CN108392378A - 下肢康复训练外骨骼系统及其步行控制方法与髋关节结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种下肢康复训练外骨骼系统及其步行控制方法与髋关节结构，属于医疗机器人技术领域。髋关节结构包括外展自由度欠驱动机构，外展自由度欠驱动机构包括安装座、左髋关节内收驱动臂、右髋关节内收驱动臂及驱动器；左髋关节内收驱动臂与右髋关节内收驱动臂可在内收单腿支撑位置与欠外展位置间往复摆动地安装在安装座上；驱动器用于在单腿步态周期内，驱动两髋关节内收驱动臂中的摆动侧者保持在欠外展位置上，且支撑侧者内收动作。基于该结构设置的髋关节，能在康复训练过程中避免出现侧倾问题，可广泛应用于下肢无力或偏瘫患者的康复训练。

Description

下肢康复训练外骨骼系统及其步行控制方法与髋关节结构

技术领域

本发明涉及医疗用机器人技术领域，具体地说，涉及一种下肢康复训练外骨骼系统及其步行控制方法与髋关节结构。

背景技术

随着我国脑卒中患病率的增加，脑卒中患者早期康复训练治疗越来越受到重视，其主流是利用中枢神经系统的可塑性，通过运动训练使患侧出现相应的反应，改善肌肉张力，建立神经系统新的组合关系。然而，依靠理疗师对患者进行手动康复训练不但效率不高，而且康复训练效果主要取决于理疗师的经验。

随着机器人技术的不断发展与进步，利用外骨骼机器人替代传统理疗师来指导患者进行康复训练，有助于患者康复训练进程的科学定量化管理，并解决康复训练理疗师资源不足的难题。同时，相比于兴起较早的基于活动平板的悬吊减重式康复训练外骨骼，直立步行下肢康复训练外骨骼基于直立行走条件下使患者真正感知正常步行，而不是在跑步机上的原地踏步行走，其能更好地辅助脑卒中患者实现下肢康复训练。

公布号为CN103932870A的专利文献中公开了一种仿生设计下肢康复训练外骨骼，其包括穿戴者腰部连接的腰部绑紧机构和下肢外骨骼推杆，在下肢外骨骼左右腿杆上各有四个自由度；其中，髋关节通过髋关节内收外展机构、髋关节屈伸机构及髋关节内旋外旋机构实现其中三个自由度，且该三个自由度的轴线正交于人体髋关节运动中心；膝关节屈伸机构的转动中心随人体膝关节转动中心一起运动。该下肢康复训练外骨骼系统通过分析人体下肢髋关节和膝关节的生理运动特征，相应地设计了外骨骼关节，使得人体穿戴外骨骼步行过程中外骨骼关节转动中心与人体对应关节转动中心的运动轨迹保持一致，有助于改善穿戴的舒适性。

但该下肢康复训练外骨骼系统与现有其他外骨骼系统均存在以下问题，即穿戴外骨骼的偏瘫患者在临床实验中，其一侧腿支撑，另一侧腿将要离地向前迈步的时候，由于患者缺乏主动提胯抬腿能力，需要外骨骼指导患者下肢关节屈伸，而在重力作用下，人体会向将要迈腿侧倾覆，导致穿戴者出现侧向摔倒的问题，基于步行平衡稳定理论分析，其主要原因是不满足零力矩点(Zero Moment Poi nt,ZMP)平衡判据，即当迈腿一侧足底要离地时，由于外骨骼机器人缺乏髋关节内收外展主动助力驱动机构，该自由度没有角度变化，导致ZMP位置在足底支撑平面之外，所以会有一个额外的倾覆力矩导致失稳，导致ZMP位置在足底支撑平面之外，所以会有一个额外的倾覆力矩导致穿戴者失稳而摔倒。

针对上述失稳问题，目前常用的解决方案是采用双拐来辅助下肢康复系列外骨骼系统支撑人体步行，以达到保证人体步行平衡的目的，通常是通过在双拐末端安装了力传感器，用于辅助检测患者的平衡状态。这种借助双拐辅助平衡的方式虽然能在一定程度上改善患者穿戴外骨骼后步行的平衡稳定性，但对患者上肢操作双拐能力具有一定的要求，要求其能根据自身平衡情况及时地调整双拐的支撑位置。这显然对于脑卒中偏瘫患者来说不容易实现，因为偏瘫患者上肢也有一侧处于麻痹状态。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种下肢康复训练外骨骼系统的步行控制方法，以确保外骨骼系统能更平稳地辅助穿戴者进行步行康复训练；本发明的另一目的是提供一种下肢康复训练外骨骼系统用的髋关节结构，以使该下肢康复训练外骨骼系统能适用上述步行控制方法，而能更平稳地辅助穿戴者进行步行康复训练；本发明的另一目的是提供一种以上述髋关节结构构建的下肢康复训练外骨骼系统，以使其能更平稳地辅助穿戴者进行步行康复训练。

