[發明專利]基于繩索變剛度多功能驅動器的膝關節外骨骼及控制方法

有效

• 申請號: 202010330350.X
• 申請日: 2020-04-24
• 公開（公告）號: CN111481402B
• 公開（公告）日: 2022-02-01
• 發明（設計）人: 陳兵;王兵;訾斌;王正雨;周斌
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: A61H1/02
• 分類號: A61H1/02;A63B23/04;A61B5/11;A61B5/103
• 代理公司: 合肥律通專利代理事務所(普通合伙) 34140
• 代理人: 趙春海

本發明公開了一種基于繩索變剛度多功能驅動器的膝關節外骨骼及控制方法，膝關節外骨骼包括腿部結構、多功能驅動器、傳感與控制系統、腰部控制盒，其中多功能驅動器由電機元件、長度調節機構、剛度調節機構和關節磁流變制動器組成。本發明的控制方法是基于使用者的步態分析和需求，以及多功能驅動器的驅動、制動、混合制動、剛度調節等功能，輸出期望的輔助力矩和運動，幫助膝關節運動功能障礙患者進行運動康復；本發明膝關節外骨骼能量效率高、輸出力矩大、剛度可調、便于穿戴，適用于老年人輔助行走和膝關節損傷患者的術后康復訓練。

技術領域

本發明涉及外骨骼機器人領域，特別是涉及一種基于繩索變剛度多功能驅動器的膝關節外骨骼及控制方法。

背景技術

隨著人口老齡化社會的到來以及交通運輸工具的不斷增多，由于身體機能下降或交通事故而引起的肢體運動型患者的數量越來越多，其中以膝關節運動功能障礙患者最為常見?，F代醫學表明，合適的運動康復訓練對于患者肢體運動功能的恢復與提高有很大的益處。與傳統的醫師一對一的物理治療相比，膝關節康復外骨骼可以為患者提供更科學有效、更簡便快捷的康復訓練，最大限度的恢復患者的運動功能障礙。

隨著機器人技術的飛速發展，機器人技術正逐漸應用于康復醫療領域。膝關節康復外骨骼是一種新型的機電一體化裝置，將人的智力與機器人的“體力”完美結合在一起，有效的防止術后引起的關節攣縮和疼痛，促進膝關節肢體恢復。不僅繼承了傳統康復訓練的優點，還解決了此類康復方法中存在的問題：可以滿足不同患者對訓練強度的要求；代替理療師實現長時間的重復性康復工作；能夠使患者直觀的觀察到自己的訓練效果；在患者康復過程中，可以提供助力訓練，或者阻抗訓練，并且可以記錄患者的步態特征、關節力矩等數據，對患者的關節運動功能康復提供準確的判斷依據，為醫生的治療提供客觀參考。因此，開發膝關節康復外骨骼具有重大的應用價值。

驅動器是膝關節康復外骨骼的動力元件，其性能直接決定了外骨骼的功能。具有可變剛度的驅動器可以緩沖驅動器剛性元件以及地面反力對關節的沖擊，對膝關節運動功能恢復具有很大的作用?，F有研究中的驅動器剛度多是固定的，或者通過控制算法改變系統阻抗，但是由于傳感器響應延遲和慣性等因數，這種方法存在一定的安全隱患。另外，大部分研究的制動力矩主要由電機產生，需要提供較大的電流，不僅能量效率低，能耗比較大，還存在安全隱患。

因此，需要研究和設計相應的外骨骼機器人及其控制方法，以實現驅動、制動和混合制動功能，為患者提供能量效率高、控制精確、輸出力矩大、剛度可調和便于穿戴的膝關節外骨骼。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種基于繩索變剛度多功能驅動器的膝關節外骨骼及控制方法，可以實現驅動、制動、混合制動、剛度調節功能，能為膝關節運動功能障礙患者提供期望的輔助力矩和運動，從而幫助患者進行運動康復。

為解決上述技術問題，本發明采用的一個技術方案是：提供一種基于繩索變剛度多功能驅動器的膝關節外骨骼，包括腿部結構、多功能驅動器、傳感與控制系統、腰部控制盒；

所述腿部結構包括大腿桿件、小腿桿件、膝關節轉動軸、關節固定板、大腿綁帶和小腿綁帶；

所述膝關節轉動軸水平設置，小腿桿件的一端與膝關節轉動軸轉動連接，關節固定板的一端與膝關節轉動軸轉動連接、另一端固定連接于小腿桿件的側面，大腿桿件位于小腿桿件和關節固定板之間并與膝關節轉動軸剛性連接；

所述大腿綁帶固定安裝在大腿桿件的側面上，所述小腿綁帶固定安裝在小腿桿件的側面上；

所述多功能驅動器包括電機元件、長度調節機構、剛度調節機構和關節磁流變制動器，多功能驅動器的兩端分別轉動連接于大腿桿件和小腿桿件的側面，多功能驅動器、大腿桿件和小腿桿件形成三連桿機構；

所述傳感與控制系統包括傳感器系統和控制系統，所述傳感器系統中的元器件分別安裝在腿部結構和多功能驅動器上，控制系統中的元器件安裝固定在腰部控制盒內。