CN116509689A - 刚柔混合式膝关节康复机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及膝关节康复器械领域，具体公开了刚柔混合式膝关节康复机器人，包括大腿模块和小腿模块，大腿模块设有包裹于患者大腿外的大腿包，小腿模块设有包裹于患者小腿外的小腿包，小腿包上缠绕有鲍登线，鲍登线穿过大腿包后连接于背于患者背部的驱动控制系统，驱动控制系统驱动鲍登线收卷对患者小腿进行拉伸使其进行屈曲，鲍登线设有两根，其中一根的鲍登线连接于患者正面的小腿包外，另一根的鲍登线连接于患者背面的小腿包外，本发明质量轻、便携性高，采用鲍登线传动方式，利用刚性的电机驱动机构驱使柔性的大腿包和小腿包带动患者腿部进行伸展与弯曲，在不会对患者产生伤害的同时又能够保证患者的训练强度与训练效果。

Description

刚柔混合式膝关节康复机器人

技术领域

本发明涉及膝关节康复器械领域，特别涉及了刚柔混合式膝关节康复机器人。

背景技术

膝关节的康复方法主要有传统的物理治疗、作业治疗、膝踝足矫形器以及膝关节康复机器人等，传统的物理、作业治疗需要由专业的治疗师或借助器具完成，康复效果会受到治疗师水平、经验的影响，此外，精细、高重复性动作对治疗师的挑战比较大，训练的持续性与稳定性难以得到保证；膝踝足矫形器主要分为膝关节转动式和膝关节固定式两种康复方式，固定式矫形器在整个步态阶段中将大腿和小腿相对固定，主要起支撑作用，对于膝关节的康复收效甚微；转动式矫形器在摆动阶段可随膝关节转动，在站立阶段提供支撑作用，更符合步行实际状态，但是，无论是固定式还是转动式膝踝足矫形器都无法提供主动的辅助力矩，康复效果也微乎其微。

膝关节康复机器人能够将康复训练带到日常生活中，减轻患者负担，提高患者生活质量，刚性外骨骼能提供较大的辅助力矩控制更加稳定与精确，但是由于其结构较为坚硬，容易给穿戴者带来额外的负担甚至伤害；而柔性机器人由于采用生物兼容性更好的织物材料以及结构轻巧便捷，与穿戴者的之间的交互性更好，但是柔性通常提供的辅助力矩通常较小，且控制系统稳定性不高，导致其精确性不佳，辅助效率较低。

本申请所要解决的技术问题为：如何提供控制性佳且结构柔软舒适的膝关节康复机器人。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种控制稳定、穿戴舒适、效果显著的刚柔混合式膝关节康复机器人。

本发明所采用的技术方案为：一种刚柔混合式膝关节康复机器人，包括大腿模块和小腿模块，大腿模块设有包裹于患者大腿外的大腿包，小腿模块设有包裹于患者小腿外的小腿包，小腿包上缠绕有鲍登线，鲍登线穿过大腿包后连接于背于患者背部的驱动控制系统，驱动控制系统驱动鲍登线收卷对患者小腿进行拉伸使其进行屈曲，鲍登线设有两根，其中一根的鲍登线连接于患者正面的小腿包外，另一根的鲍登线连接于患者背面的小腿包外；

大腿包内设有用于感应患者大腿位置的大腿IMU，小腿包内设有用于感应患者小腿位置的小腿IMU，大腿IMU和小腿IMU分别与驱动控制系统通讯连接，驱动控制系统还设有与其通讯连接的足底压力垫，足底压力垫包括位于患者脚掌的脚掌压力传感器和位于患者脚跟的脚跟压力传感器，其中，IMU全称为惯性测量单元，其是测量物体三轴姿态角或角速率以及加速度的装置。

