CN115054492B - 一种融合主被动驱动的踝关节助行康复系统 - Google Patents

Abstract

本发明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。本发明有效促进神经可塑性、取得了降低步行经济型的优点。

Description

一种融合主被动驱动的踝关节助行康复系统

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

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。

发明内容

本发明提供了一种融合主被动驱动的踝关节助行康复系统，本发明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：

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，

所述基于功能性电刺激主动驱动的神经外骨骼为：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；

所述踝关节的被动驱动机械外骨骼为：支撑装置、储能装置；主动外骨骼包括：电刺激仪、压力传感器和控制模块；

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。

其中，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_TA

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。

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

当前刺激时间长度与平均刺激时间长度的差值：

时间常数τ_TA的更新公式为：

t_TA(n)＝τ_TA(n-1)+sign·L_TA

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；

根据传递函数H_TA中二阶低通贝塞尔滤波器性质，有：

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。

其中，所述储能装置包括：

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；

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。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本发明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；

2、本发明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

图1为踝关节助行康复系统辅助原理图；

图2为踝关节助行康复系统穿戴效果图；

图3为外骨骼部分的主视图；

图4为外骨骼部分的左视图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1-柄架； 2-支撑架；

3-调整板； 4-足跟杆；

5-足踏板： 6-端杆；

7-第一轻绳； 8-第一拉簧；

9-多功能滑轮； 10-轴承座；

11-第一轴承； 12-限位板；

13-第二轴承； 14-支撑装置；

15-储能装置； 16-第二轻绳；

17-第三轻绳； 18-第二拉簧；

19-第四轻绳； 20-电刺激仪；

21-控制模块； 22-压力传感器；

23-主动助行机构； 24-被动踝关节机械外骨骼。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

如图1所示，在步态运动中，踝关节助行康复系统使用柔性薄膜压力传感器ZNX-01鞋垫来对步态进行实时检测。足底压力传感器的信号输出端与控制模块相连，将阵列压力信号根据自适应阈值算法转换为脚跟位置二进制压力信号(F_H)和前脚掌位置二进制压力信号(F_T)传输给控制模块，控制模块被固定在外骨骼稳定处，实时通过压力信号识别步态相位，响应频率为100Hz。实时识别两个步态相位：站立相(Stance,ST)和摆动相(Swing,SW)。并基于步态相位之间的转换，进一步产生步态事件脉冲信号，即I_ST、I_SW。并将相位检测结果I_ST、I_SW与步态周期时间t_gc通过蓝牙传输至上位机。

FES(功能性电刺激)控制采用基于自反射的自适应控制模型，如图1中下侧“自反射控制模型”图1中右侧“自适应算法”对应框图所示。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(C_TA,max)和胫骨前肌最小运动阈值(C_TA,min)之间。C_TA,max是耐受范围内能够产生最大肌肉收缩的最大阈值电流，C_TA,min是能够引起可见肌肉收缩而不感到不适的最小阈值电流。最大耐受阈值和最小运动阈值根据被试自主设定。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，以提高助行效果。肌肉选择踝关节背屈肌——胫骨前肌作为刺激肌肉，达到行走中背屈运动的控制。电刺激幅值(C_TA)公式为：

C_TA＝(H_TA*I_SW·Δ_cTA+C_TA,min)·S_TA (1)

其中，I_SW为输入控制模型的步态事件发生的单位脉冲。表示在足尖离地(TO)时，发生步态相位转换而产生的单位脉冲信号。H_TA表示由二阶低通贝塞尔滤波器拟合的传递函数，与单位脉冲信号结合可产生单位脉冲响应。Δ_cTA是C_TA,max和C_TA,min之间的差值。状态函数S_TA的定义如公式(3)所示。公式(2)中g是增益系数，可以将脉冲响应标准化为0到1之间，t是时间。为获得传递函数，使用二阶低通贝塞尔滤波器对肌肉的传递函数进行了优化拟合，更接近正常人胫骨前肌摆动相肌电曲线。

FES闭环控制策略采用迭代学习方法，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，相较于仅适用于固定步速的开环FES控制方法，FES助行系统对不同康复助行场景的适应性更强，完成对穿戴者步态中摆动相踝关节背屈的辅助。

具体如图1右侧流程如图所示，方法为：在FES控制模型中，TA的电刺激ON时间为足尖离地到下次足跟着地。若设当前第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

进一步计算当前刺激时间长度与平均刺激时间长度的差值：

由于二阶低通贝塞尔滤波器拟合的传递函数脉冲峰值响应时间约为整体激活时间的1/4倍，设定更新参数|Δt_TA|的阈值为0.04s。在每一步中，时间常数τ_TA的更新公式为：

t_TA(n)＝τ_TA(n-1)+sign·L_TA (6)

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(Δt_TA<0，sign＝1；反之，sign为-1)。迭代学习的步长L_TA设置为0.01s。同时，设定τ_TA调整范围在0.01～1s之内。

根据传递函数H_TA中二阶低通贝塞尔滤波器性质，有：

因此，可以基于时间参数τ_TA，更新滤波器截止频率f_c,TA，完成对C_TA波形调整。其余肌肉的电刺激波形调整同理，步进常数L均设置为0.01s。

对于被动踝关节机械外骨骼，在人体步态支撑相初期即足跟着地时，踝关节的角度变小，由于结构特性，轻绳带动外骨骼的离合器闭合，弹簧刚好绷紧。足跟着地后，全脚掌着地，踝关节角度变大，但离合器内部的多动能滑轮所受两条轻绳的拉力合力方向在多功能滑轮的转轴下方，因此其无法反转，从而离合器在支撑相期间不会分离。在支撑相前中期，踝关节角度减小，进而拉伸弹簧，储存能量。在支撑相末期穿戴者进行跖屈运动，踝关节角度增大，同时弹簧储存的能量释放，带动外骨骼为穿戴者提供跖屈辅助扭矩。

