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CN107126344B - 下肢行走功能康复用外骨骼康复机器人与控制系统及方法 - Google Patents

下肢行走功能康复用外骨骼康复机器人与控制系统及方法 Download PDF

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CN107126344B
CN107126344B CN201710540020.1A CN201710540020A CN107126344B CN 107126344 B CN107126344 B CN 107126344B CN 201710540020 A CN201710540020 A CN 201710540020A CN 107126344 B CN107126344 B CN 107126344B
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Tianjin University of Science and Technology
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Abstract

一种下肢行走功能康复用外骨骼康复机器人及其控制系统与方法，该机器人从上至下依次包括靠背、髋关节动力源、髋关节组件、腰部组件、大腿杆组件、膝关节动力源、膝关节组件、小腿杆组件、踝关节组件、足部踏板。本下肢外骨骼康复机器人运用仿生学原理设计驱动方案，增加踝关节主动自由度，通过主动牵拉患者跟腱肌肉加快其踝关节功能的恢复速度；腰部组件、连杆机构以及足部踏板采用碳纤维复合材料，保持强度同时减轻结构重量与体积；腰部宽度、大腿长度和小腿长度均设置无极可调功能，并配有柔性绑带，最大程度满足使用者穿戴舒适度要求。本发明既可以作为行走失能患者的代步工具，也可以通过主动式训练帮助脑卒中患者重新获得行走能力。

Description

下肢行走功能康复用外骨骼康复机器人与控制系统及方法
技术领域
本发明涉及医疗用康复设备技术领域，尤其适用于行走障碍、身体康复、截瘫患者机能训练与辅助运动等，更具体地说，特别涉及一种下肢行走功能康复用外骨骼康复机器人以及用于对该机器人进行控制的控制系统与控制方法。
背景技术
功能是指组织、器官、肢体等的特征性活动，如手的功能是利用工具劳动，下肢的功能是支撑身体和走路，对于患有下肢行走功能障碍的患者而言，其行走能力受限，甚至是无法进行行走。
在现有技术中，下肢行走功能障碍康复工具主要是行走康复器，一种典型的行走康复器，其具体结构为：包括有一个板式结构的主体，在主体的两侧设置不锈钢支腿，在主体的上侧设置扶手。患者握住扶手，以支腿作为支撑进行缓慢移动，从而达到康复训练的目的。
上述的行走康复器功能单一，仅限于轻度下肢行走功能障碍的患者，对于重症患者或者是无法行走的患者而言，上述的行走康复器就无法发挥康复训练功能。
发明内容
(一)技术问题
综上所述，如何提供一种适用于下肢行走功能障碍重症患者的行走康复器，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。
(二)技术方案
本发明提供了一种下肢行走功能康复用外骨骼康复机器人，包括有：
腰部支撑系统，所述腰部支撑系统包括有腰部组件、靠背以及腰部柔性绑带；
髋关节系统，所述髋关节系统包有髋关节动力源、髋关节组件；
腿部运动系统，所述腿部运动系统包括有大腿杆组件、膝关节动力源、膝关节组件、小腿杆组件；
脚部系统，所述脚部系统包括有踝关节组件以及足部踏板；
其中，所述靠背的前端与所述腰部柔性绑带相连，所述靠背的后端与所述腰部组件连接，于所述靠背的背面设置有用于供电的电源以及具有控制功能的控制模组；
所述髋关节动力源固定设置于所述腰部组件上、并与所述电源以及所述控制模组连接，所述髋关节组件固定设置于所述腰部组件，所述髋关节组件通过铰接方式与所述大腿杆组件连接，所述髋关节动力源通过所述髋关节组件与所述大腿杆组件动力连接、并可驱动所述大腿杆组件相对于所述腰部组件转动；
所述膝关节动力源固定设置于所述大腿杆组件上、并与所述电源以及所述控制模组连接，所述大腿杆组件以及所述小腿杆组件通过所述膝关节组件铰接，所述膝关节动力源通过所述膝关节组件与所述小腿杆组件动力连接、并可驱动所述小腿杆组件相对于所述大腿杆组件转动；
所述踝关节组件通过胶接方式与所述小腿杆组件连接，所述踝关节组件与所述足部踏板连接；
于所述大腿杆组件上设置有大腿绑缚支架以及大腿柔性绑带，于所述小腿杆组件上设置有小腿绑缚支架以及小腿柔性绑带。
