[发明专利]一种带生物力反馈的可变刚度膝关节康复训练装置及其方法

权利要求书

1.一种带生物力反馈的可变刚度膝关节康复训练装置，包括施力结构、托架结构，施力结构包括无杆气缸（2）、第一气动柔性驱动器（4）、第二气动柔性驱动器（6）、滑动副（10），滑动副（10）由杆件和滑块组成；托架结构包括大腿杆（11）、小腿杆（13），小腿杆（13）与大腿杆（11）之间构成转动副；其特征在于还包括生物力信号检测单元、控制单元，其中生物力信号检测单元包括表面电极片（21）、信号调理器（22）、数据采集及控制系统（23）、位置指示用的行程开关、角度传感器（27），该行程开关由磁性开关（25）和接近开关（26）组成，控制单元包括计算机（24）、比例流量阀（28）、比例压力阀（29）、开关阀（30）、电磁换向阀（31）、可编程控制器（32）；

所述的第一气动柔性驱动器（4）、第二气动柔性驱动器（6）各连接一个比例流量阀，无杆气缸（2）的两个气口分别连接一个比例流量阀，各比例流量阀连接一个比例压力阀，各比例压力阀连接一个开关阀，各开关阀均与电磁换向阀（31）连接，比例流量阀（28）、比例压力阀（29）、开关阀（30）和电磁换向阀（31）通过气管连通；

表面电极片（21）与信号调理器（22）通过数据线连接，可编程控制器（32）分别与计算机（24）、磁性开关（25）、接近开关（26）、角度传感器（27）、开关阀（30）、电磁换向阀（31）通过数据线相连，数据采集及控制系统（23）分别与计算机（24）、信号调理器（22）、比例压力阀（29）、比例流量阀（28）通过数据线相连；两个以上的磁性开关（25）安装于无杆气缸（2）的缸体外表面的凹槽内，磁性开关（25）放置的位置可沿无杆气缸（2）轴线方向在气缸的行程范围内可调，用于检测康复训练时无杆气缸（2）的活塞的行程位置；在滑动副（10）的杆件两侧设置接近开关（26），角度传感器（27）设置在大腿杆（11）和与小腿杆（13）之间的转动副处，并与该转动副同心。

2.一种带生物力反馈的可变刚度膝关节康复训练方法，其特征在于在双向柔性的膝关节主-被动康复训练装置上进行，在进行康复训练时将表面电极片（21）贴于受训下肢相应的肌肉处，以测试康复训练过程中由于肌肉收缩产生的生物力，该生物力信号通过数据传输线传送给信号调理器（22）进行信号的放大及滤波处理，并由数据采集及控制系统（23）采集处理后的信号，数据采集及控制系统（23）对信号调理器（22）处理后的信号进行模/数转换后传送给计算机（24），计算机（24）对生物力信号进行特征值RMS提取、信号强弱的分析和评估，数据采集及控制系统（23）将计算机（24）下达的控制指令进行数/模转换后发送给比例流量阀（28）和比例压力阀（29），比例流量阀（28）和比例压力阀（29）根据计算机（24）给出的控制指令调节供气流量和供气压力的大小；通过可编程控制器（32）控制开关阀（30）和电磁换向阀（31）相应电磁铁的通断情况，对气动回路进行顺序动作控制，以便控制康复训练的过程。

3.根据权利要求2所述的带生物力反馈的可变刚度膝关节康复训练方法，其特征在于在驱动行程的末端通过比例流量阀（28）和比例压力阀（29）控制第一气动柔性驱动器（4）或第二气动柔性驱动器（6）的供气压力，改变气动柔性驱动器的刚度，以满足不同康复阶段对康复器变刚度的要求，即气动柔性驱动器的动刚度K_d为静刚度K_j和气压刚度K_q之和：

Kd=Kj+KqKj=Kp2λpπ2(π-2)2NH-Kpλpπ2[KR(π-1)+D2]Kq=p(H-Hmax)[2a-n(2aH+b)2aH2+bH+c]]]>

式中，为气动柔性驱动器的伸长长度校正系数，H_max为气动柔性驱动器的理论最大伸长长度，H_p为气动柔性驱动器的实际最大伸长长度。λ为气动柔性驱动器的能量转化效率，p为供气压力，H为气动柔性驱动器的工作长度，N为气动柔性驱动器的螺旋弹性管层数，R为气动柔性驱动器的螺旋弹性管膨胀至圆形时的外圈半径，K为气动柔性驱动器的螺旋弹性管的半径变化率，D为导杆直径，n为多变指数，b=-Kpλπ2[KR(π-1)+D2],]]>c=λNKRπ²(πKR+D)。