仿生设计下肢康复训练外骨骼的制作方法[0002]随着人口老龄化加剧，脑卒中病人不断增多。此外，由于交通事故、体育运动损伤及其他致伤因素造成的脊髓损伤也呈增长趋势，对患者的早期康复训练治疗越来越受到重视。其主流是利用中枢神经系统的可塑性，通过运动训练使患侧出现相应的反应，改善肌肉张力，建立神经系统新的组合关系。凭借理疗师的经验对患者进行手动康复训练效率较低，利用下肢康复训练外骨骼能有效替代理疗师繁重的手动训练工作。然而，目前开发的下肢外骨骼或是驱动结构复杂，响应速度慢，或是自由度设计缺乏仿生考虑，尤其是人体膝关节屈伸运动并非简单的定轴转动，如果将其视为定轴转动，会导致患者在康复训练时受到额外的干涉力影响，造成不适，使患者的康复训练效果受到限制。
[0003]为了克服上述现有技术的不足，依据人体形态学、人体生物力学和仿生技术，本发明提供了一种仿生设计下肢康复训练外骨骼。[0004]本发明包括与穿戴者腰部连接的腰部绑紧机构和下肢外骨骼腿杆。下肢外骨骼腿杆由髋关节内收外展机构、髋关节屈伸机构、髋关节旋内旋外机构、大腿杆机构、膝关节屈伸机构、小腿杆机构 和足底板串联连接，腿杆上装有大腿绑带和小腿绑带用于外骨骼腿杆与穿戴者相连。其中下肢外骨骼左右腿杆各四个自由度，分别为髋关节三个自由度，实现髋关节内收/外展、屈/伸和旋内/旋外三个旋转自由度，该三个旋转自由度轴线正交于人体髋关节运动中心；膝关节一个屈/伸自由度，其关节转动中心随着人体膝关节转动中心一起运动，使外骨骼与人体膝关节转动中心始终保持同轴线。其中下肢外骨骼左右腿杆各包括大腿尺寸调节装置和小腿尺寸调节装置用于保证外骨骼与穿戴者的各个关节位置完全对应一致。[0005]所述腰部绑紧机构通过腰部绑带固联于穿戴者的腰部，腰部绑紧机构包括U形板和腰部绑带；腰部绑带设置在U形板的开口处，绑紧后U形板与人体腰部贴合。[0006]所述髋关节内收外展机构包括左右腿连接板、髋关节外展臂和髋关节外展轴承；髋关节外展臂为L形杆，两个髋关节外展臂的一端分别通过对应的髋关节外展轴承与左右腿连接板连接，髋关节外展臂可以相对左右腿连接板转动；左右腿连接板固定设置在U形板的中间段。[0007]所述髋关节屈伸机构包括髋关节连接法兰、谐波外罩、电机谐波连接法兰、驱动杆、髋关节谐波减速器和髋关节电机；髋关节谐波减速器和髋关节电机分别设置在电机谐波连接法兰的两侧，髋关节电机与髋关节谐波减速器的输入端连接，驱动杆的一端与髋关节谐波减速器的输出端连接，电机谐波连接法兰通过谐波外罩与髋关节连接法兰固定连接，髋关节外展臂的另一端与髋关节连接法兰固定连接。
[0008]所述髋关节旋内旋外机构包括弧形导轨、滑块、滑块前挡板和滑块后挡板；弧形导轨上设置有弧形槽，滑块设置在弧形槽内，驱动杆的另一端与弧形导轨的外侧壁固定连接。
[0009]所述膝关节屈伸机构包括膝关节连接板、膝关节电机、膝关节谐波减速器、电机固定罩、驱动摆杆；膝关节谐波减速器设置在电机固定罩内，并与电机固定罩固定连接，膝关节电机固定在电机固定罩上，膝关节谐波减速器的输入端与膝关节电机连接，驱动摆杆的一端与膝关节谐波减速器的输出端连接；电机固定罩与膝关节连接板固定连接；膝关节连接板包括凸轮形平板，凸轮形平板的大圆侧设置有凸台，小圆侧开有弧形凹槽，两个膝关节连接板对扣固定连接，之间的间隙形成小腿杆活动通道。