优选地，所述髋关节动力源包括有第一伺服电机以及与所述第一伺服电机动力配合连接的第一滚珠丝杠，所述第一滚珠丝杠与所述大腿杆组件铰接；所述膝关节动力源包括有第二伺服电机以及与所述第二伺服电机动力配合连接的第二滚珠丝杠，所述第二滚珠丝杠与所述小腿杆组件铰接。
优选地，所述大腿杆组件包括大腿上杆件、第一孔套、大腿杆长调节部件、大腿下杆件、髋关节动力连接件、大腿杆长调节螺柱、膝关节动力源支座；所述第一孔套通过过盈配合压入所述髋关节动力连接件中，所述髋关节动力连接件通过螺栓安装在所述大腿上杆件上，所述膝关节动力源支座通过螺栓安装在所述大腿下杆件上，所述大腿杆长调节部件的两端通过螺纹连接的方式分别安装在所述大腿上杆件和所述大腿下杆件的端部；所述小腿杆组件包括小腿上杆件、第二孔套、小腿杆长调节部件、小腿下杆件、膝关节动力连接件、小腿杆长调节螺柱；所述第二孔套通过过盈配合压入所述膝关节动力连接件中，所述膝关节动力连接件通过螺栓安装在所述小腿上杆件上，所述小腿杆长调节部件的两端通过螺纹连接的方式分别安装在所述小腿上杆件和所述小腿下杆件的端部。
优选地，所述髋关节组件包括髋关节轴承端盖、第一轴套、髋关节轴承、髋关节定位挡板、髋关节左主轴、髋关节右主轴、大腿杆端部连接头、第一小角度挡块、第一大角度挡块；所述第一轴套设置于所述髋关节轴承内，所述髋关节左主轴和所述髋关节右主轴通过螺栓安装在所述腰部组件的后腰左侧轴和后腰右侧轴上，于所述髋关节左主轴和所述髋关节右主轴上均设置有所述髋关节轴承，所述髋关节轴承的外圈与所述髋关节定位挡板的内孔配合连接，所述髋关节轴承端盖通过螺钉设置于所述髋关节定位挡板上，所述第一小角度挡块、所述第一大角度挡块分别通过胶接方式粘附于所述髋关节左主轴和所述髋关节右主轴上，所述大腿杆端部连接头通过螺栓连接固定在所述髋关节定位挡板的中间、并与所述大腿上杆件相连。
优选地，所述膝关节组件包括膝关节轴承端盖、第二轴套、第三孔套、膝关节轴承、膝关节定位挡板、膝关节主轴、小腿端部连接头、第二大角度挡块、第二小角度挡块；所述第二轴套设置于所述膝关节轴承内，所述膝关节主轴的两侧均设置有所述膝关节轴承，所述膝关节轴承的内圈通过第二轴套与所述膝关节主轴配合，所述膝关节轴承的外圈与所述膝关节定位挡板配合，所述第三孔套通过过盈配合安装在所述膝关节定位挡板上、并用于连接所述膝关节动力源的输出端，所述第二大角度限位块设置于所述膝关节定位挡板上，第二小角度限位块设置于所述膝关节主轴上，所述膝关节轴承端盖通过螺钉设置于所述膝关节定位挡板上，所述小腿端部连接头通过螺栓固定在所述膝关节定位挡板上。
优选地，所述脚部系统还包括有足部踏板柔性绑带、足部踏板、踏板支座、橡胶足底、足跟右定位块、足跟左定位块、踏板支撑块、足部踏板上限位块、足部踏板下限位块、踝足连接板、减速器前支座、减速器后支座、谐波减速器、盘式电机；所述盘式电机以及所述谐波减速器通过螺钉设置在所述减速器后支座上，所述减速器前支座通过螺钉与所述谐波减速器连接、并安装在所述踝足连接板上，所述踏板支撑块设置于所述踏板支座上，所述足跟右定位块以及所述足跟左定位块设置于所述足部踏板的后侧，所述足部踏板柔性绑带设置于所述足部踏板的上侧面，所述橡胶足底设置于所述足部踏板的下侧面。
优选地，所述腰部组件包括前排左侧轴、前排中间轴、前排调节把手、前排T型槽、前排右侧轴、后腰左侧轴、腰部合页、髋关节动力源支座、支座腰部连接件、第四孔套、腰部右侧轴、后腰T型槽、后腰中间轴、后腰宽度调节把手；所述前排左侧轴和所述前排右侧轴通过螺栓分别与所述腰部合页连接并安装于所述后腰左侧轴以及所述后腰右侧轴上，所述前排T型槽通过设置于所述前排中间轴上，所述前排调节把手内置螺纹、并与穿过所述前排中间轴上孔的T型螺栓进行螺纹连接；通过螺钉将所述髋关节动力源支座固定在所述支座腰部连接件上，所述支座腰部连接件设置于所述后腰左侧轴和所述后腰右侧轴上，所述后腰T型槽设置于所述后腰左侧轴和所述后腰右侧轴上；所述后腰宽度调节把手内置螺纹、并与穿过所述后排中间轴上孔的T型螺栓进行螺纹连接。
本发明还提供了一种动力式下肢外骨骼康复机器人控制系统，该控制系统包括有微控制器模块、直线执行机构模块、传感器模块和数据采集模块；
所述传感器模块包括足底压力传感器和倾角传感器，所述足底压力传感器安装在下肢外骨骼的足部并分布在足底的第一跖骨、第二跖骨和足跟三处，用以采集人穿戴外骨骼行走时的足底压力数据；
所述倾角传感器设置在外骨骼机器人的左侧大腿杆、左侧小腿杆、右侧大腿杆、右侧小腿杆处，用于采集人穿戴下肢外骨骼行走过程中髋关节和膝关节的角度变化数据；
