一种柔性非线性变刚度膝关节康复外骨骼及其控

本发明涉及康复外骨骼机器人，特别是涉及一种柔性非线性变刚度膝关节康复外骨骼及其控制方法。背景技术：1、膝关节连接着大腿与小腿，在人体站立、行走、跑步、跳跃等运动过程中发挥至关重要的作用。膝关节损伤和下肢偏瘫问题造成身体负担。此外，创伤性、类风湿性关节炎以及交通事故等引起的膝关节创伤数量亦在急剧上升，导致需要进行人工膝关节置换术的患者数量也随之上升。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。另外患者功能康复的程度与康复训练的时间有直接关系，越早开展康复训练，越有利于患者的功能恢复，因此患者在进行药物治疗的同时，需要及时开展康复训练。而对于膝关节康复训练目前大多数通常采用人工康复训练，辅助患者进行行走和步态恢复，但康复训练是一个长期的过程，由此花费了巨大的人体劳动和时间，造成康复成本较高。另外很多患者会依靠自身和家人进行康复训练。由于经验不足并且缺少科学的训练方法，会导致错失最佳治疗时期，留下后遗症，甚至导致肢体活动能力丧失，会给患者及其家人带来很大痛苦。因此，研究人员着力研究医疗康复仪器为膝关节损伤患者提供更科学、便利的训练手段。2、随着科学技术的不断进步，外骨骼逐渐走入大众视野，外骨骼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，最主要的目标就是辅助膝关节运动障碍患者站立和行走，能够有效的防止术后引起的关节挛缩和疼痛，并促进膝关节肢体恢复，同时也有益于患者的身心健康和重拾对生活的信心。使用康复外骨骼进行康复训练具有康复效率高、训练持续时间长、训练可重复性好等优点，减少了康复训练师的劳动量。3、目前膝关节康复外骨骼的种类很多，其中结构最为简单的是电机直驱驱动，驱动器中没有弹性原件，其目的主要是控制人体膝关节的角度对受试者膝关节进行康复训练，但因为驱动器是刚性的，缺少缓冲和吸振的功能，容易对患者膝关节造成伤害。近年来，通过在驱动器中加入弹性元件实现柔性驱动，具有较好的安全性和人机交互性，最简单的就是加入线性弹簧，常见的有串联弹性致动器和并联弹性致动器，但因为其刚度是线性的，而人体关节刚度是非线性的，所以难以适应人体膝关节康复需求。为了解决这个问题，很多研究人员设计了变刚度弹性致动器，通过两个电机分别调节致动器的输出位置和刚度，能够很好的满足人体关节康复需求，可以模仿人体肌肉的运动特性，以适应复杂的交互环境，可以实现更丰富的人机交互训练。但由于变刚度致动器的结构较为复杂，导致外骨骼整体体积较为庞大且重量较重，在康复训练时给人体带来较大的负担。因此，在目前的研究中，在不改变可变刚度外骨骼的原有性能的情况下，使用新型材料和新结构来降低变刚度外骨骼的质量和体积是一个新的研究方向。4、目前大多数变刚度康复外骨骼的体积和重量较大，而且大多数将致动器布置在外骨骼腿杆上面，在进行康复训练时给患者的肢体增加了负担，影响康复训练时的灵活性和舒适性。而且弹性致动器使用的普通线性弹簧容易产生疲劳破坏，在运动过程中会产生摩擦和振动。