可穿戴式膝关节外骨骼康复机器人及工作方法

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，具体地，涉及一种可穿戴式膝关节外骨骼康复机器人以及该可穿戴式膝关节外骨骼康复机器人的工作方法。

背景技术

传统的外骨骼康复机器人多采用双下肢的被动训练模式，患者在程序的控制下进行机械的运动康复训练，从而刺激外周神经。这种方式限制了脑功能运动神经中枢对于自身健侧的运动控制能力，放弃了脑损伤之后黄金期内脑重塑的正向建设。

传统外骨骼康复机器人的主动训练模式是基于已经设定好的标准“程序”进行康复，患肢的步态控制是固定且死板的，无法在患者保持动态平衡的前提下与健侧形成有效的运动交互，不利于形成个性化的训练效果。

另外，现有技术中的膝关节康复机器人大多是帮助患者完成简单的腿部屈伸动作以帮助其下肢逐渐恢复运动能力，但是运动的幅度不易控制，不能针对患者具体情况调节运动幅度，患者的康复速度往往较慢，康复周期较长。

此外，现有康复机器人只能进行简单的屈伸运动康复，不能通过人机交互的方式进行康复策略的选择，也不能进行实时监控身体参数状态，无法对健康数据进行管理追踪。

针对上述问题，还需要提供一种更为合理的技术方案，以解决现有技术中外骨骼康复机器人适用性差，患者康复训练时动作不能有效适用，致使患者恢复效果不理想的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种可穿戴式膝关节外骨骼康复机器人以及该可穿戴式膝关节外骨骼康复机器人的工作方法，以能够更好的适用于不同的患者，从而根据患者的实际情况保证促进患者下肢运动功能康复，增强下肢活动能力，以其更加个性化的康复方式达到更加准确的恢复效果，有效改善患者步态与康复疗效，同时帮助实现在短期内重塑神经—肢体完整控制功能。由此解决现有技术中外骨骼康复机器人适用性差，患者康复训练时动作不能有效适用，致使患者恢复效果不理想的问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种可穿戴式膝关节外骨骼康复机器人，用于患者的患侧和健侧；该机器人包括动力模块、膝关节模块、姿态检测模块和控制器；所述姿态检测模块包括用于约束于髋关节的第一姿态检测器、用于约束于膝关节的第二姿态检测器以及用于约束于踝关节的第三姿态检测器；所述第一姿态检测机构、所述第二姿态检测机构和第三姿态检测机构分别通信连接于所述控制器；

所述膝关节模块包括用于绑缚于大腿的大腿绑缚模块以及用于绑缚于小腿的小腿绑缚模块，所述大腿绑缚模块的外侧设有第一侧板，所述小腿绑缚模块的外侧设有第二侧板，所述第一侧板和所述第二侧板分别连接于膝轮；

所述动力模块用于绑缚于腰部，其包括驱动电机和鲍登线，所述鲍登线的一端连接于所述驱动电机的输出端，另一端连接于所述膝轮；

所述驱动电机通信连接于所述控制器；当所述驱动电机转动时，能够调节所述鲍登线在竖直方向上的长度。

在一种可能的设计中，所述动力模块还包括壳体、电源和腰部绑带，所述壳体设置于所述腰部绑带上，所述电源和所述驱动电机均设置于所述壳体内，且所述电源分别电性连接于所述驱动电机和所述控制器。

在一种可能的设计中，所述壳体上凸出的形成有用于容纳所述驱动电机的驱动端的柱形凸台，沿所述柱形凸台的切线方向设有向下延伸的导向管，所述鲍登线沿所述导向管的内孔穿出并连接于所述膝轮。

