CN117338572A - 一种多肌肉协同驱动的踝足外骨骼机器人 - Google Patents

一种多肌肉协同驱动的踝足外骨骼机器人 Download PDF

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CN117338572A CN202311190334.5A CN202311190334A CN117338572A CN 117338572 A CN117338572 A CN 117338572A CN 202311190334 A CN202311190334 A CN 202311190334A CN 117338572 A CN117338572 A CN 117338572A
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孟伟
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刘泉
刘上汉
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Abstract

本发明涉及康复机器人技术领域，具体涉及一种多肌肉协同驱动的踝足外骨骼机器人。包括膝关节模块、踝关节康复模块和脚托康复模块，踝关节康复模块包括气动肌肉组件和片状肌肉，气动肌肉组件一端与踝关节康复模块滑动连接，另一端与脚托康复模块连接，片状肌肉设置于脚托康复模块上，膝关节模块包括大腿支撑杆对、小腿支撑杆对和用于连接大腿支撑杆对和小腿支撑杆对的膝关节转轴模块，大腿支撑杆对可通过膝关节转轴模块绕小腿支撑杆对在限定角度范围内旋转。通过气动肌肉实现了轻便和较好的柔顺性，同时可实现多种柔性驱动方向，并可对足下垂患者踝关节背屈功能形成针对性康复，具有较好的柔顺性、安全性、可穿戴性和康复效果。

Description

一种多肌肉协同驱动的踝足外骨骼机器人
技术领域
本发明涉及康复机器人技术领域，具体涉及一种多肌肉协同驱动的踝足外骨骼机器人。
背景技术
根据中国人口报告2020，中国人口老龄化速度和规模前所未有，2022年将进入深度老龄化社会，2033年左右进入超级老龄化社会。随着老龄化社会的到来，各类脑卒中、偏瘫、肢体残疾等运动障碍患者数量增多。世界卫生组织调查结果显示，中国脑卒中的发病率世界第一。脑卒中/偏瘫患者由于大脑功能和神经系统功能的损伤，约80％患者伴有肢体功能障碍，其中最常见的是行走功能障碍。85％脑卒中患者的首要康复目标是恢复其步行能力。恢复和提高运动功能，特别是下肢运动功能及步行能力是脑卒中患者最迫切的要求。经过相应的康复训练，偏瘫患者中有70％以上可恢复步行能力。传统的行走辅助康复是医师对患者进行一对一或多对一徒手训练，医师依据其主观临床经验制定治疗方案，不足之处是劳动强度大、效率较低，缺乏康复训练的复杂力控制和实时反馈。机器人基于“重复、集中、任务导向”的理念，可帮助患者模拟正常的生理步态模式进行步行训练，达到改善偏瘫步态的目的。
当前外骨骼机器人多采用电机驱动，存在穿戴不舒服、不合适、笨重等问题，且患者穿戴后运动范围有限，若机器人未驱动则患者难以自主活动。另外，刚性外骨骼易出现机械结构与人体运动关节错位不协调的问题，可能产生阻碍而非辅助患者的作用。在康复机器人机构设计方面，目前的机器人大多是固定构型，较难拆装不易更换配件，且无法同时满足不同患者的康复需求。偏瘫患者易出现踝背屈不足同时伴有足内翻，会使足底的接触面减少而影响步行的稳定性。因此需在足底产生主动辅助作用针对性改善踝关节背屈功能，而传统的驱动器均难以实现在足底的驱动。
专利CN112677138和CN211485528均设计了一款柔性踝关节外骨骼，但该机构是无源的，无法有效对患者进行主动康复。专利CN211705220和CN112518715均设计了一款踝关节助力外骨骼，但仅考虑了踝关节的背屈跖屈运动，无法完全覆盖踝关节训练运动范围。专利CN113183176设计了一款电机驱动的二自由度踝关节外骨骼，其机构柔顺性不足易造成二次伤害。专利CN108938338和CN207044201均设计了一款三自由度的踝关节外骨骼，但机构构型是固定，难以适应不同患者的身体尺寸，与患者身体贴合度不足。专利CN110215648和CN111805511均考虑了人体步态运动协调特性进而对外骨骼机器人进行协调控制，但未针对足下垂患者的踝关节背屈受限进行针对性改善踝关节背屈功能。
