CN109846672B - 可变刚度的踝足康复矫形器及其运动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变刚度的踝足康复矫形器及其运动控制方法，踝足康复矫形器包括绑带、小腿支架、脚板、可变刚度磁流变弹性驱动器、人机交互系统、传感与控制系统；可变刚度磁流变弹性驱动器由电机元件、磁流变制动器和刚度调节机制组成，可以实时调节系统刚度、缓冲地面冲击以及提高系统能量效率和安全性；人机交互系统基于智能终端应用程序，辅助矫形器的使用，为偏瘫患者及物理治疗师提供矫形器状态监控及操控、在线声音反馈、运动表现总结等多种交互功能。本发明控制方法是基于偏瘫患者步态分析和需求，以及可变刚度磁流变弹性驱动器驱动、制动、混合制动和刚度调节等功能，输出期望的辅助力矩和运动，实现患者踝足的康复训练。

Description

可变刚度的踝足康复矫形器及其运动控制方法

技术领域

本发明涉及康复医疗机器人领域，具体是一种可变刚度的踝足康复矫形器及其运动控制方法。

背景技术

根据世界卫生组织的报告，全世界每年新增约1500万中风患者，其中约有500万人会死亡，而另约有500万人患有永久性残疾。在我国，每年新增超过250万中风病人。中风后偏瘫患者易出现足下垂、足内翻及其它运动障碍，严重影响患者步行功能的恢复。医学证实，康复训练是降低中风致残率的有效方法。传统的踝足康复训练方法是物理治疗师“手把手”对患者踝关节进行康复训练，这种康复训练模式存在诸多问题：需要大量的理疗师来完成；消耗理疗师大量的时间与体力，从而无法保证患者充足的训练时间和足够的训练强度；不能向患者提供实时直观的反馈信息，训练过程缺乏吸引力，患者多是被动接受治疗，参与治疗的主动性不够，从而加大了训练的难度；训练不能精确控制和记录训练参数，从而难以得到客观定量的康复评价指标，不利于治疗方案的确定和改进。

随着机器人技术的迅速发展，康复医疗领域也逐渐引用机器人技术。踝足康复矫形器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。采用踝足康复矫形器进行踝足康复训练，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。首先，踝足康复矫形器不存在“疲倦”问题，可满足不同患者对训练强度的要求；其次，它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；再次，它能够使患者及时得到治疗效果的反馈信息，从而积极参与治疗，树立康复信心；最后，它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。

驱动器是踝足康复矫形器的动力元件，其性能直接决定了矫形器的功能。现有研究中的踝足康复矫形器主要采用电机、弹性驱动器、人工气动肌肉等驱动器，驱动器刚度多是固定的，或者通过控制算法改变系统阻抗，但是由于传感器响应延迟和惯性等因数，这种方法存在一定的安全隐患；另外，在对偏瘫患者康复训练过程中，现有的踝足康复矫形器输出的制动力矩主要由电机产生，能耗较大；在人机交互方面，现有的踝足康复矫形器多侧重对穿戴者运动信息的感知，而缺乏对于穿戴者的信息反馈，人机交互系统设计不够友好。

因此，需要研究基于可变刚度磁流变弹性驱动器的踝足康复矫形器及其运动控制方法，使矫形器可以根据患者行走步态状态、行走速度以及路面环境等变化通过结构而实时改变刚度，并能够缓冲地面冲击，提高矫形器系统能量效率以延长其一次充电的工作时间；并且人机交互友好，可以为偏瘫患者及物理治疗师提供矫形器状态监控及操控、在线声音反馈、运动表现总结等多种交互功能。

发明内容 本发明的目的是提供一种可变刚度的踝足康复矫形器及其运动控制方法，可以实时调节系统刚度、缓冲地面冲击以及提高系统能量效率和安全性；并且，友好的人机交互设计可以为偏瘫患者及物理治疗师提供矫形器状态监控及操控、在线声音反馈、运动表现总结等多种交互功能，从而实现为偏瘫患者提供有效的踝足康复训练。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

可变刚度的踝足康复矫形器，其特征在于：包括小腿支架、脚板、驱动制动部分和刚度调节机制，其中小腿支架绑在小腿上，脚板供足部踩踏，刚度调节机制连接小腿支架和脚板，驱动制动部分驱动刚度调节机制工作，其中：

驱动制动部分包括驱动器底座、固定座A、电机A、行星减速器、磁流变制动器、同步带传动机构，所述固定座A固定于驱动器底座上，磁流变制动器的外壳固定于固定座A一侧，磁流变制动器中的转轴一端水平贯穿固定座A后从固定座A另一侧穿出，且转轴可自由转动，行星减速器的外壳固定于固定座A，电机A中电机轴的输出端与行星减速器的输入端同轴传动连接，同步带传动机构由两个同步带轮以及传动带构成，其中一个同步带轮同轴固定于固定座A内部的磁流变制动器的转轴上，另一个同步带轮同轴固定于行星减速器的输出端，并由传动带传动连接两个同步带轮；