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的步行控制方法包括识别步骤与控制步骤；识别步骤包括识别出外骨骼系统在单腿步态周期中的支撑侧腿与摆动侧腿；控制步骤包括控制摆动侧髋关节在摆动侧腿摆动动作的过程中保持欠外展状态，并控制支撑侧髋关节在支撑侧腿的单腿支撑过程中内收至满足零力矩点平衡判据。

在外骨骼系统的步行过程中，通过控制摆动侧髋关节在摆动侧腿的摆动过程中处于欠外展状态，且控制支撑侧髋关节内收动作，与现有技术中模仿正常人行走时的内收外展动作的控制方法相比，很容易地使穿戴者与外骨骼系统的整体重心偏移至支撑腿的足底支撑面上，以满足零力矩点平衡判据，可有效避免其在无拐杖等外物支撑下出现侧倾的问题，以使该下肢康复训练外骨骼系统能更平稳地辅助穿戴者进行步行康复训练。

具体的方案为欠外展状态为摆动侧髋关节的内收外展角度为0度。

优选的方案为内收至满足零力矩点平衡判据的步骤包括(1)获取外骨骼系统的足底压力数据；(2)控制支撑侧髋关节内收至支撑侧腿的足底压力处于预设区间内。基于支撑腿的足底压力判断支撑腿是否内收到位，即至满足零力矩点平衡判据，该控制方法简单且有效。

为了实现上述另一目的，本发明提供的下肢康复训练外骨骼系统用的髋关节结构包括内收外展自由度驱动机构；内收外展自由度驱动机构为外展自由度欠驱动机构，其包括安装座、左髋关节内收驱动臂、右髋关节内收驱动臂及驱动器；左髋关节内收驱动臂通过左铰轴安装在安装座上，可绕左铰轴的轴线在内收单腿支撑位置与欠外展位置间往复摆动；右髋关节内收驱动臂通过右铰轴安装在安装座上，可绕右铰轴的轴线在内收单腿支撑位置与欠外展位置摆动位置间往复摆动；驱动器用于在单腿步态周期内，驱动两髋关节内收驱动臂中的摆动侧者保持在欠外展位置上，且支撑侧者内收动作。

基于上述髋关节内收外展自由度驱动机构的结构设计，即将髋关节上的内收外展驱动机构配置成外展自由度欠驱动机构，从而可在外骨骼系统引导穿戴者进行步行康复训练的过程中，使其摆动侧腿在摆动过程中始终保持在欠外展位置，而支撑侧腿的髋关节同时内收动作，以使整体的重心朝支撑腿侧偏移至满足零力矩点平衡判据，从而可使穿戴者有效地避免在无拐杖等外物支撑下出现侧倾的问题，以使由该髋关节构建的下肢康复训练外骨骼系统能更平稳地辅助穿戴者进行步行康复训练。

具体的方案为所述驱动器包括旋转驱动器，及两套受旋转驱动器驱动地迫使髋关节内收驱动臂绕铰轴的轴线间歇性摆动的间歇运动机构：旋转驱动器的数量为一个，其旋转输出轴上固设有主输入齿轮；间歇运动机构包括与髋关节内收驱动臂同步转动地固定连接的输出齿轮，及同时和主输入齿轮与输出齿轮啮合的过渡齿轮；过渡齿轮为由完全齿轮与不完全齿轮构成的双联齿轮，完全齿轮与主输入齿轮啮合，不完全齿轮与输出齿轮啮合；两套间歇运动机构中的不完全齿轮上的齿部互斥地与对应输出齿轮接触啮合驱动，即在同一时刻，最多只有一套间歇运动机构在驱动对应髋关节内收驱动臂进行摆动动作。

基于由齿轮组中主动的不完全齿轮与从动的完全齿轮构成的间歇运动机构，从而可驱动两个髋关节内收驱动臂间歇地摆动，即可按照要求在欠外展位置与内收单腿支撑位置间间歇地摆动，并在对应位置上由于无摆动驱动力而可保持在该位置上，并基于单一旋转驱动器对两个间歇运动机构进行驱动，可有效地提高该髋关节的结构紧凑性。

更具体的方案为驱动器还包括锁止机构，该锁止机构的数量为两个，分别用于将摆动至欠外展位置上或内收单腿支撑位置上的对应髋关节内收驱动臂有选择地锁止于该位置上。通过设置锁止机构，可使髋关节内收驱动臂在支撑阶段由锁止机构提供支撑保持力，有效地避免给旋转驱动器带来过大的负载，以提高旋转驱动器的使用寿命。

进一步的方案为锁止机构包括与完全齿轮啮合的控制齿轮，可转动地安装在安装座上且与控制齿轮同步转动地固定连接的凸轮，可绕铰轴的轴线摆动地安装在安装座上且摆动端抵压于凸轮的曲形导向部上的摆动顶爪，及一端与摆动顶爪铰接且另一端与对应髋关节内收驱动臂铰接的锁止连杆；曲形导向部包括小径锁止圆弧部及大径锁止圆弧部；摆动顶爪、锁止连杆、髋关节内收驱动臂及安装座构成以安装座为机架的铰链四连杆机构。

