CN117919059B - 模块化变刚度四肢康复训练外骨骼 - Google Patents

Abstract

本发明涉及康复医疗设备技术领域，尤其涉及一种模块化变刚度四肢康复训练外骨骼，包括上肢康复训练外骨骼和下肢康复训练外骨骼；其中，上肢康复训练外骨骼为可拆卸连接装置，且采用变刚度关节和其组合结构作为肘部关节组件、转动关节和肩部柔性关节，用于模拟使用者的上肢关节运动；下肢康复训练外骨骼也为可拆卸连接装置，采用变刚度关节作为髋部柔性关节和膝部柔性关节，用于模拟使用者的下肢关节运动。本发明通过高度模块化的设计，针对不同的康复部位选择相应的外骨骼支撑机构，并在连接处安装模块化的变刚度关节组件，即可实现辅助不同部位进行康复训练，拆卸、维修方便，节约成本，使人机交互过程更加安全和自然。

Description

模块化变刚度四肢康复训练外骨骼

技术领域

本发明涉及康复医疗设备技术领域，尤其涉及一种模块化变刚度四肢康复训练外骨骼。

背景技术

据统计，目前我国每年由于脑卒中等疾病引起的四肢功能障碍患者数量庞大，研究显示科学的运动康复训练可有效改善肢体运动功能。另外随着我国逐渐步入老龄化社会，助老助残问题也得到了社会的广泛关注。康复机器人可有效降低康复医师的工作强度，同时还能满足不同患者的训练强度要求，因此有着广泛的应用需求。

随着技术发展，四肢康复训练外骨骼得到飞速发展，基于仿生学和人体工程学设计的外骨骼机器人拥有末端牵引式康复机器人无法比拟的治疗效果与用户体验。四肢外骨骼辅助机器人可以模拟人体正常活动时四肢的运动规律，并且能承担一部分人体的重量，能够对四肢运动功能障碍的患者进行有效锻炼。

但现有的四肢康复训练外骨骼大多采用一体式设计，即上肢和下肢各自成为一体结构无法分离，若其中上肢或下肢某一处出现故障，就需要整个结构一起更换，造成不必要的浪费，大大增加了使用成本。

此外，随着变刚度关节的不断发展，其具备的刚度调节范围广、被动弹性储能容量大、任务适应能力强、控制带宽灵活性好、安全性高等优势逐渐凸显，更适合于要求兼顾安全性和控制精度的康复训练外骨骼。

发明内容

本发明为解决上述问题，提供一种模块化变刚度四肢康复训练外骨骼，将上肢结构进一步细化为肩部、大臂、小臂以及各个关节，下肢进一步细化为腰部、大腿、小腿、脚部、髋部关节以及膝部关节，实现模块化、通用化、可拆卸，只需针对不同的康复部位选择相应的外骨骼支撑机构，并在连接处安装模块化的变刚度关节组件，即可实现辅助不同部位进行康复训练。

本发明提供的模块化变刚度四肢康复训练外骨骼包括上肢康复训练外骨骼和下肢康复训练外骨骼；其中，上肢康复训练外骨骼包括支撑组件、转动关节、肩部柔性关节、肩部结构、大臂支撑板、肘部关节组件和小臂结构；肘部关节组件将大臂支撑板和小臂结构可拆卸连接，用于模拟使用者的肘部活动；肩部柔性关节将大臂支撑板和肩部结构可拆卸连接，用于模拟使用者的肩部活动；转动关节将支撑组件与肩部结构可拆卸连接，用于模拟使用者的上肢进行水平转动；

下肢康复训练外骨骼包括腰部支撑机构和下肢训练机构，腰部支撑机构固定在使用者的腰部位置，下肢训练机构对称安装在腰部支撑机构的两侧；下肢训练机构包括髋部柔性关节、膝部柔性关节、大腿组件、小腿组件和脚部支撑组件；腰部支撑机构与大腿组件可拆卸连接，髋部柔性关节可拆卸安装在腰部支撑机构与大腿组件的连接处，用于模拟使用者的髋部活动；大腿组件与小腿组件可拆卸连接，膝部柔性关节可拆卸安装在大腿组件和小腿组件的连接处，用于模拟使用者的膝部活动；小腿组件和脚部支撑组件通过球铰可拆卸连接，用于模拟使用者的踝部活动；

髋部柔性关节、膝部柔性关节、转动关节与肩部柔性关节均为变刚度关节。

进一步的，支撑组件包括支撑基底和承重升高架；其中，支撑基底为L形结构，承重升高架的一端根据使用者的上肢高度通过螺栓安装在支撑基底上；承重升高架的另一端开设有放置转动关节的转动关节安装槽，使转动关节放入转动关节安装槽中并与肩部结构相连。

进一步的，肩部结构包括横向肩部支撑板与纵向肩部支撑板；其中，横向肩部支撑板的一端与转动关节可拆卸连接；纵向肩部支撑板的一端开设有连接孔，使横向肩部支撑板的另一端通过轴承安装在连接孔中，纵向肩部支撑板的另一端设置有用于放置肩部柔性关节的肩部关节支撑架。

进一步的，肘部关节组件包括肘部旋转关节、肘部旋转连接件、肘部旋转齿轮组、肘部旋转架、肘部屈伸关节和肘部连接架；其中，肘部旋转关节和肘部屈伸关节均为与肩部柔性关节结构一致的变刚度关节；

肘部旋转连接件同轴套装在肘部旋转关节上，且在肘部旋转连接件的侧壁设有限位块，大臂支撑板的一端与肩部柔性关节可拆卸连接，大臂支撑板的另一端穿过限位块使肩部柔性关节与肘部旋转连接件相连，并限制大臂支撑板的长度；

肘部旋转齿轮组包括相啮合的小齿轮和大齿轮，小齿轮与肘部旋转关节可拆卸连接，大齿轮套设在肘部旋转架上设置的旋转滑槽的外圈上，使肘部旋转关节通过肘部旋转齿轮组带动肘部旋转架进行轴向旋转；在肘部旋转架的一侧设置有用于放置肘部屈伸关节的肘部关节支撑架，以及相对于肘部关节支撑架的辅助支撑架；