在一种可能的设计中，所述大腿绑缚模块上设有定位座，所述定位座上形成为倾斜的换向孔，以使得所述鲍登线沿所述膝轮的切线方向布线并连接于所述膝轮。

在一种可能的设计中，所述第一姿态检测机构、所述第二姿态检测机构和第三姿态检测机构均配设为姿态传感器。

在一种可能的设计中，所述控制器配设为PLC可编程逻辑控制器。

在一种可能的设计中，所述控制器通信连接于终端，所述终端配设为扬声器和/或显示器。

一种膝关节外骨骼康复机器人的工作方法，包括以下步骤：

通过第一姿态检测器获取当前患者大腿处的第一偏航角和第一俯仰角信息，其中，所述第一偏航角为髋关节外展/内收的运动数据，所述第一俯仰角为髋关节屈曲运动数据；

通过第二姿态检测器获取当前患者小腿处的第二偏航角和第二俯仰角信息，其中，所述第二偏航角为膝关节外展/内收的运动数据，所述第二俯仰角为膝关节屈曲运动数据；

通过第三姿态检测器获取当前患者小腿处的第三偏航角和第三俯仰角信息，其中，所述第三偏航角为踝关节外展/内收的运动数据，所述第三俯仰角为踝关节屈曲运动数据；

控制器对接收到的第一偏航角和第一俯仰角信息、第二偏航角和第二俯仰角信息、第三偏航角和第三俯仰角信息进行平滑处理，根据预设的数据模型制作动作曲线；

控制器发出指令驱动位于患者患侧的驱动电机动作。

该可穿戴式膝关节外骨骼康复机器人运用镜像疗法，采用单下肢设计，搭载控制器和姿态检测模块，从而对人行走步态参数的实时反馈，使患者主动以其健肢引领患肢交互步行，实现主动地，双侧联合的运动再学习康复训练；同时，运用运动学，动力学和力学冗余传感技术，精确感知患者的运动意图和步态特征参数，实现精准的个性化学习。通过健侧辅助患侧的方式，进行个性化辅助训练，有效改善患者步态与康复疗效，同时帮助实现在短期内重塑神经—肢体完整控制功能。因此，也使得镜像疗法在脑卒中后下肢运动康复的有效性得到了切实证明。

具体在应用时，可以将该可穿戴式膝关节外骨骼康复机器人同时应用于患者的健侧和患侧。通过开放患者健侧的外骨骼设计，将健侧数据毫秒级的通过算法复制到患侧，从而引导患侧康复。运用机器学习技术，在患者健肢步态特征的基础上，优化患肢的步态控制，并使患肢实时保持与健肢的交互，在保障患者静态和动态平衡的基础上，实现患肢对健肢的个性化步态学习。由此，按照患者健侧的运动轨迹，带动患者患侧完成镜像运动，从而改善康复步态不精确的问题，为患者下肢康复训练提供可靠性，有益于帮助患者进行有效的康复训练。

通过上述技术方案，该可穿戴式膝关节外骨骼康复机器人可以准确适用于患者，并根据患者的运动状态进行实时监测并快速反馈，从而根据患者的实际情况保证促进患者下肢运动功能康复，增强下肢活动能力，以其更加个性化的康复方式达到更加准确的恢复效果，有效改善患者步态与康复疗效，同时帮助实现在短期内重塑神经—肢体完整控制功能。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是可穿戴式膝关节外骨骼康复机器人在一种实施例中的立体结构示意图；

图2是姿态检测模块的结构示意图。

附图标记说明

1-动力模块，11-鲍登线，12-壳体，13-柱形凸台，14-导向管，2-膝关节模块，21-大腿绑缚模块，22-小腿绑缚模块，23-第一侧板，24-第二侧板，25-膝轮，26-定位座，3-姿态检测模块。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

作为脑卒中常见后遗症，下肢运动功能障碍严重影响患者转移，站立，步行等日常活动功能。基于上下肢一体化理论，脑卒中后上下肢康复是一个整体的过程。相对上肢，针对下肢的新兴技术应用研究仍然较少。

基于此，本发明的第一方面提供了一种可穿戴式膝关节外骨骼康复机器人，用于患者的患侧和健侧。需要说明的是，文中出现的健侧是指患者身体健康的一侧，患侧是指身体有恙需要复健的一侧。其中，图1和图2示出了其中一种具体实施例。