所述微控制器内部集成了模拟数字转换器和总线接口，所述足底压力传感器采集到的压力信号经过放大和滤波之后，由模拟数字转化器转换成数字信号并与所述倾角传感器采集到的角度信号一起通过微控制器的总线接口传送给PC上位机。
本发明还提供了一种动力式下肢外骨骼康复机器人预定轨迹控制方法，该方法包括有如下步骤：
步骤1、通过三维红外运动捕捉系统获取正常人体在一个步态周期内行走的步态数据，包括左腿髋关节角度数据、左腿膝关节角度数据、右腿髋关节角度数据和右腿膝关节角度数据。对一个步态周期内的关节角度数据进行离散化处理，得到任意时刻的关节角度值；
步骤2、根据外骨骼机器人结构的几何位置关系推导出髋关节角度与髋关节处执行机构位移之间的转换关系，膝关节角度与膝关节处执行机构位移之间的转换关系；
在步骤2中，外骨骼机器人关节角度与执行机构位移之间的转换关系为：
将下肢外骨骼的大腿杆和小腿杆简化为连杆结构：
设定：A代表髋关节、F代表膝关节、AF表示大腿杆、E表示髋关节抬起最大角度时膝关节的位置；
髋关节处执行机构的长度与关节角度的关系为：
设定：E'表示髋关节、F'表示膝关节、C'表示膝关(节1)抬起最大角度时膝关节的位置；
膝关节处执行机构的长度与关节角度之间的关系为：
在式(1)中，L1(t)表示t时刻髋关节处执行机构的长度，θ1(t)表示t时刻髋关节角度，在式(2)中，L2(t)表示t时刻膝关节处执行机构的长度，θ2(t)表示t时刻膝关节角度；
步骤3、通过步骤1所得关节角度值和步骤二所求得的关节角度与执行机构位移之间的转换关系，获取外骨骼机器人左腿执行机构的位移量和右腿执行机构的位移量，根据执行机构位移量与脉冲之间的转换关系获取执行机构的脉冲量；
在步骤3中，外骨骼机器人执行机构的位移量与脉冲数之间的转换关系为：
在式(3)中，θ表示伺服电动缸的步距角，s表示丝杠的螺距，P表示脉冲数；L(t+Δt)表示t+Δt时刻执行机构的长度。
优选地，通过预定轨迹控制策略，基于人体行走机理，通过三维运动捕捉系统采集正常人体在平地、坡道和楼梯不同行走环境下的步态数据，对所生成的轨迹进行参数化处理，从而建立人在不同行走环境下的运动模型；
在平地行走过程中，根据人体正常行走的步态对人穿戴康复机器人时的行走轨迹进行规划，将人体正常行走步态经过参数化处理得到一个步态周期内各个关节角度的变化，并将关节角度转换成滚珠丝杠的位移，作为控制系统的输入对执行器进行驱动，在行走过程中，传感器将实时数据反馈给控制器进行调整，最终达到实现人体正常行走步态的目标；
在爬楼梯行走过程中，根据楼梯台阶的高度和宽度来调整康复机器人髋关节和膝关节的屈伸角度，并且根据足底压力传感器采集到的实时数据判断人体的重心位置，通过控制器的不断调整，使之达到平衡状态；
在上坡的行走状态中，除了要根据坡的角度来调整康复机器人髋关节和膝关节的屈伸角度之外，还要增加双腿支撑相在整个步态周期中所占的时间，所占比例的大小要根据坡的角度进行调整。
(三)有益效果
通过上述结构设计，本发明增加踝关节主动自由度，通过主动牵拉患者跟腱肌肉加快恢复速度。下肢外骨骼康复机器人的腰部组件、连杆机构以及足部踏板采用碳纤维复合材料，保持强度同时减轻结构重量与体积。康复机器人腰部宽度、大腿长度和小腿长度均设置无极可调功能。
附图说明
图1为本发明实施例中下肢行走功能康复用外骨骼康复机器人的整体结构示意图；
图2为本发明实施例中大腿杆组件的结构示意图；
图3为本发明实施例中小腿杆组件的结构示意图；
图4为本发明实施例中腰部组件的结构示意图；
图5为本发明实施例中髋关节组件的结构示意图；
图6为本发明实施例中膝关节组件的结构示意图；
图7为本发明实施例中踝关节组件的结构示意图；
图8为本发明实施例中动力式下肢外骨骼康复机器人控制系统的结构框图；
图9为本发明实施例中动力式下肢外骨骼康复机器人的运动简图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参考图1至图9，其中，图1为本发明实施例中下肢行走功能康复用外骨骼康复机器人的整体结构示意图；图2为本发明实施例中大腿杆组件的结构示意图；图3为本发明实施例中小腿杆组件的结构示意图；图4为本发明实施例中腰部组件的结构示意图；图5为本发明实施例中髋关节组件的结构示意图；图6为本发明实施例中膝关节组件的结构示意图；图7为本发明实施例中踝关节组件的结构示意图；图8为本发明实施例中动力式下肢外骨骼康复机器人控制系统的结构框图；图9为本发明实施例中动力式下肢外骨骼康复机器人的运动简图。
本发明提供了一种用于下肢行走功能障碍的患者的外骨骼康复机器人，从上至下包括：靠背1、髋关节动力源2、髋关节组件3、腰部组件9、大腿杆组件10、膝关节动力源5、膝关节组件12、小腿杆组件13、踝关节组件7、足部踏板15。
