夹在轴向定位片与膝下连接件的圆柱体部分之间。所述膝关节挡板305包括主体部分以及位于主体部分上部的与膝关节上侧连接件314相连的矩形板，所述主体部分包括三个圆孔，三个圆孔自上而下依次配合膝关节励磁摩擦式离合器301、第一膝关节中间齿轮轴承304、膝关节下侧连接件303，膝关节挡板305下侧弧形凸起嵌入膝关节下侧连接件303的圆形轨道中，保证其可以绕膝关节下侧连接件303上端圆柱的中心旋转。膝关节挡板305上开孔位置对应在膝关节上侧连接件314，膝关节上侧连接件314和膝关节挡板303之间安装各轴承套筒以及齿轮组。膝关节上侧连接件314和膝关节挡板303根据齿轮轮廓以及自身形状，设计外壳，包裹齿轮。齿轮组为二级齿轮传动，由三轴四齿轮构成，总传动比为1：10。通过对应轴承与膝关节上侧连接件314和膝关节挡板303连接，通过各套筒进行轴向定位。输入为膝关节弯曲时产生的先对运动，输出为励磁摩擦式离合器，输入端与膝上连接件和单向轴承连接，输出端与膝上连接件和励磁摩擦式离合器连接，膝盖转动时带动齿轮输入齿轮转动，输入齿轮将运动传递至中间过渡轴，过渡轴转动通过过渡轴上的齿轮传递至输出轮，输出轮将运动传递至励磁摩擦式离合器。如图5，踝关节结构由踝关节上连接件401、踝关节支撑件402、第一踝关节弹簧座403、第二踝关节弹簧座405、踝关节弹簧404、踝关节轴销406、脚背挡板407及脚背压力传感器408。踝关节上连接件401与踝关节支撑件402旋转连接，踝关节支撑件402与脚背挡板407通过轴销连接，提供沿轴销轴向旋转自由度，踝关节弹簧404通过第一踝关节弹簧座403和第二踝关节弹簧座405安装在踝关节支撑件402和脚背挡板407之间，调节两零件之间的相对位移，脚背压力传感器408安装于脚背挡板407内侧，用于测量抬脚时足面对脚背挡板内侧的压力值，脚背挡板407由一矩形板和一U型板组成。该结构取消了踏板的设计，直接通过与人体直接连接的鞋底接触地面，通过脚背与脚背挡板上的传感器接触达到对励磁摩擦式离合器的控制。外侧连杆与小腿部件直接相连，在脚起支撑作用时，辅助身体起支撑作用。踝关节弹簧可以辅助脚背挡板保持于水平位置，在运动的时候可以为踝关节提供缓冲，减少踝关节受力，保证踝关节传感器正常与脚背部的接触。踝关节上连接件与踝关节支撑件连接，提供小腿轴向旋转自由度，踝关节支撑件与脚背挡板通过轴销连接，提供沿轴销轴向旋转自由度，弹簧通过踝关节弹簧座安装在踝关节支撑件和脚背挡板之间，调节两零件之间的相对位移，脚背压力传感器安装于脚背挡板内侧，用于测量抬脚时足面对脚背挡板内侧的压力值控制系统实时检测两只脚背处传感器所受的压力值，并与设定阈值进行大小比较，从而判定膝关节处的励磁离合器的贴合和分离。当两只脚背压力传感器的信号值均小于设定阈值时，意味着此时对应的腿正处于支撑状态，励磁离合器接合，由膝关节产生的扭矩由齿轮组进行缩小，传递至离合器处由离合器限制进一步运动，膝关节处的运动受到限制，不能向后弯曲，提供一定支撑作用。在膝关节处的单向轴承保证膝关节无法向内弯曲，但可以在允许范围内进一步伸直。当励磁离合器分离时，即脚背压力传感器的信号大于设定阈值，所对应腿部悬空不起支撑作用时，膝关节可以自由屈伸。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：控制系统实时检测两只脚背处传感器所受的压力值，并与设定阈值进行大小比较，从而判定膝关节处的励磁离合器的贴合和分离，设定阈值用于避免在运动或静止过程中因碰触而产生的较小压力影响控制系统的判断。当两只脚背压力传感器的信号值均小于设定阈值时，意味着此时对应的腿正处于支撑状态，励磁离合器接合，由膝关节产生的扭矩由齿轮组进行缩小，传递至离合器处由离合器限制进一步运动，膝关节处的运动受到限制，不能向后弯曲，提供一定支撑作用。在膝关节处的单向轴承保证膝关节无法向内弯曲，但可以在允许范围内进一步伸直。当励磁离合器分离时，即脚背压力传感器的信号大于设定阈值，所对应腿部悬空不起支撑作用时，膝关节可以自由屈伸。本发明髋关节结构2的转动方式为：髋关节限位板201与髋关节下侧连接件213共同围绕髋关节上侧连接件202和髋关节下侧连接件213旋转从而带动内部齿轮旋转，大腿抬起时髋关节单向轴承214锁定，髋关节下侧连接件213和髋关节单向轴承214共同旋转带动齿轮组旋转，髋关节励磁摩擦式离合器215分离，大腿放下时、髋关节单向轴承214解锁相当于普通轴承，髋关节限位板201与髋关节下侧连接件213围绕髋关节单向轴承214旋转，此时齿轮组不转动；膝关节位于膝关节结构3的转动过程和机理类似。