CN211272090U - 一种下肢外骨骼康复机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种下肢外骨骼康复机器人，包括大腿固定套、膝关节组件、小腿组件，踝关节连接件、驱动组件以及弹簧组件，大腿固定套、膝关节组件、小腿组件，踝关节连接件依次连接，驱动组件与大腿固定套连接，弹簧组件一端与驱动组件连接，另一端与膝关节组件连接，膝关节组件与电机连接，且电机驱动膝关节组件转动，带动膝关节屈伸，驱动组件带动弹簧组件伸缩，在膝关节不同屈伸角度下自适应补偿内部作用力，减少膝关节内力的产生，提供更好的支撑，进而减小软组织磨损及二次损伤的风险，更好地模拟下肢生物力学，且使用方便，有利于患者康复。

Description

一种下肢外骨骼康复机器人

技术领域

本实用新型涉及康复机器人技术领域，更准确的说涉及一种下肢外骨骼康复机器人。

背景技术

康复机器人是工业机器人和医用机器人的结合，近年来发展迅速。下肢外骨骼康复机器人是一种穿戴在下肢的机械装置，以持续主被动活动联合为理论基础，来模拟下肢运动，刺激患者机体的自然复原力，发挥组织代偿作用，进而辅助或替代康复治疗师，简化传统的“一对一”治疗过程。使用下肢外骨骼康复机器人能够帮助截瘫、偏瘫等下肢功能障碍患者重获行走能力。

现有技术的康复机器人产品包括英国Mike Topping公司研制的Handy 1，荷兰Exact Dynamics公司研制的MANUS康复机器人，德国MEDICA公司研制的THERA-Vital，以色列的APT系列智能康复机器人，意大利的Fisiotek下肢被动康复机器人，日本筑波大学研制的Robot Suit HAL、美国Berkeley Bionics公司研制的eLEGS等。上述设备普遍存在人机适应性差，难以较好地模拟下肢生物力学，使用舒适性不佳等缺点，且价格昂贵。由于下肢膝关节复杂的解剖学结构，而传统的下肢外骨骼康复机器人仅通过电机在一个方向的牵引，难以实现对下肢膝关节运动的较佳模拟，进而会影响膝关节及其附近组织内部应力的改变(内力增高，峰值力之间波动较大)，容易造成软组织磨损及二次损伤的风险。

综上，考虑到目前市场上存在较大的新型外骨骼下肢康复器械的空缺，而传统下肢外骨骼的发展仍不是非常成熟，人工手动辅助进行运动疗法的经济成本又较高，本领域需要设计一种能够在膝关节不同屈伸角度下自适应补偿关节运动产生的内部作用力，对下肢生物力学实现更好的模拟，且使用方便的下肢外骨骼康复机器人。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的主要目的在于提供一种下肢外骨骼康复机器人，包括大腿固定套、膝关节组件、小腿组件，踝关节连接件、驱动组件以及弹簧组件，大腿固定套、膝关节组件、小腿组件，踝关节连接件依次连接，驱动组件与大腿固定套连接，弹簧组件一端与驱动组件连接，另一端与膝关节组件连接，膝关节组件与电机连接，且电机驱动膝关节组件转动，带动膝关节屈伸，驱动组件带动弹簧组件伸缩，在膝关节不同屈伸角度下自适应补偿内部作用力，减少膝关节内力的产生。

为了达到上述目的，本实用新型提供一种下肢外骨骼康复机器人，包括一大腿固定套、一驱动组件、一膝关节组件、一弹簧组件以及一小腿组件，所述大腿固定套通过所述膝关节组件与所述小腿组件连接，且所述小腿组件受所述膝关节组件驱动相对于所述大腿固定套转动，所述驱动组件与所述大腿固定套固定连接，所述弹簧组件一端与所述驱动组件连接，另一端与所述膝关节组件连接，且所述弹簧组件受所述驱动组件驱动伸缩。