综上所述，传统的刚性电机驱动方式下的机器人难以保证患者柔顺安全的康复，易对患者造成二次伤害。目前踝足外骨骼机器人存在机构笨重、运动范围不足等问题，难以适应康复初期的被动训练以及康复中后期的主动助行训练。此外，由于机构构型固定以及可调节的灵活度不够，无法适应不同身体参数患者的康复需求。虽可通过气动肌肉克服笨重和柔顺性差的缺陷，但由于气动肌肉仅能提供拉力，提高了机构设计的复杂性，需要结合其他装置改变柔性驱动方向。且传统气动肌肉无法从足底形成支撑结构，难以对足下垂患者踝关节背屈功能形成针对性康复。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种多肌肉协同驱动的踝足外骨骼机器人，通过气动肌肉实现了轻便和较好的柔顺性，同时可实现多种柔性驱动方向，并可对足下垂患者踝关节背屈功能形成针对性康复，具有较好的柔顺性、安全性、可穿戴性和康复效果。
本发明一种多肌肉协同驱动的踝足外骨骼机器人，包括膝关节模块、踝关节康复模块和脚托康复模块，所述膝关节模块可拆卸安装于踝关节康复模块上部，所述脚托康复模块可拆卸安装于踝关节康复模块下部，所述踝关节康复模块包括气动肌肉组件和片状肌肉，所述气动肌肉组件一端与所述踝关节康复模块滑动连接，另一端与所述脚托康复模块连接，所述片状肌肉设置于所述脚托康复模块上与足底对应位置处，所述膝关节模块包括大腿支撑杆对、小腿支撑杆对和用于连接大腿支撑杆对和小腿支撑杆对的膝关节转轴模块，所述大腿支撑杆对可通过膝关节转轴模块绕所述小腿支撑杆对在限定角度范围内旋转。
较为优选的，所述膝关节转轴模块包括带滑槽关节转盘、固定关节转盘、膝关节定位销和膝关节转轴，所述带滑槽关节转盘的上部与所述大腿支撑杆对的下部固连，所述固定关节转盘的下部与所述小腿支撑杆对的上部固连，所述带滑槽关节转盘和所述固定关节转盘通过轴向贯穿的膝关节转轴连接，所述带滑槽关节转盘上设有限位滑槽，所述固定关节转盘上设有定位销过孔，所述膝关节定位销穿过所述定位销过孔并与所述限位滑槽滑动配合。
较为优选的，所述限位滑槽的弧长对应的角度为100～110°。
较为优选的，所述膝关节模块还包括弧形护膝，所述弧形护膝设置于大腿前侧。
较为优选的，所述踝关节康复模块包括前置弧形护腿、位于上方的第一后置弧形护腿、位于下方的第二后置弧形护腿，前置滑块组件、后置滑块组件和气动肌肉组件，所述第一后置弧形护腿和所述第二后置弧形护腿均包括弧形部和杆状支撑部，所述第一后置弧形护腿的杆状支撑部与所述第二后置弧形护腿的杆状支撑部固连，所述前置弧形护腿与所述第一后置弧形护腿的前侧固连，所述前置弧形护腿与所述第一后置弧形护腿之间形成小腿固定空间，所述前置滑块组件滑动设置于所述前置弧形护腿上，所述后置滑块组件滑动设置于所述第一后置弧形护腿上，所述气动肌肉组件包括前置气动肌肉和后置气动肌肉，所述前置气动肌肉的上部与所述前置滑块组件固连，下部通过前置气动肌肉柔索与所述脚托康复模块的前端连接，所述后置气动肌肉的上部与所述后置滑块组件固连，下部通过后置气动肌肉柔索与所述脚托康复模块的后端连接。
较为优选的，所述前置滑块组件与所述前置弧形护腿的弧形部滑动配合设置，并通过前置滑块锁紧螺栓锁紧固定；所述后置滑块组件与所述第一后置弧形护腿的弧形部滑动配合设置，并通过后置滑块锁紧螺栓锁紧固定。
较为优选的，所述踝关节康复模块还包括齿轮调节模块，所述齿轮调节模块包括齿轮调节螺母、深沟轴承、齿轮箱、齿轮、齿条和齿条固定块，所述深沟轴承和齿轮均嵌设于所述齿轮箱内，并通过所述齿轮调节螺母轴向贯穿连接，所述齿条与所述齿轮相互啮合设置，所述齿条与所述前置弧形护腿之间通过所述齿条固定块固连，所述前置弧形护腿可在所述齿轮的驱动下水平位移。
较为优选的，所述脚托康复模块包括脚托、前置脚踝连接件、前置拉力棒、后置拉力棒和中空角度传感器，所述脚托前部设有拱形支撑部，所述拱形支撑部上固连有前置拉力棒，所述脚托后脚掌处固连有后置拉力棒，所述前置拉力棒和后置拉力棒分别与前置气动肌肉柔索和后置气动肌肉柔索固连，所述前置脚踝连接件底部与脚托中部固连，顶部与踝关节康复模块底部固连，所述中空角度传感器设置于所述脚踝连接件上；
当要实现踝关节外翻方向的辅助时，使前置滑块组件移动到前置弧形护腿最左侧，前置拉力棒固定在拱形支撑部最左侧，后置滑块组件移动到第一后置弧形护腿最左侧，后置拉力棒固定在脚托后脚掌的最左侧；
当要实现踝关节内翻方向的辅助时，使前置滑块组件移动到前置弧形护腿最右侧，前置拉力棒固定在拱形支撑部最右侧，后置滑块组件移动到第一后置弧形护腿最右侧，后置拉力棒固定在脚托后脚掌的最右侧。
较为优选的，所述脚托康复模块包括脚托、后置脚踝连接件、前置拉力棒、后置拉力棒和中空角度传感器，所述脚托前部设有拱形支撑部，所述拱形支撑部上固连有前置拉力棒，所述脚托后脚掌处固连有后置拉力棒，所述前置拉力棒和后置拉力棒分别与前置气动肌肉柔索和后置气动肌肉柔索固连，所述后置脚踝连接件底部与脚托后部固连，顶部与踝关节康复模块底部固连，所述中空角度传感器设置于所述脚踝连接件上；