一种根据上述所述的轻型励磁摩擦式离合助力外骨骼装置的控制方法，包括以下步骤：步骤1：穿戴者穿戴上述轻型离合式助力外骨骼装置，背部抵靠背架1，髋关节位于髋关节结构2处，膝关节位于膝关节结构3处，脚位于脚背挡板407下方，转入步骤2；步骤2：控制系统提前设定一定的压力阈值，控制系统实时检测两只脚背压力传感器408的压力信号值，并与设定阈值进行大小比较，转入步骤3；步骤3：当两只脚背压力传感器408的信号值均小于设定阈值时，转入步骤4；当仅一只脚背压力传感器408的压力信号值小于设定阈值时，转入步骤5；当两只脚背压力传感器408的信号值均大于设定阈值，转入步骤6；步骤4：控制系统控制髋关节励磁摩擦式离合器215和膝关节励磁摩擦式离合器301接合，转入步骤7；步骤5：控制系统控制脚背压力信号小于阈值的那一侧的髋关节励磁摩擦式离合器215和膝关节励磁摩擦式离合器301保持接合，信号大于阈值的那一侧的髋关节励磁摩擦式离合器215和膝关节励磁摩擦式离合器301分离，转入步骤7；步骤6：控制系统控制两腿的髋关节励磁摩擦式离合器215和膝关节励磁摩擦式离合器301均分离，转入步骤7；步骤7：返回步骤2，实现穿戴者与所述轻型励磁摩擦式离合助力外骨骼装置之间的协调运动。以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

权利要求：1.一种轻型励磁摩擦式离合助力外骨骼装置，其特征在于，包括背架1、髋关节结构2、膝关节结构3、踝关节结构4和控制系统，所述背架1、髋关节结构2、膝关节结构3和踝关节结构4从上到下依次固连，所述髋关节结构2包括髋关节限位板201、髋关节上侧连接件202、髋关节输出齿轮轴承203、第一髋关节中间齿轮轴承204、髋关节输入齿轮轴承205、髋关节中间齿轮套筒206、髋关节输入齿轮套筒207、髋关节输出齿轮套筒208、髋关节输出齿轮209、髋关节中间齿轮210、髋关节输入齿轮211、髋关节挡板212、髋关节下侧连接件213、髋关节单向轴承214、髋关节励磁摩擦式离合器215、第二髋关节中间齿轮轴承216，髋关节限位板201与髋关节下侧连接件213通过螺钉固连，髋关节限位板201侧面的圆形突起嵌入髋关节上侧连接件202的下圆孔，髋关节输入齿轮轴承203、第一髋关节中间齿轮轴承204和髋关节输入齿轮轴承205从上至下依次配合安装在髋关节上侧连接件202上对应的圆孔中，第二髋关节中间齿轮轴承216配合安装在髋关节挡板212上，髋关节中间齿轮套筒206安装在髋关节中间齿轮210和第一髋关节中间齿轮轴承204之间，髋关节输出齿轮套筒208安装于髋关节输出齿轮209和髋关节输出齿轮轴承203之间，髋关节输入齿轮套筒207安装于髋关节输入齿轮211和髋关节输入齿轮轴承205之间，髋关节输入齿轮211与髋关节单向轴承214固连，髋关节输出齿轮209与髋关节励磁摩擦式离合器215固连，髋关节挡板212与髋关节下侧连接件213之间通过键槽相配合，髋关节励磁摩擦式离合器215与髋关节挡板212固连，髋关节单向轴承214与髋关节下侧连接件213固连，髋关节上侧连接件202与髋关节挡板212通过螺钉固连，所述膝关节3包括膝关节励磁摩擦式离合器301、膝关节单向轴承302、膝关节下侧连接件303、第一膝关节中间齿轮轴承304、膝关节挡板305、膝关节中间齿轮306、膝关节输入齿轮308、膝关节输出齿轮307、膝关节输入齿轮套筒309、膝关节输出齿轮套筒310、膝关节输出齿轮轴承312、第二膝关节中间齿轮轴承311、膝关节中间齿轮套筒313、膝关节上侧连接件314、膝关节输入齿轮轴承315、膝关节定位板316，膝关节限位板316与膝关节下侧连接件303通过螺钉固连，膝关节定位板316的侧面圆形突起嵌入膝关节上侧连接件314的下圆孔，膝关节输入齿轮轴承312、第一膝关节中间齿轮轴承311、膝关节输入齿轮轴承315从上至下依次配合安装在膝关节上侧连接件314上对应的圆孔中，第一膝关节中间齿轮轴承304配合安装在膝关节挡板305上，膝关节中间齿轮套筒313安装在膝关节中间齿轮306和第二膝关节中间齿轮轴承311之间，膝关节输出齿轮套筒310安装于膝关节输出齿轮307和膝关节输出齿轮轴承312之间，膝关节输入齿轮套筒309安装于膝关节输入齿轮308和膝关节输入齿轮轴承315之间，膝关节输入齿