CN113081428A - 多自由度仿生智能矫形系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多自由度仿生智能矫形系统和方法，涉及康复辅具领域，该系统包括：信息采集模块、多自由度仿生矫形机构、大小腿包裹装置、膝腿连接件和智能调节控制数据平台；信息采集模块用于采集人体运动学和关节损伤信息；多自由度仿生矫形机构包括：仿侧副韧带及仿前后交叉韧带的交叉控制元件、仿膝屈肌控制元件、仿膝伸肌控制元件、复合运动环、位置传感器和矫治辅助动力装置；大小腿包裹装置用于承重及悬吊；智能调节控制数据平台用于接收和处理采集模块以及位置传感器发送的信息，并生成控制信号发送至矫治辅助动力装置。通过上述系统可以引导关节在正常受力、稳固的条件下，进行无损伤且无痛的运动，进而促进关节修复达到矫治目标。

Description

多自由度仿生智能矫形系统和方法

技术领域

本发明涉及康复辅具领域，尤其是涉及一种多自由度仿生智能矫形系统和方法。

背景技术

退行性骨关节疾病在老年人群中较为常见，其中膝关节骨关节炎患者数量庞大，临床上表现为不同程度的疼痛、活动受限、畸形、骨擦音和肌肉萎缩。发病原因是软组织功能障碍和损伤时，造成力学和神经改变，软组织的正常排列关系、细胞活性及组织含水量改变，应力分布失衡或负载过度引起软骨磨损，自我修复能力下降，导致关节功能障碍和潜在的退化。

矫形器属于常见康复辅助器具，其功能一般包括：预防和矫正变形、支撑体重(免荷)、丧失功能的代偿或辅助等。目前，用于退行性骨关节疾病的膝矫形器主要功能是侧方支撑、限制关节活动度、部分免荷等。现有膝矫形器关节部件大多为单轴或简单铰链结构。而膝关节是人体最复杂且承重最大的关节，包括股骨远端、胫骨近端、关节囊、交叉韧带以及半月板等组织。因此，现有矫形器不能达到全面稳固关节、引导正常受力，尤其是恢复正常运动功能的目的。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多自由度仿生智能矫形系统和仿生矫形方法，以缓解现有矫形器无法全面稳固关节、引导正常受力的问题。

为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种多自由度仿生智能矫形系统，包括：信息采集模块、多自由度仿生矫形机构、大小腿包裹装置、膝腿连接件和智能调节控制数据平台；上述信息采集模块用于采集人体运动学和关节损伤信息；上述多自由度仿生矫形机构包括：仿侧副韧带及仿前后交叉韧带的交叉控制元件、仿膝屈肌控制元件、仿膝伸肌控制元件和复合运动环；上述多自由度仿生矫形机构还包括位置传感器和矫治辅助动力装置；上述位置传感器用于采集股骨和胫骨的相对位置信息；上述大小腿包裹装置用于承重及悬吊；上述膝腿连接件用于将上述多自由度仿生矫形机构与上述大小腿包裹装置结实连接；上述智能调节控制数据平台用于接收和处理上述采集模块以及上述位置传感器发送的信息，并生成控制信号发送至矫治辅助动力装置。

在一些可能的实施方式中，上述人体运动学和关节损伤信息包括：健康人群及患者在运动过程中的股骨和胫骨相对时空信息、人体尺寸信息以及疾病诊断信息；上述股骨和胫骨的相对时空信息包括以下六个自由度：膝屈或膝伸、膝内收或膝外展、膝内旋或膝外旋、内移或外移、前移或后移、近端位移或远端位移。

在一些可能的实施方式中，上述多自由度仿生矫形机构包括四个上述仿侧副韧带及仿前后交叉韧带的交叉控制元件；每个上述交叉控制元件均包括上述位置传感器和上述矫治辅助动力装置；上述交叉控制元件用于提供牵拉限位的矫治辅助动力；四个上述交叉控制元件分别位于膝关节内侧前上到后下方向，膝关节内侧后上到前下方向，膝关节外侧前上到后下方向，膝关节外侧后上到前下方向；其中，膝关节内侧两个上述交叉控制元件用于仿内侧副韧带，膝关节外侧两个上述交叉控制元件用于仿外侧副韧带，由后上到前下的两个上述交叉控制元件还用于仿前交叉韧带，由前上到后下的两个上述交叉控制元件还用于仿后交叉韧带。