优选地，所述膝关节组件包括两个对称设置的膝关节连接部以及一弹簧支撑架，两个所述膝关节连接部分别与所述大腿固定套可转动的连接，且两个所述膝关节连接部分别与所述小腿组件固定连接，所述弹簧支撑架为U形杆，且所述弹簧支撑架两端分别与两个所述膝关节连接部固定连接，所述弹簧支撑架远离两个所述膝关节连接部的部分与所述弹簧组件固定连接。

优选地，所述驱动组件包括一连接座、一电机连接件、一电机、一连轴组件、一滑动板、一丝杠以及一第二支撑座，所述连接座与所述大腿固定套固定连接，所述电机连接件与所述连接座固定连接，所述电机连接件上具有一第一支撑座，所述电机与所述电机连接件固定连接，且所述电机位于所述电机连接件朝向所述小腿组件的一端，所述连轴组件穿过所述电机连接件与所述电机连接件固定连接，所述电机与所述连轴组件连接，所述丝杠一端与所述连轴组件连接，另一端与所述第二支撑座连接，所述电机通过所述连轴组件驱动所述丝杠沿环绕其轴线方向转动，所述滑动板设置在所述第二支撑座和所述第一支撑座之间，所述滑动板环绕所述丝杠具有一滚珠螺母，所述滚珠螺母与所述滑动板固定连接，所述丝杠转动过程中，所述滚珠螺母带动所述滑动板沿所述丝杠运动，所述滑动板远离所述大腿固定套的一端固定连接一弹簧悬吊架，所述弹簧悬吊架与所述弹簧组件连接。

优选地，所述连轴组件包括一容置槽、一轴承、一托盘以及一联轴器，所述容置槽设置在所述电机连接件朝向所述小腿组件的一端，所述容置槽与所述电机连接件固定连接，且所述电机与所述容置槽固定连接，所述轴承穿过所述电机连接件与所述电机的输出轴连接，所述托盘设置在所述电机连接件远离所述小腿组件的一端，所述托盘与所述电机连接件固定连接，所述联轴器与所述托盘可转动的连接，且所述联轴器与所述轴承固定连接，所述联轴器与所述丝杠固定连接。

优选地，所述驱动组件包括一保护壳，所述保护壳与所述电机连接件固定连接，且所述保护壳设置在所述电机连接件远离所述小腿组件的一端，所述丝杠穿过所述保护壳，所述丝杠位于所述保护壳内部的部分环绕设置一轴套。

优选地，所述驱动组件包括两个导向轴，两个所述导向轴平行设置，且所述导向轴分别与所述第一支撑座及所述第二支撑座固定连接，所述滑动板环绕两个所述导向轴分别设置两个衬套，两个衬套均与所述滑动板固定连接，且所述导向轴可相对于所述衬套滑动。

优选地，所述弹簧组件包括一弹簧，一连接部和一悬挂绳，所述连接部和所述悬挂绳分别位于所述弹簧的两端与所述弹簧连接，所述连接部与所述弹簧支撑架连接，所述悬挂绳与所述弹簧悬吊架连接。

优选地，所述弹簧组件包括若干并联设置的弹簧。

优选地，所述小腿组件包括两个小腿连接板和两个小腿保护套，两个所述小腿连接板对称设置，两个所述小腿连接板分别与两个所述膝关节连接部固定连接。

优选地，包括两个踝关节连接件，两个所述踝关节连接件分别设置在两个所述小腿连接板远离所述大腿固定套的端部，且两个所述踝关节连接件分别与两个所述小腿连接板连接。

与现有技术相比，本实用新型公开的一种下肢外骨骼康复机器人的优点在于：所述下肢外骨骼康复机器人能够有效减少膝关节内力及下肢负载，进而减小软组织磨损及二次损伤的风险；使用所述下肢外骨骼康复机器人能够为下肢正确步态的建立提供良好的支撑与辅助，能够对下肢生物力学实现更好的模拟，一定程度上可矫正下肢力线，有利于帮助截瘫、偏瘫等下肢功能障碍患者更好地重新获得行走能力；所述下肢外骨骼康复机器人方便携带、便于使用，使用者可以便捷地自主进行训练。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

