CN114886729A - 一种串联弹性驱动可变阻尼的膝关节康复系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种串联弹性驱动可变阻尼的膝关节康复系统，包括是外骨骼腰部和腿部框架机构，所述是外骨骼腰部和腿部框架机构的腰部与腿部结合处设置有变位移式磁流体可变阻尼旋转关节和串联弹性驱动器，所述外骨骼腰部和腿部框架机构的腰部上方设置有可升降扶手式康复轮椅，外骨骼腰部和腿部框架机构的腿部底部设置有足部模块，所述可升降扶手式康复轮椅上安装有康复系统的硬件控制箱；所述变位移式磁流体可变阻尼旋转关节包括定子导磁片模块和转子导磁片模块，所述串联弹性驱动器和磁流变阻尼器并联设置。本发明能够实现精准的康复运动参数。精确力控，灵活跟随运动，增加穿戴者的舒适性。
Description
技术领域
本发明涉及膝关节康复装置技术领域，具体涉及一种串联弹性驱动可变阻尼的膝关节康复系统。
背景技术
进行膝关节置换手术之后，患者常用被动的康复训练装置来进行膝关节屈伸运动训练以及下肢的肌力训练，以达到膝关节功能恢复的目的，而目前，被动的康复训练装置结构比较简单，训练模式比较单一，康复效率也比较低。
对于康复装置进行训练的方式，一般是卧姿和站姿，卧姿训练的负荷较小，康复的效果较差；站姿训练的负荷较大，但这对于行动不变患者进行站姿训练有较大的挑战。
动力关节康复训练装置相比于被动式的功能要更有前景，可以在病人不同的康复阶段实现不同的训练模式。传统的外骨骼动力关节刚性大，不柔顺，限制了穿戴者的灵活性和舒适度，表现为穿戴舒适性差，且不能抵抗冲击。关节的阻尼参数不可调节，这对于不同阶段患者的训练目标难以精细化，甚至会造成意外伤害。
足部外骨骼的一部分，传统的外骨骼足部多数设计为简单的一体式刚性结构，对足部的踝关节和趾关节部位缺少针对性设计，忽略了人体穿戴外骨骼运动时的灵活性和舒适度。且对于交互传感器的集成度不高，机电结构不紧凑，使得体积庞大。
发明内容
为了克服以上技术问题，本发明的目的在于提供一种串联弹性驱动可变阻尼的膝关节康复系统，解决了现有的膝关节康复系统中只能保持一种训练姿态、膝关节和踝关节机构的机电结构紧凑化低、人机交互不柔顺、力的交互舒适性差、不能调节关节阻尼、限制了人体腿部正常运动的自由度的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种串联弹性驱动可变阻尼的膝关节康复系统，包括外骨骼腰部和腿部框架机构3，所述是外骨骼腰部和腿部框架机构3的腰部与腿部结合处设置有变位移式磁流体可变阻尼旋转关节2和串联弹性驱动器4，所述外骨骼腰部和腿部框架机构3的腰部上方设置有可升降扶手式康复轮椅1，外骨骼腰部和腿部框架机构3的腿部底部设置有足部模块5，所述可升降扶手式康复轮椅1上安装有康复系统的硬件控制箱6；所述变位移式磁流体可变阻尼旋转关节2包括定子导磁片模块和转子导磁片模块，所述串联弹性驱动器4和磁流变阻尼器2并联设置。
所述可升降扶手式康复轮椅1的侧面安装有升降电机101，升降电机101与升降电机转接板102连接，升降电机101与升降丝杆106同轴连接并穿过丝杆光轴固定座103和丝杆光轴限位块107，滑行光轴105与升降丝杆106平行排布，两端分别与丝杆光轴固定座103和丝杆光轴限位块107固定，螺母滑块104同时和滑行光轴105和升降丝杆106配合安装，螺母滑块104可在升降电机101的驱动下沿滑行光轴105前后滑动，支撑连杆109和支撑连杆117的一端分别与连杆座110和连杆座108连接，另一端分别与工字型连杆118的两端连接。
所述可升降扶手式康复轮椅1上设置轮椅侧杆，轮椅侧杆、工字型连杆118、支撑连杆109和支撑连杆117组成了平行四边形，支撑连杆112和支撑连杆116的一端分别与工字型连杆118两端连接，另一端分别与扶手杆114的两端扶手铰接块113和扶手铰接块115连接，扶手杆114、工字型连杆118、支撑连杆112和支撑连杆116组成了另一个平行四边形，同步齿轮220与支撑连杆109的一端铰接孔同轴固定连接，同步齿轮111与支撑连杆112的一端铰接孔同轴固定连接，且同步齿轮220和同步齿轮111啮合，螺母滑块104和支撑连杆117之间通过推进连杆119连接。
所述定子导磁片模块包括磁流体腔壳207，磁流体腔壳207内部放置有8片定子导磁片209，所述8片定子导磁片209表面设置有定子导磁片隔离块210，定子导磁片209沿轴向排布，定子导磁片隔离块210用于使定子导磁片之间存在间隙；
所述转子导磁片模块包括套在转子空心轴208的导槽上的7片转子导磁片222，转子导磁片222沿轴向排布，所述转子导磁片222上设置转子导磁片隔离块223，转子导磁片隔离块223用于使得转子导磁片222之间存在间隙；
所述磁流体腔壳207和转子空心轴208同轴装配，且8片定子导磁片209和7片转子导磁片222互相交错叠加。
所述转子空心轴208的一端连接着转子转接端206，另一端连接着转子转接法兰套筒215，转子转接法兰套筒215的输出端和转子套筒盖226连接，所述转子空心轴208和转子转接法兰套筒215串联的内空腔中，设置调节电机201，调节电机201与转子空心轴208同轴放置，调节电机201通过调节电机转接板202与转子转接端206固定，调节丝杆205沿轴向放置，调节丝杆205的一端通过丝杆轴承220安装在转子套筒盖226的内孔中，调节丝杆205上安装法兰螺母212，磁体滑块213与法兰螺母212同轴固定在一起，8片环形永磁体211和法兰螺母212同轴配合固定连接，磁体滑块213上的滑块限位块214在转子转接法兰套筒215中的套筒滑槽216中滑动，对滑块的旋转方向约束。
