一种变刚度辅助站立外骨骼机器人及其使用方法

1.本技术涉及康复设备领域，特别涉及一种变刚度辅助站立外骨骼机器人及其使用方法。


背景技术：

2.随着我国老龄化程度的加剧，由于年龄增长、运动损伤或肌肉功能退化导致膝关节运动功能障碍的患者日益增多，患者经手术或药物治疗后的康复训练阶段对功能更全面、穿戴更舒适的外骨骼机器人提出了更高的要求。
3.目前，外骨骼机器人在辅助站立过程中的刚度难以调节，对膝盖、大小腿的冲击较大，人机的协调性较低，同时，采用刚性驱动器安全性和环境适应性较差，容易对穿戴者造成二次伤害。
4.中国专利文献cn115006190a公开了一种坐式可变刚度外骨骼及变柔顺性按需辅助控制方法，柔顺性是通过变刚性机械结构结合用户股内侧肌、股外侧肌、半膜肌、半腱肌的表面肌的参与度综合调控实现，仅能够在运动过程中运用刚度变化提供缓冲，且依赖于人体信号的检测。一方面，结构复杂，对于人体信号的检测精度要求较高，使用场景受检测信号的装置限制；另一方面，在驱动电机启动时柔顺性难以及时保证，启动过程中的振动和冲击仍容易导致用户意外受伤。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题中的至少之一，本技术提供一种变刚度辅助站立外骨骼机器人及其使用方法，所采用的技术方案如下：
6.本技术提供一种变刚度辅助站立外骨骼机器人，变刚度辅助站立外骨骼机器人包括腿部连接单元、驱动单元，所述腿部连接单元包括大腿连接组件、小腿连接组件，所述大腿连接组件能够固定于穿戴者的大腿，所述小腿连接组件与所述大腿连接组件转动连接，所述小腿连接组件能够固定于穿戴者的小腿；所述驱动单元包括弹性驱动机构，所述弹性驱动机构包括柔顺部、输入部、输出部，所述输入部与所述输出部转动连接，所述大腿连接组件与所述输出部连接，所述柔顺部用于缓冲所述输入部传递给所述输出部的转动力；其中，所述驱动单元与所述腿部连接单元之间设置有变刚度执行机构，所述变刚度执行机构能够调整对穿戴者膝关节补偿的刚度。
7.本技术的某些实施例中，所述柔顺部包括若干第一连接结构、若干第二连接结构，各所述第一连接结构分别与所述输入部连接，各所述第二连接结构分别与所述输出部连接；
8.当所述第一连接结构与所述第二连接结构具有相互远离的趋势时，所述输入部与所述输出部的相对转动受到抵抗阻力。
9.本技术的某些实施例中，所述输出部与所述输入部之间设置有限位结构，所述限位结构用于限定所述输入部与所述输出部之间的相对转动行程。
10.本技术的某些实施例中，所述输入部与所述输出部之间设置有第一轴承，所述第一轴承的内缘、外缘与所述输入部、所述输出部连接。
11.本技术的某些实施例中，所述驱动单元还包括固定组件，所述固定组件包括第一安装结构，所述小腿连接组件与所述第一安装结构连接，所述弹性驱动机构与所述第一安装结构进行相对转动，以使所述大腿连接组件与所述小腿连接组件进行相对转动。
12.本技术的某些实施例中，所述变刚度执行机构包括传动结构、第二安装结构、弹簧，所述传动结构与所述第二安装结构连接，所述弹簧连接所述第二安装结构与所述腿部连接单元；
13.所述传动结构与所述第二安装结构一同转动，所述弹簧的拉伸程度与倾斜角度发生变化。
14.本技术的某些实施例中，所述传动结构与所述固定组件之间设置有第二轴承，所述第二轴承的内缘、外缘与所述传动结构、所述固定组件连接。
15.本技术的某些实施例中，所述大腿连接组件与所述输出部的连接位置处设置有限位板，所述限位板上设置有干涉部，当所述大腿连接组件与所述小腿连接组件的相对转动达到最大行程时，所述干涉部与所述小腿连接组件抵接。
16.本技术的某些实施例中，所述大腿连接组件、所述小腿连接组件上均设置有绑缚调节机构，所述绑缚调节机构上设置有绑带，所述绑带用于绑缚穿戴者的大腿或小腿，所述绑缚调节机构用于放松或收紧所述绑带。