当要实现背屈/跖屈方向的辅助时，前置滑块组件移动到前置弧形护腿中间，后置滑块组件移动到第一后置弧形护腿中间；
当要实现踝关节内收方向的辅助时，前置滑块组件移动到前置弧形护腿最左侧，前置拉力棒固定在拱形支撑部最右侧，
当要实现踝关节外展方向的辅助时，前置滑块组件移动到前置弧形护腿最右侧，前置拉力棒固定在拱形支撑部最左侧。
较为优选的，当进行背屈方向的辅助时，所述片状肌肉设置于所述脚托康复模块上与前脚掌对应位置处，当进行跖屈方向的辅助时，所述片状肌肉设置于所述脚托康复模块上与脚跟对应位置处。
本发明的有益效果为：膝关节模块具有限位功能可保证康复过程的安全性，踝关节康复模块通过移动滑块可实现气动人工肌肉组件在不同方位提供驱动力且可通过齿轮调节装置适应不同患者的小腿尺寸进而贴合人体，脚托康复模块符合人因工程学且可通过更换不同的脚踝连接件和拉力棒实现在不同自由度内辅助康复，模块采用镂空结构使整个结构轻便透气。该多肌肉协同控制方法结合气动肌肉和片状肌肉实现两种肌肉的协同控制，在背屈跖屈主峰处由气动肌肉提供主要助力，由片状肌肉提供辅助助力，在帮助足下垂患者正常康复训练的同时形成足底支撑结构针对性改善踝关节背屈功能。仅采用两根气动人工肌肉作为驱动器，通过滑块以及柔索的配合实现了膝踝关节单独辅助助行功能和复合辅助助行功能，并通过两种肌肉的协同控制实现对足下垂患者的针对性辅助。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明膝关节模块与踝关节康复模块的连接结构示意图；
图3为本发明膝关节模块结构示意图；
图4为本发明膝关节转轴模块的分解结构示意图；
图5为本发明踝关节康复模块的结构示意图；
图6为本发明齿轮调节模块的分解结构示意图；
图7为本发明前置滑块组件的结构示意图；
图8为本发明内翻/外翻脚托康复模块的结构示意图；
图9为本发明背屈/跖屈、内收/外展脚托康复模块的结构示意图；
图10为本发明片状肌肉未充气的结构示意图；
图11为本发明片状肌肉充气后的结构示意图；
图12为本发明片状肌肉在不同辅助状态下的布置位置示意图；
图13为本发明压力鞋垫的结构示意图；
图14为本发明多肌肉协同控制的算法流程图；
图15为本发明多肌肉协同控制算法的足底压力结果图；
图16为本发明多肌肉协同控制算法中高斯分峰拟合结果图；
图17为普通肌肉贡献轨迹与实际轨迹对比示意图；
图18为片状肌肉贡献轨迹与实际轨迹对比示意图；
图19气动肌肉联合驱动实际轨迹跟踪结果中的整体轨迹示意图；
图20气动肌肉联合驱动实际轨迹跟踪结果中的摆动期轨迹示意图；
图21气动肌肉联合驱动实际轨迹跟踪结果中的支撑期普通肌肉轨迹示意图；
图22气动肌肉联合驱动实际轨迹跟踪结果中的支撑期片状肌肉轨迹示意图。
图中：
100、膝关节模块；110、弧形护膝；120、大腿支撑杆对；121、大腿支撑杆左；122、大腿支撑杆右；130、膝关节转轴模块；1301、带滑槽关节转盘左；1302、带滑槽关节转盘右；1303、固定关节转盘左；1304、固定关节转盘右；1305、定位销左；1306、定位销右；1307、膝关节转轴左；1308、膝关节转轴右；140、小腿支撑杆对；141、小腿支撑杆左；142、小腿支撑杆右。
200、踝关节康复模块；210、前置弧形护腿；220、第一后置弧形护腿；230、第二后置弧形护腿；240、齿轮调节模块；2401、齿轮调节螺母；2402、深沟轴承；2403、齿轮箱；2404、齿轮；2405、齿条；2406、齿条固定块；250、前置滑块组件；251、前置滑块组件头部；252、前置滑块组件底部；260、后置滑块组件；261、后置滑块组件头部；262、后置滑块组件底部；270、气动肌肉组件；271、前置气动肌肉；272、前置气动肌肉柔索；273、后置气动肌肉；274、后置气动肌肉柔索；280、踝关节转轴；281、踝关节转轴左；282、踝关节转轴右；290、片状肌肉。
300、脚托康复模块；310、脚托；320、脚踝连接件；321、前置脚踝连接件左；322、前置脚踝连接件右；323、后置脚踝连接件左；324、后置脚踝连接件右；330、拉力棒；331、前置拉力棒；332、后置拉力棒；340、中空角度传感器。
具体实施方式
为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“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申请和简化描述，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申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。“多个”表示“两个或两个以上”。
