CN109172289B - 基于多功能驱动器的髋关节康复外骨骼及其运动控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多功能驱动器的髋关节康复外骨骼及其运动控制方法，髋关节康复外骨骼包括腰部结构，腿部结构，多功能驱动器、传感与控制系统，可以实现髋关节主动屈伸运动和被动外展/内收运动，左髋设计有外旋自由度，方便使用者穿戴；多功能驱动器由电机、减速器和磁流变阻尼器组成，其中，磁流变阻尼器能够以较小功耗输出较大可控制动力矩；所述控制方法是基于穿戴者步态分析，由多功能驱动器实现驱动、制动和混合制动功能，为穿戴者提供需要的康复辅助力矩。本发明髋关节康复外骨骼能量效率高、结构紧凑、便于穿戴、人机交互友好、控制精准，适用于老年人的辅助行走和髋关节术后病人的康复训练。

Description

基于多功能驱动器的髋关节康复外骨骼及其运动控制方法
技术领域
本发明涉及外骨骼机器人领域，具体是一种基于多功能驱动器的髋关节康复外骨骼及其运动控制方法。
背景技术
世界人口老龄化趋势是当今世界人口年龄结构变化最重要的一个趋势。我国人口老龄化日益严重，截止目前，我国60岁以上老年人口超过2.3亿，是世界上唯一一个老年人口过两亿的国家。老年人随着身体机能逐渐下降，导致步态产生变异，行走的代谢成本增加，行走速度降低，步长缩短，踝关节、膝关节和髋关节活动范围减小。这些将导致老年人的日常活动逐渐减少，使他们的生活独立性慢慢降低；老年人行走速度的降低也会大大增加他们行走中摔倒的风险；此外，老年人口中普遍存在下肢运动功能障碍和步态损伤。研究表明，我国每年新增超过250万中风病人，而将近四分之三的中风发生在65岁以上的老年人身上。因此，对老年人日常活动进行运动辅助是必要的。
另外，髋关节肌肉损伤患者需要及时进行康复训练，传统康复训练方法存在消耗理疗师大量的时间与体力、不能向患者提供实时直观的反馈信息、训练不能精确控制和记录训练参数等诸多问题。髋关节康复外骨骼是一种新型机电一体化装置，穿戴在患者身体外部，能为患者提供可控的辅助力/力矩，从而实现对患者的康复训练和运动辅助等功能。采用髋关节康复外骨骼进行康复训练，不仅继承了传统康复训练的优点，还解决了此类康复训练方法中存在的问题：可满足不同患者对训练强度的要求；可以将理疗师从繁重的训练任务中解放出来，从而专注于制定治疗方案、分析训练数据、优化训练内容等；能够使患者及时得到治疗效果的反馈信息；可以客观记录训练过程中患者患肢的位置、速度以及肌力恢复状态等数据，供理疗师分析和评价治疗效果。因此，开发髋关节康复外骨骼具有重大的实际应用价值。
驱动器是髋关节康复外骨骼的动力元件，其性能直接决定了外骨骼的功能。基于步态分析，在髋关节康复外骨骼对患者的康复训练和老年人的辅助行走过程中，驱动器需要输出制动力矩。目前，国内外研究机构研发的髋关节康复外骨骼输出的制动力矩主要由电机产生，需要提供较大的电流，不仅能量效率比较低、能耗比较大，还存在安全隐患。另外，现有的髋关节康复外骨骼结构不够紧凑，自由度较少、不便于穿戴，人机交互不够友好。
因此，需要研究基于多功能驱动器的髋关节康复外骨骼及其控制方法，可以根据穿戴者步态分析，为患者提供需要的康复辅助功能，并且系统能量效率高、结构紧凑、便于穿戴、人机交互友好。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于多功能驱动器的髋关节康复外骨骼及其运动控制方法，以实现驱动、制动和混合制动功能，为穿戴者提供需要的康复辅助力矩，系统能量效率高、结构紧凑、便于穿戴、人机交互友好、控制精准。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
基于多功能驱动器的髋关节康复外骨骼，包括腰部结构、两腿部结构、两多功能驱动器，其中：