在一些可能的实施方式中，上述多自由度仿生矫形机构包括两个上述仿膝屈肌控制元件和两个上述仿膝伸肌控制元件，每个上述控制元件均包括上述位置传感器和上述矫治辅助动力装置，上述控制元件用于提供伸缩驱动的矫治辅助动力；两个上述仿膝屈肌控制元件位于膝关节的后侧，两个上述仿膝伸肌控制元件位于膝关节的前侧。

在一些可能的实施方式中，上述复合运动环包括近端复合运动环和远端复合运动环；八个上述控制元件的上端与上述近端复合运动环连接，八个上述控制元件的下端与上述远端复合运动环连接，上述控制元件与上述复合运动环以球铰链的方式进行连接。

在一些可能的实施方式中，上述大小腿包裹装置包括弹性覆带和压缩板；其中，上述弹性覆带跨过膝关节所有结构，在髌骨上方开口至边缘，开口处以系带方式收紧；上述压缩板位于股骨内外髁上软组织区、腘窝区和胫骨脊侧边的骨平面区；上述压缩板的一侧与上述弹性覆带连接，上述压缩板的另一侧与上述膝腿连接件连接；上述膝腿连接件的一侧与上述大小腿包裹装置连接，上述膝腿连接件的另一侧与上述复合运动环连接。

在一些可能的实施方式中，上述智能调节控制数据平台包括人体关节矫形数据库及矫治策略；上述智能调节控制数据平台的承载介质包括计算机、手机、平板、显示面板；上述智能调节控制数据平台的控制方式中包括个性化设置功能。

第二方面，本发明实施例提供了一种多自由度仿生智能矫形方法，应用于第一方面任意一项上述的多自由度仿生智能矫形系统，上述方法包括：多自由度仿生矫形机构的位置传感器采集人体膝关节的实时位置信息并发送至上述智能调节控制数据平台；智能调节控制数据平台将信息采集模块采集到的信息进行处理，确定多自由度仿生矫形机构的初始位置和矫治目标；上述智能调节控制数据平台将上述矫治目标发送至上述多自由度仿生矫形机构，以使上述多自由度仿生智能矫形系统达到上述矫治目标；其中，上述大小腿包裹装置穿戴至膝关节的指定位置；上述大小腿包裹装置的膝前系带用于调节松紧程度；上述膝腿连接件用于将多自由度仿生矫形机构固定在大小腿包裹装置上。

在一些可能的实施方式中，该方法还包括：上述智能调节控制数据平台基于上述信息采集模块采集到的信息，以及预先存储的参数，建立矫形数据库；上述预先存储的参数包括：健康人体解剖参数、运动时空参数以及患者疾病史、影像学、实验室检查诊断参数；上述智能调节控制数据平台基于上述矫形数据库，分析膝关节恢复正常运动功能所需的外部支撑条件，确定矫治目标；上述矫治目标包括上述膝关节的功能康复指标和参数。

在一些可能的实施方式中，该方法还包括：基于上述矫形数据库，利用监督学习进行迭代和优化，以实现上述膝关节的矫正运动功能；基于上述矫形数据库，利用无监督学习算法，对上述膝关节的功能康复指标进行分离和提取，以优化矫形效果。

本申请提供了一种多自由度仿生智能矫形系统和方法，该系统包括：信息采集模块、多自由度仿生矫形机构、大小腿包裹装置、膝腿连接件和智能调节控制数据平台；信息采集模块用于采集人体运动学和关节损伤信息；多自由度仿生矫形机构包括：仿侧副韧带及仿前后交叉韧带的交叉控制元件、仿膝屈肌控制元件、仿膝伸肌控制元件、复合运动环、位置传感器和矫治辅助动力装置；大小腿包裹装置用于承重及悬吊；智能调节控制数据平台用于接收和处理采集模块以及位置传感器发送的信息，并生成控制信号发送至矫治辅助动力装置。通过上述系统可以引导关节在正常受力、稳固的条件下，进行无损伤且无痛的运动，进而促进关节修复达到矫治目标。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种多自由度仿生智能矫形系统的整体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种多自由度仿生矫形机构的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种多自由度仿生智能矫形系统的大小腿包裹装置的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种多视角的多自由度仿生智能矫形系统的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种多自由度仿生智能矫形方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