如图1所示为本实用新型一种下肢外骨骼康复机器人的结构示意图。

如图2所示为本实用新型一种下肢外骨骼康复机器人驱动组件的结构示意图。

如图3为本实用新型一种下肢外骨骼康复机器人驱动组件的部分部件爆炸示意图。

如图4所示为患者单侧下肢在不使用外骨骼情况下膝关节的受力分析图。

如图5所示为患者单侧下肢在传统外骨骼支撑下膝关节的受力分析图。

如图6所示为患者单侧下肢在所述外骨骼康复机器人支撑下膝关节的受力分析图。

如图7所示为患者单侧下肢在传统外骨骼支撑膝关节时，股骨倾斜角θ₁与膝关节内部作用力沿平行于胫骨方向的分力J_y1的关系图。

如图8所示为患者单侧下肢在传统外骨骼支撑膝关节时，股骨倾斜角θ₁与膝关节内部作用力沿垂直于胫骨方向的分力J_x1的关系图。

如图9所示为患者单侧下肢在所述外骨骼康复机器人支撑膝关节时，股骨倾斜角θ₁与膝关节内部作用力沿平行于胫骨方向的分力J_y2的关系图。

如图10所示为患者单侧下肢在所述外骨骼康复机器人支撑膝关节时，股骨倾斜角θ₁与膝关节内部作用力沿垂直于胫骨方向的分力J_x2的关系图。

具体实施方式

如图1所示，本申请一种下肢外骨骼康复机器人包括一个大腿固定套10、一个驱动组件20、一个膝关节组件30、一个弹簧组件40、一个小腿组件50 以及两个踝关节连接件60。所述大腿固定套10截面为U形，且所述大腿固定套10连接若干大腿绑带11，所述大腿固定套10通过若干所述大腿绑带11 环绕患者大腿，且通过所述大腿绑带11与患者大腿紧固连接。所述大腿绑带 11优选采用魔术贴形式。所述驱动组件20设置在所述大腿固定套10远离所述大腿绑带11的一端与所述大腿固定套10连接。所述大腿固定套10通过所述膝关节组件30与所述小腿组件50连接，且所述小腿组件50可在所述膝关节组件30的带动下相对于所述大腿固定套10转动。所述弹簧组件40一端与所述驱动组件20连接，另一端与所述膝关节组件30连接，所述弹簧组件40 在所述驱动组件20的带动下伸缩，通过弹性势能的释放改变对所述膝关节组件的作用力，进而改变对患者膝关节处的作用力。优选地，所述大腿固定套 10采用复合材料如钛合金等轻质材料制作，所述大腿固定套10的长度约等于正常人大腿的长度，优选为30cm。

具体的，所述膝关节组件30包括两个对称设置的膝关节连接部31以及一弹簧支撑架32，两个所述膝关节连接部31分别与所述大腿固定套10可转动的连接，且两个所述膝关节连接部31分别与所述小腿组件50固定连接。所述弹簧支撑架32为U形杆，且所述弹簧支撑架32两端分别与两个所述膝关节连接部31固定连接，所述弹簧支撑架32随所述膝关节连接部31的转动而转动，所述弹簧支撑架32远离两个所述膝关节连接部31的部分与所述弹簧组件40固定连接，优选为螺纹副连接。更进一步的，所述膝关节连接部31 包括一电机连接部311、若干大腿连接螺栓312以及若干小腿连接螺栓313，所述电机连接部311垂直于所述膝关节连接部31与所述膝关节连接部31连接，且所述电机连接部311与外骨骼电机连接，外骨骼电机通过所述电机连接部311驱动所述膝关节连接部31转动。所述膝关节连接部31通过所述大腿连接螺栓312与所述大腿固定套10连接，所述膝关节连接部31通过所述小腿连接螺栓313与所述小腿组件50连接。