所述磁流体腔壳207的一端与磁流体腔体端盖203连接，磁流体腔壳207的另一端与定子转接法兰筒217连接，定子转接法兰筒217的输出端与输出端压盖219连接，转子转接端206与磁流体腔体端盖203之间存在磁流体腔体端轴承204，转子套筒盖226和输出端压盖219之间存在输出端轴承218，转子套筒盖226和输出端转接盘221固定连接，作为磁流变阻尼器的运动输出轴。
所述外骨骼腰部和腿部框架机构3包括横置固定杆301，横置固定杆301被横杆卡件306和横杆转接块307固定在轮椅100的底部，横置固定杆301两侧表面开有阵列的安装孔，阵列的安装孔上设置宽度调节套管302，宽度调节套管302通过L型连接管303连接纵向连接杆304一端，纵向连接杆304另一端设置关节转接杆305，所述关节转接杆305上设置有调节外骨骼前后的距离的阵列的安装孔。
所述关节转接杆305端部设置在串联弹性驱动器4上，串联弹性驱动器4下部竖直设置关节运动输出的转接件310，关节运动输出的转接件310依次连接小腿转接件311、小腿杆312、小腿滑杆313、腿部横向滑杆314和小腿护具315，小腿滑杆313可在小腿杆312上竖直方向滑动固定，调节小腿护具315的竖直方向上的位置；腿部横向滑杆314在小腿滑杆313上前后滑动。
所述串联弹性驱动器4包括结构相同的外骨骼关节外壳401和外骨骼关节外壳402，所述外骨骼关节外壳表面开有圆形孔洞，圆形孔洞上安装有关节滚动轴承408，关节滚动轴承408与关节中心转动体422同轴安装，作为串联弹性驱动器的输出端和关节输出转接件310连接，磁流变阻尼器2中的217定子转接法兰筒与外骨骼关节外壳402相连，磁流变阻尼器2中的221输出端转接盘与关节中心转动体422相连接，所述外骨骼关节外壳之间通过铜柱404、壳体支撑板一405、壳体支撑板二406、壳体支撑板三407连接。
所述串联弹性驱动器4的驱动结构包括编码器411，编码器411与电机413连接，电机413放于电机座412，并通过电机固定座414与导轨底座430相连接，电机413的电机轴与小同步带轮415连接，小同步带轮415与大同步带轮417通过同步带416进行传动，大同步带轮417与丝杠424相连接，丝杠424上连接有弹性滑块426，在丝杠424两端有丝杠端法兰挡边轴承425进行支撑，丝杠端法兰挡边轴承425嵌入丝杠两端挡块418中，丝杠424两端挡块418又与外骨骼关节外壳402相连接，实现丝杠424与外骨骼关节外壳402的固定连接，弹性滑块426与弹性滑块底座427相连接，进一步与弹性滑块连接件428相连接，弹性滑块连接件428能够在导轨429上滑动，导轨429又与导轨底座430相连接，导轨底座与外骨骼关节外壳402相连接，弹性滑块426与曲柄423相连接，通过螺栓431进行两者间的固定，滑块端法兰挡边轴承433对弹性滑块426进行支撑，曲柄423与关节中心转动体422相连接，关节中心转动体422又与编码器输出端齿轮420相啮合，编码器输出端齿轮420与编码器421相连接，并通过编码器连接件419与外骨骼关节外壳402相连接。
所述弹性滑块426包括滑块436，滑块436与丝杠424连接，四根滑块处光轴435穿过滑块436并接于滑块前后端连接块438上，在滑块处光轴435连接滑块处弹性元件434，滑块左右端连接块437与滑块前后端连接块438连接，滑块左右端连接块437上安装曲柄423，再在曲柄423中安装滑块端法兰挡边轴承433，通过螺栓431和垫片432进行固定。
所述足部模块5包括与小腿杆312连接的小腿连接套管501和踝关节支撑结构块504，所述踝关节支撑结构块504为内部空腔的支撑结构，在内部嵌入有陀螺仪模块524和压力薄膜信息采集板523，用于采集外骨骼足部在人体步态过程中的交互力信息和空间运动姿态信息，踝关节支撑结构块504设置在踝关节转接板505上，在踝关节结构支撑结构块504的左右两侧存在踝关节外侧固定板503和踝关节内侧固定板521，两个扇形扭转块526设置在踝关节外侧固定板503和踝关节内侧固定板521上，扇形扭转块526和两个踝关节固定板之间形成一固定整体。
所述踝关节支撑结构块504上设置盘式扭转壳体502，盘式扭转壳体502内部为空腔支撑结构，盘式扭转壳体502通过同轴心配合的深沟球滚动轴承525与踝关节外侧固定板503和踝关节内侧固定板521之间同轴心配合，并且磁流变阻尼器2中的定子转接法兰筒217通过磁流变阻尼器固定转接板534与小腿连接套管块501相连，磁流变阻尼器2中的输出端转接盘221通过磁流变阻尼器连杆533与踝关节支撑结构块504铰接在一起，所述扭转块526和盘式扭转壳体502组成的四个独立空间内存在四个直线弹簧527。
所述踝关节转接板505与外骨骼足底主体相连，外骨骼足底主体包括前脚掌左部主体层531、前脚掌右部主体层514和后脚掌主体层509，前脚掌左部主体层531和前脚掌右部主体层514分别与后脚掌主体层509之间采用重型合页518铰接，形成左右分离的趾关节运动自由度，两个趾关节之间的运动独立，在后脚掌主体层509、前脚掌左部主体层531和前脚掌右部主体层514的底面分别粘合有后脚掌底层橡胶510、前脚掌左部底层橡胶529和前脚掌右部底层橡胶513，在后脚掌主体层509、前脚掌左部主体层531和前脚掌右部主体层514的上表面通过螺栓连接的分别是足部后掌框511、前脚掌左部框516和前脚掌右部框530，在足部后掌框511、前脚掌左部框516和前脚掌右部框530中排布着七点式压力薄膜传感器528，并且在七点式压力薄膜传感器的上方分别填充着后脚掌填充橡胶层508、前脚掌左部填充橡胶层532和前脚掌右部填充橡胶层515，用于压力薄膜传感器的固定，
