CN111773038A - 一种新型下肢康复外骨骼机器人以及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型下肢康复外骨骼机器人，属于医疗器械技术领域，包括:躯干总成、腿部总成、电源、肌电信号采集仪和中央控制器；所述躯干总成包括：支架、腰带、三角支架和腰部垫块；所述腿部总成包括：膝关节电机、L型万向连杆、大腿支架、万向连杆电机、大腿绑带、软轴、传动蜗杆、小腿支架、伸缩支架、大腿压力传感器、大腿角度传感器、小腿压力传感器、小腿角度传感器和小腿绑带。本发明所提供的一种新型下肢康复外骨骼机器人，采用球形接头连接，同时柔性背心贴合身体，使设备更稳固而且提高了舒适性和灵活性，实现了腿部的轻量化设计，同时采用软轴传动，增加了装置柔性，提高了舒适度。

Description

一种新型下肢康复外骨骼机器人以及控制方法

技术领域

本发明公开了一种新型下肢康复外骨骼机器人，属于医疗器械技术领域。

背景技术

下肢康复外骨骼机器人是针对康复及助力的外骨骼机器人，主要用于康复医疗和助老领域。在康复医疗领域，下肢康复外骨骼可以用于患者的步态康复；在助老领域，下肢康复外骨骼可以帮助老年人正常行走。随着机器人技术的不断发展，人们对下肢康复机器人的安全性、适应性、柔顺性等特性的要求越来越高。

然而，现有的下肢外骨骼关节驱动装置大多直接布置在关节处，导致下肢末端惯量大，体积臃肿，不仅增加了驱动功率的需求，也加大了使用者下肢的负担，从而导致肢体受损。目前，电池和控制器集成于后背背包式的设备多为上肢固定装置，使得佩戴者无法灵活运动，即无法实现腰部弯曲及旋转。因此，有必要对现有技术中的下肢康复外骨骼机器人予以改进，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于解决现有的下肢外骨骼关节驱动装置下肢末端惯量大导致患者舒适度低、灵活性差的问题，提出一种能够提高运动的灵活性、稳定性、安全性和穿戴舒适性的新型下肢康复外骨骼机器人以及控制方法。

本发明所要解决的问题是由以下技术方案实现的：

一种新型下肢康复外骨骼机器人，包括：躯干总成、腿部总成、电源、肌电信号采集仪和中央控制器；

所述躯干总成包括：支架、腰带、三角支架和腰部垫块，所述支架一端中部与三角支架的第一端连接，所述三角支架内侧通过腰部垫块固定在腰带上；

所述腿部总成包括：膝关节电机、L型万向连杆、大腿支架、万向连杆电机、大腿绑带、软轴、传动蜗杆、小腿支架、伸缩支架、大腿压力传感器、大腿角度传感器、小腿压力传感器、小腿角度传感器和小腿绑带，所述膝关节电机固定在所述支架上，所述L型万向连杆的一端与三角支架的第二端连接，所述万向连杆电机固定在大腿支架外侧，所述万向连杆电机的主轴穿过大腿支架固定在L型万向连杆的另一端，所述大腿支架底部设有插槽，所述伸缩支架通过插槽与大腿支架抽插连接，所述小腿支架一端可旋转设置在伸缩支架远离大腿支架的另一端，所述小腿支架一端设有扇形传动蜗轮，所述传动蜗杆可旋转设置在所述伸缩支架内与扇形传动蜗轮相配合，所述软轴一端与传动蜗杆一端连接，另一端与所述膝关节电机的主轴连接，所述大腿绑带和小腿绑带分别固定在大腿支架和小腿支架内侧，所述大腿压力传感器和大腿角度传感器分别设置在所述大腿绑带内，所述小腿压力传感器和小腿角度传感器分别设置在小腿绑带内；