参阅图1和图2所示，该可穿戴式膝关节外骨骼康复机器人包括动力模块1、膝关节模块2、姿态检测模块3和控制器；所述姿态检测模块3包括用于约束于髋关节的第一姿态检测器、用于约束于膝关节的第二姿态检测器以及用于约束于踝关节的第三姿态检测器；所述第一姿态检测机构、所述第二姿态检测机构和第三姿态检测机构分别通信连接于所述控制器。

所述膝关节模块2包括用于绑缚于大腿的大腿绑缚模块21以及用于绑缚于小腿的小腿绑缚模块22，所述大腿绑缚模块21的外侧设有第一侧板23，所述小腿绑缚模块22的外侧设有第二侧板24，所述第一侧板23和所述第二侧板24分别连接于膝轮25。

所述动力模块1用于绑缚于腰部，其包括驱动电机和鲍登线11，所述鲍登线11的一端连接于所述驱动电机的输出端，另一端连接于所述膝轮25；所述驱动电机通信连接于所述控制器；当所述驱动电机转动时，能够调节所述鲍登线11在竖直方向上的长度。

该可穿戴式膝关节外骨骼康复机器人运用镜像疗法，采用单下肢设计，搭载控制器和姿态检测模块3，从而对人行走步态参数的实时反馈，使患者主动以其健肢引领患肢交互步行，实现主动地，双侧联合的运动再学习康复训练；同时，运用运动学，动力学和力学冗余传感技术，精确感知患者的运动意图和步态特征参数，实现精准的个性化学习。通过健侧辅助患侧的方式，进行个性化辅助训练，有效改善患者步态与康复疗效，同时帮助实现在短期内重塑神经—肢体完整控制功能。因此，也使得镜像疗法在脑卒中后下肢运动康复的有效性得到了切实证明。

具体在应用时，可以将该可穿戴式膝关节外骨骼康复机器人同时应用于患者的健侧和患侧。通过开放患者健侧的外骨骼设计，将健侧数据毫秒级的通过算法复制到患侧，从而引导患侧康复。运用机器学习技术，在患者健肢步态特征的基础上，优化患肢的步态控制，并使患肢实时保持与健肢的交互，在保障患者静态和动态平衡的基础上，实现患肢对健肢的个性化步态学习。由此，按照患者健侧的运动轨迹，带动患者患侧完成镜像运动，从而改善康复步态不精确的问题，为患者下肢康复训练提供可靠性，有益于帮助患者进行有效的康复训练。

通过上述技术方案，该可穿戴式膝关节外骨骼康复机器人可以准确适用于患者，并根据患者的运动状态进行实时监测并快速反馈，从而根据患者的实际情况保证促进患者下肢运动功能康复，增强下肢活动能力，以其更加个性化的康复方式达到更加准确的恢复效果，有效改善患者步态与康复疗效，同时帮助实现在短期内重塑神经—肢体完整控制功能。

由于脑部运动功能区域神经受损后，患者中枢神经对肢体的控制能力被削弱，进而影响肢体运动功能。但是，脑损伤患者在经过康复训练之后，能够使病变区域得到一定程度的修复，即，帮助脑部神经修复。

具体地，用健肢的运动模式引导患肢的运动意图，形成交互步行，实现人机共融，促进运动神经功能高效康复。为患者提供全周期主动、高效、个性化、运动诱导下的“中枢-外周-中枢”闭环神经康复，使其在短期内重塑神经-肢体完整控制功能。

患肢步态控制建立在感知健肢运动意图和步态特征基础上的，学习的对象不再是“程序”或“他人”，是患者自身的健肢，有助于患者进行个性化康复。

在本公开提供的一种实施例中，所述动力模块1还包括壳体12、电源和腰部绑带，所述壳体12设置于所述腰部绑带上，所述电源和所述驱动电机均设置于所述壳体12内，且所述电源分别电性连接于所述驱动电机和所述控制器。这样设计，能够实现对驱动电机位置的固定，有益于保证鲍登线11动力传递的稳定性和有效性。

在本公开提供的一种实施例中，所述壳体12上凸出的形成有用于容纳所述驱动电机的驱动端的柱形凸台13，沿所述柱形凸台13的切线方向设有向下延伸的导向管14，所述鲍登线11沿所述导向管14的内孔穿出并连接于所述膝轮25。这样设计，一方面有益于防止鲍登线11晃动，另一方面可引导鲍登线11沿预设方向顺畅移动，保证动力传递的有效性和可靠性。

