CN115245446A - 一种具有刚度调节与能量回收功能的膝关节外骨骼及其训练方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有刚度调节与能量回收功能的膝关节外骨骼，包括大腿支架、小腿支架、大腿连接板、小腿连接板，小腿连接板的顶部与大腿连接板的底部转动连接，大腿支架的正侧面上设置驱动器机构，驱动器机构包括机架、固定安装于机架上的动力输入机构、转动安装于机架上的刚度调节机构、分别与刚度调节机构和小腿连接板相连接的动力输出机构；还包括传感系统和与传感系统电连接的控制系统，传感系统包括设置于驱动器机构内的编码器组、设置于大腿连接板和小腿连接板之间的角度传感器、设置于小腿支架下方的压力传感器。本发明可跟随人体膝关节刚度实时调节外骨骼机器人的输出刚度，以及在非辅助阶段利用人体膝关节的负功实现发电。

Description

一种具有刚度调节与能量回收功能的膝关节外骨骼及其训练 方法

技术领域

本发明涉及康复医疗机器人领域，特别是涉及一种具有刚度调节与能量回收功能的膝关节外骨骼及其训练方法。

背景技术

随着我国人口老龄化现象日益严重，患有慢性疾病的患者也越来越多，其中中风导致老年人肢体行动不便的病例越来越多。同时，由于交通事故或其他意外伤害等原因导致下肢残疾的人数也在增加，其中膝关节作为我们人体运动中最重要的关节之一，其出现运动功能障碍的事例较为常见。如果对于这些关节运动功能障碍的患者及时采取治疗和康复训练，可以很大程度的增强或恢复患者的运动能力。

传统的康复训练方法主要是靠理疗师的“手把手”的康复训练，其训练效果与理疗师的技术水平以及个人精力等因素有关，很难实现较长时间的周期性康复训练，并且我国理疗师的人数远远不能满足患者的需求，无法使更多的患者得到及时的康复训练。目前，康复外骨骼机器人逐渐应用在康复医疗领域，可以有效地辅助患者进行康复训练。康复外骨骼机器人是一种集信号采集、信号处理、自动控制等为一体的人机交互装置，完美的将人的智力和机器人的体力结合在一起，可以为患者提供长时间的、周期性的和系统性的康复训练，避免了理疗师长时间重复工作时带来的疲劳感影响了患者的康复训练效果。同时，外骨骼机器人可以采集到患者康复训练时的关节力矩、足底压力以及行走步态等数据，可以为医生提供一份详细的训练效果数据，为医生制定下一步的训练计划提供依据。

驱动器结构是外骨骼机器人的关键组成部分，其性能的好坏直接决定了外骨骼辅助效果的优劣。目前，现有的膝关节康复外骨骼机器人的刚度大多是固定的，无法根据行走步态的需求来改变刚度，并且需要携带较大体积的电池为外骨骼机器人持续供电，增加人穿戴者的负担；而根据生物力学和解剖学分析，人体在步态周期中膝关节的刚度是不同的，当膝关节外骨骼机器人的刚度和人体膝关节刚度保持一致时，更有利于辅助人体行走或康复训练。

因此，需要设计一种可以根据人体步态特征来自动调节刚度的、以及在非辅助阶段可以回收膝关节的负功进行发电的膝关节外骨骼机器人，为患者的康复训练提供更合适的辅助力矩和刚度变化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有刚度调节与能量回收功能的膝关节外骨骼及其训练方法，旨在实现康复训练过程中，膝关节康复外骨骼机器人的输出刚度可以跟随人体膝关节刚度实时调节，以及在非辅助阶段利用人体膝关节的负功实现发电、减少因携带较大重量的电池而增加患者的行走负担。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：

一种具有刚度调节与能量回收功能的膝关节外骨骼，包括绑定于人体大腿部位上的大腿支架、绑定于人体小腿部位上的小腿支架，所述大腿支架的一侧通过螺钉连接有位置可调节的大腿连接板，所述小腿支架的相同侧通过螺钉连接有位置可调节的小腿连接板，所述小腿连接板的顶部与大腿连接板的底部转动连接，所述大腿支架的正侧面上设置有水平位置可横向调节的驱动器机构，所述驱动器机构包括机架、固定安装于机架上的动力输入机构、转动安装于机架上并与动力输入机构的动力输出端传动连接的刚度调节机构、分别与刚度调节机构的动力输出端和小腿连接板的动力输入端相连接的动力输出机构；

还包括传感系统和与传感系统电连接的控制系统，所述传感系统包括设置于驱动器机构内的编码器组、设置于大腿连接板和小腿连接板之间的角度传感器、设置于小腿支架下方的压力传感器。

进一步的，所述动力输入机构包括固定安装于机架顶部一侧的驱动电机、固定连接于驱动电机底部输出端上的蜗杆、转动安装于支架上并与蜗杆啮合连接的蜗轮。

进一步的，所述刚度调节机构包括固定安装于机架侧面上的中心轮轴支座、转动安装于中心轮轴支座上的中心轮轴，所述中心轴的一端固定连接有扭簧连接件，所述扭簧连接件的端面上固定连接有扭簧，扭簧的动力输入端与动力输入机构的动力输出端固定连接；