[0010]所述大腿杆机构包括 大腿上杆、大腿下杆和大腿尺寸调节机构，大腿上杆和大腿下杆分设在大腿尺寸调节机构两端；大腿尺寸调节机构包括大腿连杆，大腿连杆的下部开有大腿下纵向滑槽，大腿下纵向滑槽的侧壁开有螺栓孔，大腿下杆的侧壁开有盲孔，大腿下杆的上部设置在大腿下纵向滑槽内，通过螺栓固定；大腿连杆的上部开有大腿横向通槽和大腿上纵向滑槽，大腿上纵向滑槽与大腿横向通槽的侧壁贯通，大腿上杆的下部设置在大腿上纵向滑槽内，其端部与设置在大腿横向通槽内的大腿尺寸微调装置相接；大腿尺寸微调装置包括两组微调杆和两个微调测杆，每组微调杆包括两个一端铰接的大腿调节杆，大腿调节杆的另一端分别与对应的大腿微调测杆铰接，大腿调节螺杆穿过微调测杆设置，通过大腿调节螺杆调节两个微调测杆之间的距离，实现大腿尺寸微调装置高度的变化。
[0011]所述小腿杆机构包括小腿上杆、小腿下杆和小腿尺寸调节机构，小腿上杆和小腿下杆分设在小腿尺寸调节机构两端；小腿尺寸调节机构包括小腿连杆，小腿连杆一侧的下部开有小腿下纵向滑槽，小腿下纵向滑槽的侧壁开有螺栓孔，小腿下杆的侧壁开有盲孔，小腿下杆的上部设置在小腿下纵向滑槽内，通过螺栓固定；小腿连杆一侧的上部开有小腿横向通槽和小腿上纵向滑槽，小腿上纵向滑槽与小腿横向通槽的侧壁贯通，小腿上杆的下部设置在小腿上纵向滑槽内，其端部与设置在小腿横向通槽内的小腿尺寸微调装置相接；小腿尺寸微调装置包括两组微调杆和两个微调测杆，每组微调杆包括两个一端铰接的小腿调节杆，小腿调节杆的另一端分别与对应的小腿微调测杆铰接，小腿调节螺杆穿过微调测杆设置，通过小腿调节螺杆调节两个微调测杆之间的距离，实现小腿尺寸微调装置高度的变化；小腿连杆另一侧设置有轨道，直线滑块活动设置在轨道上，膝关节屈伸机构的驱动摆杆的另一端与直线滑块铰接。小腿上杆的上部开有通槽，膝关节一体销轴穿过两个膝关节连接板及通槽设置，膝关节一体销轴通过轴承与小腿上杆活动连接；小腿上杆的通槽下方穿有短销轴，两个滚轮设置在短销轴上，并分设在小腿上杆的两侧，两个滚轮分别位于两个膝关节连接板的弧形凹槽内；小腿下杆的下端部与足底板固定连接，足底板采用柔性材料。
[0012]本发明的髋关节屈伸自由度和膝关节屈伸自由度由盘式电机加谐波减速器驱动，结构紧凑，响应速度快；髋关节内收外展、旋内旋外自由度为随动自由度，其转动轴线相交于穿戴者髋关节中心，其中旋内旋外自由度采用弧形导轨结构，保证行走转向时穿戴者绕中枢脚轴线转动，而不是绕外骨骼腿杆转动，避免产生人机干涉力；外骨骼膝关节并非定轴转动，其转动中心在运动过程中时刻与人体膝关节转动中心保持同一轴线，减少康复训练对膝关节的损伤。
[0013]本发明结构紧凑轻便，自由度设计严格依据人体生理结构，符合仿生学设计理念，患者在康复训练过程中，不会感受到人机干涉力，使整个康复训练变得更自然更轻松。



[0014]图1为本发明的整体结构示意图；
图2为图1中髋关节内收外展机构、髋关节屈伸机构和髋关节旋内旋外机构构成的三自由度连接示意图；
图3为膝关节屈伸机构的结构不意图；
图4为膝关节屈伸机构中膝关节连接板的结构示意图；
图5为大腿杆机构的结构示意图；
图6为小腿杆机构的结构示意图；
图7为图6另一侧的结构不意图。

[0015]以下结合附图进一步说明本发明。