采用具有不同半径锁止圆弧段的凸轮与摆动顶爪构成凸轮机构，并通过锁止连杆为髋关节内收驱动臂提供支撑保持力；并通过控制齿轮将凸轮与过渡齿轮间转动耦合，以使锁止机构的动作受控于旋转驱动器，可很好地使锁止机构与驱动臂实现同步动作，即通过机械结构实现锁止机构与髋关节内收驱动臂同步动作的控制，整体结构简单且可靠。

再进一步的方案为铰链四连杆机构上的两连架杆的转向相反；沿下肢康复训练外骨骼系统的高度方向，摆动顶爪上的动铰轴位于其上定铰轴与对应髋关节内收驱动臂上的动铰轴之间，摆动顶爪上两个铰轴均位于髋关节内收驱动臂上的动铰轴下方；沿下肢康复训练外骨骼系统的横向，摆动顶爪上两个铰轴均位于对应髋关节内收驱动臂上的动铰轴邻近外骨骼系统矢状面的一侧，凸轮轴位于摆动顶爪上两个铰轴邻近矢状面的一侧；髋关节内收驱动臂位于欠外展位置时，摆动端抵压于大径锁止圆弧部上；髋关节内收驱动臂位于内收单腿支撑位置时，摆动端抵压于小径锁止圆弧部上；主输入齿轮的转轴线位于矢状面上，两组间歇运动机构及两个锁止机构上的对应定铰轴的铰轴线关于矢状面面对称布置。

优选的方案为欠外展位置为摆动侧髋关节的内收外展角度为0度的位置。

为了实现上述再一目的，本发明提供的下肢康复训练外骨骼系统包括控制单元及受控制单元控制的髋关节单元；髋关节单元为上述任一技术方案所描述的髋关节结构。

基于上述结构的髋关节构建的下肢康复训练外骨骼系统，能更平稳地辅助穿戴者进行步行康复训练。

附图说明

图1为本发明下肢康复训练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髋关节内收外展自由度驱动机构的立体图；

图3为本发明下肢康复用外骨骼系统实施例中髋关节内收外展自由度驱动机构在略去挡板后的结构图；

图4为本发明下肢康复用外骨骼系统实施例中的髋关节内收外展自由度驱动机构上的两髋关节内收驱动臂均处于内收外展角度为0度时的过渡位置示意图；

图5为图4中的A局部放大图；

图6为图4中的B局部放大图；

图7为本发明下肢康复用外骨骼系统实施例中的髋关节内收外展自由度驱动机构上的一髋关节内收驱动臂保持于欠外展位置而另一髋关节内收驱动臂处于内收单腿支撑位置时的状态示意图；

图8为控制本发明下肢康复训练外骨骼系统实施例进行步行时的髋关节内收外展轨迹示意图；

图9为控制本发明下肢康复训练外骨骼系统实施例进行步行的工作流程图；

图10为布置在本发明下肢康复训练外骨骼系统实施例的穿戴者足底上的足底压力传感器的位置布置示意图；

图11为控制本发明下肢康复训练外骨骼系统实施例进行步行时无内收外展时的ZMP仿真结果示意图；

图12为控制本发明下肢康复训练外骨骼系统实施例进行步行时有内收时的ZMP仿真结果示意图。

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。

下肢康复训练外骨骼系统实施例

参见图1，本发明下肢康复外骨骼系统包括控制单元、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，以驱动外骨骼引导康复训练人员的下肢按照预定轨迹行走。

参见图1及图2，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、膝关节屈伸驱动单元15、小腿绑带16、小腿杆17、踝关节弹性被动单元18及外骨骼足底单元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具有髋关节内收外展自由度驱动机构2、髋关节屈伸自由度驱动机构121及髋关节内旋外旋自由度驱动机构122，以控制外骨骼1上的四个自由度中的三个自由度动作。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；外骨骼足底单元12与人体脚配合。

参见图2至图7，内收外展自由度驱动机构2包括安装座201、挡板202、驱动电机203、谐波减速器204、左髋关节内收驱动臂21、右髋关节内收驱动臂22、主输入齿轮23、左间歇驱动机构3、右间歇驱动机构4、左锁止机构5及右锁止机构6。主输入齿轮203固定在谐波减速器204的旋转输出轴上。

左髋关节内收驱动臂21通过左铰轴210而可绕该铰轴的轴线往复摆动地安装在安装座201上，右髋关节内收驱动臂22通过右铰轴220而可绕该铰轴的轴线往复摆动地安装在安装座201上。

