本发明属于外骨骼机器人领域，具体涉及到一种柔性髋关节外骨骼机器人。
背景技术：
1、行走运动是人体最重要的肢体运动之一，与人们的日常生活密切相关。许多人在日常工作和生活中需要进行长时间、长距离的行走运动，其工作过程中大部分时间内处于行走状态，繁忙的工作和长时间的行走会极大的影响工作效率。同时，随着社会经济的高速发展以及人们对自然界探索的不断深入，如自然资源的探测、户外探险活动等对人体行走运动的能力提出了更高的要求。长时间、长距离的行走经常会导致身体不适以及肌肉疲劳等症状，长期性的肌肉疲劳更是引起肌肉组织损伤的最主要原因，严重的肌肉损伤甚至会导致肾功能衰竭等后果。肌肉组织损伤会极大地影响人体进行正常肢体运动的能力，降低生活质量，而且肌肉组织损伤对人体的损害是无法挽回的。因此，为了对人体进行更好的保护和助力，研究一种便于穿戴、能够辅助人体下肢进行正常行走和弯腰搬运等运动的装置十分必要。
2、外骨骼机器人均存在难以实现柔性助力的问题。对于机械部分，国内外研究机构大部分都采用准拟人化设计准则，自由度设置有所不同，都是对髋关节的伸展/弯曲关节提供主动助力。但对外骨骼柔性传动机构和绑缚系统的研究较少。国内公开的专利有西北机电工程研究所的一种柔性外骨骼助力机器人(cn110653796a)、燕山大学的柔性外骨骼机器人(cn117140482a)等，上述外骨骼机器人分别通过柔索和鲍登线实现助力，但是没有考虑到对助力组件的预紧过程，导致助力效果并不理想，难以实现对穿戴者的柔性助力，同时也没有考虑到对人体的步态分析及姿态解算，存在人机交互性不足的问题。此外，上述外骨骼机器人的驱动组件布置在腰部及髋部周围，导致了穿戴者需承受较大的负重以及穿戴繁琐等问题，没有考虑到髋关节外骨骼机器人设计中轻量化的特点和减少穿戴者负担的需求，复杂的机构将会导致外骨骼自重的增加，进而导致能耗的增加，以及效率的降低，影响了穿戴者的舒适性。
技术实现思路
1、本专利提出了一种柔性髋关节外骨骼机器人来解决上述问题，它通过惯性测量单元实时获取的数据进行人体姿态解算，得出当前穿戴者的姿态参数，后通过压力传感器辅助对人体的步态分析，由此控制执行器产生不同方向的输出转矩，以实现对穿戴者在不同行走和下蹲动作过程中的柔性助力。
2、本发明提供的柔性髋关节外骨骼机器人的技术方案为：所述外骨骼机器人包括穿戴组件、驱动组件、预紧装置、柔性助力传递组件；驱动组件和预紧装置固定安装在穿戴组件中的背心上；驱动组件用于产生顺时针和逆时针两个不同方向的助力扭矩，作用在柔性助力传递组件上，预紧装置用于产生预紧力，使柔性助力传递组件始终处于紧绷状态以保证柔性助力的有效性；所述柔性助力传递组件用于将执行器产生的助力扭矩转化为拉力的形式为穿戴者提供助力柔性助力传递组件依靠惰轮组件保证拉力的大小不变以及方向能沿着预紧装置的轴线方向；柔性助力传递组件穿过预紧装置与所述穿戴组件通过绑缚连接。
3、穿戴组件包括一件背心、腰带、腿带和线绳调节装置，背心与腰带固定连接，两个腿带与腰带之间通过柔性助力传递组件连接。
4、线绳调节装置包括腿部连接部件和螺钉状调节部件，在腿部连接部件的底座上设置有凸台，凸台上通有螺纹通孔，与螺钉状部件配合；螺钉状调节部件的顶部设置有凹槽，螺钉状调节部件内部开设有通孔。
5、驱动组件包括执行器固定装置、执行器、鲍登线盘；执行器固定装置底盘固定在穿戴组件中的背心上，执行器固定装置上端与执行器固定连接，执行器的转矩输出面固定连接鲍登线盘，通过控制执行器的转矩输出面转动，进而带动鲍登线盘的转动。
6、柔性助力传递组件为鲍登线，鲍登线包括鲍登线外管和鲍登线内芯；将鲍登线内芯环绕在驱动组件中的鲍登线盘上并分成两个方向分穿过预紧装置，然后两个方向的鲍登线内芯穿过鲍登线外管，鲍登线内芯下端与穿戴组件中的线绳调节装置通过绑缚连接。
7、预紧装置包括预紧装置安装组件、惰轮组件、预紧力组件和压力传感器；
8、预紧装置安装组件固定在背心上，用于安装固定预紧力组件和惰轮组件；
9、惰轮组件安装在预紧装置安装组件上，用于提供过渡支承作用，将执行器通过鲍登线盘传递给柔性助力传递组件的拉力大小保持不变，并且能够确保柔性助力传递组件穿过预紧装置时沿轴线方向，保证预紧装置的效果及可行性；
10、预紧力组件安装在预紧装置安装组件内部，用于产生预紧力，使柔性助力传递组件始终处于紧绷状态以保证柔性助力的有效性；
