专利名称：用于检测人体下肢膝关节运动信息的穿戴型外骨骼机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种穿戴型下肢外骨骼机构，可用于检测人体直立行走运动过程中的下肢膝关节运动信息。
背景技术：
减重步行训练是下肢康复医疗采用的主要方法，训练过程中需要两名医师相互协调，一名医师帮助患者完成下肢摆动运动，另一名医师在保持患者直立的同时帮助患者进行髋伸展。减重步行训练能够获得理想的肢体功能恢复效果，但在很大程度上取决于医师的经验和水平。此外，康复训练过程中医师的工作强度较大、效率也较低。为弥补专业人员的不足，降低工作强度并为患者提供及时有效的医疗服务。自二十世纪九十年代以来，国内外的一些研究机构相继开展了穿戴型下肢康复外骨骼系统的研制与实验研究工作，研制的部分康复训练外骨骼系统(如L0K0MAT系统等)已具有较好的性能并开始进入临床应用阶段。人体下肢的关节运动信息是规划康复训练外骨骼系统导引运动的基础性数据，对患肢进行康复训练时，需要参照相关信息设计外骨骼系统的导引运动规律。因此，获得相对准确的下肢关节运动信息对于保证患肢的康复训练效果具有实际意义。目前下肢关节运动信息的检测主要是通过运动图像采集、标志点提取与运动分析相结合的技术方法来实现，由摄象机采集人体直立行走过程的运动图象，通过对标志点的提取，以及基于不同肢体段连体坐标系之间的相对位姿关系分析得到下肢膝关节的运动信息。在前述检测方法中，采用的膝关节运动分析模型为单自由度回转副。根据人体解剖学可知，下肢膝关节为图1所示的单自由度滑车球状关节。人体运动过程中膝关节作绕轴线X转动的同时，还伴生有轴线X的滑移运动。因此，为实现更接近人体膝关节的运动功能，在现有下假肢设计技术中，多采用平面四杆机构膝关节而非单自由度回转副对人体膝关节进行功能等效。由于现有基于运动图像采集与分析的膝关节运动信息检测方法中，采用的膝关节分析模型为单自由度回转副，难以表征X轴线滑移对膝关节运动的影响，得到的关节检测信息与膝关节运动信息之间会存在一定程度的偏差。为了获得考虑轴线χ滑移作用与影响的下肢膝关节运动信息，本发明设计了一种穿戴型外骨骼机构，当人体下肢穿戴外骨骼机构并作直立行走运动时，可以通过安置于外骨骼机构膝转动关节和膝下转动关节处的传感器测量得到的角度之和为人体下肢的膝关节运动信息。图2a)所示为外骨骼机构与人体下肢在髋以下部分经穿戴联接构成的局部封闭运动链，图2b)为局部封闭运动链的χ轴向视图。由于在人-机封闭链运动过程中大腿构件之间始终保持平行，图2b)所示封闭运动链轴向视图中，人-机大腿构件的投影线相互重合。但因人-机膝关节运动属性上的差异，导致分别在两平行平面内运动的人-机小腿构件的投影线之间出现位置和角度偏差。根据图2b)所示几何关系知，人-机大、小腿构件的投影线彼此相交并构成一个平面三角形。进而由三角形的外角定理可得人体下肢膝关节转角G1、外骨骼机构膝转动关节3转角92和膝下转动关节7转角θ3之间的关系为O1 =θ * θ 3。
发明内容
图3所示为本发明用于检测下肢膝关节运动信息的外骨骼机构的机构原理简图， 主要由大腿构件1、小腿构件2、膝转动关节3、大腿穿戴具4、小腿穿戴具5、滑块6和膝下转动关节7组成。外骨骼机构与人体下肢之间通过大腿穿戴具4和小腿穿戴具5相联。所述的大腿构件1和小腿构件2分别如图4和图5所示。大腿构件1的上端开有第一通孔8和第二通孔9，下端开有第三通孔10和第四通孔11。小腿构件2的上端开有第五通孔12，中下部开有沿构件长度方向的滑槽13。所述的膝转动关节3如图6所示。该转动关节由大腿构件1的下端，小腿构件2 的上端，上端开有第六通孔14、第七通孔15及下端开有第八通孔16的第一侧板17，上端开有第九通孔18、第十通孔19及下端开有第十一通孔20的第二侧板21，第一螺栓组22和第二螺栓组23以及阶梯轴M组成。各组成部分的连接关系是阶梯轴M的中轴段装入小腿构件2上端的第五通孔12中，两者之间为间隙配合。第一侧板17与阶梯轴M的左轴段通过第八通孔16过盈联接，第二侧板21与阶梯轴M的右轴段通过第十一通孔20过盈联接。 