CN111481402A - 基于绳索变刚度多功能驱动器的膝关节外骨骼及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于绳索变刚度多功能驱动器的膝关节外骨骼及控制方法，膝关节外骨骼包括腿部结构、多功能驱动器、传感与控制系统、腰部控制盒，其中多功能驱动器由电机元件、长度调节机构、刚度调节机构和关节磁流变制动器组成。本发明的控制方法是基于使用者的步态分析和需求，以及多功能驱动器的驱动、制动、混合制动、刚度调节等功能，输出期望的辅助力矩和运动，帮助膝关节运动功能障碍患者进行运动康复；本发明膝关节外骨骼能量效率高、输出力矩大、刚度可调、便于穿戴，适用于老年人辅助行走和膝关节损伤患者的术后康复训练。

Description

基于绳索变刚度多功能驱动器的膝关节外骨骼及控制方法

技术领域

本发明涉及外骨骼机器人领域，特别是涉及一种基于绳索变刚度多功能驱动器的膝关节外骨骼及控制方法。

背景技术

随着人口老龄化社会的到来以及交通运输工具的不断增多，由于身体机能下降或交通事故而引起的肢体运动型患者的数量越来越多，其中以膝关节运动功能障碍患者最为常见。现代医学表明，合适的运动康复训练对于患者肢体运动功能的恢复与提高有很大的益处。与传统的医师一对一的物理治疗相比，膝关节康复外骨骼可以为患者提供更科学有效、更简便快捷的康复训练，最大限度的恢复患者的运动功能障碍。

随着机器人技术的飞速发展，机器人技术正逐渐应用于康复医疗领域。膝关节康复外骨骼是一种新型的机电一体化装置，将人的智力与机器人的“体力”完美结合在一起，有效的防止术后引起的关节挛缩和疼痛，促进膝关节肢体恢复。不仅继承了传统康复训练的优点，还解决了此类康复方法中存在的问题：可以满足不同患者对训练强度的要求；代替理疗师实现长时间的重复性康复工作；能够使患者直观的观察到自己的训练效果；在患者康复过程中，可以提供助力训练，或者阻抗训练，并且可以记录患者的步态特征、关节力矩等数据，对患者的关节运动功能康复提供准确的判断依据，为医生的治疗提供客观参考。因此，开发膝关节康复外骨骼具有重大的应用价值。

驱动器是膝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。具有可变刚度的驱动器可以缓冲驱动器刚性元件以及地面反力对关节的冲击，对膝关节运动功能恢复具有很大的作用。现有研究中的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，大部分研究的制动力矩主要由电机产生，需要提供较大的电流，不仅能量效率低，能耗比较大，还存在安全隐患。

因此，需要研究和设计相应的外骨骼机器人及其控制方法，以实现驱动、制动和混合制动功能，为患者提供能量效率高、控制精确、输出力矩大、刚度可调和便于穿戴的膝关节外骨骼。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于绳索变刚度多功能驱动器的膝关节外骨骼及控制方法，可以实现驱动、制动、混合制动、刚度调节功能，能为膝关节运动功能障碍患者提供期望的辅助力矩和运动，从而帮助患者进行运动康复。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于绳索变刚度多功能驱动器的膝关节外骨骼，包括腿部结构、多功能驱动器、传感与控制系统、腰部控制盒；

所述腿部结构包括大腿杆件、小腿杆件、膝关节转动轴、关节固定板、大腿绑带和小腿绑带；

所述膝关节转动轴水平设置，小腿杆件的一端与膝关节转动轴转动连接，关节固定板的一端与膝关节转动轴转动连接、另一端固定连接于小腿杆件的侧面，大腿杆件位于小腿杆件和关节固定板之间并与膝关节转动轴刚性连接；

所述大腿绑带固定安装在大腿杆件的侧面上，所述小腿绑带固定安装在小腿杆件的侧面上；

所述多功能驱动器包括电机元件、长度调节机构、刚度调节机构和关节磁流变制动器，多功能驱动器的两端分别转动连接于大腿杆件和小腿杆件的侧面，多功能驱动器、大腿杆件和小腿杆件形成三连杆机构；

所述传感与控制系统包括传感器系统和控制系统，所述传感器系统中的元器件分别安装在腿部结构和多功能驱动器上，控制系统中的元器件安装固定在腰部控制盒内。

进一步的，所述电机元件包括伺服电机、行星减速器、主动齿轮和从动齿轮；

所述伺服电机和行星减速器均固定安装于长度调节机构上，伺服电机的输出端与行星减速器的输入端固定连接，行星减速器的输出端与主动齿轮同轴固定连接，主动齿轮与从动齿轮啮合传动连接，从动齿轮与长度调节机构的动力输入端同轴固定连接。

进一步的，所述长度调节机构包括滚珠丝杠、丝杠螺母、两个直线导杆、两个直线压缩弹簧、大支撑架和导杆承力板；

所述大支撑架的一端转动连接于大腿杆件的侧面；

所述滚珠丝杠转动连接在大支撑架的上、下两个支撑板上，滚珠丝杠的一端与电机元件的动力输出端同轴固定连接，丝杠螺母与滚珠丝杠同轴螺纹配合，直线导杆的一端固定于丝杠螺母的侧面、另一端延伸至大支撑架的外侧并固定于导杆承力板的侧面；