实施例一
图1示出了本申请较佳实施例提供的一种多肌肉协同驱动的踝足外骨骼机器人的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
如图1、2所示，一种多肌肉协同驱动的踝足外骨骼机器人，包括膝关节模块100、踝关节康复模块200和脚托康复模块300，所述膝关节模块100可拆卸安装于踝关节康复模块200上部，帮助患者训练膝部。所述脚托康复模块300可拆卸安装于踝关节康复模块200下部，帮助患者在不同自由度上训练踝部。所述踝关节康复模块200包括气动肌肉组件270和片状肌肉290，所述气动肌肉组件270一端与所述踝关节康复模块200滑动连接，另一端与所述脚托康复模块300连接，所述片状肌肉290设置于所述脚托康复模块300上与足底对应位置处，所述膝关节模块100包括大腿支撑杆对120、小腿支撑杆对140和用于连接大腿支撑杆对120和小腿支撑杆对140的膝关节转轴模块130，所述大腿支撑杆对120可通过膝关节转轴模块130绕所述小腿支撑杆对140在限定角度范围内旋转。
对本机器人进行了模块化可重构设计，将外骨骼机构划分为膝关节模块、踝关节康复模块、脚托康复模块，各个模块之间通过可拆卸的进行连接，增加了本装置的实用性和适用度。气动肌肉属于一种新型的气动元件，具有重量轻、安全性和柔顺性高的特点，且机构整体采用镂空设计，外骨骼穿戴贴合人体十分轻便。通过两根普通气动肌肉(气动肌肉组件270)布置在滑轨提供主要的辅助力，通过片状肌肉290布置在前脚掌底部作为次要辅助力矩的提供，适时精确地控制普通肌肉和片状肌肉为患者行走提供跟踪预定轨迹的辅助运动，并在不同步态阶段为患者提供柔顺可调的关节辅助力矩，进而有效辅助患者踝背屈。小腿支撑杆和带滑槽关节转盘固定时，膝关节模块和踝关节康复模块成为一个整体，康复机器人可以为患者同时进行膝关节和踝关节康复训练；小腿支撑杆和带滑槽关节转盘分离时，康复机器人被拆分成单独的膝关节模块和踝关节康复模块，此时机器人可减轻重量为不同患者进行踝关节康复训练。
如图3所示，膝关节模块100包括弧形护膝110、大腿支撑杆对120、膝关节转轴模块130、小腿支撑杆对140。弧形护膝110安装在大腿支撑杆对120一端，大腿支撑杆对120包括大腿支撑杆左121和大腿支撑杆右122，大腿支撑杆对120的另一端连接膝关节转轴模块130，小腿支撑杆对140一端固定在膝关节转轴模块130凹槽内，小腿支撑杆对140包括小腿支撑杆左141和小腿支撑杆右142。在实际使用过程中，弧形护膝110能友好的贴合人体，大腿支撑杆对120和小腿支撑杆对140能有效的支撑人体。
其中，膝关节转轴模块130包括带滑槽关节转盘、固定关节转盘、膝关节定位销和膝关节转轴，所述带滑槽关节转盘的上部与所述大腿支撑杆对120的下部固连，所述固定关节转盘的下部与所述小腿支撑杆对140的上部固连，所述带滑槽关节转盘和所述固定关节转盘通过轴向贯穿的膝关节转轴连接，所述带滑槽关节转盘上设有限位滑槽，所述固定关节转盘上设有定位销过孔，所述膝关节定位销穿过所述定位销过孔并与所述限位滑槽滑动配合。膝关节模块中设置角度安全限位装置，帮助患者实现在安全范围内实现膝关节屈伸运动。
如图4所示，膝关节转轴模块130包括带滑槽关节转盘左1301、带滑槽关节转盘右1302、固定关节转盘左1303、固定关节转盘右1304、定位销左1305、定位销右1306、膝关节转轴左1307、膝关节转轴右1308。带滑槽关节转盘左1301和大腿支撑杆左121一端连接，定位销左1305固定在带滑槽关节转盘左1301滑槽内，固定关节转盘左1303和小腿支撑杆左141一端固定，膝关节转轴左1307穿过带滑槽关节转盘左1301和固定关节转盘左1303的中心，进而使得带滑槽关节转盘左1301和固定关节转盘左1303绕膝关节转轴左1307旋转。右侧的零件安装过程同左侧零件类似。在实际使用过程，带滑槽关节转盘左1301内置有105°滑槽，和人体膝关节正常运动范围相同，符合人因工程学，能够起到良好的限位和安全保护功能。
