CN115531146A - 一种具有灵巧运动承载包容的变胞仿生膝关节外骨骼装置及其实验平台系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有灵巧运动承载包容的变胞仿生膝关节外骨骼装置及其实验平台系统，涉及下肢康复设备技术领域。该外骨骼对下肢行走运动具有较高的仿生灵巧包容性，即不因穿戴位置滑移、下肢个体差异及膝关节多自由度变轴线运动等的存在，而改变外骨骼穿戴后的下肢原有运动灵活性；同时，系统将部分重力势能转化为转动副制动装置的驱动能量，从而促成外骨骼的仿生变胞约束驱动机制的实现，进而完成系统运动构态与承载构态间的仿生自适应转变，最终实现系统对膝关节运动荷载的辅助缓冲与减震。实验平台系统基于3自由度串联机械臂，模拟人‑机穿戴并联系统中下肢膝关节的复杂多轴耦合运动与承载，为后续外骨骼装置样机调试提供极大便利。
Description
技术领域
本发明涉及下肢康复设备技术领域，尤其涉及一种具有灵巧运动承载包容的变胞仿生膝关节外骨骼装置及其实验平台。
背景技术
人体在行走，跑步等运动时膝关节半月板等软组织往往承担防震缓冲作用，并维持膝关节的稳定性与灵活性，但因其长期发生不可逆的磨损，半月板软组织产生伤痛。半月板损伤是引起膝关节疼痛和功能障碍及导致膝关节骨关节炎KOA(knee osteoarthritis)的常见原因。KOA的其治疗方式主要包括手术、药物和器具辅助。其中手术治疗存在费用昂贵、恢复周期长、并发症等不足；药物治疗，仍未见能够根本性解决骨性关节炎的相关报道，截至2018年，我国接受全膝关节表面置换TKA(total knee arthroplasty)的患者为年平均量约为20万人，并且接受患者数量呈逐年增加趋势，但因TKA高昂的费用及后续一系列可能的并发症，无法让所有患者接受该手术；而辅助器具亦难以满足患者对日常活动的辅助需求。因此，KOA治疗已经成为世界性难题，且已成为中老年劳动力丧失最常见原因之一。
随着机器人技术的发展，可穿戴机器人越来越多地出现在康复训练和辅助治疗中。目前下肢外骨骼辅助装置多以动力式为主，其大多采用多自由度动力式主动控制，因其具有结构复杂、控制繁琐、穿戴不便、价格昂贵、穿戴安全可靠性差等不足，限制了其推广应用。
发明内容
综合上述下肢膝关节外骨骼的优势与不足，提出一种具有灵巧运动承载包容的变胞仿生膝关节外骨骼装置及其实验平台。
本发明采用的技术方案是：
一种具有灵巧运动承载包容的变胞仿生膝关节外骨骼装置，其特征是：包括大腿连接板、小腿连接板、小腿连接内板、小腿连接外板，其中大腿连接板、小腿连接板以及小腿连接外板、小腿连接内板的两端分别通过变胞弹性阻尼补偿移动副系统和连杆系统相连接组成连杆系统，所述的大腿连接板、小腿连接外板分别连接在变胞弹性阻尼补偿移动副系统和连杆系统上下端的外侧，小腿连接板、小腿连接内板分别连接在变胞弹性阻尼补偿移动副系统和连杆系统上下端的内侧；所述的变胞弹性阻尼补偿移动副系统包括上部套筒系统和下部套杆系统，上部套筒系统和下部套杆系统之间设有的弹簧内套筒和弹簧内套筒外的弹簧外套筒，所述的弹簧内套筒内设有弹簧，弹簧两端分别与上部套筒系统和下部套杆系统相连接。
进一步的，所述的弹簧外套筒端部通过螺钉与上部套筒系统固定连接，所述的弹簧内套筒与下部套杆系统之间设有弹簧套筒挡板，并通过螺母和螺钉固定在一起。