两个直线压缩弹簧分别套在两个直线导杆上，直线压缩弹簧的一端与丝杠螺母的侧面固定连接、另一端与大支撑架的侧面固定连接。

进一步的，所述刚度调节机构包括第一传力盘、第二传力盘、第一直线弹簧、第二直线弹簧、第一钢丝绳、第二钢丝绳、刚度调节电机、弹簧安装销和刚度调节传动轴；

所述第一传力盘固定连接于长度调节机构的自由端，第二传力盘与第一传动盘圆盘同轴设置，所述刚度调节电机固定安装于第一传力盘远离第二传力盘的一侧；

第一传力盘靠近第二传力盘的侧面沿圆周方向均匀分布有四个第一滑轮，第二传力盘靠近第一传力盘的侧面沿圆周方向均匀分布有两个第二滑轮，两个第二滑轮位于四个第一滑轮的内侧；

所述第一直线弹簧、第一钢丝绳、第二直线弹簧和第二钢丝绳依次连接，第一直线弹簧的另一端通过弹簧安装销固定于第一传力盘圆盘的侧面，第二钢丝绳的另一端固定连接并缠绕于刚度调节电机的输出轴上，第一钢丝绳分别缠绕于其中两个第一滑轮的外侧、其中一个第二滑轮的内侧，第二钢丝绳分别缠绕于另外两个第一滑轮的外侧、另外一个第二滑轮的内侧；

所述刚度调节传动轴的一端与小腿杆件的侧面转动连接、另一端空套于第一传力盘内，第二传力盘与刚度调节传动轴刚性连接。

关节磁流变制动器安装在腿部结构上，其输出端与膝关节转动轴固定连接。

进一步的，所述关节磁流变制动器包括包括外壳、传动轴、内部硅钢片、外部硅钢片、磁流变液、线圈、侧板，传动轴转动安装于外壳内，传动轴的端部与膝关节转动轴传动连接；

传动轴中部设置有环向槽体，环向槽体中同轴设有缠绕在传动轴上的线圈，环向槽体的两端分别设置有套装于传动轴上的侧板，两个侧板之间固定有多个内部硅钢片，多个内部硅钢片均匀环绕在线圈外并沿传动轴轴向均匀分布，外壳内壁设有多个外部硅钢片，多个外部硅钢片与多个内部硅钢片部分重合地一一交错分布，内部硅钢片与外部硅钢片交叉重合区域内填充有磁流变液。

进一步的，所述大腿杆件的侧面沿长度方向开设有多组大腿杆件螺纹孔，大腿绑带通过螺钉固定安装于大腿杆件螺纹孔内；

所述小腿杆件的侧面沿长度方向开设有多组小腿杆件螺纹孔，所述小腿绑带通过螺钉固定安装于小腿杆件螺纹孔内。

进一步的，所述腰部控制盒包括腰带、第一腰部连接、第二腰部连接、腰部平板、控制箱、平板电脑连接件、平板电脑卡槽、销轴；

所述控制箱固定在腰部平板的侧面上，第一腰部连接和第二腰部连接分别固定于腰部平板的两侧，第一腰部连接和第二腰部连接的端部均固定连接有腰带，平板电脑连接件固定于第一腰部连接的侧面，平板电脑卡槽通过销轴与平板电脑连接件转动连接，上位机平板电脑卡入平板电脑卡槽中。

进一步的，所述传感器系统包括设置于电机元件内的第一编码器、设置于刚度调节机构内的第二编码器、固定于膝关节转动轴的第一电位计、固定于刚度调节机构内的第二电位计、位于大腿杆件侧面上的第一姿态传感器、位于小腿杆件侧面上的第二姿态传感器、多个嵌于使用者鞋垫中的压力传感器；

所述控制系统包括上位机平板电脑、下位机单片机、伺服电机控制器、刚度调节电机控制器、锂电池、关节磁流变制动器控制器、下位机开关和外骨骼急停开关，所述下位机单片机、伺服电机控制器、刚度调节电机控制器、关节磁流变制动器控制器和锂电池分别安装于控制箱内，下位机开关和外骨骼急停开关分别安装在控制箱的上部。

进一步的，所述上位机平板电脑与下位机单片机可实现双向通讯，下位机单片机分别与伺服电机控制器、刚度调节电机控制器、关节磁流变制动器控制器控制连接；

伺服电机控制器与伺服电机电连接，刚度调节电机控制器与刚度调节电机电连接，关节磁流变制动器控制器与关节磁流变制动器电连接；

所述第一编码器、第二编码器、第一电位计、第二电位计、压力传感器、第一姿态传感器和第二位姿传感器分别与下位机单片机信号端电连接；

锂电池分别与下位机单片机、伺服电机控制器、刚度调节电机控制器和关节磁流变制动器控制器供电连接，供电线路结构为总分结构，并且在总电路中接入外骨骼急停开关，锂电池与下位机单片机之间的线路中接入下位机开关。

本发明还提供了一种基于绳索变刚度多功能驱动器的膝关节外骨骼的控制方法，包括以下步骤：

S10：膝关节运动功能障碍患者穿戴膝关节外骨骼后，启动外骨骼急停开关、下位机开关和上位机平板电脑，进行系统初始化；

S20：上位机平板电脑给下位机单片机发出指令，启动传感和控制系统；

S30：传感器系统中的各个压力传感器、电位计、编码器、姿态传感器均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到上位机平板电脑上，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、姿态角度相关运动信息；同时，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；