所述小腿组件50包括两个小腿连接板51和两个小腿保护套52，两个所述小腿连接板51对称设置，两个所述小腿连接板51分别与两个所述膝关节连接部31固定连接，且所述小腿连接板51通过若干小腿连接螺栓313与所述膝关节连接部31连接。两个所述小腿保护套52对称设置，且两个所述小腿保护套52分别与两个所述小腿连接板51连接。所述小腿保护套52设置有弧面与患者小腿贴合，所述小腿保护套52采用柔性材料制成，其表面可设置为具有网孔透气结构，优选由竹炭纤维复合耐磨网面制作。

两个所述踝关节连接件60分别设置在两个所述小腿连接板51远离所述大腿固定套10的端部，且两个所述踝关节连接件60分别与两个所述小腿连接板51连接。

所述弹簧组件40包括一弹簧41，一连接部42和一悬挂绳43，所述连接部42和所述悬挂绳43分别位于所述弹簧41的两端与所述弹簧41连接，且所述连接部42与所述弹簧支撑架32连接，所述悬挂绳43与所述驱动组件20 连接。所述悬挂绳43优选为聚乙烯绳。值得注意的是，所述弹簧组件40还可以选择多根弹簧并联的方式，多根弹簧分别与所述驱动组件20及所述弹簧支撑架32连接，且多根弹簧并联情况下多根弹簧的总弹性系数与单根弹簧情况下的弹性系数相同。所述弹簧组件40的长度可根据小腿相对于大腿所需要摆动的角度进行调节。

如图2所示，所述驱动组件20包括一连接座21、一电机连接件22、一电机23、一连轴组件24、一保护壳25、两个导向轴26、一滑动板27、一丝杠28以及一第二支撑座29。所述连接座21设置在所述大腿固定套10远离所述大腿绑带11的一端与所述大腿固定套10固定连接，且所述连接座21设置在所述大腿固定套10的中间位置。所述电机连接件22与所述连接座21固定连接。所述电机连接件22上具有一第一支撑座221。所述电机23与所述电机连接件22固定连接，且所述电机23位于所述电机连接件22朝向所述小腿组件50的一端，所述连轴组件24穿过所述电机连接件22与所述电机连接件22 固定连接，所述电机23与所述连轴组件24连接。所述保护壳25与所述电机连接件22固定连接，且所述保护壳25设置在所述电机连接件22远离所述小腿组件50的一端。所述丝杠28穿过所述保护壳25，且所述丝杠28一端与所述连轴组件24连接，另一端与所述第二支撑座29连接，所述电机23通过所述连轴组件24驱动所述丝杠28沿环绕其轴线方向转动。所述丝杠28位于所述保护壳25内部的部分环绕设置一轴套251。

两个所述导向轴26平行设置，且所述导向轴26分别与所述第一支撑座 221及所述第二支撑座29固定连接，所述滑动板27设置在所述第二支撑座 29和所述保护壳25之间，所述滑动板27与两个所述导向轴26可滑动的连接，且所述滑动板27与所述丝杠可滑动的连接。所述滑动板27环绕所述丝杠28 设置一滚珠螺母271，所述滚珠螺母271与所述滑动板27固定连接，所述丝杠28转动过程中，所述滚珠螺母271带动所述滑动板27沿所述丝杠28运动。所述滑动板27环绕两个所述导向轴26分别设置两个衬套272，两个衬套272 均与所述滑动板27固定连接，且所述导向轴26可相对于所述衬套272滑动。所述滑动板27远离所述大腿固定套10的一端固定连接一弹簧悬吊架273，所述弹簧悬吊架273与所述悬挂绳43连接。当所述滑动板27沿所述丝杠28滑动时，通过所述弹簧悬吊架273拉伸或放松所述弹簧41。

值得注意的是，所述滚珠螺母271与滑动板27的连接方式包括但不限于以下几种连接方式：(1)通过螺母法兰和螺母座连接，用螺栓锁紧；(2) 螺母放进螺母座里面，通过键固定；(3)把螺母旋进螺母座的螺纹里。