所述足部后掌框511、前脚掌左部框516和前脚掌右部框530的边缘通过扣件螺栓512固定着七个足部绑带扣件507，足部绑带扣件507在足部前脚掌分布两个，在后脚掌分布五个，足部主体部分采用复合材料分层结构。
本发明的有益效果：
本发明的轮椅扶手为可升降式机构，便于患者坐姿和站姿时切换扶手高度，有效支撑和保护患者。
膝关节的屈伸运动的传动链中具有弹性元件，使得机构能够柔性对外驱动，同时关节处和电机输出轴两处直接连接的编码器的差值可精确计算出该机构的输出力的大小，方便外骨骼进行力的控制。
外骨骼足部结构，采用多材料复合刚柔结合方式：踝关节的旋转运动链中阵列的直线弹簧，使得人体和机构之间的力能够柔性交互，人体穿戴外骨骼时的柔顺性和舒适性得到提高。在足部橡胶层和刚性结构之间嵌入了压力薄膜传感器，以方便获取穿戴者在步态行走过程中与外骨骼足部之间的交互力信息。
在能量损耗方面，由于引入了弹性体，该机构进行屈伸运动时，存在弹簧被压缩和释放的过程，因此可将过载能量储存志弹簧中，而在弹簧恢复初始状态时进行释放，可降低动力驱动的峰值功率，使得力的输出更加平缓，大大提高助力效率。
在膝关节和踝关节处并联了新型磁流变阻尼器，可以精准调节关节的阻尼参数。且与传统的线圈式磁流变阻尼器相比，本方案改进之处是改变了变阻尼器中磁场调节的方式，用调节永磁体在关节中的位移的方式代替了线圈产生磁场的方式。高强度的永磁体磁场强度优于线圈的磁场强度，提升了阻尼器最大的力矩密度。调节永磁体在关节中的位移的方式，发热量更低，这种低功耗的方案适合长时间的工作需求。并且增加了机械式抱死的方式对关节的实现的最大阻尼补偿，理论上可将阻尼增加至无限大。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
图2是可升降扶手式康复轮椅。
图3是可升降式扶手。
图4是康复外骨骼机构。
图5是外骨骼腰部机构。
图6是外骨骼膝关节驱动机构。
图7是变位移式磁流体可变阻尼旋转关节爆炸图。
图8是变位移式磁流体可变阻尼旋转关节剖视图(最小阻尼状态)。
图9是变位移式磁流体可变阻尼最大阻尼状态。
图10是变位移式磁流体可变阻尼磁场调节机构。
图11是定子导磁片模块。
图12是转子导磁片模块。
图13是串联弹性驱动器爆炸图。
图14是串联弹性驱动器的驱动机构。
图15是弹性滑块。
图16是足部模块。
图17是足部踝关节机构。
图18是外骨骼足部主体爆炸图。
本发明整体包含：1-可升降扶手式康复轮椅，2是变位移式磁流体可变阻尼旋转关节，3是外骨骼腰部和腿部框架机构，4是串联弹性驱动器，5是足部模块，6是康复系统的硬件控制箱。
·1可升降扶手式康复轮椅，包含：100轮椅(该轮椅可为市面上常见的通用型轮椅)，101升降电机，102升降电机转接板，103丝杆光轴固定座，104螺母滑块，105滑行光轴，106升降丝杆，107丝杆光轴限位块，108和110是连杆座，109、112、117和116是支撑连杆，111和220是同步齿轮，113和115为扶手铰接块，114为扶手干，118为工字型连杆，119为推进连杆。
·2变位移式磁流体可变阻尼旋转关节，包括：201调节电机，202调节电机转接板，203磁流体腔体端盖，204磁流体腔体端轴承，205调节丝杆，206转子转接端，207磁流体腔壳，208转子空心轴，209定子导磁片，210定子导磁片隔离块，211环形永磁体，212法兰螺母，213磁体滑块，214滑块限位块，215转子转接法兰套筒，216套筒滑槽，217定子转接法兰筒，218输出端轴承，219输出端压盖，220丝杆轴承，221输出端转接盘，222转子导磁片，223转子导磁片隔离块，224抱死阶梯块，225前轴承座，226转子套筒盖。
·3外骨骼腰部和腿部框架机构，包括：301横置固定杆，302宽度调节套管，303L型连接管，304纵向连接杆，305关节转接杆，306横杆卡件，307横杆转接块，308纵杆卡件，309纵杆转接块，310关节输出转接件，311小腿转接件，312小腿杆，313小腿滑杆，314腿部横向滑杆，315小腿护具。
·4串联弹性驱动器，包括：401和402是外骨骼关节外壳，403关节固定座，404铜柱，405壳体支撑板一，406壳体支撑板二，407壳体支撑板三，408关节滚动轴承，409固定转接盘，410弹性圆盘，411编码器，412电机座，413电机，414电机固定座，415小同步带轮，416同步带，417大同步带轮，418丝杠两端挡块，419编码器连接件，420编码器输出端齿轮，421编码器，422关节中心转动体，423曲柄，424丝杠，425丝杆端法兰挡边轴承，426弹性滑块，427弹性滑块底座，428弹性滑块连接件，429导轨，430导轨底座，431螺栓，432垫片，433滑块端法兰挡边轴承，434滑块处弹性元件，435滑块处光轴，436螺母滑块，437滑块左右端连接块，438滑块前后端连接块。