所述中心轴的另一端固定安装有小中心齿轮，所述小中心齿轮的内侧设置有套设在中心轴上的中心轮支架，所述中心轮支架的侧面轴连接有三个分别与小中心齿轮啮合连接的行星轮，三个所述行星轮的外侧同时啮合连接有与中心轮支架固定连接的大中心内齿轮，所述大中心内齿轮的外侧固定连接有大中心外齿轮，三个行星轮的外侧轴端共同固定连接有行星架；

还包括固定安装于机架上的刚度调节电机、固定安装于刚度调节电机的输出轴端并与大中心外齿轮啮合连接的刚度调节齿轮。

进一步的，所述扭簧包括同轴设置的内圈和外圈，所述内圈和外圈之间一体设置有多个均匀分布的弹性体，所述弹性体为连续回折的波浪状结构。

进一步的，所述动力输出机构包括固定连接于刚度调节机构动力输出端的行星架轴、固定连接于小腿连接板顶部的膝关节输出轴，所述大腿连接板的底部转动套接于膝关节输出轴上，所述行星架轴的轴端和膝关节输出轴的轴端通过同步带传动机构传动连接。

进一步的，所述角度传感器固定设置于膝关节输出轴的轴端，所述小腿连接板的侧面底部固定连接有角度传感器固定件，角度传感器的检测输入端固定连接于角度传感器固定件上。

进一步的，所述大腿支架的前侧固定设置有第一支架连接件，且第一支架连接件上开设有至少一个水平设置的定位滑槽，所述支架的侧面固定设置有第二支架连接件，且第二支架连接件上开设有与定位滑槽相匹配的螺纹孔组，第二支架连接件和第一支架连接件通过螺纹连接于螺纹孔组内且设置于定位滑槽内的锁紧螺钉进行紧固。

进一步的，所述控制系统包括控制器盒、分别设置于控制器盒内的平板电脑、单片机、锂电池、驱动电机控制器、刚度调节电机控制器、分别设置在控制器盒外侧的单片机开关和急停开关，所述编码器组包括设置于动力输入机构上的驱动电机编码器和设置于刚度调节机构上的刚度调节电机编码器；

所述锂电池为整个控制系统供电，急停开关串接于控制电路的总干路上，单片机开关串接于单片机的供电支路上，所述平板电脑与单片机双向通讯连接，所述驱动电机编码器、刚度调节电机编码器、角度传感器和压力传感器的信号输出端与单片机的信号输入端连接，所述驱动电机控制器、刚度调节电机控制器的信号输入端分别与单片机的信号输出端连接，驱动电机控制器的信号输出端与动力输入机构的动力装置信号控制端连接，刚度调节电机控制器的信号输出端与刚度调节机构的动力装置信号控制端连接。

进一步的，所述控制器盒的外侧固定设置有腰带。

还提出了一种基于权利要求所述的具有刚度调节与能量回收功能的膝关节外骨骼的训练方法，包括以下主要步骤：

S10、膝关节运动功能不便的患者将外骨骼佩戴于需要进行训练的腿部，根据需要适当调整驱动器机构的在大腿支架上的横向位置、大腿连接板在大腿支架上的连接位置、小腿连接板在小腿支架上的连接位置中的一个或几个，使外骨骼各部件之间的相对位置适合佩戴者的训练要求，同时将控制器盒佩戴于腰部，准备开始训练；

S20、训练者或治疗师打开急停开关和单片机开关进行系统初始化，使外骨骼的传感系统和控制系统处于工作模式；

S30、使用者或者治疗师根据患者的实际需求通过平板电脑选定外骨骼的工作模式，包括以下两种工作模式：

(1)整个步态周期全程辅助模式，此种模式适用于膝关节肌肉完全受损的患者；

(2)仅屈曲阶段辅助模式，此种模式适用于膝关节肌肉部分受损的患者；

S40、系统根据选定的模式执行相应的步骤：

(1)在整个步态周期辅助模式下，系统执行以下步骤：

S401、驱动电机编码器、刚度调节电机编码器、角度传感器和压力传感器将采集的对应信息数据实时传送给单片机，单片机将转化后的信息数据传送给平板电脑；

S402、平板电脑根据采集到的数据信息对穿戴者进行行走步态分析和运动意图识别，并将下一步的运动指令发送给单片机；

S403、单片机将接受到的指令信号分别传送给驱动电机控制器和刚度调节电机控制器，驱动电机控制器控制驱动电机交替输出正向和反向驱动力矩，经动力输出机构的传动，在膝关节输出轴上输出合适的正向和反向力矩，驱动小腿连接板和小腿支架相对大腿连接板发生一定角度的相对往复转动，进而驱动穿戴者小腿的实现屈曲和伸展运动的交替进行；在步态周期的不同阶段，膝关节所需的刚度不同，根据刚度调节电机编码器采集的信号，刚度调节电机控制器控制刚度调节电机工作，实时调整外骨骼的输出刚度；

(2)在仅屈曲阶段辅助模式下，系统执行以下步骤：

S411、驱动电机编码器、刚度调节电机编码器、角度传感器和压力传感器将采集的对应信息数据实时传送给单片机，单片机将转化后的信息数据传送给平板电脑；

S412、平板电脑根据采集到的数据信息对穿戴者进行行走步态分析和运动意图识别，并将下一步的运动指令发送给单片机；

S413、在小腿屈曲阶段，单片机将接受到的指令信号分别传送给驱动电机控制器和刚度调节电机控制器，驱动电机控制器控制驱动电机输出单向驱动力矩，经动力输出机构的传动，在膝关节输出轴上输出合适的单向力矩，驱动小腿连接板(3)和小腿支架相对大腿连接板发生一定角度的相对转动，进而驱动穿戴者小腿的实现屈曲运动；根据刚度调节电机编码器采集的信号，刚度调节电机控制器控制刚度调节电机工作，实时调整外骨骼的输出刚度；