第一侧板17、第二侧板21及大腿构件1通过第六通孔14、第七通孔15、第九通孔18、第十通孔19、第三通孔10和第四通孔11由第一螺栓组22及第二螺栓组23联接。所述的大腿穿戴具4如图7所示。由开有第十二通孔25、第十三通孔沈、第十四通孔27与第十五通孔观的大腿连接件四，开有第十六通孔30与第十七通孔31、第一长孔32 的大腿第一半月板33，开有第十八通孔34、第十九通孔35、第二长孔36的大腿第二半月板 37以及第三螺栓组38和第四螺栓组39组成。各组成部分的连接关系是大腿连接件39、 大腿第一半月板33和大腿第二半月板37通过第十四通孔通孔27、第十五通孔观、第十六通孔30、第十七通孔31、第十八通孔34和第十九通孔35，由第三螺栓组38和第四螺栓组 39联为一体。所述的小腿穿戴具5如图8所示。由阶梯轴段40、第二十通孔41和第二十一通孔 42的构成小腿连接件43，开有第二十二通孔44、第二十三通孔45、第三长孔46的小腿第一半月板47，开有第二十四通孔48、第二十五通孔49、第四长孔50的小腿第二半月板51以及第五螺栓组52和第六螺栓组53组成。各组成部分的连接关系是小腿连接件43、小腿第一半月板47和小腿第二半月板51通过第二十通孔41、第二十一通孔42、第二十二通孔 44、第二十三通孔45、第二十四通孔48和第二十五通孔49由第五螺栓组52和第六螺栓组 53联为一体。所述的滑块6如图9所示。由四周开有第二十六通孔54、第二十七通孔55、第二十八通孔56、第二十九通孔57及中部开有第三十通孔58的第一半滑块59，四周开有第一螺纹孔60、第二螺纹孔61、第三螺纹孔62、第四螺纹孔63和中部开有第三十一通孔64的第二半滑块65以及第一螺钉66、第二螺钉67、第三螺钉68和第四螺钉69组成。第一半滑块59、第二半滑块65通过第二十六通孔Μ、第二十七通孔55、第二十八通孔56、第二十九通孔57和第一螺纹孔60、第二螺纹孔61、第三螺纹孔62、第四螺纹孔63，由第一螺钉66、第二螺钉67、第三螺钉68和第四螺钉69联为一体。所述的转动关节7如图10所示，由小腿连接件43的阶梯轴段40，滑块6和开口挡圈70组成。各组成部分的连接关系是滑块6通过第一半滑块59、第二半滑块65的第三十通孔58和第三十一通孔64与阶梯轴40以间隙配合相连接，并由开口挡圈70和阶梯轴肩实现滑块6的轴向定位。图11所示为本发明的外骨骼机构的结构简图，各部分之间的连接关系式是大腿构件ι与大腿穿戴具4通过第一通孔8、第二通孔9、第十二通孔25和第十三通孔26，由第七螺栓组71及第八螺栓组72联为一体，大腿构件1和小腿构件2通过膝转动关节3连接。 小腿构件2通过滑槽13与滑块6连接，连接方式是先通过第二半滑块65嵌装入滑槽13，再通过第一半滑块59、第二半滑块65上的第二十六通孔M、第二十七通孔55、第二十八通孔 56、第二十九通孔57和第一螺纹孔60、第二螺纹孔61、第三螺纹孔62、第四螺纹孔63，由第一螺钉66、第二螺钉67、第三螺钉68和第四螺钉69将第一半滑块59、第二半滑块65联为整体滑块6。滑块6通过膝下转动关节7连接小腿穿戴具5。
有益效果本发明的工作原理是人体作直立行走运动，下肢带动外骨骼机构作随动运动，第一光电编码器77和第二光电编码器78检测膝转动关节3和膝下转动关节7的运动信息， 并通过这两个关节检测信息的求和得到人体下肢膝关节的运动信息。本发明带来的有益效果是人体下肢紧致穿戴外骨骼机构后，外骨骼机构与下肢构成运动恰定的封闭运动链，夕卜骨骼机构与人体下肢之间不存在运动干涉。此外，在膝转动关节3和膝下转动关节7的检测信息中包含了人体下肢膝关节轴线滑移对膝关节转动运动的影响，可获得更为准确的人体膝关节运动信息。