退行性骨关节疾病在老年人群中较为常见，其中膝关节骨关节炎患者数量庞大，临床上表现为不同程度的疼痛、活动受限、畸形、骨擦音和肌肉萎缩。通常发病原因可能是软组织功能障碍和损伤时，造成力学和神经改变，软组织的正常排列关系、细胞活性及组织含水量改变，应力分布失衡或负载过度引起软骨磨损，自我修复能力下降，导致关节功能障碍和潜在的退化。

关节功能障碍和退化性变又会刺激关节周围的软组织的感觉神经感受器，抑制或诱发周围肌肉的张力过强，导致协调和平衡异常。因此，为解决和避免因缺乏运动而引起的关节干燥及退行性变等问题，引导关节在正常受力、稳固的条件下，恢复正常且无痛的运动功能，可以促进细胞及液体在关节内外的交换，通过刺激滑膜促进关节润滑、减少可引起疼痛的肿胀，减少活动和组织淤滞等，从而促进关节恢复达到矫治目标。

矫形器属于常见康复辅助器具，其功能一般包括：预防和矫正变形、支撑体重(免荷)、丧失功能的代偿或辅助等。目前，用于退行性骨关节疾病的膝矫形器主要功能是侧方支撑、限制关节活动度、部分免荷等。现有膝矫形器关节部件大多为单轴或简单铰链结构。而膝关节是人体最复杂且承重最大的关节，包括股骨远端、胫骨近端、关节囊、交叉韧带以及半月板等组织。因此，现有矫形器不能达到全面稳固关节引导正常受力，尤其是恢复正常运动功能的目的。

基于此，本发明实施例提供了一种多自由度仿生智能矫形系统和方法，为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种多自由度仿生智能矫形系统进行详细介绍，需要说明的是，为了阐明人体各部和诸结构的形态、位置及相互关系，首先必须确立一个标准姿势(即解剖学姿势)，本申请在描述任何体位时，均以此标准姿势为准。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“内”、“外”、“近端”、“远端”等指示的方位或位置关系均为基于解剖学姿势所示的方位或位置关系。

参见图1所示的一种多自由度仿生智能矫形系统的整体结构示意图，该系统主要包括以下结构：信息采集模块、多自由度仿生矫形机构100、大小腿包裹装置400、膝腿连接件500和智能调节控制数据平台。

其中，信息采集模块可以用于采集人体运动学和关节损伤等信息。作为一个具体的示例，该信息采集模块可以是一款定制开发的具有兼容、高效、预留扩充接口、易操作的软件，可直接接入步态分析系统、三维计算机辅助设计软件等数据，采集到的人体运动学和关节损伤信息一般包括：健康人群及患者在运动过程中的股骨和胫骨的相对时空信息、人体尺寸信息以及疾病诊断信息等。例如，人体尺寸信息可以包括：大腿围、小腿围、大腿长度、小腿长度、股骨内外侧髁宽度、膝间隙宽度等等；而股骨和胫骨的相对时空信息一般可以包括以下六个自由度：膝屈或膝伸、膝内收或膝外展、膝内旋或膝外旋、内移或外移、前移或后移、近端位移或远端位移。

稳定膝关节的结构通常主要由四个韧带构成：前交叉韧带、后交叉韧带、内侧副韧带、外侧副韧带。运动膝关节的肌肉主要分为两类：伸膝肌和屈膝肌，其中，屈膝肌包括：股二头肌、半腱肌、半膜肌、腓肠肌、跖肌、腘肌；伸膝肌包括股四头伸肌。其中，外侧副韧带是对抗膝关节内收的主要稳定结构；内侧副韧带是膝关节对抗外展负荷和限制胫骨外旋的重要结构；前交叉韧带主要功能是防止胫骨前移，次要功能是防止胫骨过度内旋、维持膝关节内外翻角度以及防止膝关节伸展过度；后交叉韧带是膝关节主要的后稳定结构，可防止胫骨过度后移，限制过伸和侧方活动，并对旋转稳定起着重要支持作用。