腰部机构包括腰部横向板、一对腰部连接件A、一对腰部连接件B、一对腰部纵向板、腰部绑带，两腰部连接件A分别横向滑动连接于腰部横向板并可固定，两腰部连接件B各自一端分别连接有传动轴A，传动轴A的中心轴线水平但不平行于腰部横向板，两腰部连接件B一一对应通过传动轴A转动连接于两腰部连接件A，腰部绑带连接在两腰部连接件B之间，两腰部纵向板一一对应纵向滑动连接于两腰部连接件B并可固定；
每个腿部结构分别包括髋部板、腿部件、腿部支撑，两腿部结构中的髋部板分别各自通过中心轴沿纵向的传动轴C与两腰部纵向板一一对应转动连接，每个腿部结构中的腿部件分别通过中心轴垂直于对应髋部板的传动轴B与对应的髋部板转动连接，每个腿部结构中的腿部支撑分别平行滑动连接于对应的腿部件并可固定，每个腿部支撑分别连接有腿部绑带；
两多功能驱动器一一对应固定于两腿部结构中的腿部件，每个多功能驱动器分别包括伺服电机、行星减速器、磁流变阻尼器、一对锥齿轮，伺服电机输出轴与行星减速器的输入端传动连接，行星减速器的输出端与磁流变阻尼器的输入端传动连接，伺服电机、行星减速器、磁流变阻尼器传动连接后的整体结构固定于对应的腿部件，其中一个锥齿轮同轴固定于磁流变阻尼器的输出端，另一个锥齿轮同轴固定于对应的腿部结构中的传动轴B并与前一个锥齿轮传动啮合。
所述的基于多功能驱动器的髋关节康复外骨骼，其特征在于：所述腿部结构中，腿部件分别包括腿部管件、大腿偏向件、驱动器座，其中腿部管件一端固定连接于大腿偏向件一端，驱动器座一端固定连接于大腿偏向件另一端，腿部支撑平行滑动连接于腿部件中的腿部管件上，即腿部支撑沿腿部管件轴向滑动，驱动器座另一端通过传动轴B与髋部板转动连接，所述多功能驱动器固定于驱动器座。
所述的基于多功能驱动器的髋关节康复外骨骼，其特征在于：所述腿部结构中，髋部板通过纵向安装槽纵向滑动安装有销轴，销轴上连接有销柄，销轴下端与安装槽槽底之间连接有压缩弹簧，销轴上端从髋部板穿出，所述腰部机构中腰部纵向板对应销轴上端位置设有定位槽，销轴的上端定位销入定位槽中。
所述的基于多功能驱动器的髋关节康复外骨骼，其特征在于：所述多功能驱动器中，磁流变阻尼器包括外壳，外壳中同轴转动安装有传动轴D，传动轴D两端分别从外壳穿出作为输入端和输出端，外壳内的传动轴D上同轴环绕固定有线圈，线圈外环面同轴固定有绝缘层，绝缘层外同轴固定有多对内部硅钢片，且多对内部硅钢片沿传动轴D轴向均匀分布，外壳内壁同轴固定有多对外部硅钢片，多对外部硅钢片沿外壳轴向均匀分布，且多对外部硅钢片与多对内部硅钢片呈一一交错，内部硅钢片、外部硅钢片之间的外壳内部填充有磁流变液。
所述的基于多功能驱动器的髋关节康复外骨骼，其特征在于：还包括传感器系统与控制系统，控制系统包括上位机平板电脑、下位机单片机、每个伺服电机的电机控制器、每个磁流变阻尼器的磁流变阻尼器控制器；传感器系统包括同轴固定于每个伺服电机电机轴的编码器、同轴固定于每个传动轴B的电位计、固定于腰部机构的姿态传感器，以及多个嵌于使用者鞋垫中的压力传感器，其中：
所述上位机平板电脑与下位机单片机双向通讯连接，下位机单片机分别与每个电机控制器、每个磁流变阻尼器控制器控制连接，每个电机控制器分别与对应的伺服电机电连接，每个磁流变阻尼器控制器分别与对应的磁流变阻尼器电连接，所述编码器、电位计、姿态传感器、压力传感器分别与下位机单片机信号传递连接。
所述的基于多功能驱动器的髋关节康复外骨骼，其特征在于：所述上位机平板电脑、下位机单片机、电机控制器、磁流变阻尼器控制器、姿态传感器集成为一体形成集成结构后，固定于腰部机构中的腰部横向板。
所述的基于多功能驱动器的髋关节康复外骨骼，其特征在于：所述集成结构中还集成有电源，电源分别供电连接至下位机单片机和两个电机控制器、两个磁流变阻尼器控制器。
