[发明专利]基于绳轮组合的半主动下肢外骨骼辅助器

说明书

本发明公开了基于绳轮组合的半主动下肢外骨骼辅助器及其控制方法。电机直驱与液压驱动的外骨骼辅助器容易使患者二次受伤。本发明包括大腿外辅助支撑板、大腿内辅助支撑板、膝关节辅助支撑板、踏板、膝关节牵引绳、髋关节牵引绳、髋关节线轮Ⅰ、髋关节线轮Ⅱ、膝关节滑轮、髋关节绑缚件、膝关节绑缚件和膝关节牵引轮；驱动机构经髋关节牵引绳驱动大腿外辅助支撑板和大腿内辅助支撑板，经膝关节牵引绳驱动膝关节辅助支撑板。本发明实时监测下肢的肌电信号、角度信号和足底压力信号，保障了人机交互功能；采取牵引绳驱动下肢，具有柔顺性好的特点，避免因电机启停产生的瞬时力矩对病患产生二次伤害。

技术领域

本发明属于医疗卫生器械领域，具体涉及一种基于绳轮组合的半主动下肢外骨骼辅助器及其控制方法。

背景技术

半主动下肢外骨骼辅助器是融合传感、控制、信息、移动计算，能够通过机器引导肢体做各种指定的重复性康复训练的辅助装置。近年来半主动下肢外骨骼辅助器得到了迅速发展，在医疗卫生领域普遍推广。该辅助器可以帮助整个医疗体系空出大部分人力资源，分配给其他医疗领域。此外下肢外骨骼辅助器可以和患者通过人-机-人信息转达实现高度的统一，康复训练过程中外骨骼辅助器就发挥了显著的优势。但目前传统的下肢外骨骼辅助器大多是由各种刚性驱动机构组成，每个关节都具备独立的驱动单元，体积大、重量大、不便携带，还有可能因为人机系统学/动力学的不同反而阻碍患者获得正常的行走步态。并且外骨骼辅助器普遍采用电机直驱与液压驱动的方式，瞬间产生的超大力矩可能使患者二次受伤，导致人体的舒适度和安全性较差。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于绳轮组合的半主动下肢外骨骼辅助器及其控制方法，摒弃传统电机直接驱动的形式，采取电机间接带动滑轮组驱动，绳轮组合不会在人体下肢部分产生过大的力矩，以防止对人体组织产生二次伤害，可以满足患者康复训练完整性和舒适性的要求。

本发明基于绳轮组合的半主动下肢外骨骼辅助器，包括下肢行走装置、驱动机构、腰带和运动传感装置；所述的下肢行走装置包括大腿外辅助支撑板、大腿内辅助支撑板、膝关节辅助支撑板、踏板、膝关节牵引绳、髋关节牵引绳、髋关节线轮Ⅰ、髋关节线轮II、膝关节滑轮、髋关节绑缚件、膝关节绑缚件和膝关节牵引轮；大腿外辅助支撑板和大腿内辅助支撑板的上端通过上枢轴固定，下端通过下枢轴固定；所述的髋关节滑轮Ⅰ和髋关节滑轮II 均固定在上枢轴上；膝关节滑轮与支撑轴构成转动副；两个膝关节牵引轮固定在支撑轴两端，且两个膝关节牵引轮与大腿外辅助支撑板和大腿内辅助支撑板开设的滑轮槽分别构成圆柱副；髋关节牵引绳绕制在髋关节线轮Ⅰ上，一端与髋关节线轮Ⅰ固定，另一端由驱动机构驱动；膝关节牵引绳绕过膝关节滑轮，且一端固定在髋关节线轮II上，另一端由驱动机构驱动；所述膝关节辅助支撑板的顶端与膝关节牵引轮固定，底端与踏板固定；大腿内辅助支撑板上固定有髋关节绑缚件，膝关节辅助支撑板上固定有膝关节绑缚件。所述的下肢行走装置设有两个，两个下肢行走装置的大腿内辅助支撑板相对设置，两个下肢行走装置共用一个驱动机构；驱动机构上固定有腰带。

所述的运动传感装置包括肌电图传感器、角度传感器和足底压力传感器；各下肢行走装置中，其中一个膝关节牵引轮的端面固定有一个角度传感器，角度传感器检测膝关节滑轮的转角信号；两个下肢行走装置的踏板顶面均固定一个足底压力传感器；所述的肌电图传感器共两组，每组有六个；肌电图传感器、角度传感器和足底压力传感器的信号输出端均接控制器。

所述的驱动机构包括膝关节输出电机、电磁离合器Ⅰ、电磁离合器Ⅱ、髋关节输出电机和外壳；所述髋关节输出电机和膝关节输出电机的壳体均通过电机座固定在外壳内；髋关节输出电机和膝关节输出电机均设有两根输出轴；髋关节输出电机的每根输出轴与一根转轴Ⅱ通过电磁离合器Ⅱ连接，膝关节输出电机的每根输出轴与一根转轴Ⅰ通过电磁离合器Ⅰ连接；转轴Ⅰ和转轴Ⅱ均与外壳构成转动副；两根转轴Ⅱ与两个下肢行走装置的髋关节牵引绳分别固定；两根转轴Ⅰ与两个下肢行走装置的膝关节牵引绳分别固定；电磁离合器Ⅰ、电磁离合器Ⅱ、髋关节输出电机和膝关节输出电机均由控制器控制。

髋关节输出电机和膝关节输出电机的扭矩设计如下：