左间歇驱动机构3包括输出齿轮33及同时与主输入齿轮23和输出齿轮33啮合的过渡齿轮30；输出齿轮33通过同根铰轴210而与左髋关节内收驱动臂21同步转动地固定连接，在本实施例中采用平键机构对二者与铰轴210进行固定连接，通过将该铰轴210可转动地安装在安装座201上，以实现将左髋关节内收驱动臂21与输出齿轮33可同步转动地安装在安装座201上；过渡齿轮30为由完全齿轮31与不完全齿轮32构成的双联齿轮，在本实施例中，完全齿轮31与不完全齿轮32的齿根圆、齿顶圆及轮齿等大；完全齿轮31与主输入齿轮23啮合，不完全齿轮32与输出齿轮33啮合，从而在驱动电机203通过谐波减速器204驱动主输入齿轮23转动的过程，进而带动完全齿轮31转动而驱动不完全齿轮32同步转动，在转至不完全齿轮32的齿部320与输出齿轮33的轮齿接触啮合时，则带动左髋关节内收驱动臂21绕铰轴210摆动；齿部320上保留的轮齿数根据驱动力大小及齿轮结构强度进行选择，在本实施例中，齿部320上仅保留三个轮齿。

右间歇驱动机构4包括输出齿轮43及同时与主输入齿轮23和输出齿轮43啮合的过渡齿轮40；输出齿轮43通过同根铰轴220而与右髋关节内收驱动臂22同步转动地固定连接，在本实施例中采用平键机构对二者与铰轴220进行固定连接，通过该铰轴220可转动地安装在安装座201上，以实现将右髋关节内收驱动臂22与输出齿轮43可同步转动地安装在安装座201上；过渡齿轮40为由完全齿轮41与不完全齿轮42构成的双联齿轮，在本实施例中，完全齿轮41与不完全齿轮42的齿根圆、齿顶圆及轮齿等大；完全齿轮41与主输入齿轮43啮合，不完全齿轮42与输出齿轮43啮合，从而在驱动电机203通过谐波减速器204驱动主输入齿轮23转动的过程，进而带动完全齿轮41转动而驱动不完全齿轮42同步转动，在转至不完全齿轮42的齿部420与输出齿轮43的轮齿接触啮合时，则带右动髋关节内收驱动臂22绕铰轴220摆动；齿部420上保留的轮齿数根据驱动力大小及齿轮结构强度进行选择，在本实施例中，齿部420上仅保留有三个轮齿。

左锁止机构5包括凸轮51、控制齿轮52、摆动顶爪53及锁止连杆54；凸轮51与控制齿轮52分别通过平键机构固定在铰轴55上，并通过铰轴55而可转动地安装在安装座201上，且使凸轮51与控制齿轮52能同步转动地固定连接，控制齿轮52与完全齿轮31啮合，以使驱动电机203通过谐波减速器204、主输入齿轮23、过渡齿轮30及控制齿轮52构成的传动系控制凸轮51的转动动作，即左锁止机构5的动作受控于驱动电机203；摆动顶爪53的固定端通过铰轴56而可绕该铰轴的轴线摆动地安装在安装座201上，其摆动端抵压于凸轮51的曲形导向部上，在本实施例中，曲形导向部为凸轮51外轮廓面510，该外轮廓面510包括小径锁止圆弧部512、大径锁止圆弧部511及连接二者的导向过渡面部513；锁止连杆54的下端通过动铰轴57与摆动顶爪53的中部铰接，上端通过动铰轴58与左髋关节内收驱动臂21铰接；摆动顶爪53、锁止连杆54、左髋关节内收驱动臂21及安装座201构成以安装座201为机架、以摆动顶爪53与左髋关节内收驱动臂21为连架杆及以锁止连杆54为连杆的铰链四连杆机构，在该铰链四连杆机构中，摆动顶爪53与左髋关节内收驱动臂21的摆动方向相反，即两根连架杆的转向相反，有效地提高锁止机构在如图4所示X轴向上的紧凑性。

如图3及图4所示，沿下肢康复训练外骨骼系统的高度方向，即沿如图4所示的Y轴向，在左锁止机构5动作的过程中，动铰轴57保持位于铰轴56与动铰轴58之间，动铰轴57与铰轴56均位于动铰轴58的下方，即摆动顶爪53上的动铰轴位于其上定铰轴与左髋关节内收驱动臂21上的动铰轴之间，且摆动顶爪53上两个铰轴均位于左髋关节内收驱动臂21上的动铰轴下方。

沿下肢康复训练外骨骼系统的横向，即沿如图4所示的X轴向，动铰轴57与铰轴56均位于动铰轴58邻近外骨骼系统矢状面100的一侧，即摆动顶爪53上两个铰轴均位于左髋关节内收驱动臂21上的动铰轴邻近矢状面100的一侧；凸轮51的凸轮轴位于摆动顶爪53上两个铰轴邻近矢状面100的一侧，即铰轴56、动铰轴57与矢状面100在X轴向上的间距均大于铰轴55与矢状面100在X轴向上的间距。

