CN108186294B - 一种下肢康复外骨骼系统及其主从动性可调关节 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种下肢康复外骨骼系统及其主从动性可调关节，属于医疗机器人技术领域。自上而下，下肢康复外骨骼系统依次包括相互连接的腰部穿戴单元、髋关节单元、大腿杆单元、膝关节单元、小腿杆单元、踝关节单元及足底单元；关节单元包括关节驱动器及可绕关节转轴相对转动的第一关节座与第二关节座；在一个以上的关节单元中，关节驱动器的定子与动子中，一者与第一关节座传动连接，另一者通过离合机构与第二关节座可分离地传动连接。基于前述主从动性可调关节的结构设置，使该下肢康复外骨骼系统能更好地匹配不同病患等级的康复人员，可广泛应用于下肢无力或偏瘫患者的康复训练。

Description

一种下肢康复外骨骼系统及其主从动性可调关节

技术领域

本发明涉及一种医疗机器人及其配件，具体地说，涉及一种主从动性可调关节及以该关节构建的下肢康复外骨骼系统。

背景技术

当前，我国已逐渐步入人口老龄化社会，老年人群体日益庞大，相当一部分老年人群体面临的主要疾病是脑卒中；此外，各种事故也日益增多也造成数量不小的肢体功能障碍患者。据不完全统计，上述患者的人数已超过800万；在这庞大的患者群体中，有相当一部分的患者可通过康复训练改善或恢复其运动机能。

常用康复训练主要为在专业医生的指导下，并在护士或家属的帮助下完成康复训练，这种训练方式不仅耗时费力，而且康复效果很大程度取决于医生及护士与家属的经验，导致的其康复效果很难得到保证。

随着机器人技术的发展，越来越多的科研机构开始将机器人技术应用到康复训练，以替代费用高且效果难以保证的现有康复训练技术。在替代方案中，主要是利用外骨骼康复机器人协助患者进行康复训练，不仅可节约人工费用，且可对在康复过程中的数据进行收集以制定出更好的康复训练计划。

常用下肢外骨骼产品主要分为个人版和医用版，个人版主要针对特定的用户进行定制，具有特定性，而医用版主要针对医院中的大部分患者康复需求，要求可以适应大部分患者。对于医用版，其在使用过程存在以下问题，针对患者的差异，医用下肢外骨骼的结构设计主要考虑患者的尺寸差异，并通过将下肢外骨骼设置成具有尺寸调节功能；但是，不同患者间除了尺寸有差异外，病患等级也各异，例如，有些患者一半的肢体无力、运动有障碍，有些患者仅仅是单关节运动有障碍，有些患者全瘫，所以结构上仅考虑尺寸可调的医用下肢外骨骼不能很好地适应各种病患等级的病人。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种下肢康复外骨骼系统，以更好地匹配不同病患等级的康复人员；

本发明的另一目的是提供一种下肢康复外骨骼系统，以提高外骨骼穿戴者的步行稳定性；

本发明的再一目的是提供一种用于构建上述下肢康复外骨骼系统的主从动性可调关节。

为了实现上述主要目的，本发明提供的下肢康复外骨骼系统自上而下依次包括相互连接的腰部穿戴单元、髋关节单元、大腿杆单元、膝关节单元、小腿杆单元、踝关节单元及足底单元；关节单元包括关节驱动器及可绕关节转轴相对转动的第一关节座与第二关节座；在一个以上的关节单元中，关节驱动器的定子与转子中，一者与第一关节座传动连接，另一者通过离合机构与第二关节座可分离地传动连接。

由于所采用的关节单元可通过离合机构而控制该关节自由度的动作由关节电机驱动或由外骨骼穿戴者自身力量进行驱动，从而可根据病患等级的康复需要快速调整采用上述关节单元结构对应关节单元的驱动方式，以更好的匹配其下肢在康复训练过程中对外力辅助动作的需要。

具体的方案为通过所述离合机构传动连接的关节座上设有转轴孔及沿转轴孔的径向布置的贯通孔，贯通孔的内孔口位于转轴孔的孔壁上；离合机构包括可转动地安装在转轴孔内的连接转轴及调节锁，连接转轴上设有沿其径向布置的销孔，连接转轴可绕关节转轴转动至销孔与贯通孔对接；调节锁包括锁定销及驱动锁定销的前端部通过内孔口伸入销孔内或抽离销孔的操作机构。

更具体方案为操作机构包括锁套、压缩弹簧、轴向限位件及调节件，锁套为套装在贯通孔的外孔口部上的套管，锁定销的外壁面沿其径向延伸形成有限位臂；套管的内孔为阶梯孔结构，阶梯孔背离转轴孔的孔口为大径孔口，阶梯孔的小径孔部构成与锁定销相配合的导向孔，阶梯孔的阶梯面处内凹形成有与限位臂相配合的第一限位槽与第二限位槽，第一限位槽的槽底面与连接转轴的周面间的最小间距小于锁定间距，第二限位槽的槽底面与连接转轴的周面间的最小间距大于锁定间距，锁定间距为限位臂与锁定销的内端面间的间距；轴向限位件固设在锁套的外端面上，其上设有供锁定销的外端部穿过的导向孔；调节件与锁定销的外端部固定连接，压缩弹簧的内端抵压在限位臂上，外端抵压限位件上。便于对离合机构的操控，以切换关节自由度的控制方式。

优选的方案为第一关节座与关节驱动器的转动输出轴传动连接，第二关节座通过离合机构与关节驱动器的定子可分离地固定连接；髋关节单元的内收外展被动自由度、髋关节单元的内旋外旋被动自由度、膝关节单元的内收外展被动自由度、踝关节单元的内收外展被动自由度中的至少一个被动自由度由快拆式锁定机构进行锁定及释放。通过对上述关节的内收外展被动自由度与内旋外旋被动自由度中至少一个设置快拆式锁定机构，可有效地适应不同病患等级的康复人员。