17.本技术提供一种变刚度辅助站立外骨骼机器人使用方法，应用于上述的变刚度辅助站立外骨骼机器人，包括：
18.将大腿连接组件穿戴于大腿位置，将小腿连接组件穿戴于小腿位置；
19.根据穿戴者的主动参与度调节弹性驱动机构的输出扭矩，补偿穿戴者相对正常站立缺失的力矩；
20.穿戴者站立时，检测穿戴者膝关节刚度，进而根据穿戴者的实际情况调节补偿刚度值；
21.穿戴者就坐时，调节弹性驱动机构的输出扭矩，使外骨骼机器人对穿戴者膝关节的施力方向与实现站立时相同；检测穿戴者膝关节刚度，进而根据穿戴者的实际情况调节补偿刚度值。
22.本技术的实施例至少具有以下有益效果：本技术中，大腿连接组件、小腿连接组件分别固定于穿戴者的大腿与小腿，为穿戴者提供辅助支撑，辅助穿戴者进行正常的膝关节动作；驱动单元一方面为大腿连接组件、小腿连接组件的相对转动提供转动的动力，另一方面，对穿戴者站立和就坐时膝关节缺失的力矩进行自适应补偿，并对刚度进行实时调节，适应穿戴者膝关节刚度的变化，提高穿戴者站立和就坐过程的舒适度；在驱动单元提供转动力的过程中，弹性驱动机构中的柔顺部施加与相对转动方向相反的作用力，以缓冲的形式形成柔顺驱动；且变刚度辅助站立外骨骼机器人体积较小，易于携带。
23.本技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。
附图说明
24.本技术的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
25.图1是本技术变刚度辅助站立外骨骼机器人的结构示意图；
26.图2是本技术变刚度辅助站立外骨骼机器人的爆炸图；
27.图3是本技术变刚度辅助站立外骨骼机器人中小腿连接组件的结构示意图；
28.图4是本技术变刚度辅助站立外骨骼机器人中大腿连接组件的结构示意图；
29.图5是本技术变刚度辅助站立外骨骼机器人中弹性驱动机构的结构示意图；
30.图6是本技术变刚度辅助站立外骨骼机器人中弹性驱动机构的爆炸图；
31.图7是本技术变刚度辅助站立外骨骼机器人中柔顺部的结构示意图；
32.图8是本技术变刚度辅助站立外骨骼机器人中限位板的结构示意图；
33.图9是本技术变刚度辅助站立外骨骼机器人中第一安装结构与第二安装结构的装配图；
34.图10是本技术变刚度辅助站立外骨骼机器人中变刚度执行机构的结构示意图；
35.图11是本技术变刚度辅助站立外骨骼机器人中变刚度执行机构的剖视图。
36.附图标记：
37.弹性驱动机构100；输入部101；第一凸出结构102；
38.输出部201；第二凸出结构202；限位槽203；
39.柔顺部301；第一连接结构302；第二连接结构303；压簧304；
40.第一轴承401；第一夹持结构402；第二夹持结构403；支撑结构404；
41.大腿连接组件500；小腿连接组件501；绑缚调节机构502；绑带503；限位板504；干涉部505；
42.固定组件600；第一安装结构601；变刚度执行机构602；传动结构603；第二安装结构604；弹簧605；第二轴承606。
具体实施方式
43.本部分将结合图1至图11详细描述本技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。
44.在本技术的描述中，需要理解的是，若出现术语“中心”、“中部”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。限定有“第一”、“第二”的特征是用于区分特征名称，而非具有特殊含义，此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
45.在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相
连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