肘部连接架为U形结构，肘部连接架的一侧与肘部屈伸关节和肘部关节支撑架可拆卸连接，肘部连接架的另一侧通过旋转轴与辅助支撑架相连，使肘部连接架在肘部屈伸关节与旋转轴的配合下以肘部屈伸关节为中心进行转动。

进一步的，小臂结构包括小臂支撑板和握把；其中，握把可拆卸安装在小臂支撑板的一端；小臂支撑板的另一端穿过肘部连接架，并设有限制小臂支撑板的移动位置的限位块。

进一步的，腰部支撑机构包括两个一体结构的腰板和腰部连接件；其中，两个腰板上安装有用于固定使用者的腰部绑带；两个腰部连接件分别与两个腰板仿形固接，用于支撑髋部柔性关节。

进一步的，大腿组件包括大腿支撑板、大腿伸缩连接件和大腿绑带；其中，大腿伸缩连接件包括一体结构的大腿伸缩滑板和膝关节安装架，膝关节安装架位于大腿伸缩滑板的一端，用于支撑膝部柔性关节；大腿绑带安装在大腿支撑板上，用于绑缚使用者的大腿；大腿支撑板的一端开设有连接口，使髋部柔性关节与大腿支撑板相连；从大腿支撑板的另一端向大腿支撑板的内部开设有与大腿伸缩滑板匹配的大腿伸缩滑槽，使大腿伸缩滑板伸入大腿伸缩滑槽中，进而调节大腿支撑板和大腿伸缩连接件的总长度。

进一步的，小腿组件包括小腿绑带、小腿支撑板和小腿伸缩板；小腿绑带安装在小腿支撑板上，用于绑缚使用者的小腿；小腿支撑板的一端开设有连接口，使膝部柔性关节与小腿支撑板相连；从小腿支撑板的另一端向小腿支撑板的内部开设有与小腿伸缩板匹配的小腿伸缩滑槽，使小腿伸缩板伸入小腿伸缩滑槽中，进而调节小腿支撑板和小腿伸缩板的总长度；在小腿伸缩板的一端开设有与安装在脚部支撑组件上的球铰对应的球铰连接座，使脚部支撑组件安装在小腿伸缩板上。

进一步的，髋部柔性关节、膝部柔性关节、转动关节和肩部柔性关节采用结构一致的变刚度关节；变刚度关节包括关节外壳、调刚机构、调刚电机、转动机构和转动电机；其中，调刚机构和转动机构同轴安装在关节外壳的内部，调刚电机和转动电机的输出轴伸入关节外壳中，并分别通过联轴器和蜗杆控制调刚机构和转动机构的转速，通过调节调刚机构和转动机构之间的转速比，当调刚机构和转动机构保持特定转速比时，调刚机构和转动机构保持相对静止的转动；当调刚机构和转动机构的转速比偏离特定转速比时，调刚机构配合转动机构进行转动刚度的调整。

进一步的，调刚机构包括中心轴、调刚涡轮、太阳轮、行星轮、保持架和滚轮滑块组；其中，调刚涡轮同轴固定在中心轴的一端，调刚电机的输出轴通过联轴器和蜗杆驱动调刚涡轮转动，进而带动中心轴转动；保持架通过轴承同轴套设在中心轴上，并沿保持架的周向均匀安装有不少于2个的行星轮，使行星轮与固定在中心轴上的太阳轮啮合；滚轮滑块组与转动机构和关节外壳接触；滚轮滑块组的数量与行星轮的数量一致并与行星轮齿纹啮合。

进一步的，滚轮滑块组包括滚轮、压块、齿条滑块、啮合滑块和滑轨；其中，滑轨安装在转动机构上，齿条滑块安装在滑轨上，在齿条滑块的一侧设有与行星轮啮合的边齿；啮合滑块位于齿条滑块的上方，在啮合滑块的底面和齿条滑块的顶面均匀布设有相吻合的倾斜滑槽，在啮合滑块的两侧开设有保持滑槽，使啮合滑块在关节外壳中设置的卡位和保持滑槽的配合下，将沿倾斜滑槽的运动分解为齿条滑块沿滑轨的平动和啮合滑块面向行星轮的平动；滚轮通过压块安装在啮合滑块上，使滚轮与转动机构接触。

进一步的，转动机构包括转动蜗轮、转动齿轮轴、传动齿轮、转动架、转动铰链和输出端；其中，滑轨固定在转动架上，传动齿轮与转动架同轴固接，转动架通过轴承套设在中心轴上，传动齿轮与套装转动蜗轮的转动齿轮轴相啮合，转动电机的输出轴经联轴器和蜗杆驱动转动蜗轮旋转，进而通过转动齿轮轴带动传动齿轮和转动架进行转动；转动铰链通过轴承同轴套设在中心轴上，并与滚轮接触；输出端通过轴承套设在中心轴上，且与转动铰链相连，用于向外部输出转动。

进一步的，在输出端的一侧设置有装配孔，与转动铰链的一侧表面设置的凸起块相配合，使凸起块插入装配孔中完成转动铰链与输出端的连接；在转动铰链的周向设置有柔性部分，柔性部分的组数与行星轮的数量相同，每一组柔性部分包括两个柔性片，滚轮伸入两个柔性片之间并与两个柔性片接触，通过改变两个柔性片对滚轮的支撑位置调整输出端向外输出的转动刚度。

进一步的，关节外壳包括输出连接盘、前端盖、电机前壳和电机后壳；其中，在电机前壳的内壁设置有与保持滑槽相对应的卡位，将调刚机构和转动机构放置在电机前壳和电机后壳连接后组成的内部空间中，调刚电机的输出轴和转动电机的输出轴伸入电机后壳后分别驱动调刚涡轮和转动蜗轮；前端盖安装在电机前壳上，输出连接盘同轴固接在输出端上；在输出连接盘的表面开设有不少于3个的连接孔，使横向肩部支撑板、大臂支撑板、小齿轮、肘部连接架、大腿支撑板、小腿支撑板分别与输出连接盘可拆卸连接，使输出连接盘带动相连的组件。

