交互式外骨骼膝关节机器系统技术方案

本发明专利技术公开了一种交互式外骨骼膝关节机器系统用于行走辅助和步态训练。该系统包括附置于使用者大腿和小腿部位的一个外骨骼框架；电动机；机械锁；安装于下肢的运动传感器和一个控制箱。该系统用于为膝关节提供伸展和弯曲运动。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种可穿戴的交互装置，用于通过移动膝关节或在膝关节提供助力对使用者的移动提供动力辅助。尤其是，本专利技术涉及一种步态辅助训练装置和方法。
技术介绍
驱动型外骨骼康复装置通过在膝关节提供助力(如承重)对使用者的移动提供动力辅助。但是，当前大多数这类装置在设计上都很笨重和体积大，使用者和装置之间缺乏积极互动，以及缺乏对环境和预定程序的行走轨迹进行直观的调节。膝关节上的步态异常在年长者和中风后遗症病人中非常普遍。中风是长期残疾的主要原因之一，这会影响他们的独立性和行走能力。中风可能导致膝部不稳定并伴随过伸性损伤。其特点在于膝关节越过中立位置伸展过长，可能在步态周期中快速且突然发生或缓慢发生。患有过伸性损伤的病人具有异常的步态模式，这可能会增加能量消耗，降低平衡能力，并可能导致疼痛、荚膜和韧带松弛以及/或骨骼变形。另一影响在于步态适应期造成的内翻力矩，这会增加内侧胫股上的横向牵张力。这可能导致内侧胫股和/或后外侧软组织疼痛以及/或可能导致胫股畸形，例如内翻畸形或前后胫骨后倾。膝反屈的其它二次医疗问题：关节挛缩、骨质疏松症以及压力性溃疡。正常步态模式需要腓肠肌和比目鱼肌的充分推进力，在站立中间期需要四头肌的充分收缩，在迈步期需要臀部和膝关节的弯曲，以及很好的平衡和姿势。因此，有效的步态恢复应结合这些具体要求，从而避免出现异常的步态模式或过伸性步态机制。步态恢复可以通过几种康复方法实现。在矫形法下，中风病人可以使用轻质膝-踝-足矫形器(KAFO)使膝盖和踝关节保持稳定。尽管如此，KAFO的训练效果是有限的。另一方面，物理疗法(PT)和职业疗法(OT)是常见的干预性措施，用以提高运动机能和减缓运动损伤的出现。传统的治疗技
巧包括步态训练，例如地面训练、跑步机、运动再学习训练、本体感觉神经肌肉促进法以及玻巴斯法。据以往的研究显示，尽管这些康复方法能够降低神经肌肉损伤的严重程度，但并没有特别的效果，只限于目标区域，因此病人常常采取补偿性策略。另一方面，下肢外骨骼机器装置在过去数年里越来越受欢迎。这些机器装置被设计用于提供行走辅助以及体重支撑，其中结合了PT、OT疗法。以往的研究记录了对中风病人在机器辅助步态训练下的积极治疗作用，例如提高行走独立性、功能性行走能力、肌肉激活、行走速度、肌肉张力和活动范围。尽管已有研究显示使用机器训练系统能够提高病人的移动能力和促进康复过程，目前大多数装置主要设计用于移动双腿，限于跑步机使用，缺乏积极的人-机器互动，限于预定程序的行走轨迹，缺少对行走环境的直观性调节，且在这些系统中很少涉及剩余的自主运动意向。但是，中风病人和有膝关节问题的人只有一只脚受到影响，他们仍然有剩余的运动机能，而未受到影响的另一只脚支持体重并帮助保持平衡。中风病人的主要问题在于步态周期缺乏对膝关节的控制，这是由于四头肌和腿后肌群无力以及膝关节的过伸性损伤。外骨骼膝关节机器系统具有轻质设计，能够适用于单侧而且可以完全使装置的运行适合病人的活动(爬楼梯、起立)。
技术实现思路
该交互式外骨骼膝关节机器系统能够调整不同的行走条件，例如：地面行走、上楼梯、下楼梯、起立、上坡、下坡以及不同的行走速度。该系统的设计和配置是作为一个外骨骼框架用于使用者下肢的患侧。该外骨骼装置的驱动力是由一台伺服电动机提供的，并通过机械式膝盖锁保持稳定性。所述系统能够：(1)使用患腿上的传感器感知使用者的运动和运动学步态模式；(2)使用基于步态分析的控制算法探测使用者的行走意向和环境条件；(3)根据精心调整的步态模式和位置控制驱动和锁禁膝关节，确保在不同的行走条件下的行走方便。根据本专利技术的一个实施例，用于对使用者进行步态训练的交互式外骨骼膝关节机器系统包括：一个在单侧与大腿和小腿连接的外骨骼框架；一个传
感系统；至少一个力传感器；一个电动机；一个机械式锁禁系统；一个控制箱；用于整合电动机和同步锁禁的控制算法。优选地，该电动机是一个扭矩控制的伺服电动机。该电动机在使用者腿部外侧或内侧与膝关节中心对齐，有效连接至该外骨骼框架的小腿段部件和大腿段部件。优选地，该机械式锁禁系统是一个机电式锁禁系统。该机电式锁禁系统在使用者腿部外侧或内侧与膝关节中心对齐，有效连接至小腿段部件和大腿段部件。优选地，该系统还包括一个具有电动机控制软件模块的控制箱，用于自动调节电动机速度和角位置至使用者的行走速度和行走环境，包括地面行走、上楼梯、下楼梯、上坡、下坡、以及起立。优选地，该系统还包括至少一个附置于该外骨骼框架的大腿和/或小腿位置的运动传感器，用于测量倾斜角和线性加速度。该力传感器附置于一个独立的或相连接的底垫上，用于检测步态周期的脚部接触模式。优选地，该系统还包括一个长度调节机构，可以对使用者腿部的外骨骼框架之大腿段和小腿段进行单独调整。