基于绳索变刚度多功能驱动器的膝关节外骨骼及控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于绳索变刚度多功能驱动器的膝关节外骨骼及控制方法，膝关节外骨骼包括腿部结构、多功能驱动器、传感与控制系统、腰部控制盒，其中多功能驱动器由电机元件、长度调节机构、刚度调节机构和关节磁流变制动器组成。本发明专利技术的控制方法是基于使用者的步态分析和需求，以及多功能驱动器的驱动、制动、混合制动、刚度调节等功能，输出期望的辅助力矩和运动，帮助膝关节运动功能障碍患者进行运动康复；本发明专利技术膝关节外骨骼能量效率高、输出力矩大、刚度可调、便于穿戴，适用于老年人辅助行走和膝关节损伤患者的术后康复训练。

【技术实现步骤摘要】
基于绳索变刚度多功能驱动器的膝关节外骨骼及控制方法
本专利技术涉及外骨骼机器人领域，特别是涉及一种基于绳索变刚度多功能驱动器的膝关节外骨骼及控制方法。
技术介绍
随着人口老龄化社会的到来以及交通运输工具的不断增多，由于身体机能下降或交通事故而引起的肢体运动型患者的数量越来越多，其中以膝关节运动功能障碍患者最为常见。现代医学表明，合适的运动康复训练对于患者肢体运动功能的恢复与提高有很大的益处。与传统的医师一对一的物理治疗相比，膝关节康复外骨骼可以为患者提供更科学有效、更简便快捷的康复训练，最大限度的恢复患者的运动功能障碍。随着机器人技术的飞速发展，机器人技术正逐渐应用于康复医疗领域。膝关节康复外骨骼是一种新型的机电一体化装置，将人的智力与机器人的“体力”完美结合在一起，有效的防止术后引起的关节挛缩和疼痛，促进膝关节肢体恢复。不仅继承了传统康复训练的优点，还解决了此类康复方法中存在的问题：可以满足不同患者对训练强度的要求；代替理疗师实现长时间的重复性康复工作；能够使患者直观的观察到自己的训练效果；在患者康复过程中，可以提供助力训练，或者阻抗本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于绳索变刚度多功能驱动器的膝关节外骨骼，其特征在于：包括腿部结构、多功能驱动器、传感与控制系统、腰部控制盒；/n所述腿部结构包括大腿杆件、小腿杆件、膝关节转动轴、关节固定板、大腿绑带和小腿绑带；/n所述膝关节转动轴水平设置，小腿杆件的一端与膝关节转动轴转动连接，关节固定板的一端与膝关节转动轴转动连接、另一端固定连接于小腿杆件的侧面，大腿杆件位于小腿杆件和关节固定板之间并与膝关节转动轴刚性连接；/n所述大腿绑带固定安装在大腿杆件的侧面上，所述小腿绑带固定安装在小腿杆件的侧面上；/n所述多功能驱动器包括电机元件、长度调节机构、刚度调节机构和关节磁流变制动器，多功能驱动器的两端分别转动连接于大...

【技术特征摘要】
1.基于绳索变刚度多功能驱动器的膝关节外骨骼，其特征在于：包括腿部结构、多功能驱动器、传感与控制系统、腰部控制盒；
所述腿部结构包括大腿杆件、小腿杆件、膝关节转动轴、关节固定板、大腿绑带和小腿绑带；
所述膝关节转动轴水平设置，小腿杆件的一端与膝关节转动轴转动连接，关节固定板的一端与膝关节转动轴转动连接、另一端固定连接于小腿杆件的侧面，大腿杆件位于小腿杆件和关节固定板之间并与膝关节转动轴刚性连接；
所述大腿绑带固定安装在大腿杆件的侧面上，所述小腿绑带固定安装在小腿杆件的侧面上；
所述多功能驱动器包括电机元件、长度调节机构、刚度调节机构和关节磁流变制动器，多功能驱动器的两端分别转动连接于大腿杆件和小腿杆件的侧面，多功能驱动器、大腿杆件和小腿杆件形成三连杆机构；
所述传感与控制系统包括传感器系统和控制系统，所述传感器系统中的元器件分别安装在腿部结构和多功能驱动器上，控制系统中的元器件安装固定在腰部控制盒内。