S414、在小腿伸展阶段，单片机将接受到的指令信号分别传送给驱动电机控制器和刚度调节电机控制器，驱动电机控制器控制驱动电机暂停工作，刚度调节电机控制器控制刚度调节电机暂停工作；患者小腿自行伸展运动，带动驱动小腿连接板和小腿支架相对大腿连接板发生相反方向的转动复位，经动力输出机构的传动，在膝关节输出轴上输出合适的单向力矩，驱动小腿连接板和小腿支架相对大腿连接板发生一定角度的相对转动，该相对转动经动力输出机构和刚度调节机构的传动驱动刚度调节电机的输出轴旋转，实现刚度调节电机发电功能，并将产生的电能储存在锂电池中；

S50、重复执行步骤S401至步骤S403，或重复执行步骤411至步骤S414，直至膝关节运动功能不便的患者完成康复训练；

S60、训练者或治疗师关闭急停开关，使外骨骼的传感系统和控制系统处于断电状态，将控制器盒从训练者的腰部解下，将外骨骼从训练者的腿部移除。

本发明的有益效果如下：

1.本发明通过设置动力驱动机构、刚度调节机构和动力输出机构，根据传感系统采集的人体行走步态信号，实时控制驱动器调节动力装置施加在人体膝关节的驱动/制动力矩，从而辅助小腿的行走训练；与传统的通过直接调节有效力臂长(枢纽到扭簧的距离或枢纽到施力点的距离)来改变驱动装置输出刚度的膝关节外骨骼相比，本发明的刚度调节机构采用行星减速器机构来调节驱动装置的输出刚度，膝关节变刚度外骨骼结构更加紧凑，刚度值可调节范围更大，并且可以实现刚度值的平滑调节，从而可以更好地跟随穿戴者行走时膝关节刚度的变化来调节，使得患者行走得更加自然舒适；

2.对于仅部分肌肉组织受伤的患者(比如仅屈曲肌肉群受损，伸展肌肉群正常)，本发明的膝关节变刚度外骨骼除了可以辅助患者在屈曲阶段行走外，还可以回收膝关节的负功，利用膝关节的负功实现发电机的发电功能，并将产生的电能储存在锂电池中，可以减小患者携带的锂电池的重量，降低患者行走时的负担，实现更长时间的辅助行走；

3.本发明的主体结构布置在大腿前侧，与穿戴在腿部侧边部位的外骨骼相比，可以避免在腿的侧部增加较大的尺寸，造成患者在正常行走时因侧部伸长尺寸较大而更易碰到其他的物体；同时，在大腿连接板、小腿连接板和支架连接件上均设置有调节螺纹孔，可以满足不同体型患者的穿戴需求，具备良好的通用性。

附图说明

图1是本发明使用状态的结构示意图；

图2是膝关节变刚度外骨骼的前视结构示意图；

图3是动力输入机构的结构示意图；

图4是刚度调节机构的结构示意图；

图5是刚度调节机构中的行星齿轮系结构示意图；

图6是机架的结构示意图；

图7是大腿连接板的结构示意图；

图8是小腿连接板的结构示意图；

图9是扭簧的结构示意图；

图10是扭簧连接件的结构示意图；

图11是大中心轮连接件的结构示意图；

图12是行星架的结构示意图；

图13是动力输出机构的上部分结构示意图；

图14是动力输出机构的下部分结构示意图；

图15是安全限位块的结构示意图；

图16是角度传感器固定件的结构示意图；

图17是腰部控制箱的结构示意图；

图18是膝关节外骨骼控制系统的硬件结构框图；

图19是膝关节外骨骼运动训练方法的流程图。

图中：1驱动器机构、2大腿连接板、3小腿连接板、4大腿支架、5小腿支架、6机架、7动力输入机构、71驱动电机编码器、72驱动电机、73驱动电机行星减速器、74驱动电机支座、75蜗杆、76蜗轮、77蜗轮轴、78蜗轮轴支座、8刚度调节机构、81扭簧、8101内圈、8102外圈、8103弹性体、82扭簧连接件、83中心轮轴、84小中心齿轮、85行星轮、86大中心内齿轮、87大中心外齿轮、88中心轮支架、89行星架、810刚度调节齿轮、811刚度调节编码器、812刚度调节电机、813刚度调节电机行星减速器、814刚度调节电机支座、815中心轮轴支座、9动力输出机构、91行星架轴、92第一同步带轮、93同步带、94第二同步带轮、95膝关节输出轴、96行星架轴支座、10角度传感器、11角度传感器固定件、12安全限位块、13第一支架连接件、14第二支架连接件、15控制器盒、16腰带、17平板电脑、18单片机、19锂电池、20驱动电机控制器、21刚度调节电机控制器、22单片机开关、23急停开关。

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2，一种具有刚度调节与能量回收功能的膝关节外骨骼，包括绑定于人体大腿部位上的大腿支架4、绑定于人体小腿部位上的小腿支架5，大腿支架4和小腿支架5均为“C”型截面的壳体结构，分别从人腿前侧对应套设在大腿下半部位和小腿上半部位，且后侧开口均通过魔术贴粘合的绑带实现闭合，从而固定在人腿上，也便于训练结束后将外骨骼从人腿上卸下。