46.本发明提供一种变刚度辅助站立外骨骼机器人，此种外骨骼机器人能够提供缓冲形式的柔顺驱动，且在穿戴者站立时补偿膝关节缺失的力矩，同时，依据检测到的穿戴者膝关节对外骨骼机器人的实时刚度进行自适应调节。
47.如图1、图2所示，变刚度辅助站立外骨骼机器人包括腿部连接单元、驱动单元，腿部连接单元能够设置并维持于穿戴者的腿部，避免变刚度辅助站立外骨骼机器人从穿戴者的腿部脱落，造成穿戴者的安全隐患。驱动单元设置于穿戴者的膝关节位置，从而辅助膝关节对腿部进行支撑，便于穿戴者的腿部完成日常的动作。同时，驱动单元为穿戴者的腿部提供实时变化的辅助刚度，以补偿膝关节缺失的力矩。
48.如图3、图4所示，为适应人体腿部的结构，腿部连接单元包括大腿连接组件500、小腿连接组件501。可以理解的是，大腿连接组件500能够固定于穿戴者的大腿，小腿连接组件501能够固定于穿戴者的小腿。进一步地，大腿连接组件500与小腿连接组件501转动连接，模拟人体腿部的动作。
49.在一些示例中，为便于大腿连接组件500和小腿连接组件501的固定，大腿连接组件500、小腿连接组件501上均设置有绑缚调节机构502和绑带503，绑带503用于围绕在穿戴者的大腿和小腿上，以包裹的形式进行大腿连接组件500和小腿连接组件501的定位。
50.进一步地，大腿连接组件500与小腿连接组件501均设置有支撑杆，且绑缚调节机构502设置于连接杆上，连接杆处于穿戴者的腿部外侧，避免阻碍穿戴者的腿部活动。可以理解的是，绑带503连接于绑缚调节机构502上，并向穿戴者的腿部方向延伸，便于环绕腿部。具体地，绑缚调节机构502与大腿连接组件500、小腿连接组件501均采用可拆卸连接，提升零部件的可替换性。
51.其中，绑缚调节机构502上设置有卡扣和若干紧固件，各紧固件环绕卡扣分布，并将卡扣限定在相对固定的位置，通过紧固件对卡扣和绑带503的位移进行限定。将绑带503设置在绑缚调节机构502时，能够满足绑带503向腿部方向的延伸和收缩，进而实现绑缚的放松与收紧。
52.绑带503上可以设置魔术贴等调整空间较大的粘附结构，使绑带503根据穿戴者的个体情况绑缚在舒适度较高且稳定效果较好的位置。
53.如图5、图6所示，驱动单元包括弹性驱动机构100，弹性驱动机构100包括柔顺部301、输入部101、输出部201，输入部101与驱动单元连接，输出部201与大腿连接组件500连接，从而将转动力通过弹性驱动机构100传递至大腿连接组件500，使大腿连接组件500发生转动。
54.在一些示例中，输入部101大致形成为板状结构，为使驱动单元带动输入部101一同进行转动，从而传递转动力，需要避免驱动单元与输入部101之间的相对转动，保证输入部101与驱动单元之间的连接强度。
55.具体地，输入部101与驱动单元可拆卸连接，输入部101表面设置连接孔，紧固件沿着连接孔进行安装，从而锁紧输入部101与驱动单元。或者，输入部101与驱动单元固定连
接，保证转动力的有效传递。
56.在一些示例中，输入部101设置有若干第一凸出结构102，各第一凸出结构102保证输入部101与柔顺部301的连接。进一步地，各第一凸出结构102均处于输入部101本体的外缘处，且向输入部101本体的外侧延伸，各第一凸出结构102呈圆周分布。第一凸出结构102与输入部101本体之间采用倒角结构形式进行连接。
57.输出部201大致形成为板状结构，输出部201与大腿连接组件500连接。为使输出部201带动大腿连接组件500一同进行转动，也需要避免输出部201与大腿连接组件500之间的相对转动。与输入部101、驱动单元的连接形式类似，输出部201与大腿连接组件500也可以采用可拆卸连接或固定连接。
58.进一步地，由于输入部101需要将转动力传递至输出部201，输入部101与输出部201相互连接。同时，为便于缓冲驱动力，输入部101与输出部201之间存在一定幅度的相对转动余量，即输入部101与输出部201之间转动连接。