所述电源分别与肌电信号采集仪、中央控制器、膝关节电机、万向连杆电机、大腿压力传感器、大腿角度传感器、小腿压力传感器和小腿角度传感器电连接。

优选的是，所述躯干总成还包括柔性背心，所述支架固定在所述柔性背心上。

优选的是，所述腿部总成还包括手柄，所述手柄固定在所述L型万向连杆的直角连接处。

优选的是，所述大腿支架包括相扣合的大腿支架内板和大腿支架外板。

优选的是，所述伸缩支架包括相扣合的伸缩支架内板和伸缩支架外板。

优选的是，所述大腿支架和伸缩支架分别设有软轴槽，所述软轴可在软轴槽内转动。

优选的是，所述腿部总成包括两个，两个所述腿部总成对称布置在躯干总成上。

一种新型下肢康复外骨骼机器人控制方法，具体步骤如下：

步骤S10，获取肌电信号特征标定数据及压力变化曲线；

步骤S20，通过所述肌电信号采集仪获取患者肌电信号数据；

步骤S30，通过所述患者肌电信号数据、肌电信号特征标定数据及压力变化曲线确定患者意图数据；

步骤S40，通过所述患者意图数据确定膝关节电机和万向连杆电机的驱动参数；

步骤S50，判断所述大腿压力传感器、大腿角度传感器、小腿压力传感器和小腿角度传感器实时监测数据是否符合期望：

符合，按确定所述膝关节电机和万向连杆电机的驱动参数继续工作；

不符合，重复S40。

优选的是，所述步骤S10的具体过程如下：

S101，通过所述肌电信号采集仪获取正常人体肌电信号数据；

S102，通过所述大腿压力传感器、大腿角度传感器、小腿压力传感器和小腿角度传感器确定正常人体监测数据；

S103，通过所述正常人体监测数据和正常人体肌电信号数据确定肌电信号特征标定数据及压力变化曲线。

本发明的有益效果：与现有下肢康复外骨骼机器人相比，本发明所提供的一种新型下肢康复外骨骼机器人，采用三角支架结构作为支撑，球形接头连接，使得背部可以自由弯曲旋转，同时柔性背心贴合身体，使设备更稳固而且提高了舒适性，万向连杆处的球形副，实现了大腿的外展，使设备最大限度的满足使用者肢体的运动范围，手柄则在提高灵活的同时满足了稳定性的要求，而且为使用者提供了更加舒适的主动干预空间，小腿的驱动设备膝关节电机安装在背部，大大减轻了腿部负担，实现了腿部的轻量化设计，同时采用软轴传动，增加了装置柔性，提高了舒适度。

附图说明

图1为本发明所述装置结构示意图；

图2为本发明所述装置机构的分解图；

图3为本发明躯干总成部分结构分解图；

图4为本发明躯干总成部分结构分解图；

图5为本发明腿部总成部分结构分解图；

图6为本发明腿部总成部分结构分解图。

图7为本发明腿部总成局部放大图。

图8是本发明的电气连接结构图。

图9是本发明的控制方法流程图。

图中：1.躯干总成，2.腿部总成，3.电池盒，11.柔性背心，12.支架，13.腰带，14.三角支架，15.腰部垫块，21.膝关节电机，22.L型万向连杆，23.手柄，24.大腿支架，241.大腿支架内板，242.大腿支架外板，243.紧固螺栓，244.大腿绑带，25.万向连杆电机，26.软轴，261.六棱柱，27.伸缩支架，271.支撑座，28.小腿支架，281.小腿绑带，282.滚动轴承，29.传动蜗杆

具体实施方式

以下根据附图1-9对本发明做进一步说明：

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1、2所示，本发明第一实施例在现有技术的基础上提供了一种新型下肢康复外骨骼机器人，包括：躯干总成1、腿部总成2、电源、肌电信号采集仪和中央控制器，腿部总成包括1-2个，根据实际患者的康复需要所决定，本实施例为两个腿部总成2，也就是说当患者两条腿都需要本装置来进行康复时，需要将两个腿部总成2分别安装在患者的两条腿上。因此，两个腿部总成2分别对称安装在躯干总成1的下部，接下来将逐一介绍以上提到的各机构以及与电源、肌电信号采集仪和和中央控制器的连接方式。

首先将详细介绍一下躯干总成1的具体结构，如图3-4所示，其包括：支架12、柔性背心11、腰带13、三角支架14和腰部垫块15，支架12通过粘接固定在柔性背心11的背部上，柔性背心11背部为贴合人体的硬性材料，起到支撑作用的同时提高舒适度，腰部垫块15通过粘接固定在腰带13上，三角支架14内侧通过粘接固定在腰部垫块15上，支架12一端中部与三角支架14的第一端通过球铰接连接在一起，这样柔性背心11和腰带13通过三角支架14连接在一起。