如图3所示，所述连轴组件24包括一容置槽241、一轴承242、一托盘 243以及一联轴器244，所述容置槽241设置在所述电机连接件22朝向所述小腿组件50的一端，所述容置槽241与所述电机连接件22固定连接，且所述电机23与所述容置槽241固定连接。所述轴承242穿过所述电机连接件22 与所述电机23的输出轴连接。所述托盘243设置在所述电机连接件22远离所述小腿组件50的一端，所述托盘243与所述电机连接件22固定连接，所述联轴器244与所述托盘243可转动的连接，且所述联轴器244与所述轴承 242过盈配合的固定连接，所述联轴器244同时与所述丝杠28固定连接。实现了所述电机23对所述丝杠28的驱动。

当穿戴所述外骨骼康复机器人的患者屈伸膝关节时，所述电机23驱动所述丝杠28转动，进而通过所述弹簧悬吊架273拉伸或放松所述弹簧41，补偿膝关节运动所产生的内部作用力，减少膝关节内里的产生，从而降低膝关节及其周围软组织处多余的负载，进而能够帮助使用者在行进过程中膝关节所做的功以及能量消耗，有利于患者康复。

图4至图6及下文中涉及相关参数符号的说明如下：

r₁为股骨长度，r₂为胫骨长度，R为膝关节髌韧带到膝关节支点中心的距离，r为所述弹簧支撑架32到膝关节转动中心的距离，W_L为大腿重力，F₀为下肢抗重力肌的肌力(主要为股四头肌)，F₁为外骨骼电机的牵引力，F₂为所述下肢外骨骼康复机器人可提供的沿所述弹簧组件40方向的调节力，F₃为所述大腿绑带11对大腿的压力，f为所述大腿绑带11与大腿之间的摩擦力，J_y为膝关节内部作用力沿胫骨方向的分力，J_x为膝关节内部作用力垂直胫骨方向的分力，θ₁为股骨倾斜角(屈膝角)，θ₂为胫骨倾斜角(其定义域为：0≤θ₂≤π/12)，θ₃为为所述弹簧组件40与股骨之间的夹角，θ₄为所述弹簧支撑架32与胫骨之间的夹角，μ为所述大腿绑带11和大腿之间的静摩擦系数。

为了从理论上初步验证所述下肢外骨骼康复机器人能够有效减少穿戴者膝关节内部作用力，以下分别对患者穿戴传统外骨骼康复机器人和所述下肢外骨骼康复机器人在平地行走的过程进行生物力学分析，通过对比膝关节内部作用力来检验新型外骨骼康复机器人的应用效果。基于对下肢偏瘫/下肢关节、肌肉等损伤患者步态特点的静力学分析，对步态模型进行如下假设分析：

(1)假设患者在其残存抗重力肌的作用下仍能够维持站立相的稳定(但无法或难以迈步屈伸膝关节进行步行).

(2)下肢生物力学分析只对使用者穿戴外骨骼进行平地行走时的单侧下肢在摆动相阶段进行讨论；

(3)由于膝关节在解剖学中通常认为是屈戍关节，其运动主要形式为在矢状面的屈伸运动，故在建立模型时只在矢状面内进行静力学讨论；

(4)基于下肢偏瘫/下肢关节、肌肉等损伤的患者在穿戴外骨骼行走过程中步态缓慢的特征，将下肢摆动的过程视为准平衡状态，即设膝关节角加速度为零，因此可进行静力学分析讨论。

由于人体膝关节部的受力是相当复杂的，涉及到大量的生物力学与物理知识，为简化计算，方便建模，将复杂的膝关节生理结构合理简化，围绕膝关节将其简化成三部分：股骨、髌骨和胫骨，对于其周围的四条韧带根据下肢抗重力肌的功能及肌肉起止点所在位置将其简化成一条：髌韧带。定义垂直于胫骨方向为x轴，沿胫骨方向为y轴，膝关节转动中心为坐标原点O，建立平面直角坐标系。

(1)单侧下肢在不使用外骨骼情况下膝关节的生物力学分析

如图4所示是为患者单侧下肢在不使用外骨骼情况下膝关节的受力分析图，当患者在不佩戴下肢外骨骼时，根据刚体动力学理论，在该时间截点下，以髌骨为支点，可得下肢抗重力肌，下肢重力这两个力满足力矩守恒(∑M＝0, 即合外力矩为零)：