[0016]如图1所示，仿生设计下肢康复训练外骨骼包括:腰部绑紧机构1、髋关节内收外展机构2、髋关节屈伸机构3、髋关节旋内旋外机构4、膝关节屈伸机构5、大腿杆机构6、小腿杆机构7、足底板8。
[0017]腰部绑紧机构I包括U形板1-1和腰部绑带1-2 ;腰部绑带1-2设置在U形板1_1的开口处，绑紧后U形板1-1与人体腰部贴合。
[0018]如图2所示，髋关节内收外展机构2包括左右腿连接板2-1、髋关节外展臂2-2和髋关节外展轴承2-3 ;髋关节外展臂2-2为L形杆，两个髋关节外展臂2-2的一端分别通过对应的髋关节外展轴承2-3与左右腿连接板2-1连接，髋关节外展臂2-2可以相对左右腿连接板2-1转动；左右腿连接板2-1固定设置在U形板1-1的中间段。
[0019]髋关节屈伸机构3包括髋关节连接法兰3-1、谐波外罩3-2、电机谐波连接法兰3-3、驱动杆3-4、髋关节谐波减速器3-5和髋关节电机3-6 ;髋关节谐波减速器3_5和髋关节电机3-6分别设置在电机谐波连接法兰3-3的两侧，髋关节电机3-6与髋关节谐波减速器3-5的输入端连接，驱动杆3-4的一端与髋关节谐波减速器3-5的输出端连接，电机谐波连接法兰3-3通过谐波外罩3-2与髋关节连接法兰3-1固定连接，髋关节外展臂2-2的另一端与髋关节连接法兰3-1固定连接。
[0020]髋关节旋内旋外机构4包括弧形导轨4-1、滑块4-2、滑块前挡板4_3和滑块后挡板4-4 ;弧形导轨4-1上设置有弧形槽，滑块4-2设置在弧形槽内，弧形槽的两端分别通过滑块前挡板4-3和滑块后挡板4-4封闭，驱动杆3-4的另一端与弧形导轨4-1的外侧壁固定连接。
[0021] 髋关节内收外展机构2、髋关节屈伸机构3和髋关节旋内旋外机构4构成髋关节三
自由度活动装置。
[0022] 如图3和4所示，膝关节屈伸机构5包括膝关节连接板5-1、膝关节电机5_2、膝关节谐波减速器5-3、电机固定罩5-4、驱动摆杆5-5 ；
膝关节谐波减速器5-3设置在电机固定罩5-4内，并与电机固定罩5-4固定连接，膝关节电机5-2固定在电机固定罩5-4上，膝关节谐波减速器5-3的输入端与膝关节电机5-2连接，驱动摆杆5-5的一端与膝关节谐波减速器5-3的输出端连接；电机固定罩5-4与膝关节连接板5-1固定连接；
膝关节连接板5-1包括凸轮形平板5-1-1，凸轮形平板5-1-1的大圆侧设置有凸台
5-1-2，小圆侧开有弧形凹槽5-1-3，两个膝关节连接板5-1对扣固定连接，之间的间隙形成小腿杆活动通道。
[0023]如图5所示，大腿杆机构6包括大腿上杆6-1、大腿下杆6-2和大腿尺寸调节机构，大腿上杆6-1和大腿下杆6-2分设在大腿尺寸调节机构两端；大腿尺寸调节机构包括大腿连杆6-3，大腿连杆6-3的下部开有大腿下纵向滑槽6-4，大腿下纵向滑槽6-4的侧壁开有螺栓孔，大腿下杆6-2的侧壁开有盲孔，大腿下杆6-2的上部设置在大腿下纵向滑槽6-4内，通过螺栓固定；大腿连杆6-3的上部开有大腿横向通槽6-5和大腿上纵向滑槽6-6,大腿上纵向滑槽6-6与大腿横向通槽6-5的侧壁贯通，大腿上杆6-1的下部设置在大腿上纵向滑槽6-6内，其端部与设置在大腿横向通槽6-5内的大腿尺寸微调装置相接,大腿横向通槽6-5上覆盖有盖板；大腿尺寸微调装置包括两组微调杆和两个微调测杆，每组微调杆包括两个一端铰接的大腿调节杆6-7，大腿调节杆6-7的另一端分别与对应的大腿微调测杆 6-8铰接，大腿调节螺杆6-9穿过微调测杆设置，通过大腿调节螺杆6-9调节两个微调测杆之间的距离，实现大腿尺寸微调装置高度的变化。
