(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210855534.7 (22)申请日 2022.07.20 (71)申请人 合肥工业大 学 地址 230009 安徽省合肥市屯溪路193号 (72)发明人 陈兵　郑成旺　訾斌　周斌　赵萍　 (74)专利代理 机构 安徽智鼎华诚专利代理事务 所(普通合伙) 34242 专利代理师 张伟 (51)Int.Cl. A61H 3/00(2006.01) A61H 1/02(2006.01) A61B 5/11(2006.01) B25J 9/00(2006.01) B25J 9/16(2006.01) (54)发明名称 一种具有刚度调节与能量回收功能的膝关 节外骨骼及其训练方法 (57)摘要 本发明公开了一种具有刚度调节与能量回 收功能的膝关节外骨骼， 包括大腿支架、 小腿支 架、 大腿连接板、 小腿连接板， 小腿连接板的顶部 与大腿连接板的底部转动连接， 大腿支架的正侧 面上设置驱动器机构， 驱动器机构包括机架、 固 定安装于机架上的动力输入机构、 转动安装于机 架上的刚度调节机构、 分别与刚度调节机构和小 腿连接板相连接的动力输出机构； 还包括传感系 统和与传感系统电连接的控制系统， 传感系统包 括设置于驱动器机构内的编码器组、 设置于大腿 连接板和小腿 连接板之间的角度传感器、 设置于 小腿支架下方的压力传感器。 本发 明可跟随人体 膝关节刚度实时调节外骨骼 机器人的输出刚度， 以及在非辅助 阶段利用人体膝关节的负功实现 发电。 权利要求书3页 说明书9页 附图15页 CN 115245446 A 2022.10.28 CN 115245446 A 1.一种具有刚度调节与能量回收功能的膝关节外骨骼， 包括绑定于人体大腿部位上的 大腿支架(4)、 绑定于人体小腿部位上的小腿支架(5)， 所述大腿支架(4)的一侧通过螺钉连 接有位置可调节的大腿连接板(2)， 所述小腿支架(5)的相同侧通过螺钉连接有位置可调节 的小腿连接板(3)， 所述小腿 连接板(3)的顶部与大腿连接板(2)的底部转动连接， 其特征在 于： 所述大腿支架(4)的正侧面上设置有水平位置可横向调节的驱动器机构(1)， 所述驱动 器机构(1)包括机架(6)、 固定安装于机架(6)上的动力输入机构(7)、 转动安装于机架(6)上 并与动力输入机构(7)的动力输出端传动连接的刚度调节机构(8)、 分别与刚度调节机构 (8)的动力输出端和小腿连接 板(3)的动力输入端相连接的动力输出机构(9)； 还包括传感系统和与传感系统电连接的控制系统， 所述传感系统包括设置于驱动器机 构(1)内的编码器组、 设置于大腿 连接板(2)和小腿连接板(3)之间的角度传感器(10)、 设置 于小腿支 架(5)下方的压力传感器。 2.根据权利要求1所述的一种具有刚度调节与能量回收功能的膝关节外骨骼， 其特征 在于： 所述动力输入机构(7)包括固定安装于机架(6)顶部一侧的驱动电机(72)、 固定连接 于驱动电机(72)底部输出端上的蜗杆(75)、 转动安装于支架(6)上并与蜗杆(75)啮合连接 的蜗轮(76)。 3.根据权利要求1或2所述的一种具有刚度调节与能量 回收功能的膝关节外骨骼， 其特 征在于： 所述刚度调节机构(8)包括固定安装于机架(6)侧面上的中心轮轴支座(815)、 转动 安装于中心轮轴支座(815)上的中心轮轴(83)， 所述中心轮轴(83)的一端固定连接有扭簧 连接件(82)， 所述扭簧连接件(82)的端面上固定连接有扭簧(81)， 扭簧(81)的动力输入端 与动力输入机构(7)的动力输出端固定连接； 所述中心轮轴(83)的另一端固定安装有小中心齿轮(84)， 所述小中心齿轮(84)的内侧 设置有套设在中心轮轴(83)上的中心轮支架(88)， 所述中心轮支架(88)的侧面轴连接有三 个分别与小中心齿轮(84)啮合连接的行星轮(85)， 三个所述行星轮(8 5)的外侧同时啮合连 接有与中心轮支架(88)固定连接的大中心内齿轮(86)， 所述大中心内齿轮(86)的外侧固定 连接有大中心外齿轮(87)， 三个行星轮(85)的外侧轴端共同固定连接有行星架(89)； 还包括固定安装于机架(6)上的刚度调节电机(812)、 固定安装于刚度调节电机(812) 的输出轴端并与大中心外齿轮(87)啮合连接的刚度调节齿轮(810)。 4.根据权利要求3所述的一种具有刚度调节与能量回收功能的膝关节外骨骼， 其特征 在于： 所述扭簧(81)包括同轴设置的内圈(8101 )和外圈(8102)， 所述内圈(8101 )和外圈 (8102)之间一体 设置有多个均匀分布的弹性体(8103)， 所述弹性体(8103)为连续回折的波 浪状结构。 