与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

1）驱动关节为变刚度关节，在人机交互的康复训练中，可根据患者的身体状况和运动能力主动调节康复训练外骨骼的运动刚度，使人机交互过程更加安全和自然；

2）驱动关节高度模块化的同时，使用一套变刚度关节组件搭配不同套装，实现灵活替换并有效降低成本，提高使用效果；

3）本发明提供的变刚度关节通过设计太阳轮、行星轮和滚轮滑块组的位置和结构，使用调刚电机和转动电机改变太阳轮和滚轮滑块组绕中心轴线的相对运动状态，进而改变行星轮的运动状态，在行星轮与滚轮滑块组的配合下完成后续的调刚工作，这一过程调刚电机和转动电机持续保持工作状态，提出的变刚度关节也始终保持输出旋转的工作状态，真正实现了边工作边调节刚度的技术效果，使得关节及与关节连接的外部设备运行更加平稳；

4）由于本发明提供的变刚度关节通过调刚电机和转动电机的转速比改变行星轮的运动状态，进而利用行星轮与滚轮滑块组的配合完成后续的调刚工作，因此较于传统的人工拆卸刚度调节方式和停止转动再调节刚度的方式，本发明提供的变刚度关节仅需调节调刚电机和转动电机的转速比即可实现刚度调节，无需过多的人工参与调节，有效提升了刚度调节的准确性和便捷性。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的模块化变刚度四肢康复训练外骨骼的整体结构图；

图2是根据本发明实施例提供的上肢康复训练外骨骼的整体结构图；

图3是根据本发明实施例提供的支撑组件、转动关节、肩部柔性关节、肩部结构和大臂支撑板的组合结构爆炸图；

图4是根据本发明实施例提供的肘部关节组件的结构图；

图5是根据本发明实施例提供的上肢康复训练外骨骼的部分组合结构图；

图6是根据本发明实施例提供的下肢康复训练外骨骼的整体结构图；

图7是本发明实施例提供的腰部支撑机构和大腿组件的组合结构示意图；

图8是根据本发明实施例提供的大腿组件和小腿组件的组合结构示意图；

图9是根据本发明实施例提供的小腿组件和脚部支撑组件的组合结构示意图；

图10是根据本发明实施例提供的变刚度关节的整体结构示意图；

图11是根据本发明实施例提供的变刚度关节的外部结构示意图；

图12是根据本发明实施例提供的变刚度关节的部分内部结构示意图；

图13是根据本发明实施例提供的调刚机构和转动机构的组合结构示意图；

图14是根据本发明实施例提供的调刚机构的结构示意图；

图15是根据本发明实施例提供的滚轮滑块组的结构示意图。

附图标记：支撑组件1、支撑基底101、承重升高架102、转动关节2、肩部结构3、横向肩部支撑板301、纵向肩部支撑板302、肩部柔性关节4、大臂支撑板5、肘部关节组件6、肘部旋转关节601、肘部旋转连接件602、肘部旋转齿轮组603、小齿轮603_1、大齿轮603_2、肘部屈伸关节604、肘部旋转架605、旋转滑槽605_1、肘部关节支撑架605_2、辅助支撑架605_3、肘部连接架606、小臂结构7、小臂支撑板701、握把702、腰部支撑机构8、腰板801、腰部连接件802、腰部绑带803、髋部柔性关节9、大腿组件10、大腿支撑板1001、大腿伸缩连接件1002、大腿伸缩滑板1002_1、膝关节安装架1002_2、大腿绑带1003、第一连接口1004、膝部柔性关节11、小腿组件12、小腿绑带1201、小腿支撑板1202、小腿伸缩板1203、第二连接口1204、脚部支撑组件13、输出快换接口14、公输出快换接口1401、母输出快换接口1402、变刚度关节15、关节外壳1501、输出连接盘1501_1、前端盖1501_2、电机前壳1501_3、电机后壳1501_4、卡位1501_5、限位槽1501_6、调刚机构1502、中心轴1502_1、调刚涡轮1502_2、太阳轮1502_3、行星轮1502_4、保持架1502_5、滑轨1502_6、齿条滑块1502_7、啮合滑块1502_8、倾斜滑槽1502_9、保持滑槽1502_10、滚轮1502_11、压块1502_12、转动机构1503、转动蜗轮1503_1、转动齿轮轴1503_2、传动齿轮1503_3、转动架1503_4、转动铰链1503_5、输出端1503_6、调刚电机1504、转动电机1505。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明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用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

本发明提供的模块化变刚度四肢康复训练外骨骼，根据人体的四肢结构进一步细化，并通过高度模块化的设计，针对不同的康复部位选择相应的外骨骼支撑机构，并在连接处安装模块化的变刚度关节组件，即可实现辅助不同部位进行康复训练，拆卸维修方便，节约成本，同时是在机交互过程更加安全和自然。

图1示出了根据本发明实施例提供的模块化变刚度四肢康复训练外骨骼的整体结构。图2示出了根据本发明实施例提供的上肢康复训练外骨骼的整体结构。

如图1和图2所示，本发明实施例提供的模块化变刚度四肢康复训练外骨骼包括上肢康复训练外骨骼和下肢康复训练外骨骼。其中，上肢康复训练外骨骼的整体结构如图2所示，包括支撑组件1、转动关节2、肩部结构3、肩部柔性关节4、大臂支撑板5、肘部关节组件6和小臂结构7。