根据本专利技术的一个实施例，一种交互式外骨骼膝关节机器系统包括：一个外骨骼框架具有一个大腿支架，一个小腿支架，一个机械式大腿支架和一个机械式小腿支架；至少一个安装于该外骨骼框架上的运动传感器；至少一个附置于底垫上的力传感器；一个用于从该机械式大腿支架开始旋转该机械式小腿支架的电动机，从而生成对膝关节的辅助力；一个机械式锁禁系统连接至该机械式大腿支架和该机械式小腿支架，以提供机械支持；一个控制箱连接至该运动传感器和该力传感器，用于提供能量和信号通信以及向该电动机和该机械式锁禁系统发送控制指令；由控制箱执行的控制算法，利用从运动传感器和该力传感器收集的数据用于探测行走意向和确定至少一种基于步态分析的行走环境，并根据步态模式通过该电动机驱动膝关节运动，通过机械式锁禁系统锁禁该膝关节。根据本专利技术的一个实施例，本专利技术的系统针对使用者所采用的步态训练方法包括：当该力传感器的荷载力低于压力阀值，该运动传感器所检测的角速度大于角速度阀值，且该运动传感器所检测到的加速度大于加速度阀值，使用控制算法确定行走速度；划分行走环境类型，如地面行走，上楼梯或下
楼梯；在已确定的行走速度基础上生成电动机控制曲线。根据本专利技术的一个实施例，本专利技术的系统针对使用者所采用的步态训练方法包括：如果该力传感器受到荷载，启动膝关节锁并执行膝关节电动机伸展，这样使该使用者站起来，和该机械式锁禁系统被动地支持膝伸展；相反则停用该膝关节锁并执行膝关节电动机控制以辅助行走。附图说明通过下面的附图，本领域技术人员将对本专利技术有更好的理解，并且更能清楚地体现出本专利技术的优点。这里描述的附图仅为了所选实施例的说明目的，而不是全部可能的实施方式并且旨在不限定本专利技术的范围。本专利技术的实施例参照下列附图进行了更加详细的描述，包括：图1是本专利技术一个优选实施例中该外骨骼装置安装于一只腿上的侧视图；图2是本专利技术一个优选实施例中该外骨骼装置的前视图；图3是图1的外骨骼装置的侧视图，显示了该电动机、锁禁系统和底垫的位置；图4是图1的外骨骼装置的后视图；图5是连接小腿和大腿的连接系统的部件分解图；图6是该外骨骼装置的电动机控制箱盖的部件分解图；图7是该外骨骼膝关节系统中连接系统和大腿段部件的分解侧视图；图8显示对大腿段在不同长度的调整；图9显示图1的外骨骼装置的部件分解图；图10是确定不同行走环境的控制算法流程图；图11是用于控制起立动作的控制算法流程图；图12本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于对使用者进行步态训练的交互式外骨骼膝关节机器系统包括：一个在单侧与大腿和小腿连接的外骨骼框架；一个传感系统；至少一个力传感器；一个电动机；一个机械式锁禁系统；一个控制箱；和用于整合电动机和同步锁禁的控制算法。

【技术特征摘要】
2015.05.11 US 62/159，951;2015.06.21 US 14/745，4621.一种用于对使用者进行步态训练的交互式外骨骼膝关节机器系统包括：一个在单侧与大腿和小腿连接的外骨骼框架；一个传感系统；至少一个力传感器；一个电动机；一个机械式锁禁系统；一个控制箱；和用于整合电动机和同步锁禁的控制算法。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该电动机是一个扭矩控制的伺服电动机。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该电动机在使用者腿部外侧或内侧与膝关节中心对齐，有效连接至该外骨骼框架的小腿支架和大腿支架。4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该机械式锁禁系统是一个机电式锁禁系统。5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，该机电式锁禁系统在使用者腿部外侧或内侧与膝关节中心对齐，有效连接至小腿支架和大腿支架。6.根据权利要求1所述的系统，还包括一个具有电动机控制软件模块的控制箱，用于自动调节电动机速度和角位置至使用者的行走速度和行走环境，包括地面行走、上楼梯、下楼梯、上坡、下坡、以及起立。7.根据权利要求1所述的系统，还包括一个安置于控制箱内的外部或内部电源。8.根据权利要求1所述的系统，还包括至少一个附置于该外骨骼框架的大腿和/或小腿位置的运动传感器，用于测量倾斜角、角速度和线性加速度的反馈。9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该力传感器附置于一个独立的或相连接的底垫上，用于检测步态周期的脚部接触模式。10.根据权利要求1所述的系统，还包括一个无线控制系统。11.根据权利要求1所述的系统，还包括一个长度调节机构，可以对使用者腿部的外骨骼框架之大腿段和小腿段进行单独调整。12.一种交互式外骨骼膝关节机器系统包括： 一个外骨骼框架具有一个大腿支架，一个小腿支架， 一个机械式大腿支架和一个机械式小腿支架； 至少一个安装于该外骨骼框架上的运动传感器； 至少一个附置于底垫上或一只鞋内...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤启宇，欧凯丽，杨凌锋，何思杰，卫汉华，彭民杰，
申请(专利权)人：香港理工大学，
类型：发明
国别省市：中国香港;81