S40：多功能驱动器根据接收自下位单片机的控制信号，作出如下四种状态的响应：

S401：当需要外骨骼提供驱动力矩时，所述多功能驱动器中的伺服电机通入电流，输出控制力矩，推动小腿杆件绕膝关节转动轴转动；此时，关节磁流变制动器中不通入电流；

S402：当需要外骨骼提供制动力矩并且所需制动力矩小于关节磁流变制动器所能产生的最大力矩时，所述多功能驱动器中的伺服电机将不通入电流，电机处于非工作状态，关节磁流变制动器的线圈中通入电流，产生感应磁场，关节磁变流制动器输出制动力矩，实现膝关节外骨骼的制动功能；

S403：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制动器所能产生的最大力矩时，所述多功能驱动器中的伺服电机将通入电流，电机处于工作状态，产生制动力矩，同时关节磁流变制动器的线圈中通入电流，产生的制动力矩和伺服电机产生的制动力矩叠加，作用于外骨骼上，实现膝关节外骨骼的混合制动功能；

S404：当需要外骨骼改变系统刚度时，基于第二编码器的反馈信号，对刚度调节电机进行运动控制，将刚度调节电机中通入电流，输出转动力矩，实现系统刚度的调节。

S50：重复步骤S30和步骤S40，直至康复训练结束；

S60：康复训练结束后，关闭上位机平板电脑，关闭下位机单片机和外骨骼急停开关，患者脱下膝关节外骨骼。

与现有技术相比较，本发明的有益效果如下：

1、本发明基于绳索变刚度多功能驱动器的膝关节外骨骼由绳索变刚度的多功能驱动器驱动，基于患者的步态分析，可以实现驱动、制动、混合制动和刚度调节等功能，为患者提供可控的行走辅助力矩；

2、本发明多功能驱动器中的长度调节机构中采用滚珠丝杠机构，可以精确的控制驱动器长度，并且设置直线压缩弹簧既可缓冲长度调节机构的冲击，又能在反行程时释放储存的能量，从而减少伺服电机的能量消耗；

3、本发明多功能驱动器中的刚度调节机构可以基于患者的步态分析实时调节驱动器刚度，缓冲地面冲击，使患者的行动更加舒适自然；

4、本发明多功能驱动器中的关节磁流变制动器采用了智能材料磁流变流体，通过给内部线圈通入电流，从而产生感应磁场，磁流变流体在磁场的作用下会产生很大的剪切应力，实现了制动元件在很小的输入电流的情况下输出很大的制动力矩；与传统电机相比较，该制动元件在辅助行走的过程中，能够大大的降低能量消耗，提高系统的能量效率和安全性。

附图说明

图1是本发明膝关节外骨骼的立体结构示意图；

图2是本发明膝关节外骨骼后侧方的立体结构示意图；

图3是本发明膝关节外骨骼膝关节的局部结构示意图；

图4是本发明大腿杆件的立体结构示意图；

图5是本发明小腿杆件的立体结构示意图；

图6是本发明多功能驱动器中电机元件及长度调节机构立体结构示意图；

图7是本发明多功能驱动器中刚度调节机构立体结构示意图；

图8是本发明刚度调节机构中钢丝绳及弹簧的连接示意图；

图9是本发明关节磁流变制动器的外部立体结构示意图；

图10是本发明关节磁流变制动器的内部剖面结构示意图；

图11是本发明腰部控制盒的立体结构示意图；

图12是本发明腰带和上位机平板电脑连接结构示意图；

图13是本发明膝关节外骨骼控制系统硬件结构框图；

图14是本发明膝关节外骨骼运动控制方法的流程图。

图中：1大腿杆件、1-1大腿杆件螺纹孔、1-2大腿杆件轴孔、1-3大腿杆件环状限位块、1-4大腿杆件径向板、1-5大腿杆件圆盘、2小腿杆件、2-1小腿杆件圆盘、2-2小腿杆件关节固定板限位、2-3小腿杆件环状限位块、2-4小腿杆件轴孔、2-5小腿杆件螺纹孔、2-6小腿杆件径向板、2-7小腿杆件圆盘中心孔、3大腿绑带、4小腿绑带、5电机元件、5-1第一编码器、5-2伺服电机、5-3行星减速器、5-4电机支架、5-5主动齿轮、5-6从动齿轮、6长度调节机构、6-1滚珠丝杠、6-2丝杠螺母、6-3直线压缩弹簧、6-4直线导杆、6-5导杆承力板、6-6大支撑架、7刚度调节机构、7-1第一传力盘、7-2第二传力盘、7-3第一直线弹簧、7-4第一钢丝绳、7-5第二直线弹簧、7-6第二钢丝绳、7-7刚度调节电机、7-8弹簧安装销、7-9刚度调节传动轴、7-10第二编码器、8膝关节转动轴、9关节固定板、10关节磁流变制动器、10-1外壳、10-2传动轴、10-3内部硅钢片、10-4外部硅钢片、10-5磁流变液、10-6线圈、10-7侧板、10-8轴承、11驱动器-大腿杆件连接件、12第一姿态传感器、13第二姿态传感器、14第一电位计、15第二电位计、16制动器安装盘、17腰带、18第一腰部连接、19第二腰部连接、20控制箱、21伺服电机控制器、22刚度调节电机控制器、23下位机单片机、24关节磁流变制动器控制器、25锂电池、26下位机开关、27外骨骼急停开关、28平板电脑连接件、28-1磁铁支撑件、29平板电脑卡槽、30上位机平板电脑、31销轴、32腰部平板、32-1条形槽口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1和图2，基于绳索变刚度多功能驱动器的膝关节外骨骼，包括腿部结构、多功能驱动器、传感与控制系统、腰部控制盒。