59.其中，输入部101与输出部201之间设置有限位结构，限位结构用于限定输入部101与输出部201之间的相对转动行程。一方面，避免输入部101与输出部201发生过大幅度的相对转动，从而导致转动力的传递滞后，使大腿连接组件500的执行效率降低；另一方面，避免输入部101与输出部201的相对转动过程中消耗过多的驱动力，导致驱动力输出的效率降低。
60.可以理解的是，与输入部101同理，输出部201设置有若干第二凸出结构202，各第二凸出结构202保证输出部201与柔顺部301的连接。各第二凸出结构202均处于输出部201本体的外缘处并向输出部201本体的外侧延伸，第二凸出结构202与输出部201本体之间采用倒角结构形式进行连接。
61.如图7所示，在一些示例中，柔顺部301处于输出部201与输入部101之间，输入部101首先将转动力传递至柔顺部301，再由柔顺部301将转动力传递至输出部201。在转动力的传递过程中，柔顺部301施加一定程度的反向力，从而以缓冲的形式形成柔顺驱动。
62.在一些示例中，柔顺部301包括若干第一连接结构302、若干第二连接结构303，各第一连接结构302用于与输入部101连接，且各第一连接结构302呈近似圆周分布，保证转动力传递的均匀性。各第二连接结构303用于与输出部201连接，且各第二连接结构303也呈近似圆周分布。
63.第一连接结构302与第二连接结构303的数量相等，具体地，第一连接结构302与第二连接结构303成对设置。在常态下，每个第一连接结构302均与对应的第二连接结构303抵接；当输入部101与输出部201之间进行相对转动时，第一连接结构302与对应的第二连接结构303存在相互分离的趋势，此时，柔顺部301向输入部101、输出部201施加与相对转动方向反向的阻力；随着相对转动的进一步进行，第一连接结构302与对应的第二连接结构303逐渐分离，在达到最大相对转动行程时，分离的趋势停止，此时与相对转动方向反向的阻力近似达到最大值，并维持稳定。
64.在一些示例中，柔顺部301还包括若干压簧304，各压簧304与各第一连接结构302、各第二连接结构303交错设置，即每个压簧304均处于第一连接结构302与第二连接结构303之间，同时，每个第一连接结构302均处于第二连接结构303与压簧304之间。当第一连接结构302与第二连接结构303存在相互分离的趋势时，各压簧304开始压缩，并提供反向的弹
力，从而对力的传递进行缓冲。
65.在一些示例中，各压簧304、各第一连接结构302、各第二连接结构303相互串接形成一个相对独立的环状整体。此时，各第一凸出结构102分别与各第一连接结构302连接，且各第二凸出结构202分别与各第二连接结构303连接。具体地，第一凸出结构102与第一连接结构302可以采用紧固件进行连接，第二凸出结构202与第二连接结构303也可以采用紧固件进行连接。
66.或者，第一连接结构302固定于第一凸出结构102上，第二连接结构303固定于第二凸出结构202上，压簧304设置于第一连接结构302或第二连接结构303上。此时，柔顺部301的各部分相互分解且分别设置于输入部101、输出部201上。
67.在一些示例中，第一凸出结构102设置四个，第二凸出结构202设置四个，相对应地，压簧304、第一连接结构302、第二连接结构303均设置四个，并呈圆周分布。
68.在一些示例中，为保证输入部101与输出部201的相对转动顺畅，输入部101转动中心的位置设置镂空部分，输入部101和输出部201在转动中心的位置围成容置空间，容置空间内设置有第一轴承401。或者将镂空部分设置于输出部201的转动中心位置，同样能够围成容置空间。可以理解的是，在两种情况下第一轴承401的内缘、外缘均与输入部101、输出部201连接，从而形成转动连接。