因此，在一种实施例中，多自由度仿生矫形机构100包括四个仿侧副韧带及仿前后交叉韧带的交叉控制元件，两个仿膝屈肌控制元件和两个仿膝伸肌控制元件，以及两个复合运动环。即，该多自由度仿生矫形机构100总共包括八个控制元件和两个复合运动环，其中四个控制元件为交叉控制元件。

在四个交叉控制元件中，可以用于仿内侧副韧带的两个交叉控制元件设置于膝关节的内侧(见图2实线所示的交叉控制元件111)，另外两个可以用于仿外侧副韧带的控制元件设置于膝关节的外侧(见图2虚线所示的交叉控制元件112)。在另外四个控制元件中，两个仿膝屈肌控制元件113位于膝关节的后侧A，两个仿膝伸肌控制元件114位于膝关节的前侧B。需要说明的是，图2为用户膝关节的内侧视角。

在一种实施例中，上述八个控制元件中的每一个均包括一个位置传感器和一个矫治辅助动力装置，其中，位置传感器用于采集股骨和胫骨的相对位置信息，矫治辅助动力装置用于根据控制信号为膝关节提供矫治辅助动力。

其中，四个仿侧副韧带及仿前后交叉韧带的交叉控制元件用于提供牵拉限位的矫治辅助动力；两个仿膝屈肌控制元件和两个仿膝伸肌控制元件用于提供伸缩驱动的矫治辅助动力。作为一个具体的示例，上述四个交叉控制元件的安装方向分别是：膝关节内侧前上到后下方向、膝关节内侧后上到前下方向、膝关节外侧前上到后下方向、膝关节外侧后上到前下方向。

其中，膝关节内侧的两个交叉控制元件用于仿内侧副韧带，膝关节外侧的两个交叉控制元件用于仿外侧副韧带，由后上到前下的两个交叉控制元件还用于仿前交叉韧带，由前上到后下的两个交叉控制元件还用于仿后交叉韧带。

在一种实施例中，多自由度仿生矫形机构100还包括复合运动环，作为一个具体的示例，参见图2，复合运动环可以包括近端复合运动环121和远端远端复合运动环122；上述八个控制元件的上端与近端复合运动环121连接，上述八个控制元件的下端与远端复合运动环122连接。其中，控制元件与复合运动环的连接包括但不限于以球铰链的方式连接。

在一种实施例中，近端复合运动环121放置在用户的大腿上，远端复合运动环122放置在用户的小腿上，如图2所示，即该多自由度仿生矫形机构覆盖整个膝关节。其中，近端复合运动环和远端复合运动环的半径大小、与中心线的距离以及离心率均可以不相等。

另外，上述多自由度仿生矫形机构还可以包括温度调节装置，该温度调节装置可以用于调节多自由度仿生矫形机构的温度，以实现加热理疗功能。

在一种实施例中，大小腿包裹装置400用于承重及悬吊，参照图3所示，该大小腿包裹装置400包括弹性覆带132和压缩板131；其中，弹性覆带132跨过膝关节所有结构，在髌骨上方开口至边缘，该弹性覆带的开口处以系带方式收紧；压缩板131位于股骨内外髁上软组织区、腘窝区和胫骨脊侧边的骨平面区；压缩板131的一侧与弹性覆带132连接，压缩板131的另一侧与膝腿连接件连接；膝腿连接件的一侧与大小腿包裹装置连接，膝腿连接件的另一侧与复合运动环连接。

图4所示的是一种多视角的多自由度仿生智能矫形系统结构示意图，其中，图4的A部分是股骨截面；图4的B部分是胫骨截面。作为一个具体的示例，四个仿侧副韧带及仿前后交叉韧带的交叉控制元件包括第一交叉控制元件111-1、第二交叉控制元件111-2、第三交叉控制元件112-3和第四交叉控制元件112-4。两个仿膝屈肌控制元件包括仿膝屈肌控制元件113-5和仿膝屈肌控制元件113-7；两个仿膝伸肌控制元件包括仿膝伸肌控制元件114-6和仿膝伸肌控制元件114-8。