其中，转动关节2将支撑组件1与肩部结构3可拆卸连接，用于模拟使用者的上肢进行水平转动。肩部柔性关节4将大臂支撑板5和肩部结构3可拆卸连接，用于模拟使用者的肩关节带动大臂和小臂进行抬落运动。肘部关节组件6将大臂支撑板5和小臂结构7可拆卸连接，用于模拟使用者的肘部纵向屈伸和轴向转动活动。

为将转动关节2、肩部柔性关节4和肘部关节组件6的转动输出，优选的，本发明实施例中使用输出快换接口14实现可拆卸安装与运动传递。

支撑组件1包括支撑基底101和承重升高架102。其中，支撑基底101为L形结构，承重升高架102的一端根据使用者的上肢高度通过螺栓安装在支撑基底101上，承重升高架102的另一端开设有放置转动关节2的转动关节安装槽，使转动关节2放入转动关节安装槽中并与肩部结构3相连。

图3示出了根据本发明实施例提供的支撑组件、转动关节、肩部柔性关节、肩部结构和大臂支撑板的组合结构。

如图3所示，肩部结构3包括横向肩部支撑板301与纵向肩部支撑板302。其中，转动关节2通过输出快换接口14与横向肩部支撑板301拆卸连接，并向横向肩部支撑板301输出运动。具体过程为，公输出快换接口1401安装在横向肩部支撑板301的一端，输出快换接口14的母输出快换接口1402安装在转动关节2的输出上，母输出快换接口1402依次通过转动关节安装槽和横向肩部支撑板301，与公输出快换接口1401锁紧，进而完成转动关节2与横向肩部支撑板301的可拆卸连接与运动传递。

纵向肩部支撑板302的一端开设有连接孔，使横向肩部支撑板301的另一端通过轴承安装在连接孔中，纵向肩部支撑板302的另一端设置有用于放置肩部柔性关节4的肩部关节支撑架。

大臂支撑板5的一端通过输出快换接口14与肩部柔性关节4可拆卸连接，具体过程为，公输出快换接口1401安装在大臂支撑板5的一侧，母输出快换接口1402安装在肩部柔性关节4的输出上，母输出快换接口1402依次通过纵向肩部支撑板302和大臂支撑板5，与公输出快换接口1401锁紧，进而完成大臂支撑板5的一侧与肩部柔性关节4的可拆卸连接与运动传递。

图4示出了根据本发明实施例提供的肘部关节组件的结构，图5示出了根据本发明实施例提供的上肢康复训练外骨骼的部分组合结构。

如图4和图5所示，肘部关节组件6包括肘部旋转关节601、肘部旋转连接件602、肘部旋转齿轮组603、肘部屈伸关节604、肘部旋转架605和肘部连接架606。

其中，肘部旋转连接件602同轴套装在肘部旋转关节601上。肘部旋转齿轮组603包括相啮合的小齿轮603_1和大齿轮603_2，小齿轮603_1与肘部旋转关节601可拆卸连接，大齿轮603_2套设在肘部旋转架605的旋转滑槽605_1的外圈上，使肘部旋转关节601通过肘部旋转齿轮组603带动肘部旋转架605进行轴向旋转。在肘部旋转架605的一侧设置有用于放置肘部屈伸关节604的肘部关节支撑架605_2，以及相对于肘部关节支撑架605_2的辅助支撑架605_3。

肘部连接架606为U形结构，肘部连接架606的一侧通过输出快换接口14与肘部屈伸关节604可拆卸连接，具体过程为，公输出快换接口1401安装在肘部连接架606的一侧，母输出快换接口1402安装在肘部屈伸关节604的输出上，母输出快换接口1402依次通过肘部关节支撑架605_2和肘部连接架606，与公输出快换接口1401锁紧，进而完成肘部连接架606的一侧与肘部屈伸关节604的可拆卸连接与运动传递。肘部连接架606的另一侧通过旋转轴与辅助支撑架605_3相连，使肘部连接架606在肘部屈伸关节604与旋转轴的配合下完成以肘部屈伸关节604为中心进行转动，进而模拟使用者的肘部屈伸运动。

如图5所示，在肘部旋转连接件602的侧壁设有限位块，大臂支撑板5的另一端穿过限位块，使肩部柔性关节4与肘部旋转连接件602相连，并限制大臂支撑板5的长度。大臂支撑板5在限位块的约束下进行大臂长度的调节后，利用锁紧螺栓固定大臂支撑板5。

小臂结构7包括小臂支撑板701和握把702。其中，握把702通过螺栓安装在小臂支撑板701的一端，小臂支撑板701的另一端穿过肘部连接架606，并设有限制小臂支撑板701的长度的限位块。小臂支撑板701在限位块的约束下进行小臂长度的调节后，利用锁紧螺栓固定小臂支撑板701的位置。

图6示出了根据本发明实施例提供的下肢康复训练外骨骼的整体结构。

本发明实施例提供的下肢康复训练外骨骼包括腰部支撑机构8和下肢训练机构。腰部支撑机构8固定在使用者的腰部位置，下肢训练机构对称安装在腰部支撑机构8的两侧。

下肢训练机构包括髋部柔性关节9、大腿组件10、膝部柔性关节11、小腿组件12和脚部支撑组件13。腰部支撑机构8与大腿组件10可拆卸连接，其中髋部柔性关节9可拆卸安装在腰部支撑机构8与大腿组件10的连接处，用于模拟使用者的髋部活动。大腿组件10与小腿组件12可拆卸连接，膝部柔性关节11可拆卸安装在大腿组件10和小腿组件12的连接处，用于模拟使用者的膝部活动。小腿组件12和脚部支撑组件13通过球铰可拆卸连接，用于模拟使用者的踝部活动。

图7示出了本发明实施例提供的腰部支撑机构和大腿组件的组合结构。

如图6和图7所示，腰部支撑机构8包括两个一体结构的腰板801和腰部连接件802。其中，两个腰板801上安装有用于固定使用者的腰部绑带803。两个腰部连接件802分别与两个腰板801仿形固接，用于支撑髋部柔性关节9。