其中，腿部结构包括大腿杆件1、小腿杆件2、膝关节转动轴8、关节固定板9、大腿绑带3和小腿绑带4。如图4所示，所述大腿杆件1由大腿杆件圆盘1-5和位于大腿杆件圆盘1-5顶部的大腿杆件径向板1-4组成，大腿杆件圆盘1-5和大腿杆件径向板1-4为一体成型结构。大腿杆件圆盘1-5的中心处开设有花键连接孔，膝关节转动轴8的一端设置有花键并与大腿杆件圆盘1-5通过花键刚性连接，使大腿杆件1与膝关节转动轴8同步转动。

膝关节转动轴8水平设置，如图5所示，所示小腿杆件2由小腿杆件圆盘2-1和位于小腿杆件圆盘2-1底部的小腿杆件径向板2-6组成，小腿杆件圆盘2-1与小腿杆件径向板2-6为一体成型结构。小腿杆件圆盘2-1的中心处开设有轴孔，小腿杆件圆盘2-1通过轴孔套设在膝关节转动轴8上，使小腿杆件2与膝关节转动轴8转动连接，并与大腿杆件1可相对转动。

优选的，大腿杆件圆盘1-5相对于小腿杆件圆盘2-1的侧面设置有凸起的具有一定长度的大腿杆件环状限位块1-3，小腿杆件圆盘2-1相对于大腿杆件圆盘1-5的侧面上设置有凸起的具有一定长度的小腿杆件环状限位块2-3。小腿杆件环状限位块2-3与大腿杆件环状限位块1-3配合使用，按照正常步态所需的膝关节极限转动角度设计小腿杆件环状限位块2-3与大腿杆件环状限位块1-3的大小，在小腿杆件2与大腿杆件1相对转动过程中实现膝关节外骨骼的机械限位功能。

关节固定板9由圆盘和位于圆盘底部的径向连杆组成，圆盘和径向连杆为一体结构。圆盘的中心开设有轴孔并与膝关节转动轴8转动连接，小腿杆件径向板2-6的侧面顶部设置有小腿杆件关节固定板限位2-2，径向连杆的底端通过螺钉固定连接于小腿杆件关节固定板限位2-2内，使大腿杆件1位于小腿杆件2和关节固定板9之间，小腿杆件圆盘2-1和关节固定板9分别在膝关节转动轴8的两端起到支撑作用，如图3所示。

大腿绑带3通过螺钉固定安装在大腿杆件径向板1-4的侧面上，小腿绑带4通过螺钉固定安装在小腿杆件径向板2-6的侧面上，且小腿绑带4和大腿绑带3位于同一侧。优选的，大腿杆件径向板1-4的侧面上沿长度方向开设有五组共十个大腿杆件螺纹孔1-1，大腿绑带3通过螺钉固定安装于大腿杆件螺纹孔1-1内；小腿杆件径向板2-6的侧面沿长度方向开设有六组共十二个小腿杆件螺纹孔2-5，小腿绑带4通过螺钉固定安装于小腿杆件螺纹孔2-5内。通过调节大腿绑带3和小腿绑带4的位置，可以适应不同患者的腿部尺寸，以满足不同患者的使用需要。

多功能驱动器包括电机元件5、长度调节机构6、刚度调节机构7和关节磁流变制动器10。如图6所示，所述电机元件5包括伺服电机5-2、行星减速器5-3、主动齿轮5-5和从动齿轮5-6。

伺服电机5-2和行星减速器5-3均固定安装于长度调节机构6的大支撑架6-6上，伺服电机5-2的输出端与行星减速器5-3的输入端固定连接，行星减速器5-3的输出端与主动齿轮5-5同轴固定连接，主动齿轮5-5与从动齿轮5-6啮合传动连接，从动齿轮5-6与长度调节机构6的动力输入端同轴固定连接。

所述长度调节机构6包括滚珠丝杠6-1、丝杠螺母6-2、两个直线导杆6-4、两个直线压缩弹簧6-3、大支撑架6-6和导杆承力板6-5。

大支撑架6-6的顶端通过螺栓固定连接有驱动器-大腿杆件连接件11，大腿杆件径向板1-4的侧面中部设置有大腿杆件轴孔1-2，驱动器-大腿杆件连接件11的顶部转动连接于大腿杆件轴孔1-2内，使多功能驱动器的顶端与大腿杆件1转动连接。

滚珠丝杠6-1转动连接在大支撑架6-6的上、下两个支撑板上，滚珠丝杠6-1的顶端与从动齿轮5-6同轴固定连接，丝杠螺母6-2与滚珠丝杠6-1同轴螺纹配合，直线导杆6-4的顶端固定于丝杠螺母6-2的底面，直线导杆6-4的底端延伸至大支撑架6-6的外侧并固定于导杆承力板6-5的顶面。

两个直线压缩弹簧6-3分别套在两个直线导杆6-4上，直线压缩弹簧6-3的顶端与丝杠螺母6-2的底面固定连接，直线压缩弹簧6-3的底端与大支撑架6-6的内侧面固定连接。优选的，大支撑架6-6的上方设置有中间支撑板，直线压缩弹簧6-3的底端与中间支撑板的顶面固定连接。位于两个直线导杆6-4上的两个直线压缩弹簧6-3有两个作用：一是在直线导杆6-4运动过程中起到缓冲作用；二是在反行程中释放储存的能量，辅助电机元件5推动直线导杆6-4运动，起到降低能量消耗的作用。