如图5所示，踝关节康复模块200包括前置弧形护腿210、第一后置弧形护腿220、第二后置弧形护腿230、齿轮调节模块240、前置滑块组件250、后置滑块组件260、气动肌肉组件270、踝关节转轴280。前置滑块组件250与所述前置弧形护腿210的弧形部滑动配合设置，并通过前置滑块锁紧螺栓锁紧固定；所述后置滑块组件260与所述第一后置弧形护腿220的弧形部滑动配合设置，并通过后置滑块锁紧螺栓锁紧固定。齿轮调节模块240固定在第一后置弧形护腿220左侧圆孔内，齿轮调节模块240通过齿轮调节模块240旋转齿轮调节螺母2401带动齿轮2404转动，进而带动齿条2405水平移动，齿条2405和前置弧形护腿210通过齿条固定块2406固定在一起，通过调节齿轮调节模块240进而使前置弧形护腿210前后移动，最终可适应不同患者的小腿围尺寸。第一后置弧形护腿220和第二后置弧形护腿230一侧固定，踝关节转轴280固定在第二后置弧形护腿230底部的圆孔内形成转轴，踝关节转轴280包括踝关节转轴左281和踝关节转轴右282。前置气动肌肉271的上部与所述前置滑块组件250固连，下部通过前置气动肌肉柔索272与所述脚托康复模块300的前端连接，所述后置气动肌肉273的上部与所述后置滑块组件260固连，下部通过后置气动肌肉柔索274与所述脚托康复模块300的后端连接。通过移动前置滑块组件250，进而移动前置气动肌肉271和前置气动肌肉柔索272方位，实现背屈不同角度辅助力提供。通过移动后置滑块组件260，进而移动后置气动肌肉273和后置气动肌肉柔索274方位，实现跖屈不同角度辅助力提供。通过滑块移动装置在仅使用两根气动肌肉的情况下通过移动滑块组件实现不同方位提供辅助力，通过更换相应的脚踝连接件以及拉力棒调整训练的自由度，为患者提供全方位的康复训练。通过两种气动肌肉的协同控制针对性的实现足前弓的背屈，有效的辅助足下垂患者的踝关节康复。
如图6所示，齿轮调节模块240包括齿轮调节螺母2401、深沟轴承2402、齿轮箱2403、齿轮2404、齿条2405和齿条固定块2406。齿轮箱2403内部有中空圆柱，所述深沟轴承2402和齿轮2404均嵌设于所述齿轮箱2403内，并通过所述齿轮调节螺母2401轴向贯穿连接，所述齿条2405与所述齿轮2404相互啮合设置，所述齿条2405与所述前置弧形护腿210之间通过所述齿条固定块2406固连。在实际使用过程中，通过转动齿轮调节螺母2401，进而带动深沟轴承2402和齿轮2404转动，齿轮2404和齿条2405啮合进而使得齿条2405水平移动，实现前置弧形护腿210的水平移动适应不同患者的小腿尺寸。腿杆长度与小腿围尺寸是可调节的，因此可适应不同患者的身体尺寸。
小腿支撑杆对140和第一后置弧形护腿220通过内六角螺栓固定时，膝关节模块100和踝关节康复模块200成为一个整体，踝足机器人可以为患者同时进行膝关节和踝关节康复训练，两个关节运动独立；小腿支撑杆对140和第一后置弧形护腿220通过内六角螺栓分离时，踝足机器人被拆分为单独的膝关节模块100和踝关节康复模块200，此时机器人可轻量化为不同患者进行踝关节康复训练。
如图7所示，前置滑块组件250包括前置滑块组件头部251和前置滑块组件底部252，前置滑块组件头部251设有向下的凸出部，前置滑块组件底部252设有向上的凸出部，从而在前置滑块组件头部251和前置滑块组件底部252组合后，可在凸出部内侧形成与前置弧形护腿210弧形适配的弧形滑槽。前置滑块组件头部251上设有向外延伸的固定部，该固定部上设有圆孔，用于固定前置气动肌肉271的上部。
脚托康复模块包括脚托310、脚踝连接件320、拉力棒330、中空角度传感器340。前置拉力棒331固定在脚托310前脚掌拱形上，脚托310前脚掌拱形上有5个不同位置的孔洞，通过将前置拉力棒331更换到不同孔洞中可实现前置气动肌肉柔索272不同方向的拉伸，后置拉力棒332固定在脚托310后脚掌拱形处，实现后置气动肌肉柔索274跖屈方向的拉伸，中空角度传感器340固定在脚踝连接件上用于角度信号的测量。
本发明提供两种脚托康复模块的实施例，分别用于实现内翻/外翻方向辅助，以及背屈/跖屈和内收/外展方向的辅助。
实施例二
如图8所示，用于实现内翻/外翻方向辅助的脚托康复模块300包括脚托310、前置脚踝连接件、前置拉力棒331、后置拉力棒332和中空角度传感器340，所述脚托310前部设有拱形支撑部，所述拱形支撑部上固连有前置拉力棒331，所述脚托310后脚掌处固连有后置拉力棒332，所述前置拉力棒331和后置拉力棒332分别与前置气动肌肉柔索272和后置气动肌肉柔索274固连，所述前置脚踝连接件底部与脚托310中部固连，顶部与踝关节康复模块200底部固连，所述中空角度传感器340设置于所述前置脚踝连接件上；
当要实现踝关节外翻方向的辅助时，使前置滑块组件250移动到前置弧形护腿210最左侧，前置拉力棒331固定在拱形支撑部最左侧，后置滑块组件260移动到第一后置弧形护腿220最左侧，后置拉力棒332固定在脚托310后脚掌的最左侧；
当要实现踝关节内翻方向的辅助时，使前置滑块组件250移动到前置弧形护腿210最右侧，前置拉力棒331固定在拱形支撑部最右侧，后置滑块组件260移动到第一后置弧形护腿220最右侧，后置拉力棒332固定在脚托310后脚掌的最右侧。
实施例三
