一种融合主被动驱动的踝关节助行康复系统技术方案

本发明专利技术公开了一种融合主被动驱动的踝关节助行康复系统，包括：被动驱动机械外骨骼为：足底压力传感器将阵列压力信号根据自适应阈值转换为脚跟位置与前脚掌位置的二进制压力信号后传输至控制模块，控制模块固定在外骨骼稳定处，通过二进制压力信号识别站立相和摆动相，并基于步态相位之间的转换，产生步态事件脉冲信号，将相位检测结果与步态周期时间通过蓝牙传输至上位机；神经外骨骼为：支撑装置与储能装置，支撑装置包括：柄架与位于其两侧的支撑架连接，两侧的支撑架分别与两侧的调整板连接，支撑架与调整板的不同位置相连接以保证柄架在穿戴者膝关节的下方和比目鱼肌上方，调整板与两侧足跟杆均设有一圆孔，足跟杆与足踏板连接。本发明专利技术有效促进神经可塑性、取得了降低步行经济型的优点。低步行经济型的优点。低步行经济型的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种融合主被动驱动的踝关节助行康复系统


[0001]本专利技术涉及踝关节助行系统领域，尤其涉及一种融合主被动驱动的踝关节助行康复系统。

技术介绍

[0002]脑卒中作为世界发病率最高、致残率最高的神经损伤性疾病，病后患者常出现运动障碍问题，其中以足下垂最为常见。临床上，患者需要医师辅助的高强度重复训练以恢复运动功能，康复周期长，治疗费用高。因此，研发可穿戴的助行康复设备对患者进行有效的运动增强与康复训练，是解决医疗资源急缺问题的有效技术途径。
[0003]目前大部分针对踝关节的可穿戴康复设备，大多含有电源、电机等有源装置，会大大降低步行经济型，纯外部驱动无法达到有效促进神经可塑性的目的。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供了一种融合主被动驱动的踝关节助行康复系统，本专利技术面向卒中患者踝关节助行与神经康复需求，基于踝关节机械外骨骼被动驱动和功能性电刺激主动驱动设计了踝关节助行康复系统，有效促进神经可塑性、取得了降低步行经济型的优点，详见下文描述：
[0005]一种融合主被动驱动的踝关节助行康复系统，所述系统包括：踝关节的被动驱动机械外骨骼和基于功能性电刺激主动驱动的神经外骨骼，
[0006]所述被动驱动机械外骨骼为：足底压力传感器将阵列压力信号根据自适应阈值转换为脚跟位置与前脚掌位置的二进制压力信号后传输至控制模块，控制模块固定在外骨骼稳定处，通过二进制压力信号识别站立相和摆动相，并基于步态相位之间的转换，产生步态事件脉冲信号，将相位检测结果与步态周期时间通过蓝牙传输至上位机；
[0007]所述神经外骨骼为：支撑装置与储能装置，支撑装置包括：柄架与位于其两侧的支撑架连接，两侧的支撑架分别与两侧的调整板连接，支撑架与调整板的不同位置相连接以保证柄架在穿戴者膝关节的下方和比目鱼肌上方，调整板与两侧足跟杆均设有一圆孔，足跟杆与足踏板连接。
[0008]其中，所述步态事件脉冲信号为：
[0009]由特定步态事件脉冲I
SW
经自适应传递函数产生电刺激响应，并在收到特定步态事件脉冲I
ST
后停止，电刺激幅值被调节至胫骨前肌最大耐受阈值和最小运动阈值之间，在自反射模型输出的肌肉电刺激曲线轨迹基础上，计算前五个步态摆动相的平均时长和当前时长的差值，对刺激参数τ进行自适应调整，电刺激幅值公式为：
[0010]C
TA
＝(H
TA
*I
SW
·
Δ
cTA
+C
TA,min
)
·
S
TA
[0011][0012][0013]其中，I
SW
为输入控制模型的步态事件发生的单位脉冲，H
TA
表示由二阶低通贝塞尔滤波器拟合的传递函数，Δ
cTA
是C
TA,max
和C
TA,min
之间的差值；
[0014]根据受试者的步行速度对电刺激滤波器的时间常数τ基于步进值进行调整优化，达到最优状态拟合，实现了对2通道传递函数时间常数τ的自适应控制，实时调整对胫骨前肌的电刺激幅值响应时间。
[0015]进一步地，设当前第n个步态周期中作用于TA的刺激时间为t
TA
(n)，前五个步态周期中TA的电刺激ON平均时间为
[0016][0017]当前刺激时间长度与平均刺激时间长度的差值：
[0018][0019]时间常数τ
TA
的更新公式为：
[0020]t
TA
(n)＝τ
TA
(n
‑
1)+sign
·
L
TA
[0021]其中，τ
TA
(n)为当前刺激时间长度，τ
TA
(n
‑
1)为上一步刺激时间长度，sign为学习拟合方向；
[0022]根据传递函数H
TA
中二阶低通贝塞尔滤波器性质，有：
[0023][0024]基于时间参数τ
TA
，更新滤波器截止频率f
c,TA
，完成对C
TA
波形调整。
[0025]其中，所述储能装置包括：