更优选的方案为快拆式锁定机构包括基座、可绕铰轴转轴转动地安装在基座上的转体座、回中弹性组件及快拆螺钉；回中弹性组件的弹性恢复力迫使转体座绕铰轴转至回中位置；基座上设有环绕铰轴布置的安全限位弧形槽，快拆螺钉的螺杆部穿过安全限位弧形槽后与转体座固定连接；转体座相对基座位于回中位置时，螺杆部位于安全限位弧形槽的圆心角中部处。锁定机构简单，且便于操作。

另一个优选的方案为第一关节座包括安装盘部，离合机构包括连接盘部；关节驱动器包括安装盘座及安装在安装盘座的两端侧上的旋转位移输出装置与减速器，旋转位移输出装置的定子及减速器的基体均与安装盘座固定连接，旋转位移输出装置的转轴穿过设于安装盘座上的通孔后与减速器的输入轴传动连接；安装盘部与减速器的输出轴传动连接；连接盘部位于减速器背离旋转位移输出装置的一侧，且与安装盘座固定连接；连接转轴固设在连接盘部背离减速器的盘面上。

为了实现上述另一目的，本发明提供另一个优选的方案为下肢康复外骨骼系统的检测单元包括足底压力检测器、上身倾角检测器及下肢关节角度检测器，下肢康复外骨骼系统的控制单元包括处理器与存储器，存储器存储有计算机程序，计算机程序被所述处理器执行时能实现实时数据获取步骤、步态相位识别步骤及外骨骼控制步骤；实时数据获取步骤包括实时获取足底压力检测器输出的足底压力数据、上身倾角检测器输出的上身倾角数据及下肢关节角度检测器输出的下肢关节角度数据；步态相位识别步骤包括依据下肢关节角度参考数据，基于实时获取的下肢关节角度数据，识别出外骨骼穿戴者的当前步态相位；外骨骼控制步骤包括在外骨骼的摆动腿将离地至摆动腿将着地的摆动过程中，控制其主支撑腿保持大致直立状态；并在外骨骼处于摆动腿将离地的步态相位时，若满足重心转移判据，则控制外骨骼的摆动腿进行离地摆动动作，若不满足重心转移判据，则语音提醒外骨骼穿戴者调整上身倾角；重心转移判据为外骨骼穿戴者的上身倾角处于第一预设区间内，且其足底压力处于第二预设区间内。

通过识别出外骨骼穿戴者的步态相位后，在摆动腿从摆动腿将离地至摆动腿将着地的摆动过程中，控制其主支撑腿保持大致直立状态；并在摆动腿离地前，使上身倾角及足底压力保持在预定区间内，以使穿戴者上身朝主支撑腿侧倾斜至其重心转移至主支撑脚的支撑面上，且该主支撑腿大致保持，有效地消除侧向倾覆力矩，从而确保外骨骼穿戴者的步行稳定。

更优选的方案为在外骨骼处于摆动腿将着地的步态相位时，且满足提前着地判据后，控制外骨骼的摆动腿的关节动作至其柔顺着地，提前着地判据为外骨骼穿戴者的足底压力处于第三预设区间内，所述柔顺着地为摆动腿在着地过程的足底压力小于第一预设值。在出现摆动腿提前着地时，通过控制各个关节动作速率，以将该摆动腿在着地过程中的足底压力控制在预定值之下，从而实现若顺着地，有效避免硬着地出现的问题。

为了实现上述再一目的，本发明提供的下肢康复外骨骼系统用的主动性可调关节包括关节驱动器及可绕关节转轴相对转动的第一关节座与第二关节座；关节驱动器的定子与动子中，一者与第一关节座传动连接，另一者通过离合机构与第二关节座可分离地传动连接。关节驱动器的转子与其中一个关节座连接，定子与另一关节座传动连接，例如，将第二关节座设置成通过离合机构与动子可分离地固定连接，从而便于对驱动两关节座相对转动的力矩来源进行选择。

具体方案为通过所述离合机构传动连接的节座上设有转轴孔及沿转轴孔的径向布置的贯通孔，贯通孔的内孔口位于转轴孔的孔壁上；离合机构包括可转动地安装在转轴孔内的连接转轴及调节锁，连接转轴上设有沿其径向布置的销孔，连接转轴可绕关节转轴转动至销孔与贯通孔对接；调节锁包括锁定销及驱动锁定销的前端部通过内孔口伸入销孔内或抽离销孔的操作机构。

更具体方案为第一关节座与关节驱动器的输出轴传动连接，第二关节座通过离合机构与电机的定子可分离地固定连接；调节锁包括锁套、压缩弹簧、轴向限位件及调节件，锁套为套装在贯通孔的外孔口部上的套管，锁定销的外壁面沿其径向延伸形成有限位臂；套管的内孔为阶梯孔结构，阶梯孔背离转轴孔的孔口为大径孔口，阶梯孔的小径孔部构成与锁定销相配合的导向孔，阶梯孔的阶梯面处内凹形成有与限位臂相配合的第一限位槽与第二限位槽，第一限位槽的槽底面与连接转轴的周面间的最小间距小于锁定间距，第二限位槽槽底面与连接转轴的周面间的最小间距大于锁定间距，锁定间距为限位臂与锁定销的内端面间的间距；轴向限位件固设在锁套的外端面上，其上设有供锁定销的外端部穿过的导向孔；调节件与锁定销的外端部固定连接，压缩弹簧的内端抵压在限位臂上，外端抵压限位件上。

另一个优选的方案为第一关节座包括安装盘部，离合机构包括连接盘部；关节驱动器包括安装盘座及安装在安装盘座的两端侧上的旋转位移输出装置与减速器，旋转位移输出装置的定子及减速器的基体均与安装盘座固定连接，旋转位移输出装置的转轴穿过设于安装盘座上的通孔后与减速器的输入轴传动连接；安装盘部与减速器的输出轴传动连接；连接盘部位于减速器背离旋转位移输出装置的一侧，且与安装盘座固定连接；连接转轴固设在连接盘部背离减速器的盘面上。