11、压力传感器安装在预紧装置安装组件内部且与预紧力组件接触，用于采集柔性助力传递组件的实时拉力大小以辅助对穿戴者步态的分析。
12、预紧装置安装组件包括上盖、下盖、支撑壳、固定片；上盖和下盖通过u型固定片分别设置在支撑壳的两端。
13、惰轮组件包括惰轮和惰轮支柱；惰轮支柱固定安装在上盖上，惰轮与惰轮支柱转动安装。
14、预紧力组件包括压缩弹簧、上滑柱、下滑柱；压力传感器固定安装在支撑壳上，且位于上盖与上滑柱之间；上滑柱与下滑柱安装在预紧装置安装组件，且可以相对预紧装置安装组件滑动；压簧的两端连接上滑柱和下滑柱，且在能够轴向移动。
15、所述外骨骼机器人还包括惯性测量单元，惯性测量单元通过绑缚连接安装在所述腿带上，用于实时采集穿戴者行走过程中的位姿数据。
16、与现有技术相比，本发明的有益效果为：
17、(1)通过柔性助力传递组件的设置，使外骨骼系统能够在摆腿相和支撑相都能提供助力，协助穿戴者完成行走和搬运运动，减少人体运动过程中的能量消耗及肌肉疲劳，进而增强人体机能，提升运动能力上限；
18、(2)通过预紧装置的设置，对柔性助力传递组件进行预紧，增强助力效果；
19、(3)通过压力传感器和惯性测量单元的设置，进行实时数据采集，用对人体的步态分析及姿态解算，提高人机交互性；
20、(4)本发明设计的柔性髋关节外骨骼机器人，穿戴组件结构简单且体积质量小，两个腿带与腰带之间通过柔性助力传递组连接，进而实现髋关节外骨骼机器人的轻量化设计。
1.一种柔性髋关节外骨骼机器人，其特征在于，所述外骨骼机器人包括穿戴组件、驱动组件、预紧装置、柔性助力传递组件；驱动组件和预紧装置固定安装在穿戴组件中的背心上；驱动组件用于产生顺时针和逆时针两个不同方向的助力扭矩，作用在柔性助力传递组件上，预紧装置用于产生预紧力，使柔性助力传递组件始终处于紧绷状态以保证柔性助力的有效性；所述柔性助力传递组件用于将执行器产生的助力扭矩转化为拉力的形式为穿戴者提供助力柔性助力传递组件依靠惰轮组件保证拉力的不变以及方向能沿着预紧装置的轴线方向；柔性助力传递组件穿过预紧装置与所述穿戴组件通过绑缚连接。
2.根据权利要求1所述的一种柔性髋关节外骨骼机器人，其特征在于，穿戴组件包括一件背心、腰带、腿带和线绳调节装置，背心与腰带固定连接，两个腿带与腰带之间通过柔性助力传递组件连接。
3.根据权利要求2所述的一种柔性髋关节外骨骼机器人，其特征在于，线绳调节装置包括腿部连接部件和螺钉状调节部件，在腿部连接部件的底座上设置有凸台，凸台上通有螺纹通孔，与螺钉状部件配合；螺钉状调节部件的顶部设置有凹槽，螺钉状调节部件内部开设有通孔。
4.根据权利要求3所述的一种柔性髋关节外骨骼机器人，其特征在于，驱动组件包括执行器固定装置、执行器、鲍登线盘；执行器固定装置底盘固定在穿戴组件中的背心上，执行器固定装置上端与执行器固定连接，执行器的转矩输出面固定连接鲍登线盘，通过控制执行器的转矩输出面转动，进而带动鲍登线盘的转动。
5.根据权利要求4所述的一种柔性髋关节外骨骼机器人，其特征在于，柔性助力传递组件为鲍登线，鲍登线包括鲍登线外管和鲍登线内芯；将鲍登线内芯环绕在驱动组件中的鲍登线盘上并分成两个方向分穿过预紧装置，然后两个方向的鲍登线内芯穿过鲍登线外管，鲍登线内芯下端与穿戴组件中的线绳调节装置通过绑缚连接。
6.根据权利要求4所述的一种柔性髋关节外骨骼机器人，其特征在于，预紧装置包括预紧装置安装组件、惰轮组件、预紧力组件和压力传感器；
7.根据权利要求6所述的一种柔性髋关节外骨骼机器人，其特征在于，预紧装置安装组件包括上盖、下盖、支撑壳、固定片；上盖和下盖通过u型固定片分别设置在支撑壳的两端。
8.根据权利要求6所述的一种柔性髋关节外骨骼机器人，其特征在于，惰轮组件包括惰轮和惰轮支柱；惰轮支柱固定安装在上盖上，惰轮与惰轮支柱转动安装。
9.根据权利要求6所述的一种柔性髋关节外骨骼机器人，其特征在于，预紧力组件包括压缩弹簧、上滑柱、下滑柱；压力传感器固定安装在支撑壳上，且位于上盖与上滑柱之间；上滑柱与下滑柱安装在预紧装置安装组件，且相对预紧装置安装组件滑动；压簧的两端连接上滑柱和下滑柱，且在能够轴向移动。
10.权利要求2所述的一种柔性髋关节外骨骼机器人，其特征在于，所述外骨骼机器人还包括惯性测量单元，惯性测量单元通过绑缚连接安装在所述腿带上，用于实时采集穿戴者行走过程中的位姿数据。