大腿支架4的一侧通过螺钉连接有位置可调节的大腿连接板2，小腿支架5的相同侧通过螺钉连接有位置可调节的小腿连接板3，小腿连接板3的顶部与大腿连接板2的底部转动连接。如图7和图8所示，大腿连接板2和小腿连接板3上均开设有多组螺纹孔，通过调整小腿连接板3在小腿支架5上的连接位置和/或调整大腿连接板2在大腿支架4上的连接位置，可调整大腿支架4和小腿支架5之间的最大距离，从而满足不同腿长的穿戴者的佩戴和使用需求。

大腿支架4的正侧面上设置有水平位置可横向调节的驱动器机构1，驱动器机构1包括机架6、固定安装于机架6上的动力输入机构7、转动安装于机架6上并与动力输入机构7的动力输出端传动连接的刚度调节机构8、分别与刚度调节机构8的动力输出端和小腿连接板3的动力输入端相连接的动力输出机构9。具体的，如图2所示，大腿支架4的通过前侧螺栓固定连接有水平设置的第一支架连接件13，且第一支架连接件13上开设有两个水平设置的定位滑槽，支架6的侧面通过螺栓固定连接设置有第二支架连接件14，且第二支架连接件14上开设有与定位滑槽相匹配的螺纹孔组，第二支架连接件14和第一支架连接件13通过螺纹连接于螺纹孔组内且设置于定位滑槽内的锁紧螺钉进行紧固。通过旋松锁紧螺钉，可将第二支架连接件14在第一支架连接件13上进行水平位置调节，进而调整支架6及其上安装的各组件的水平位置，以满足不同佩戴者的最佳佩戴位置要求，以提升训练过程中的舒适度。

如图3所示，动力输入机构7包括固定安装于机架6顶部一侧的驱动电机72、固定连接于驱动电机72底部输出端上的蜗杆75、转动安装于支架6上并与蜗杆75啮合连接的蜗轮76。具体的，机架6的顶部一侧固定连接有L型的驱动电机支座74，机架6的侧面中部固定连接有位于驱动电机支座74下方并呈U型的蜗轮轴支座78。驱动电机72通过螺栓固定安装于驱动电机支座74的顶面，且输出轴端垂直向下并通过联轴器与垂向设置的蜗杆75的顶部轴端传动连接，蜗杆75的底部轴端通过轴承转动安装于蜗轮轴支座78的顶面上。蜗轮76水平设置于蜗轮轴支座78内，蜗轮76同轴一体设置有蜗轮轴77，蜗轮轴77的两端分别通过轴承转动安装于蜗轮轴支座78的两侧侧壁内，且蜗轮轴77的一端(如图3中所示的左端)突出于蜗轮轴支座78的外侧。通过控制驱动电机72的正向/反向转动，可为外骨骼对人腿部的行走辅助提供正向/反向驱动力矩和制动力矩。

如图4和图5所示，刚度调节机构8包括固定安装于机架6侧面上的中心轮轴支座815、转动安装于中心轮轴支座815上的中心轮轴83，中心轮轴83的一端固定连接有扭簧连接件82，扭簧连接件82的端面上固定连接有扭簧81，扭簧81的动力输入端与动力输入机构7的动力输出端固定连接。具体的，机架6的侧面中部固定连接有位于蜗轮轴支座78下方并呈U型状的中心轮轴支座815，中心轮轴83通过轴承转动安装于中心轮轴支座815的垂向侧壁内。如图9所示，扭簧81包括同轴设置的内圈8101和外圈8102，内圈8101和外圈8102之间一体设置有多个(本实施例中为6个)均匀分布的弹性体8103，弹性体8103为连续回折的波浪状结构，且整体轮廓为扇形状。内圈8101通过键连接固定套设在蜗轮轴77的输出端，外圈8102则通过螺栓与扭簧连接件82的侧面边缘固定连接。如图10所示，扭簧连接件82为圆盘结构，其中心处开设有连接孔，并通过键连接固定套设于中心轮轴83的一端(如图4中所示的右端)，从而使中心轮轴83通过扭簧81和扭簧连接件82与动力输入机构7的动力输出端传动连接。

如图5所示，中心轮轴83的另一端(如图4中所示的左端)通过键连接固定安装有小中心齿轮84，小中心齿轮84的内侧(如图4中所示的右侧)设置有套设在中心轮轴83上的中心轮支架88。如图11所示，中心轮支架88的中部为空心圆盘结构，空心圆盘的外圆面上一体设置有三根均匀分布的辐条，空心圆盘通过轴承转动套设在中心轮轴83上，空心圆盘的端面通过螺栓固定连接在大中心内齿轮86的端面上。中心轮支架88的侧面轴连接有三个分别与小中心齿轮84啮合连接的行星轮85，三个行星轮85的外侧同时啮合连接有与中心轮支架88固定连接的大中心内齿轮86，大中心内齿轮86的外侧固定焊接有大中心外齿轮87，三个行星轮85的外侧轴端共同固定连接有行星架89。如图12所示，行星架89为三角板结构，其侧面中心开设有轴连接孔，且侧面上一体设置有三个按等边三角形的角点位置分布的齿轮轴，三个行星齿轮85分别转动套设在三个齿轮轴上，三个齿轮轴的端部与中心轮支架88的三个辐条的末端分别通过螺栓连接固定。中心轮轴83从动力输入机构7引入的转动通过行星齿轮传动机构转化为行星架89和大中心外齿轮87的同向、同速、同步转动。

