一种变刚度绳驱动的膝关节康复系统

1.本发明涉及膝关节康复系统技术领域，具体涉及一种变刚度绳驱动的膝关节康复系统。


背景技术：

2.进行膝关节置换手术之后，患者常用被动的康复训练装置来进行膝关节屈伸运动训练以及下肢的肌力训练，以达到膝关节功能恢复的目的，而目前，被动的康复训练装置结构比较简单，训练模式比较单一，康复效率也比较低。
3.对于康复装置进行训练的方式，一般是卧姿和站姿，卧姿训练的负荷较小，康复的效果较差；站姿训练的负荷较大，但这对于行动不变患者进行站姿训练有较大的挑战。
4.动力关节康复训练装置相比于被动式的功能要更有前景，可以在病人不同的康复阶段实现不同的训练模式。传统的高减速比高刚度的驱动关节在外骨骼领域中应用非常受限，不能满足和人体柔顺交互的需求；通常的外骨骼方案将动力电机直接安装在关节处，增加了外骨骼腿部的惯性，使得控制变得复杂。已经绳驱动方案在外骨骼中应用，但是现阶段存在的绳驱动方案通常为单向驱动方式，只能完成屈或伸单向的运动驱动，且驱动绳存在易脱落的情况。另一方面，目前存在一些串联弹性驱动器可以降低驱动关节的刚度，但是恒定刚度的弹性驱动器不能根据人体不同的运动模式调节到最适合的刚度参数。


技术实现要素：

5.为了克服以上技术问题，本发明的目的在于提供一种变刚度绳驱动的膝关节康复系统，满足患者在坐姿训练时扶手降低，当坐姿训练时机成熟后，可双手依托于升起的扶手，尝试足部下地站立。
6.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
7.一种变刚度绳驱动的膝关节康复系统，包括可升降扶手式康复轮椅1、变刚度绳驱动系统2、外骨骼腰部无级调节机构3和外骨骼腿部机构4；变刚度绳驱动系统2中包含两个变刚度绳驱动模块，位于轮椅的背部，外骨骼腿部机构4通过变刚度绳驱动模块中的屈钢丝绳208和伸钢丝绳211对外骨骼腿部机构4内部的外骨骼的膝关节和踝关节的的屈伸运动进行驱动。
8.所述可升降扶手式康复轮椅1包括在轮椅的两侧设置的升降电机转接板102、丝杆光轴固定座103、丝杆光轴限位块107、连杆座108和连杆座110，升降电机101与升降电机转接板102连接，升降丝杆106与升降电机101同轴连接并穿过丝杆光轴固定座103和丝杆光轴限位块107，滑行光轴105与升降丝杆106平行排布，两端分别与丝杆光轴固定座103和丝杆光轴限位块107固定，螺母滑块104同时和滑行光轴105和升降丝杆106配合安装，螺母滑块104在升降电机101的驱动下沿滑行光轴105前后滑动，支撑连杆109和支撑连杆117的一端分别与连杆座110和连杆座108连接，另一端分别与工字型连杆118的两端连接。
9.所述可升降扶手式康复轮椅1侧面设置轮椅侧杆、工字型连杆118、支撑连杆109和
支撑连杆117，轮椅侧杆、工字型连杆118、支撑连杆109和支撑连杆117形成平行四边形，支撑连杆112和支撑连杆116的一端分别与工字型连杆118两端连接，另一端分别与扶手杆114的两端扶手铰接块113和115连接，扶手杆114、工字型连杆118、支撑连杆112和支撑连杆116组成了另一个平行四边形，同步齿轮220与支撑连杆109的一端铰接孔同轴固定连接，同步齿轮111与支撑连杆112的一端铰接孔同轴固定连接，且同步齿轮220和同步齿轮111传动配合，螺母滑块104和支撑连杆117之间通过推进连杆119连接。
10.所述变刚度绳驱动系统2包括在驱动机构基板201上同轴固定的驱动轮209和驱动主轴221，驱动轮209和大锥齿轮210同轴固定，驱动主轴221的下端通过底座轴承222安装在驱动机构基板201上，轴承压盖205通过压板轴承223安装在驱动主轴221的上端，且轴承压盖205的两端分别通过屈套索引导块206和伸套索引导块213固定在驱动机构基板201上，驱动电机202通过驱动电机座203固定在驱动机构基板201上，小锥齿轮204和驱动电机202的输出轴连接并且与大锥齿轮210配合传动，在驱动电机202轴向的左右两侧，分别排布着一个变刚度弹性机构；