[0026]端杆两侧的中央凹槽各与一第二轴承外圈配合，两侧足跟杆另一端的孔与第二轴承的内圈轴向链接；端杆的长边与短边上开设多个小孔，第一轻绳与长边的端孔相连，第三轻绳与短边的端孔相连；
[0027]第一轻绳另一端与拉簧相连，拉簧通过第二轻绳与第二拉簧相连，第二拉簧通过第四轻绳与多功能滑轮的侧杆相连；第三轻绳另一端缠绕在多功能滑轮上，多功能滑轮两侧突出的轴各与一个第一轴承内圈配合，第一轴承的外圈各与一轴承座配合；柄架与轴承座固定连接；挡板在放入轴承座上方的凹槽内同时，上方被柄架与轴承座固定连接的螺母限位。
[0028]本专利技术提供的技术方案的有益效果是：
[0029]1、本专利技术设计的踝关节助行康复系统包括：踝关节的被动驱动机械外骨骼和基于功能性电刺激主动驱动的神经外骨骼两个部分；被动踝关节机械外骨骼包括：支撑装置、储能装置；负责辅助行走过程中的跖屈部分，可在一定程度上减少穿戴者在步态中支撑相末期比目鱼肌和腓肠肌的发力；
[0030]2、本专利技术设计的主动助行机构包括：电刺激仪、压力传感器(足底压力鞋垫)和控制模块，负责辅助行走过程中的背屈部分，可以让患者在摆动相下避免足下垂步态。
附图说明
[0031]图1为踝关节助行康复系统辅助原理图；
[0032]图2为踝关节助行康复系统穿戴效果图；
[0033]图3为外骨骼部分的主视图；
[0034]图4为外骨骼部分的左视图。
[0035]附图中，各标号所代表的部件列表如下：
[0036]1‑
柄架；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ2‑
支撑架；
[0037]3‑
调整板；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ4‑
足跟杆；
[0038]5‑
足踏板：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ6‑
端杆；
[0039]7‑
第一轻绳；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ8‑
第一拉簧；
[0040]9‑
多功能滑轮；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
10
‑
轴承座；
[0041]11
‑
第一轴承；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
12
‑
限位板；
[0042]13
‑
第二轴承；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
14
‑
支撑装置；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种融合主被动驱动的踝关节助行康复系统，其特征在于，所述系统包括：踝关节的被动驱动机械外骨骼和基于功能性电刺激主动驱动的神经外骨骼，所述被动驱动机械外骨骼为：足底压力传感器将阵列压力信号根据自适应阈值转换为脚跟位置与前脚掌位置的二进制压力信号后传输至控制模块，控制模块固定在外骨骼稳定处，通过二进制压力信号识别站立相和摆动相，并基于步态相位之间的转换，产生步态事件脉冲信号，将相位检测结果与步态周期时间通过蓝牙传输至上位机；所述神经外骨骼为：支撑装置与储能装置，支撑装置包括：柄架与位于其两侧的支撑架连接，两侧的支撑架分别与两侧的调整板连接，支撑架与调整板的不同位置相连接以保证柄架在穿戴者膝关节的下方和比目鱼肌上方，调整板与两侧足跟杆均设有一圆孔，足跟杆与足踏板连接。2.根据权利要求1所述的一种融合主被动驱动的踝关节助行康复系统，其特征在于，所述步态事件脉冲信号为：由特定步态事件脉冲I
SW
经自适应传递函数产生电刺激响应，并在收到特定步态事件脉冲I
ST
后停止，电刺激幅值被调节至胫骨前肌最大耐受阈值和最小运动阈值之间，在自反射模型输出的肌肉电刺激曲线轨迹基础上，计算前五个步态摆动相的平均时长和当前时长的差值，对刺激参数τ进行自适应调整，电刺激幅值公式为：C
TA
＝(H
TA
*I
SW
·
Δ
cTA
+C
TA,min
)
·
S
TATA
其中，I
SW
为输入控制模型的步态事件发生的单位脉冲，H
TA
表示由二阶低通贝塞尔滤波器拟合的传递函数，Δ
cTA
是C
TA,max
和C
TA,min
之间的差值；根据受...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟琳，宋钊熙，董洪涛，侯捷，徐瑞，明东，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：