如图9所示，用于实现背屈/跖屈和内收/外展方向辅助的脚托康复模块300包括脚托310、后置脚踝连接件、前置拉力棒331、后置拉力棒332和中空角度传感器340，所述脚托310前部设有拱形支撑部，所述拱形支撑部上固连有前置拉力棒331，所述脚托310后脚掌处固连有后置拉力棒332，所述前置拉力棒331和后置拉力棒332分别与前置气动肌肉柔索272和后置气动肌肉柔索274固连，所述后置脚踝连接件底部与脚托310后部固连，顶部与踝关节康复模块200底部固连，所述中空角度传感器340设置于所述后置脚踝连接件上；
当要实现背屈/跖屈方向的辅助时，前置滑块组件250移动到前置弧形护腿210中间，后置滑块组件260移动到第一后置弧形护腿220中间；
当要实现踝关节内收方向的辅助时，前置滑块组件250移动到前置弧形护腿210最左侧，前置拉力棒331固定在拱形支撑部最右侧，
当要实现踝关节外展方向的辅助时，前置滑块组件250移动到前置弧形护腿210最右侧，前置拉力棒331固定在拱形支撑部最左侧。
脚踝连接件320和第二后置弧形护腿230通过内六角螺栓固定时，踝关节康复模块200和脚托康复模块300成为一个整体，踝足机器人可以为患者进行踝关节康复训练，两个关节运动独立，通过更换不同的脚踝连接件，此时机器人可在不同自由度为不同患者进行踝关节康复训练。
如图10～12所示，当进行背屈方向的辅助时，所述片状肌肉290设置于所述脚托康复模块300上与前脚掌对应位置处，当进行跖屈方向的辅助时，所述片状肌肉290设置于所述脚托康复模块300上与脚跟对应位置处。将片状肌肉布置在足前弓的前脚掌底部，由于片状肌肉在未充气前的形状是薄长方体，因此对受试者的影响可忽略不计。在片状肌肉充气膨胀后，能够从足底对患者产生驱动力，针对性辅助患者实现背屈功能。
如图13所示，受试者的足底压力主要分布于脚前掌和脚后掌部位，而脚前掌的压力变化多余脚后掌，因此在脚前掌位置设置了5个压力电阻，在脚后掌位置设置了3个压力电阻，制成压力鞋垫辅助使用。
如图14～16所示，通过固定在患者足底的压力鞋垫采集患者足底压触觉力，利用模糊隶属函数和模糊规则判断人体所处步态阶段，通过线性倒立摆模型和动态运动基元算法在线规划支撑期和摆动期的下肢康复轨迹，并通过高斯分峰拟合算法规划气动肌肉和片状肌肉的期望轨迹。具体过程如下：
通过模糊隶属函数对患者足底压触觉力进行模糊化，通过对应模糊规则判断人体所处步态阶段。所述模糊隶属函数为：
Sensors(FSR)＝1-Sensor2(FSR)
其中f0优选为40N，λ优选为1。所述模糊规则为：
其中HC为足跟接地，FC为脚掌全接地，TC为脚趾接地，SW为摆动期。
在支撑期通过线性倒立摆模型规划支撑腿的轨迹以实现外骨骼的重心平衡，在摆动期通过动态运动基元算法自适应生成步态轨迹，其中y,/>为轨迹的角度，角速度和角加速度，g为目标状态，αy,βy为常数，通过高斯基函数归一化叠加从多次示教数据中提取主要步态特征，其中Ψi(t)为高斯基函数，ωi为每个基函数对应的权重，N为基函数的个数。
通过高斯分峰拟合算法规划气动肌肉和片状肌肉的期望轨迹，对于分解后每相邻两个高斯峰，峰值较大高斯峰分配给气动肌肉期望轨迹，峰值较小高斯峰分配给片状肌肉期望轨迹，将所分配高斯峰相加拟合作为最后期望轨迹。具体步骤如下：
步骤一：对高斯分峰拟合函数进行建模，模型函数如下：
步骤二：按照误差平方和最小为原则拟合期望轨迹，拟合误差如下：
即/>
步骤三：设定迭代初值单元的中心坐标、迭代步长和所需高斯峰数目，计算结果
步骤四：若S(AiBiCi+ΔAiBiCi)≥S(AiBiCi)，则AiBiCi＝AiBiCi+ΔAiBiCi，增加迭代步长，转入步骤三。
步骤五：若S(AiBiCi+ΔAiBiCi)＜S(AiBiCi)，则计算S(AiBiCi)是否为误差平方和最小，即ξ为所需误差，若符合条件则结束迭代过程，若不符合条件则AiBiCi＝AiBiCi+ΔAiBiCi，减小迭代步长，转入步骤三。
步骤六：判断分解后每相邻两个高斯峰的峰值大小，即：
max(A1,A2),max(A3,A4),...,max(A2k,A2k+1)(k＝0,1,2,3,4,...,n/2)
峰值较大高斯峰分配给气动肌肉期望轨迹，峰值较小高斯峰分配给片状肌肉期望轨迹，将所分配高斯峰相加拟合作为气动肌肉和片状肌肉最后期望轨迹，即：
上式中，y1为气动肌肉期望轨迹，y2片状肌肉期望轨迹。
如图17、18所示为两种肌肉贡献轨迹与实际轨迹对比图，普通肌肉和片状肌肉共同组成了踝足外骨骼的实际轨迹，且普通肌肉轨迹的峰数量和踝足外骨骼实际轨迹的高斯峰数量基本保持一致。普通肌肉贡献轨迹作为踝足外骨骼实际轨迹的主要贡献者，片状肌肉贡献轨迹作为踝足外骨骼实际轨迹的补充。