靠背1的前端与腰部柔性绑带8相连，靠背1的后侧与腰部组件9通过螺栓连接，靠背1的背面安装有用于供电的电源以及具有控制功能的控制模块。
髋关节动力源2通过髋关节动力源支座65安装于腰部组件9上，髋关节组件3通过螺栓及卡扣结构安装于腰部组件9上、并通过铰接方式与大腿杆组件10连接。
膝关节动力源5通过安装在大腿杆下端的膝关节动力源支座22固定，膝关节组件12通过铰接方式安装于大腿杆组件10和小腿杆组件13上。
大腿杆组件10安装有大腿绑缚支架4以及大腿柔性绑带11，小腿杆组件安装有小腿绑缚支架6和小腿柔性绑带14。踝关节组件7通过胶接方式与小腿杆组件13连接，并通过螺栓与足部踏板15连接。
髋关节动力源2和膝关节动力源5均为伺服电动缸，其原理是电机与滚珠丝杠配合提供动力，其优点为：在同等动力输出情况下质量轻于电机与减速器配合的方案，而且其环境适应性更强，同时更体现仿生学设计，模拟了正常人行走时人体肌肉伸缩运动规律。也因此使得步态更加自然。
大腿杆组件10和小腿杆组件13构成方式相同，以大腿杆组件为例，其包括大腿上杆件16、第一孔套17、大腿杆长调节端18、大腿下杆件19、髋关节动力连接件20、大腿杆长调节螺柱21、膝关节动力源支座22。
第一孔套17通过过盈配合压入到髋关节动力连接件20的相应孔中，髋关节动力连接件20通过螺栓安装在大腿上杆件16上，膝关节动力源支座22通过螺栓安装在大腿下杆件19上。大腿杆长调节端18通过螺纹连接的方式分别安装在大腿上杆件16和大腿下杆件19的端部，并通过大腿杆长调节端18内置螺纹与大腿杆长调节螺柱21配合，将大腿上杆件16和大腿下杆件19连接在一起。
大腿杆组件10和小腿杆组件13均可对杆长实现无极调节，满足不同身高的使用者穿戴要求，其调节方法为：松开大腿上杆件16下端和大腿下杆件19上端的紧固螺母，旋拧大腿杆长调节螺柱21，两杆的大腿杆长调节端18螺纹旋向不同，因此调节时上下杆件向相反方向移动，调节至适宜长度后，拧紧两杆件上的紧固螺母，即完成调节。
小腿杆组件13包括有小腿上杆件23、小腿杆长调节部件24、小腿下杆件25，小腿上杆件23通过小腿杆长调节部件24与小腿下杆件25实现组装。
髋关节组件3包括髋关节轴承端盖26、轴套27、髋关节轴承28、髋关节定位挡板30、髋关节左主轴29、髋关节右主轴32、大腿杆端部连接头31、第一小角度挡块33、第二大角度挡块34。
髋关节组件3的安装方式为：髋关节左主轴29和髋关节右主轴32通过螺栓安装在腰部组件9的后腰左侧轴63和后腰右侧轴68上，左右主轴分别安装有髋关节轴承28，髋关节轴承28的轴承内圈与上述的髋关节左、右主轴配合，髋关节轴承28的轴承外圈与髋关节定位挡板30内孔配合。髋关节轴承端盖26通过螺钉安装在髋关节定位挡板30上。第一小角度挡块33、第二大角度挡块34分别固定设置在左右主轴对应位置，从而避免髋关节主轴与髋关节挡板运动至极限位置时由于限位作用而产生的冲击造成的接触面磨损。
大腿杆端部连接头31通过螺栓连接固定在两侧髋关节定位挡板30中间并与大腿上杆件16相连。
髋关节左主轴29、髋关节右主轴32最为重要，因为其不仅要连接上方腰部并固定，承受患者和外骨骼系统施加的载荷，还要负责髋关节矢状面活动的限位，为患者穿戴后进行康复训练时提供保护，而且还要吸收一部分运动时产生的机械振动与冲击作用。
其次重要的就是髋关节定位挡板30，它一方面需要与左右主轴相互作用以达到矢状面运动限位的目的，同时还要连接大腿杆端部连接头31来保持上下端的联系。轴承端盖26和轴套27分别对主轴上安装的髋关节轴承28进行密封和固定。
膝关节组件12包括膝关节轴承端盖35、第二轴套36、第三孔套37、膝关节轴承38、膝关节定位挡板39、膝关节主轴40、小腿端部连接头41、第二大角度挡块42、第二小角度挡块43。膝关节组件12的安装方式为：膝关节主轴40两侧均安装有膝关节轴承38，轴承内圈与膝关节主轴40配合，轴承外圈与膝关节定位挡板39配合，第三孔套37通过过盈配合安装在膝关节定位挡板39相应孔中，用于连接膝关节动力源5输出端，大角度限位块42通过胶接方式粘附于膝关节定位挡板39，小角度限位块43通过胶接方式粘附于膝关节主轴40，用于避免膝关节主轴与定位挡板由于限位作用而造成的接触面磨损。
膝关节轴承端盖35通过螺钉安装在膝关节定位挡板39上，小腿端部连接头41通过螺栓固定在两块膝关节定位挡板39之间。在本膝关节设计中，膝关节主轴40最为重要，因为其不仅要连接上端大腿杆，承受患者和外骨骼系统部分的重量，还要负责膝关节活动的限位来为患者穿戴后进行康复训练时提供保护，而且还要吸收一部分运动时产生的机械振动与冲击作用。