刚度调节机构8还包括固定安装于机架6上的刚度调节电机812、固定安装于刚度调节电机812的输出轴端并与大中心外齿轮87啮合连接的刚度调节齿轮810。具体的，如图4所示，支架6的一侧固定设置有L型的刚度调节电机支座814，刚度调节电机812水平设置，其输出轴端通过刚度调节电机行星减速器813固定在刚度调节电机支座814上，刚度调节电机行星减速器813的输出轴端与刚度调节齿轮810通过键连接固定。

通过刚度调节电机812驱动刚度调节齿轮810转动，从而对大中心外齿轮87的转动起到正向推动或反向阻碍的作用，从而对行星架89的动力输出以及扭簧81的扭转变形产生相应的影响，从而改变动力输入机构7的输出刚度，与传统的通过直接调节有效力臂长(枢纽到扭簧的距离或枢纽到施力点的距离)来改变驱动机构输出刚度的膝关节外骨骼相比，本发明的膝关节变刚度外骨骼结构更加紧凑，刚度值可调节范围更大，并且可以实现刚度值的平滑调节，从而可以更好地跟随穿戴者行走时膝关节刚度的变化来调节，使得患者行走得更加自然舒适。

如图13和图14所示，动力输出机构9包括固定连接于刚度调节机构8动力输出端的行星架轴91、固定连接于小腿连接板3顶部的膝关节输出轴95，大腿连接板2的底部通过轴承转动套接于膝关节输出轴95上，行星架轴91的轴端和膝关节输出轴95的轴端通过同步带传动机构传动连接。具体的，机架6的侧面固定连接有L型的行星架轴支座96，刚度调节电机支座814固定连接于行星架轴支座96的水平段顶面上。行星架轴91通过轴承转动安装于行星架轴支座96的顶部，其一侧端部(如图13中所示的右端)与行星架89上的轴连接孔通过键连接固定，其另一侧端部通过键连接与第一同步带轮92固定。膝关节输出轴95的轴端通过键连接固定有第二同步带轮94，两个同步带轮通过同步带93啮合连接。行星架89的转动通过行星架轴91引入动力输出机构9，经同步带传动机构传动后驱动膝关节输出轴95转动，从而可驱动小腿连接板3与大腿连接板2发生相对转动，进而实现小腿支架5相对大腿支架4发生一定角度的相对转动，如此可驱动患者的小腿围绕膝关节相对大腿发生一定角度的相对转动，通过控制相对转动的方向对应实现小腿的屈曲过程和伸展过程，实现对患者腿部的辅助行走。

该外骨骼还包括传感系统和与传感系统电连接的控制系统，传感系统包括设置于驱动器机构1内的编码器组、设置于大腿连接板2和小腿连接板3之间的角度传感器10、设置于小腿支架5下方的压力传感器(图中未示出)。编码器组包括设置于驱动电机72上的驱动电机编码器71和设置于刚度调节电机812上的刚度调节电机编码器811，分别用于检测驱动电机72和刚度调节电机812的转动角度。角度传感器10固定设置于膝关节输出轴95的轴端，小腿连接板2的侧面底部固定连接有角度传感器固定件11(如图16所示)，角度传感器10的检测输入端固定连接于角度传感器固定件11上，从而可检测大腿连接板2和小腿连接板3之间的相对角度大小；同时，小腿连接板3的顶部一侧固定设置有安全限位块12(如图14和图15所示)，当大腿连接板2和小腿连接板3相对转动一定角度后，大腿连接板2的侧面与安全限位块12的顶部侧面相抵，使相对转动取法继续，从而实现限位功能，防止相对转角过大。压力传感器则嵌入设置在穿戴者的鞋垫内，且设置为三个，分别对应脚跟、脚板中间和脚尖三个位置，用于感知穿戴者脚部着地情况。

如图17和图18所示，控制系统包括控制器盒15、分别设置于控制器盒15内的平板电脑17、单片机18、锂电池19、驱动电机控制器20、刚度调节电机控制器21、分别设置在控制器盒15外侧的单片机开关22和急停开关23，锂电池19为整个控制系统供电，急停开关23串接于控制电路的总干路上，单片机开关22串接于单片机18的供电支路上，平板电脑17与单片机18双向通讯连接，驱动电机编码器71、刚度调节电机编码器811、角度传感器10和压力传感器的信号输出端与单片机18的信号输入端连接，驱动电机控制器20、刚度调节电机控制器21的信号输入端分别与单片机18的信号输出端连接，驱动电机控制器20的信号输出端与动力输入机构7的动力装置信号控制端连接，刚度调节电机控制器21的信号输出端与刚度调节机构8的动力装置信号控制端连接。控制系统的结构组成及其控制原理、使用方法均为现有技术(可参考同一申请人的中国发明专利：可变刚度的踝足康复矫形器及其运动控制，公告号CN109846672B)，此处不作赘述。本实施例中，控制器盒15的外侧固定设置有腰带16，可通过腰带将控制器盒15固定在佩戴者的腰部。