右锁止机构6包括凸轮61、控制齿轮62、摆动顶爪63及锁止连杆64；凸轮61与控制齿轮62分别通过平键机构固定在铰轴65上，并通过铰轴65而可转动地安装在安装座201上，且使凸轮61与控制齿轮62能同步转动地固定连接，控制齿轮62与完全齿轮41啮合，以使驱动电机203通过谐波减速器204、主输入齿轮23、过渡齿轮40及控制齿轮62构成的传动系控制凸轮61的转动动作，即右锁止机构6的动作受控于驱动电机203；摆动顶爪63的固定端通过铰轴66而可绕该铰轴的轴线摆动地安装在安装座201上，其摆动端抵压于凸轮61的曲形导向部上，在本实施例中，曲形导向部为凸轮61的外轮廓面610，该外轮廓面610包括小径锁止圆弧部612、大径锁止圆弧部611及连接二者的导向过渡面部613；锁止连杆64的下端通过动铰轴67与摆动顶爪63的中部铰接，上端通过动铰轴68与右髋关节内收驱动臂22铰接；摆动顶爪63、锁止连杆64、右髋关节内收驱动臂22及安装座201构成以安装座为机架、以摆动顶爪63与右髋关节内收驱动臂22为连架杆及以锁止连杆64为连杆的铰链四连杆机构，在该铰链四连杆机构中，摆动顶爪63与右髋关节内收驱动臂22的摆动方向相反，即两根连架杆的转向相反，有效地提高锁止机构在如图4所示X轴向上的紧凑性。

如图3及图4所示，沿下肢康复训练外骨骼系统的高度方向，即沿如图4所示的Y轴向，在右锁止机构6动作的过程中，动铰轴67保持位于铰轴66与动铰轴68之间，动铰轴67与铰轴66均位于动铰轴68的下方，即摆动顶爪63上的动铰轴位于其上定铰轴与右髋关节内收驱动臂22上的动铰轴之间，且摆动顶爪63上两个铰轴均位于右髋关节内收驱动臂22上的动铰轴下方。

沿下肢康复训练外骨骼系统的横向，即沿如图4所示的X轴向，动铰轴67与铰轴66均位于动铰轴68邻近外骨骼系统矢状面100的一侧，即摆动顶爪63上两个铰轴均位于右髋关节内收驱动臂22上的动铰轴邻近矢状面100的一侧；凸轮61的凸轮轴位于摆动顶爪63上两个铰轴邻近矢状面100的一侧，即铰轴66、动铰轴67与矢状面100在X轴向上的间距均大于铰轴66与矢状面100在X轴向上的间距。

如图4所示，主输入齿轮23的转轴线位于矢状面100上，铰轴220与铰轴210、过渡齿轮40的铰轴与过渡齿轮30的铰轴、铰轴65与铰轴55、铰轴66与铰轴56、动铰轴67与动铰轴57、动铰轴68与动铰轴58均关于矢状面100面对称布置，过渡齿轮40与过渡齿轮30的尺寸参数相同，输出齿轮43、输出齿轮33、控制齿轮62及控制齿轮52的尺寸参数均相同。

如图4所示的状态为左髋关节内收驱动臂21与右髋关节内收驱动臂22均位于内收外展角度为0度的位置，即两侧腿均为直立状态而双脚全支撑于地面上；此时，如图3至图6所示，不完全齿42的齿部420处于将与输出齿轮43啮合位置的偏前位置且位于二齿轮接触区域的下方，而不完全齿32的齿部320处于将与输出齿轮33啮合位置的偏前位置且位于二齿轮接触区域的下方，且摆动顶爪53的摆动端抵压在大径锁止圆弧511上与导向过渡面部513邻接的端部，而摆动顶爪63的摆动端抵压在大径锁止圆弧611上与导向过渡面部613邻接的端部。在此状态时，如驱动电机203停机，则在两个锁止机构的锁定下，可使两个髋关节内收驱动臂均保持在该位置，即此时的锁止机构用于将髋关节内收驱动臂锁止在该位置上。

在本实施例中，驱动电机驱动两个髋关节内收驱动臂动作的过程如下：

(1)当初始状态为如图4所示的状态时，且驱动电机203通过谐波减速器204驱动主输入齿轮23先顺时针再逆时针旋转时：

(1.1)随着驱动电机203驱动主输入齿轮23顺时针旋转，则通过完全齿轮31驱动不完全齿轮32同步地逆时针转动的同时，且使控制齿轮52驱动凸轮51顺时针转动而使摆动顶爪53的摆动端滑入导向过渡面部513而解除对左髋关节内收驱动臂21的位置锁止作用，并使齿部320随不完全齿轮32旋转进入与输出齿轮33的齿部接触啮合的位置而驱动左髋关节内收驱动臂21顺时针摆动，即左髋关节内收驱动臂21进行髋关节内收动作，且前述解除锁止的动作早于齿部320与输出齿轮33齿部接触啮合的动作；随左髋关节内收驱动臂21顺时针摆动预定角度至齿部320与输出齿轮33的齿部脱离接触啮合，在本实施例中该转过的角度大致为7度；此时，摆动顶爪53的摆动端将滑过导向过渡面部513而抵压于小径锁止圆弧部512上，以对左髋关节内收驱动臂21继续下摆位置进行锁止，从而提供抵抗整体重力的保持力，即导向过渡面部513相对铰轴55轴心的等效圆心角小于等于前述预定角度，在本实施例中为小于等于7度，且在左髋关节内收驱动臂21顺时针摆动过程中，由左髋关节内收驱动臂21顺时针摆动而通过铰链四连杆机构驱动摆动顶爪53的摆动端摆动轨迹与导向过渡面部513在转动过程中恰好抵靠接触或分离无接触。