·5足部模块，包括：501小腿连接套管块，502盘式扭转壳体，503踝关节外侧固定板，504踝关节支撑结构块，505踝关节转接板，506转接板螺栓，507足部绑带扣件，508后脚掌填充橡胶层，509后脚掌主体层，510后脚掌底层橡胶，511足部后掌框，512扣件螺栓，513前脚掌右部底层橡胶，514前脚掌右部主体层，515前脚掌右部填充橡胶层，516前脚掌左部框，517脚掌螺栓，518重型铰接合页，519扭转块螺栓，520踝关节电磁阻尼输出轴，521踝关节内侧固定板，522扭转块螺栓，523压力薄膜采集板，524陀螺仪模块，525深沟球滚动轴承，526扭转块，527直线弹簧，528七点式压力薄膜传感器，529前脚掌左部底层橡胶，530前脚掌右框部，531前脚掌左部主体层，532前脚掌左部填充橡胶层，533磁流变阻尼器连杆，534磁流变阻尼器固定转接板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
整体结构如图1所示。轮椅100(该轮椅可为市面上常见的通用型轮椅)作为整个系统的搭载平台。
在图3可升降式扶手描述中，升降电机转接板102、丝杆光轴固定座103、丝杆光轴限位块107、连杆座108和110，全都固定在轮椅的左侧(或右侧)。升降电机101与升降电机转接板102连接。升降丝杆106与升降电机101同轴连接并穿过丝杆光轴固定座103和丝杆光轴限位块107，滑行光轴105与升降丝杆106平行排布，并两端分别与丝杆光轴固定座103和丝杆光轴限位块107固定。螺母滑块104同时和滑行光轴105和升降丝杆106配合安装，螺母滑块104可在升降电机101的驱动下沿滑行光轴105前后滑动。支撑连杆109和117的一端分别与连杆座110和108连接，另一端分别与工字型连杆118的两端连接。
轮椅侧杆、工字型连杆118、支撑连杆109和117组成了平行四边形。支撑连杆112和116的一端分别与118工字型连杆两端连接，另一端分别与扶手杆114的两端扶手铰接块113和115连接。扶手杆114、工字型连杆118、支撑连杆112和116组成了另一个平行四边形。同步齿轮220与支撑连杆109的一端铰接孔同轴固定连接，同步齿轮111与支撑连杆112的一端铰接孔同轴固定连接，且同步齿轮220和同步齿轮111传动配合。螺母滑块104和支撑连杆117之间通过推进连杆119连接。螺母滑块104在滑动时，支撑连杆109和117的角度同步发生变化；在同步齿轮111和220作用下，支撑连杆112和116的角度同步发生变化，则扶手杆114起到升降运动的效果，以方便用户在站起时，双手的扶手能够升起，实时起到支撑身体的效果。扶手下降状态和升起状态如图2所示。
在变位移式磁流体可变阻尼旋转关节2中，定子导磁片模块和转子导磁片模块分别如图11和图12所示。8片定子导磁片209放置在磁流体腔壳207内，沿轴向排布，定子导磁片209之间存在定子导磁片隔离块210，使得定子导磁片之间存在间隙。
7片转子导磁片222套在转子空心轴208的导槽上，沿轴向排布。同理，转子导磁片222之间存在转子导磁片隔离块223，使得转子导磁片222之间存在间隙。
磁流体腔壳207和转子空心轴208同轴装配，且8片定子导磁片209和7片转子导磁片222互相交错叠加，如图8和图9所示。
转子空心轴208的一端连接着转子转接端206，另一端连接着转子转接法兰套筒215，转子转接法兰套筒215的输出端和转子套筒盖226连接。
在转子空心轴208和转子转接法兰套筒215串联的内空腔中，存在调节电机201与转子空心轴208同轴放置。调节电机201通过调节电机转接板202与转子转接端206固定，调节丝杆205沿轴向放置，调节丝杆205的一端通过丝杆轴承220安装在转子套筒盖226的内孔中。
法兰螺母212安装在调节丝杆205上，磁体滑块213与法兰螺母212同轴固定在一起，8片环形永磁体211和法兰螺母212同轴配合固定连接。
磁体滑块213上的滑块限位块214在转子转接法兰套筒215中的套筒滑槽216中滑动，对滑块的旋转方向约束。当调节丝杆205转动时，永磁体211随磁体滑块213和法兰螺母212沿着轴向移动。磁流体腔壳207的一端与磁流体腔体端盖203连接，磁流体腔壳207的另一端与定子转接法兰筒217连接，定子转接法兰筒217的输出端与输出端压盖219连接。转子转接端206与磁流体腔体端盖203之间存在磁流体腔体端轴承204，转子套筒盖226和输出端压盖219之间存在输出端轴承218。转子套筒盖226和输出端转接盘221固定连接，作为磁流变阻尼器的运动输出轴。
当环形永磁体211在远离转子导磁片222和定子导磁片209(即在小直径段)时，磁流变阻尼器的阻力矩最小，输出端转接盘221可以自由转动，此时的状态如图8所示；
一级变阻尼：当环形永磁体211向转子导磁片222和定子导磁片209(即在大直径段)接近时，磁流变阻尼器的阻力矩逐渐变大。当环形永磁体211完全进入转子空心轴208中时，此时磁流体的黏度最高，流动性最低，由磁流体作用的阻尼达到最大值，如图9所示。
二级变阻尼：若继续驱动调节电机201使得环形永磁体211向大直径段移动，则磁体滑块213上的滑块限位块214会压紧定子转接法兰筒217内孔中的抱死阶梯块224，若强行转动输出端转接盘221，此时滑块限位块214和抱死阶梯块224以机械接触的方式摩擦。理论上，滑块限位块214能够无限大的压力压紧在抱死阶梯块224上，因此在输出端转接盘221处的阻力矩为磁流体阻力和机械抱死阻力的叠加，可达到无限大。
(附)磁流变阻尼器工作原理：
磁流变阻尼器是以磁流变液作为工作介质的阻尼器。
磁流变液是一种新型智能材料，在无磁场场作用时，磁流变液具有良好的流动性，而在强磁场作用下，磁流变液可在毫秒级时间内连续、可逆地转变为具有高黏度、低流动性的宾汉流体,从而使其表面黏度增加两个数量级以上,呈现类似固体的力学特性。