膝关节定位挡板39的作用也非常重要，它一方面需要连接为外骨骼膝关节屈-伸运动提供动力的伺服电动缸输出端部，另一方面需要与主轴相互作用已达到限位的目的，同时还要连接小腿杆端部连接头41来保持上下端的联系，膝关节轴承端盖35和第二轴套36分别对主轴上安装的膝关节轴承38进行密封和固定。
踝关节组件7及足部踏板15，包括足部踏板柔性绑带44、足部踏板45、踏板支座46、橡胶足底47、足跟右定位块48、足跟做定位块50、踏板支撑块49、足部踏板上限位块51、足部踏板下限位块52、踝足连接板53、减速器前支座54、减速器后支座55、谐波减速器56、盘式电机57。踝关节组件7的安装方式为：盘式电机57及谐波减速器56通过螺钉安装在减速器后支座55上，减速器前支座54通过螺钉与谐波减速器56连接并安装踝足连接板53上。安装足跟右定位块48和足跟左定位块50，踏板支撑块49通过胶接方式粘附于踏板支座46指定位置，安装足部踏板上限位块51和足部踏板下限位块52，通过胶接方式将橡胶足底47粘附于踏板支座46底部。本设计足部踏板运用杠杆原理通过将踏板支撑块49作支点，可使足部踏板45在承受人体及康复机器人的重量时发生弹性形变。
腰部组件9包括：前排左侧轴58、前排中间轴59、前排调节把手60、前排T型槽61、前排右侧轴62、后腰左侧轴63、腰部合页64、髋关节动力源支座65、支座腰部连接件66、孔套67、腰部右侧轴68、后腰T型槽69、后腰中间轴70后腰宽度调节把手71。
腰部组件9的安装方式为：前排左侧轴58和前排右侧轴62通过螺栓分别与腰部合页64连接并安装于后腰左侧轴63和后腰右侧轴68，前排T型槽61通过胶接方式粘附于前排中间轴59上，前排调节把手60内置螺纹，与穿过前排中间轴59上孔的T型螺栓进行螺纹连接。
通过螺钉将髋关节动力源支座65固定在支座腰部连接件66上，支座腰部连接件66通过胶接方式固定在后腰左侧轴63和后腰右侧轴68上，后腰T型槽69通过胶接方式粘附于后腰左侧轴63和后腰右侧轴68上，后腰宽度调节把手71内置螺纹，与穿过后排中间轴70上孔的T型螺栓进行螺纹连接。腰部组件9可针对使用者腰部宽度实现无级调节，具体调节方式为后腰左侧轴63和后腰右侧轴68与后腰中间轴70形成导轨式连接，并通过后腰宽度调节把手71拧紧固定，前排左侧轴58和前排右侧轴62与前排中间轴59形成导轨式连接，并通过前排宽度调节把手60拧紧固定，当前排和后腰相应部件调节到与穿戴者对应的尺寸后，通过把手紧固，从而最大程度满足患者穿戴时的舒适度要求。
本发明在髋关节组件和膝关节组件内安装有传感器用于收集康复机器人行走时关节角度和关节力矩的信息，足部踏板内置足底压力传感器，收集康复机器人行走时足底压力大小及分布的信息，所有传感器均与控制系统连接。
在控制方面，本发明在控制方法上采取预定轨迹控制策略，基于人体行走机理，通过三维运动捕捉系统采集正常人在平地、坡道、楼梯等不同行走环境下的步态数据，对所生成的轨迹进行参数化处理，从而建立人在不同行走环境下的运动模型。通过控制人机操作界面，使用者可针对不同行走环境进行相应的步态训练，并对运动模式运动速度、步幅进行实时的调整，设置防痉挛预警和急停装置，使控制系统更具人性化和智能化，使控制模式与人的匹配性更好，从而能极大地满足穿戴者的使用需求。
在平地行走过程中，根据人体正常行走的步态对人穿戴助行器时的行走轨迹进行规划，将人体正常行走步态经过参数化处理得到一个步态周期内各个关节角度的变化，并将关节角度转换成滚珠丝杠的位移，作为控制系统的输入对执行器进行驱动，在行走过程中，传感器将实时数据反馈给控制器进行调整，最终达到实现人体正常行走步态的目标。
爬楼梯行走过程中，根据楼梯台阶的高度和宽度来调整助行器髋关节和膝关节的屈伸角度，并且根据足底压力传感器采集到的实时数据来判断人体的重心位置，通过控制器不断的反馈调整使之达到平衡状态。
在上坡的行走状态中，除了要根据坡的角度来调整助行器髋关节和膝关节的屈伸角度之外，还要增加双腿支撑相在整个步态周期中所占的时间，所占比例的大小要根据坡的角度进行调整。
与现有技术相比，本发明的创新点是：
1.增加踝关节主动自由度，通过主动牵拉患者跟腱肌肉加快恢复速度。
2.下肢外骨骼康复机器人的腰部组件、连杆机构以及足部踏板采用碳纤维复合材料，保持强度同时减轻结构重量与体积。
3.康复机器人腰部宽度、大腿长度和小腿长度均设置无极可调功能。