11.所述变刚度弹性机构包括刚度调节电机219，刚度调节电机219通过刚度调节电机支座234固定在驱动机构基板201上，调节丝杆224的一端与刚度调节电机219的输出轴同轴固定，调节丝杆224的另一端安装在限位支座233上，限位支座233固定在驱动机构基板201上，两条调节导轨220与调节丝杆224平行，且分布在节丝杆224的两侧，两条调节导轨220的两端分别与234刚度调节电机支座和233限位支座固定在一起，螺母滑动块216装配在调节丝杆224上，且通过滑块直线轴承226安装在调节导轨220上，在螺母滑动块216的另一侧，存在两个平行的弹簧滑动轴225通过两个滑块直线轴承226安装在螺母滑动块216上，弹簧滑动轴225的一端分别与滑轮固定块215和引导滑轮214分别连接；弹簧滑动轴225的另一端穿过调节弹簧217并与光轴固定块218连接在一起。
12.所述驱动轮209表面开有屈钢丝绳固定孔229和伸钢丝绳固定孔230，驱动轮209侧面设置有屈钢丝绳线槽232和伸钢丝绳线槽231，屈钢丝绳固定孔229中固定屈钢丝绳208上的屈钢丝绳固定块227，屈钢丝绳208依次缠绕在驱动轮209上的屈钢丝绳线槽232中和引导滑轮214中，穿过屈套索引导块206，并被套在屈套索管207中，伸钢丝绳固定孔230中固定伸钢丝绳211上的伸钢丝绳固定块228，伸钢丝绳211依次缠绕在驱动轮209的伸钢丝绳线槽231中和另一个引导滑轮214中，穿过伸套索引导块213，并被套在伸套索管212中，所述屈钢丝绳208和伸钢丝绳211通过驱动电机202提供动力。
13.所述外骨骼腰部无级调节机构3包括在轮椅100的底部安装腰部固定槽301，位于腰部固定槽301左右两侧设置宽度结构板310，宽度结构板310在腰部固定槽301中自由滑动，宽度调节电机302通过调节电机座303固定在腰部固定槽301的中间，腰部固定槽301的左右两端分别固定了一个304丝杆支座，在调节电机座303和丝杆支座304之间安装调节丝杆307，两个调节滑块305分别和左右两边的宽度结构板310固定在一起，调节螺母306安装在调节滑块305上，并与调节丝杆307配合安装在一起，两个调节锥齿轮308分别与调节丝杆307靠近调节电机座303的一端连接，电机锥齿轮309与宽度调节电机302的输出轴连接，所述电机锥齿轮309与两个调节锥齿轮308垂直排布配合。
14.所述外骨骼腿部机构4包括与宽度结构板310固定连接大腿转接板401，大腿转接板401连接膝关节支撑件407，膝关节支撑件407用于膝关节的旋转支承，膝关节支撑件407
通过关节轴承410与小腿转接板403连接，膝关节支撑件407连接用于轴向限制小腿转接板403运动的膝关节盖板402，所述膝关节盖板402上设置伸展套索孔411和屈曲套索孔412，在小腿转接板403上设置伸展作用孔408和屈曲作用孔409，伸钢丝绳211穿过伸展套索孔411且末端固定在伸展作用孔408中；屈钢丝绳208穿过屈曲套索孔412且末端固定在屈曲作用孔409中，所述伸套索管212和屈套索管207分别套在伸钢丝绳211和屈钢丝绳208上，伸套索管212和屈套索管207分别装配在伸展套索孔411和屈曲套索孔412中；
15.所述小腿转接板403与小腿基板404固定，小腿滑动板405和踝关节转接件406连接在一起，滑动盖板420安装在小腿基板404上，弹簧销421安装在滑动盖板420上，在小腿滑动板405上设置一排阵列的销孔422，小腿滑动板405在小腿基板404的滑槽中滑动，并且选择任意一个销孔422与弹簧销421的销钉头配合；