69.第一轴承401的内缘与外缘能够进行相对转动，为保证第一轴承401内缘的轴向位置稳定，第一轴承401上设置有第一夹持结构402、第二夹持结构403，第一夹持结构402、第二夹持结构403分别在第一轴承401的内缘两端形成夹持作用。当镂空部分设置于输入部101时，第二夹持结构403处于第一夹持结构402与输出部201之间，并保证第一夹持结构402、第二夹持结构403、输出部201相互连接为一个整体，从而固定第一轴承401的内缘。具体地，第一夹持结构402、第二夹持结构403、输出部201之间可以采用紧固件进行可拆卸连接。
70.在一些示例中，为使第一轴承401的内缘与外部结构存在较大的接触面积，进一步保证位置稳定，第一夹持结构402的侧壁设置有台阶结构，使第一夹持结构402的第一端能够嵌入第一轴承401内部，而第一夹持结构402的第二端处于第一轴承401外部。此时，台阶面与第一轴承401的内缘端面抵接，第一夹持结构402的第一端抵接于第二夹持结构403上，便于进行连接。进一步地，第一轴承401嵌入输入部101的容置空间内，第一轴承401的外缘与输入部101的内壁连接。
71.在一些示例中，为保证第一轴承401外缘的轴向位置稳定，输入部101的内缘也设置有台阶结构，且输入部101上设置有支撑结构404。支撑结构404与台阶结构夹持第一轴承401的外缘端面，其中，输入部101与支撑结构404可以采用紧固件进行可拆卸连接。
72.在一些示例中，支撑结构404与输出部201相邻，为避免支撑结构404与输出部201之间的摩擦影响输出部201与输入部101之间的相对运动，支撑结构404的厚度小于第二夹持结构403的厚度。即输出部201与支撑结构404之间存在间隙。
73.在一些示例中，限位结构包括若干限位槽203、若干限位轴，限位槽203设置于输出部201上，且限位轴设置于输入部101或支撑结构404上。各限位轴分别处于各限位槽203内，随着输入部101相对于输出部201进行转动，各限位轴分别在各限位槽203的范围内运动。限位槽203的长度根据需求进行设置，当限位轴行进至限位槽203的边缘时，限位槽203阻止输
入部101与输出部201继续进行相对转动，从而将转动力通过限位轴作用于输出部201上，形成位置控制。可以理解的是，在限位轴行进至限位槽203边缘的过程中，压簧304提供反向的缓冲力，随着压簧304压缩程度的增大，缓冲力在此过程中逐渐增加，当限位轴到达限位槽203的边缘时，缓冲力近似处于最大值，并维持于最大值。具体地，限位轴可以采用螺钉，便于限位轴的连接。
74.限位结构能够限定输入部101与输出部201之间的相对转动行程，保证转动力输出的有效性，形成位置控制；同时，当压簧304出现异常状态时，限位结构仍能够以位置控制维持系统中转动力的传递，保证系统的正常运行。
75.如图8所示，在一些示例中，为避免大腿连接组件500转动运动超程，对穿戴者的腿部造成损伤，大腿连接组件500与输出部201的连接位置处设置有限位板504。
76.其中，限位板504安装于输出部201上，且限位板504大致形成为具有一定圆心角范围的半环结构，从而避让出大腿连接组件500的设置位置。同时，限位板504上设置有干涉部505，干涉部505从限位板504的边缘位置向外部延伸，即干涉部505与小腿连接组件501之间成一定角度。可以理解的是，随着大腿连接组件500与小腿连接组件501的相对转动，干涉部505与小腿连接组件501之间的夹角发生变化。当大腿连接组件500与小腿连接组件501的相对转动达到最大行程时，干涉部505与小腿连接组件501抵接，阻碍相对转动的继续进行，从而避免运动超程。
77.在一些示例中，驱动单元包括关节电机，关机电机的输出端与输入部101连接，将转动力传递至弹性驱动机构100，进而通过弹性驱动机构100将转动力传递至大腿连接组件500。