参考图19～22所示为气动肌肉联合驱动轨迹跟踪，分别展示了受试者S1踝关节整体运动轨迹、摆动期普通肌肉贡献轨迹、支撑期普通肌肉贡献轨迹和支撑期片状肌肉贡献轨迹。从图中可以看出，踝关节整体运动轨迹符合实际康复需求。在支撑期普通肌肉贡献角度大于片状肌肉贡献角度，但片状肌肉的误差较普通肌肉更小和平滑。
应该明白，公开的过程中的步骤的特定顺序或层次是示例性方法的实例。基于设计偏好，应该理解，过程中的步骤的特定顺序或层次可以在不脱离本公开的保护范围的情况下得到重新安排。所附的方法权利要求以示例性的顺序给出了各种步骤的要素，并且不是要限于所述的特定顺序或层次。
在上述的详细描述中，各种特征一起组合在单个的实施方案中，以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的主题的实施方案需要比清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，本发明处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中，其中每项权利要求独自作为本发明单独的优选实施方案。
为使本领域内的任何技术人员能够实现或者使用本发明，上面对所公开实施例进行了描述。对于本领域技术人员来说；这些实施例的各种修改方式都是显而易见的，并且本文定义的一般原理也可以在不脱离本公开的精神和保护范围的基础上适用于其它实施例。因此，本公开并不限于本文给出的实施例，而是与本申请公开的原理和新颖性特征的最广范围相一致。
上文的描述包括一个或多个实施例的举例。当然，为了描述上述实施例而描述部件或方法的所有可能的结合是不可能的，但是本领域普通技术人员应该认识到，各个实施例可以做进一步的组合和排列。因此，本文中描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的保护范围内的所有这样的改变、修改和变型。此外，就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式类似于术语“包括”，就如同“包括”，在权利要求中用作衔接词所解释的那样。此外，使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多肌肉协同驱动的踝足外骨骼机器人，其特征在于：包括膝关节模块(100)、踝关节康复模块(200)和脚托康复模块(300)，所述膝关节模块(100)可拆卸安装于踝关节康复模块(200)上部，所述脚托康复模块(300)可拆卸安装于踝关节康复模块(200)下部，所述踝关节康复模块(200)包括气动肌肉组件(270)和片状肌肉(290)，所述气动肌肉组件(270)一端与所述踝关节康复模块(200)滑动连接，另一端与所述脚托康复模块(300)连接，所述片状肌肉(290)设置于所述脚托康复模块(300)上与足底对应位置处，所述膝关节模块(100)包括大腿支撑杆对(120)、小腿支撑杆对(140)和用于连接大腿支撑杆对(120)和小腿支撑杆对(140)的膝关节转轴模块(130)，所述大腿支撑杆对(120)可通过膝关节转轴模块(130)绕所述小腿支撑杆对(140)在限定角度范围内旋转。
2.根据权利要求1所述的多肌肉协同驱动的踝足外骨骼机器人，其特征在于：所述膝关节转轴模块(130)包括带滑槽关节转盘、固定关节转盘、膝关节定位销和膝关节转轴，所述带滑槽关节转盘的上部与所述大腿支撑杆对(120)的下部固连，所述固定关节转盘的下部与所述小腿支撑杆对(140)的上部固连，所述带滑槽关节转盘和所述固定关节转盘通过轴向贯穿的膝关节转轴连接，所述带滑槽关节转盘上设有限位滑槽，所述固定关节转盘上设有定位销过孔，所述膝关节定位销穿过所述定位销过孔并与所述限位滑槽滑动配合。
3.根据权利要求2所述的多肌肉协同驱动的踝足外骨骼机器人，其特征在于：所述限位滑槽的弧长对应的角度为100～110°。
4.根据权利要求1所述的多肌肉协同驱动的踝足外骨骼机器人，其特征在于：所述膝关节模块(100)还包括弧形护膝(110)，所述弧形护膝(110)设置于大腿前侧。