刚度调节机制包括固定座B、固定座C、电机B、丝杆螺母机构、连杆、关节连接件、关节传动轴、扭簧，所述固定座B固定于驱动器底座上，且固定座B位于转轴穿出固定座A的方向上，关节传动轴呈轴向水平并转动安装于固定座B中，关节连接件固定于关节传动轴随关节传动轴转动，关节连接件上端固定连接于固定座C下端，丝杆螺母机构中的丝杆呈轴向竖直并转动安装于固定座C内，电机B固定于固定座C上端，电机B的电机轴输出端与丝杆上端传动连接，所述扭簧设于固定座B和固定座A之间，扭簧由内圈、外圈和连接内、外圈的多个柔性单元构成，其中内圈同轴固定于磁流变制动器的转轴穿出固定座A的一端，所述连杆由圆板和连接于圆板径向一端的杆臂构成，其中圆板与扭簧的外圈同轴且面面相贴固定连接，连杆的杆臂平行于丝杆，杆臂中设有与杆臂延伸方向平行的导轨槽，丝杆螺母机构中螺母上固定有滑块，滑块滑动安装于杆臂的导轨槽中，所述小腿支架固定于固定座C一侧，脚板连接于固定座B对应于小腿支架所在方向一侧。

所述的可变刚度的踝足康复矫形器，其特征在于：所述固定座C内还安装有轴向竖直的导杆，所述丝杆螺母机构中的螺母同时滑动安装于导杆上。

所述的可变刚度的踝足康复矫形器，其特征在于：还包括传感器系统与控制系统，其中传感器系统包括姿态传感器、电位计A、电位计B、编码器A、编码器B、以及多个压力传感器，所述姿态传感器安装于固定座C，电位计A安装于磁流变制动器的外壳，电位计A的转动部分同轴固定于磁流变制动器的转轴，电位计B安装于固定座B，电位计B的转动部分同轴固定于关节传动轴，编码器A同轴安装于电机A末端，编码器B同轴安装于电机B末端，多个压力传感器分别分布于脚板上；

所述控制系统包括上位机平板电脑、下位机单片机、电机A控制器、电机B控制器、磁流变制动器控制器和可充电锂电池；其中上位机平板电脑与所述下位机单片机之间采用CAN总线进行双向通讯连接，所述下位机单片机分别与电机A控制器、电机B控制器连接，电机A控制器、电机B控制器分别与所述电机A和所述电机B对应控制连接，所述磁流变制动器控制器与磁流变制动器中的线圈连接，磁流变制动器控制器还与下位机单片机连接，传感器系统中的姿态传感器、电位计A、电位计B、编码器A、编码器B以及多个压力传感器分别与所述下位机单片机连接，所述可充电锂电池通过稳压模块分别与电机A控制器、电机B控制器、下位机单片机连接，给其供电。

所述的可变刚度的踝足康复矫形器，其特征在于：上位机平板电脑中集成有人机交互系统，所述人机交互系统基于智能终端应用程序，为偏瘫患者及理疗师提供多种功能与交互方式，辅助踝足康复矫形器的使用，为偏瘫患者及物理治疗师提供矫形器状态监控及操控、在线声音反馈、运动表现总结多种交互功能；

所述智能终端应用程序设计有物理治疗师版本和偏瘫患者版本，以平板电脑和智能手机作为载体，通过蓝牙等通信技术与所述踝足康复矫形器嵌入式控制系统通信，为偏瘫患者及理疗师提供多种功能与交互方式；

所述物理治疗师版本，物理治疗师通过平板电脑或者智能手机实时监控矫形器当前工作状态、查看操作历史、浏览各偏瘫患者的相关数据，并通过应用程序连接矫形器，在患者试穿矫形器初期对矫形器进行指导性的操控，物理治疗师通过登录界面登录，然后转入操控界面、监控界面、患者康复训练数据总结界面，所述操控界面上设计有踝足康复矫形器操控按钮，包括蓝牙连接按钮、电源控制按钮、连续行走按钮、单步行走按钮、行走步数控制按钮，所述监控界面实时显示矫形器关节角度、关节力矩、姿态角、脚底地面反力、压力中心位置，所述患者康复训练数据总结界面可以查阅患者相关信息及康复进程；

所述偏瘫患者版本，矫形器智能终端应用程序以智能手机作为主要载体，患者通过手机界面查看矫形器的操作历史、运动分析、以及理疗师的评语信息，也可以通过智能手机的语音提示实时了解矫形器的工作状态、自身的运动表现和应采取的修正动作。

所述的可变刚度的踝足康复矫形器，其特征在于：用于偏瘫患者踝足背屈和跖屈方向上的康复训练。

一种可变刚度的踝足康复矫形器的运动控制方法，其特征在于：偏瘫患者与踝足康复矫形器组成穿戴者-矫形器协作系统，当穿戴者希望进行某一动作时，其大脑将产生相关神经信号促使相关肌肉生成关节力矩，矫形器控制器结构分为上层控制器和底层控制器，上层控制器用于患者康复训练中的步态分析和康复辅助功能配置，根据穿戴者-矫形器系统反馈的实际关节角度和地面反力等信息生成生成矫形器参考关节角度和关节力矩，底层控制器主要完成可变刚度磁流变弹性驱动器控制，使驱动器输出期望的辅助力矩和运动，所述运动控制方法包括以下步骤：