长度调节机构中采用滚珠丝杠机构，可以精确的控制驱动器长度，并且设置直线压缩弹簧既可缓冲长度调节机构的冲击，又能在反行程时释放储存的能量，从而减少伺服电机的能量消耗。

如图7和图8所示，所述刚度调节机构7包括第一传力盘7-1、第二传力盘7-2、第一直线弹簧7-3、第二直线弹簧7-5、第一钢丝绳7-4、第二钢丝绳7-6、刚度调节电机7-7、弹簧安装销7-8和刚度调节传动轴7-9。

第一传力盘7-1由圆盘和连接于圆盘径向一端的臂杆构成，第一传力盘7-1的臂杆与固定连接于导杆承力板6-5的底面中心，第二传力盘7-2与第一传动盘圆盘同轴设置，刚度调节电机7-7通过螺钉垂直固定安装于第一传力盘7-1远离第二传力盘7-2的一侧。

第一传力盘7-1靠近第二传力盘7-2的侧面沿圆周方向均匀分布有四个滑轮安装孔，每个滑轮安装孔内转动连接有一个第一滑轮，第二传力盘7-2靠近第一传力盘7-1的侧面沿圆周方向均匀分布有两个滑轮安装孔，每个滑轮安装孔内转动连接有一个第二滑轮，两个第二滑轮位于四个第一滑轮的内侧。

第一直线弹簧7-3、第一钢丝绳7-4、第二直线弹簧7-5和第二钢丝绳7-6依次连接，第一直线弹簧7-3的另一端通过弹簧安装销7-8固定于第一传力盘7-1圆盘的侧面，第二钢丝绳7-6的另一端固定连接并缠绕于刚度调节电机7-7的输出轴上，第一钢丝绳7-4分别缠绕于其中两个第一滑轮的外侧、其中一个第二滑轮的内侧，第二钢丝绳7-6分别缠绕于另外两个第一滑轮的外侧、另外一个第二滑轮的内侧。

小腿杆件径向板2-6的侧面中部设置有小腿杆件轴孔2-4，刚度调节传动轴7-9的一端与小腿杆件轴孔2-4转动连接，使多功能驱动器的底端与小腿杆件2转动连接，则多功能驱动器、大腿杆件1和小腿杆件2形成三连杆机构。

刚度调节传动轴7-9的另一端空套于第一传力盘7-1内，第二传力盘7-2的中心轴孔通过平键与刚度调节传动轴7-9刚性连接。

刚度调节机构可以基于患者的步态分析实时调节系统的刚度，缓冲刚性元件和地面反力的冲击，使患者的行动更加舒适自然。

如图3所示，所述关节磁流变制动器10安装在腿部结构上，其输出端与膝关节转动轴8固定连接。具体的，关节磁流变制动器10通过制动器安装盘16安装在关节固定板9上。

如图9和图10所示，关节磁流变制动器10包括包括外壳10-1、传动轴10-2、内部硅钢片10-3、外部硅钢片10-4、磁流变液10-5、线圈10-6、侧板10-7，传动轴10-2转动安装于外壳10-1内，传动轴10-2通过轴承10-8转动安装于外壳10-1内，传动轴10-2的端部作为关节磁流变制动器10的输出端与膝关节转动轴8传动连接。

传动轴10-2中部设置有环向槽体，环向槽体中同轴设有缠绕在传动轴10-2上的线圈10-6，环向槽体的两端分别设置有套装于传动轴10-2上的侧板10-7，两个侧板10-7之间固定有多个内部硅钢片10-3，多个内部硅钢片10-3均匀环绕在线圈10-6外并沿传动轴10-2轴向均匀分布，外壳10-1内壁设有多个外部硅钢片10-4，多个外部硅钢片10-4与多个内部硅钢片10-3部分重合地一一交错分布，内部硅钢片10-3与外部硅钢片10-4交叉重合区域内填充有磁流变液10-5。关节磁流变制动器10采用了智能材料磁流变流体，通过给内部线圈通入电流，从而产生感应磁场，磁流变流体在磁场的作用下会产生很大的剪切应力，实现了制动元件在很小的输入电流的情况下输出很大的制动力矩；与传统电机相比较，该制动元件在辅助行走的过程中，能够大大的降低能量消耗，提高系统的能量效率和安全性。

如图11和12所示，所述腰部控制盒包括腰带17、第一腰部连接18、第二腰部连接19、腰部平板32、控制箱20、平板电脑连接件28、平板电脑卡槽29、销轴31。

控制箱20通过螺钉连接固定在腰部平板32的前侧面上，第一腰部连接18和第二腰部连接19分别固定于腰部平板32的两侧。优选的，腰部平板32的侧面开设有条形槽口32-1，连接第一腰部连接18和第二腰部连接19的螺钉可在条形槽口32-1内调整位置并锁紧固定，从而可根据不同患者的腰部尺寸，调节第一腰部连接18和第二腰部连接19在腰部平板32上的距离。第一腰部连接18和第二腰部连接19的端部均通过螺钉固定连接有腰带17，两段腰带均采用医用弹性束带，且采用魔术贴连接的方式实现两段腰带17之间的连接与分离，便于腰部控制盒在患者腰部的固定和拆卸。

平板电脑连接件28通过螺钉固定于第一腰部连接18的侧面，平板电脑卡槽29通过销轴31与平板电脑连接件28转动连接，上位机平板电脑30卡入平板电脑卡槽29中。优选的，在平板电脑连接件28上伸出一个磁铁支撑件28-1，平板电脑卡槽29的内侧面对应位置上设置有磁铁块，通过磁铁支撑件28-1与磁铁块相互吸引的作用，起到固定上位机平板电脑30的作用。