接下来将详细介绍一下两个腿部总成，两个腿部总成结构相同，下面以其中一个为例详细介绍。如图5-7所示，其包括：膝关节电机21、L型万向连杆22、大腿支架24、万向连杆电机25、大腿绑带244、软轴26、传动蜗杆29、小腿支架28、伸缩支架27、大腿压力传感器、大腿角度传感器、小腿压力传感器、小腿角度传感器、手柄23和小腿绑带281，如图3所示，膝关节电机21采用步进电机，膝关节电机21通过螺栓固定在支架12上，大大减轻了腿部负担，实现了腿部的轻量化设计。如图4所示，L型万向连杆22的一端与三角支架14的第二端通过球铰连接在一起，实现了大腿的外展功能，使设备最大限度的满足使用者肢体的运动范围。

如图5所示，大腿支架24包括相扣合的大腿支架内板241和大腿支架外板242并通过紧固螺栓243固定在一起，万向连杆电机25通过螺栓固定在大腿支架24外侧，万向连杆电机25为盘式减速电机。万向连杆电机25的主轴穿过大腿支架24通过螺栓固定在L型万向连杆22的另一端，万向连杆电机25的主轴可带动L型万向连杆22转动，从而当患者穿上本发明的装置时就行实现腰部的弯曲以及抬腿的动作。大腿支架24底部设有插槽，伸缩支架27通过插槽与大腿支架24抽插连接，可以根据患者需要调节伸缩长度，并通过紧固螺柱锁死。

如图6所示，伸缩支架27包括相扣合的伸缩支架内板和伸缩支架外板，小腿支架28一端通过滚动轴承282可旋转安装在伸缩支架27远离大腿支架24的另一端，小腿支架28一端设有扇形传动蜗轮。如图7所示，传动蜗杆29可旋转安装在伸缩支架27内支撑座271上与扇形传动蜗轮相配合，传动蜗杆29顶部有内六角沉孔，与软轴26末端的六棱柱261配合，当安装时软轴26末端的六棱柱261与安装在传动蜗杆29顶部的内六角沉孔内，另一端通过联轴器与膝关节电机21的主轴连接，为了保护软轴26，大腿支架24和伸缩支架27均设有软轴26穿过的保护槽，通过采用软轴26传动，增加了装置柔性，提高了舒适度。当膝关节电机21的主轴转动时，通过软轴26使得传动蜗杆29转动，传动蜗杆29通过与扇形传动蜗轮配合可以带动小腿支架28转动，当患者穿上本发明的装置时就行实现腿部的弯曲。

大腿绑带244和小腿绑带281分别通过螺栓固定在大腿支架24和小腿支架28的内侧，大腿压力传感器和大腿角度传感器分别安装在大腿绑带244内，小腿压力传感器和小腿角度传感器分别安装在小腿绑带281内，用于采集运动信息，并反馈给中央控制器，手柄23通过螺栓固定在L型万向连杆22的直角连接处，提高灵活的同时满足了稳定性的要求，而且为使用者提供了更加舒适的主动干预空间，手柄23安装有急停按钮，遇紧急情况可以及时保护使用者，手柄23也可根据实际情况拆卸或加装其他人机交互设备。

本发明的电源不限于通过市政供电的外部电源或者可拆卸的锂电池，本实施例电源为锂电池，锂电池放置在电池盒3内，电池盒3内还安装有中央控制器，中央控制器为单片机或者PLC。如图8所示，肌电信号采集仪为外部供应的BioPac多通道电生理仪。电源分别与肌电信号采集仪、中央控制器、膝关节电机21、万向连杆电机25、大腿压力传感器、大腿角度传感器、小腿压力传感器和小腿角度传感器电连接。

上面介绍完本发明的机械结构，下面来介绍根据上面机械结构的一种新型下肢康复外骨骼机器人控制方法，如图9所示，具体步骤如下：

步骤S10，获取肌电信号特征标定数据及压力变化曲线，具体步骤如下：

S101，请身体健康的调试人员穿戴本设备，然后启动设备，调试人员主动行走，开始进行人体行走数据采集，肌电信号采集仪采集人体肌电信号数据，并反馈至中央控制器。

S102，然后通过大腿压力传感器、大腿角度传感器、小腿压力传感器和小腿角度传感器监测到的正常人体监测数据，也反馈至中央控制器。

S103，中央控制器将人体肌电信号数据和正常人体监测数据按角度信号确定运动位姿并划分运动步态区域，按步态区域最终确定对应的压力变化曲线及肌电信号特征标定。

步骤S20，通过所述肌电信号采集仪获取患者肌电信号数据，具体过程如下：

患者穿戴本发明，患者尝试行走时，肌电信号采集仪采集患者肌电信号数据并反馈中央控制器。

步骤S30，中央控制器通过参照患者肌电信号数据、肌电信号特征标定数据及压力变化曲线确定患者意图数据。

步骤S40，中央控制器通过所述患者意图数据确定膝关节电机和万向连杆电机的驱动参数。

步骤S50，中央控制器通过大腿压力传感器、大腿角度传感器、小腿压力传感器和小腿角度传感器实时监测数据判断是否符合期望：

符合，按确定膝关节电机和万向连杆电机的驱动参数继续工作；

不符合，重复S40，则中央控制器根据传感器数据修正电机驱动参数。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种新型下肢康复外骨骼机器人，其特征在于，包括：躯干总成、腿部总成、电源、肌电信号采集仪和中央控制器；