技术实现思路1、本发明所要解决的技术问题是：为了解决以上变刚度康复外骨骼的质量和舒适性和灵活性，本发明利用同极永磁磁铁之间的排斥力设计了一种基于柔性非线性变刚度制动器的膝关节康复外骨骼，将整个致动器通过绑带布置在人体背部并通过鲍登绳将力矩作用到人体膝关节，以减少人体下肢的负担，另外使用形状记忆合金新型材料替换传统电机的使用，以减轻整个外骨骼的重量，设计了一种基于形状记忆合金丝驱动的可变曲柄半径的曲柄滑块机构，通过改变曲柄长度改变永磁磁铁间的相互间隙，以调节驱动器的输出刚度。2、为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：3、一种柔性非线性变刚度膝关节康复外骨骼，包括固定设置于人体背部的驱动装置、固定设置于人体大腿部的大腿杆、固定设置于人体小腿部的小腿杆和转动连接于小腿杆底端的足部支架，所述驱动装置包括背板、固定连接于背板外侧的安装板、固定设置于背板和安装板之间的电机组件、转动连接于安装板的外侧并与电机组件的动力输出端传动连接的凸轮顶杆机构、分别设置于安装板外侧面上的非线性变刚度机构和倒置曲柄滑块机构、分别设置于背板/安装板上的电源和控制器，控制器分别与电源和电机组件连接；4、所述非线性变刚度机构包括分别固定连接于安装板外侧面上且平行设置的第一导轨和第二导轨，所述第一导轨和第二导轨上分别滑动连接有第一支座、中间支座和第二支座，所述第一支座和中间支座相对的侧面上分别固定设置有第一永磁磁块和第二永磁磁块，中间支座和第二支座相对的侧面上分别固定设置有第三永磁磁块和第二永磁磁块，且第一永磁磁块和第二永磁磁块相对面的磁极相同，第三永磁磁块和第四永磁磁块相对面的磁极相同，所述中间支座与凸轮顶杆机构的动力输出端连接，所述第一支座和第二支座靠近倒置曲柄滑块机构的一侧分别对应地转动连接有第一连杆和第二连杆；5、所述倒置曲柄滑块机构包括转动连接于安装板外侧面上的输出滑轮、固定连接于输出滑轮端面上的摆动导轨、滑动连接于摆动导轨上的摆动滑块、固定连接于摆动滑块上的曲柄支座，第一连杆和第二连杆的端部同轴地转动连接于曲柄支座上，所述输出滑轮的端面上还设置有分别与控制器相连接且相平行分布的形状记忆合金丝和直线位移传感器，形状记忆合金丝和直线位移传感器的另一端均固定连接于曲柄支座上；6、所述大腿杆的底端设置有膝关节执行装置，所述膝关节执行装置包括固定连接于小腿杆侧面顶端的轴承支座、转动设置于轴承支座顶部内并固定设置于大腿杆底端的膝关节主轴、固定安装于膝关节主轴一端的输入滑轮，输入滑轮的两侧通过鲍登绳组与输出滑轮的两侧传动连接，所述膝关节主轴的一侧轴端固定插接有与控制器相连接的电位计，电位计的测量端固定连接于轴承支座的侧面上；7、所述足部支架的顶面上设置有与控制器相连接的足底压力薄膜传感器。8、进一步的，所述大腿杆的侧面上固定连接有大腿固定架，大腿固定架上连接有大腿绑带，所述小腿杆的侧面上固定连接有小腿固定架，小腿固定架上连接有小腿绑带。9、进一步的，所述小腿杆的侧面底端固定连接有踝关节支架，踝关节支架的底端转动连接有踝关节连接板，所述足部支架固定连接于踝关节连接板的侧面上。10、进一步的，所述电机组件包括电机支座、固定安装于电机支座侧壁上的驱动电机、转动安装于电机支座内的第一主轴，驱动电机的输出轴端固定连接有主动锥形齿轮，第一主轴上固定连接有与主动锥形齿轮啮合传动的从动锥形齿轮。11、进一步的，所述凸轮顶杆机构包括固定安装于第一主轴的轴端上并位于安装板外侧的凸轮、与凸轮活动配合且水平设置的顶杆，所述凸轮的外侧端面上开设有凸轮槽，顶杆的端部转动连接有滚子，滚子活动嵌设于凸轮槽内。