（1）、偏瘫患者穿戴上踝足康复矫形器，由物理治疗师或者患者自己启动矫形器急停开关，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）、由物理治疗师通过平板电脑或者智能手机，或者患者自己通过智能手机选择康复运动模式，包括单步行走和连续行走、以及行走步数等参数的设置；

（4）、传感器系统采集穿戴者-矫形器系统关节角度、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，基于穿戴者-矫形器的运动信息，对患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，控制可变刚度磁流变弹性驱动器工作，同时，通过智能手机的语音提示功能，向患者实时汇报矫形器的工作状态、患者自身的运动表现和应采取的修正动作等；

（5）、基于穿戴者-矫形器系统步态分析，当需要所述踝足康复矫形器提供驱动力矩时，所述可变刚度磁流变弹性驱动器中电机A将通入电流，输出驱动力矩，经过所述行星减速器将转速降低、力矩放大，并通过所述同步带传动和所述磁流变制动器的转轴传递给所述扭簧和所述连杆，最后通过所述滑块将驱动力矩传递给所述固定座C，从而驱动踝足康复矫形器关节运动，实现所述可变刚度磁流变弹性驱动器的驱动功能，此时，所述磁流变制动器的线圈中将不通入电流，磁流变制动器不产生制动力矩，所述扭簧在力矩传递过程的形变量可以通过所述电位计A和所述电位计B测得，并根据所述扭簧的刚度，可以计算出所述电机A输出的经所述行星减速器和所述同步带传动放大的驱动力矩；

（6）、基于穿戴者-矫形器系统步态分析，当需要所述矫踝足康复形器提供制动力矩并且所需制动力矩小于所述磁流变制动器所能产生的最大制动力矩时，所述磁流变制动器的线圈中将通入电流，从而产生感应磁场，所述磁流变制动器中的磁流变液在产生的感应磁场作用下产生剪切应力，当所述磁流变制动器的内部结构相对外部结构转动时输出制动力矩，通过所述磁流变制动器的转轴传递给所述扭簧和所述连杆，最后经过所述滑块将制动力矩传递给所述固定座C，实现所述可变刚度磁流变弹性驱动器的制动功能，此时，所述电机A将处于非工作状态，不输出力矩，通过控制通入所述磁流变制动器的线圈中的电流的大小，可以控制所述磁流变制动器输出的制动力矩的大小，由于在产生相同制动力矩的情况下，所述磁流变制动器消耗的能量远远小于传统电机消耗的能量，从而提高了系统的能量效率和安全性；

（7）、基于穿戴者-矫形器系统步态分析，当需要所述踝足康复矫形器提供制动力矩并且所需制动力矩大于所述磁流变制动器所能产生的最大制动力矩时，所述可变刚度磁流变弹性驱动器中电机A将通入电流、产生制动力矩，所述磁流变制动器的线圈中也将通入电流，所述磁流变制动器也将产生制动力矩，所述电机A和所述磁流变制动器产生的制动力矩经过叠加传递给所述扭簧和所述连杆，最后经过所述滑块将制动力矩传递给所述固定座C，实现所述可变刚度磁流变弹性驱动器的混合制动功能；

（8）、基于穿戴者-矫形器系统步态分析，当需要所述矫踝足康复形器改变刚度时，基于所述编码器B的反馈信号，对所述电机B进行运动控制，使所述螺母沿着所述导杆在所述丝杠上做直线运动，实现所述滑块在所述连杆导轨上的滑动，从而达到对所述螺母上滑块位置的精确控制，所述电机A和所述磁流变制动器输出的辅助力矩是通过所述扭簧和所述连杆传递给所述滑块的，进而驱动踝足康复矫形器关节进行运动，随着所述滑块位置的改变，辅助力矩传递的力臂长度会相应改变，在所述扭簧的作用下，实现对所述驱动器刚度的调节，所述扭簧提高了所述踝足康复矫形器系统的柔顺性，降低了其机械阻抗，可以有效的缓冲外界对系统的冲击，从而提高了系统的安全性，同时，在一个步态周期的屈膝运动中，所述扭簧的变形可以存储能量，然后在步态周期的伸膝运动中中释放出来，从而节约能量；

（9）、重复步骤（3）、步骤（4）、步骤（5）、步骤（6）、步骤（7）和步骤（8），直至偏瘫患者踝足的康复训练结束；

（10）、关闭上位机平板电脑、关闭踝足康复矫形器急停开关，偏瘫患者脱下踝足康复矫形器。

本发明相比较于现有技术，具有如下有益效果：

本发明涉及的可变刚度的踝足康复矫形器及其运动控制方法，矫形器由可变刚度磁流变弹性驱动器驱动，基于患者的步态分析，可以实现驱动、制动、混合制动和刚度调节等功能，为偏瘫患者提供有效的踝足康复训练。可变刚度磁流变弹性驱动器由电机元件、磁流变制动器和刚度调节机制组成，其中，磁流变制动器能够以较小功耗输出较大可控制动力矩，降低了矫形器使用过程中电机的电流，提高了系统的能量效率，而且，磁流变制动器具有紧急状态磁流变制动保护功能，因而提高了系统的安全性；另外，刚度调节机制可以基于患者步态分析实时调节系统刚度、缓冲地面冲击，使患者的康复运动更加舒适、自然。