请参阅图19，一种基于权利要求8的具有刚度调节与能量回收功能的膝关节外骨骼的训练方法，包括以下主要步骤：

S10、膝关节运动功能不便的患者将外骨骼佩戴于需要进行训练的腿部，根据需要适当调整驱动器机构1的在大腿支架4上的横向位置、大腿连接板2在大腿支架4上的连接位置、小腿连接板3在小腿支架5上的连接位置中的一个或几个，使外骨骼各部件之间的相对位置适合佩戴者的训练要求，同时将控制器盒佩戴于腰部，准备开始训练；

S20、训练者或治疗师打开急停开关23和单片机开关22进行系统初始化，使外骨骼的传感系统和控制系统处于工作模式；

S30、使用者或者治疗师根据患者的实际需求通过平板电脑17选定外骨骼的工作模式，包括以下两种工作模式：

(1)整个步态周期全程辅助模式，此种模式适用于膝关节肌肉完全受损的患者；

(2)仅屈曲阶段辅助模式，此种模式适用于膝关节肌肉部分受损(比如屈曲肌肉群受损，伸展肌肉群未受损)的患者；

S40、系统根据选定的模式执行相应的步骤：

(1)在整个步态周期辅助模式下，系统执行以下步骤：

S401、驱动电机编码器71、刚度调节电机编码器811、角度传感器10和压力传感器将采集的对应信息数据实时传送给单片机18，单片机18将转化后的信息数据传送给平板电脑17；

S402、平板电脑17根据采集到的数据信息对穿戴者进行行走步态分析和运动意图识别，并将下一步的运动指令发送给单片机18；

行走步态分析和运动意图识别的方法如下：

外骨骼上的角度传感器10可以直接测得膝关节的弯曲角度(对应大腿连接板2与小腿连接板3之间相对转动角度的大小)，脚底部(包括：脚跟、脚中间和脚尖)布置的压力传感器检测获得脚部着地情况，角度传感器10测得的膝关节角度信息和压力传感器测得的压力信息转化为电信号传给单片机18，单片机18再将电信号传给平板电脑17进行识别处理。比如，人体的腿处于摆动阶段时(即脚不着地时)压力传感器测的压力为0，控制系统根据压力为0就可以分析出小腿处于摆动阶段，同时角度传感器测的膝关节角度也传给控制系统，控制系统结合膝关节角度(比如：此时膝关节角度时40°)进一步判断出此时腿所处的状态(此时判断出的结果即为：摆动阶段且膝关节角度为40°)。

S403、单片机18将接受到的指令信号分别传送给驱动电机控制器20和刚度调节电机控制器21，驱动电机控制器20控制驱动电机72交替输出正向和反向驱动力矩，经动力输出机构9的传动，在膝关节输出轴95上输出合适的正向和反向力矩，驱动小腿连接板3和小腿支架5相对大腿连接板2发生一定角度的相对往复转动，进而驱动穿戴者小腿的实现屈曲和伸展运动的交替进行；在步态周期的不同阶段，膝关节所需的刚度不同，根据刚度调节电机编码器811采集的信号，刚度调节电机控制器21控制刚度调节电机812工作，实时调整外骨骼的输出刚度；

(2)在仅屈曲阶段辅助模式下，系统执行以下步骤：

S411、驱动电机编码器71、刚度调节电机编码器811、角度传感器10和压力传感器将采集的对应信息数据实时传送给单片机18，单片机18将转化后的信息数据传送给平板电脑17；

S412、平板电脑17根据采集到的数据信息对穿戴者进行行走步态分析和运动意图识别，并将下一步的运动指令发送给单片机18；

S413、在小腿屈曲阶段，单片机18将接受到的指令信号分别传送给驱动电机控制器20和刚度调节电机控制器21，驱动电机控制器20控制驱动电机72输出单向驱动力矩，经动力输出机构9的传动，在膝关节输出轴95上输出合适的单向力矩，驱动小腿连接板3和小腿支架5相对大腿连接板2发生一定角度的相对转动，进而驱动穿戴者小腿的实现屈曲运动；根据刚度调节电机编码器811采集的信号，刚度调节电机控制器21控制刚度调节电机812工作，实时调整外骨骼的输出刚度；

S414、在小腿伸展阶段，单片机18将接受到的指令信号分别传送给驱动电机控制器20和刚度调节电机控制器21，驱动电机控制器20控制驱动电机72暂停工作，刚度调节电机控制器21控制刚度调节电机812暂停工作；患者小腿自行伸展运动，带动驱动小腿连接板3和小腿支架5相对大腿连接板2发生相反方向的转动复位，经动力输出机构9的传动，在膝关节输出轴95上输出合适的单向力矩，驱动小腿连接板3和小腿支架5相对大腿连接板2发生一定角度的相对转动，该相对转动经动力输出机构9和刚度调节机构8的传动驱动刚度调节电机812的输出轴旋转，实现刚度调节电机812发电功能，并将产生的电能储存在锂电池19中；此时，驱动电机72停止工作，由于蜗轮蜗杆机构具有自锁性，故驱动电机72处于锁死状态；

S50、重复执行步骤S401至步骤S403，或重复执行步骤411至步骤S414，直至膝关节运动功能不便的患者完成康复训练；

S60、训练者或治疗师关闭急停开关23，使外骨骼的传感系统和控制系统处于断电状态，将控制器盒从训练者的腰部解下，将外骨骼从训练者的腿部移除。

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)