所述的上部套筒系统包括上部套筒上连接件和上部套筒下连接件，上部套筒下连接件另一端设有用于连接弹簧的羊角钉，弹簧外套筒连接在上部套筒下连接件上，所述的上部套筒系统端部与大腿连接板和小腿连接板通过轴承连接。
所述的下部套杆系统包括套杆，该套杆一侧的端部与小腿连接外板和小腿连接内板通过轴承连接，另一侧的杆体上设有纵向槽孔，槽孔内设有包胶轴承，并通过带卡槽轴贯通杆体和包胶轴承连接，带卡槽轴两端通过卡簧固定，杆体端部设有用于连接弹簧的羊角钉。
进一步的，所述的连杆系统包括连杆和两端连接孔内设有的轴承，连杆两端通过轴承分别与大腿连接板、小腿连接板以及小腿连接外板、小腿连接内板连接。
一种具有灵巧运动承载包容的变胞仿生膝关节外骨骼装置的实验平台系统，其特征是：包括模拟下肢系统、支架和实验平台，其中：
模拟下肢系统包括大腿、小腿，大腿底部设有弧形限位槽，小腿上部设有凹槽轴承，该凹槽轴承设置在弧形限位槽内并可在弧形限位槽内滑动，小腿两侧设有纵向槽，两侧的纵向槽内设有包胶螺钉轴承，包胶螺钉轴承与小腿移动副相连接，并使小腿在两包胶螺钉轴承之间上下移动；
支架包括纵向连接的支撑上杆、支撑下杆、支撑垫，包括配重盒，设有支撑后杆并与支撑下杆和配重盒相连接，所述的配重盒顶部设有配重盒盖；
实验平台包括小臂、大臂，大臂上下两端为旋转活动连接，大臂的上端与小臂轴接，大臂的下端与肩部电机相连接，并通过肩部电机带动实现左右摆动，肩部电机固定在底板上，设有控制器实现对电机的控制。
进一步的，所述的大腿与大腿连接板相连接；小腿移动副与小腿连接外板相连接。所述的支架设有两个，分别通过支撑上杆与小腿连接板相连接。
本发明的优点是：
1.在不同步态周期阶段，对膝关节外骨骼赋予不同的承载刚度，将步态周期中躯体下落的部分重力势能自适应转化为仿生关节运动副扭转刚度变化的驱动能量，驱动变胞约束的自适应变化，即完成运动构态与承载构态间的自适应转变，最终实现其对膝关节运动荷载的有效传递与对膝关节半月板、软骨组织等的辅助缓冲与减震。与传统五连杆相比较，本发明多加入一个自由度，当人在行走处于摆动相或支撑相时对下肢没有任何约束感，不论是穿戴位置是否发生改变，还是个体存在差异，在运动方面都不会影响外骨骼对人体的辅助功能，仅仅是一个自由度的引入，使得该装置的灵巧度与包容性得到了很大的提升。
2.引入了3自由度串联机械臂实验平台，可通过控制机械臂各电机输出不同转角模拟下肢膝关节既有平动又有转动的复杂耦合运动。同时可调节各电机转速和转矩模拟多类人群不同工况下的膝关节运动。后期通过该平台亦可测试膝关节外骨骼的使用寿命。
附图说明
图1为本发明具有灵巧运动承载包容的变胞仿生膝关节外骨骼装置穿戴示意图；
图2为本发明具有灵巧运动承载包容的变胞仿生膝关节外骨骼装置示意图；
图3为本发明具有灵巧运动承载包容的变胞仿生膝关节外骨骼装置实验平台系统示意图；
图4为本发明图2中膝关节外骨骼系统装配体爆炸图；
图5为本发明图4中变胞弹性阻尼补偿移动副系统爆炸图；
图6为本发明图5中上部套筒系统爆炸图；
图7为本发明图5中下部套杆系统爆炸图；
图8为本发明图4中连杆系统装配体爆炸图；
图9为本发明图2中模拟下肢系统爆炸图；
图10为本发明图2中支架爆炸图；
图11为本发明图3中实验平台爆炸图。
图中：1、膝关节外骨骼系统；2、模拟下肢系统；3、支架；4、实验平台；
1-1、大腿连接板；1-2、螺栓；1-3、连杆系统；1-4、小腿连接外板；1-5、小腿连接内板；1-6、变胞弹性阻尼补偿移动副系统；1-7、螺母a；1-8、小腿连接板；