传感与控制系统包括传感器系统和控制系统，传感器系统中的元器件分别安装在腿部结构和多功能驱动器上，控制系统中的元器件安装固定在腰部控制盒内。

如图1、图2、图11和图13所示，所述传感器系统包括同轴固定于电机元件5内的伺服电机5-2电机轴上的第一编码器5-1、同轴固定于刚度调节机构7内的刚度调节电机7-7电机轴上的第二编码器7-10、同轴固定于膝关节转动轴8的第一电位计14、同轴固定于刚度调节机构7内的刚度调节传动轴7-9上的第二电位计15、位于大腿杆件径向板1-4侧面上的第一姿态传感器12、位于小腿杆件径向板2-6侧面上的第二姿态传感器13、多个嵌于使用者鞋垫中的压力传感器。

如图11和图13所示，控制系统包括上位机平板电脑30、下位机单片机23、伺服电机5-2控制器、刚度调节电机7-7控制器、锂电池25、关节磁流变制动器10控制器、下位机开关26和外骨骼急停开关27，下位机单片机23、伺服电机5-2控制器、刚度调节电机7-7控制器、关节磁流变制动器10控制器和锂电池25分别安装于控制箱20内，下位机开关26和外骨骼急停开关27分别安装在控制箱20的上部。

传感与控制系统内各组成元器件的具体连接方式如下：

上位机平板电脑30与下位机单片机23可实现双向通讯，下位机单片机23分别与伺服电机5-2控制器、刚度调节电机7-7控制器、关节磁流变制动器10控制器控制连接。伺服电机5-2控制器与伺服电机5-2电连接，刚度调节电机7-7控制器与刚度调节电机7-7电连接，关节磁流变制动器10控制器与关节磁流变制动器10电连接。第一编码器5-1、第二编码器7-10、第一电位计14、第二电位计15、各个压力传感器、第一姿态传感器12和第二位姿传感器分别与下位机单片机23信号端电连接。

锂电池25分别与下位机单片机23、伺服电机5-2控制器、刚度调节电机7-7控制器和关节磁流变制动器10控制器供电连接，供电线路结构为总分结构，并且在总电路中接入外骨骼急停开关27，锂电池25与下位机单片机23之间的线路中接入下位机开关26。

请参阅图14，本发明还提供了一种基于绳索变刚度多功能驱动器的膝关节外骨骼的控制方法，包括以下步骤：

S10：膝关节运动功能障碍患者穿戴膝关节外骨骼后，启动外骨骼急停开关27、下位机开关26和上位机平板电脑30，进行系统初始化；

S20：上位机平板电脑30给下位机单片机23发出指令，启动传感和控制系统；

S30：传感器系统中的各个压力传感器、电位计、编码器、姿态传感器均将采集的信息发送给下位机单片机23，再由下位机单片机23转换为相应的通讯数据传送到上位机平板电脑30上，上位机平板电脑30实时显示穿戴者的运动轨迹、脚底压力分布、姿态角度相关运动信息；同时，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30产生控制指令，发送给下位机单片机23，控制多功能驱动器工作；

S40：多功能驱动器根据接收自下位机单片机的控制信号，作出如下四种状态的响应：

S401：当需要外骨骼提供驱动力矩时，所述多功能驱动器中的伺服电机5-2通入电流，输出控制力矩，通过行星减速器5-3的传动和主动齿轮5-5、从动齿轮5-6之间的啮合传动放大力矩后带动滚珠丝杠6-1转动，丝杠螺母6-2在滚珠丝杠6-1上滑动并带动两个直线导杆6-4在大支撑架6-6上滑动，形成关节推力。刚度调节机构7在关节推力的作用下，会产生两种力的传递效果：一种是缠绕在滚轮上的钢丝绳在第一传力盘7-1及第二传力盘7-2之间传递推力，推力传递到刚度调节转动轴7-9上后，推动小腿杆件2绕膝关节转动轴8转动；另一种是在小腿杆件2转动时，小腿杆件2和驱动器之间相对角度发生改变，这种角度的相对变化会使钢丝绳带动第二传力盘7-2转动，因此第一传力盘7-1与第二传力盘7-2会相对转动，这种相对转动也可以起到缓冲冲击力的作用。此时，关节磁流变制动器10中不通入电流；

S402：当需要外骨骼提供制动力矩并且所需制动力矩小于关节磁流变制动器10所能产生的最大力矩时，所述多功能驱动器中的伺服电机5-2将不通入电流，电机处于非工作状态，关节磁流变制动器10的线圈10-6中通入电流，产生感应磁场，所述关节磁流变制动器10中的磁流变液10-5在感应磁场的作用下产生剪切应力，所述关节磁流变制动器10的内部结构与外部结构发生相对转动，因此产生制动力矩，制动力矩直接作用在膝关节转动轴8上，实现膝关节外骨骼的制动功能；

S403：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制动器所能产生的最大力矩时，所述多功能驱动器中的伺服电机5-2将通入电流，电机处于工作状态，产生制动力矩，同时关节磁流变制动器10的线圈10-6中通入电流，产生的制动力矩和伺服电机5-2产生的制动力矩叠加，作用于外骨骼上，实现膝关节外骨骼的混合制动功能；