所述的基于多功能驱动器的髋关节康复外骨骼，其特征在于：所述集成结构中，电源与下位机单片机之间的供电线路接入有下位机开关，电源通过总分结构的供电线路分别供电至两个电机控制器、两个磁流变阻尼器控制器，且总分结构的供电线路中总线路接入有外骨骼急停开关。
所述的基于多功能驱动器的髋关节康复外骨骼，其特征在于：各个压力传感器、姿态传感器、电位计、编码器分别将采集的信息发送给下位机单片机，再由下位机单片机转换为相应的通讯数据传送至上位机平板电脑，上位机平板电脑实时显示穿戴者的运动轨迹、脚底压力分布、姿态角度这些运动信息，供理疗师监测，同时，外骨骼的运动信息由上位机平板电脑实时反馈给穿戴者，让其了解自己的使用效果。
一种基于多功能驱动器的髋关节康复外骨骼的运动控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)、老年人或者髋关节术后病人穿戴上髋关节康复外骨骼，启动外骨骼急停开关和下位机开关，打开上位机平板电脑，进行系统初始化；
(2)、由上位机平板电脑给下位机单片机发出指令，开启传感与控制系统；
(3)、传感器系统采集外骨骼-穿戴者关节角度、地面反力和身体姿态等运动信息，发送给下位机单片机，再由下位机单片机发送给上位机平板电脑，基于外骨骼-穿戴者的运动信息，对穿戴者进行运动意图识别和步态分析，上位机平板电脑产生控制指令，发送给下位机单片机，控制多功能驱动器工作；
(4)、当需要外骨骼提供驱动力矩时，所述多功能驱动器中伺服电机将通入电流，输出驱动力矩，经过行星减速器将转速降低、力矩放大，并通过磁流变阻尼器的传动轴D传递给锥齿轮，经过锥齿轮换向，驱动外骨骼髋关节运动，实现多功能驱动器的驱动功能，此时，磁流变阻尼器的线圈中将不通入电流；
(5)、当需要外骨骼提供制动力矩并且所需制动力矩小于磁流变阻尼器所能产生的最大制动力矩时，所述多功能驱动器中伺服电机将不通入电流，电机处于非工作状态、不产生力矩，磁流变阻尼器的线圈中将通入电流，磁流变阻尼器中的磁流变液在产生的感应磁场作用下产生剪切应力，当磁流变阻尼器的内部结构相对外部结构转动时输出制动力矩，并传递给锥齿轮，经过锥齿轮换向，传递给外骨骼髋关节，实现多功能驱动器的制动功能；
(6)当需要外骨骼提供制动力矩并且所需制动力矩大于磁流变阻尼器所能产生的最大制动力矩时，所述多功能驱动器中的伺服电机将通入电流、产生制动力矩，磁流变阻尼器的线圈中也将通入电流，当磁流变阻尼器的内部结构相对外部结构转动时产生制动力矩，伺服电机和磁流变阻尼器产生的制动力矩经过叠加传递给锥齿轮，经过锥齿轮换向，传递给外骨骼髋关节，实现多功能驱动器的混合制动功能；
(7)、重复步骤(3)、步骤(4)、步骤(5)和步骤(6)，直至老年人的辅助行走或髋关节术后病人的康复训练结束；
(8)、关闭上位机平板电脑、关闭下位机开关和外骨骼急停开关，老年人或髋关节术后病人脱下髋关节康复外骨骼。
本发明中，腰部机构中的腰部连接件A可相对于腰部横向板横向滑动，腰部连接件B可通过传动轴A实现外展/内收自旋旋转，腰部纵向板可相对于腰部连接件B纵向滑动，腿部结构中的腿部件可通过中心轴传动轴B实现相对于髋部板的转动，腿部支撑可沿腿部件滑动，上述结构使本发明具有五个自由度，可实现髋关节的主动屈伸运动和被动外展/内收运动。同时本发明中，髋部板可通过传动轴C实现自旋旋转，具有外旋自由度。
本发明中，各个压力传感器、姿态传感器、电位计、编码器采集的信息传送至下位机单片机，由下位机单片机再传送至上位机平板电脑，上位机平板电脑基于接收的信息向使用者实时反馈运动情况。同时上位机平板电脑可通过下位机单片机及电机控制器、磁流变阻尼器控制器控制整个外骨骼的运动。
本发明中，采用多功能驱动器取代传统的电机直接驱动方式，利用多功能驱动器能有效降低能耗，并提高安全性。
与现有技术相比，本发明的优点为：