78.如图9所示，在一些示例中，驱动单元还包括固定组件600，固定组件600固定设置于关节电机的外壳上，且固定组件600连接小腿连接组件501。可以理解的是，关节电机的输出端相对于关节电机的外壳能够进行转动，且大腿连接组件500、小腿连接组件501分别设置于关节电机的输出端与关节电机的外壳，则大腿连接组件500与小腿连接组件501能够在关节电机的驱动下形成相对转动，模拟腿部动作。
79.进一步地，固定组件600包括第一安装结构601，第一安装结构601环绕关节电机设置，避让出关节电机的输出端，且第一安装结构601的外缘设置有凸出的连杆，小腿连接组件501安装于连杆上。
80.具体地，关节电机的输出端驱使弹性驱动机构100相对于第一安装结构601进行转动，即实现大腿连接组件500与小腿连接组件501的相对转动。
81.其中，固定组件600还包括安装环，安装环连接于关节电机的外壳上，第一安装结构601连接于安装环上，等同于第一安装结构601设置于关节电机的外壳上。
82.如图10所示，驱动单元与腿部连接单元之间设置有变刚度执行机构602，变刚度执行机构602为大腿连接组件500、小腿连接组件501的相对转动提供柔顺的辅助力，从而改变外骨骼机器人的刚度，对穿戴者站立和就坐时膝关节缺失的力矩进行补偿。当存在穿戴者膝关节刚度的检测装置时，变刚度执行机构602能够进行实时的自适应补偿，更加贴合于腿部运动过程中实时变化的膝关节发力，提升穿戴者的舒适度。
83.在一些示例中，变刚度执行机构602包括传动结构603、第二安装结构604、弹簧605，传动结构603与第二安装结构604连接，避免传动结构603与第二安装结构604发生相对
转动，当传动结构603转动时，第二安装结构604一同进行转动。弹簧605设置于第二安装结构604上，具体地，第二安装结构604上设置有过孔结构，弹簧605的一端通过紧固件、垫块连接于过孔结构。同理，弹簧605的另一端也通过紧固件、垫块连接于腿部连接单元。
84.具体地，传动结构603采用从动齿轮，从动齿轮环绕在安装环的外部，由于安装环提升了第一安装结构601的高度，使从动齿轮与第一安装结构601在不同的平面上进行运动，避免从动齿轮与第一安装结构601发生干涉。可以理解的是，从动齿轮与安装环之间存在缝隙，避免产生的摩擦阻碍转动的进行。
85.其中，从动齿轮、第二安装结构604均存在中空的部分，由于关节电机的尺寸相对较大，从动齿轮与第二安装结构604围绕在关节电机的外部。
86.第二安装结构604进行转动时，弹簧605端部的位置发生变化，从而拉伸或收缩弹簧605，弹簧605长度的改变使辅助腿部运动的弹力发生变化，即实现刚度的变化。其中，弹簧605与腿部连接单元的连接位置设置有安装块，弹簧605通过紧固件、垫块连接于安装块，再将安装块固定在腿部连接单元，以保证弹簧605连接的稳定性。可以理解的是，随着第二安装结构604的转动，弹簧605的倾斜角度也发生变化。
87.如图11所示，在一些示例中，为保证传动结构603与第二安装结构604的转动顺畅，传动结构603与固定组件600之间设置有第二轴承606。由于传动结构603处于固定组件600的外部，第二轴承606的内缘与固定组件600连接，第二轴承606的外缘与传动结构603连接。
88.进一步地，为保证第二轴承606的轴向位置稳定，第二安装结构604的内壁上设置有台阶结构，第二轴承606嵌入台阶结构中，使传动结构603与第二安装结构604夹持于第二轴承606外缘的两端。
89.固定组件600还包括压板，压板设置于第二轴承606与关节电机之间，且压板的外壁也设置有台阶结构，便于第二轴承606嵌入。压板与安装环在第二轴承606内缘的两端夹持第二轴承606，即在第二安装结构604、传动结构603、压板、安装环共同的包覆作用下维持第二轴承606的轴向位置稳定。