本发明提供的一种下肢外骨骼机器人所面向的人群主要为下肢运动障碍患者，作为康复辅具来锻炼他们的下肢运动能力，所以选用的控制方案为预定轨迹控制方法，控制目标是能够使得下肢运动障碍患者在下肢外骨骼的帮助下能够按照人体的正常步态行走，将人体的正常步态轨迹根据前面设计的外骨骼结构的几何位置关系转化为各关节驱动电机的运动轨迹，将这些信息储存到控制器中，当人需要穿戴外骨骼行走时，控制器将这些信息转化成执行机构能够识别的指令，执行机构根据接受到的指令完成相应的动作，最终，在各关节处的执行机构的协调作用帮助下肢运动障碍患者完成按照人体正常步态的行走。
本发明通过预定轨迹控制策略，基于人体行走机理，通过三维运动捕捉系统采集正常人体在平地、坡道和楼梯不同行走环境下的步态数据，对所生成的轨迹进行参数化处理，从而建立人在不同行走环境下的运动模型。通过控制人机操作界面，使用者可针对不同行走环境进行相应的步态训练并对运动模式、运动速度、步幅进行实时的调整，设置防痉挛预警和急停装置，能够有效保障穿戴者的行走安全，使控制系统更具人性化和智能化，使得控制模式与人的匹配性更好，从而能极大地满足穿戴者的使用需求。本系统解决了康复机器人的运动控制问题，使得机器人能够按照规划的步态轨迹进行行走。
通过三维红外运动捕捉系统获取正常人体在一个步态周期内行走的步态数据，包括左腿髋关节角度数据、左腿膝关节角度数据、右腿髋关节角度数据和右腿膝关节角度数据。对一个步态周期内的关节角度数据进行离散化处理，得到任意时刻的关节角度值。
根据外骨骼机器人结构的几何位置关系推导出髋关节角度与髋关节处执行机构位移之间的转换关系，膝关节角度与膝关节处执行机构位移之间的转换关系。
通过所得关节角度值和所求得的关节角度与执行机构位移之间的转换关系，获取外骨骼机器人左腿执行机构的位移量和右腿执行机构的位移量，根据执行机构位移量与脉冲之间的转换关系获取执行机构的脉冲量。通过控制执行机构位移量的变化来达到控制下肢外骨骼机器人关节姿态变化的目的。
所选执行机构为伺服电动缸，根据伺服电动缸的参数设置，将相应的推杆位移量转换成能够驱动伺服电动缸工作的脉冲量，将上述执行机构的速度转换成脉冲频率。
在上位机的数据表中设置好基础参数，通过总线传输的方式将数据指令传递给下位机，下位机将数据指令转换成伺服驱动器能够识别的信号，通过伺服驱动器控制伺服电动缸的运动。
伺服电动缸集成的光电旋转编码器能够实时的采集伺服电动缸的实际输出数据值；下肢外骨骼机器人大腿杆和小腿杆处安装的倾角传感器能够采集到外骨骼机器人腿杆位置角度的变化数据，用以计算髋关节和膝关节角度的变化值；安装在外骨骼机器人足底的足底压力传感器能够采集穿戴外骨骼机器人行走时的足底压力数据；上述所采集到的数据通过数据采集模块传输给下位机，再由总线传输的方式反馈给上位机进行处理和计算，然后得到新的目标指令。经过不断的控制和反馈调节，最终达到理想的控制目标。
本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (9)

1.一种下肢行走功能康复用外骨骼康复机器人，其特征在于，包括有：
腰部支撑系统，所述腰部支撑系统包括有腰部组件(9)、靠背(1)以及腰部柔性绑带(8)；
髋关节系统，所述髋关节系统包有髋关节动力源(2)、髋关节组件(3)；
腿部运动系统，所述腿部运动系统包括有大腿杆组件(10)、膝关节动力源(5)、膝关节组件(12)、小腿杆组件(13)；
脚部系统，所述脚部系统包括有踝关节组件(7)以及足部踏板(15)；
其中，所述靠背(1)的前端与所述腰部柔性绑带(8)相连，所述靠背(1)的后端与所述腰部组件(9)连接，于所述靠背(1)的背面设置有用于供电的电源以及具有控制功能的控制模组；
所述髋关节动力源(2)固定设置于所述腰部组件(9)上、并与所述电源以及所述控制模组连接，所述髋关节组件(3)固定设置于所述腰部组件(9)，所述髋关节组件(3)通过铰接方式与所述大腿杆组件(10)连接，所述髋关节动力源(2)通过所述髋关节组件(3)与所述大腿杆组件(10)动力连接、并可驱动所述大腿杆组件(10)相对于所述腰部组件(9)转动；
所述膝关节动力源(5)固定设置于所述大腿杆组件(10)上、并与所述电源以及所述控制模组连接，所述大腿杆组件(10)以及所述小腿杆组件(13)通过所述膝关节组件(12)铰接，所述膝关节动力源(5)通过所述膝关节组件(12)与所述小腿杆组件(13)动力连接、并可驱动所述小腿杆组件(13)相对于所述大腿杆组件(10)转动；
所述踝关节组件(7)通过胶接方式与所述小腿杆组件(13)连接，所述踝关节组件(7)与所述足部踏板(15)连接；
于所述大腿杆组件(10)上设置有大腿绑缚支架(4)以及大腿柔性绑带(11)，于所述小腿杆组件上设置有小腿绑缚支架(6)以及小腿柔性绑带(14)；
所述大腿杆组件(10)包括大腿上杆件(16)、第一孔套(17)、大腿杆长调节部件(18)、大腿下杆件(19)、髋关节动力连接件(20)、大腿杆长调节螺柱(21)、膝关节动力源支座(22)；