本发明涉及的一种基于多功能驱动器的髋关节康复外骨骼及其运动控制方法，外骨骼结构紧凑，设计有五个自由度，可以实现髋关节主动屈伸运动和被动外展/内收运动，左髋设计有外旋自由度，方便使用者穿戴；设计有多传感器系统，可以有效地测量穿戴者的运动信息，用于外骨骼反馈控制和患者康复效果评估，基于设计的友好的人机交互，理疗师通过上位机平板电脑可以方便的监测患者的运动信息和外骨骼的工作状态，患者可以通过语音等提示实时了解外骨骼的工作状态、自身的运动表现和应采取的修正动作等，实现理疗师、患者和外骨骼之间有效的信息交流。
本发明涉及的一种基于多功能驱动器的髋关节康复外骨骼及其运动控制方法，外骨骼由多功能驱动器驱动，基于患者的步态分析，可以实现驱动、制动和混合制动功能。多功能驱动器由伺服电机、行星减速器和磁流变阻尼器组成，其中，磁流变阻尼器能够以较小功耗输出较大可控制动力矩，降低了外骨骼使用过程中电机的电流，提高了系统的能量效率；另外，磁流变阻尼器具有紧急状态磁流变制动保护功能，因而提高了外骨骼系统的安全性。
附图说明
图1是本发明髋关节康复外骨骼立体结构图。
图2是本发明髋关节康复外骨骼腰部结构三维图。
图3是本发明髋关节康复外骨骼外展/内收自由度结构三维图。
图4是本发明髋关节康复外骨骼控制盒前视图。
图5是本发明髋关节康复外骨骼控制盒后视图。
图6是本发明髋关节康复外骨骼腿部结构三维图。
图7是本发明多功能驱动器立体结构图。
图8是本发明磁流变阻尼器的内部结构剖面示意图。
图9是本发明髋关节康复外骨骼控制系统硬件结构框图。
图10是本发明髋关节康复外骨骼运动控制方法流程图。
图中：1腰部支撑；2腰部绑带；3腰部纵向板；4锥齿轮；5磁流变阻尼器；5-1传动轴D；5-2外壳；5-3轴承；5-4外部硅钢片；5-5磁流变液；5-6内部硅钢片；5-7侧板；5-8线圈；5-9绝缘层；6行星减速器；7伺服电机；8编码器；9腿部绑带；10腿部支撑；11支撑连接件；12腿部管件；13大腿偏向件；14驱动器座；15电位计；16销柄；17传动轴C；18控制盒；19外骨骼急停开关；20下位机开关；21腰部连接件B；22传动轴B；23腰部连接件A；24腰部横向板；25传动轴A；26锂电池；27姿态传感器；28下位机单片机；29支架；30固定板；31上位机平板电脑；32电机控制器；33控制盒连接件；34磁流变阻尼器控制器；35髋部板；36安装槽。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1-图8所示，基于多功能驱动器的髋关节康复外骨骼，包括腰部结构、两腿部结构、两多功能驱动器，其中：
腰部机构包括腰部横向板24、一对腰部连接件A23、一对腰部连接件B21、一对腰部纵向板3、腰部绑带2，两腰部连接件A23分别横向滑动连接于腰部横向板24并可固定，两腰部连接件B21各自一端分别连接有传动轴A25，传动轴A25的中心轴线水平但不平行于腰部横向板24，两腰部连接件B21一一对应通过传动轴A25转动连接于两腰部连接件A23，腰部绑带2连接在两腰部连接件B21之间，两腰部纵向板3一一对应纵向滑动连接于两腰部连接件B21并可固定；
每个腿部结构分别包括髋部板35、腿部件、腿部支撑10，两腿部结构中的髋部板35分别各自通过中心轴沿纵向的传动轴C17与两腰部纵向板3一一对应转动连接，每个腿部结构中的腿部件分别通过中心轴垂直于对应髋部板35的传动轴B22与对应的髋部板35转动连接，每个腿部结构中的腿部支撑10分别平行滑动连接于对应的腿部件并可固定，每个腿部支撑10分别连接有腿部绑带9；
两多功能驱动器一一对应固定于两腿部结构中的腿部件，每个多功能驱动器分别包括伺服电机7、行星减速器6、磁流变阻尼器5、一对锥齿轮4，伺服电机7输出轴与行星减速器6的输入端传动连接，行星减速器6的输出端与磁流变阻尼器5的输入端传动连接，伺服电机7、行星减速器6、磁流变阻尼器5传动连接后的整体结构固定于对应的腿部件，其中一个锥齿轮同轴固定于磁流变阻尼器5的输出端，另一个锥齿轮同轴固定于对应的腿部结构中的传动轴B22并与前一个锥齿轮传动啮合。