本发明涉及的可变刚度的踝足康复矫形器及其运动控制方法，还设计有友好的人机交互系统，辅助矫形器的使用。人机交互系统基于智能终端应用程序，设计有物理治疗师版本和偏瘫患者版本，以平板电脑和智能手机作为载体，通过蓝牙等通信技术与所述踝足康复矫形器嵌入式控制系统通信，实现了物理理疗师、患者和矫形器之间有效的信息交流，可以为偏瘫患者及物理治疗师提供矫形器状态监控及操控、在线声音反馈、以及患者运动表现总结等多种交互功能，使踝足康复矫形器更加方便、实用。

附图说明

图1是本发明踝足康复矫形器的立体结构图。

图2是本发明可变刚度磁流变弹性驱动器的立体结构图。

图3是本发明磁流变制动器的剖面结构图。

图4是本发明刚度调节机制的立体结构图。

图5是本发明智能终端应用程序界面设计示意图。

图6是本发明踝足康复矫形器控制系统硬件结构框图。

图7是本发明穿戴者-矫形器协作系统示意图。

图8是本发明踝足康复矫形器运动控制方法流程图。

图中：1绑带；2小腿支架；3-1编码器B；3-2电机B；3-3丝杆；3-4导杆；3-5螺母；3-6连杆；3-7滑块；3-8固定座C；3-9固定座B；3-10关节连接件；3-11电位计B；3-12关节传动轴；3-13扭簧；3-14姿态传感器；4磁流变制动器；4-1转轴；4-2线圈；4-3绝缘层；4-4侧板；4-5内部硅钢片；4-6外部硅钢片；4-7磁流变液；4-8外壳；4-9轴承；5-1编码器A；5-2电机A；5-3行星减速器；5-4固定座A；5-5小带轮；5-6传动带；5-7大带轮；5-8驱动器底座；6电位计A；7脚板。

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。

图1是本发明踝足康复矫形器的立体结构图。如图1所示，一种基于可变刚度磁流变弹性驱动器的踝足康复矫形器包括绑带1、小腿支架2、脚板7、可变刚度磁流变弹性驱动器、人机交互系统、以及传感与控制系统；基于所述可变刚度磁流变弹性驱动器驱动、制动、混合制动和刚度调节功能，所述踝足康复矫形器可以实现偏瘫患者踝足背屈和跖屈方向上的康复训练；所述人机交互系统基于智能终端应用程序，可以为偏瘫患者及理疗师提供多种功能与交互方式。

图2是本发明可变刚度磁流变弹性驱动器的立体结构图。图3是本发明磁流变制动器的剖面结构图。图4是本发明刚度调节机制的立体结构图。如图所示，所述可变刚度磁流变弹性驱动器由电机A5-2、磁流变制动器4和刚度调节机制组成，具有驱动、制动、混合制动功能和刚度调节功能，可以实时调节系统刚度、缓冲地面冲击以及提高系统能量效率和安全性；电机A5-2末端安装有编码器A5-1，电机A5-2输出端同轴固定连接于行星减速器5-3，使电机A5-2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5-3固定安装在固定座A5-4上，其输出端与一对同步带轮中的小带轮5-5同轴连接；磁流变制动器4包括内部结构和外部结构，内部结构可以相对所述外部结构转动，内部结构由转轴4-1、线圈4-2、绝缘层4-3、多对内部硅钢片4-5和侧板4-4等组成，其中，线圈4-2同轴环绕于转轴4-1上，绝缘层4-3同轴固定于线圈4-1上，多对内部硅钢片4-5均匀同轴固定于绝缘层4-3上，侧板4-4固定安装于转轴4-1上，外部结构由外壳4-8、轴承4-9、磁流变液4-7、多对外部硅钢片4-6等组成，多对外部硅钢片4-6同轴均匀固定于外壳4-8上，并与多对内部硅钢片4-5一一对应、交错重合，形成腔体，磁流变液4-7位于腔体中，转轴4-1经过轴承4-9支撑，一端同轴连接有电位计A6，另一端与同步带轮中的大带轮5-7同轴连接，磁流变制动器外壳4-8固定安装在固定座A5-4上。