图8示出了根据本发明实施例提供的大腿组件和小腿组件的组合结构。

如图6~图8所示，大腿组件10包括大腿支撑板1001、大腿伸缩连接件1002和大腿绑带1003。其中，大腿伸缩连接件1002包括大腿伸缩滑板1002_1以及位于在大腿伸缩滑板1002_1的一端的膝关节安装架1002_2，大腿伸缩滑板1002_1与膝关节安装架1002_2为一体结构，膝部柔性关节11安装在膝关节安装架1002_2上。

大腿绑带1003安装在大腿支撑板1001上，用于绑缚使用者的大腿。大腿支撑板1001的一端开设有第一连接口1004，从大腿支撑板1001的另一端向大腿支撑板1001的内部开设有与大腿伸缩滑板1002_1匹配的大腿伸缩滑槽，使大腿伸缩滑板1002_1伸入大腿伸缩滑槽中，进而调节大腿支撑板1001和大腿伸缩连接件1002的总长度。

髋部柔性关节9通过输出快换接口14可拆卸安装在腰部支撑机构8与大腿组件10的连接处的具体过程为：输出快换接口14的母输出快换接口1402安装在髋部柔性关节9的输出上，输出快换接口14的公输出快换接口1401安装在第一连接口1004的内侧，母输出快换接口1402的凸起端依次通过腰部连接件802和第一连接口1004，插入公输出快换接口1401中完成输出快换接口14的锁紧，进而实现髋部柔性关节9安装在腰部连接件802上，且髋部柔性关节9的输出通过输出快换接口14向大腿组件10输出转动，实现辅助使用者进行髋部运动。

图9示出了根据本发明实施例提供的小腿组件和脚部支撑组件的组合结构。

如图6~图9所示，小腿组件12包括小腿绑带1201、小腿支撑板1202和小腿伸缩板1203。其中，小腿绑带1201安装在小腿支撑板1202上，用于绑缚使用者的小腿。小腿支撑板1202的一端开设有第二连接口1204，从小腿支撑板1202的另一端向小腿支撑板1202的内部开设有与小腿伸缩板1203匹配的小腿伸缩滑槽，使小腿伸缩板1203伸入小腿伸缩滑槽中，进而调节小腿支撑板1202和小腿伸缩板1203的总长度。

小腿组件12、大腿组件10以及膝部柔性关节11之间同样采用输出快换接口14实现可拆卸安装，具体过程为，母输出快换接口1402安装在膝部柔性关节11的输出上，公输出快换接口1401安装在第二连接口1204的内侧，母输出快换接口1402的凸起端依次通过膝关节安装架1002_2和第二连接口1204，插入公输出快换接口1401中完成输出快换接口14的锁紧，进而实现膝部柔性关节11安装在膝关节安装架1002_2上，且膝部柔性关节11通过输出快换接口14向小腿组件12输出转动，实现辅助使用者进行膝部运动。

在小腿伸缩板1203的一端开设有与安装在脚部支撑组件13上的球铰对应的球铰连接座，使脚部支撑组件13安装在小腿伸缩板1203上，通过球铰和球铰连接座的配合，实现辅助使用者进行踝部运动。

转动关节2、肩部柔性关节4、肘部旋转关节601、肘部屈伸关节604、髋部柔性关节9和膝部柔性关节11为结构一致的变刚度关节15。

图10和图11分别示出了根据本发明实施例提供的变刚度关节的整体结构和外部结构。图12示出了根据本发明实施例提供的变刚度关节的部分内部结构。

如图10~图12所示，变刚度关节15包括关节外壳1501、调刚机构1502、转动机构1503、调刚电机1504和转动电机1505。调刚机构1502和转动机构1503安装在关节外壳1501的内部，调刚电机1504和转动电机1505的输出轴伸入关节外壳1501中。

关节外壳1501包括输出连接盘1501_1、前端盖1501_2、电机前壳1501_3和电机后壳1501_4。前端盖1501_2安装在电机前壳1501_3上，并在前端盖1501_2的表面开设有用于连接的螺纹孔。输出连接盘1501_1同轴固接在输出端1503_6上，并在输出连接盘1501_1的表面开设有用于安装母输出快换接口1402的限位槽1501_6。调刚机构1502和转动机构1503放置在电机前壳1501_3和电机后壳1501_4连接后组成的内部空间中。输出快换接口14的母输出快换接口1402安装在输出连接盘1501_1上。

电机前壳1501_3和电机后壳1501_4的连接方式包括且不限于通过螺栓、连接板等其他连接件连接，以及在电机前壳1501_3和电机后壳1501_4的连接口处布设有相咬合的螺纹。在本发明实施例中，电机前壳1501_3和电机后壳1501_4采用在连接口处布置螺纹咬合的方式进行连接。

在电机前壳1501_3的内壁设置有与调刚机构1502中啮合滑块1502_8相对应的卡位1501_5。调刚电机1504的输出轴和转动电机1505的输出轴伸入电机后壳1501_4后分别驱动调刚机构1502和转动机构1503。

优选的，在电机后壳1501_4中设有辅助放置调刚机构1502和转动机构1503的稳定架，用于向调刚机构1502和转动机构1503提供稳定且具有一定活动空间的工作位置，避免调刚机构1502和转动机构1503在转动的过程中出现过度错位导致损伤器件的情况。

图13是根据本发明实施例提供的调刚机构和转动机构的组合结构，图14是根据本发明实施例提供的调刚机构的结构。

如图13和图14所示，调刚机构1502包括中心轴1502_1、调刚涡轮1502_2、太阳轮1502_3、行星轮1502_4、保持架1502_5和滚轮滑块组。

其中，调刚涡轮1502_2与中心轴1502_1过盈配合，使调刚涡轮1502_2同轴固定在中心轴1502_1的一端。调刚电机1504的输出轴通过联轴器和蜗杆与调刚涡轮1502_2相接，使调刚电机1504驱动调刚涡轮1502_2转动，进而带动中心轴1502_1转动。保持架1502_5通过轴承同轴套设在中心轴1502_1上，并沿保持架1502_5的周向均匀安装有不少于2个的行星轮1502_4。优选的，本发明实施例中采用3个行星轮1502_4，且保持架1502_5配合3个行星轮1502_4设置为带有弧度的等边三角形。太阳轮1502_3同轴固定在中心轴1502_1上，且与行星轮1502_4啮合。