所述躯干总成包括：支架、腰带、三角支架和腰部垫块，所述支架一端中部与三角支架的第一端连接，所述三角支架内侧通过腰部垫块固定在腰带上；

所述腿部总成包括：膝关节电机、L型万向连杆、大腿支架、万向连杆电机、大腿绑带、软轴、传动蜗杆、小腿支架、伸缩支架、大腿压力传感器、大腿角度传感器、小腿压力传感器、小腿角度传感器和小腿绑带，所述膝关节电机固定在所述支架上，所述L型万向连杆的一端与三角支架的第二端连接，所述万向连杆电机固定在大腿支架外侧，所述万向连杆电机的主轴穿过大腿支架固定在L型万向连杆的另一端，所述大腿支架底部设有插槽，所述伸缩支架通过插槽与大腿支架抽插连接，所述小腿支架一端可旋转设置在伸缩支架远离大腿支架的另一端，所述小腿支架一端设有扇形传动蜗轮，所述传动蜗杆可旋转设置在所述伸缩支架内与扇形传动蜗轮相配合，所述软轴一端与传动蜗杆一端连接，另一端与所述膝关节电机的主轴连接，所述大腿绑带和小腿绑带分别固定在大腿支架和小腿支架内侧，所述大腿压力传感器和大腿角度传感器分别设置在所述大腿绑带内，所述小腿压力传感器和小腿角度传感器分别设置在小腿绑带内；

所述电源分别与肌电信号采集仪、中央控制器、膝关节电机、万向连杆电机、大腿压力传感器、大腿角度传感器、小腿压力传感器和小腿角度传感器电连接。

2.根据权利要求1所述的一种新型下肢康复外骨骼机器人，其特征在于，所述躯干总成还包括柔性背心，所述支架固定在所述柔性背心上。

3.根据权利要求1或2所述的一种新型下肢康复外骨骼机器人，其特征在于，所述腿部总成还包括手柄，所述手柄固定在所述L型万向连杆的直角连接处。

4.根据权利要求3所述的一种新型下肢康复外骨骼机器人，其特征在于，所述大腿支架包括相扣合的大腿支架内板和大腿支架外板。

5.根据权利要求4所述的一种新型下肢康复外骨骼机器人，其特征在于，所述伸缩支架包括相扣合的伸缩支架内板和伸缩支架外板。

6.根据权利要求4或5所述的一种新型下肢康复外骨骼机器人，其特征在于，所述大腿支架和伸缩支架分别设有软轴槽，所述软轴可在软轴槽内转动。

7.根据权利要求6所述的一种新型下肢康复外骨骼机器人，其特征在于，所述腿部总成包括两个，两个所述腿部总成对称布置在躯干总成上。

8.一种新型下肢康复外骨骼机器人控制方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤S10，获取肌电信号特征标定数据及压力变化曲线；

步骤S20，通过所述肌电信号采集仪获取患者肌电信号数据；

步骤S30，通过所述患者肌电信号数据、肌电信号特征标定数据及压力变化曲线确定患者意图数据；

步骤S40，通过所述患者意图数据确定膝关节电机和万向连杆电机的驱动参数；

步骤S50，判断所述大腿压力传感器、大腿角度传感器、小腿压力传感器和小腿角度传感器实时监测数据是否符合期望：

符合，按确定所述膝关节电机和万向连杆电机的驱动参数继续工作；

不符合，重复S40。

9.根据权利要求8所述的一种新型下肢康复外骨骼机器人控制方法，其特征在于，所述步骤S10的具体过程如下：

S101，通过所述肌电信号采集仪获取正常人体肌电信号数据；

S102，通过所述大腿压力传感器、大腿角度传感器、小腿压力传感器和小腿角度传感器确定正常人体监测数据；

S103，通过所述正常人体监测数据和正常人体肌电信号数据确定肌电信号特征标定数据及压力变化曲线。

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