16.踝关节转接件406和踝关节铰接块413铰接在一起，实现足部踝关节内摆/外摆运动自由度，踝关节铰接块413和足部主体414铰接在一起，实现踝关节的屈伸运动自由度，足部主体414与后跟环415固定连接，形成完整的外骨骼足部，在踝关节铰接块413的前后两侧分别存在伸套索口417和屈套索口416，在足部主体414前后两侧分别存在伸锚点419和屈锚点418，伸钢丝绳211穿过伸套索口417且末端固定在伸锚点419；屈钢丝绳208穿过屈套索口416且末端固定在屈锚点418，伸套索管212和屈套索管207分别套在伸钢丝绳211和屈钢丝绳208上，并且伸套索管212和屈套索管207分别装配在伸套索口417和屈套索口416。
17.本发明的有益效果：
18.本发明便于患者坐姿和站姿时切换扶手高度，有效支撑和保护患者。
19.本发明采用了将动力机构后置的可变刚度绳驱动系统，该系统单个驱动电机可以同时驱动目标关节的两个运动方向。传统链路中加入了可变刚度的弹性机构，一方面可以防止绳索从驱动轮上脱落；另一方面，可以实时调节刚度参数，增强助力效率和人体舒适感。
20.在能量损耗方面，由于引入了弹性体，膝关节或踝关节屈伸运动时，存在弹簧被压缩和释放的过程，因此可将过载能量储存志弹簧中，而在弹簧恢复初始状态时进行释放，可降低动力驱动的峰值功率，使得力的输出更加平缓，大大提高助力效率。
附图说明
21.图1是变刚度绳驱动的膝关节康复系统示意图。
22.图2是可升降扶手式康复轮椅示意图。
23.图3是可升降式扶手示意图。
24.图4是绳驱动变刚度康复外骨骼机构示意图。
25.图5是变刚度绳驱动系统示意图。
26.图6是变刚度绳驱动系统底部结构示意图。
27.图7是变刚度绳驱动系统核心机构示意图。
28.图8是绳驱动绕线轮示意图。
29.图9是变刚度弹性机构示意图。
30.图10是驱动绳缠绕方式示意图。
31.图11是外骨骼腰部无级调节机构示意图。
32.图12为外骨骼腿部机构示意图。
33.图13为外骨骼膝关节机构示意图。
34.图14为外骨骼踝关节机构示意图。
35.图15为腿部机构示意图。
36.本发明整体包含：1-可升降扶手式康复轮椅，2是变刚度绳驱动系统，3是外骨骼腰部无级调节机构，4是外骨骼腿部机构，5是康复系统的硬件控制箱。
37.1可升降扶手式康复轮椅，包含：100轮椅(该轮椅可为市面上常见的通用型轮椅)，101升降电机，102升降电机转接板，103丝杆光轴固定座，104螺母滑块，105滑行光轴，106升降丝杆，107丝杆光轴限位块，108和110是连杆座，109、112、117和116是支撑连杆，111和220是同步齿轮，113和115为扶手铰接块，114为扶手干，118为工字型连杆，119为推进连杆。
38.2变刚度绳驱动系统，包括：201驱动机构基板，202驱动电机，203驱动电机座，204小锥齿轮，205轴承压盖，206屈套索引导块，207屈套索管，208屈钢丝绳，209驱动轮，210大锥齿轮，211伸钢丝绳，212伸套索管，213伸套索引导块，214引导滑轮，215滑轮固定块，216螺母滑动块，217调节弹簧，218光轴固定块，219刚度调节电机，220调节导轨，221驱动主轴，222底座轴承，223压板轴承，224调节丝杆，225弹簧滑动轴，226滑块直线轴承，227屈钢丝绳固定块，228伸钢丝绳固定块，229屈钢丝绳固定孔，230伸钢丝绳固定孔，231伸钢丝绳线槽，232屈钢丝绳线槽，233限位支座，234刚度调节电机支座。
39.3外骨骼腰部无级调节机构，包括：301腰部固定槽，302宽度调节电机，303调节电机座，304丝杆支座，305调节滑块，306调节螺母，307调节丝杆，308调节锥齿轮，309电机锥齿轮，310宽度结构板。