90.在一些示例中，驱动单元还包括刚度调节电机，刚度调节电机驱动传动结构603进行转动。固定组件600还包括支撑垫板，支撑垫板也围绕关节电机设置。具体地，支撑垫板采用碳纤维材料制成，轻质、强度高，且压板与支撑垫板抵接。支撑垫板上连接有支架，可以理解的是，支架也为中空结构，便于环绕关节电机设置。支撑垫板上设置有安装位，刚度调节电机设置于安装位处。
91.进一步地，刚度调节电机的输出端通过轴环、紧固件连接有主动齿轮。刚度调节电机通过自适应调节电机输出扭矩实现对主动齿轮转动的控制。其中，主动齿轮与从动齿轮相互啮合，驱动从动齿轮进行转动。
92.本发明提供一种针对膝关节的变刚度辅助站立外骨骼机器人使用方法，在机械上可以实现主动的柔顺驱动和刚度时变，在使用上可以根据用户的需求主动改变交互的柔顺性并实现按需辅助站立、就坐。
93.变刚度辅助站立外骨骼机器人使用方法应用于上述的变刚度辅助站立外骨骼机器人，包括：
94.将大腿连接组件500穿戴于大腿位置，将小腿连接组件501穿戴于小腿位置。
95.绑带503穿过绑缚调节机构502的限位孔，通过绑带503的拉紧和魔术贴的绑缚将
大腿连接组件500和小腿连接组件501分别固定穿戴于穿戴者大腿和小腿的适宜位置，使大腿连接组件500贴附支撑穿戴者的大腿，小腿连接组件501贴附支撑穿戴者的小腿，经过调整实现外骨骼机器人与穿戴者的协调及外骨骼机器人对穿戴者的驱动。
96.根据穿戴者主动参与度调节弹性驱动机构100的输出扭矩，补偿穿戴者相对正常站立缺失的力矩。
97.关节电机的转动力传递至弹性驱动机构100，实现关节电机与弹性驱动机构100串联输出力矩，补偿穿戴者相对正常站立缺失的力矩，辅助穿戴者实现站立。通过动作捕捉系统获取穿戴者站立过程的膝关节运动参考轨迹、膝关节关节角变化和运动时间，根据穿戴者主动参与度调节关节电机的输出扭矩，以补偿穿戴者相对正常站立缺失的力矩。
98.穿戴者站立时，检测穿戴者膝关节刚度，进而根据穿戴者的实际情况调节补偿刚度值。
99.关节电机与弹性驱动机构100对外输出辅助力矩，帮助穿戴者实现站立，刚度调节电机依据检测到的穿戴者膝关节刚度调节弹簧605的长度，进而调节外骨骼机器人的刚度，实现对穿戴者膝关节刚度的自适应调节，保证穿戴者站立时的舒适性。
100.当穿戴者完全站立时，变刚度辅助站立外骨骼机器人的关节电机将无法继续沿同一方向转动，限位板504与腿部连接单元相接触，实现对腿部连接单元位移的限制。
101.穿戴者就坐时，调节弹性驱动机构100的输出扭矩，使外骨骼机器人对穿戴者膝关节的施力方向与实现站立时相同；检测穿戴者膝关节刚度，进而根据穿戴者的实际情况调节补偿刚度值。
102.在穿戴者由站姿转变为坐姿的过程中，关节电机反向旋转，通过与弹性驱动机构100的串联，外骨骼机器人对穿戴者的施力方向与使穿戴者实现站立时相同，避免穿戴者就坐时因膝关节力矩不足而摔倒。
103.刚度调节电机依据检测到的穿戴者膝关节刚度同步调节变刚度执行机构602中弹簧605的长度，实现对外骨骼机器人刚度的实时调节。
104.在本说明书的描述中，若出现参考术语“一个实施例”、“一些实例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
105.以上结合附图对本技术的实施方式作了详细说明，但是本技术不限于上述实施方式，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本技术宗旨的前提下作出各种变化。

技术特征：