2.根据权利要求1所述的基于绳索变刚度多功能驱动器的膝关节外骨骼，其特征在于：所述电机元件包括伺服电机、行星减速器、主动齿轮和从动齿轮；
所述伺服电机和行星减速器均固定安装于长度调节机构上，伺服电机的输出端与行星减速器的输入端固定连接，行星减速器的输出端与主动齿轮同轴固定连接，主动齿轮与从动齿轮啮合传动连接，从动齿轮与长度调节机构的动力输入端同轴固定连接。


3.根据权利要求1所述的基于绳索变刚度多功能驱动器的膝关节外骨骼，其特征在于：所述长度调节机构包括滚珠丝杠、丝杠螺母、两个直线导杆、两个直线压缩弹簧、大支撑架和导杆承力板；
所述大支撑架的一端转动连接于大腿杆件的侧面；
所述滚珠丝杠转动连接在大支撑架的上、下两个支撑板上，滚珠丝杠的一端与电机元件的动力输出端同轴固定连接，丝杠螺母与滚珠丝杠同轴螺纹配合，直线导杆的一端固定于丝杠螺母的侧面、另一端延伸至大支撑架的外侧并固定于导杆承力板的侧面；
两个直线压缩弹簧分别套在两个直线导杆上，直线压缩弹簧的一端与丝杠螺母的侧面固定连接、另一端与大支撑架的侧面固定连接。


4.根据权利要求1所述的基于绳索变刚度多功能驱动器的膝关节外骨骼，其特征在于：所述刚度调节机构包括第一传力盘、第二传力盘、第一直线弹簧、第二直线弹簧、第一钢丝绳、第二钢丝绳、刚度调节电机、弹簧安装销和刚度调节传动轴；
所述第一传力盘固定连接于长度调节机构的自由端，第二传力盘与第一传动盘圆盘同轴设置，所述刚度调节电机固定安装于第一传力盘远离第二传力盘的一侧；
第一传力盘靠近第二传力盘的侧面沿圆周方向均匀分布有四个第一滑轮，第二传力盘靠近第一传力盘的侧面沿圆周方向均匀分布有两个第二滑轮，两个第二滑轮位于四个第一滑轮的内侧；
所述第一直线弹簧、第一钢丝绳、第二直线弹簧和第二钢丝绳依次连接，第一直线弹簧的另一端通过弹簧安装销固定于第一传力盘圆盘的侧面，第二钢丝绳的另一端固定连接并缠绕于刚度调节电机的输出轴上，第一钢丝绳分别缠绕于其中两个第一滑轮的外侧、其中一个第二滑轮的内侧，第二钢丝绳分别缠绕于另外两个第一滑轮的外侧、另外一个第二滑轮的内侧；
所述刚度调节传动轴的一端与小腿杆件的侧面转动连接、另一端空套于第一传力盘内，第二传力盘与刚度调节传动轴刚性连接。
关节磁流变制动器安装在腿部结构上，其输出端与膝关节转动轴固定连接。


5.根据权利要求1所述的基于绳索变刚度多功能驱动器的膝关节外骨骼，其特征在于：所述关节磁流变制动器包括外壳、传动轴、内部硅钢片、外部硅钢片、磁流变液、线圈、侧板，传动轴转动安装于外壳内，传动轴的端部与膝关节转动轴传动连接；
传动轴中部设置有环向槽体，环向槽体中同轴设有缠绕在传动轴上的线圈，环向槽体的两端分别设置有套装于传动轴上的侧板，两个侧板之间固定有多个内部硅钢片，多个内部硅钢片均匀环绕在线圈外并沿传动轴轴向均匀分布，外壳内壁设有多个外部硅钢片，多个外部硅钢片与多个内部硅钢片部分重合地一一交错分布，内部硅钢片与外部硅钢片交叉重合区域内填充有磁流变液。


6.根据权利要求1所述的基于绳索变刚度多功能驱动器的膝关节外骨骼，其特征在于：所述大腿杆件的侧面沿长度方向开设有多组大腿杆件螺纹孔，大腿绑带通过螺钉固定安装于大腿杆件螺纹孔内；
所述小腿杆件的侧面沿长度方向开设有多组小腿杆件...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈兵，王兵，訾斌，王正雨，周斌，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34