40.4外骨骼腿部机构，包括：401大腿转接板，402膝关节盖板，403小腿转接板，404小腿基板，405小腿滑动板，406踝关节转接件，407膝关节支撑件，408伸展作用孔，409屈曲作用孔，410关节轴承，411伸展套索孔，412屈曲套索孔，413踝关节铰接块，414足部主体，415后跟环，416屈套索口，417伸套索口，418屈锚点，419伸锚点，420滑动盖板，421弹簧销，422销孔。
具体实施方式
41.下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
42.整体结构如图1所示。100轮椅(该轮椅可为市面上常见的通用型轮椅)作为整个系统的搭载平台。
43.在图3可升降式扶手描述中，升降电机转接板102、丝杆光轴固定座103、丝杆光轴限位块107、连杆座108和110，全都固定在轮椅的左侧(或右侧)。升降电机101与升降电机转接板102连接。升降丝杆106与升降电机101同轴连接并穿过丝杆光轴固定座103和丝杆光轴限位块107，滑行光轴105与升降丝杆106平行排布，并两端分别与丝杆光轴固定座103和丝杆光轴限位块107固定。螺母滑块104同时和滑行光轴105和升降丝杆106配合安装，螺母滑块104可在升降电机101的驱动下沿滑行光轴105前后滑动。支撑连杆109和117的一端分别与连杆座110和108连接，另一端分别与工字型连杆118的两端连接。
44.轮椅侧杆、工字型连杆118、支撑连杆109和117组成了平行四边形。支撑连杆112和116的一端分别与工字型连杆118两端连接，另一端分别与扶手杆114的两端扶手铰接块113
和115连接。扶手杆114、工字型连杆118、支撑连杆112和116组成了另一个平行四边形。同步齿轮220与支撑连杆109的一端铰接孔同轴固定连接，同步齿轮111与支撑连杆112的一端铰接孔同轴固定连接，且同步齿轮220和同步齿轮111传动配合。螺母滑块104和支撑连杆117之间通过推进连杆119连接。螺母滑块104在滑动时，支撑连杆109和117的角度同步发生变化；在同步齿轮111和220作用下，支撑连杆112和116的角度同步发生变化，则扶手杆114起到升降运动的效果，以方便用户在站起时，双手的扶手能够升起，实时起到支撑身体的效果。扶手下降状态和升起状态如图2所示。
45.变刚度绳驱动系统2中包含两个变刚度绳驱动模块，位于轮椅的背部。如图5、图6所示，在一个变刚度绳驱动模块中，变刚度绳驱动系统包含两个驱动单元，每个驱动单元可以驱动一个关节的屈伸运动，这里以单个驱动单元(左侧)为例详细介绍。
46.在变刚度绳驱动系统中，所有的驱动机构依托在驱动机构基板201上，驱动轮209和驱动主轴221同轴固定，大锥齿轮210和驱动轮209同轴固定，驱动主轴221的下端通过底座轴承222安装在驱动机构基板201上。轴承压盖205通过压板轴承223安装在驱动主轴221的上端，且轴承压盖205的两端分别通过屈套索引导块206和伸套索引导块213固定在驱动机构基板201上。驱动电机202通过驱动电机座203固定在驱动机构基板201上。小锥齿轮204和驱动电机202的输出轴连接并且与大锥齿轮210配合传动。在驱动电机202轴向的左右两侧，分别排布着一个变刚度弹性机构，如图7所示。刚度调节电机219通过刚度调节电机支座234固定在驱动机构基板201上。调节丝杆224的一端与刚度调节电机219的输出轴同轴固定，调节丝杆224的另一端安装在限位支座233上，限位支座233固定在驱动机构基板201上。两条调节导轨220与调节丝杆224平行，且分布在节丝杆224的两侧，两条调节导轨220的两端分别与234刚度调节电机支座和233限位支座固定在一起。螺母滑动块216装配在调节丝杆224上，且通过滑块直线轴承226安装在调节导轨220上。在螺母滑动块216的另一侧，存在两个平行的弹簧滑动轴225通过两个滑块直线轴承226安装在螺母滑动块216上。弹簧滑动轴225的一端分别与滑轮固定块215和引导滑轮214分别连接；弹簧滑动轴225的另一端穿过调节弹簧217并与光轴固定块218连接在一起。当拉动滑轮固定块215时，弹簧滑动轴225可在螺母滑动块216中滑动，则调节弹簧217会被压缩。通过控制刚度调节电机219的运动，可以调节螺母滑动块216的位置(即，调节弹簧217的压缩起点)，即可改变调节弹簧217的压缩程度。
