[发明专利]基于多功能驱动器的髋关节康复外骨骼及其运动控制方法

说明书

本发明公开了一种基于多功能驱动器的髋关节康复外骨骼及其运动控制方法，髋关节康复外骨骼包括腰部结构，腿部结构，多功能驱动器、传感与控制系统，可以实现髋关节主动屈伸运动和被动外展/内收运动，左髋设计有外旋自由度，方便使用者穿戴；多功能驱动器由电机、减速器和磁流变阻尼器组成，其中，磁流变阻尼器能够以较小功耗输出较大可控制动力矩；所述控制方法是基于穿戴者步态分析，由多功能驱动器实现驱动、制动和混合制动功能，为穿戴者提供需要的康复辅助力矩。本发明髋关节康复外骨骼能量效率高、结构紧凑、便于穿戴、人机交互友好、控制精准，适用于老年人的辅助行走和髋关节术后病人的康复训练。

技术领域

本发明涉及外骨骼机器人领域，具体是一种基于多功能驱动器的髋关节康复外骨骼及其运动控制方法。

背景技术

世界人口老龄化趋势是当今世界人口年龄结构变化最重要的一个趋势。我国人口老龄化日益严重，截止目前，我国60岁以上老年人口超过2.3亿，是世界上唯一一个老年人口过两亿的国家。老年人随着身体机能逐渐下降，导致步态产生变异，行走的代谢成本增加，行走速度降低，步长缩短，踝关节、膝关节和髋关节活动范围减小。这些将导致老年人的日常活动逐渐减少，使他们的生活独立性慢慢降低；老年人行走速度的降低也会大大增加他们行走中摔倒的风险；此外，老年人口中普遍存在下肢运动功能障碍和步态损伤。研究表明，我国每年新增超过250万中风病人，而将近四分之三的中风发生在65岁以上的老年人身上。因此，对老年人日常活动进行运动辅助是必要的。

另外，髋关节肌肉损伤患者需要及时进行康复训练，传统康复训练方法存在消耗理疗师大量的时间与体力、不能向患者提供实时直观的反馈信息、训练不能精确控制和记录训练参数等诸多问题。髋关节康复外骨骼是一种新型机电一体化装置，穿戴在患者身体外部，能为患者提供可控的辅助力/力矩，从而实现对患者的康复训练和运动辅助等功能。采用髋关节康复外骨骼进行康复训练，不仅继承了传统康复训练的优点，还解决了此类康复训练方法中存在的问题：可满足不同患者对训练强度的要求；可以将理疗师从繁重的训练任务中解放出来，从而专注于制定治疗方案、分析训练数据、优化训练内容等；能够使患者及时得到治疗效果的反馈信息；可以客观记录训练过程中患者患肢的位置、速度以及肌力恢复状态等数据，供理疗师分析和评价治疗效果。因此，开发髋关节康复外骨骼具有重大的实际应用价值。

驱动器是髋关节康复外骨骼的动力元件，其性能直接决定了外骨骼的功能。基于步态分析，在髋关节康复外骨骼对患者的康复训练和老年人的辅助行走过程中，驱动器需要输出制动力矩。目前，国内外研究机构研发的髋关节康复外骨骼输出的制动力矩主要由电机产生，需要提供较大的电流，不仅能量效率比较低、能耗比较大，还存在安全隐患。另外，现有的髋关节康复外骨骼结构不够紧凑，自由度较少、不便于穿戴，人机交互不够友好。

因此，需要研究基于多功能驱动器的髋关节康复外骨骼及其控制方法，可以根据穿戴者步态分析，为患者提供需要的康复辅助功能，并且系统能量效率高、结构紧凑、便于穿戴、人机交互友好。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于多功能驱动器的髋关节康复外骨骼及其运动控制方法，以实现驱动、制动和混合制动功能，为穿戴者提供需要的康复辅助力矩，系统能量效率高、结构紧凑、便于穿戴、人机交互友好、控制精准。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

基于多功能驱动器的髋关节康复外骨骼，包括腰部结构、两腿部结构、两多功能驱动器，其中：

腰部机构包括腰部横向板、一对腰部连接件A、一对腰部连接件B、一对腰部纵向板、腰部绑带，两腰部连接件A分别横向滑动连接于腰部横向板并可固定，两腰部连接件B各自一端分别连接有传动轴A，传动轴A的中心轴线水平但不平行于腰部横向板，两腰部连接件B一一对应通过传动轴A转动连接于两腰部连接件A，腰部绑带连接在两腰部连接件B之间，两腰部纵向板一一对应纵向滑动连接于两腰部连接件B并可固定；