腿部结构中，腿部件分别包括腿部管件12、大腿偏向件13、驱动器座14，其中腿部管件12一端固定连接于大腿偏向件13一端，驱动器座14一端固定连接于大腿偏向件13另一端，腿部支撑10平行滑动连接于腿部件中的腿部管件12上，即腿部支撑10沿腿部管件12轴向滑动，驱动器座14另一端通过传动轴B22与髋部板35转动连接，多功能驱动器固定于驱动器座14。
腿部结构中，髋部板35通过纵向安装槽36纵向滑动安装有销轴，销轴上连接有销柄16，销轴下端与安装槽36槽底之间连接有压缩弹簧，销轴上端从髋部板35穿出，腰部机构中腰部纵向板3对应销轴上端位置设有定位槽，销轴的上端定位销入定位槽中。
如图8所示，多功能驱动器中，磁流变阻尼器5包括外壳5-2，外壳5-2中同轴转动安装有传动轴D5-1，传动轴D5-1两端分别从外壳5-2穿出作为输入端和输出端，外壳5-2内的传动轴D5-1上同轴环绕固定有线圈5-8，线圈5-8外环面同轴固定有绝缘层5-9，绝缘层5-9外同轴固定有多对内部硅钢片5-6，且多对内部硅钢片5-6沿传动轴D5-1轴向均匀分布，外壳5-2内壁同轴固定有多对外部硅钢片5-4，多对外部硅钢片5-4沿外壳5-2轴向均匀分布，且多对外部硅钢片5-4与多对内部硅钢片5-6呈一一交错，内部硅钢片5-6、外部硅钢片5-4之间的外壳5-2内部填充有磁流变液5-5。
如图1-图9所示，本发明还包括传感器系统与控制系统，控制系统包括上位机平板电脑31、下位机单片机28、每个伺服电机的电机控制器32、每个磁流变阻尼器的磁流变阻尼器控制器34；传感器系统包括同轴固定于每个伺服电机电机轴的编码器8、同轴固定于每个传动轴B22的电位计15、固定于腰部机构的姿态传感器27，以及多个嵌于使用者鞋垫中的压力传感器，其中：
上位机平板电脑31与下位机单片机28双向通讯连接，下位机单片机28分别与每个电机控制器32、每个磁流变阻尼器控制器34控制连接，每个电机控制器32分别与对应的伺服电机7电连接，每个磁流变阻尼器控制器34分别与对应的磁流变阻尼器5电连接，编码器8、电位计15、姿态传感器27、压力传感器分别与下位机单片机28信号传递连接。
上位机平板电脑31、下位机单片机28、电机控制器32、磁流变阻尼器控制器34、姿态传感器27集成为一体形成集成结构后，固定于腰部机构中的腰部横向板24。
集成结构中还集成有电源，电源分别供电连接至下位机单片机28和两个电机控制器32、两个磁流变阻尼器控制器34。
集成结构中，电源与下位机单片机28之间的供电线路接入有下位机开关20，电源通过总分结构的供电线路分别供电至两个电机控制器32、两个磁流变阻尼器控制器34，且总分结构的供电线路中总线路接入有外骨骼急停开关19。
各个压力传感器、姿态传感器27、电位计15、编码器8分别将采集的信息发送给下位机单片机28，再由下位机单片机28转换为相应的通讯数据传送至上位机平板电脑31，上位机平板电脑实31时显示穿戴者的运动轨迹、脚底压力分布、姿态角度这些运动信息，供理疗师监测，同时，外骨骼的运动信息由上位机平板电脑31实时反馈给穿戴者，让其了解自己的使用效果。
图1是本发明髋关节康复外骨骼立体结构图。如图所示，一种基于多功能驱动器的髋关节康复外骨骼包括腰部结构，腿部结构，多功能驱动器，传感与控制系统。基于多功能驱动器，髋关节康复外骨骼可以实现髋关节主动屈伸运动和被动外展/内收运动，左髋设计有外旋自由度，方便使用者穿戴。