刚度调节机制包括固定座B3-9、关节传动轴3-12、关节连接件3-10、固定座C3-8、螺母3-5、丝杠3-3、导杆3-4、扭簧3-13、连杆3-6、电机B3-2、编码器B3-1、电位计B3-11和姿态传感器3-14，其中，电机B3-2固定安装在固定座C3-8上，电机B3-2末端同轴安装有编码器B3-1，姿态传感器3-14固定安装在固定座C3-8侧面，固定座C3-8内部转动安装有丝杠3-3，与电机B3-2输出轴传动连接，固定座C3-8内还设有与丝杠3-3平行的导杆3-4，丝杠3-3上螺纹安装有螺母3-5，螺母3-5同时滑动安装在导杆3-4上，螺母3-5上设有滑块3-7，连杆3-6由圆板和连接在圆板径向一端的杆臂构成，杆臂中设有平行于自身延伸方向的导轨槽，圆板中心有轴孔，螺母3-5上滑块3-7滑动安装在连杆3-6杆臂的导轨槽中，丝杠3-3与连杆3-6杆臂的导轨平行，扭簧3-13设置在固定座A5-4和固定座B3-9之间，扭簧3-13由内、外圈及连接内、外圈的多个柔性单元构成，柔性单元和内圈、外圈是一种材料，柔性单元设计成在受扭矩时可产生形变的结构，所以也可以称它为弹性件。磁流变制动器转轴4-1的输出端经过同步带轮5-7，伸出固定座A5-4，并同轴固定在扭簧3-13的内圈中，固定座A5-4和固定座B3-9安装在驱动器底座5-8上，关节连接件3-10固定安装在固定座C3-8上，并与关节传动轴3-12同轴固定，可随关节传动轴3-12一起相对固定座B3-9转动，关节连接件3-10和关节传动轴3-12设置在固定座B3-9中，电位计B3-11固定安装于固定座B3-9上，其转动部分同轴连接于关节传动轴3-12上，小腿支架2固定安装在固定座C3-8上，脚板7固定安装在固定座B3-9上。

图5是本发明智能终端应用程序界面设计示意图。如图5所示，所述人机交互系统基于智能终端应用程序，辅助矫形器的使用，为偏瘫患者及物理治疗师提供矫形器状态监控及操控、在线声音反馈、运动表现总结等多种交互功能；所述智能终端应用程序设计有物理治疗师版本和偏瘫患者版本，以平板电脑和智能手机作为载体，通过蓝牙等通信技术与所述踝足康复矫形器嵌入式控制系统通信，为偏瘫患者及理疗师提供多种功能与交互方式；物理治疗师版本，物理治疗师可以通过平板电脑或者智能手机实时监控矫形器当前工作状态、查看操作历史、浏览各偏瘫患者的相关数据，并可通过应用程序连接矫形器，在患者试穿矫形器初期对矫形器进行指导性的操控，物理治疗师可以通过登录界面登录，然后转入操控界面、监控界面、患者康复训练数据总结界面等，操控界面上设计有踝足康复矫形器操控按钮，包括蓝牙连接按钮、电源控制按钮、连续行走按钮、单步行走按钮、行走步数控制按钮等（图5a），监控界面可以实时显示矫形器关节角度、关节力矩、姿态角、脚底地面反力、压力中心位置等（图5b），患者康复训练数据总结界面可以查阅患者相关信息及康复进程（图5c）；偏瘫患者版本，矫形器智能终端应用程序以智能手机作为主要载体，患者可以通过手机界面查看矫形器的操作历史、运动分析、以及理疗师的评语等信息，也可以通过智能手机的语音提示实时了解矫形器的工作状态、自身的运动表现和应采取的修正动作等。

图6是本发明踝足康复矫形器控制系统硬件结构框图。如图6所示，所述踝足康复矫形器传感器系统包括一个姿态传感器3-14、电位计A6、电位计B3-11、编码器A5-1、编码器B3-1、以及八个压力传感器，八个压力传感器嵌于一对分别放置在两脚脚板上的硅胶鞋垫中，每个硅胶鞋垫设计有四个压力传感器；所述踝足康复矫形器控制系统包括上位机平板电脑、下位机单片机、电机A控制器、电机B控制器、磁流变制动器控制器和可充电锂电池；上位机平板电脑与下位机单片机之间采用CAN总线进行双向通讯连接，下位机单片机与两个电机控制器连接，两个电机控制器分别与电机A5-2和电机B3-2连接，磁流变制动器线圈4-2与磁流变制动器控制器连接，磁流变制动器控制器与下位机单片机连接，姿态传感器3-14、电位计A6、电位计B3-11、编码器A5-1、编码器B3-1以及八个压力传感器与下位机单片机连接，可充电锂电池通过稳压模块与两个电机控制器和下位机单片机连接，给其供电；设计有踝足康复矫形器急停开关用于控制矫形器总电源。

图7是本发明穿戴者-矫形器协作系统示意图。如图7所示，偏瘫患者与踝足康复矫形器组成穿戴者-矫形器协作系统，当穿戴者希望进行某一动作时，其大脑将产生相关神经信号促使相关肌肉生成关节力矩，矫形器控制器结构分为上层控制器和底层控制器，上层控制器用于患者康复训练中的步态分析和康复辅助功能配置，根据穿戴者-矫形器系统反馈的实际关节角度和地面反力等信息生成生成矫形器参考关节角度和关节力矩，底层控制器主要完成可变刚度磁流变弹性驱动器控制，使驱动器输出期望的辅助力矩和运动。图8是本发明踝足康复矫形器运动控制方法流程图。如图8所示，基于可变刚度磁流变弹性驱动器的踝足康复矫形器的运动控制方法包括以下步骤：

（1）、偏瘫患者穿戴上踝足康复矫形器，由物理治疗师或者患者自己启动矫形器急停开关，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）、由物理治疗师通过平板电脑或者智能手机，或者患者自己通过智能手机选择康复运动模式，包括单步行走和连续行走、以及行走步数等参数的设置；