1.一种变刚度辅助站立外骨骼机器人，其特征在于，包括：腿部连接单元，所述腿部连接单元包括大腿连接组件、小腿连接组件，所述大腿连接组件能够固定于穿戴者的大腿，所述小腿连接组件与所述大腿连接组件转动连接，所述小腿连接组件能够固定于穿戴者的小腿；驱动单元，所述驱动单元包括弹性驱动机构，所述弹性驱动机构包括柔顺部、输入部、输出部，所述输入部与所述输出部转动连接，所述大腿连接组件与所述输出部连接，所述柔顺部用于缓冲所述输入部传递给所述输出部的转动力；其中，所述驱动单元与所述腿部连接单元之间设置有变刚度执行机构，所述变刚度执行机构能够调整对穿戴者膝关节补偿的刚度。2.根据权利要求1所述的变刚度辅助站立外骨骼机器人，其特征在于，所述柔顺部包括若干第一连接结构、若干第二连接结构，各所述第一连接结构分别与所述输入部连接，各所述第二连接结构分别与所述输出部连接；当所述第一连接结构与所述第二连接结构具有相互远离的趋势时，所述输入部与所述输出部的相对转动受到抵抗阻力。3.根据权利要求1所述的变刚度辅助站立外骨骼机器人，其特征在于，所述输出部与所述输入部之间设置有限位结构，所述限位结构用于限定所述输入部与所述输出部之间的相对转动行程。4.根据权利要求1所述的变刚度辅助站立外骨骼机器人，其特征在于，所述输入部与所述输出部之间设置有第一轴承，所述第一轴承的内缘、外缘与所述输入部、所述输出部连接。5.根据权利要求1所述的变刚度辅助站立外骨骼机器人，其特征在于，所述驱动单元还包括固定组件，所述固定组件包括第一安装结构，所述小腿连接组件与所述第一安装结构连接，所述弹性驱动机构与所述第一安装结构进行相对转动，以使所述大腿连接组件与所述小腿连接组件进行相对转动。6.根据权利要求5所述的变刚度辅助站立外骨骼机器人，其特征在于，所述变刚度执行机构包括传动结构、第二安装结构、弹簧，所述传动结构与所述第二安装结构连接，所述弹簧连接所述第二安装结构与所述腿部连接单元；所述传动结构与所述第二安装结构一同转动，所述弹簧的拉伸程度与倾斜角度发生变化。7.根据权利要求6所述的变刚度辅助站立外骨骼机器人，其特征在于，所述传动结构与所述固定组件之间设置有第二轴承，所述第二轴承的内缘、外缘与所述传动结构、所述固定组件连接。8.根据权利要求1所述的变刚度辅助站立外骨骼机器人，其特征在于，所述大腿连接组件与所述输出部的连接位置处设置有限位板，所述限位板上设置有干涉部，当所述大腿连接组件与所述小腿连接组件的相对转动达到最大行程时，所述干涉部与所述小腿连接组件抵接。9.根据权利要求1所述的变刚度辅助站立外骨骼机器人，其特征在于，所述大腿连接组件、所述小腿连接组件上均设置有绑缚调节机构，所述绑缚调节机构上设置有绑带，所述绑带用于绑缚穿戴者的大腿或小腿，所述绑缚调节机构用于放松或收
紧所述绑带。10.变刚度辅助站立外骨骼机器人使用方法，应用于如权利要求1至权利要求9任意一项所述的变刚度辅助站立外骨骼机器人，其特征在于：将大腿连接组件穿戴于大腿位置，将小腿连接组件穿戴于小腿位置；根据穿戴者的主动参与度调节弹性驱动机构的输出扭矩，补偿穿戴者相对正常站立缺失的力矩；穿戴者站立时，检测穿戴者膝关节刚度，进而根据穿戴者的实际情况调节补偿刚度值；穿戴者就坐时，调节弹性驱动机构的输出扭矩，使外骨骼机器人对穿戴者膝关节的施力方向与实现站立时相同；检测穿戴者膝关节刚度，进而根据穿戴者的实际情况调节补偿刚度值。

技术总结
本申请公开了一种变刚度辅助站立外骨骼机器人及其使用方法，变刚度辅助站立外骨骼机器人包括腿部连接单元、驱动单元，腿部连接单元包括大腿连接组件、小腿连接组件；驱动单元包括弹性驱动机构，弹性驱动机构包括柔顺部、输入部、输出部；其中，驱动单元与腿部连接单元之间设置有变刚度执行机构，变刚度执行机构能够调整对穿戴者膝关节补偿的刚度。本申请中，大腿连接组件、小腿连接组件分别固定于穿戴者的大腿与小腿，驱动单元为大腿连接组件、小腿连接组件的相对转动提供动力，且对穿戴者站立和就坐时膝关节缺失的力矩进行自适应补偿，并对刚度进行实时调节；在驱动单元提供转动力的过程中，弹性驱动机构以缓冲的形式形成柔顺驱动。动。动。


技术研发人员：黄沿江 成功 许家阳 周睿 黄翊 朴承霖 李东涵
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：2023.05.08
技术公布日：2023/8/13