外骨骼腰部和腿部框架机构3，如图5和图6所示，横置固定杆301被横杆卡件306和横杆转接块307固定在轮椅100的底部。宽度调节套管302和横置固定杆301同轴嵌套，并且可根据横置固定杆301上阵列的安装孔选择性固定，起到调节外骨骼宽度尺寸的作用。纵向连接杆304和宽度调节套管302之间由L型连接管303连接，关节转接杆305嵌套在纵向连接杆304上，并可根据关节转接杆305上阵列的安装孔调节外骨骼前后的距离。纵杆卡件308和纵杆转接块309将纵向连接杆304安装在轮椅100的底部。关节运动输出的转接件310，依次连接小腿转接件311、小腿杆312、小腿滑杆313、腿部横向滑杆314和小腿护具315。小腿滑杆313可在小腿杆312上竖直方向滑动固定，调节小腿护具315的竖直方向上的位置；腿部横向滑杆314可在小腿滑杆313上前后滑动，调节小腿护具315的前后方向上的位置；小腿护具315可以在腿部横向滑杆314的左右方向上滑动位置。
在图13串联弹性驱动器4爆炸图中，各个零件之间的相互关系：整个关节单元以外骨骼关节外壳401和402为固定基础，以铜柱404、壳体支撑板一405、壳体支撑板二406、壳体支撑板三407连接上下两个外骨骼关节外壳402，将两个关节滚动轴承408放入外骨骼关节外壳402中。关节中心转动体422和关节滚动轴承408同轴安装，作为串联弹性驱动器的输出端和关节输出转接件310连接。磁流变阻尼器2中的定子转接法兰筒217与外骨骼关节外壳402相连，磁流变阻尼器2中的输出端转接盘221与关节中心转动体422相连接，即，串联弹性驱动器4和磁流变阻尼器2之间为并联关系。
图14串联弹性驱动器的驱动机构图中：编码器411与电机413连接，电机413放于电机座412，并通过电机固定座414与导轨底座430相连接，电机413的电机轴与小同步带轮415连接，小同步带轮415与大同步带轮417通过同步带416进行传动，大同步带轮417与丝杠424相连接，丝杠424上连接有弹性滑块426，在丝杠424两端有丝杠端法兰挡边轴承425进行支撑，丝杠端法兰挡边轴承425嵌入丝杠两端挡块418中，丝杠两端挡块418又与外骨骼关节外壳402相连接，最终实现了丝杠与外骨骼关节外壳402的固定连接，弹性滑块426与弹性滑块底座427相连接，进一步与弹性滑块连接件428相连接，弹性滑块连接件428能够在导轨429上滑动，导轨429又与导轨底座430相连接，导轨底座与外骨骼关节外壳402相连接。弹性滑块426与曲柄423相连接，通过螺栓431进行两者间的固定，滑块端法兰挡边轴承433对弹性滑块426进行支撑，曲柄423与关节中心转动体422相连接，关节中心转动体422又与编码器输出端齿轮420相啮合，编码器输出端齿轮420与编码器421相连接，并通过编码器连接件419与外骨骼关节外壳402相连接。整个传动过程为电机413带动小同步带轮415旋转，通过同步带416进一步带动大同步带轮417旋转，从而带动与大同步带轮417相连接的丝杠424，丝杠424旋转时，会驱使弹性滑块426中的螺母滑块436移动，螺母滑块436通过套在滑块处光轴435上的滑块处弹性元件434推动滑块前后端连接块438，进一步带动滑块左右端连接块437运动，再进一步带动曲柄423移动，最终，使得关节中心转动体422转动。
如图15为弹性滑块426爆炸图，滑块436与丝杠424连接，四根滑块处光轴435穿过滑块436并接于滑块前后端连接块438上，在滑块处光轴435连接滑块处弹性元件434，滑块左右端连接块437与滑块前后端连接块438连接，滑块左右端连接块437上安装曲柄423，再在曲柄423中安装滑块端法兰挡边轴承433，通过螺栓431和垫片432进行固定。
(附)串联弹性驱动器原理：
串联弹性驱动器原理是一种柔顺驱动器，通过在传动链中加入弹性元件，可以缓和落地时地面接触对机体的冲击，并通过对能量的存储和释放降低系统的能量耗损。本发明在传动链中加入了滑块处弹性元件434，在遭受外界冲击时，滑块处弹性元件434压缩，存储能量并缓冲外界的冲击，当冲击力消除后，滑块处弹性元件434通过弹性力恢复原状并释放能量，以此降低了系统的能量损耗。另外，本发明通过设置编码器421，可以检测关节中心转动体422的转动角度，再通过电机端的编码器411检测电机的转动角度变化，得到两者的差值，可以通过胡克定律得到弹簧的受力，即可得到人机交互力的大小和方向。将人机交互力反馈给电机，控制输出力矩的大小，减少人机交互力，最终实现柔顺驱动。
外骨骼足部模块5如图16所示，该足部结构小腿连接套管501与小腿杆312连接。该装置在踝关节和趾关节部位拥有屈伸运动的被动运动自由度，并且足底的压力薄膜可采集人体步态过程的交互信息。
在图17踝关节单元整体结构的爆炸视图中，各个零件之间的相互关系：足部的踝节单元以支撑结构块504为固定基础，踝关节支撑结构块504为内部空腔的支撑结构，在内部嵌入有陀螺仪模块524和压力薄膜信息采集板523，用于采集外骨骼足部在人体步态过程中的交互力信息和空间运动姿态信息。踝关节支撑结构块504通过底面螺纹孔与踝关节转接板505进行连接。踝关节转接板505与外骨骼足底主体之间通过转接板螺栓506进行固连。在踝关节结构支撑结构块504的左右两侧存在踝关节外侧固定板503和踝关节内侧固定板521并与之通过螺栓连接。两个扇形扭转块526通过螺栓519和螺栓522连接到踝关节外侧固定板503和踝关节内侧固定板521上，扇形扭转块526和两个踝关节固定板之间形成一固定整体。盘式扭转壳体502内部为空腔支撑结构，盘式扭转壳体通过同轴心配合的深沟球滚动轴承525与踝关节外侧固定板503和踝关节内侧固定板521之间同轴心配合，并且磁流变阻尼器2中的定子转接法兰筒217通过磁流变阻尼器固定转接板534与小腿连接套管块501相连，磁流变阻尼器2中的输出端转接盘221通过磁流变阻尼器连杆533与踝关节支撑结构块504铰接在一起。磁流变阻尼器2可根据康复需求调节阻尼值。