1.一种具有刚度调节与能量回收功能的膝关节外骨骼，包括绑定于人体大腿部位上的大腿支架(4)、绑定于人体小腿部位上的小腿支架(5)，所述大腿支架(4)的一侧通过螺钉连接有位置可调节的大腿连接板(2)，所述小腿支架(5)的相同侧通过螺钉连接有位置可调节的小腿连接板(3)，所述小腿连接板(3)的顶部与大腿连接板(2)的底部转动连接，其特征在于：所述大腿支架(4)的正侧面上设置有水平位置可横向调节的驱动器机构(1)，所述驱动器机构(1)包括机架(6)、固定安装于机架(6)上的动力输入机构(7)、转动安装于机架(6)上并与动力输入机构(7)的动力输出端传动连接的刚度调节机构(8)、分别与刚度调节机构(8)的动力输出端和小腿连接板(3)的动力输入端相连接的动力输出机构(9)；

还包括传感系统和与传感系统电连接的控制系统，所述传感系统包括设置于驱动器机构(1)内的编码器组、设置于大腿连接板(2)和小腿连接板(3)之间的角度传感器(10)、设置于小腿支架(5)下方的压力传感器。

2.根据权利要求1所述的一种具有刚度调节与能量回收功能的膝关节外骨骼，其特征在于：所述动力输入机构(7)包括固定安装于机架(6)顶部一侧的驱动电机(72)、固定连接于驱动电机(72)底部输出端上的蜗杆(75)、转动安装于支架(6)上并与蜗杆(75)啮合连接的蜗轮(76)。

3.根据权利要求1或2所述的一种具有刚度调节与能量回收功能的膝关节外骨骼，其特征在于：所述刚度调节机构(8)包括固定安装于机架(6)侧面上的中心轮轴支座(815)、转动安装于中心轮轴支座(815)上的中心轮轴(83)，所述中心轮轴(83)的一端固定连接有扭簧连接件(82)，所述扭簧连接件(82)的端面上固定连接有扭簧(81)，扭簧(81)的动力输入端与动力输入机构(7)的动力输出端固定连接；

所述中心轮轴(83)的另一端固定安装有小中心齿轮(84)，所述小中心齿轮(84)的内侧设置有套设在中心轮轴(83)上的中心轮支架(88)，所述中心轮支架(88)的侧面轴连接有三个分别与小中心齿轮(84)啮合连接的行星轮(85)，三个所述行星轮(85)的外侧同时啮合连接有与中心轮支架(88)固定连接的大中心内齿轮(86)，所述大中心内齿轮(86)的外侧固定连接有大中心外齿轮(87)，三个行星轮(85)的外侧轴端共同固定连接有行星架(89)；

还包括固定安装于机架(6)上的刚度调节电机(812)、固定安装于刚度调节电机(812)的输出轴端并与大中心外齿轮(87)啮合连接的刚度调节齿轮(810)。

4.根据权利要求3所述的一种具有刚度调节与能量回收功能的膝关节外骨骼，其特征在于：所述扭簧(81)包括同轴设置的内圈(8101)和外圈(8102)，所述内圈(8101)和外圈(8102)之间一体设置有多个均匀分布的弹性体(8103)，所述弹性体(8103)为连续回折的波浪状结构。

5.根据权利要求1或2所述的一种具有刚度调节与能量回收功能的膝关节外骨骼，其特征在于：所述动力输出机构(9)包括固定连接于刚度调节机构(8)动力输出端的行星架轴(91)、固定连接于小腿连接板(3)顶部的膝关节输出轴(95)，所述大腿连接板(2)的底部转动套接于膝关节输出轴(95)上，所述行星架轴(91)的轴端和膝关节输出轴(95)的轴端通过同步带传动机构传动连接。

6.根据权利要求5所述的一种具有刚度调节与能量回收功能的膝关节外骨骼，其特征在于：所述角度传感器(10)固定设置于膝关节输出轴(95)的轴端，所述小腿连接板(2)的侧面底部固定连接有角度传感器固定件(11)，角度传感器(10)的检测输入端固定连接于角度传感器固定件(11)上。

7.根据权利要求1所述的一种具有刚度调节与能量回收功能的膝关节外骨骼，其特征在于：所述大腿支架(4)的前侧固定设置有第一支架连接件(13)，且第一支架连接件(13)上开设有至少一个水平设置的定位滑槽，所述支架(6)的侧面固定设置有第二支架连接件(14)，且第二支架连接件(14)上开设有与定位滑槽相匹配的螺纹孔组，第二支架连接件(14)和第一支架连接件(13)通过螺纹连接于螺纹孔组内且设置于定位滑槽内的锁紧螺钉进行紧固。

8.根据权利要求1所述的一种具有刚度调节与能量回收功能的膝关节外骨骼，其特征在于：所述控制系统包括控制器盒(15)、分别设置于控制器盒(15)内的平板电脑(17)、单片机(18)、锂电池(19)、驱动电机控制器(20)、刚度调节电机控制器(21)、分别设置在控制器盒(15)外侧的单片机开关(22)和急停开关(23)，所述编码器组包括设置于动力输入机构(7)上的驱动电机编码器(71)和设置于刚度调节机构(8)上的刚度调节电机编码器(811)；