轮308与膝关节单向轴承302固连，膝关节输出齿轮307与膝关节励磁摩擦式离合器301固连，膝关节挡板305与膝关节下侧连接件303之间通过键槽相配合，膝关节励磁摩擦式离合器301与膝关节挡板305固连，膝关节单向轴承302与膝关节下侧连接件303固连，膝关节上侧连接件314与膝关节挡板305通过螺钉固连，所述踝关节结构4包括踝关节上连接件401、踝关节支撑件402、第一踝关节弹簧座403、第二踝关节弹簧座405、踝关节弹簧404、踝关节轴销406、脚背挡板407及脚背压力传感器408，踝关节上连接件401与位于其下部的踝关节支撑件402旋转连接，踝关节支撑件402与脚背挡板407通过轴销406连接，踝关节弹簧404通过第一踝关节弹簧座403和第二踝关节弹簧座405安装在踝关节支撑件402和脚背挡板407之间，脚背压力传感器408安装于脚背挡板407前部内侧，所述控制系统与髋关节励磁摩擦式离合器215、膝关节励磁摩擦式离合器301、和脚背压力传感器408连接。2.根据权利要求1所述的轻型励磁摩擦式离合助力外骨骼装置，其特征在于，所述髋关节输入齿轮轴承203、第一髋关节中间齿轮轴承204和髋关节输入齿轮轴承205从上至下依次过盈配合安装在髋关节上侧连接件202上对应的圆孔中。3.根据权利要求1所述的轻型励磁摩擦式离合助力外骨骼装置，其特征在于，所述膝关节输入齿轮轴承312、第一膝关节中间齿轮轴承311、膝关节输入齿轮轴承315从上至下依次过盈配合安装在膝关节上侧连接件314上对应的圆孔中。4.根据权利要求1所述的轻型励磁摩擦式离合助力外骨骼装置，其特征在于，所述髋关节励磁摩擦式离合器215与髋关节挡板212通过螺钉固连，所述膝关节励磁摩擦式离合器301与膝关节挡板305通过螺钉固连。5.根据权利要求1所述的轻型励磁摩擦式离合助力外骨骼装置，其特征在于，所述背架1包括背架主体部分101和背架髋关节连接件102，背架主体部分101包括一竖向的矩形板和一与所述矩形板底部连接的横向向前伸出的C型板，背架髋关节连接件102与所述C型板的外侧固连，背架髋关节连接件102与髋关节结构2固定连接。6.根据权利要求1-5任一项所述的轻型励磁摩擦式离合助力外骨骼装置，其特征在于，所述膝关节下侧连接件303由一圆柱形圆片和位于其下方的矩形长板结合而成，所述圆片中间包括一圆形通孔用于安装膝关节单向轴承302，矩形长板通过螺钉与膝关节限位板316固定连接。7.根据权利要求6所述的轻型励磁摩擦式离合助力外骨骼装置，其特征在于，所述膝关节挡板305包括主体部分以及位于主体部分上部的与膝关节上侧连接件314相连的矩形板，所述主体部分包括三个圆孔，三个圆孔自上而下依次配合膝关节励磁摩擦式离合器301、第一膝关节中间齿轮轴承304、膝关节下侧连接件303，膝关节挡板305下侧弧形凸起嵌入膝关节下侧连接件303的圆形轨道中。8.一种根据权利要求1-7任一项所述的轻型励磁摩擦式离合助力外骨骼装置的控制方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1：穿戴者穿戴上述轻型离合式助力外骨骼装置，背部抵靠背架1，髋关节位于髋关节结构2处，膝关节位于膝关节结构3处，脚位于脚背挡板407下方，转入步骤2；步骤2：控制系统提前设定一定的压力阈值，控制系统实时检测两只脚背压力传感器408的压力信号值，并与设定阈值进行大小比较，转入步骤3；步骤3：当两只脚背压力传感器408的信号值均小于设定阈值时，转入步骤4；当仅一只脚背压力传感器408的压力信号值小于设定阈值时，转入步骤5；当两只脚背压力传感器408的信号值均大于设定阈值，转入步骤6；步骤4：控制系统控制髋关节励磁摩擦式离合器215和膝关节励磁摩擦式离合器301接合，转入步骤7；步骤5：控制系统控制脚背压力信号小于阈值的那一侧的髋关节励磁摩擦式离合器215和膝关节励磁摩擦式离合器301保持接合，信号大于阈值的那一侧的髋关节励磁摩擦式离合器215和膝关节励磁摩擦式离合器301分离，转入步骤7；步骤6：控制系统控制两腿的髋关节励磁摩擦式离合器215和膝关节励磁摩擦式离合器301均分离，转入步骤7；步骤7：返回步骤2，实现穿戴者与所述轻型励磁摩擦式离合助力外骨骼装置之间的协调运动。

百度查询： 南京理工大学 一种轻型励磁摩擦式离合助力外骨骼装置及其控制方法

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