而不完全齿轮42同步地逆时针转动，不会使其上的齿部420与输出齿轮43接触啮合而改变右髋关节内收驱动臂22的位置，通过驱使凸轮51顺时针转动而使摆动顶爪63的摆动端继续抵压在大径锁止圆弧部611上，即右锁止机构6继续为右髋关节内收驱动臂22提供锁止保持力。

此时，在左髋关节内收驱动臂21内收至预定角度时，而右髋关节内收驱动臂22一直保持在内收外展角为0度的位置，即，右髋关节内收驱动臂22位于本实施例中的欠外展位置，而左髋关节内收驱动臂21位于本实施例中的内收单腿支撑位置。

(1.2)接着，控制驱动电机203驱动主输入齿轮23逆时针转动，则驱动不完全齿轮32同步地顺时针转动，而通过齿部320转入与输出齿轮33的齿部接触啮合的位置而驱动左髋关节内收驱动臂21逆时针摆动，以向内收外展角度为0度位置复位；同时使控制齿轮52带动凸轮51逆时针转动而使摆动顶爪53的摆动端沿导向过渡面部513滑动；随左髋关节内收驱动臂21逆时针摆动至齿部320转过前述预定角度而与输出齿轮33脱离接触而不再提供驱动力，此时，左髋关节内收驱动臂21归位至内收外展角度为0度的位置，且摆动顶爪53的摆动端滑动至抵压于大径锁止圆弧部511上而在此对左髋关节内收驱动臂21下摆位置进行锁止，从而提供抵抗整体重力的保持力。

而不完全齿轮42同步地顺时针转动，其上的齿部420归位至将与输出齿轮43接触啮合的位置，并通过驱使凸轮61逆时针转动而使摆动顶爪63的摆动端继续抵压在大径锁止圆弧部611上，即右锁止机构6继续为右髋关节内收驱动臂22提供锁止保持力。

此时，左髋关节内收驱动臂21与右髋关节内收驱动臂22均位于如图4所示的内收外展角度为0度的欠外展位置。

(2)当初始状态为如图4所示的状态时，且驱动电机203通过谐波减速器204驱动主输入齿轮23先逆时针再顺时针旋转时：

(2.1)随着驱动电机203驱动主输入齿轮23逆时针旋转，驱动不完全齿轮32同步地顺时针转动，不会使其上的齿部320与输出齿轮33接触啮合而改变左髋关节内收驱动臂21的位置，通过驱使凸轮51逆时针转动而使摆动顶爪53的摆动端继续抵压在大径锁止圆弧部511上，即左锁止机构5继续为左髋关节内收驱动臂21提供锁止保持力。

随着驱动电机203驱动主输入齿轮23逆时针旋转，通过完全齿轮41驱动不完全齿轮42同步地顺时针转动的同时，且使控制齿轮62驱动凸轮61逆时针转动而使摆动顶爪63的摆动端滑入导向过渡面部613而解除对右髋关节内收驱动臂22的位置锁止作用，并使齿部420随不完全齿轮42旋转进入与输出齿轮43的齿部接触啮合的位置而驱动右髋关节内收驱动臂22逆时针摆动，即右髋关节内收驱动臂22进行髋关节内收动作，且前述解除锁止的动作早于齿部420与输出齿轮43齿部接触啮合的动作；随右髋关节内收驱动臂22逆时针摆动预定角度至齿部420与输出齿轮43的齿部脱离接触啮合，在本实施例中该转过的角度大致为7度；此时，摆动顶爪63的摆动端将滑过导向过渡面部613而抵压于小径锁止圆弧部612上，以对有髋关节内收驱动臂22继续下摆位置进行锁止，从而提供抵抗整体重力的保持力，即导向过渡面部613相对铰轴65轴心的等效圆心角小于等于前述预定角度，在本实施例中为小于等于7度，且在右髋关节内收驱动臂22逆时针摆动过程中，由右髋关节内收驱动臂22逆时针摆动而通过铰链四连杆机构驱动摆动顶爪63的摆动端摆动轨迹与导向过渡面部613在转动过程中恰好抵靠接触或分离无接触。

此时，在右髋关节内收驱动臂22内收至预定角度时，而左髋关节内收驱动臂21一直保持在内收外展角为0度的位置，即，左髋关节内收驱动臂21位于本实施例中的欠外展位置，而右髋关节内收驱动臂22位于本实施例中的内收单腿支撑位置。

(2.2)控制驱动电机203驱动主输入齿轮23顺时针转动，则驱动不完全齿轮42同步地逆时针转动，而通过齿部420与输出齿轮43的齿部接触啮合而驱动右髋关节内收驱动臂22顺时针摆动，以向内收外展角度为0度位置复位；同时使控制齿轮62带动凸轮61顺时针转动而使摆动顶爪63的摆动端沿导向过渡面部613滑动；随右髋关节内收驱动臂22顺时针摆动至齿部420转过前述预定角度而与输出齿轮43脱离接触而不再提供驱动力，此时，右髋关节内收驱动臂22归位至内收外展角度为0度的位置，且摆动顶爪63的摆动端滑动至抵压于大径锁止圆弧部611上而在此对右髋关节内收驱动臂22下摆位置进行锁止，从而提供抵抗整体重力的保持力。