47.在绳驱动系统中，单个驱动关节包含两条动力输出绳，如图10所示。如图8所示，驱动轮209包含两个绳索固定孔：屈钢丝绳固定孔229和伸钢丝绳固定孔230，且分别对应屈钢丝绳线槽232和伸钢丝绳线槽231。
48.屈钢丝绳208上的屈钢丝绳固定块227在驱动轮209上的屈钢丝绳固定孔229中，且屈钢丝绳208依次缠绕在驱动轮209上的屈钢丝绳线槽232中和引导滑轮214中，穿过屈套索引导块206，并被套在屈套索管207中，作为关节屈曲动力输出。伸钢丝绳211上的伸钢丝绳固定块228固定在驱动轮209上的伸钢丝绳固定孔230中。且伸钢丝绳211依次缠绕在驱动轮209的伸钢丝绳线槽231中和另一个引导滑轮214中，穿过伸套索引导块213，并被套在伸套索管212中，作为关节伸展动力输出。
49.通过控制驱动电机202的正反转运动，即可控制屈钢丝绳208和伸钢丝绳211的运动输出。在整个传动链路中，调节弹簧217的存在使得系统的刚性降低。通过控制刚度调节
电机219，一方面，可调节绳索的张紧程度，防止屈钢丝绳208和伸钢丝绳211从屈钢丝绳线槽232和伸钢丝绳线槽231中脱落；另一方面，可以调节屈钢丝绳208和伸钢丝绳211的输出刚度，可根据不同的运动场景和运动相位实时调节驱动刚度，能够增强外骨骼驱动的柔顺性和穿戴者的舒适性。
50.外骨骼腰部无级调节机构3，腰部固定槽301和轮椅100的底部固定，宽度结构板310安装在腰部固定槽301的左右两侧，并且能够在腰部固定槽301中自由滑动。宽度调节电机302通过调节电机座303固定在腰部固定槽301的中间。在腰部固定槽301的左右两端分别固定了一个304丝杆支座。且存在两个调节丝杆307，安装在调节电机座303和丝杆支座304之间。存在两个调节滑块305分别和左右两边的宽度结构板310固定在一起。调节螺母306安装在调节滑块305上，并与调节丝杆307配合安装在一起。两个调节锥齿轮308分别与调节丝杆307靠近调节电机座303的一端连接。电机锥齿轮309与宽度调节电机302的输出轴连接。整体上，电机锥齿轮309与两个调节锥齿轮308垂直排布配合。当宽度调节电机302带动电机锥齿轮309转动时，两个调节锥齿轮308分别沿顺逆时针两个方向转动，即，两个调节螺母306分别带动两侧的宽度结构板310同时向内侧或者外侧滑动，实现外骨骼两腿之间宽度调节的功能。
51.外骨骼腿部机构4整体设计(单侧腿部)如图12所示。通过两个变刚度绳驱动系统2屈钢丝绳208和伸钢丝绳211对外骨骼的膝关节和踝关节的屈伸运动进行驱动，如图4所示。
52.外骨骼的膝关节结构如图13所示，大腿转接板401与宽度结构板310固定连接。膝关节支撑件407作为膝关节的旋转支承并于大腿转接板401连接在一起，小腿转接板403通过关节轴承410与膝关节支撑件407安装在一起。膝关节盖板402与膝关节支撑件407连接，并在轴向限制小腿转接板403的运动。在膝关节盖板402上存在伸展套索孔411和屈曲套索孔412，在小腿转接板403上存在伸展作用孔408和屈曲作用孔409。伸钢丝绳211穿过伸展套索孔411且末端固定在伸展作用孔408中；屈钢丝绳208穿过屈曲套索孔412且末端固定在屈曲作用孔409中。且伸套索管212和屈套索管207分别套在伸钢丝绳211和屈钢丝绳208上。并且伸套索管212和屈套索管207分别装配在伸展套索孔411和屈曲套索孔412中。