F₀×R＝W_L×(R+0.5r₁sin(θ₁))，

化简得在不同屈膝角度下单侧下肢抗重力肌在静止状态下维持下肢平衡所需的力的大小F₀为：

F₀＝W_L×(1+0.5r₁/R·sin(θ₁))，

在△OAB中使用正弦定理，存在如下几何关系：

在△OAB中，又存在∠OAB＝π-(π-θ₁)-θ₂,带入上式得θ₁与θ₂存在：

解得θ₁和θ₂存在：

其中：θ₂定义域为：0≤θ₂≤π/12，k为人体重心线截股骨部分长度占股骨长度r₁的比值。

(2)单侧下肢在传统外骨骼支撑下膝关节的生物力学分析

附图5所示为患者单侧下肢在传统外骨骼支撑下膝关节的受力分析图，在引入传统下肢外骨骼后，电机所提供的牵引力F₁旨在帮助使用者在能够维持下肢站立时静力平衡的情况下提供牵引力，帮助使用者步行前进。如附图4 所示，外骨骼与人的大腿相对静止，两者之间存在摩擦力f₁为:

f₁＝μ(F₁+F₀)sin(θ₁)-W_Lsin(θ₁-θ₂)-F₃)，

在外骨骼的牵引作用下，将膝关节内部作用力分别沿平行于胫骨方向和垂直于胫骨方向分解，根据下肢受力平衡可得：

J_y1＝(F₁+F₀)sin(θ₁)-W_Lsin(θ₁-θ₂)-F₃，

J_x1＝(F₁+F₀)cos(θ₁)-W_Lcos(θ₁-θ₂)-f₁，

将f的表达式代入得Jx为：

J_x1＝(F₁+F₀)cos(θ₁)-W_Lcos(θ₁-θ₂)-μ((F1+F0)sin(θ1)-WLsin(θ1-θ2)-F₃)，

代入各表达式及具体数据后可分别求出J_y1和J_x1关于θ₁与θ₂的具体函数关系(考虑到J_y1和J_x1都是矢量，存在大小和方向，故在计算时取绝对值对J 的大小进行计算)。

(3)单侧下肢在所述下肢外骨骼康复机器人支撑下膝关节的生物力学分析

附图6为患者单侧下肢在所述下肢外骨骼康复机器人支撑下膝关节的受力分析图，所述下肢外骨骼康复机器人可提供沿所述弹簧组件40方向的调节力F₂，根据胡克定律，弹簧组件所产生力的大小F₂满足:

F₂＝KΔx，

其中：K为弹簧组件的劲度系数，Δx为弹簧产生的型变量(Δx＝x_末-x_初)。

在△OCD中，∠DOC＝π-θ₁-θ₄，

而几何关系又存在θ₄＝π/2-θ₂，

代入上式得∠DOC＝π/2-(θ₁-θ₂)，

在△OCD中使用余弦定理，存在：

同时由三角变换可知cos∠DOC＝cos(π/2-(θ₁-θ₂))＝sin(θ₁-θ₂)，代入解得：

所以Δx＝x_末-x_初＝CD-x_初(x_初已知)，

已知K和Δx，进而可以求得F₂的表达式：

在△OCD中再次使用余弦定理，存在：

化简得：

代入CD的表达式及θ₁与θ₂关系，得：

在△OCD中使用正弦定理，存在：

又∠DOC＝π/2-(θ₁-θ₂)，

根据三角变换可知sin∠DOC＝sin(π/2-(θ₁-θ₂))＝cos(θ₁-θ₂)，

代入CD的表达式及sin∠DOC的表达式，得：

如附图5所示，再对下肢进行受力分析，此时外骨骼与人的大腿相对静止，且两者之间存在摩擦力f₂为:

f₂＝μ((F₁+F₀)sin(θ₁)-W_Lsin(θ₁-θ₂)-F₃-F₂sin(θ₃))，

同样对摆动相单侧下肢进行生物力学分析，在外骨骼的牵引和膝关节内力调节组件的共同作用下,将膝关节内部作用力分别沿平行于胫骨方向和垂直于胫骨方向分解，根据下肢受力平衡可得：