所述第一孔套(17)通过过盈配合压入所述髋关节动力连接件(20)中，所述髋关节动力连接件(20)通过螺栓安装在所述大腿上杆件(16)上，所述膝关节动力源支座(22)通过螺栓安装在所述大腿下杆件(19)上，所述大腿杆长调节部件(18)的两端通过螺纹连接的方式分别安装在所述大腿上杆件(16)和所述大腿下杆件(19)的端部；
所述小腿杆组件包括小腿上杆件(23)、第二孔套、小腿杆长调节部件(24)、小腿下杆件(25)、膝关节动力连接件、小腿杆长调节螺柱；
所述第二孔套通过过盈配合压入所述膝关节动力连接件中，所述膝关节动力连接件通过螺栓安装在所述小腿上杆件上，所述小腿杆长调节部件的两端通过螺纹连接的方式分别安装在所述小腿上杆件和所述小腿下杆件的端部。
2.根据权利要求1所述的下肢行走功能康复用外骨骼康复机器人，其特征在于，
所述髋关节动力源(2)包括有第一伺服电机以及与所述第一伺服电机动力配合连接的第一滚珠丝杠，所述第一滚珠丝杠与所述大腿杆组件(10)铰接；
所述膝关节动力源(5)包括有第二伺服电机以及与所述第二伺服电机动力配合连接的第二滚珠丝杠，所述第二滚珠丝杠与所述小腿杆组件(13)铰接。
3.根据权利要求1所述的下肢行走功能康复用外骨骼康复机器人，其特征在于，
所述髋关节组件(3)包括髋关节轴承端盖(26)、第一轴套(27)、髋关节轴承(28)、髋关节定位挡板(30)、髋关节左主轴(29)、髋关节右主轴(32)、大腿杆端部连接头(31)、第一小角度挡块(33)、第一大角度挡块(34)；
所述第一轴套(27)设置于所述髋关节轴承(28)内，所述髋关节左主轴(29)和所述髋关节右主轴(32)通过螺栓安装在所述腰部组件(9)的后腰左侧轴(63)和后腰右侧轴(68)上，于所述髋关节左主轴(29)和所述髋关节右主轴(32)上均设置有所述髋关节轴承(28)，所述髋关节轴承(28)的外圈与所述髋关节定位挡板(30)的内孔配合连接，所述髋关节轴承端盖(26)通过螺钉设置于所述髋关节定位挡板(30)上，所述第一小角度挡块(33)、所述第一大角度挡块(34)分别通过胶接方式粘附于所述髋关节左主轴(29)和所述髋关节右主轴(32)上，所述大腿杆端部连接头(31)通过螺栓连接固定在所述髋关节定位挡板(30)的中间、并与所述大腿上杆件(16)相连。
4.根据权利要求1所述的下肢行走功能康复用外骨骼康复机器人，其特征在于，
所述膝关节组件(12)包括膝关节轴承端盖(35)、第二轴套(36)、第三孔套(37)、膝关节轴承(38)、膝关节定位挡板(39)、膝关节主轴(40)、小腿端部连接头(41)、第二大角度挡块(42)、第二小角度挡块(43)；
所述第二轴套(36)设置于所述膝关节轴承(38)内，所述膝关节主轴(40)的两侧均设置有所述膝关节轴承(38)，所述膝关节轴承(38)的内圈通过第二轴套(36)与所述膝关节主轴(40)配合，所述膝关节轴承(38)的外圈与所述膝关节定位挡板(39)配合，所述第三孔套(37)通过过盈配合安装在所述膝关节定位挡板(39)上、并用于连接所述膝关节动力源(5)的输出端，所述第二大角度限位块(42)设置于所述膝关节定位挡板(39)上，第二小角度限位块(43)设置于所述膝关节主轴(40)上，所述膝关节轴承端盖(35)通过螺钉设置于所述膝关节定位挡板(39)上，所述小腿端部连接头(41)通过螺栓固定在所述膝关节定位挡板(39)上。
5.根据权利要求1所述的下肢行走功能康复用外骨骼康复机器人，其特征在于，
所述脚部系统还包括有足部踏板柔性绑带(44)、足部踏板(45)、踏板支座(46)、橡胶足底(47)、足跟右定位块(48)、足跟左定位块(50)、踏板支撑块(49)、足部踏板上限位块(51)、足部踏板下限位块(52)、踝足连接板(53)、减速器前支座(54)、减速器后支座(55)、谐波减速器(56)、盘式电机(57)；
所述盘式电机(57)以及所述谐波减速器(56)通过螺钉设置在所述减速器后支座(55)上，所述减速器前支座(54)通过螺钉与所述谐波减速器(56)连接、并安装在所述踝足连接板(53)上，所述踏板支撑块(49)设置于所述踏板支座(46)上，所述足跟右定位块(48)以及所述足跟左定位块(50)设置于所述足部踏板(45)的后侧，所述足部踏板柔性绑带(44)设置于所述足部踏板(45)的上侧面，所述橡胶足底(47)设置于所述足部踏板(45)的下侧面。
6.根据权利要求1所述的下肢行走功能康复用外骨骼康复机器人，其特征在于，