至此，踝关节助行康复系统对穿戴者进行了一个步态周期的完整辅助。

如图1和图4所示，主动助行机构23包括：一般的电刺激仪20、控制模块21、压力传感器22。控制模块21固定在在外骨骼上，具体位置为图2所示，电刺激仪20的肌电片贴在胫骨前肌处，进而对胫骨前肌进行电刺激。

如图2至图4所示，被动踝关节机械外骨骼24部分，包括：支撑装置14与储能装置15。

其中，支撑装置14包括：柄架1、支撑架2、调整板3、足跟杆4、足踏板5。柄架1与位于其两侧的支撑架2通过螺钉螺母固定连接。两侧的支撑架2分别与两侧的调整板3通过螺钉螺母固定连接，因两侧的调整板3存在多个螺钉孔，两侧的支撑架2与调整板3的不同位置相连接以保证柄架1在穿戴者膝关节的下方和比目鱼肌上方，确保外骨骼不干涉穿戴者的步行，并适用于不同身高的穿戴者使用。两侧调整板3与两侧足跟杆4均设有一个直径为5mm的圆孔，它们之间通过半空心铆钉连接，同时半空心铆钉组成外骨骼部分中，支撑装置14的简易踝关节轴。足踏板5与两侧足跟杆4分别通过螺钉螺母固定连接。

储能装置15包括：足跟杆4、端杆6、第一轻绳7、第一拉簧8、第二轻绳16、第二轴承13、第三轻绳17、第二拉簧18、第四轻绳19、离合器。其中，离合器包含：多功能滑轮9、轴承座10、第一轴承11、限位板12。

足踏板5与两侧的足跟杆4的一端各通过螺钉螺母固定连接。端杆6两侧的中央凹槽各与一个轴承13外圈配合，两侧足跟杆4另一端的孔通过半牙螺钉、螺母与上述两个第二轴承13的内圈轴向链接。半牙螺钉的螺纹长度使得其与螺母装配并拧紧后端杆6可绕着半牙螺钉轴心自由转动。端杆6的长边与短边上开设多个小孔，第一轻绳7与长边的端孔相连，第三轻绳17与短边的端孔相连，上述两根轻绳可选择端杆6相应边的不同小孔相连，本发明实施例默认与两端小孔相连。

第一轻绳7另一端与拉簧8相连，拉簧8通过第二轻绳16与第二拉簧18相连，第二拉簧18通过第四轻绳19与多功能滑轮9的侧杆相连。第三轻绳17另一端缠绕在多功能滑轮9上。多功能滑轮9两侧突出的轴各与一个第一轴承11内圈配合，第一轴承11的外圈各与一个轴承座10配合。柄架1与轴承座10通过螺钉螺母固定连接。挡板12在放入轴承座10上方的凹槽内同时，上方被柄架1与轴承座10固定连接的螺母限位。

人体在行走时，足、足踏板5，鞋子可看作一个刚体。在摆动相末期，踝关节背屈过程中关节角度减小，足踏板5带动足跟杆4，使得第一弹簧8与第二弹簧18进行拉伸。因为第二弹簧18的刚度远小于第一弹簧8的刚度，第二弹簧18被拉伸，第一弹簧8的长度几乎不变。第二弹簧18内侧系有一根轻绳，限制其最大拉伸长度。同时，因背屈运动使得端杆6远离储能装置15，使第三轻绳17被拉紧，并带动多功能滑轮9逆时针旋转，侧杆通过第四轻绳19拉伸第二弹簧18。当第四轻绳19与第一轴承11的轴心相交时，多功能滑轮9达到死点位置，并拉伸第二弹簧18处于极限长度。

随着踝关节的进一步背屈运动，多功能滑轮9通过死点位置，并继续旋转15度，其侧杆被限位板12所阻挡，离合器闭合。此时进入支撑相前期，踝关节角度增大，使得端杆6接近储能装置15，拉伸第二弹簧18收缩直至支撑相中期。这段时间内，第二弹簧18仍处于拉伸状态，其拉力通过第四轻绳19传递给多功能滑轮9的侧杆。由于拉力一直在第一轴承11的轴心(死点)下方，多功能滑轮9处于静止状态，离合器一直处于闭合状态。支撑相中期后，踝关节角度开始减小，端杆6远离储能装置15，第二弹簧18立即又达到极限长度，第一弹簧8开始拉伸储能，直至支撑相末期，踝关节进行跖屈运动，关节角度增大，第一弹簧8释放能量为踝关节提供跖屈扭矩，进而达到助行效果。

在踝关节角度即将达到最大时，端杆6的所在位置使得第一弹簧8与第二弹簧18对第四轻绳19的拉力方向在第一轴承11的轴心(死点)上方，多功能滑轮9顺时针旋转，使离合器分离，第一弹簧8与第二弹簧18恢复原长，第一轻绳7、第二轻绳16、第三轻绳17及第四轻绳19均处于松弛状态。在摆动相，离合器一直处于分离状态，不干扰人体踝关节的运动。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

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，

所述基于功能性电刺激主动驱动的神经外骨骼为：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；

所述踝关节的被动驱动机械外骨骼为：支撑装置、储能装置；主动外骨骼包括：电刺激仪、压力传感器和控制模块；

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；

其中，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_TA

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。

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，

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

当前刺激时间长度与平均刺激时间长度的差值：

时间常数τ_TA的更新公式为：

t_TA(n)＝τ_TA(n-1)+sign·L_TA

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；

根据传递函数H_TA中二阶低通贝塞尔滤波器性质，有：

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。

3.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，所述储能装置包括：

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；

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。