[0024]如图2和3所示，大腿杆机构6的大腿上杆6-1的上端部与髋关节旋内旋外机构中的滑块4-2固定连接；大腿下杆6-2的下端部与膝关节屈伸机构的膝关节连接板5-1固定连接。
[0025]如图6和7所示，小腿杆机构7包括小腿上杆7-1、小腿下杆7_2和小腿尺寸调节机构，小腿上杆7-1和小腿下杆7-2分设在小腿尺寸调节机构两端；小腿尺寸调节机构包括小腿连杆7-3，小腿连杆7-3 —侧的下部开有小腿下纵向滑槽7-4，小腿下纵向滑槽7-4的侧壁开有螺栓孔，小腿下杆7-2的侧壁开有盲孔，小腿下杆7-2的上部设置在小腿下纵向滑槽7-4内，通过螺栓固定；小腿连杆7-3 —侧的上部开有小腿横向通槽7-5和小腿上纵向滑槽7-6,小腿上纵向滑槽7-6与小腿横向通槽7-5的侧壁贯通，小腿上杆7-1的下部设置在小腿上纵向滑槽7-6内，其端部与设置在小腿横向通槽7-5内的小腿尺寸微调装置相接，小腿横向通槽7-5上覆盖有盖板；小腿尺寸微调装置包括两组微调杆和两个微调测杆，每组微调杆包括两个一端铰接的小腿调节杆7-7，小腿调节杆7-7的另一端分别与对应的小腿微调测杆7-8铰接，小腿调节螺杆7-9穿过微调测杆设置，通过小腿调节螺杆7-9调节两个微调测杆之间的距离，实现小腿尺寸微调装置高度的变化；小腿连杆7-3另一侧设置有轨道7-10，直线滑块活动设置在轨道7-10上，膝关节屈伸机构的驱动摆杆5-5的另一端与直线滑块铰接。
[0026]如图3和4所示，小腿杆机构7的小腿上杆7-1的上部开有通槽7_1_1，膝关节一体销轴穿过两个膝关节连接板5-1及通槽7-1-1设置，膝关节一体销轴通过轴承与小腿上杆7-1活动连接；小腿上杆7-1的通槽7-1-1下方穿有短销轴7-1-2，两个滚轮7_1_3设置在短销轴7-1-2上，并分设在小腿上杆7-1的两侧，两个滚轮7-1-3分别位于两个膝关节连接板的弧形凹槽5-1-3内；小腿下杆7-2的下端部与足底板8固定连接，足底板8采用柔性材料，例如塑料或橡胶。
[0027]大腿尺寸微调装置和小腿尺寸微调装置的结构与车载千斤顶的四连杆结构类似，通过调整水平距离的变化，对高度进行细微调节。
[0028]如图1所示，大腿尺寸调节机构中的大腿连杆6-3以及小腿尺寸调节机构的小腿连杆7-3上设置有腿部绑带9。
[0029]该仿生设计下肢康复训练外骨骼的工作过程如下:
穿上外骨骼前，根据穿戴者身体尺寸，计算出下肢各腿杆具体长度，通过大腿尺寸调节机构和小腿尺寸调解机构对外骨骼腿杆长度进行精确调节，保证人体与外骨骼的髋关节、膝关节转动中心处于同一轴线上。
[0030]当人体穿上整套外骨骼装备后，将人体腰部与外骨骼腰部绑紧机构I柔性连接，人体大腿与外骨骼大腿绑带柔性连接，人体小腿与外骨骼小腿绑带柔性连接，足底板8与人体足部柔性连接。
[0031]当人体进行下肢康复训练时，髋关节电机3-6和膝关节电机5-2分别驱动髋关节屈伸机构3和膝关节屈伸机构5运动；行走过程中当人体髋关节有内收外展运动时，外骨骼髋关节内收外展2旋转副 随人体髋关节运动；当行走转向时，外骨骼髋关节旋内旋外4移动副按照行走转向而作弧线滑移运动，实现人体绕中枢脚转动轴线转向。