1-6-1、弹簧套筒挡板；1-6-2、弹簧内套筒；1-6-3、弹簧外套筒；1-6-4、螺钉a；1-6-5、上部套筒系统；1-6-6、轴承a；1-6-7、弹簧；1-6-8、螺母b；1-6-9、螺钉b；1-6-10、下部套杆系统；
1-6-5-1、螺母c；1-6-5-2、螺母d；1-6-5-3、羊角钉a；1-6-5-4、上部套筒下连接件；1-6-5-5、上部套筒上连接件；
1-6-10-1、卡簧；1-6-10-2、带卡槽轴；1-6-10-3、套杆；1-6-10-4、轴承b；1-6-10-5、包胶轴承；1-6-10-6、螺母e；1-6-10-7、羊角钉b；
1-3-1、连杆；1-3-2、轴承c；
2-1、大腿；2-2、凹槽轴承；2-3、包胶螺钉轴承；2-4、小腿；2-5、螺母f；2-6、小腿移动副；2-7螺母g；
3-1、支撑上杆；3-2、支撑下杆；3-3、支撑垫；3-4、支撑后杆；3-5、配重盒；3-6、配重盒盖；
4-1、小臂；4-2、大臂；4-3、肩部电机；4-4、控制器；4-5、底板。
具体实施方式
如图1所示，为此膝关节外骨骼穿戴示意，为在不影响、触及生物伦理等方面及便于后续外骨骼的穿戴性能研究搭建了图2，图3所示膝关节外骨骼机器人样机及其实验平台。本文提出在外骨骼膝关节的矢状面内采用一种平面柔顺五杆机构，该封闭的五杆机构直接与外骨骼大腿和小腿杆件相连，取代传统外骨骼膝关节中转动副关节结构。下肢膝关节组成各部分的质量、几何尺寸、体积等在不同个体间具有变化性，而这些变化性导致无法获得穿戴者准确的解剖学数据。因此，仿生膝关节除具有膝关节承载机能外，其运动空间的灵巧包容性尤为重要。本发明提出仿生膝关节系统，具有双运动副自适应变胞功能。
由附图1-3可知，本发明主要组成部分包括膝关节外骨骼系统1、模拟下肢系统2、支架3、实验平台4。
附图4-8给出了本发明具有灵巧运动承载包容的变胞仿生膝关节外骨骼装置示意图，由附图4可知，膝关节外骨骼系统包括大腿连接板1-1、小腿连接板1-8、小腿连接内板1-4、小腿连接外板1-5，其中大腿连接板1-1、小腿连接板1-8以及小腿连接外板1-4、小腿连接内板1-5的两端分别通过变胞弹性阻尼补偿移动副系统1-6和连杆系统1-3相连接组成连杆系统，所述的大腿连接板1-1、小腿连接外板1-4分别连接在变胞弹性阻尼补偿移动副系统1-6和连杆系统1-3上下端的外侧，小腿连接板1-8、小腿连接内板1-5分别连接在变胞弹性阻尼补偿移动副系统1-6和连杆系统1-3上下端的内侧；
同时参见附图5，所述的变胞弹性阻尼补偿移动副系统1-6包括上部套筒系统1-6-5和下部套杆系统1-6-10，上部套筒系统1-6-5和下部套杆系统1-6-10之间设有的弹簧内套筒1-6-2和弹簧内套筒1-6-2外的弹簧外套筒1-6-3，所述的弹簧内套筒1-6-2内设有弹簧1-6-7，弹簧1-6-7两端分别与上部套筒系统1-6-5和下部套杆系统1-6-10相连接。
所述的弹簧外套筒1-6-3端部通过螺钉a 1-6-4与上部套筒系统1-6-5固定连接，所述的弹簧内套筒1-6-2与下部套杆系统1-6-10之间设有弹簧套筒挡板1-6-1，并通过螺母b 1-6-8和螺钉b 1-6-9固定在一起。
参见附图6，所述的上部套筒系统1-6-5包括上部套筒上连接件1-6-5-5和上部套筒下连接件1-6-5-4，上部套筒下连接件1-6-5-4另一端设有用于连接弹簧1-6-7的羊角钉a1-6-5-3，弹簧外套筒1-6-3连接在上部套筒下连接件1-6-5-4上，所述的上部套筒系统1-6-5端部与大腿连接板1-1和小腿连接板1-8通过轴承a1-6-6连接。