在扭转块526和盘式扭转壳体502组成的四个独立空间内存在四个直线弹簧527(使得扭转块526和盘式扭转壳体502之间弹性耦合)，因此踝关节在不受外界交互力的情况下，小腿连接端501和踝关节支撑结构504之间保持同一条直线；在人体足部运动时，外骨骼的足部踝关节跟随人体足部踝关节运动，弹性元件的存在，使得人体足部踝关节和外骨骼足部踝关节之间的运动耦合更加柔顺。踝关节支撑结构块504空腔内嵌入的陀螺仪能够获取人体的步态空间运动数据。同时，将足底压力薄膜传感器的采集模块置于踝关节支撑结构块中，提升机电一体化程度。
外骨骼足部的主体部分爆炸图如图18所示，足部主体部分采用复合材料分层设计，起支撑作用到的主要结构为前脚掌左部主体层531、前脚掌右部主体层514和后脚掌主体层509，前脚掌左部主体层531和前脚掌右部主体层514分别与后脚掌主体层509之间采用重型合页518铰接，形成左右分离的趾关节运动自由度，两个趾关节之间的运动独立。在后脚掌主体层509、前脚掌左部主体层531和前脚掌右部主体层514的底面分别粘合有后脚掌底层橡胶510、前脚掌左部底层橡胶529和前脚掌右部底层橡胶513。在后脚掌主体层509、前脚掌左部主体层531和前脚掌右部主体层514的上表面通过螺栓连接的分别是足部后掌框511、前脚掌左部框516和前脚掌右部框530。在足部后掌框511、前脚掌左部框516和前脚掌右部框530中排布着七点式压力薄膜传感器528。并且在七点式压力薄膜传感器的上方(足部后掌框511、前脚掌左部框516和前脚掌右部框530对应的位置)分别填充着后脚掌填充橡胶层508、前脚掌左部填充橡胶层532和前脚掌右部填充橡胶层515，用于压力薄膜传感器的固定，同时增加人体足部底部与外骨骼足部上表面接触的舒适度，在人体步态运动过程中，七点式足底压力薄膜传感器能够捕捉到人体足部底部对外骨骼足部的压力值的数据，方便用于步态分析以及对外骨骼动力机构的柔顺运动控制。在足部后掌框511、前脚掌左部框516和前脚掌右部框530的边缘通过扣件螺栓512固定着七个足部绑带扣件507，足部绑带扣件507在足部前脚掌分布两个，在后脚掌分布五个。在用户穿戴外骨骼足部时，可将绑带穿过足部绑带扣件507，将人体足部与外骨骼足部系在一起，进行随动运动。
本发明针对系统的轮椅扶手、串联弹性驱动关节、磁流变阻尼关节、腰腿部框架机构和足部进行针对性设计，使得外骨骼整体机电结构紧凑，能够柔顺性运动，并且能够主动调节膝关节和踝关节的阻尼，能够实现精准的康复运动参数。精确力控，灵活跟随运动，增加穿戴者的舒适性。
针对于坐姿训练的膝关节康复系统，该发明把系统的轮椅扶手设计为自动可升降的方案，满足患者在坐姿训练时扶手降低，当坐姿训练时机成熟后，可双手依托于升起的扶手，尝试足部下地站立。
整体技术方案采用刚柔结合的方式，系统的膝关节采用串联弹性驱动关节+磁流变阻尼器设计，踝关节为被动弹性关节+磁流变阻尼器设计，腰部和腿部机构的尺寸可调，足部的底部集成了多种交互传感器。
外骨骼的腰部和腿部采用可调整尺寸参数的思路进行设计。在轮椅的背部集成了主控、电子驱动器和开关按键等电子模块。
在轮椅的升降扶手机构中，采用曲柄滑块和双平行四边形机构原理，在驱动扶手升降过程中保持扶手为水平。
腰部和腿部采用同轴套管的配合方式，可根据穿戴者腿部长度进行外骨骼连续性的腿部长度调节。
膝关节的屈伸运动采用曲柄滑块机构原理进行传动，电机与丝杆之间采用同步轮同步带方式传动，丝杆的转动带动螺母块沿丝杆方向进行滑动，螺母块与滑轨上的滑块之间采用弹簧进行弹性连接，滑块与膝关节转动体之间采用连杆铰接，因此电机的转动即可驱动膝关节的的角度变化。由于弹性体被串联在整个传动链中，即此机构为串联弹性驱动的柔性传动方式。弹簧的形变量可通过电机端直连的编码器和膝关节运动圆心直连的编码器对应插值测量，即可精确控制屈伸运动对人体的力的输出。
在足部的踝关节部分，设计了一个在一定角度范围内扭转可回正的弹性盘式机构，弹性盘式扭转机构包含两个相互作用的扭转块，之间采用圆周阵列的直线弹簧连接。弹簧的形变使得外骨骼系统的动态性增加，柔顺性增强。
膝关节和踝关节被同时并联了磁流体阻尼器，可以实时调节关节的阻尼参数。与传统的线圈式磁流变阻尼器相比，本方案改进之处是改变了变阻尼器中磁场调节的方式，用调节永磁体在关节中的位移的方式代替了线圈产生磁场的方式。高强度的永磁体磁场强度优于线圈的磁场强度，提升了阻尼器最大的力矩密度。调节永磁体在关节中的位移的方式，发热量更低，这种低功耗的方案适合长时间的工作需求。并且增加了机械式抱死的方式对关节的实现的最大阻尼补偿，理论上可将阻尼增加至无限大。
为了获取人体下肢在运动过程中的运动信息，从而进行意图识别判断，对外骨骼的动力装置进行合理地响应控制，在足底的橡胶层和刚性体之间加入了多点式压电薄膜传感器用于采集人体足底压力信息。该设计将传感器在外骨骼的结构中进行内嵌，机电系统高度集成。
Claims (10)
1.一种串联弹性驱动可变阻尼的膝关节康复系统，其特征在于，包括外骨骼腰部和腿部框架机构(3)，所述是外骨骼腰部和腿部框架机构(3)的腰部与腿部结合处设置有变位移式磁流体可变阻尼旋转关节(2)和串联弹性驱动器(4)，所述外骨骼腰部和腿部框架机构(3)的腰部上方设置有可升降扶手式康复轮椅(1)，外骨骼腰部和腿部框架机构(3)的腿部底部设置有足部模块(5)，所述可升降扶手式康复轮椅(1)上安装有康复系统的硬件控制箱(6)；所述变位移式磁流体可变阻尼旋转关节(2)包括定子导磁片模块和转子导磁片模块，所述串联弹性驱动器(4)和磁流变阻尼器(2)并联设置。