而不完全齿轮32同步地逆时针转动，其上的齿部320归位至将与输出齿轮33接触啮合的位置，并通过驱使凸轮51顺时针转动而使摆动顶爪53的摆动端继续抵压在大径锁止圆弧部511上，即左锁止机构5继续为左髋关节内收驱动臂21提供锁止保持力。

此时，左髋关节内收驱动臂21与右髋关节内收驱动臂22均位于如图4所示的内收外展角度为0度的欠外展位置。

在上述两个过程中，每侧腿的髋关节内收外展轨迹如图8所示，即在大约50％的周期内，其内收外展角度为0度，而在剩余的大约50％的周期内按照预定轨迹进行内收动作，前述周期的划分以如图4所示两髋关节内收驱动臂内收驱动臂22均位于内收外展角度为0度的欠外展位置为分界线，即本实施例中的髋关节内收外展自由度驱动机构为外展自由度欠驱动机构。

驱动电机203与谐波减速器204一起构成本实施例中的旋转驱动器，旋转驱动器、输入齿轮23、左间歇驱动机构3、右间歇驱动机构4、左锁止机构5及右锁止机构6一起构成本实施例中驱动左髋关节内收驱动臂21与右髋关节内收驱动臂22按照预定轨迹进行摆动的驱动器，即在本实施例中设有与每侧髋关节内收驱动臂相配合的间歇运动机构与锁止机构，以基于同一旋转驱动器而同步地控每侧制髋关节内收驱动臂在内收外展自由度上的间歇性摆动动作。

参见图9，使用上述下肢康复训练外骨骼系统辅助穿戴者进行康复训练的过程中，其步行控制方法包括识别步骤S1与控制步骤S2，即控制单元中的处理器执行存储在其内的计算机程序而可实现识别步骤S1与控制步骤S2，以控制外骨骼系统引导穿戴者进行步行康复训练。

识别步骤S1，识别出外骨骼系统在单腿步态周期中的支撑侧腿与摆动侧腿。

可根据预定控制各关节的屈伸动作的控制信号进行识别。

控制步骤S2，控制摆动侧髋关节在摆动侧腿摆动动作的过程中保持欠外展状态，并控制支撑侧髋关节在支撑侧腿的单腿支撑过程中内收至满足零力矩点平衡判据。

在本实施例中，以双侧腿全支撑为初始状态，即此时两髋关节内收驱动臂均处于如图4所示的欠外展位置，并以左侧腿为支撑侧腿，而右侧腿为摆动侧腿，则按照前述(1)中所描述的控制方法控制驱动电机203驱动各部件动作完成髋关节在内收外展自由度上的动作；在完成单腿步态周期的动作后，重新回归至两髋关节内收驱动臂均处于如图4所示的欠外展位置，接着按照前述(2)中所述的控制方法控制驱动电机203驱动各部件动作完成髋关节在内收外展自由度上的动作，以完成下一单腿步态周期的动作。交替地重复前述(1)与(2)中所描述的控制方法，控制髋关节上的内收外展自由度驱动机构在外骨骼系统步行康复训练过程中的动作。

在本实施例中，根据如图10所示的布置于双侧腿足底上的压力传感器，即布置于足尖上的压力传感器191、布置于脚掌上且在横向上具有一定间距的压力传感器192与压力传感器193及布置在足根上的压力传感器194，进行足底压力进行检测，根据足底压力是否处于预设区间内而判断支撑侧髋关节是否动作至满足零力矩点平衡判据。

预设区间根据多组正常人模仿前述步行步态，即在单腿步态周期内，支撑腿的髋关节内收而摆动腿的髋关节保持在欠外展位置，在本实施力中保持为内收外展角度大致为0度，即使摆动腿大致保持直立位置，测量穿戴者不出现侧倾问题时足底压力分布区间与总重量的关系，并在控制过程中基于测得穿戴者与外骨骼系统的总重量获取对应压力分布区间作为前述预设区间。

其中，“单腿步态周期”被配置为以双脚全支撑状态为起点，并使摆动腿摆动起步至下一个双脚全支撑状态之间的期间。

按照如图8所示现有技术中髋关节的内收外展轨迹，控制外骨骼系统进行步行康复训练，则会出现如图11所示的ZMP轨迹与支撑腿的足底支撑面无交集，此时，若无外力支撑，则会出现侧倾。

而按照如图8所示本实施例内收外展轨迹，即摆动腿保持在欠外展位置而支撑腿内收动作，则会出现如图12所示的ZMP轨迹与支撑腿的足底支撑面有交集，此时，满足零力矩点平衡判据，不会出现侧倾。