图2是本发明髋关节康复外骨骼腰部结构三维图，图3是本发明髋关节康复外骨骼外展/内收自由度结构三维图，图4是本发明髋关节康复外骨骼控制盒前视图，图5是本发明髋关节康复外骨骼控制盒后视图。如图所示，腰部结构由腰部支撑1、腰部长度和宽度调节机构、腰部绑带2及控制盒18等组成，其中，所述腰部支撑1由高密度聚乙烯材料制成，固定于腰部长度和宽度调节机构上；所述腰部长度调节机构由腰部连接件A23和腰部横向板组成24，腰部横向板24上设计有滑槽，腰部连接件A23可以根据穿戴者身体尺寸在腰部横向板24滑槽上滑动到合适的位置，并用螺钉固定；所述腰部宽度调节机构由腰部连接件B21和腰部纵向板3组成，腰部纵向板3上设计有滑槽，腰部连接件B21可以根据穿戴者身体尺寸在腰部纵向板3滑槽上滑动到合适的位置，并用螺钉固定；所述腰部连接件A23和腰部连接件B21通过传动轴A25连接，可以实现髋关节被动外展/内收运动；所述腰部绑带2固定于腰部支撑1上，所述控制盒18通过控制盒连接件33固定安装于腰部横向板24上，控制盒18里面设计有支架29、固定板30、上位机平板电脑31、下位机单片机28、电机控制器32、姿态传感器27、锂电池26等。
图6是本发明髋关节康复外骨骼腿部结构三维图。如图所示，腿部结构由多功能驱动器、传动机构一对锥齿轮4、腿部长度调节机构、腿部支撑10、腿部绑带9等组成；所述多功能驱动器固定安装于驱动器座14上，经过传动机构一对锥齿轮4减速和改变传动方向，将运动和辅助力/力矩传递给传动轴B22，实现髋关节主动屈伸运动，多功能驱动器末端设计有编码器8，传动机构输出端设计有电位计15；左髋传动轴B22通过销和传动轴C17连接于左侧腰部纵向板3，通过按下销柄16、压缩弹簧，左髋可以绕传动轴C17转动，实现左髋被动外旋运动，在使用者穿戴外骨骼时，打开该自由度，使用者穿上外骨骼后，关上该自由度，实现使用者方便、快捷穿戴外骨骼；基于人体生物力学分析，腿部结构设计有大腿偏向件13，固定安装于驱动器座14上，实现外骨骼腿部与竖直方向成一定角度，提高外骨骼穿戴舒适性；根据穿戴者身体尺寸，腿部支撑10通过支撑连接件11可以在腿部管件12上滑动到合适的位置，并通过螺钉固定，腿部管件12固定连接于大腿偏向件13，腿部绑带9固定安装于腿部支撑10。
图7是本发明多功能驱动器立体结构图，图8是本发明磁流变阻尼器的内部结构剖面示意图。如图所示，多功能驱动器由伺服电机7、行星减速器6和磁流变阻尼器5组成，具有驱动、制动和混合制动功能；所述伺服电机7同轴固定连接于行星减速器6，使伺服电机7的速度减到需要的转数，同时得到较大的输出转矩，行星减速器6输出端与磁流变阻尼器5传动轴D5-1同轴连接；所述磁流变阻尼器5包括内部结构和外部结构，内部结构可以相对外部结构转动，所述内部结构由传动轴D5-1、线圈5-8、绝缘层5-9、多对内部硅钢片5-6和侧板5-7等组成，其中，线圈5-8同轴环绕于传动轴D5-1上设计的槽体里，绝缘层5-9同轴固定于线圈5-8上，多对内部硅钢片5-6均匀同轴固定于绝缘层5-9上，侧板5-7固定安装于传动轴D5-1上，所述外部结构由外壳5-2、轴承5-3、磁流变液5-5、多对外部硅钢片5-4等组成，多对外部硅钢片5-4同轴均匀固定于外壳5-2上，并与多对内部硅钢片5-6一一对应、交错重合，形成腔体，磁流变液5-5位于腔体中，传动轴D5-1经过轴承5-3支撑，一端与行星减速器6输出轴同轴连接，一端同轴固定于锥齿轮4上。
图9是本发明髋关节康复外骨骼控制系统硬件结构框图。