附图说明

图1为本发明下肢康复外骨骼系统实施例的立体图；

图2为本发明下肢康复用外骨骼系统实施例中的主从动性可调关节的主视图；

图3为本发明下肢康复用外骨骼系统实施例中的主从动性可调关节的立体图；

图4为本发明下肢康复用外骨骼系统实施例中主从动性可调关节的结构分解图；

图5为本发明下肢康复用外骨骼系统实施例中的调节锁的立体图；

图6为本发明下肢康复用外骨骼系统实施例中锁套的结构图；

图7为本发明下肢康复用外骨骼系统实施例中调节锁的结构分解图；

图8为本发明下肢康复用外骨骼系统实施例中锁套与锁芯轴在关节单元为锁定状态下的结构图；

图9为本发明下肢康复用外骨骼系统实施例中锁套与锁芯轴在关节单元为释放状态下的结构图；

图10为本发明下肢康复用外骨骼系统实施例中主从动性可调关节处于锁定状态时的结构图；

图11为本发明下肢康复用外骨骼系统实施例中可调关节处于释放状态时的结构图；

图12为图1中的A局部放大图；

图13为本发明下肢康复用外骨骼系统实施例中髋关节单元的立体图；

图14为本发明下肢康复用外骨骼系统实施例中髋关节单元的结构分解图；

图15为本发明下肢康复用外骨骼系统实施例中踝关节单元与柔性足底单元的立体图；

图16为本发明下肢康复用外骨骼系统实施例中踝关节与柔性足底单元的结构分解图；

图17为本发明外骨骼系统实施例中的预设重心转移步态的过程示意图；

图18本发明外骨骼系统实施例中的足底压力传感器的布置位置示意图。

具体实施方式

以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。

在下述实施例中，以髋关节、膝关节与踝关节自由度均可调整且被动自由度可自动回中的医用下肢康复外骨骼系统为例，对本发明下肢康复外骨骼系统及其主从动性可调关节的结构进行示例性说明。

下肢康复外骨骼系统实施例

参见图1，本发明下肢康复外骨骼系统1包括控制单元、检测单元及外骨骼1。控制单元包括处理器与存储器，检测单元向控制单元输出检测信号，控制单元向外骨骼的各驱动机构输出控制信号，以驱动外骨骼按照预定轨迹行走。

外骨骼1包括腰部穿戴单元11、髋关节单元12、大腿杆13、大腿绑带14、膝关节单元15、小腿绑带16、小腿杆17、踝关节单元18及柔性足底单元19。腰部穿戴单元11用于外骨骼系统与人体腰部的固定；髋关节单元12、膝关节单元15及踝关节单元18均包括如图2至图4所示的主从动性可调关节2；大腿杆13用于带动人体大腿运动，小腿杆17用于带动人体小腿运动。绑带用于连接腿杆与人腿，从而使腿杆可带动人腿按预定轨迹运动；柔性足底单元与人体脚配合，从而通过踝关节单元18带动其相对小腿杆17运动而驱使脚掌相对小腿运动。

参见图2至图4，主从动性可调关节2包括驱动单元3和主从动性调节单元4。

驱动单元3包括关节电机31、用于安装电机的法兰盘32、谐波减速器33、关节动力输出杆34及推力轴承35。关节电机31固定在法兰盘32右外侧端面上，法兰盘32左内侧端面与谐波减速器13的钢轮固定连接，关节电机31与谐波减速器33的波形发生器固定连接，关节动力输出杆34包括圆形的安装盘部340及沿安装盘部340径向布置地固设在安装盘部的边缘上的连接杆部341，安装盘部340与谐波减速器33的柔轮固定连接，推力轴承35安置在安装盘部340右侧面上的凹槽内，关节动力杆34包括安装盘部。关节电机31与谐波减速器一起构成本实施例中的关节驱动器。

在工作过程中，关节电机31输出的转动动力经过谐波减速器33减速后再传递给关节动力输出杆34，从而迫使安装盘部340带动杆部341绕关节转轴转动，从而带动相应由关节单元连接的两组件相互转动，比如，膝关节单元15上的主从动性可调关节2用于迫使小腿杆17相对大腿杆13绕关节转轴转动。

主从动性调节装置4包括调节锁5、关节连接件41、关节安装座42、关节旋转法兰盘43、关节内侧锁紧螺钉44、推力轴承451、推力轴承452及深沟球轴承46。

关节安装座42的本体大致为长方体结构，关节连接件41通过螺栓固定在关节安装座42的侧面，用于与大腿杆单元13等其他单元固定连接，关节旋转法兰盘43套在关节座42的旋转孔中，并在关节安装座42的两侧分别设有推力轴承451和452，关节内侧锁紧螺钉44与关节旋转法兰盘43右侧螺纹孔连接，深沟球轴承46内置关节旋转法兰盘43左侧孔内，其与推力轴承35一起确保关节旋转法兰盘43与安装盘部340间能很好的相对转动，以确保关节动力输出杆34旋转的稳定性，调节锁5固定在关节座42上。

上述关节动力输出杆34构成本实施例中的第一关节座，关节安装座42构成本实施例中的第二关节座，即第一关节座与第二关节座可绕关节转轴相对转动，从而在未受其他力约束时，二者能够相对自由转动。

参见图4、图10及图11所示，在关节旋转法兰盘43的左侧端面上固设有连接转轴430，关节安装座42上设有与连接转轴430相配合的转轴孔420及沿转轴孔420的径向布置的贯通孔421，贯通孔421的内孔口位于转轴孔420的孔壁上。在本实施例中，连接转轴430内设有供关节内侧锁紧螺钉44的螺杆固定连接的内螺孔4300。在连接转轴430上设有沿其径向布置的销孔4301，连接转轴430可绕关节转轴转动至销孔4301与贯通孔421对接。

参见图5至图9，调节锁5包括锁套6、锁定销7、压缩弹簧51、锁套盖52、调节盘53及锁定螺母54。

锁套6为套装在贯通孔421的外孔口部上的套管；锁定销7的本体70为圆杆结构，圆杆结构的外壁面沿其径向延伸形成有限位臂71；锁套6的内孔为阶梯孔结构60，阶梯孔60背离转轴孔420的孔口为大径孔口602，阶梯孔60的小径孔部601构成与锁定销7相配合的导向孔，阶梯孔60的阶梯面61处内凹形成有与限位臂71相配合的第一限位槽62与第二限位槽63，第一限位槽62的槽底面与连接转轴430的周面间的最小间距小于锁定间距，第二限位槽63槽底面与所述连接转轴的周面间的最小间距大于锁定间距，该锁定间距被配置为限位臂71与锁定销7的内端面间的间距，即与锁定销7的前端面间的间距；锁套盖52固设在锁套6的外端面上，其上设有供锁定销7的外端部穿过的导向孔520；调节盘53与锁定销7的外端部通过锁定螺母54固定连接，压缩弹簧51的内端抵压在限位臂71上，外端抵压在锁套盖52上，即锁套盖52构成本实施例中的轴向限位件，调节盘53构成本实施例中的调节件。