（4）、传感器系统采集穿戴者-矫形器系统关节角度、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，基于穿戴者-矫形器的运动信息，对患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，控制可变刚度磁流变弹性驱动器工作，同时，通过智能手机的语音提示功能，向患者实时汇报矫形器的工作状态、患者自身的运动表现和应采取的修正动作等；

（5）、基于穿戴者-矫形器系统步态分析，当需要所述踝足康复矫形器提供驱动力矩时，所述可变刚度磁流变弹性驱动器中电机A5-2将通入电流，输出驱动力矩，经过行星减速器5-3将转速降低、力矩放大，并通过小带轮5-5、传动带5-6和大带轮5-7和磁流变制动器的转轴4-1传递给扭簧3-13和连杆3-6，最后通过滑块3-7将驱动力矩传递给固定座C3-8，从而驱动踝足康复矫形器关节运动，实现可变刚度磁流变弹性驱动器的驱动功能，此时，磁流变制动器的线圈4-2中将不通入电流，磁流变制动器4不产生制动力矩，扭簧3-13在力矩传递过程的形变量可以通过电位计A6和电位计B3-11测得，并根据扭簧的刚度，可以计算出电机A5-2输出的经行星减速器5-3和同步带传动5-5、5-6和5-7放大的驱动力矩；

（6）、基于穿戴者-矫形器系统步态分析，当需要所述矫踝足康复形器提供制动力矩并且所需制动力矩小于所述磁流变制动器4所能产生的最大制动力矩时，磁流变制动器的线圈4-2中将通入电流，从而产生感应磁场，磁流变制动器中的磁流变液4-7在产生的感应磁场作用下产生剪切应力，当磁流变制动器的内部结构相对外部结构转动时输出制动力矩，通过磁流变制动器的转轴4-1传递给扭簧3-13和连杆3-6，最后经过滑块3-7将制动力矩传递给固定座C3-8，实现所述可变刚度磁流变弹性驱动器的制动功能，此时，电机A5-2将处于非工作状态，不输出力矩，通过控制通入磁流变制动器的线圈4-2中的电流的大小，可以控制磁流变制动器4输出的制动力矩的大小，由于在产生相同制动力矩的情况下，磁流变制动器4消耗的能量远远小于传统电机消耗的能量，从而提高了系统的能量效率和安全性；

（7）、基于穿戴者-矫形器系统步态分析，当需要所述踝足康复矫形器提供制动力矩并且所需制动力矩大于所述磁流变制动器4所能产生的最大制动力矩时，可变刚度磁流变弹性驱动器中电机A5-2将通入电流、产生制动力矩，磁流变制动器的线圈4-2中也将通入电流，磁流变制动器4也将产生制动力矩，电机A5-2和磁流变制动器4产生的制动力矩经过叠加传递给扭簧3-13和连杆3-6，最后经过滑块3-7将制动力矩传递给固定座C3-8，实现可变刚度磁流变弹性驱动器的混合制动功能；

（8）、基于穿戴者-矫形器系统步态分析，当需要所述矫踝足康复形器改变刚度时，基于编码器B3-1的反馈信号，对电机B3-2进行运动控制，使螺母3-5沿着导杆3-4在丝杠3-3上做直线运动，实现滑块3-7在连杆3-6的导轨槽上的滑动，从而达到对螺母3-5上滑块3-7位置的精确控制，电机A5-2和磁流变制动器4输出的辅助力矩是通过扭簧3-13和连杆3-6传递给滑块3-7的，进而驱动踝足康复矫形器关节进行运动，随着滑块3-7位置的改变，辅助力矩传递的力臂长度会相应改变，在扭簧3-13的作用下，实现对驱动器刚度的调节，扭簧3-13提高了踝足康复矫形器系统的柔顺性，降低了其机械阻抗，可以有效的缓冲外界对系统的冲击，从而提高了系统的安全性，同时，在一个步态周期的屈膝运动中，扭簧3-13的变形可以存储能量，然后在步态周期的伸膝运动中中释放出来，从而节约能量；

（9）、重复步骤（3）、步骤（4）、步骤（5）、步骤（6）、步骤（7）和步骤（8），直至偏瘫患者踝足的康复训练结束；

（10）、关闭上位机平板电脑、关闭踝足康复矫形器急停开关，偏瘫患者脱下踝足康复矫形器。

Claims (5)