图la)为下肢膝关节。图lb)为下肢膝关节测试图。图2a)所示为外骨骼机构与人体下肢在髋以下部分经穿戴联接构成的局部封闭运动链。图2b)所示封闭运动链轴向视图中。图3为检测下肢膝关节运动信息的外骨骼机构的机构原理。图4为大腿构件1。图5为小腿构件2。图6为膝转动关节3。图7为大腿穿戴具4。图8为小腿穿戴具5。图9为滑块6。图10为膝下转动关节7。图11为外骨骼机构的结构。图12为实施方式。图3中，1-大腿构件，2-小腿构件，3-膝转动关节，4-大腿穿戴具，5_小腿穿戴具， 6-滑块，7-膝下转动关节。图4中，8-第一通孔，9-第二通孔，10-第三通孔，11-第四通孔。图5中，12-第五通孔，13-滑槽。
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图6中，14-第六通孔，15-第七通孔，16-第八通孔，17-第一侧板，
18-第九通孔，19-第十通孔，20-第十一通孔，21-第二侧板，22-第一螺栓组，23-第二螺栓组，24-阶梯轴。图7中，25-第十二通孔，26-第十三通孔，27-第十四通孔，28-第十五通孔，39-大腿连接件，30-第十六通孔，31-第十七通孔，32-第一长孔，33-大腿第一半月板，34-第十八通孔，35-第十九通孔，36-第二长孔，37-大腿第二半月板，38-第三螺栓组，39-第四螺栓组。图8中，40-阶梯轴段、41-第二十通孔，42-第二十一通孔，43-小腿连接件，44-第二十二通孔，45-第二十三通孔，46-第三长孔，47-小腿第一半月板，48-第二十四通孔， 49-第二十五通孔，50-第四长孔，51-小腿第二半月板，52-第五螺栓组，53-第六螺栓组。图9中，54-第二十六通孔，55-第二十七通孔、56-第二十八通孔，57-第二十九通孔，58-第三十通孔，59-第一半滑块，60-第一螺纹孔，61-第二螺纹孔，62-第三螺纹孔， 63-第四螺纹孔，64-第三十一通孔，65-第二半滑块，66-第一螺钉，67-第二螺钉，68-第三螺钉，69-第四螺钉。图10中，70-开口挡圈。图11中，71-第七螺栓组，72-第八螺栓组。图12中，73-大腿绑带，74-小腿绑带，75-第一键，76-第二键，77-第一光电编码器，78-第二光电编码器。
具体实施例方式本发明的实施方式如图12所示。人体下肢通过大腿第一半月板33、大腿第二半月板37和小腿第一半月板47、小腿第二半月板51穿戴外骨骼机构，并由大腿绑带73和小腿绑带74实现紧致联接。同时，为检测下肢膝关节的运动信息，在膝转动关节3和膝下转动关节7的左侧通过第一键75、第二键76以及第一侧板17、第一半滑块59按常规方式安装了第一光电编码器77和第二光电编码器78。
权利要求
1. 一种用于检测人体下肢膝关节运动信息的穿戴型外骨骼机构，由大腿构件(1)、小腿构件O)、膝转动关节(3)、大腿穿戴具G)、小腿穿戴具(5)、滑块(6)和膝下转动关节 (7)组成，外骨骼机构与人体下肢之间通过大腿穿戴具⑷和小腿穿戴具(5)紧致相联；大腿构件(1)的上端开有第一通孔(8)和第二通孔(9)，下端开有第三通孔(10)和第四通孔(11)；小腿构件O)的上端开有第五通孔(12)，中下部开有沿构件长度方向的滑槽(13)；膝转动关节(3)，由大腿构件(1)的下端，小腿构件O)的上端，上端开有第六通孔(14)、第七通孔(15)及下端开有第八通孔(16)的第一侧板(17)，上端开有第九通孔(18)、 第十通孔(19)及下端开有第十一通孔00)的第二侧板(21)，第一螺栓组0 和第二螺栓组以及阶梯轴04)组成；各组成部分的连接关系是阶梯轴04)的中轴段装入小腿构件(2)上端的第五通孔(12)中，两者之间为间隙配合；第一侧板(17)与阶梯轴04)的左轴段通过第八通孔(16)过盈联接，第二侧板与阶梯轴04)的右轴段通过第十一通孔00)过盈联接；第一侧板(17)、第二侧板及大腿构件(1)通过第六通孔(14)、第七通孔(15)、第九通孔(18)、第十通孔(19)、第三通孔(10)和第四通孔(11)由第一螺栓组 (22)及第二螺栓组(23)联接；大腿穿戴具G)，由开有第十二通孔(25)、第十三通孔( )、第十四通孔(27)、第十五通孔08)的大腿连接件09)，开有第十六通孔(30)、第十七通孔(31)、第一长孔(3 