如图10及图11所示 ，在工作过程中，通过调节盘53先往左向外拔锁定销7，然后旋转调节盘53。当锁定销7的限位臂71转至第一限位槽62的槽口时，释放对调节盘53，从而在压缩弹簧51的弹性恢复力的作用下，限位臂71抵靠第一限位槽62的槽底面，并使连接转轴430旋转至销孔4301与贯通孔421对接，以使锁定销7的前端插入销孔4301内，从而对关节安装座42与关节旋转法兰盘43的相对位置进行锁定，从而可通过关节电机31驱动关节动力杆34相对关节旋转法兰盘43绕关节转轴转动，从而驱动关节动力杆34相对关节安装座42转动，即驱动第一关节座相对第二关节座绕关节转轴转动，此时各部件间的相对位置如图10所示，即此时关节驱动负载转动，调节盘53位于主动挡。而当锁定销7的限位臂71转至第二限位槽63的槽口时，释放对调节盘53，从而在压缩弹簧51的弹性恢复力的作用下，限位臂71抵靠第二限位槽63的槽底面，以使锁定销7的前端抽离销孔4301，从而对关节安装座42与关节旋转法兰盘43的相对位置进行释放，关节旋转法兰盘43能相对于关节安装座42绕关节轴旋转，即关节安装座42与关节电机的定子间脱离耦合，各部件间的相对位置如图11所示，此时关节电机31不转动，即外骨骼关节跟随人体被动转动，调节盘53位于从动挡。即调节锁5、连接转轴430、关节旋转法兰盘43一起构成本实施例中设于关节驱动器与关节安装座间的手控离合机构，因此，在本实施例中，关节驱动器的转子与第一关节座传动连接，定子与第二关节座通过离合机构可分离地固定连接，以实现其固定在关节转轴固定座的状态与可绕关节轴固定座轴孔转动的状态的调整。

因此，可通过调整对应关节的关节主从动性调节锁销5的位置，可实现对应屈伸自由度由电机主动控制转动或者跟随负载被动转动。即当调节锁5的调节盘35旋转锁定到主动档时，关节动力输出杆34由关节电机31主动控制旋转，带动相应的人体部位运动，当调节锁5的调节盘53旋转锁定到从动档时，关节电机不转动，关节动力输出杆34根据大腿杆13、小腿杆17、柔性足底单元19等负载需要而被动转动。

此外，在本实施例中，对于髋关节的内收外展、内旋外旋，膝关节的内收外展，踝关节的内收外展的被动自由度均设置快拆式锁定结构进行锁定或释放，以根据病患等级而适应性地锁定或释放向光自由度。

参见图1及图12至图16，自由度可调整的下肢康复外骨骼系统的腰部穿戴单元11通过髋关节连接组件8与髋关节单元12连接；髋关节单元12与大腿杆单元13上端固定连接，即通过如图4所示的连接杆部341与大腿杆上端固定连接；大腿杆单元13下端与膝关节单元15连接，膝关节单元15与小腿杆单元17上端连接，对应通过如图4所示的关节连接件41与大腿杆下端固定连接及通过连接杆部341与小腿杆上端固定连接；小腿杆单元17下端与踝关节单元18连接，踝关节单元18与柔性足底单元19连接，即通过如图4所示的关节连接件41与小腿杆下端固定连接及通过连接杆部341与柔性足底单元19固定连接。

髋关节单元12的内收外展被动自由度的快速固定与释放通过快拆螺钉81实现，同时通过板簧85、86实现自动回中的功能，髋关节单元12的内旋外旋被动自由度的快速固定与释放通过快拆螺钉82实现，同时通过拉伸弹簧83、84实现自动回中的功能。膝关节单元15与踝关节单元18的内收外展自由度也通过快拆螺钉实现快速固定与释放，并通过弹性组件实现自动回中。

髋关节单元12包括髋关节内旋外旋座91、髋关节内旋外旋轴92、吊耳螺钉901、髋关节内收外展座93、内收外展旋转轴902、快拆螺钉81、快拆螺钉82、拉伸弹簧84、拉伸弹簧83、固定螺钉903、板簧85及板簧86。髋关节内旋外旋轴92套在髋关节内旋外旋座91上沿竖向布置的旋转孔内，吊耳螺钉901与髋关节内旋外旋轴92上的螺纹孔连接，快拆螺钉82穿过髋关节内旋外旋座91上的弧形角度安全限位槽孔910与髋关节内旋外旋轴92的固定孔920连接，拉伸弹簧83、84前端通过前固定螺钉903与髋关节内旋外旋轴92固定连接，拉伸弹簧83、84的后端通过后固定螺钉903与髋关节内旋外旋座91连接，髋关节内收外展座93与髋关节内旋外旋轴92下端面通过螺栓固定连接；板簧85、86上端与髋关节内收外展座93连接，内收外展旋转轴902穿过设于髋关节内收外展座93上的转轴孔与关节连接件41固定连接连接，板簧85、86下端部夹持在关节连接件41外侧面上，其弹性恢复力用于使髋关节内收外展座93相对关节连接件41回中。

快拆螺钉81穿过髋关节内收外展座93的角度安全限位槽孔930与关节连接件41上的固定孔410固定连接。髋关节内收外展被动自由度的快速固定与释放通过快拆螺钉81实现，同时通过弹性组件板簧85、86实现自动回中的功能，髋关节内旋外旋被动自由度的快速固定与释放通过快拆螺钉82实现，同时通过弹性组件弹簧83、84实现自动回中的功能，从使内收外展及内旋外旋两个被动自由度均有安全角度限位。