1.可变刚度的踝足康复矫形器，其特征在于：包括小腿支架、脚板、可变刚度磁流变弹性驱动器，其中可变刚度磁流变弹性驱动器由驱动制动部分和刚度调节机制构成，小腿支架绑在小腿上，脚板供足部踩踏，刚度调节机制连接小腿支架和脚板，驱动制动部分驱动刚度调节机制工作，其中：驱动制动部分包括驱动器底座、固定座A、电机A、行星减速器、磁流变制动器、同步带传动机构，所述固定座A固定于驱动器底座上，磁流变制动器的外壳固定于固定座A一侧，磁流变制动器中的转轴一端水平贯穿固定座A后从固定座A另一侧穿出，且转轴可自由转动，行星减速器的外壳固定于固定座A，电机A中电机轴的输出端与行星减速器的输入端同轴传动连接，同步带传动机构由两个同步带轮以及传动带构成，其中一个同步带轮同轴固定于固定座A内部的磁流变制动器的转轴上，另一个同步带轮同轴固定于行星减速器的输出端，并由传动带传动连接两个同步带轮；刚度调节机制包括固定座B、固定座C、电机B、丝杆螺母机构、连杆、关节连接件、关节传动轴、扭簧，所述固定座B固定于驱动器底座上，且固定座B位于转轴穿出固定座A的方向上，关节传动轴呈轴向水平并转动安装于固定座B中，关节连接件固定于关节传动轴随关节传动轴转动，关节连接件上端固定连接于固定座C下端，丝杆螺母机构中的丝杆呈轴向竖直并转动安装于固定座C内，电机B固定于固定座C上端，电机B的电机轴输出端与丝杆上端传动连接，所述扭簧设于固定座B和固定座A之间，扭簧由内圈、外圈和连接内、外圈的多个柔性单元构成，其中内圈同轴固定于磁流变制动器的转轴穿出固定座A的一端，所述连杆由圆板和连接于圆板径向一端的杆臂构成，其中圆板与扭簧的外圈同轴且面面相贴固定连接，连杆的杆臂平行于丝杆，杆臂中设有与杆臂延伸方向平行的导轨槽，丝杆螺母机构中螺母上固定有滑块，滑块滑动安装于杆臂的导轨槽中，所述小腿支架固定于固定座C一侧，脚板连接于固定座B对应于小腿支架所在方向一侧；

还包括传感器系统与控制系统，其中传感器系统包括姿态传感器、电位计A、电位计B、编码器A、编码器B、以及多个压力传感器，所述姿态传感器安装于固定座C，电位计A安装于磁流变制动器的外壳，电位计A的转动部分同轴固定于磁流变制动器的转轴，电位计B安装于固定座B，电位计B的转动部分同轴固定于关节传动轴，编码器A同轴安装于电机A末端，编码器B同轴安装于电机B 末端，多个压力传感器分别分布于脚板上；所述控制系统包括上位机平板电脑、下位机单片机、电机A控制器、电机B控制器、磁流变制动器控制器和可充电锂电池；其中上位机平板电脑与所述下位机单片机之间采用CAN 总线进行双向通讯连接，所述下位机单片机分别与电机A控制器、电机B控制器连接，电机A 控制器、电机B控制器分别与所述电机A和所述电机B对应控制连接，所述磁流变制动器控制器与磁流变制动器中的线圈连接，磁流变制动器控制器还与下位机单片机连接，传感器系统中的姿态传感器、电位计A、电位计B、编码器A、编码器B以及多个压力传感器分别与所述下位机单片机连接，所述可充电锂电池通过稳压模块分别与电机A控制器、电机B控制器、下位机单片机连接，给其供电。

2.根据权利要求1所述的可变刚度的踝足康复矫形器，其特征在于：所述固定座C内还安装有轴向竖直的导杆，所述丝杆螺母机构中的螺母同时滑动安装于导杆上。

3.根据权利要求1所述的可变刚度的踝足康复矫形器，其特征在于：上位机平板电脑中集成有人机交互系统，所述人机交互系统基于智能终端应用程序，为偏瘫患者及理疗师提供多种功能与交互方式，辅助踝足康复矫形器的使用，为偏瘫患者及物理治疗师提供矫形器状态监控及操控、在线声音反馈、运动表现总结多种交互功能；所述智能终端应用程序设计有物理治疗师版本和偏瘫患者版本，以平板电脑和智能手机作为载体，通过蓝牙通信技术与所述踝足康复矫形器嵌入式控制系统通信，为偏瘫患者及理疗师提供多种功能与交互方式；所述物理治疗师版本，物理治疗师通过平板电脑或者智能手机实时监控矫形器当前工作状态、查看操作历史、浏览各偏瘫患者的相关数据，并通过应用程序连接矫形器，在患者试穿矫形器初期对矫形器进行指导性的操控，物理治疗师通过登录界面登录，然后转入操控界面、监控界面、患者康复训练数据总结界面，所述操控界面上设计有踝足康复矫形器操控按钮，包括蓝牙连接按钮、电源控制按钮、连续行走按钮、单步行走按钮、行走步数控制按钮，所述监控界面实时显示矫形器关节角度、关节力矩、姿态角、脚底地面反力、压力中心位置，所述患者康复训练数据总结界面可以查阅患者相关信息及康复进程；所述偏瘫患者版本，矫形器智能终端应用程序以智能手机作为主要载体，患者通过手机界面查看矫形器的操作历史、运动分析、以及理疗师的评语信息，也可以通过智能手机的语音提示实时了解矫形器的工作状态、自身的运动表现和应采取的修正动作。