所述腰部组件(9)包括前排左侧轴(58)、前排中间轴(59)、前排调节把手(60)、前排T型槽(61)、前排右侧轴(62)、后腰左侧轴(63)、腰部合页(64)、髋关节动力源支座(65)、支座腰部连接件(66)、第四孔套(67)、腰部右侧轴(68)、后腰T型槽(69)、后腰中间轴(70)、后腰宽度调节把手(71)；
所述前排左侧轴(58)和所述前排右侧轴(62)通过螺栓分别与所述腰部合页(64)连接并安装于所述后腰左侧轴(63)以及所述后腰右侧轴(68)上，所述前排T型槽(61)通过设置于所述前排中间轴(59)上，所述前排调节把手(60)内置螺纹、并与穿过所述前排中间轴(59)上孔的T型螺栓进行螺纹连接；
通过螺钉将所述髋关节动力源支座(65)固定在所述支座腰部连接件(66)上，所述支座腰部连接件(66)设置于所述后腰左侧轴(63)和所述后腰右侧轴(68)上，所述后腰T型槽(69)设置于所述后腰左侧轴(63)和所述后腰右侧轴(68)上；
所述后腰宽度调节把手(71)内置螺纹、并与穿过所述后腰中间轴(70)上孔的T型螺栓进行螺纹连接。
7.一种动力式下肢外骨骼康复机器人控制系统，其特征在于，
包括有微控制器模块、直线执行机构模块、传感器模块和数据采集模块；
所述传感器模块包括足底压力传感器和倾角传感器，所述足底压力传感器安装在下肢外骨骼的足部并分布在足底的第一跖骨、第二跖骨和足跟三处，用以采集人穿戴外骨骼行走时的足底压力数据；
所述倾角传感器设置在外骨骼机器人的左侧大腿杆、左侧小腿杆、右侧大腿杆、右侧小腿杆处，用于采集人穿戴下肢外骨骼行走过程中髋关节和膝关节的角度变化数据；
所述微控制器内部集成了模拟数字转换器和总线接口，所述足底压力传感器采集到的压力信号经过放大和滤波之后，由模拟数字转化器转换成数字信号并与所述倾角传感器采集到的角度信号一起通过微控制器的总线接口传送给PC上位机。
8.一种动力式下肢外骨骼康复机器人预定轨迹控制方法，其特征在于，
包括有如下步骤：
步骤1、通过三维红外运动捕捉系统获取正常人体在一个步态周期内行走的步态数据，包括左腿髋关节角度数据、左腿膝关节角度数据、右腿髋关节角度数据和右腿膝关节角度数据；对一个步态周期内的关节角度数据进行离散化处理，得到任意时刻的关节角度值；
步骤2、根据外骨骼机器人结构的几何位置关系推导出髋关节角度与髋关节处执行机构位移之间的转换关系，膝关节角度与膝关节处执行机构位移之间的转换关系；
在步骤2中，外骨骼机器人关节角度与执行机构位移之间的转换关系为：
将下肢外骨骼的大腿杆和小腿杆简化为连杆结构：
设定：A代表髋关节、F代表膝关节、AF表示大腿杆、E表示髋关节抬起最大角度时膝关节的位置；
髋关节处执行机构的长度与关节角度的关系为：
设定：E'表示髋关节、F'表示膝关节、C'表示膝关节抬起最大角度时膝关节的位置；
膝关节处执行机构的长度与关节角度之间的关系为：
在式(1)中，L1(t)表示t时刻髋关节处执行机构的长度，θ1(t)表示t时刻髋关节角度，在式(2)中，L2(t)表示t时刻膝关节处执行机构的长度，θ2(t)表示t时刻膝关节角度；
步骤3、通过步骤1所得关节角度值和步骤二所求得的关节角度与执行机构位移之间的转换关系，获取外骨骼机器人左腿执行机构的位移量和右腿执行机构的位移量，根据执行机构位移量与脉冲之间的转换关系获取执行机构的脉冲量；
在步骤3中，外骨骼机器人执行机构的位移量与脉冲数之间的转换关系为：
在式(3)中，θ表示伺服电动缸的步距角，s表示丝杠的螺距，P表示脉冲数；L(t+Δt)表示t+Δt时刻执行机构的长度。
9.根据权利要求8所述的动力式下肢外骨骼康复机器人预定轨迹控制方法，其特征在于，
通过预定轨迹控制策略，基于人体行走机理，通过三维运动捕捉系统采集正常人体在平地、坡道和楼梯不同行走环境下的步态数据，对所生成的轨迹进行参数化处理，从而建立人在不同行走环境下的运动模型；
在平地行走过程中，根据人体正常行走的步态对人穿戴康复机器人时的行走轨迹进行规划，将人体正常行走步态经过参数化处理得到一个步态周期内各个关节角度的变化，并将关节角度转换成滚珠丝杠的位移，作为控制系统的输入对执行器进行驱动，在行走过程中，传感器将实时数据反馈给控制器进行调整，最终达到实现人体正常行走步态的目标；
在爬楼梯行走过程中，根据楼梯台阶的高度和宽度来调整康复机器人髋关节和膝关节的屈伸角度，并且根据足底压力传感器采集到的实时数据判断人体的重心位置，通过控制器的不断调整，使之达到平衡状态；
在上坡的行走状态中，除了要根据坡的角度来调整康复机器人髋关节和膝关节的屈伸角度之外，还要增加双腿支撑相在整个步态周期中所占的时间，所占比例的大小要根据坡的角度进行调整。
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