所述锂电池(19)为整个控制系统供电，急停开关(23)串接于控制电路的总干路上，单片机开关(22)串接于单片机(18)的供电支路上，所述平板电脑(17)与单片机(18)双向通讯连接，所述驱动电机编码器(71)、刚度调节电机编码器(811)、角度传感器(10)和压力传感器的信号输出端与单片机(18)的信号输入端连接，所述驱动电机控制器(20)、刚度调节电机控制器(21)的信号输入端分别与单片机(18)的信号输出端连接，驱动电机控制器(20)的信号输出端与动力输入机构(7)的动力装置信号控制端连接，刚度调节电机控制器(21)的信号输出端与刚度调节机构(8)的动力装置信号控制端连接。

9.根据权利要求7所述的一种具有刚度调节与能量回收功能的膝关节外骨骼，其特征在于：所述控制器盒(15)的外侧固定设置有腰带(16)。

10.一种基于权利要求8所述的具有刚度调节与能量回收功能的膝关节外骨骼的训练方法，其特征在于，包括以下主要步骤：

S10、膝关节运动功能不便的患者将外骨骼佩戴于需要进行训练的腿部，根据需要适当调整驱动器机构(1)的在大腿支架(4)上的横向位置、大腿连接板(2)在大腿支架(4)上的连接位置、小腿连接板(3)在小腿支架(5)上的连接位置中的一个或几个，使外骨骼各部件之间的相对位置适合佩戴者的训练要求，同时将控制器盒佩戴于腰部，准备开始训练；

S20、训练者或治疗师打开急停开关(23)和单片机开关(22)进行系统初始化，使外骨骼的传感系统和控制系统处于工作模式；

S30、使用者或者治疗师根据患者的实际需求通过平板电脑(17)选定外骨骼的工作模式，包括以下两种工作模式：

(1)整个步态周期全程辅助模式，此种模式适用于膝关节肌肉完全受损的患者；

(2)仅屈曲阶段辅助模式，此种模式适用于膝关节肌肉部分受损的患者；

S40、系统根据选定的模式执行相应的步骤：

(1)在整个步态周期辅助模式下，系统执行以下步骤：

S401、驱动电机编码器(71)、刚度调节电机编码器(811)、角度传感器(10)和压力传感器将采集的对应信息数据实时传送给单片机(18)，单片机(18)将转化后的信息数据传送给平板电脑(17)；

S402、平板电脑(17)根据采集到的数据信息对穿戴者进行行走步态分析和运动意图识别，并将下一步的运动指令发送给单片机(18)；

S403、单片机(18)将接受到的指令信号分别传送给驱动电机控制器(20)和刚度调节电机控制器(21)，驱动电机控制器(20)控制驱动电机(72)交替输出正向和反向驱动力矩，经动力输出机构(9)的传动，在膝关节输出轴(95)上输出合适的正向和反向力矩，驱动小腿连接板(3)和小腿支架(5)相对大腿连接板(2)发生一定角度的相对往复转动，进而驱动穿戴者小腿的实现屈曲和伸展运动的交替进行；在步态周期的不同阶段，膝关节所需的刚度不同，根据刚度调节电机编码器(811)采集的信号，刚度调节电机控制器(21)控制刚度调节电机(812)工作，实时调整外骨骼的输出刚度；

(2)在仅屈曲阶段辅助模式下，系统执行以下步骤：

S411、驱动电机编码器(71)、刚度调节电机编码器(811)、角度传感器(10)和压力传感器将采集的对应信息数据实时传送给单片机(18)，单片机(18)将转化后的信息数据传送给平板电脑(17)；

S412、平板电脑(17)根据采集到的数据信息对穿戴者进行行走步态分析和运动意图识别，并将下一步的运动指令发送给单片机(18)；

S413、在小腿屈曲阶段，单片机(18)将接受到的指令信号分别传送给驱动电机控制器(20)和刚度调节电机控制器(21)，驱动电机控制器(20)控制驱动电机(72)输出单向驱动力矩，经动力输出机构(9)的传动，在膝关节输出轴(95)上输出合适的单向力矩，驱动小腿连接板(3)和小腿支架(5)相对大腿连接板(2)发生一定角度的相对转动，进而驱动穿戴者小腿的实现屈曲运动；根据刚度调节电机编码器(811)采集的信号，刚度调节电机控制器(21)控制刚度调节电机(812)工作，实时调整外骨骼的输出刚度；

S414、在小腿伸展阶段，单片机(18)将接受到的指令信号分别传送给驱动电机控制器(20)和刚度调节电机控制器(21)，驱动电机控制器(20)控制驱动电机(72)暂停工作，刚度调节电机控制器(21)控制刚度调节电机(812)暂停工作；患者小腿自行伸展运动，带动驱动小腿连接板(3)和小腿支架(5)相对大腿连接板(2)发生相反方向的转动复位，经动力输出机构(9)的传动，在膝关节输出轴(95)上输出合适的单向力矩，驱动小腿连接板(3)和小腿支架(5)相对大腿连接板(2)发生一定角度的相对转动，该相对转动经动力输出机构(9)和刚度调节机构(8)的传动驱动刚度调节电机(812)的输出轴旋转，实现刚度调节电机(812)发电功能，并将产生的电能储存在锂电池(19)中；

S50、重复执行步骤S401至步骤S403，或重复执行步骤411至步骤S414，直至膝关节运动功能不便的患者完成康复训练；

S60、训练者或治疗师关闭急停开关(23)，使外骨骼的传感系统和控制系统处于断电状态，将控制器盒从训练者的腰部解下，将外骨骼从训练者的腿部移除。

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