J_y2＝(F₁+F₀)sin(θ₁)-W_Lsin(θ₁-θ₂)-F₃-F₂sin(θ₃)，

J_x2＝(F₁+F₀)cos(θ₁)-W_Lcos(θ₁-θ₂)-f₂-F₂cos(θ₃)，

代入F₂,sin(θ₃),cos(θ₃)，θ₁与θ₂相对关系的表达式及具体数据后可分别求出J_y2和J_x2关于θ₁与θ₂的具体函数关系(考虑到J_y2和J_x2都是矢量，存在大小和方向，故在计算时取绝对值对J的大小进行计算)。

(4)计算参数的具体设定说明：

根据国家技术监督局颁布“中国成年人人体尺寸”、“中国成年人环节的相对质量与环节的质心相应国家标准”，设定r₁＝0.232H(H为身高)， r₂＝0.247H,R＝7mm＝0.007m，W_L＝0.1406W(W为人的体重)。取体重为70kg, 身高为1.80m的成年人作为模特进行计算，则W_L＝9.842kg， r₁＝0.4176m,r₂＝0.4446m,取人体重心线截股骨部分长度占股骨长度r₁的比值k 为1/3,取重力常数g＝9.8m/s2。在测试时选用EC-60伺服电机进行计算(设其在力矩模式下输出恒力F₁为60N)，选用初长度为0.15m的弹簧组件，其劲度系数K＝2000N/m,取本实用新型所提供的弹簧支撑架到膝关节转动中心的距离r＝0.05m,同时根据南京航空航天大学对人体皮肤摩擦测试性的研究，取μ＝0.4，F₃＝10N。

(5)模型计算的求解算法

Step1.定义角度θ₂为自变量；

Step2.搜索计算角度角度θ₂定义域范围内θ₁的取值；

Step3.构造J与θ₁的函数方程，分别计算使用者佩戴传统外骨骼和新型外骨骼下膝关节内力沿平行于胫骨方向的分力J_y和膝关节内力垂直于胫骨方向的分力J_x；

Step4.绘制角度θ₁-膝关节内力的曲线，分别计算J的最大值和平均值。

计算结果

使用MATLAB编程计算，计算结果如图7、图8、图9、图10所示。

由图可见，对于膝关节内部作用力沿平行于胫骨方向的分力J_y，相比传统装置，在本实用一种新型下肢外骨骼康复机器人的辅助下，J_y平均减小约 32.34N(J_y1平均大小为1017.05N，J_y2平均大小为984.71N)，平均减小率为 3.18％(略微减小)，使J_y变得更加稳定。

对于膝关节内部作用力沿垂直于胫骨方向的分力J_x，相比传统装置，在本实用一种新型下肢外骨骼康复机器人的辅助下，J_x平均减小约628.31N(J_x1平均大小为649.08N，J_x2平均大小为20.77N)，平均减小率为96.80％(显著减小)，当股骨倾斜角θ₁在0.55rad(约30度时)，减小尤为明显，

综上，在所述下肢外骨骼康复机器人的辅助下，可以使膝关节平行于胫骨方向内力的分力J_y变得更加平稳，并可显著减小垂直于胫骨方向内力的分力J_x。因此，使用所述下肢外骨骼康复机器人对降低下肢膝关节软骨、软组织磨损有积极意义，可以有效改善使用者的外骨骼穿戴体验。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种下肢外骨骼康复机器人，其特征在于，包括一大腿固定套、一驱动组件、一膝关节组件、一弹簧组件以及一小腿组件，所述大腿固定套通过所述膝关节组件与所述小腿组件连接，且所述小腿组件受所述膝关节组件驱动相对于所述大腿固定套转动，所述驱动组件与所述大腿固定套固定连接，所述弹簧组件一端与所述驱动组件连接，另一端与所述膝关节组件连接，且所述弹簧组件受所述驱动组件驱动伸缩。