髋关节康复外骨骼传感器系统包括两个编码器8、两个电位计15、一个姿态传感器27以及八个压力传感器，所述八个压力传感器嵌于一对鞋垫中，每个鞋垫设计有四个压力传感器；所述控制系统包括上位机平板电脑31、下位机单片机28、两个电机控制器32、磁流变阻尼器控制器34、一对蓝牙模块和两块锂电池26；所述上位机平板电脑31与下位机单片机28之间采用CAN总线进行双向通讯连接，下位机单片机28与两个电机控制器32连接，两个电机控制器32与两个伺服电机7分别连接，两个磁流变阻尼器5与磁流变阻尼器控制器34连接，磁流变阻尼器控制器34与下位机单片28机连接，所述编码器8、电位计15和姿态传感器27与下位机单片机28连接，八个压力传感器通过蓝牙模块将采集的信息发送给下位机单片机28，两块锂电池26串联连接，通过稳压模块与两个电机控制器32和下位机单片机28连接，给其供电；设计有外骨骼急停开关19和下位机开关20，分别控制外骨骼总电源和下位机单片机28的电源；在外骨骼的使用过程中，上位机平板电脑31可以实时显示穿戴者的运动轨迹、脚底压力分布、姿态角度等运动信息，供理疗师监测，同时，外骨骼的运动信息可以通过语音等途径实时反馈给穿戴者，让其了解自己的使用效果。
图10是本发明髋关节康复外骨骼运动控制方法流程图。如图10所示，基于多功能驱动器的髋关节康复外骨骼的运动控制方法包括以下步骤：
(1)、老年人或者髋关节术后病人穿戴上髋关节康复外骨骼，启动外骨骼急停开关19和下位机开关20，打开上位机平板电脑31，进行系统初始化；
(2)、由上位机平板电脑31给下位机单片机28发出指令，开启传感与控制系统；
(3)、传感器系统采集外骨骼-穿戴者关节角度、地面反力和身体姿态等运动信息，发送给下位机单片机28，再由下位机单片机28发送给上位机平板电脑31，基于外骨骼-穿戴者的运动信息，对穿戴者进行运动意图识别和步态分析，上位机平板电脑31产生控制指令，发送给下位机单片机28，控制多功能驱动器工作；
(4)、当需要外骨骼提供驱动力矩时，所述多功能驱动器中伺服电机7将通入电流，输出驱动力矩，经过行星减速器6将转速降低、力矩放大，并通过磁流变阻尼器5的传动轴D5-1传递给锥齿轮4，经过锥齿轮4换向，驱动外骨骼髋关节运动，实现多功能驱动器的驱动功能，此时，磁流变阻尼器5的线圈5-8中将不通入电流；
(5)、当需要外骨骼提供制动力矩并且所需制动力矩小于磁流变阻尼器5所能产生的最大制动力矩时，所述多功能驱动器中伺服电机7将不通入电流，伺服电机7处于非工作状态、不产生力矩，磁流变阻尼器5的线圈5-8中将通入电流，磁流变阻尼器5中的磁流变液5-5在产生的感应磁场作用下产生剪切应力，当磁流变阻尼器5的内部结构相对外部结构转动时输出制动力矩，并传递给锥齿轮4，经过锥齿轮4换向，传递给外骨骼髋关节，实现多功能驱动器的制动功能；
(6)当需要外骨骼提供制动力矩并且所需制动力矩大于磁流变阻尼器5所能产生的最大制动力矩时，所述多功能驱动器中的伺服电机7将通入电流、产生制动力矩，磁流变阻尼器5的线圈5-8中也将通入电流，当磁流变阻尼器5的内部结构相对外部结构转动时产生制动力矩，伺服电机7和磁流变阻尼器5产生的制动力矩经过叠加传递给锥齿轮4，经过锥齿轮4换向，传递给外骨骼髋关节，实现多功能驱动器的混合制动功能；
(7)、重复步骤(3)、步骤(4)、步骤(5)和步骤(6)，直至老年人的辅助行走或髋关节术后病人的康复训练结束；
(8)关闭上位机平板电脑31、关闭下位机开关20和外骨骼急停开关19，老年人或髋关节术后病人脱下髋关节康复外骨骼。

Claims (6)

1.基于多功能驱动器的髋关节康复外骨骼，其特征在于：包括腰部结构、两腿部结构、两多功能驱动器，其中：腰部机构包括腰部横向板、一对腰部连接件A、一对腰部连接件B、一对腰部纵向板、腰 部绑带，两腰部连接件A分别横向滑动连接于腰部横向板并可固定，两腰部连接件B各自一 端分别连接有传动轴A，传动轴A的中心轴线水平但不平行于腰部横向板，两腰部连接件B一 一对应通过传动轴A转动连接于两腰部连接件A，腰部绑带连接在两腰部连接件B之间，两腰部纵向板一一对应纵向滑动连接于两腰部连接件B并可固定；每个腿部结构分别包括髋部板、腿部件、腿部支撑，两腿部结构中的髋部板分别各自通 