参见附图7，所述的下部套杆系统1-6-10包括套杆1-6-10-3，该套杆1-6-10-3一侧的端部与小腿连接外板1-4和小腿连接内板1-5通过轴承b 1-6-10-4连接，另一侧的杆体上设有纵向槽孔，槽孔内设有包胶轴承1-6-10-5，并通过带卡槽轴1-6-10-2贯通杆体和包胶轴承1-6-10-5连接，带卡槽轴1-6-10-2两端通过卡簧1-6-10-1固定，杆体端部设有用于连接弹簧1-6-7的羊角钉b 1-6-10-7。
附图8示出了连杆系统1-3装配体爆炸图，由附图8可知，所述的连杆系统1-3包括连杆1-3-1和两端连接孔内设有的轴承c 1-3-2，连杆1-3-1两端通过轴承1-3-2分别与大腿连接板1-1、小腿连接板1-8以及小腿连接外板1-4、小腿连接内板1-5连接。所述的大腿2-1与大腿连接板1-1相连接；小腿移动副2-6与小腿连接外板1-4相连接。所述的支架3设有两个，分别通过支撑上杆3-1与小腿连接板1-8相连接。
同时参见附图2、3、9，本发明具有灵巧运动承载包容的变胞仿生膝关节外骨骼装置的实验平台系统，包括模拟下肢系统2、支架3和实验平台4，其中：
由附图9可知，模拟下肢系统2包括大腿2-1、小腿2-4，大腿2-1底部设有弧形限位槽，小腿上部设有凹槽轴承2-2，该凹槽轴承2-2设置在弧形限位槽内并可在弧形限位槽内滑动，小腿2-4两侧设有纵向槽，两侧的纵向槽内设有包胶螺钉轴承2-3，包胶螺钉轴承2-3与小腿移动副2-6相连接，并使小腿2-4在两包胶螺钉轴承之间上下移动；
参见附图10，支架3包括纵向连接的支撑上杆3-1、支撑下杆3-2、支撑垫3-3，包括配重盒3-5，设有支撑后杆3-4并与支撑下杆3-2和配重盒3-5相连接，所述的配重盒3-5顶部设有配重盒盖3-6；
参见附图11，实验平台4包括小臂4-1、大臂4-2，大臂4-2上下两端为旋转活动连接，大臂4-2的上端与小臂4-1轴接，大臂4-2的下端与肩部电机4-3相连接，并通过肩部电机4-3带动实现左右摆动，肩部电机4-3固定在底板4-5上，设有控制器4-4实现对电机的控制。
下面对本发明的作用原理做进一步说明：
本发明的模拟下肢系统2与膝关节外骨骼系统1固连在支架3上，通过摆动小腿2-4模拟人体下肢运动。基于在实现对人体膝关节运动自适应的功能的同时，为了实现为使用者提供适宜的纵向支撑力，并分担负载的目标，本发明在变胞弹性阻尼补偿移动副系统1-6中加入弹簧1-6-7，从而在运动过程中起到缓冲减震的功能。为了便于装配，弹簧初始状态没有预载荷扭矩。通过调整弹簧的分布和参数特性，该外骨骼机构在欠驱动的情况下在使用过程中具有一定的承重能力，可以根据系统的刚度设计实现运动自适应。在穿戴者行走过程中通过弹簧1-6-7自适应调整变胞弹性阻尼补偿移动副系统1-6刚度，从而赋予膝关节外骨骼系统根据不同的承载刚度实现步态周期的不同阶段对体外膝关节外骨骼承载与运动灵活性的需求，即系统在“支撑相”时呈现高刚度，在“摆动相”时呈现低刚度。从而双运动副的变胞功能得以体现，实现了对膝关节软组织的运动载荷的分承作用和运动空间的灵巧包容性。
如图1所示，在使用者膝关节伸展和屈曲运动中，人体和外骨骼运动之间的相互作用力通过绑带传递到外骨骼大腿连接板1-1之上，连接板1-1传递运动和力到达两侧的变胞弹性阻尼补偿移动副系统1-6和连杆系统1-3之上，使得该五连杆系统受力均匀。在外力作用下，该机构将调整自身形状令弹簧1-6-7变形，外部功将转换为储存在弹簧中的弹性势能，促使机构变形达到一个受力平衡的稳定状态。该机构的变形可以减少人与外骨骼之间的运动不一致，使外骨骼膝关节适应人体膝部关节轴的移动。