S404：当需要外骨骼改变系统刚度时，基于第二编码器7-10的反馈信号，对刚度调节电机7-7进行运动控制，将刚度调节电机7-7中通入电流，输出转动力矩，实现系统刚度的调节。具体过程为：刚度调节电机7-7的输出端转动使第一钢丝绳7-4、第二钢丝绳7-6分别拉紧或放松第一直线弹簧7-3、第二直线弹簧7-5，钢丝绳上的拉力也随之增加或减小。当两直线弹簧被拉紧时，系统刚度增加，反之，系统刚度降低。刚度调节功能能够有效的保护患者的膝关节不受刚性元件及地面反力的冲击，有利于快速恢复运动功能。

S50：重复步骤S30和步骤S40，直至康复训练结束。

S60：康复训练结束后，关闭上位机平板电脑30，关闭下位机单片机23和外骨骼急停开关27，患者脱下膝关节外骨骼。

本发明基于绳索变刚度多功能驱动器的膝关节外骨骼由绳索变刚度的多功能驱动器驱动，基于患者的步态分析，可以实现驱动、制动、混合制动和刚度调节等功能，为患者提供可控的行走辅助力矩。本发明膝关节外骨骼能量效率高、输出力矩大、刚度可调、便于穿戴，适用于老年人辅助行走和膝关节损伤患者的术后康复训练。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.基于绳索变刚度多功能驱动器的膝关节外骨骼，其特征在于：包括腿部结构、多功能驱动器、传感与控制系统、腰部控制盒；

所述腿部结构包括大腿杆件、小腿杆件、膝关节转动轴、关节固定板、大腿绑带和小腿绑带；

所述膝关节转动轴水平设置，小腿杆件的一端与膝关节转动轴转动连接，关节固定板的一端与膝关节转动轴转动连接、另一端固定连接于小腿杆件的侧面，大腿杆件位于小腿杆件和关节固定板之间并与膝关节转动轴刚性连接；

所述大腿绑带固定安装在大腿杆件的侧面上，所述小腿绑带固定安装在小腿杆件的侧面上；

所述多功能驱动器包括电机元件、长度调节机构、刚度调节机构和关节磁流变制动器，多功能驱动器的两端分别转动连接于大腿杆件和小腿杆件的侧面，多功能驱动器、大腿杆件和小腿杆件形成三连杆机构；

所述传感与控制系统包括传感器系统和控制系统，所述传感器系统中的元器件分别安装在腿部结构和多功能驱动器上，控制系统中的元器件安装固定在腰部控制盒内。

2.根据权利要求1所述的基于绳索变刚度多功能驱动器的膝关节外骨骼，其特征在于：所述电机元件包括伺服电机、行星减速器、主动齿轮和从动齿轮；

所述伺服电机和行星减速器均固定安装于长度调节机构上，伺服电机的输出端与行星减速器的输入端固定连接，行星减速器的输出端与主动齿轮同轴固定连接，主动齿轮与从动齿轮啮合传动连接，从动齿轮与长度调节机构的动力输入端同轴固定连接。

3.根据权利要求1所述的基于绳索变刚度多功能驱动器的膝关节外骨骼，其特征在于：所述长度调节机构包括滚珠丝杠、丝杠螺母、两个直线导杆、两个直线压缩弹簧、大支撑架和导杆承力板；

所述大支撑架的一端转动连接于大腿杆件的侧面；

所述滚珠丝杠转动连接在大支撑架的上、下两个支撑板上，滚珠丝杠的一端与电机元件的动力输出端同轴固定连接，丝杠螺母与滚珠丝杠同轴螺纹配合，直线导杆的一端固定于丝杠螺母的侧面、另一端延伸至大支撑架的外侧并固定于导杆承力板的侧面；

两个直线压缩弹簧分别套在两个直线导杆上，直线压缩弹簧的一端与丝杠螺母的侧面固定连接、另一端与大支撑架的侧面固定连接。

4.根据权利要求1所述的基于绳索变刚度多功能驱动器的膝关节外骨骼，其特征在于：所述刚度调节机构包括第一传力盘、第二传力盘、第一直线弹簧、第二直线弹簧、第一钢丝绳、第二钢丝绳、刚度调节电机、弹簧安装销和刚度调节传动轴；

所述第一传力盘固定连接于长度调节机构的自由端，第二传力盘与第一传动盘圆盘同轴设置，所述刚度调节电机固定安装于第一传力盘远离第二传力盘的一侧；

第一传力盘靠近第二传力盘的侧面沿圆周方向均匀分布有四个第一滑轮，第二传力盘靠近第一传力盘的侧面沿圆周方向均匀分布有两个第二滑轮，两个第二滑轮位于四个第一滑轮的内侧；

所述第一直线弹簧、第一钢丝绳、第二直线弹簧和第二钢丝绳依次连接，第一直线弹簧的另一端通过弹簧安装销固定于第一传力盘圆盘的侧面，第二钢丝绳的另一端固定连接并缠绕于刚度调节电机的输出轴上，第一钢丝绳分别缠绕于其中两个第一滑轮的外侧、其中一个第二滑轮的内侧，第二钢丝绳分别缠绕于另外两个第一滑轮的外侧、另外一个第二滑轮的内侧；

所述刚度调节传动轴的一端与小腿杆件的侧面转动连接、另一端空套于第一传力盘内，第二传力盘与刚度调节传动轴刚性连接。

关节磁流变制动器安装在腿部结构上，其输出端与膝关节转动轴固定连接。

5.根据权利要求1所述的基于绳索变刚度多功能驱动器的膝关节外骨骼，其特征在于：所述关节磁流变制动器包括外壳、传动轴、内部硅钢片、外部硅钢片、磁流变液、线圈、侧板，传动轴转动安装于外壳内，传动轴的端部与膝关节转动轴传动连接；