参见图15及图16，踝关节单元18的关节连接件41与小腿杆单元的小腿杆170通过内收外展旋转轴941连接，快拆螺钉95穿过小腿杆170上的踝关节安全角度限位槽孔171与关节连接件41连接，板簧942上端部固定在小腿170上，下端部夹持在关节连接件41的外侧面上。踝关节内收外展被动自由度的快速固定与释放通过快拆螺钉95实现，同时通过弹性组件板簧942实现自动回中的功能，同时自由度有安全角度限位。膝关节与大腿杆之间的连接与踝关节相同，在此不再赘述。为了让踝关节在被动状态下，屈伸自由度能在人体行走步态中回收伴随初始接触相产生的可回收能量，并在预摆动相时释放能量，让外骨骼穿起来更舒适、更省力，在其离合机构中加入了合适的扭簧96，扭簧96套在关节旋转法兰盘43的连接转轴430上，如图16所示，扭簧96的右端扭臂与关节电机输出杆34固定连接，扭簧96左端扭臂与关节安装座42连接，当踝关节绕关节安装座42被动旋转时，扭簧96会工作，实现能量的回收与释放。

在工作过程中，通过设置快拆螺钉、安全角度范围限制槽孔及回中弹性组件，当拧紧对应被动自由度的快拆螺钉时，该自由度锁定，当拧松对应的快拆螺钉，该被动自由度能在安全的角度内自由转动，同时由于设置的回中弹性组件，该被动自由度在外力较小时能自动回中。因为医院中的患者的病况各异，有些患者一半的肢体无力、运动有障碍，有些患者仅仅是单关节运动有障碍，有些患者全瘫，根据患者的病患情况医用下肢外骨骼各个关节自由度可以快速配置，使下肢外骨骼能更适合病人的情况，同时外骨骼零件尽量采用轻质高强度材料，比如碳纤维材料，让外骨骼穿戴起来更舒适，轻巧。

上述髋关节内旋外旋座91、髋关节内收外展座93及小腿杆170构成本实施例中的基座；髋关节内旋外旋轴92，髋关节单元12中的关节连接件41，及踝关节单元18中关节连接件41构成本实施例中的转体座；拉伸弹簧83与拉伸弹簧84，板簧85与板簧86，及两个板簧942构成本实施例中的回中弹性组件；910、930、171构成本实施例中的安全限位弧形槽。

基于上述结构设计，本发明具有如下优势：

（1）设计的主从动性可调关节的动力机构可以很方便、快速的实现自由度的主从动性调节，并将该机构用于医用下肢步行康复外骨骼的髋关节、膝关节、踝关节的屈伸自由度上，当关节需要由电机主动控制转动时，将关节主从动性调节装置中的关节主从动性调锁锁定到主动档，该关节由电机主动控制，当该关节不需要电机主动控制转动时，将关节主从动性调节装置中的关节主从动性调锁锁定到被动档，该关节根据负载需要被动旋转。

（2）外骨骼髋关节的内收外展、内旋外旋被动自由度，膝关节的内收外展被动自由度，踝关节的内收外展被动自由度可以通过快拆螺钉实现快速的固定与释放。

在上述外骨骼系统中，其包括穿戴在在外骨骼穿戴者上身上的控制背包，控制背包包括背包袋及安放在该背包袋内的供电电池与控制单元，供电电池为整个外骨骼系统的正常工作供电。

检测单元包括用于检测外骨骼穿戴者上身倾角的上身倾角检测器，用于检测下肢关节角度的下肢关节角度检测器，安装在柔性足底单元19上用于检测外骨骼穿戴者足底不同位置处压力的足底压力检测器，及用于测量人与外骨骼之间人机交互力的传感器；这些检测器向控制输出实时检测信号，包括上身倾角信号、下肢关节角度信号、足底压力信号及人机交互力信号。在本实施例中，上身倾角检测器为安置在控制背包内的1个上身倾角传感器，在本实施例中上身倾角传感器选用陀螺仪，用于测量外骨骼穿戴者上身在人体矢状面与额状面上的倾角数据；下肢关节角度检测器为安置在对应关节处的关节角度传感器，用于测量外骨骼上的髋关节、膝关节、踝关节的转角，共6个；人机交互力力传感器选用S型拉压力传感器，用于测量人与外骨骼之间的人机交互力，即用于检测大腿杆与大腿间或小腿杆与小腿间相互作用力的变化情况，安置在外骨骼的大小腿绑带内，共6个；足底压力检测器为安置在柔性足底单元上的足底压力传感器，具体选用美国Tekscan公司的FlexiForce型压力传感器，用于测量左右脚底不同位置处的压力，如图18所示，具体检测位置为足跟和前脚掌、脚尖的4个位置，即每个足底有4个，共8个。

检测单元中的各检测传感器所采集到的检测信号通过采集卡输送给控制单元，控制单元根据检测信号及预定程序控制驱动器驱动各个关节电机动作，关节电机带动外骨骼相应关节运动，从而辅助外骨骼穿戴者完成预定的康复训练动作。对采集卡所采集到的信号进行如下实时处理：

（1）滤波处理：对信号进行带通滤波；

（2）放大处理；

（3）去除噪声处理，去除的噪声包括检测信号中的直流成分、皮肤摩擦的高频噪声及工频干扰，具体采用加权平均方式，以增大信噪比，从而减少噪声对检测信号的影响；

（4）数据离散化处理。

在使用上述外骨骼系统之前，需先建设出重心转移步态数据库，在本实施例中，构建重心转移步态数据库的过程包括让样本人群模拟预先设计出的预设重心转移步态行走，在样本人群熟练掌握该预设重心转移步态之后，通过三维光运动捕捉系统、上身倾角传感器、足底压力传感器采集样本人群在模拟该预设重心转移步态的过程的行走步态信息数据，依据所采集的数据建设重心转移步态数据库。重心转移步态数据库的建设过程包括以下步骤：