4.根据权利要求1所述的可变刚度的踝足康复矫形器，其特征在于：用于偏瘫患者踝足背屈和跖屈方向上的康复训练。

5.一种如权利要求1-4任一项所述的可变刚度的踝足康复矫形器的运动控制方法，其特征在于：偏瘫患者与踝足康复矫形器组成穿戴者-矫形器协作系统，当穿戴者希望进行某一动作时，其大脑将产生相关神经信号促使相关肌肉生成关节力矩，矫形器控制器结构分为上层控制器和底层控制器，上层控制器用于患者康复训练中的步态分析和康复辅助功能配置，根据穿戴者-矫形器系统反馈的实际关节角度和地面反力信息生成矫形器参考关节角度和关节力矩，底层控制器主要完成可变刚度磁流变弹性驱动器控制，使驱动器输出期望的辅助力矩和运动，所述运动控制方法包括以下步骤：（1）、偏瘫患者穿戴上踝足康复矫形器，由物理治疗师或者患者自己启动矫形器急停开关，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）、由物理治疗师通过平板电脑或者智能手机，或者患者自己通过智能手机选择康复运动模式，包括单步行走和连续行走、以及行走步数参数的设置；（4）、传感器系统采集穿戴者-矫形器系统关节角度、地面反力和身体姿态的运动信息，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，基于穿戴者-矫形器的运动信息，对患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，控制可变刚度磁流变弹性驱动器工作，同时，通过智能手机的语音提示功能，向患者实时汇报矫形器的工作状态、患者自身的运动表现和应采取的修正动作；（5）、基于穿戴者-矫形器系统步态分析，当需要所述踝足康复矫形器提供驱动力矩时，所述可变刚度磁流变弹性驱动器中电机A将通入电流，输出驱动力矩，经过所述行星减速器将转速降低、力矩放大，并通过所述同步带传动和所述磁流变制动器的转轴传递给所述扭簧和所述连杆，最后通过所述滑块将驱动力矩传递给所述固定座C，从而驱动踝足康复矫形器关节运动，实现所述可变刚度磁流变弹性驱动器的驱动功能，此时，所述磁流变制动器的线圈中将不通入电流，磁流变制动器不产生制动力矩，所述扭簧在力矩传递过程的形变量可以通过所述电位计A和所述电位计B测得，并根据所述扭簧的刚度，可以计算出所述电机A 输出的经所述行星减速器和所述同步带传动放大的驱动力矩；（6）、基于穿戴者-矫形器系统步态分析，当需要所述踝足康复矫形器提供制动力矩并且所需制动力矩小于所述磁流变制动器所能产生的最大制动力矩时，所述磁流变制动器的线圈中将通入电流，从而产生感应磁场，所述磁流变制动器中的磁流变液在产生的感应磁场作用下产生剪切应力，当所述磁流变制动器的内部结构相对外部结构转动时输出制动力矩，通过所述磁流变制动器的转轴传递给所述扭簧和所述连杆，最后经过所述滑块将制动力矩传递给所述固定座C，实现所述可变刚度磁流变弹性驱动器的制动功能，此时，所述电机A将处于非工作状态，不输出力矩，通过控制通入所述磁流变制动器的线圈中的电流的大小，可以控制所述磁流变制动器输出的制动力矩的大小，由于在产生相同制动力矩的情况下，所述磁流变制动器消耗的能量远远小于传统电机消耗的能量，从而提高了系统的能量效率和安全性；（7）、基于穿戴者-矫形器系统步态分析，当需要所述踝足康复矫形器提供制动力矩并且所需制动力矩大于所述磁流变制动器所能产生的最大制动力矩时，所述可变刚度磁流变弹性驱动器中电机A将通入电流、产生制动力矩，所述磁流变制动器的线圈中也将通入电流，所述磁流变制动器也将产生制动力矩，所述电机A和所述磁流变制动器产生的制动力矩经过叠加传递给所述扭簧和所述连杆，最后经过所述滑块将制动力矩传递给所述固定座C，实现所述可变刚度磁流变弹性驱动器的混合制动功能；（8）、基于穿戴者-矫形器系统步态分析，当需要所述踝足康复矫形器改变刚度时，基于所述编码器B的反馈信号，对所述电机B进行运动控制，使所述螺母沿着导杆在丝杠上做直线运动，实现所述滑块在连杆导轨上的滑动，从而达到对所述螺母上滑块位置的精确控制，所述电机A和所述磁流变制动器输出的辅助力矩是通过所述扭簧和所述连杆传递给所述滑块的，进而驱动踝足康复矫形器关节进行运动，随着所述滑块位置的改变，辅助力矩传递的力臂长度会相应改变，在所述扭簧的作用下，实现对所述驱动器刚度的调节，所述扭簧提高了所述踝足康复矫形器系统的柔顺性，降低了其机械阻抗，可以有效的缓冲外界对系统的冲击，从而提高了系统的安全性，同时，在一个步态周期的屈膝运动中，所述扭簧的变形可以存储能量，然后在步态周期的伸膝运动中中释放出来，从而节约能量；（9）、重复步骤（3）、步骤（4）、步骤（5）、步骤（6）、步骤（7）和步骤（8），直至偏瘫患者踝足的康复训练结束；（10）、关闭上位机平板电脑、关闭踝足康复矫形器急停开关，偏瘫患者脱下踝足康复矫形器。

Images