53.外骨骼的踝关节如图14所示。踝关节转接件406和踝关节铰接块413铰接在一起，实现足部踝关节内摆/外摆运动自由度。踝关节铰接块413和足部主体414铰接在一起，实现踝关节的屈伸运动自由度。后跟环415和足部主体414固定在一起，形成完整的外骨骼足部。在踝关节铰接块413的前后两侧分别存在伸套索口417和屈套索口416，在足部主体414前后两侧分别存在伸锚点419和屈锚点418。伸钢丝绳211穿过伸套索口417且末端固定在伸锚点419；屈钢丝绳208穿过屈套索口416且末端固定在屈锚点418。伸套索管212和屈套索管207分别套在伸钢丝绳211和屈钢丝绳208上。并且伸套索管212和屈套索管207分别装配在伸套索口417和屈套索口416。
54.外骨骼的腿部为可伸缩式结构，如图15所示。小腿基板404和小腿转接板403固定在一起，小腿滑动板405和踝关节转接件406连接在一起。滑动盖板420安装在小腿基板404上，弹簧销421安装在滑动盖板420上。在小腿滑动板405上，存在一排阵列的销孔422。小腿滑动板405可在小腿基板404的滑槽中滑动，并且选择任意一个销孔422与弹簧销421的销钉头配合。每次调节小腿的长度，拉动弹簧销421即可使得销钉头从销孔422中脱离，滑动小腿滑动板405选择伸出的长度，松开弹簧销421，使其插入目标销孔422中即可固定长度。
55.本发明设计了一个紧凑精巧的膝关节康复系统：
56.本发明采用了将动力机构后置的可变刚度绳驱动系统，该系统单个驱动电机可以同时驱动目标关节的两个运动方向。传统链路中加入了可变刚度的弹性机构，一方面可以防止绳索从驱动轮上脱落；另一方面，可以实时调节刚度参数，增强助力效率和人体舒适感。在能量损耗方面，由于引入了弹性体，膝关节或踝关节屈伸运动时，存在弹簧被压缩和释放的过程，因此可将过载能量储存志弹簧中，而在弹簧恢复初始状态时进行释放，可降低动力驱动的峰值功率，使得力的输出更加平缓，大大提高助力效率。
57.在关节方面，采用动力后置的绳驱动方案，在紧凑的空间内，单个驱动轮可以同时输出两个方向的套索拉力。在绳驱动的路径中，串联了可变刚度的弹性体，可以实时调节弹性体的预紧力：一方面，可以实现刚度参数调节，精准输出和外界的交互力；另一方面，保证在驱动过程套索绳处于张进状态，避免从驱动轮中脱落下来。刚柔结合式的结构，可更高程度地拟合人体关节的运动状态；输出的动力可精确控制并能与人体之间柔性交互；同时可以调节膝关节和踝关节的刚度参数，针对不同阶段的训练目标可制定详细的控制策略。
58.腰部机构，宽度可自动调节；腿部机构，长度可任意调节。
59.整体技术方案采用刚柔结合的方式，系统的膝关节和踝关节采用绳驱动 可变刚度串联弹性驱动设计，腰部和腿部机构的尺寸可调。外骨骼的腰部和腿部采用可调整尺寸参数的思路进行设计。在轮椅的背部集成了主控、电子驱动器和开关按键等电子模块。在轮椅的升降扶手机构中，采用曲柄滑块和双平行四边形机构原理，在驱动扶手升降过程中保持扶手为水平。
60.膝关节和踝关节的屈伸运动采用绳驱动的方式。绳驱动的动力模块在轮椅的背部，并将绳索驱动端通过套索传动方式直接引至外骨骼中膝关节和踝关节的骨架，每个驱动单元能够一个关节的屈伸双向运动。电机横置经过锥齿轮组将运动传递至驱动轮，减小了驱动机构的尺寸。在钢丝绳经过的一个滑轮上，添加了直线弹簧组，当驱动系统的绳索与外界存在力的交互时，弹簧组的形变量即代表着人机交互力的大小和方向。这种在链路中引入弹性体的方案能够大大降低驱动机构的刚度，起到增强人体舒适性的目的。同时，弹簧组的初始位置能够通过直线电机调节，这样即可调节钢丝绳的预紧力和动力系统的输出刚度，一方面可以防止绳索从驱动轮上脱落，增强系统驱动的稳定性。另一方面，可以实时调节刚度参数，增强助力效率和人体舒适感。