（1）训练步骤S11，让正常样本人群模拟预设重心转移步态行走并熟练掌握。

在本实施例中，预设重心转移步态如图17所示，在该图中以实线表征右脚而用虚线表征左脚，根据一个步态周期的支撑相和摆动相中右脚足底压力的变化，将一个步态周期划分为8个阶段，该8个阶段具有8个相位，即（A）全脚支撑—前，右脚全脚底面着地，且右脚在前，此时，人体体重在左右两脚上均分；（B）全脚支撑——转，右腿大致直立，右脚全脚底面着地，左脚掌轻触地面，此时，人体上身右倾，重心从两脚之间转移至右脚支撑面上，人体大部分体重支撑在右腿上；（C）全脚支撑—支，右腿大致直立，右脚全脚底面着地，左脚离地摆动，此时，人体上身右倾，重心仍在右脚支撑面上，体重完全由右脚支撑；（D）全脚支撑—摊，右腿大致直立，右脚全脚底面着地，左脚跟轻触地面，此时，人体上身右倾，人体大部分体重由右脚支撑；（E）全脚支撑—后，右脚全脚底面着地，且右脚在后，此时，人体体重在左右两脚上均分；（F）脚掌撑地，左腿大致直立，左脚全脚底面着地，右脚掌轻触地面，此时，人体上身左倾，重心从两脚均之间转移至左脚支撑面上，大部分体重支撑在左腿上；（G）脚掌离地，左腿大致直立，左脚全脚底面着地，右脚离地摆动，此时，人体上身左倾，重心仍在左脚支撑面上，体重完全由左脚支撑；及（H）脚跟着地，左腿大致直立，左脚全脚底面着地，右脚跟轻触地面，此时，人体上身左倾，人体大部分体重由左脚支撑。让样本人群依次重复上述预设重心转移步态至熟练掌握。

即在本预设重心转移步态中，在支撑相中，右腿为主支撑腿，而左腿为摆动腿；而在摆动相中，右腿为摆动腿，而左腿为主支撑腿；且在（B）全脚支撑—转相位至（D）全脚支撑—摊相位及（F）脚掌撑地相位至（H）脚跟着地相位的过程，为外骨骼的摆动腿将离地至该摆动腿将着地的摆动过程。

（2）数据采集步骤S12，采集已熟练掌握前述预设重心转移步态的样本人群在模拟该预设重心转移步态过程中的行走步态信息数据。

通过三维光运动捕捉系统optrack、上身倾角传感器、足底压力传感器获取样本人群在模拟该预设重心转移步态步行过程的多个周期的行走步态数据，行走步态数据包括下肢关节角度数据、足底压力数据及上身姿态数据；其中，下肢关节角度数据包括髋关节、膝关节及踝关节的关节角度数据，足底压力数据包括足跟、前脚掌及脚尖的压力数据，上身姿态数据包括人体上身在人体矢状面与额状面上的倾角数据。其中，足底压力数据采用布置足底上不同位置处的足底压力传感器进行检测采集，该足底压力压力传感器选用美国Tekscan公司的FlexiForce型压力传感器，四个压力传感器的布置位置如图18所示，即位于足跟和前脚掌、脚尖的4个位置，用来检测足底与地面的接触状态以及其相互作用力。

（3）构建数据库步骤S13，对所采集的行走步态数据进行处理，构建出重心转移步态数据库。

（3.1）数据处理步骤: 对所采集的多个周期的步态数据进行滤波、放大、去噪与离散化处理，得到一周期内任意时刻的步态数据，步态数据包括关节角度数据、足底压力数据与上身倾角数据；

（3.2）构建数据库步骤:对预设数量阈值以上的样本人群重复采集多组的数据并进行数据处理，建立数据库。（1）对比同一个样本不同周期之间的差异以及不同样本之间的差异，整合数据并优化，具体为去除差异较大的数据，在本实施例中为去除偏离整体平均值的比例超过预设阈值的数据，例如超过30%，并将剩余数据平均处理，得到数据库中样本数据；（2）统筹所有样本数据，获取一个步态周期内任意时刻的关节角度值对应时刻的足底压力值置信区间与上身倾角值置信区间，及根据足底压力变化获取步态周期内任意时刻的重心位置，例如，将位于同一预设体重区间内样本人群在同一相位的一类数据的最大值与最小值作为该预设体重区间内样本人群的该类数据置信区间的端点值；再根据步态8个相位进行划分，将（B）全脚支撑——转相位时的数据置信区间作为控制外骨骼驱动人后腿离地时机的判据，定义为重心转移判据，即在后脚将离地时的相位，通过判断足底压力是否位于足底压力置信期间内及上身倾角是否位于上身倾角置信期间内来判断重心是否转移；将（D）全脚支撑——摊相位时的数据置信区间作为控制外骨骼驱动人前脚着地时机的判据，定义为提前着地判据，即前脚将着地时，以判断在着地过程是否出现提前着地。对于每一个相位，判断其上身倾角、足底压力均位于置信区间内，以作为外骨骼否能稳定行走的稳定判据，定义为稳定判据，即判断是否会出现失稳现象。其中，足底压力值置信区间构成本实施例中的第二预设区间与第三预设区间，上身倾角值置信区间构成本实施例中的第一预设区间。

根据上述已经构建出的重心转移步行数据库，控制上述外骨骼系统进行步行的控制方法包括以下步骤：

（1）参数初始化步骤S21，依据康复患者身体信息对外骨骼系统的控制参数进行初始化，以选择其体重所对应置信区间，即预设区间。

在康复患者穿上外骨骼系统1并准备好后，外骨骼系统先带动患者下肢轻微抖动一段时间，将测得的足底压力值的总和的平均值作为参照的体重值，并依据获取的体重值，选择该体重值所在预设体重区间对应的子数据库，对应子数据库包括下肢关节角度及其对应的上身倾角置信区间与足底压力置信区间，将测得的人机交互力作为参照的人机交互力的初始值。

（2）实时数据获取步骤S22，获取检测单元对穿戴有上述外骨骼系统的患者在康复训练过程中的行走步态数据。

当患者等康复人员在穿戴有上述外骨骼系统1进行步行康复训练时，通过检测器30采集其在康复训练过程中的行走步态信息。具体为，通过上身倾角传感器实时测量康复患者上身在人体矢状面与额状面的倾角数据，通过角度传感器实时测量的外骨骼关节的角度数据，即髋关节、膝关节与踝关节的转角数据，通过足底压力传感器实时测量左右两脚底的压力数据，及通过人机交互力传感器测量人与外骨骼之间的人机交互力。