图15示出了根据本发明实施例提供的滚轮滑块组的结构。

滚轮滑块组的数量与行星轮1502_4的数量一致，因此在本发明实施例中同样采用3组滚轮滑块组。其中，滚轮滑块组包括滑轨1502_6、齿条滑块1502_7、啮合滑块1502_8、倾斜滑槽1502_9、保持滑槽1502_10、滚轮1502_11和压块1502_12。

滑轨1502_6安装在转动机构1503中的转动架1503_4上，齿条滑块1502_7安装在滑轨1502_6上。在齿条滑块1502_7的一侧设有与行星轮1502_4啮合的边齿。啮合滑块1502_8位于齿条滑块1502_7的上方，在啮合滑块1502_8的底面和齿条滑块1502_7的顶面均匀布设有相吻合的倾斜滑槽1502_9，在啮合滑块1502_8的两侧开设有保持滑槽1502_10，使啮合滑块1502_8在卡位1501_5和保持滑槽1502_10的配合下，将沿倾斜滑槽1502_9的运动分解为齿条滑块1502_7沿滑轨1502_6的平动和啮合滑块1502_8面向行星轮1502_4的平动。滚轮1502_11通过压块1502_12安装在啮合滑块1502_8上。

因此，当调刚电机1504的输出轴通过联轴器和蜗杆驱动调刚涡轮1502_2转动时，调刚涡轮1502_2带动中心轴1502_1转动，进而带动固定在中心轴1502_1上的太阳轮1502_3转动。由于保持架1502_5与中心轴1502_1之间是通过轴承连接的，所以中心轴1502_1不会带动保持架1502_5进行转动。

如图13所示，转动机构1503包括转动蜗轮1503_1、转动齿轮轴1503_2、传动齿轮1503_3、转动架1503_4、转动铰链1503_5和输出端1503_6。其中，转动蜗轮1503_1同轴套装在转动齿轮轴1503_2上，传动齿轮1503_3与转动齿轮轴1503_2啮合。传动齿轮1503_3与转动架1503_4同轴固接，转动架1503_4通过轴承套设在中心轴1502_1上，使转动电机1505的输出轴经联轴器和蜗杆驱动转动蜗轮1503_1旋转，进而通过转动齿轮轴1503_2带动传动齿轮1503_3和转动架1503_4进行转动。在本发明实施例中，为配合3组滚轮滑块组，将转动架1503_4设置为带圆弧的等边三角形结构，3个滑轨1502_6沿转动架1503_4的3条直线边固定。为减轻因转动架1503_4自身重力对滚轮滑块组的转动带来的影响，根据力学原理在转动架1503_4上开设3个减重孔，从而降低转动架1503_4和滚轮滑块组的整体重力，提升转动和调节效果。

转动铰链1503_5通过轴承同轴套设在中心轴1502_1上。在转动铰链1503_5一侧表面设置有不少于2个的凸起块，并在转动铰链1503_5的周向设置有柔性部分，柔性部分的组数与行星轮1502_4的数量相同，因此在本具体实施例中柔性部分的组数同样为3组。每一组柔性部分包括两个柔性片，啮合滑块1502_8带动滚轮1502_11伸入两个柔性片之间并与两个柔性片接触。

输出端1503_6通过轴承套设在中心轴1502_1上，且与转动铰链1503_5相连，用于向外部输出转动。在输出端1503_6的一侧设置有装配孔，与转动铰链1503_5的凸起块相配合，使凸起块插入装配孔中完成转动铰链1503_5与输出端1503_6的固接。为了使转动铰链1503_5与输出端1503_6的连接更加牢固，在本发明实施例中，转动铰链1503_5上的凸起块与输出端1503_6上的装配孔沿圆周方向对应设置3对。

因此，当转动电机1505通过联轴器和蜗杆驱动转动蜗轮1503_1旋转时，转动蜗轮1503_1带动同轴的转动齿轮轴1503_2旋转，转动齿轮轴1503_2通过齿纹配合带动传动齿轮1503_3及与传动齿轮1503_3固接的转动架1503_4一起转动，转动架1503_4上的滚轮滑块组也随之转动。而转动铰链1503_5随滚轮1502_11旋转，且转动铰链1503_5，与转动铰链1503_5连接的输出端1503_6，以及滚轮1502_11绕中心轴1502_1的旋转同时受转动架1503_4和行星轮1502_4的影响。由于转动架1503_4、转动铰链1503_5和输出端1503_6与中心轴1502_1之间是通过轴承连接的，所以中心轴1502_1不会干扰转动架1503_4、转动铰链1503_5和输出端1503_6的转动。

结合图11~图15，当调刚电机1504和转动电机1505的输出轴以特定转速比输出时，转动架1503_4与太阳轮1502_3以同样的角速度旋转，太阳轮1502_3与齿条滑块1502_7之间的行星轮1502_4不会发生转动，此时太阳轮1502_3与齿条滑块1502_7保持相对静止，啮合滑块1502_8上的滚轮1502_11与转动铰链1503_5的接触位置保持不变，使得与转动铰链1503_5固接的输出端1503_6带动输出连接盘1501_1以恒定刚度进行旋转运动。

调刚电机1504和转动电机1505输出的转速比发生变化时，转动架1503_4与太阳轮1502_3出现角速度差，使得太阳轮1502_3与齿条滑块1502_7之间的行星轮1502_4发生转动，进而使齿条滑块1502_7沿转动架1503_4上的滑轨1502_6移动，啮合齿块202_8在卡位1501_5和保持滑槽1502_10的配合下与齿条滑块1502_7发生相对运动，使得啮合滑块1502_8上的滚轮1502_11在转动铰链1503_5的柔性部分之间进行前后移动，改变滚轮1502_11对转动铰链1503_5的支撑位置，进而改变了转动铰链1503_5向输出端1503_6提供的支撑刚度，使输出端1503_6带动输出连接盘1501_1完成变刚度调节。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (12)