2.根据权利要求1所述的一种串联弹性驱动可变阻尼的膝关节康复系统，其特征在于，所述可升降扶手式康复轮椅(1)的侧面安装有升降电机(101)，升降电机(101)与升降电机转接板(102)连接，升降电机(101)与升降丝杆(106)同轴连接并穿过丝杆光轴固定座(103)和丝杆光轴限位块(107)，滑行光轴(105)与升降丝杆(106)平行排布，两端分别与丝杆光轴固定座(103)和丝杆光轴限位块(107)固定，螺母滑块(104)同时和滑行光轴(105)和升降丝杆(106)配合安装，螺母滑块(104)可在升降电机(101)的驱动下沿滑行光轴(105)前后滑动，支撑连杆(109)和支撑连杆(117)的一端分别与连杆座(110)和连杆座(108)连接，另一端分别与工字型连杆(118)的两端连接；
所述可升降扶手式康复轮椅(1)上设置轮椅侧杆，轮椅侧杆、工字型连杆(118)、支撑连杆(109)和支撑连杆(117)组成了平行四边形，支撑连杆(112)和支撑连杆(116)的一端分别与工字型连杆(118)两端连接，另一端分别与扶手杆(114)的两端扶手铰接块(113)和扶手铰接块(115)连接，扶手杆(114)、工字型连杆(118)、支撑连杆(112)和支撑连杆(116)组成了另一个平行四边形，同步齿轮(220)与支撑连杆(109)的一端铰接孔同轴固定连接，同步齿轮(111)与支撑连杆(112)的一端铰接孔同轴固定连接，且同步齿轮(220)和同步齿轮(111)啮合，螺母滑块(104)和支撑连杆(117)之间通过推进连杆(119)连接。
3.根据权利要求1所述的一种串联弹性驱动可变阻尼的膝关节康复系统，其特征在于，所述定子导磁片模块包括磁流体腔壳(207)，磁流体腔壳(207)内部放置有8片定子导磁片(209)，所述8片定子导磁片(209)表面设置有定子导磁片隔离块(210)，定子导磁片(209)沿轴向排布，定子导磁片隔离块(210)用于使定子导磁片之间存在间隙；
所述转子导磁片模块包括套在转子空心轴(208)的导槽上的7片转子导磁片(222)，转子导磁片(222)沿轴向排布，所述转子导磁片(222)上设置转子导磁片隔离块(223)，转子导磁片隔离块(223)用于使得转子导磁片(222)之间存在间隙；
所述磁流体腔壳(207)和转子空心轴(208)同轴装配，且8片定子导磁片(209)和7片转子导磁片(222)互相交错叠加。
4.根据权利要求1所述的一种串联弹性驱动可变阻尼的膝关节康复系统，其特征在于，所述转子空心轴(208)的一端连接着转子转接端(206)，另一端连接着转子转接法兰套筒(215)，转子转接法兰套筒(215)的输出端和转子套筒盖(226)连接，所述转子空心轴(208)和转子转接法兰套筒(215)串联的内空腔中，设置调节电机(201)，调节电机(201)与转子空心轴(208)同轴放置，调节电机(201)通过调节电机转接板(202)与转子转接端(206)固定，调节丝杆(205)沿轴向放置，调节丝杆(205)的一端通过丝杆轴承(220)安装在转子套筒盖(226)的内孔中，调节丝杆(205)上安装法兰螺母(212)，磁体滑块(213)与法兰螺母(212)同轴固定在一起，8片环形永磁体(211)和法兰螺母(212)同轴配合固定连接，磁体滑块(213)上的滑块限位块(214)在转子转接法兰套筒(215)中的套筒滑槽(216)中滑动，对滑块的旋转方向约束；
所述磁流体腔壳(207)的一端与磁流体腔体端盖(203)连接，磁流体腔壳(207)的另一端与定子转接法兰筒(217)连接，定子转接法兰筒(217)的输出端与输出端压盖(219)连接，转子转接端(206)与磁流体腔体端盖(203)之间存在磁流体腔体端轴承(204)，转子套筒盖(226)和输出端压盖(219)之间存在输出端轴承(218)，转子套筒盖(226)和输出端转接盘(221)固定连接，作为磁流变阻尼器的运动输出轴。
5.根据权利要求1所述的一种串联弹性驱动可变阻尼的膝关节康复系统，其特征在于，所述外骨骼腰部和腿部框架机构(3)包括横置固定杆(301)，横置固定杆(301)被横杆卡件(306)和横杆转接块(307)固定在轮椅(100)的底部，横置固定杆(301)两侧表面开有阵列的安装孔，阵列的安装孔上设置宽度调节套管(302)，宽度调节套管(302)通过L型连接管(303)连接纵向连接杆(304)一端，纵向连接杆(304)另一端设置关节转接杆(305)，所述关节转接杆(305)上设置有调节外骨骼前后的距离的阵列的安装孔；
所述关节转接杆(305)端部设置在串联弹性驱动器(4)上，串联弹性驱动器(4)下部竖直设置关节运动输出的转接件(310)，关节运动输出的转接件(310)依次连接小腿转接件(311)、小腿杆(312)、小腿滑杆(313)、腿部横向滑杆(314)和小腿护具(315)，小腿滑杆(313)可在小腿杆(312)上竖直方向滑动固定，调节小腿护具(315)的竖直方向上的位置；腿部横向滑杆(314)在小腿滑杆(313)上前后滑动。
6.根据权利要求1所述的一种串联弹性驱动可变阻尼的膝关节康复系统，其特征在于，所述串联弹性驱动器(4)包括结构相同的外骨骼关节外壳(401)和外骨骼关节外壳(402)，所述外骨骼关节外壳表面开有圆形孔洞，圆形孔洞上安装有关节滚动轴承(408)，关节滚动轴承(408)与关节中心转动体(422)同轴安装，作为串联弹性驱动器的输出端和关节输出转接件(310)连接，磁流变阻尼器(2)中的定子转接法兰筒(217)与外骨骼关节外壳(402)相连，磁流变阻尼器(2)中的输出端转接盘(221)与关节中心转动体(422)相连接，所述外骨骼关节外壳之间通过铜柱(404)、壳体支撑板一(405)、壳体支撑板二(406)、壳体支撑板三(407)连接；