5.根据权利要求1或2所述的一种具有刚度调节与能量 回收功能的膝关节外骨骼， 其特 征在于： 所述动力输出机构(9)包括固定连接于刚度调节机构(8)动力输出端的行星架轴 (91)、 固定连接于小腿连接板(3)顶部的膝关节输出轴(95)， 所述大腿连接板(2)的底部转 动套接于膝关节输出轴(95)上， 所述行星架轴(91)的轴端和膝关节输出轴(95)的轴端通过 同步带传动机构传动连接 。 6.根据权利要求5所述的一种具有刚度调节与能量回收功能的膝关节外骨骼， 其特征 在于： 所述角度传感器(10)固定设置于膝关节输出轴(95)的轴端， 所述小腿连接板(2)的侧 面底部固定连接有角度传感器固定件(11)， 角度传感器(10)的检测输入端固定连接于角度权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115245446 A 2传感器固定件(1 1)上。 7.根据权利要求1所述的一种具有刚度调节与能量回收功能的膝关节外骨骼， 其特征 在于： 所述大腿支架(4)的前侧固定 设置有第一支架连接件(13)， 且第一支架连接件(13)上 开设有至少一个水平设置的定位滑槽， 所述支架(6)的侧面固定设置有第二支架连接件 (14)， 且第二支架连接件(14 )上开设有与定位滑槽相匹配的螺纹孔组， 第二支架连接件 (14)和第一支架连接件(13)通过螺纹连接于螺纹孔组内且设置于定位滑槽内的锁紧螺钉 进行紧固。 8.根据权利要求1所述的一种具有刚度调节与能量回收功能的膝关节外骨骼， 其特征 在于： 所述控制系统包括控制器盒(15)、 分别设置于控制器盒(15)内的平板电脑(17)、 单片 机(18)、 锂电池(19)、 驱动电机控制器(20)、 刚度调节电机控制器(21)、 分别设置在控制器 盒(15)外侧的单片机开关(22)和急停开关(23)， 所述编码器组包括设置于动力输入机构 (7)上的驱动电机编码器(71)和设置 于刚度调节机构(8)上的刚度调节电机编码器(81 1)； 所述锂电池(19)为整个控制系统供电， 急停开关(23)串接于控制电路的总干路上， 单 片机开关(22)串接于单片机(18)的供电支路上， 所述平板电脑(17)与单片机(18)双向通讯 连接， 所述驱动电机编码器(71)、 刚度调节电机编码器(811)、 角度传感器(10)和压力传感 器的信号输出端与单片机(18)的信号输入端连接， 所述驱动电机控制器(20)、 刚度调节电 机控制器(21)的信号输入端分别与单片机(18)的信号输出端 连接， 驱动电机控制器(20)的 信号输出端与动力输入机构(7)的动力装置信号控制端连接， 刚度调节电机控制器(21)的 信号输出端与刚度调节机构(8)的动力装置信号控制端连接 。 9.根据权利要求7所述的一种具有刚度调节与能量回收功能的膝关节外骨骼， 其特征 在于： 所述控制器盒(15)的外侧固定设置有腰带(16)。 10.一种基于权利要求8所述的具有刚度调节与能量回收功能的膝关节外骨骼的训练 方法， 其特 征在于， 包括以下主 要步骤： S10、 膝关节运动功能不便的患者将外骨骼佩戴于需要进行训练的腿部， 根据需要适当 调整驱动器机构(1)的在大腿支架(4)上的横向位置、 大腿连接板(2)在大腿支架(4)上的连 接位置、 小腿连接板(3)在小腿支架(5)上的连接位置中的一个或几个， 使外骨骼各部件之 间的相对位置适 合佩戴者的训练要求， 同时将控制器盒佩戴于 腰部， 准备开始训练； S20、 训练者或治疗师打开急停开关(23)和单片机开关(22)进行系统初始化， 使外骨骼 的传感系统和控制系统 处于工作模式； S30、 使用者或者治疗师根据患者的实际需求通过平板电脑(17)选定外骨骼的工作模 式， 包括以下两种工作模式： (1)整个步态周期全程辅助模式， 此种模式适用于膝关节肌肉完全受损的患者； (2)仅屈曲阶段辅助模式， 此种模式适用于膝关节肌肉部分受损的患者； S40、 系统根据选 定的模式执 行相应的步骤： (1)在整个步态周期辅助模式下， 系统执 行以下步骤： S401、 驱动电机编码器(71)、 刚度调节电机编码器(811)、 角度传感器(10)和压力传感 器将采集的对应信息数据实时传送给单片机(18)， 单片 机(18)将转化后的信息数据传送给 平板电脑(17)； S402、 平板电脑(17)根据采集到的数据信息对穿戴者进行行走步态分析和运动意图识权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115245446 A 3