在一种实施例中，所述大腿绑缚模块21上设有定位座26，所述定位座26上形成为倾斜的换向孔，以使得所述鲍登线11沿所述膝轮25的切线方向布线并连接于所述膝轮25。这样设计，一方面有益于防止鲍登线11晃动，另一方面可引导鲍登线11沿预设方向顺畅移动，保证动力传递的有效性和可靠性。

在本公开提供的一种实施例中，所述第一姿态检测机构、所述第二姿态检测机构和第三姿态检测机构均配设为姿态传感器。由此，对患者在运动时下肢的运动状态进行实时监测，从而反馈给控制器，控制器根据所获取的数据进行分析、判断和确认，进行反向反馈给驱动电机，从而鲍登线11进行调节，间接地实现对患者运动状态的调节。

在本公开提供的实施例中，所述控制器配设为PLC可编程逻辑控制器，具有信号的处理能力。

而在其他实施例中，控制器还可以配设为中央处理器(Central ProcessingUnit，CPU)或集成电路芯片，均具有信号的处理能力。

在实现过程中，上述功能可以通过控制器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的控制器还可以是通用处理器，包括网络处理器(Network Processor，NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array，FPGA)或者其它可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。对此，本领域技术人员可以在现有技术的基础上进行常规性改进得到。

在本公开中，驱动电机、姿态检测模块3和控制器可以是通过GPRS、WiFi、蓝牙等各种本领域公知的无线传输协议实现数据的传输，从而减少信号线的铺设。当然，也可以通过通信线缆等实现数据的有线传输，本发明对此不做限制。

在本公开提供的一种实施例中，所述控制器通信连接于终端，所述终端配设为扬声器和/或显示器。具体地，在本公开中，终端配设为扬声器。

应当理解，对于本文中可能出现的术语“和/或”，其仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况。

根据本公开的第二方面，提供了一种膝关节外骨骼康复机器人的工作方法。

该工作方法包括以下步骤：

通过第一姿态检测器获取当前患者大腿处的第一偏航角和第一俯仰角信息，其中，所述第一偏航角为髋关节外展/内收的运动数据，所述第一俯仰角为髋关节屈曲运动数据；

通过第二姿态检测器获取当前患者小腿处的第二偏航角和第二俯仰角信息，其中，所述第二偏航角为膝关节外展/内收的运动数据，所述第二俯仰角为膝关节屈曲运动数据；

通过第三姿态检测器获取当前患者小腿处的第三偏航角和第三俯仰角信息，其中，所述第三偏航角为踝关节外展/内收的运动数据，所述第三俯仰角为踝关节屈曲运动数据；

控制器对接收到的第一偏航角和第一俯仰角信息、第二偏航角和第二俯仰角信息、第三偏航角和第三俯仰角信息进行平滑处理，根据预设的数据模型制作动作曲线；

控制器发出指令驱动位于患者患侧的驱动电机动作。

基于该方法中将镜像疗法的应用，可有效改善脑卒中后下肢运动功能，主要表现在镜像疗法促进下肢动作的恢复，增强下肢活动能力，并改善步行功能也为脑卒中后下肢康复提供新的治疗途径。镜像疗法通过激活镜像神经元和提高涉及注意力和认知控制的神经区域活性，激活感觉运动皮层，纠正不对称的运动模式等相关潜在机制，促进脑卒中后下肢运动功能的恢复。

基于镜像疗法相对于下肢的干预，具有以下有益效果：1、操作简单，费用较少；2、适合长期干预，患者回家后也可进行治疗；3、具有中枢干预效果适合主动运动意识差的患者。

与现有的临床康复医械产品相比，基于镜像疗法的单下肢康复机器人的优势表现为从传统被动训练转向智能主动训练、从程序化控制变为个性化学习控制、从外周神经刺激进阶为中枢与外周神经同时刺激、由不确定运动模式转变为正确运动模式训练，能够有效地促进患者康复训练效果。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。