5.根据权利要求1所述的多肌肉协同驱动的踝足外骨骼机器人，其特征在于：所述踝关节康复模块(200)包括前置弧形护腿(210)、位于上方的第一后置弧形护腿(220)、位于下方的第二后置弧形护腿(230)，前置滑块组件(250)、后置滑块组件(260)和气动肌肉组件(270)，所述第一后置弧形护腿(220)和所述第二后置弧形护腿(230)均包括弧形部和杆状支撑部，所述第一后置弧形护腿(220)的杆状支撑部与所述第二后置弧形护腿(230)的杆状支撑部固连，所述前置弧形护腿(210)与所述第一后置弧形护腿(220)的前侧固连，所述前置弧形护腿(210)与所述第一后置弧形护腿(220)之间形成小腿固定空间，所述前置滑块组件(250)滑动设置于所述前置弧形护腿(210)上，所述后置滑块组件(260)滑动设置于所述第一后置弧形护腿(220)上，所述气动肌肉组件(270)包括前置气动肌肉(271)和后置气动肌肉(273)，所述前置气动肌肉(271)的上部与所述前置滑块组件(250)固连，下部通过前置气动肌肉柔索(272)与所述脚托康复模块(300)的前端连接，所述后置气动肌肉(273)的上部与所述后置滑块组件(260)固连，下部通过后置气动肌肉柔索(274)与所述脚托康复模块(300)的后端连接。
6.根据权利要求5所述的多肌肉协同驱动的踝足外骨骼机器人，其特征在于：所述前置滑块组件(250)与所述前置弧形护腿(210)的弧形部滑动配合设置，并通过前置滑块锁紧螺栓锁紧固定；所述后置滑块组件(260)与所述第一后置弧形护腿(220)的弧形部滑动配合设置，并通过后置滑块锁紧螺栓锁紧固定。
7.根据权利要求5所述的多肌肉协同驱动的踝足外骨骼机器人，其特征在于：所述踝关节康复模块(200)还包括齿轮调节模块(240)，所述齿轮调节模块(240)包括齿轮调节螺母(2401)、深沟轴承(2402)、齿轮箱(2403)、齿轮(2404)、齿条(2405)和齿条固定块(2406)，所述深沟轴承(2402)和齿轮(2404)均嵌设于所述齿轮箱(2403)内，并通过所述齿轮调节螺母(2401)轴向贯穿连接，所述齿条(2405)与所述齿轮(2404)相互啮合设置，所述齿条(2405)与所述前置弧形护腿(210)之间通过所述齿条固定块(2406)固连，所述前置弧形护腿(210)可在所述齿轮(2404)的驱动下水平位移。
8.根据权利要求5所述的多肌肉协同驱动的踝足外骨骼机器人，其特征在于：所述脚托康复模块(300)包括脚托(310)、前置脚踝连接件、前置拉力棒(331)、后置拉力棒(332)和中空角度传感器(340)，所述脚托(310)前部设有拱形支撑部，所述拱形支撑部上固连有前置拉力棒(331)，所述脚托(310)后脚掌处固连有后置拉力棒(332)，所述前置拉力棒(331)和后置拉力棒(332)分别与前置气动肌肉柔索(272)和后置气动肌肉柔索(274)固连，所述前置脚踝连接件底部与脚托(310)中部固连，顶部与踝关节康复模块(200)底部固连，所述中空角度传感器(340)设置于所述前置脚踝连接件上；
当要实现踝关节外翻方向的辅助时，使前置滑块组件(250)移动到前置弧形护腿(210)最左侧，前置拉力棒(331)固定在拱形支撑部最左侧，后置滑块组件(260)移动到第一后置弧形护腿(220)最左侧，后置拉力棒(332)固定在脚托(310)后脚掌的最左侧；
当要实现踝关节内翻方向的辅助时，使前置滑块组件(250)移动到前置弧形护腿(210)最右侧，前置拉力棒(331)固定在拱形支撑部最右侧，后置滑块组件(260)移动到第一后置弧形护腿(220)最右侧，后置拉力棒(332)固定在脚托(310)后脚掌的最右侧。
9.根据权利要求5所述的多肌肉协同驱动的踝足外骨骼机器人，其特征在于：所述脚托康复模块(300)包括脚托(310)、后置脚踝连接件、前置拉力棒(331)、后置拉力棒(332)和中空角度传感器(340)，所述脚托(310)前部设有拱形支撑部，所述拱形支撑部上固连有前置拉力棒(331)，所述脚托(310)后脚掌处固连有后置拉力棒(332)，所述前置拉力棒(331)和后置拉力棒(332)分别与前置气动肌肉柔索(272)和后置气动肌肉柔索(274)固连，所述后置脚踝连接件底部与脚托(310)后部固连，顶部与踝关节康复模块(200)底部固连，所述中空角度传感器(340)设置于所述后置脚踝连接件上；
当要实现背屈/跖屈方向的辅助时，前置滑块组件(250)移动到前置弧形护腿(210)中间，后置滑块组件(260)移动到第一后置弧形护腿(220)中间；
当要实现踝关节内收方向的辅助时，前置滑块组件(250)移动到前置弧形护腿(210)最左侧，前置拉力棒(331)固定在拱形支撑部最右侧，
当要实现踝关节外展方向的辅助时，前置滑块组件(250)移动到前置弧形护腿(210)最右侧，前置拉力棒(331)固定在拱形支撑部最左侧。
10.根据权利要求1所述的多肌肉协同驱动的踝足外骨骼机器人，其特征在于：当进行背屈方向的辅助时，所述片状肌肉(290)设置于所述脚托康复模块(300)上与前脚掌对应位置处，当进行跖屈方向的辅助时，所述片状肌肉(290)设置于所述脚托康复模块(300)上与脚跟对应位置处。
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