2.如权利要求1所述的下肢外骨骼康复机器人，其特征在于，所述膝关节组件包括两个对称设置的膝关节连接部以及一弹簧支撑架，两个所述膝关节连接部分别与所述大腿固定套可转动的连接，且两个所述膝关节连接部分别与所述小腿组件固定连接，所述弹簧支撑架为U形杆，且所述弹簧支撑架两端分别与两个所述膝关节连接部固定连接，所述弹簧支撑架远离两个所述膝关节连接部的部分与所述弹簧组件固定连接。

3.如权利要求2所述的下肢外骨骼康复机器人，其特征在于，所述驱动组件包括一连接座、一电机连接件、一电机、一连轴组件、一滑动板、一丝杠以及一第二支撑座，所述连接座与所述大腿固定套固定连接，所述电机连接件与所述连接座固定连接，所述电机连接件上具有一第一支撑座，所述电机与所述电机连接件固定连接，且所述电机位于所述电机连接件朝向所述小腿组件的一端，所述连轴组件穿过所述电机连接件与所述电机连接件固定连接，所述电机与所述连轴组件连接，所述丝杠一端与所述连轴组件连接，另一端与所述第二支撑座连接，所述电机通过所述连轴组件驱动所述丝杠沿环绕其轴线方向转动，所述滑动板设置在所述第二支撑座和所述第一支撑座之间，所述滑动板环绕所述丝杠具有一滚珠螺母，所述滚珠螺母与所述滑动板固定连接，所述丝杠转动过程中，所述滚珠螺母带动所述滑动板沿所述丝杠运动，所述滑动板远离所述大腿固定套的一端固定连接一弹簧悬吊架，所述弹簧悬吊架与所述弹簧组件连接。

4.如权利要求3所述的下肢外骨骼康复机器人，其特征在于，所述连轴组件包括一容置槽、一轴承、一托盘以及一联轴器，所述容置槽设置在所述电机连接件朝向所述小腿组件的一端，所述容置槽与所述电机连接件固定连接，且所述电机与所述容置槽固定连接，所述轴承穿过所述电机连接件与所述电机的输出轴连接，所述托盘设置在所述电机连接件远离所述小腿组件的一端，所述托盘与所述电机连接件固定连接，所述联轴器与所述托盘可转动的连接，且所述联轴器与所述轴承固定连接，所述联轴器与所述丝杠固定连接。

5.如权利要求3所述的下肢外骨骼康复机器人，其特征在于，所述驱动组件包括一保护壳，所述保护壳与所述电机连接件固定连接，且所述保护壳设置在所述电机连接件远离所述小腿组件的一端，所述丝杠穿过所述保护壳，所述丝杠位于所述保护壳内部的部分环绕设置一轴套。

6.如权利要求3所述的下肢外骨骼康复机器人，其特征在于，所述驱动组件包括两个导向轴，两个所述导向轴平行设置，且所述导向轴分别与所述第一支撑座及所述第二支撑座固定连接，所述滑动板环绕两个所述导向轴分别设置两个衬套，两个衬套均与所述滑动板固定连接，且所述导向轴可相对于所述衬套滑动。

7.如权利要求3所述的下肢外骨骼康复机器人，其特征在于，所述弹簧组件包括一弹簧，一连接部和一悬挂绳，所述连接部和所述悬挂绳分别位于所述弹簧的两端与所述弹簧连接，所述连接部与所述弹簧支撑架连接，所述悬挂绳与所述弹簧悬吊架连接。

8.如权利要求3所述的下肢外骨骼康复机器人，其特征在于，所述弹簧组件包括若干并联设置的弹簧。

9.如权利要求2所述的下肢外骨骼康复机器人，其特征在于，所述小腿组件包括两个小腿连接板和两个小腿保护套，两个所述小腿连接板对称设置，两个所述小腿连接板分别与两个所述膝关节连接部固定连接。

10.如权利要求9所述的下肢外骨骼康复机器人，其特征在于，包括两个踝关节连接件，两个所述踝关节连接件分别设置在两个所述小腿连接板远离所述大腿固定套的端部，且两个所述踝关节连接件分别与两个所述小腿连接板连接。

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