其中，膝关节内侧的两个交叉控制元件111-1和111-2用于仿内侧副韧带，膝关节外侧的两个交叉控制元件112-3和112-4用于仿外侧副韧带，由后上到前下的两个交叉控制元件111-2和112-4用于仿前交叉韧带，由前上到后下的两个交叉控制元件111-1和112-3用于仿后交叉韧带。

在一个具体示例中，股经关节的自由度包括：膝屈或膝伸、膝内收或膝外展、膝内旋或膝外旋、内移或外移、前移或后移、近端位移或远端位移。基于膝关节运动解剖学的股胫关节自由度与多自由度仿生智能矫形系统控制元件主要对应方式如下：

自由度1(膝屈或膝伸)涉及到的控制元件包括：仿膝屈肌控制元件113-5、仿膝屈肌控制元件113-7、仿膝伸肌控制元件114-6和仿膝伸肌控制元件114-8；

自由度2(膝内收或膝外展)涉及到的控制元件包括：第一交叉控制元件111-1、第二交叉控制元件111-2、仿膝屈肌控制元件113-5、仿膝伸肌控制元件114-6、第三交叉控制元件112-3、第四交叉控制元件112-4、仿膝屈肌控制元件113-7和仿膝伸肌控制元件114-8；

自由度3(膝内旋或膝外旋)：第一交叉控制元件111-1、第二交叉控制元件111-2，或第三交叉控制元件112-3、第四交叉控制元件112-4；

自由度4(内移或外移)：第一交叉控制元件111-1、第二交叉控制元件111-2、第三交叉控制元件112-3和第四交叉控制元件112-4；

自由度5(前移或后移)：第一交叉控制元件111-1、第三交叉控制元件112-3、第二交叉控制元件111-2和第四交叉控制元件112-4；

自由度6(近端位移或远端位移)：仿膝屈肌控制元件113-5、仿膝伸肌控制元件114-6、仿膝屈肌控制元件113-7、仿膝伸肌控制元件114-8。

膝腿连接件500则用于将多自由度仿生矫形机构100与大小腿包裹装置400结实连接，参照图4，该膝腿连接件包括卡扣结构141和轨道142，该膝腿连接件的一端连接在大小腿包裹装置的压缩板上，另一端连接在多自由度仿生矫形机构上，以达到穿戴时降低二者之间活动度以及可以脱下和解开的目的，即为穿戴时结实连接。

本申请实施例提供的多自由度仿生智能矫形系统涉及的上述结构可以穿戴至用户腿部，结合图1，其穿戴方式包括但不限于：首先把大小腿包裹装置400穿戴至膝关节正确的位置上，然后调节膝前系带到合适松紧程度，最后通过膝腿连接件将多自由度仿生矫形机构固定在大小腿包裹装置上，即可完成穿戴。使用者穿戴好为根据其尺寸个性化制作的大小腿包裹装置和多自由度仿生矫形机构后，智能调节控制数据平台根据实时位置信息发送控制信号。

本申请实施方式提供的一种多自由度仿生智能矫形系统还包括智能调节控制数据平台，该智能调节控制数据平台用于接收和处理采集模块以及位置传感器发送的信息，并生成控制信号发送至矫治辅助动力装置。

该智能调节控制数据平台包括人体关节矫形数据库及矫治策略；该智能调节控制数据平台的承载介质包括计算机、手机、平板、显示面板；该智能调节控制数据平台的控制方式中包括个性化设置功能。

本实施例提供的一种多自由度仿生智能矫形系统包括：信息采集模块、多自由度仿生矫形机构、大小腿包裹装置、膝腿连接件和智能调节控制数据平台；信息采集模块用于采集人体运动学和关节损伤信息；多自由度仿生矫形机构包括：仿侧副韧带及仿前后交叉韧带的交叉控制元件、仿膝屈肌控制元件、仿膝伸肌控制元件、复合运动环、位置传感器和矫治辅助动力装置；大小腿包裹装置用于承重及悬吊；智能调节控制数据平台用于接收和处理采集模块以及位置传感器发送的信息，并生成控制信号发送至矫治辅助动力装置。通过上述系统可以引导关节在正常受力、稳固的条件下，进行无损伤且无痛的运动，进而促进关节修复达到矫治目标。