的大腿第一半月板(33)，开有第十八通孔(34)、第十九通孔(35)、第二长孔(36)的大腿第二半月板(37)以及第三螺栓组(38)和第四螺栓组(39)组成；各组成部分的连接关系是大腿连接件(39)、大腿第一半月板(3 和大腿第二半月板(37)通过第十四通孔通孔(27)、第十五通孔( )、第十六通孔(30)、第十七通孔(31)、第十八通孔(34)和第十九通孔(35)， 由第三螺栓组(38)和第四螺栓组(39)联为一体；小腿穿戴具( ，由阶梯轴段GO)、第二十通孔Gl)和第二十一通孔0 的构成小腿连接件(43)，开有第二十二通孔04)与第二十三通孔(45)、第三长孔06)的小腿第一半月板(47)，开有第二十四通孔08)与第二十五通孔(49)、第四长孔(50)的小腿第二半月板(51)以及第五螺栓组(5 和第六螺栓组(5 组成；各组成部分的连接关系是小腿连接件(43)、小腿第一半月板07)和小腿第二半月板(51)通过第二十通孔(41)、第二十一通孔(42)、第二十二通孔(44)、第二十三通孔(45)、第二十四通孔08)和第二十五通孔 (49)由第五螺栓组(5 和第六螺栓组(5 联为一体；滑块(6)，由四周开有第二十六通孔64)、第二十七通孔(55)、第二十八通孔(56)、第二十九通孔(57)及中部开有第三十通孔(58)的第一半滑块(59)，四周开有第一螺纹孔 (60)、第二螺纹孔(61)、第三螺纹孔(62)、第四螺纹孔(6 和中部开有第三十一通孔(64) 的第二半滑块(6 以及第一螺钉(66)、第二螺钉(67)、第三螺钉(68)和第四螺钉(69) 组成；第一半滑块(59)、第二半滑块(6 通过第二十六通孔64)、第二十七通孔(55)、第二十八通孔(56)、第二十九通孔(57)和第一螺纹孔(60)、第二螺纹孔(61)、第三螺纹孔 (62)、第四螺纹孔(63)，由第一螺钉(66)、第二螺钉(67)、第三螺钉(68)和第四螺钉(69) 联为一体；膝下转动关节(7)，由小腿连接件的阶梯轴段(40)，滑块(6)和开口挡圈(70)组成；各组成部分的连接关系是滑块(6)通过第一半滑块(59)、第二半滑块(6 的第三十通孔(58)和第三十一通孔(64)与阶梯轴00)以间隙配合相连接，并由开口挡圈(70)和阶梯轴肩实现滑块(6)的轴向定位；大腿构件(1)与大腿穿戴具(4)通过第一通孔(8)、第二通孔(9)、第十二通孔05)和第十三通孔(沈)，由第七螺栓组(71)及第八螺栓组7 联为一体，大腿构件(1)和小腿构件( 通过膝转动关节C3)连接；小腿构件( 通过滑槽(1 与滑块(6)连接，连接方式是先通过第二半滑块(6 嵌装入滑槽(13)，再通过第一半滑块(59)、第二半滑块(65)上的第二十六通孔64)、第二十七通孔(55)、第二十八通孔(56)、第二十九通孔(57)和第一螺纹孔(60)、第二螺纹孔(61)、第三螺纹孔(62)、第四螺纹孔(63)，由第一螺钉(66)、第二螺钉(67)、第三螺钉(68)和第四螺钉(69)将第一半滑块(59)、第二半滑块(6 联为整体滑块(6)；滑块(6)通过膝下转动关节(7)连接小腿穿戴具(5)。
全文摘要
本发明涉及一种用于检测人体下肢膝关节运动信息的穿戴型外骨骼机构，主要由大腿构件、小腿构件、膝转动关节、大腿穿戴具、小腿穿戴具、滑块和膝下转动关节组成，外骨骼机构通过大腿穿戴具和小腿穿戴具与人体下肢紧致联接。在人体直立行走过程中，下肢带动外骨骼机构作随动运动，并通过安置于膝转动关节和膝下转动关节处的第一光电编码器和第二光电编码器检测人体下肢膝关节的运动信息。人体下肢紧致穿戴外骨骼机构后，外骨骼机构与下肢构成运动恰定的封闭运动链，外骨骼机构与人体下肢之间不存在运动干涉。还由于在膝转动关节和膝下转动关节的检测信息中包含人体下肢膝关节轴线滑移对膝关节转动运动的影响，可获得更为准确的人体膝关节运动信息。
文档编号A61B5/11GK102525479SQ20111045412
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月30日 优先权日2011年12月30日
发明者张自强, 李剑锋, 肖博, 邓楚慧 申请人:北京工业大学