如图3和11所示，为有效模拟下肢膝关节运动，采用3自由度机械臂作为膝关节外骨骼的实验平台，控制机械臂末端的空间运动，以模拟膝关节既有平动又有转动的复杂耦合运动。可通过改变机械臂末端的运动轨迹以达到模拟膝关节外骨骼穿戴滑移；改变机械臂各电机转速和转矩以达到模拟多人群工况下穿戴膝关节外骨骼运动的效果。
如图5所示，变胞弹性阻尼补偿移动副系统1-6由诸多零部件组成，其中弹簧1-6-7与上部套筒系统1-6-5、下部套杆系统1-6-10相连，使系统具有伸缩功能，弹簧外套筒1-6-3、弹簧内套筒1-6-2与弹簧套筒挡板1-6-1限制了系统伸缩的距离，使系统能够在设计范围内进行伸缩。变胞弹性阻尼补偿移动副系统1-6有效的拓展了膝关节外骨骼系统1的工作空间。
如图9所示包胶螺钉轴承2-3与小腿移动副2-6组成的自适应小腿固定装置具有自适应特性，可根据步态需要进行自适应补偿，从而使膝关节外骨骼系统1具有更良好的灵巧性。
以上变胞弹性阻尼补偿移动副系统1-6及包胶螺钉轴承2-3与小腿移动副2-6组成的自适应小腿固定装置实现对膝关节的包容匹配空间实现对：①下肢个体几何差异、②膝关节瞬时旋转中心转动外的轻微移动、③穿戴位置的滑动等宏微观运动空间的灵巧包容，从而避免由体外膝关节与膝关节间的非期望交互力的产生。
根据平面系统自由度计算公式F＝3n-2Pl-Ph,其中n代表活动构件数，Pl代表有Pl个低副，Ph代表有Ph个高副。在图1所示的人-机并联模型中，系统共存在F＝3×(6-1)-2×6＝3个自由度，分别是膝关节外骨骼系统1的转动、变胞弹性阻尼补偿移动副系统1-6的移动和模拟下肢系统2中的包胶螺钉轴承2-3与小腿移动副2-6组成的自适应小腿固定装置与小腿2-4的相对移动。这3个自由度恰好能够包容膝关节既有平动又有转动的复杂耦合运动，且能通过3自由度机械臂进行控制。
Claims (7)
1.一种具有灵巧运动承载包容的变胞仿生膝关节外骨骼装置，其特征是：包括大腿连接板(1-1)、小腿连接板(1-8)、小腿连接内板(1-4)、小腿连接外板(1-5)，其中大腿连接板(1-1)、小腿连接板(1-8)以及小腿连接外板(1-4)、小腿连接内板(1-5)的两端分别通过变胞弹性阻尼补偿移动副系统(1-6)和连杆系统(1-3)相连接组成连杆系统，所述的大腿连接板(1-1)、小腿连接外板(1-4)分别连接在变胞弹性阻尼补偿移动副系统(1-6)和连杆系统(1-3)上下端的外侧，小腿连接板(1-8)、小腿连接内板(1-5)分别连接在变胞弹性阻尼补偿移动副系统(1-6)和连杆系统(1-3)上下端的内侧；
所述的变胞弹性阻尼补偿移动副系统(1-6)包括上部套筒系统(1-6-5)和下部套杆系统(1-6-10)，上部套筒系统(1-6-5)和下部套杆系统(1-6-10)之间设有的弹簧内套筒(1-6-2)和弹簧内套筒(1-6-2)外的弹簧外套筒(1-6-3)，所述的弹簧内套筒(1-6-2)内设有弹簧(1-6-7)，弹簧(1-6-7)两端分别与上部套筒系统(1-6-5)和下部套杆系统(1-6-10)相连接。