过中心轴沿纵向的传动轴C与两腰部纵向板一一对应转动连接，每个腿部结构中的腿部件分别通过中心轴垂直于对应髋部板的传动轴B与对应的髋部板转动连接，每个腿部结构中的腿部支撑分别平行滑动连接于对应的腿部件并可固定，每个腿部支撑分别连接有腿部绑带；两多功能驱动器一一对应固定于两腿部结构中的腿部件，每个多功能驱动器分别包括 伺服电机、行星减速器、磁流变阻尼器、一对锥齿轮，伺服电机输出轴与行星减速器的输入 端传动连接，行星减速器的输出端与磁流变阻尼器的输入端传动连接，伺服电机、行星减速 器、磁流变阻尼器传动连接后的整体结构固定于对应的腿部件，其中一个锥齿轮同轴固定 于磁流变阻尼器的输出端，另一个锥齿轮同轴固定于对应的腿部结构中的传动轴B并与前一个锥齿轮传动啮合；
所述腿部结构中，腿部件分别包括腿部管件、大腿偏向件、驱动器座，其中腿部管件一端固定连接于大腿偏向件一端，驱动器座一端固定连接于大腿偏向件另一端，腿部支撑平行滑动连接于腿部件中的腿部管件上，即腿部支撑沿腿部管件轴向滑动，驱动器座另一端通过传动轴B 与髋部板转动连接，所述多功能驱动器固定于驱动器座；
所述腿部结构中，髋部板通过纵向安装槽纵向滑动安装有销轴，销轴上连接有销柄，销轴下端与安装槽槽底之间连接有压缩弹簧，销轴上端从髋部板穿出，所述腰部机构中腰部纵向板对应销轴上端位置设有定位槽，销轴的上端定位销入定位槽中；
所述多功能驱动器中，磁流变阻尼器包括外壳，外壳中同轴转动安装有传动轴D，传动轴D两端分别 从外壳穿出作为输入端和输出端，外壳内的传动轴D上同轴环绕固定有线圈，线圈外环面同 轴固定有绝缘层，绝缘层外同轴固定有多对内部硅钢片，且多对内部硅钢片沿传动轴D轴向 均匀分布，外壳内壁同轴固定有多对外部硅钢片，多对外部硅钢片沿外壳轴向均匀分布，且 多对外部硅钢片与多对内部硅钢片呈一一交错，内部硅钢片、外部硅钢片之间的外壳内部 填充有磁流变液。
2.根据权利要求1所述的基于多功能驱动器的髋关节康复外骨骼，其特征在于：还包括传感器系统与控制系统，控制系统包括上位机平板电脑、下位机单片机、每个伺服电机的电机控制器、每个磁流变阻尼器的磁流变阻尼器控制器；传感器系统包括同 轴固定于每个伺服电机电机轴的编码器、同轴固定于每个传动轴B的电位计、固定于腰部机 构的姿态传感器，以及多个嵌于使用者鞋垫中的压力传感器，其中：所述上位机平板电脑与下位机单片机双向通讯连接，下位机单片机分别与每个电机控制器、每个磁流变阻尼器控制器控制连接，每个电机控制器分别与对应的伺服电机电连接， 每个磁流变阻尼器控制器分别与对应的磁流变阻尼器电连接，所述编码器、电位计、姿态传 感器、压力传感器分别与下位机单片机信号传递连接。
3.根据权利要求2所述的基于多功能驱动器的髋关节康复外骨骼，其特征在于：所述上位机平板电脑、下位机单片机、电机控制器、磁流变阻尼器控制器、姿态传感器集成为一体形成集成结构后，固定于腰部机构中的腰部横向板。
4.根据权利要求3所述的基于多功能驱动器的髋关节康复外骨骼，其特征在于：所述集成结构中还集成有电源，电源分别供电连接至下位机单片机和两个电机控制器、两个磁流变阻尼器控制器。
5.根据权利要求4所述的基于多功能驱动器的髋关节康复外骨骼，其特征在于：所述集成结构中，电源与下位机单片机之间的供电线路接入有下位机开关，电源通过总分结构的供电线路分别供电至两个电机控制器、两个磁流变阻尼器控制器，且总分结构的供电线路中总线路接入有外骨骼急停开关。
6.根据权利要求2所述的基于多功能驱动器的髋关节康复外骨骼，其特征在于：各个压力传感器、姿态传感器、电位计、编码器分别将采集的信息发送给下位机单片机，再由下位机单片机转换为相应的通讯数据传送至上位机平板电脑，上位机平板电脑实时显示穿戴者的运动轨迹、脚底压力分布、姿态角度这些运动信息，供理疗师监测，同时，外骨骼的运动信息由上位机平板电脑实时反馈给穿戴者，让其了解自己的使用效果。
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