1.一种模块化变刚度四肢康复训练外骨骼，其特征在于，包括上肢康复训练外骨骼和下肢康复训练外骨骼；其中，

所述上肢康复训练外骨骼包括支撑组件、转动关节、肩部柔性关节、肩部结构、大臂支撑板、肘部关节组件和小臂结构；所述肘部关节组件将所述大臂支撑板和所述小臂结构可拆卸连接，用于模拟使用者的肘部活动；所述肩部柔性关节将所述大臂支撑板和所述肩部结构可拆卸连接，用于模拟所述使用者的肩部活动；所述转动关节将所述支撑组件与所述肩部结构可拆卸连接，用于模拟所述使用者的上肢进行水平转动；

所述下肢康复训练外骨骼包括腰部支撑机构和下肢训练机构，所述腰部支撑机构固定在所述使用者的腰部位置，所述下肢训练机构对称安装在所述腰部支撑机构的两侧；所述下肢训练机构包括髋部柔性关节、膝部柔性关节、大腿组件、小腿组件和脚部支撑组件；所述腰部支撑机构与所述大腿组件可拆卸连接，所述髋部柔性关节可拆卸安装在所述腰部支撑机构与所述大腿组件的连接处，用于模拟所述使用者的髋部活动；所述大腿组件与所述小腿组件可拆卸连接，所述膝部柔性关节可拆卸安装在所述大腿组件和所述小腿组件的连接处，用于模拟所述使用者的膝部活动；所述小腿组件和所述脚部支撑组件通过球铰可拆卸连接，用于模拟所述使用者的踝部活动；

所述髋部柔性关节、所述膝部柔性关节、所述转动关节与所述肩部柔性关节均为变刚度关节；

所述髋部柔性关节、所述膝部柔性关节、所述转动关节和所述肩部柔性关节采用结构一致的变刚度关节；所述变刚度关节包括关节外壳、调刚机构、调刚电机、转动机构和转动电机；其中，所述调刚机构和所述转动机构同轴安装在所述关节外壳的内部，所述调刚电机和所述转动电机的输出轴伸入所述关节外壳中，并分别通过联轴器和蜗杆控制所述调刚机构和所述转动机构的转速，通过调节所述调刚机构和所述转动机构之间的转速比，当所述调刚机构和所述转动机构保持特定转速比时，所述调刚机构和所述转动机构保持相对静止的转动；当所述调刚机构和所述转动机构的转速比偏离所述特定转速比时，所述调刚机构配合所述转动机构进行转动刚度的调整；

所述调刚机构包括中心轴、调刚涡轮、太阳轮、行星轮、保持架和滚轮滑块组；其中，所述调刚涡轮同轴固定在所述中心轴的一端，所述调刚电机的输出轴通过所述联轴器和所述蜗杆驱动所述调刚涡轮转动，进而带动所述中心轴转动；所述保持架通过轴承同轴套设在所述中心轴上，并沿所述保持架的周向均匀安装有不少于2个的行星轮，使所述行星轮与固定在所述中心轴上的太阳轮啮合；所述滚轮滑块组与所述转动机构和所述关节外壳接触；所述滚轮滑块组的数量与所述行星轮的数量一致并与所述行星轮齿纹啮合。

2.根据权利要求1所述的模块化变刚度四肢康复训练外骨骼，其特征在于，所述支撑组件包括支撑基底和承重升高架；其中，所述支撑基底为L形结构，所述承重升高架的一端根据所述使用者的上肢高度通过螺栓安装在所述支撑基底上；所述承重升高架的另一端开设有放置所述转动关节的转动关节安装槽，使所述转动关节放入所述转动关节安装槽中并与所述肩部结构相连。

3.根据权利要求1所述的模块化变刚度四肢康复训练外骨骼，其特征在于，所述肩部结构包括横向肩部支撑板与纵向肩部支撑板；其中，所述横向肩部支撑板的一端与所述转动关节可拆卸连接；所述纵向肩部支撑板的一端开设有连接孔，使所述横向肩部支撑板的另一端通过轴承安装在所述连接孔中，所述纵向肩部支撑板的另一端设置有用于放置所述肩部柔性关节的肩部关节支撑架。

4.根据权利要求3所述的模块化变刚度四肢康复训练外骨骼，其特征在于，所述肘部关节组件包括肘部旋转关节、肘部旋转连接件、肘部旋转齿轮组、肘部旋转架、肘部屈伸关节和肘部连接架；其中，所述肘部旋转关节和所述肘部屈伸关节均为与所述肩部柔性关节结构一致的变刚度关节；

所述肘部旋转连接件同轴套装在所述肘部旋转关节上，且在所述肘部旋转连接件的侧壁设有限位块，所述大臂支撑板的一端与所述肩部柔性关节可拆卸连接，所述大臂支撑板的另一端穿过所述限位块使所述肩部柔性关节与所述肘部旋转连接件相连，并限制所述大臂支撑板的移动；

所述肘部旋转齿轮组包括相啮合的小齿轮和大齿轮，所述小齿轮与所述肘部旋转关节可拆卸连接，所述大齿轮套设在所述肘部旋转架上设置的旋转滑槽的外圈上，使所述肘部旋转关节通过所述肘部旋转齿轮组带动所述肘部旋转架进行轴向旋转；在所述肘部旋转架的一侧设置有用于放置所述肘部屈伸关节的肘部关节支撑架，以及相对于所述肘部关节支撑架的辅助支撑架；