（3）数据处理步骤S23，对接收到的行走步态数据进行滤波、信号放大、去噪及离散化处理。

（4）步态稳定判断步骤S24，根据采集的行走步态数据，依据稳定判据判断外骨骼的行走状态是否稳定；若失稳，则根据失稳情况与及失稳趋势修正步态轨迹，尽可能快地控制外骨骼关节角度达到稳定状态；若稳定，则进行步态相位实时识别。

（5）步态相位识别步骤S25，根据实时采集到的行走步态数据中的关节角度数据与步态数据库中的关节角度数据进行比对，识别出外骨骼实时的步态相，即判断出当前时刻处于上述八个相位中的哪一个。

（6）外骨骼控制步骤S26，根据当前下肢关节角度数据、上身倾角数据与足底压力数据，匹配出下一时刻的关节角度数据；并在摆动腿将离地时，判断是否满足重心转移判据，以控制摆动腿离地的时机；在摆动腿即将着地时，判断是否满足提前着地判据，以控制摆动腿在提前着地过程的关节动作而实现柔顺着地。

（6.1）在判断出外骨骼处于摆动腿即将离地的相位时，即（B）全脚支撑-转相位与（F）脚掌撑地相位，根据重心转移判据，对比该时刻采集到的足底压力、上身倾角数据与数据库对应相位时的数据，以判断重心是否转移完成；若患者重心没有转移或者转移不充分，则后脚受力，后脚的脚底压力中，脚尖和前脚掌处的3个压力传感器采集的压力值将会比较大，3个压力值的和超过后脚重心转移的置信值，通常取该置信值为参数初始化步骤中获取体重值的15%，同时前脚脚底压力值的和会低于前脚重心转移的置信值，通常取该置信值为参数初始化步骤中获取体重值的85%；此时，外骨骼会通扬声器语音提示穿戴人员稍微将上身侧倾，进一步根据上身倾角数据提醒侧倾角度值，并等待调整到位；相反地，若患者重心已经转移到位，则后脚只是轻轻触地，后脚的脚底压力中，脚尖和前脚掌处的3个压力传感器采集的压力值将会比较小，3个压力值的和小于后脚重心转移的置信值，通常取该置信值为参数初始化步骤中获取体重值的15%，同时前脚脚底压力值的和会大于前脚重心转移的置信值，通常取该置信值为参数初始化步骤中获取体重值的85%。

（6.2）在判断出外骨骼处于摆动腿即将着地的相位时，即（D）全脚支撑-摊相位与（H）脚跟撑地相位，根据提前着地判据，对比该时刻采集到的足底压力、上身倾角数据与数据库对应相位时的数据，判断外骨骼是否会提前着地，例如，在行进路径上有凸起时会使外骨骼的摆动腿比预设时机提前着地，即摆动腿相应的关节角度数据未达到着地数据，而摆动腿脚底提前出现足底压力数据，此时，摆动腿足底压力中足跟处的压力值会提前变大，若没有提前着地，该数字往往比较小，通常约为零，此时根据足底压力的数值与关节角度及时合理修正外骨骼关节角度曲线，使外骨骼柔顺着地，避免外骨骼摆动腿提前着地带来的冲击与失稳。

（6.3）将匹配得到的下肢外骨骼关节角度信息传递给对应的关节电机驱动器，控制对应的关节电机转动，在电机转动过程中，通过内置在大小腿绑带内的S型拉力传感器实时测量得到的人与外骨骼之间的人机交互力来实现人机交互力的柔顺控制，若测得的人机交互力超过设定的最大值，通过降低电机转速，减速电机出轴力矩，确保人与外骨骼之间的人机交互力在安全舒适的范围内，保障人与外骨骼之间良好的人机协调性，从而实现外骨骼的稳定控制。

在本外骨骼系统的主控单元102中，其存储器内存储有计算机程序，该计算机程序被其处理器执行时，能实现上述参数初始化步骤S21、实时数据获取步骤S22、数据处理步骤S23、步态稳定判断步骤S24、步态相位识别步骤S25、外骨骼控制步骤S26。

主从动性可调关节实施例

在上述下肢康复外骨骼系统实施例中已对本发明主从动性可调关节实施例进行了说明，在此不再赘述。

在本发明中，关节驱动器被配置为用于驱动第一关节座与第二关节座相对转动的旋转动力输出装置；在上实施例中，其采用关节电机与减速器配置构成，减速器采用谐波减速器，以降低关节驱动器的体积，更好地构建出外骨骼结构；但本发明中的关节驱动器的结构并不局限于上述实施例中的关节电机与减速器配合构建，其还可采用其他结构与工作原理的转动动力输出装置替代上述实施例中的结构，比如采用气动系统进行驱动。此外，离合机构的具体结构并不局限于上述实施例中的结构，其还有多种显而易见的变化；且关节驱动器中的定子或动子与两个关节座之间的连接关系，即离合机构用于定子或动子与其中一个关节座之间传动关系，其随关节结构变化还有多种显而易见的变化，并不局限于上述实施例中的具体结构。

Claims (4)

1.一种下肢康复外骨骼系统，自上而下，依次包括相互连接的腰部穿戴单元、髋关节单元、大腿杆单元、膝关节单元、小腿杆单元、踝关节单元及足底单元；

关节单元包括关节驱动器及可绕关节转轴相对转动的第一关节座与第二关节座；

其特征在于：

在一个以上的关节单元中，所述关节驱动器的定子与动子中，一者与所述第一关节座传动连接，另一者通过离合机构与所述第二关节座可分离地传动连接；用于通过所述离合机构而控制该关节单元的自由度，而使该关节单元的动作由关节电机驱动或由外骨骼穿戴者自身力量进行驱动；