2.根据权利要求1所述的具有灵巧运动承载包容的变胞仿生膝关节外骨骼装置，其特征是：所述的弹簧外套筒(1-6-3)端部通过螺钉a(1-6-4)与上部套筒系统(1-6-5)固定连接，所述的弹簧内套筒(1-6-2)与下部套杆系统(1-6-10)之间设有弹簧套筒挡板(1-6-1)，并通过螺母b(1-6-8)和螺钉b(1-6-9)固定在一起。
3.根据权利要求2所述的具有灵巧运动承载包容的变胞仿生膝关节外骨骼装置，其特征是：所述的上部套筒系统(1-6-5)包括上部套筒上连接件(1-6-5-5)和上部套筒下连接件(1-6-5-4)，上部套筒下连接件(1-6-5-4)另一端设有用于连接弹簧(1-6-7)的羊角钉a(1-6-5-3)，弹簧外套筒(1-6-3)连接在上部套筒下连接件(1-6-5-4)上，所述的上部套筒系统(1-6-5)端部与大腿连接板(1-1)和小腿连接板(1-8)通过轴承a(1-6-6)连接。
4.根据权利要求2所述的具有灵巧运动承载包容的变胞仿生膝关节外骨骼装置，其特征是：所述的下部套杆系统(1-6-10)包括套杆(1-6-10-3)，该套杆(1-6-10-3)一侧的端部与小腿连接外板(1-4)和小腿连接内板(1-5)通过轴承b(1-6-10-4)连接，另一侧的杆体上设有纵向槽孔，槽孔内设有包胶轴承(1-6-10-5)，并通过带卡槽轴(1-6-10-2)贯通杆体和包胶轴承(1-6-10-5)连接，带卡槽轴(1-6-10-2)两端通过卡簧(1-6-10-1)固定，杆体端部设有用于连接弹簧(1-6-7)的羊角钉b(1-6-10-7)。
5.根据权利要求1所述的具有灵巧运动承载包容的变胞仿生膝关节外骨骼装置，其特征是：所述的连杆系统(1-3)包括连杆(1-3-1)和两端连接孔内设有的轴承c(1-3-2)，连杆(1-3-1)两端通过轴承c(1-3-2)分别与大腿连接板(1-1)、小腿连接板(1-8)以及小腿连接外板(1-4)、小腿连接内板(1-5)连接。
6.一种具有灵巧运动承载包容的变胞仿生膝关节外骨骼装置的实验平台系统，其特征是：包括模拟下肢系统(2)、支架(3)和实验平台(4)，其中：
模拟下肢系统(2)包括大腿(2-1)、小腿(2-4)，大腿(2-1)底部设有弧形限位槽，小腿上部设有凹槽轴承(2-2)，该凹槽轴承(2-2)设置在弧形限位槽内并可在弧形限位槽内滑动，小腿(2-4)两侧设有纵向槽，两侧的纵向槽内设有包胶螺钉轴承(2-3)，包胶螺钉轴承(2-3)与小腿移动副(2-6)相连接，并使小腿(2-4)在两包胶螺钉轴承之间上下移动；
支架(3)包括纵向连接的支撑上杆(3-1)、支撑下杆(3-2)、支撑垫(3-3)，包括配重盒(3-5)，设有支撑后杆(3-4)并与支撑下杆(3-2)和配重盒(3-5)相连接，所述的配重盒(3-5)顶部设有配重盒盖(3-6)；
实验平台(4)包括小臂(4-1)、大臂(4-2)，大臂(4-2)上下两端为旋转活动连接，大臂(4-2)的上端与小臂(4-1)轴接，大臂(4-2)的下端与肩部电机(4-3)相连接，并通过肩部电机(4-3)带动实现左右摆动，肩部电机(4-3)固定在底板(4-5)上，设有控制器(4-4)实现对电机的控制。
7.根据权利要求6所述的具有灵巧运动承载包容的变胞仿生膝关节外骨骼装置的实验平台系统，其特征是：所述的大腿(2-1)与大腿连接板(1-1)相连接；小腿移动副(2-6)与小腿连接外板(1-4)相连接。所述的支架(3)设有两个，分别通过支撑上杆(3-1)与小腿连接板(1-8)相连接。
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