所述肘部连接架为U形结构，所述肘部连接架的一侧与所述肘部屈伸关节和所述肘部关节支撑架可拆卸连接，所述肘部连接架的另一侧通过旋转轴与所述辅助支撑架相连，使所述肘部连接架在所述肘部屈伸关节与所述旋转轴的配合下以所述肘部屈伸关节为中心进行转动。

5.根据权利要求4所述的模块化变刚度四肢康复训练外骨骼，其特征在于，所述小臂结构包括小臂支撑板和握把；其中，所述握把可拆卸安装在所述小臂支撑板的一端；所述小臂支撑板的另一端穿过所述肘部连接架，并设有限制所述小臂支撑板的移动的限位块。

6.根据权利要求5所述的模块化变刚度四肢康复训练外骨骼，其特征在于，所述腰部支撑机构包括两个一体结构的腰板和腰部连接件；其中，两个腰板上安装有用于固定所述使用者的腰部绑带；两个腰部连接件分别与两个腰板仿形固接，用于支撑所述髋部柔性关节。

7.根据权利要求6所述的模块化变刚度四肢康复训练外骨骼，其特征在于，所述大腿组件包括大腿支撑板、大腿伸缩连接件和大腿绑带；其中，所述大腿伸缩连接件包括一体结构的大腿伸缩滑板和膝关节安装架，所述膝关节安装架位于所述大腿伸缩滑板的一端，用于支撑所述膝部柔性关节；所述大腿绑带安装在所述大腿支撑板上，用于绑缚所述使用者的大腿；所述大腿支撑板的一端开设有连接口，使所述髋部柔性关节与所述大腿支撑板相连；从所述大腿支撑板的另一端向所述大腿支撑板的内部开设有与所述大腿伸缩滑板匹配的大腿伸缩滑槽，使所述大腿伸缩滑板伸入所述大腿伸缩滑槽中，进而调节所述大腿支撑板和所述大腿伸缩连接件的总长度。

8.根据权利要求7所述的模块化变刚度四肢康复训练外骨骼，其特征在于，所述小腿组件包括小腿绑带、小腿支撑板和小腿伸缩板；所述小腿绑带安装在所述小腿支撑板上，用于绑缚所述使用者的小腿；所述小腿支撑板的一端开设有连接口，使所述膝部柔性关节与所述小腿支撑板相连；从所述小腿支撑板的另一端向所述小腿支撑板的内部开设有与所述小腿伸缩板匹配的小腿伸缩滑槽，使所述小腿伸缩板伸入所述小腿伸缩滑槽中，进而调节所述小腿支撑板和所述小腿伸缩板的总长度；在所述小腿伸缩板的一端开设有与安装在所述脚部支撑组件上的球铰对应的球铰连接座，使所述脚部支撑组件安装在所述小腿伸缩板上。

9.根据权利要求8所述的模块化变刚度四肢康复训练外骨骼，其特征在于，所述滚轮滑块组包括滚轮、压块、齿条滑块、啮合滑块和滑轨；其中，所述滑轨安装在所述转动机构上，所述齿条滑块安装在所述滑轨上，在所述齿条滑块的一侧设有与所述行星轮啮合的边齿；所述啮合滑块位于所述齿条滑块的上方，在所述啮合滑块的底面和所述齿条滑块的顶面均匀布设有相吻合的倾斜滑槽，在所述啮合滑块的两侧开设有保持滑槽，使所述啮合滑块在所述关节外壳中设置的卡位和所述保持滑槽的配合下，将沿所述倾斜滑槽的运动分解为所述齿条滑块沿滑轨的平动和所述啮合滑块面向所述行星轮的平动；所述滚轮通过所述压块安装在所述啮合滑块上，使所述滚轮与所述转动机构接触。

10.根据权利要求9所述的模块化变刚度四肢康复训练外骨骼，其特征在于，所述转动机构包括转动蜗轮、转动齿轮轴、传动齿轮、转动架、转动铰链和输出端；其中，所述滑轨固定在所述转动架上，所述传动齿轮与所述转动架同轴固接，所述转动架通过轴承套设在所述中心轴上，所述传动齿轮与套装所述转动蜗轮的转动齿轮轴相啮合，所述转动电机的输出轴经联轴器和蜗杆驱动所述转动蜗轮旋转，进而通过所述转动齿轮轴带动所述传动齿轮和所述转动架进行转动；所述转动铰链通过轴承同轴套设在所述中心轴上，并与所述滚轮接触；所述输出端通过轴承套设在所述中心轴上，且与所述转动铰链相连，用于向外部输出转动。

11.根据权利要求10所述的模块化变刚度四肢康复训练外骨骼，其特征在于，在所述输出端的一侧设置有装配孔，与所述转动铰链的一侧表面设置的凸起块相配合，使所述凸起块插入所述装配孔中完成所述转动铰链与所述输出端的连接；在所述转动铰链的周向设置有柔性部分，所述柔性部分的组数与所述行星轮的数量相同，每一组柔性部分包括两个柔性片，所述滚轮伸入两个柔性片之间并与两个柔性片接触，通过改变两个柔性片对所述滚轮的支撑位置调整所述输出端向外输出的转动刚度。

12.根据权利要求11所述的模块化变刚度四肢康复训练外骨骼，其特征在于，所述关节外壳包括输出连接盘、前端盖、电机前壳和电机后壳；其中，在所述电机前壳的内壁设置有与所述保持滑槽相对应的卡位，将所述调刚机构和所述转动机构放置在所述电机前壳和所述电机后壳连接后组成的内部空间中，所述调刚电机的输出轴和所述转动电机的输出轴伸入所述电机后壳后分别驱动所述调刚涡轮和所述转动蜗轮；所述前端盖安装在所述电机前壳上，所述输出连接盘同轴固接在所述输出端上；在所述输出连接盘的表面开设有不少于3个的连接孔，使所述横向肩部支撑板、所述大臂支撑板、所述小齿轮、所述肘部连接架、所述大腿支撑板、所述小腿支撑板分别与所述输出连接盘可拆卸连接，使所述输出连接盘带动相连的组件进行转动。