12、进一步的，所述顶杆的内部开设有导向槽口，所述第一支座的内侧面上固定设置有导向块，导向块活动嵌设于导向槽口内。13、进一步的，所述输出滑轮的端面上分别固定连接有合金丝支座和传感器支座，曲柄支座的侧面上固定连接有传感器连接板，所述形状记忆合金丝远离曲柄支座的一端固定连接在合金丝支座上，直线位移传感器的壳体固定连接在传感器支座上、测量端固定连接在传感器连接板上。14、进一步的，所述鲍登绳组包括第一鲍登绳和第二鲍登绳，输出滑轮和输入滑轮的绳槽内均设置有分别与第一鲍登绳和第二鲍登绳的端部相连接的绳端固定孔。15、进一步的，所述安装板的外侧面上设置有鲍登绳输出固定板，所述大腿杆的侧面上设置有鲍登绳输入固定板，第一鲍登绳和第二鲍登绳的外部均设置有线套，线套的两端分别固定连接于鲍登绳输出固定板和鲍登绳输入固定板上。16、还提供了一种柔性非线性变刚度膝关节康复外骨骼的控制方法，应用于所述的柔性非线性变刚度膝关节康复外骨骼，包括以下步骤：17、s10、受试者穿戴外骨骼，打开电源开关，控制器内的控制系统开始初始化；18、s20、试受者正常行走进行康复训练，控制器读取足底压力薄膜传感器的检测数据，判断受试者的运动意图，划分步态相位，控制器读取电位计的检测数据，细分膝关节步态信息；19、s30、在不同的步态相位和膝关节步态信息下，控制器控制电机组件正向或反向工作，经凸轮顶杆机构传动，驱动非线性变刚度机构内的中间支座水平向左或向右运动，通过永磁磁块之间产生的排斥力带动第一支座或第二支座驱动输出滑轮正向或反向转动，从而通过鲍登线组带动输入滑轮正向或反向转动，实现膝关节伸展或屈曲过程的辅助运动；20、s40、根据当前的膝关节步态信息，控制器控制电机组件的转动输出方向和转动输出的角度，从而控制膝关节伸展或屈曲过程的转动角度；控制器控制形状记忆合金丝的通电电流，以调节形状记忆合金丝的温度，通过形状记忆合金丝的形变控制曲柄支座的位移，从而通过第一连杆和第二连杆调节第一支座和第二支座之间的间距，进而调节膝关节伸展或屈曲过程的力矩和刚度；21、s50、重复步骤s30和步骤s40，直至受试者停止行走，完成康复训练；22、s60、关闭电源，受试者脱下外骨骼。23、与现有技术相比较，本发明的有益效果如下：24、(1)本发明利用永磁磁块和导轨滑块机构构成新型弹性致动器，该制动器具备柔性刚度，解决了传统线性弹簧的刚度固定的缺点，更贴合人体膝关节刚度非线性的特点；根据人体膝关节生物力学，设计了凸轮轮廓曲线，利用凸轮顶杆机构与导轨滑块驱动的永磁磁块机构可以产生更贴合人体膝关节角度-力矩的关系，在康复训练时，受试者可以获得更舒适的人机交互。25、(2)本发明利用形状记忆合金丝新型材料取代传统变刚度致动器中的电机，可以减轻致动器的整体重量，通过形状记忆合金丝的温度变化来调整器自身长度变形量，从而调节曲柄滑块机构中的曲柄半径，进而改变永磁磁块之间的间隙，实时调节致动器的输出刚度和输出力矩。26、(3)本发明通过足底压力薄膜传感器判断受试者的运动意图，划分和识别步态相位，通过驱动电机和形状记忆合金丝提供辅助关节力矩和刚度，控制外骨骼膝关节的输出角度，辅助受试者进行康复训练。27、(4)通过将致动器设置在人体背部，通过鲍登绳驱动下肢膝关节实现柔性驱动，减轻了受试者的下肢负重，更有利于进行康复训练。