本发明实施例还提供了一种多自由度仿生智能矫形方法，参见图5所示的一种多自由度仿生智能矫形方法的流程示意图，该方法主要应用于上述任意一种实施方式的多自由度仿生智能矫形系统，该系统中的智能调节控制数据平台可以用电子设备作为载体，作为承载介质的电子设备包括但不限于计算机、手机、平板、显示面板等。

上述多自由度仿生智能矫形方法主要包括以下步骤S510至步骤S530：

S510：多自由度仿生矫形机构的位置传感器采集人体膝关节的实时位置信息并发送至智能调节控制数据平台；

S520：智能调节控制数据平台将信息采集模块采集到的信息进行处理，确定多自由度仿生矫形机构的初始位置和矫治目标；

S530：智能调节控制数据平台将矫治目标发送至多自由度仿生矫形机构，以使多自由度仿生智能矫形系统达到矫治目标。

其中，大小腿包裹装置穿戴至膝关节的指定位置；大小腿包裹装置的膝前系带用于调节松紧程度；膝腿连接件用于将多自由度仿生矫形机构固定在大小腿包裹装置上。

在一种实施例中，该方法还包括：首先智能调节控制数据平台基于信息采集模块采集到的信息，以及预先存储的参数，建立矫形数据库；然后该智能调节控制数据平台再基于矫形数据库，分析膝关节恢复正常运动功能所需的外部支撑条件，确定矫治目标，该矫治目标包括膝关节的功能康复指标和参数。

其中，预先存储的参数可以包括：健康人体解剖、运动时空参数以及患者疾病史、影像学、实验室检查诊断参数等。该智能调节控制数据平台可以根据上述数据库中的数据，分析关节恢复正常且无痛的运动功能，从而促进康复所需的外部支撑条件，归纳和制定各项功能指标和参数。如，对皮肤温度的调节，减少肌腱韧带等可能发生的粘连，降低软组织因异常张力、压力或扭转等造成的机械刺激，通过刺激关节滑膜、增加滑液、提高关节的润滑性和营养，刺激软骨细胞的合成和滑液泵进或泵出等等功能。

智能调节控制数据平台基于以上数据建立矫形数据库，主要包括多自由度仿生矫形结构的位置信息与驱动和牵拉关系的调节机制。在现有治疗经验和一定数量的病例积累下，通过监督学习进行迭代和优化，实现膝矫形器膝关节矫正运动功能。针对矫形数据库中的数据，通过无监督学习算法分离和提取关节功能康复指标，以优化矫形效果。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多自由度仿生智能矫形系统，其特征在于，包括：信息采集模块、多自由度仿生矫形机构、大小腿包裹装置、膝腿连接件和智能调节控制数据平台；

所述信息采集模块用于采集人体运动学和关节损伤信息；

所述多自由度仿生矫形机构包括：仿侧副韧带及仿前后交叉韧带的交叉控制元件、仿膝屈肌控制元件、仿膝伸肌控制元件和复合运动环；所述多自由度仿生矫形机构还包括位置传感器和矫治辅助动力装置；所述位置传感器用于采集股骨和胫骨的相对位置信息；

所述大小腿包裹装置用于承重及悬吊；所述膝腿连接件用于将所述多自由度仿生矫形机构与所述大小腿包裹装置结实连接；所述智能调节控制数据平台用于接收和处理所述采集模块以及所述位置传感器发送的信息，并生成控制信号发送至矫治辅助动力装置。

2.根据权利要求1所述的多自由度仿生智能矫形系统，其特征在于，所述人体运动学和关节损伤信息包括：健康人群及患者在运动过程中的股骨和胫骨相对时空信息、人体尺寸信息以及疾病诊断信息；所述股骨和胫骨的相对时空信息包括以下六个自由度：膝屈或膝伸、膝内收或膝外展、膝内旋或膝外旋、内移或外移、前移或后移、近端位移或远端位移。

3.根据权利要求1所述的多自由度仿生智能矫形系统，其特征在于，所述多自由度仿生矫形机构包括四个所述仿侧副韧带及仿前后交叉韧带的交叉控制元件；每个所述交叉控制元件均包括所述位置传感器和所述矫治辅助动力装置；所述交叉控制元件用于提供牵拉限位的矫治辅助动力；