通过所述离合机构传动连接的关节座上设有转轴孔及沿所述转轴孔的径向布置的贯通孔，所述贯通孔的内孔口位于所述转轴孔的孔壁上；

所述离合机构包括可转动地安装在所述转轴孔内的连接转轴及调节锁，所述连接转轴上设有沿其径向布置的销孔，所述连接转轴可绕所述关节转轴转动至所述销孔与所述贯通孔对接；

所述调节锁包括锁定销及驱动所述锁定销的前端部通过所述内孔口伸入所述销孔内或抽离所述销孔的操作机构；

所述操作机构包括锁套、压缩弹簧、轴向限位件及调节件，所述锁套为套装在所述贯通孔的外孔口部上的套管，所述锁定销的外壁面沿其径向延伸形成有限位臂；

所述套管的内孔为阶梯孔结构，所述阶梯孔结构背离所述转轴孔的孔口为大径孔口，所述阶梯孔结构的小径孔部构成与所述锁定销相配合的导向孔，所述阶梯孔结构的阶梯面处内凹形成有与所述限位臂相配合的第一限位槽与第二限位槽，所述第一限位槽的槽底面与所述连接转轴的周面间的最小间距小于锁定间距，所述第二限位槽的槽底面与所述连接转轴的周面间的最小间距大于所述锁定间距，所述锁定间距为所述限位臂与所述锁定销的内端面间的间距；

所述轴向限位件固设在所述锁套的外端面上，其上设有供所述锁定销的外端部穿过的导向孔；

所述调节件与所述锁定销的外端部固定连接，所述压缩弹簧的内端抵压在所述限位臂上，外端抵压所述限位件上；

所述第一关节座与所述关节驱动器的转动输出轴传动连接，所述第二关节座通过所述离合机构与所述关节驱动器的定子可分离地固定连接；

所述髋关节单元的内收外展被动自由度、所述髋关节单元的内旋外旋被动自由度、所述膝关节单元的内收外展被动自由度及所述踝关节单元的内收外展被动自由度中的至少一个被动自由度由快拆式锁定机构进行锁定及释放；

所述快拆式锁定机构包括基座、可绕铰轴转轴转动地安装在所述基座上的转体座、回中弹性组件及快拆螺钉；

所述回中弹性组件的弹性恢复力迫使所述转体座绕所述铰轴转至回中位置；

所述基座上设有环绕所述铰轴布置的安全限位弧形槽，所述快拆螺钉的螺杆部穿过所述安全限位弧形槽后与所述转体座固定连接；

所述转体座相对所述基座位于所述回中位置时，所述螺杆部位于所述安全限位弧形槽的圆心角中部处。

2.根据权利要求1所述的下肢康复外骨骼系统，其特征在于，所述下肢康复外骨骼系统的检测单元包括足底压力检测器、上身倾角检测器及下肢关节角度检测器，所述下肢康复外骨骼系统的控制单元包括处理器与存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时能实现以下步骤：

实时数据获取步骤，实时获取所述足底压力检测器输出的足底压力数据、所述上身倾角检测器输出的上身倾角数据及所述下肢关节角度检测器输出的下肢关节角度数据；

步态相位识别步骤，依据下肢关节角度参考数据，基于实时获取的下肢关节角度数据，识别出外骨骼穿戴者的当前步态相位；

外骨骼控制步骤，在外骨骼的摆动腿将离地至所述摆动腿将着地的摆动过程中，控制其主支撑腿保持大致直立状态；并在外骨骼处于摆动腿将离地的步态相位时，若满足重心转移判据，则控制外骨骼的摆动腿进行离地摆动动作，若不满足所述重心转移判据，则语音提醒外骨骼穿戴者调整上身倾角；所述重心转移判据为外骨骼穿戴者的上身倾角处于第一预设区间内，且其足底压力处于第二预设区间内。

3.根据权利要求2所述的下肢康复外骨骼系统，其特征在于：

在外骨骼处于摆动腿将着地的步态相位时，且满足提前着地判据后，控制外骨骼的摆动腿的关节动作至其柔顺着地，所述提前着地判据为外骨骼穿戴者的足底压力处于第三预设区间内，所述柔顺着地为摆动腿在着地过程的足底压力小于第一预设值。

4.一种下肢康复外骨骼系统用的主从动性可调关节，包括关节驱动器及可绕关节转轴相对转动的第一关节座与第二关节座；

其特征在于：

所述关节驱动器的定子与动子中，一者与所述第一关节座传动连接，另一者通过离合机构与所述第二关节座可分离地传动连接；用于通过所述离合机构而控制该关节的自由度，而使该关节的动作力矩来源能进行选择；

通过所述离合机构传动连接的关节座上设有转轴孔及沿所述转轴孔的径向布置的贯通孔，所述贯通孔的内孔口位于所述转轴孔的孔壁上；

所述离合机构包括可转动地安装在所述转轴孔内的连接转轴及调节锁，所述连接转轴上设有沿其径向布置的销孔，所述连接转轴可绕所述关节转轴转动至所述销孔与所述贯通孔对接；

所述调节锁包括锁定销及驱动所述锁定销的前端部通过所述内孔口伸入所述销孔内或抽离所述销孔的操作机构；

所述第一关节座与所述关节驱动器的输出轴传动连接，所述第二关节座通过所述离合机构与所述关节驱动器的定子可分离地固定连接；

所述操作机构包括锁套、压缩弹簧、轴向限位件及调节件，所述锁套为套装在所述贯通孔的外孔口部上的套管，所述锁定销的外壁面沿其径向延伸形成有限位臂；

所述套管的内孔为阶梯孔结构，所述阶梯孔结构背离所述转轴孔的孔口为大径孔口，所述阶梯孔结构的小径孔部构成与所述锁定销相配合的导向孔，所述阶梯孔结构的阶梯面处内凹形成有与所述限位臂相配合的第一限位槽与第二限位槽，所述第一限位槽的槽底面与所述连接转轴的周面间的最小间距小于锁定间距，所述第二限位槽的槽底面与所述连接转轴的周面间的最小间距大于所述锁定间距，所述锁定间距为所述限位臂与所述锁定销的内端面间的间距；

所述轴向限位件固设在所述锁套的外端面上，其上设有供所述锁定销的外端部穿过的导向孔；

所述调节件与所述锁定销的外端部固定连接，所述压缩弹簧的内端抵压在所述限位臂上，外端抵压所述限位件上。