传动轴中部设置有环向槽体，环向槽体中同轴设有缠绕在传动轴上的线圈，环向槽体的两端分别设置有套装于传动轴上的侧板，两个侧板之间固定有多个内部硅钢片，多个内部硅钢片均匀环绕在线圈外并沿传动轴轴向均匀分布，外壳内壁设有多个外部硅钢片，多个外部硅钢片与多个内部硅钢片部分重合地一一交错分布，内部硅钢片与外部硅钢片交叉重合区域内填充有磁流变液。

6.根据权利要求1所述的基于绳索变刚度多功能驱动器的膝关节外骨骼，其特征在于：所述大腿杆件的侧面沿长度方向开设有多组大腿杆件螺纹孔，大腿绑带通过螺钉固定安装于大腿杆件螺纹孔内；

所述小腿杆件的侧面沿长度方向开设有多组小腿杆件螺纹孔，所述小腿绑带通过螺钉固定安装于小腿杆件螺纹孔内。

7.根据权利要求1所述的基于绳索变刚度多功能驱动器的膝关节外骨骼，其特征在于：所述腰部控制盒包括腰带、第一腰部连接、第二腰部连接、腰部平板、控制箱、平板电脑连接件、平板电脑卡槽、销轴；

所述控制箱固定在腰部平板的侧面上，第一腰部连接和第二腰部连接分别固定于腰部平板的两侧，第一腰部连接和第二腰部连接的端部均固定连接有腰带，平板电脑连接件固定于第一腰部连接的侧面，平板电脑卡槽通过销轴与平板电脑连接件转动连接，上位机平板电脑卡入平板电脑卡槽中。

8.根据权利要求7所述的基于绳索变刚度多功能驱动器的膝关节外骨骼，其特征在于：所述传感器系统包括设置于电机元件内的第一编码器、设置于刚度调节机构内的第二编码器、固定于膝关节转动轴的第一电位计、固定于刚度调节机构内的第二电位计、位于大腿杆件侧面上的第一姿态传感器、位于小腿杆件侧面上的第二姿态传感器、多个嵌于使用者鞋垫中的压力传感器；

所述控制系统包括上位机平板电脑、下位机单片机、伺服电机控制器、刚度调节电机控制器、锂电池、关节磁流变制动器控制器、下位机开关和外骨骼急停开关，所述下位机单片机、伺服电机控制器、刚度调节电机控制器、关节磁流变制动器控制器和锂电池分别安装于控制箱内，下位机开关和外骨骼急停开关分别安装在控制箱的上部。

9.根据权利要求8所述的基于绳索变刚度多功能驱动器的膝关节外骨骼，其特征在于：所述上位机平板电脑与下位机单片机可实现双向通讯，下位机单片机分别与伺服电机控制器、刚度调节电机控制器、关节磁流变制动器控制器控制连接；

伺服电机控制器与伺服电机电连接，刚度调节电机控制器与刚度调节电机电连接，关节磁流变制动器控制器与关节磁流变制动器电连接；

所述第一编码器、第二编码器、第一电位计、第二电位计、压力传感器、第一姿态传感器和第二位姿传感器分别与下位机单片机信号端电连接；

锂电池分别与下位机单片机、伺服电机控制器、刚度调节电机控制器和关节磁流变制动器控制器供电连接，供电线路结构为总分结构，并且在总电路中接入外骨骼急停开关，锂电池与下位机单片机之间的线路中接入下位机开关。

10.一种基于权利要求1-9所述的基于绳索变刚度多功能驱动器的膝关节外骨骼的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

S10：膝关节运动功能障碍患者穿戴膝关节外骨骼后，启动外骨骼急停开关、下位机开关和上位机平板电脑，进行系统初始化；

S20：上位机平板电脑给下位机单片机发出指令，启动传感和控制系统；

S30：传感器系统中的各个压力传感器、电位计、编码器、姿态传感器均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到上位机平板电脑上，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、姿态角度相关运动信息；同时，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；

S40：多功能驱动器根据接收自下位机单片机的控制信号，作出如下四种状态的响应：

S401：当需要外骨骼提供驱动力矩时，所述多功能驱动器中的伺服电机通入电流，输出控制力矩，推动小腿杆件绕膝关节转动轴转动；此时，关节磁流变制动器中不通入电流；

S402：当需要外骨骼提供制动力矩并且所需制动力矩小于关节磁流变制动器所能产生的最大力矩时，所述多功能驱动器中的伺服电机将不通入电流，电机处于非工作状态，关节磁流变制动器的线圈中通入电流，产生感应磁场，关节磁变流制动器输出制动力矩，实现膝关节外骨骼的制动功能；

S403：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制动器所能产生的最大力矩时，所述多功能驱动器中的伺服电机将通入电流，电机处于工作状态，产生制动力矩，同时关节磁流变制动器的线圈中通入电流，产生的制动力矩和伺服电机产生的制动力矩叠加，作用于外骨骼上，实现膝关节外骨骼的混合制动功能；

S404：当需要外骨骼改变系统刚度时，基于第二编码器的反馈信号，对刚度调节电机进行运动控制，将刚度调节电机中通入电流，输出转动力矩，实现系统刚度的调节。

S50：重复步骤S30和步骤S40，直至康复训练结束；

S60：康复训练结束后，关闭上位机平板电脑，关闭下位机单片机和外骨骼急停开关，患者脱下膝关节外骨骼。

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