四个所述交叉控制元件分别位于膝关节内侧前上到后下方向，膝关节内侧后上到前下方向，膝关节外侧前上到后下方向，膝关节外侧后上到前下方向；

其中，膝关节内侧的两个所述交叉控制元件用于仿内侧副韧带，膝关节外侧的两个所述交叉控制元件用于仿外侧副韧带，由后上到前下的两个所述交叉控制元件还用于仿前交叉韧带，由前上到后下的两个所述交叉控制元件还用于仿后交叉韧带。

4.根据权利要求1所述的多自由度仿生智能矫形系统，其特征在于，所述多自由度仿生矫形机构包括两个所述仿膝屈肌控制元件和两个所述仿膝伸肌控制元件；每个所述控制元件均包括所述位置传感器和所述矫治辅助动力装置，所述控制元件用于提供伸缩驱动的矫治辅助动力；

两个所述仿膝屈肌控制元件位于膝关节的后侧，两个所述仿膝伸肌控制元件位于膝关节的前侧。

5.根据权利要求4所述的多自由度仿生智能矫形系统，其特征在于，所述复合运动环包括近端复合运动环和远端复合运动环；八个所述控制元件的上端与所述近端复合运动环连接，八个所述控制元件的下端与所述远端复合运动环连接，所述控制元件与所述复合运动环以球铰链的方式进行连接。

6.根据权利要求1所述的多自由度仿生智能矫形系统，其特征在于，所述大小腿包裹装置包括弹性覆带和压缩板；

其中，所述弹性覆带跨过膝关节所有结构，在髌骨上方开口至边缘，开口处以系带方式收紧；所述压缩板位于股骨内外髁上软组织区、腘窝区和胫骨脊侧边的骨平面区；

所述压缩板的一侧与所述弹性覆带连接，所述压缩板的另一侧与所述膝腿连接件连接；

所述膝腿连接件的一侧与所述大小腿包裹装置连接，所述膝腿连接件的另一侧与所述复合运动环连接。

7.根据权利要求1所述的多自由度仿生智能矫形系统，其特征在于，

所述智能调节控制数据平台包括人体关节矫形数据库及矫治策略；

所述智能调节控制数据平台的承载介质包括计算机、手机、平板、显示面板；

所述智能调节控制数据平台的控制方式中包括个性化设置功能。

8.一种多自由度仿生智能矫形方法，其特征在于，应用于权利要求1至7任意一项所述的多自由度仿生智能矫形系统，所述方法包括：

多自由度仿生矫形机构的位置传感器采集人体膝关节的实时位置信息并发送至所述智能调节控制数据平台；

智能调节控制数据平台将信息采集模块采集到的信息进行处理，确定多自由度仿生矫形机构的初始位置和矫治目标；

所述智能调节控制数据平台将所述矫治目标发送至所述多自由度仿生矫形机构，以使所述多自由度仿生智能矫形系统达到所述矫治目标；

其中，所述大小腿包裹装置穿戴至膝关节的指定位置；所述大小腿包裹装置的膝前系带用于调节松紧程度；所述膝腿连接件用于将多自由度仿生矫形机构固定在大小腿包裹装置上。

9.根据权利要求8所述的多自由度仿生智能矫形方法，其特征在于，还包括：

所述智能调节控制数据平台基于所述信息采集模块采集到的信息，以及预先存储的参数，建立矫形数据库；所述预先存储的参数包括：健康人体解剖参数、运动时空参数以及患者疾病史、影像学、实验室检查诊断参数；

所述智能调节控制数据平台基于所述矫形数据库，分析膝关节恢复正常运动功能所需的外部支撑条件，确定矫治目标；所述矫治目标包括所述膝关节的功能康复指标和参数。

10.根据权利要求9所述的多自由度仿生智能矫形方法，其特征在于，还包括：

基于所述矫形数据库，利用监督学习进行迭代和优化，以实现所述膝关节的矫正运动功能；

基于所述矫形数据库，利用无监督学习算法，对所述膝关节的功能康复指标进行分离和提取，以优化矫形效果。

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