髋关节结构实施例及步行控制方法实施例

在上述下肢康复外骨骼系统实施例中已对本发明髋关节结构实施例与步行控制方法实施例进行了说明，在此不再赘述。

Claims (10)

1.一种下肢康复训练外骨骼系统的步行控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

识别步骤，识别出所述外骨骼系统在单腿步态周期中的支撑侧腿与摆动侧腿；

控制步骤，控制摆动侧髋关节在所述摆动侧腿摆动动作的过程中保持欠外展状态，并控制支撑侧髋关节在所述支撑侧腿的单腿支撑过程中内收至满足零力矩点平衡判据。

2.根据权利要求1所述的步行控制方法，其特征在于：

所述欠外展状态为摆动侧髋关节的内收外展角度为0度。

3.根据权利要求1或2所述的步行控制方法，其特征在于，所述内收至满足零力矩点平衡判据的步骤包括：

获取所述外骨骼系统的足底压力数据；

控制所述支撑侧髋关节内收至所述支撑侧腿的足底压力处于预设区间内。

4.一种下肢康复训练外骨骼系统用的髋关节结构，包括内收外展自由度驱动机构；

其特征在于，所述内收外展自由度驱动机构为外展自由度欠驱动机构，包括：

安装座；

左髋关节内收驱动臂，通过左铰轴安装在所述安装座上，可绕所述左铰轴的轴线在内收单腿支撑位置与欠外展位置间往复摆动；

右髋关节内收驱动臂，通过右铰轴安装在所述安装座上，可绕所述右铰轴的轴线在内收单腿支撑位置与欠外展位置摆动位置间往复摆动；

驱动器，用于在单腿步态周期内，驱动两髋关节内收驱动臂中的摆动侧者保持在所述欠外展位置上且支撑侧者内收动作。

5.根据权利要求4所述的髋关节结构，其特征在于：

所述驱动器包括旋转驱动器，及两套受所述旋转驱动器驱动地迫使髋关节内收驱动臂绕铰轴的轴线间歇性摆动的间歇运动机构：

旋转驱动器的数量为一个，其旋转输出轴上固设有主输入齿轮；

所述间歇运动机构包括与髋关节内收驱动臂同步转动地固定连接的输出齿轮，及同时和所述主输入齿轮与所述输出齿轮啮合的过渡齿轮；所述过渡齿轮为由完全齿轮与不完全齿轮构成的双联齿轮，所述完全齿轮与所述主输入齿轮啮合，所述不完全齿轮与所述输出齿轮啮合；

两套所述间歇运动机构中的不完全齿轮上的齿部互斥地与对应输出齿轮接触啮合驱动。

6.根据权利要求5所述的髋关节结构，其特征在于，所述驱动器包括：

锁止机构，数量为两个，分别用于将摆动至所述欠外展位置上或所述内收单腿支撑位置上的对应髋关节内收驱动臂有选择地锁止于该位置上。

7.根据权利要求6所述的髋关节结构，其特征在于：

所述锁止机构包括与所述完全齿轮啮合的控制齿轮，可转动地安装在所述安装座上且与所述控制齿轮同步转动地固定连接的凸轮，可绕铰轴的轴线摆动地安装在所述安装座上且摆动端抵压于所述凸轮的曲形导向部上的摆动顶爪，及一端与所述摆动顶爪铰接且另一端与对应髋关节内收驱动臂铰接的锁止连杆；

所述曲形导向部包括小径锁止圆弧部及大径锁止圆弧部；

所述摆动顶爪、所述锁止连杆、所述髋关节内收驱动臂及所述安装座构成以所述安装座为机架的铰链四连杆机构。

8.根据权利要求7所述的髋关节结构，其特征在于：

所述铰链四连杆机构上的两连架杆的转向相反；

沿所述下肢康复训练外骨骼系统的高度方向，所述摆动顶爪上的动铰轴位于其上定铰轴与对应髋关节内收驱动臂上的动铰轴之间，所述摆动顶爪上两个铰轴均位于髋关节内收驱动臂上的动铰轴下方；

沿所述下肢康复训练外骨骼系统的横向，所述摆动顶爪上两个铰轴均位于对应髋关节内收驱动臂上的动铰轴邻近外骨骼系统矢状面的一侧，凸轮轴位于所述摆动顶爪上两个铰轴邻近所述矢状面的一侧；

髋关节内收驱动臂位于所述欠外展位置时，所述摆动端抵压于所述大径锁止圆弧部上；髋关节内收驱动臂位于所述内收单腿支撑位置时，所述摆动端抵压于所述小径锁止圆弧部上；

所述主输入齿轮的转轴线位于所述矢状面上，两组所述间歇运动机构及两个锁止机构上的对应定铰轴的铰轴线关于所述矢状面面对称布置。

9.根据权利要求4至8任一项权利要求所述的髋关节结构，其特征在于：

所述欠外展位置为摆动侧髋关节的内收外展角度为0度的位置。

10.一种下肢康复训练外骨骼系统，包括控制单元及受所述控制单元控制的髋关节单元；

其特征在于：

所述髋关节单元为权利要求4至9任一项权利要求所述的髋关节结构。