所述串联弹性驱动器(4)的驱动结构包括编码器(411)，编码器(411)与电机(413)连接，电机(413)放于电机座(412)，并通过电机固定座(414)与导轨底座(430)相连接，电机(413)的电机轴与小同步带轮(415)连接，小同步带轮(415)与大同步带轮(417)通过同步带(416)进行传动，大同步带轮(417)与丝杠(424)相连接，丝杠(424)上连接有弹性滑块(426)，在丝杠(424)两端有丝杠端法兰挡边轴承(425)进行支撑，丝杠端法兰挡边轴承(425)嵌入丝杠两端挡块(418)中，丝杠(424)两端挡块(418)又与外骨骼关节外壳(402)相连接，实现丝杠(424)与外骨骼关节外壳(402)的固定连接，弹性滑块(426)与弹性滑块底座(427)相连接，进一步与弹性滑块连接件(428)相连接，弹性滑块连接件(428)能够在导轨(429)上滑动，导轨(429)又与导轨底座(430)相连接，导轨底座与外骨骼关节外壳(402)相连接，弹性滑块(426)与曲柄(423)相连接，通过螺栓(431)进行两者间的固定，滑块端法兰挡边轴承(433)对弹性滑块(426)进行支撑，曲柄(423)与关节中心转动体(422)相连接，关节中心转动体(422)又与编码器输出端齿轮(420)相啮合，编码器输出端齿轮(420)与编码器(421)相连接，并通过编码器连接件(419)与外骨骼关节外壳(402)相连接。
7.根据权利要求6所述的一种串联弹性驱动可变阻尼的膝关节康复系统，其特征在于，所述弹性滑块(426)包括滑块(436)，滑块(436)与丝杠(424)连接，四根滑块处光轴(435)穿过滑块(436)并接于滑块前后端连接块(438)上，在滑块处光轴(435)连接滑块处弹性元件(434)，滑块左右端连接块(437)与滑块前后端连接块(438)连接，滑块左右端连接块(437)上安装曲柄(423)，再在曲柄(423)中安装滑块端法兰挡边轴承(433)，通过螺栓(431)和垫片(432)进行固定。
8.根据权利要求1所述的一种串联弹性驱动可变阻尼的膝关节康复系统，其特征在于，所述足部模块(5)包括与小腿杆(312)连接的小腿连接套管(501)和踝关节支撑结构块(504)，所述踝关节支撑结构块(504)为内部空腔的支撑结构，在内部嵌入有陀螺仪模块(524)和压力薄膜信息采集板(523)，用于采集外骨骼足部在人体步态过程中的交互力信息和空间运动姿态信息，踝关节支撑结构块(504)设置在踝关节转接板(505)上，在踝关节结构支撑结构块(504)的左右两侧存在踝关节外侧固定板(503)和踝关节内侧固定板(521)，两个扇形扭转块(526)设置在踝关节外侧固定板(503)和踝关节内侧固定板(521)上，扇形扭转块(526)和两个踝关节固定板之间形成一固定整体。
9.根据权利要求8所述的一种串联弹性驱动可变阻尼的膝关节康复系统，其特征在于，所述踝关节支撑结构块(504)上设置盘式扭转壳体(502)，盘式扭转壳体(502)内部为空腔支撑结构，盘式扭转壳体(502)通过同轴心配合的深沟球滚动轴承(525)与踝关节外侧固定板(503)和踝关节内侧固定板(521)之间同轴心配合，并且磁流变阻尼器(2)中的定子转接法兰筒(217)通过磁流变阻尼器固定转接板(534)与小腿连接套管块(501)相连，磁流变阻尼器(2)中的输出端转接盘(221)通过磁流变阻尼器连杆(533)与踝关节支撑结构块(504)铰接在一起，所述扭转块(526)和盘式扭转壳体(502)组成的四个独立空间内存在四个直线弹簧(527)。
10.根据权利要求8所述的一种串联弹性驱动可变阻尼的膝关节康复系统，其特征在于，所述踝关节转接板(505)与外骨骼足底主体相连，外骨骼足底主体包括前脚掌左部主体层(531)、前脚掌右部主体层(514)和后脚掌主体层(509)，前脚掌左部主体层(531)和前脚掌右部主体层(514)分别与后脚掌主体层(509)之间采用重型合页(518)铰接，形成左右分离的趾关节运动自由度，两个趾关节之间的运动独立，在后脚掌主体层(509)、前脚掌左部主体层(531)和前脚掌右部主体层(514)的底面分别粘合有后脚掌底层橡胶(510)、前脚掌左部底层橡胶(529)和前脚掌右部底层橡胶(513)，在后脚掌主体层(509)、前脚掌左部主体层(531)和前脚掌右部主体层(514)的上表面通过螺栓连接的分别是足部后掌框(511)、前脚掌左部框(516)和前脚掌右部框(530)，在足部后掌框(511)、前脚掌左部框(516)和前脚掌右部框(530)中排布着七点式压力薄膜传感器(528)，并且在七点式压力薄膜传感器的上方分别填充着后脚掌填充橡胶层(508)、前脚掌左部填充橡胶层(532)和前脚掌右部填充橡胶层(515)，用于压力薄膜传感器的固定；
所述足部后掌框(511)、前脚掌左部框(516)和前脚掌右部框(530)的边缘通过扣件螺栓(512)固定着七个足部绑带扣件(507)，足部绑带扣件(507)在足部前脚掌分布两个，在后脚掌分布五个，足部主体部分采用复合材料分层结构。
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2022
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