驱动控制系统通过鲍登线穿过大腿模块后与小腿模块相连接，大腿模块包括大腿IMU，小腿模块包括小腿IMU，大腿IMU和小腿IMU分别设置于患者大腿和小腿的侧面，并保持同一竖直直线内，大腿IMU和小腿IMU分别检测患者的膝关节运动信息；患者足底设置有足底压力垫，足底压力垫包括粘连于患者脚掌的脚掌压力传感器和粘连于患者脚跟的脚跟压力传感器，足底压力垫为驱动控制系统提供辅助信号，足底压力垫检测到患者足底行走的情况后将数据上传到上位机内，由其分析并得出患者此时的状态，并产生反馈信号至驱动控制系统，驱动控制系统在接收到反馈信号之后将力矩由鲍登线经大腿模块传递至小腿模块进而辅助膝关节运动。

在一些实施方式中，大腿包包括固定绑带，固定绑带设有至少两个，大腿包内设有用于鲍登线穿过的大腿锚点；固定绑带两端分别设有魔术贴的A面和B面，可以方便且稳定的将大腿包固定于患者大腿外，大腿锚点内设置有两个圆形孔，用于对鲍登线进行限位，并且还可以根据患者大腿的粗细、长短与患者的康复情况选择使用不同的圆形孔。

在一些实施方式中，小腿包包括固定贴，固定贴设有至少两个，小腿包外分别设有用于包裹于患者小腿外的上固定带和下固定带，上固定带和下固定带外侧均与固定贴缝合连接，小腿包还包括系于鲍登线最底端的弹簧，弹簧固定于下固定带上；与固定绑带相同的是，两个固定贴上分别设有魔术贴的A面和B面，上固定带和下固定带的两端也分别设有魔术贴的A面和B面，上固定带和下固定带用于将小腿包固定于患者的小腿外，而由于鲍登线是对患者的小腿进行牵引，因此，选用固定贴对其进行更好的固定，防止其脱落造成患者的失控，而弹簧起到时刻保持鲍登线的极限状态，防止其受力不均导致牵引力出现不平衡。

在一些实施方式中，小腿包内设有力臂增大结构，力臂增大结构包括固定于上固定带外的固定套，固定套一侧设有呈弧形的线盘，线盘底部安装有呈环状的防脱环，线盘一侧开设有线槽，鲍登线穿过防脱环后于线槽内移动。力臂增大结构上的固定套卡位于患者的小腿处，其外设置有四分之一圆形状的线盘，鲍登线在线槽内移动时，通过向外凸起的线盘增加鲍登线在膝关节处的力臂，相当于是增加了患者膝关节的直径，在膝关节转动角度一致的情况下，直径大的膝关节转动的弧度就越长，进而提高辅助效率。

在一些实施方式中，驱动控制系统一侧设有缠绕于患者腰部的腰带，大腿包外设有上连接带，小腿包外设有下连接带，驱动控制系统包括固定于腰带上的驱动控制箱，驱动控制箱内设有与鲍登线最顶端缠绕的绕线轮，绕线轮一侧设有与其驱动配合的电机驱动机构；电机驱动机构控制绕线轮转动，并且绕线轮还能够正向转动或反向转动，通过预设绕线轮，实现其正向旋转时，位于患者膝关节前方的鲍登线收缩带动患者膝关节伸展，相反，其反向旋转时，位于患者后方的鲍登线收缩带动患者膝关节弯曲；并且，绕线轮上设置有两个槽，两根鲍登线的其中一根穿过其中一个槽连接于小腿包前方，另一根鲍登线穿过另一个槽连接于小腿包后方。

在一些实施方式中，电机驱动机构包括固定于驱动控制箱一侧的电机固定架，电机固定架内依次设有与绕线轮控制连接的减速机和直流无刷电机。

在一些实施方式中，电机驱动机构还包括用于驱动直流无刷电机的电机驱动器，驱动控制系统还设有与其远程连接的上位机，驱动控制箱内安装有与上位机通讯连接的单片机，驱动控制箱内还安装有为上述电器元件提供动力的直流电源转换器；电机驱动器控制直流无刷电机转动的速度和加速度，达到调速和定位的目的。

一种刚柔混合式膝关节康复方法，包括以下步骤：

S1：分别获取患者足底脚掌压力传感器和脚跟压力传感器上的压力值，并据此得出患者此时足底的受力状态；

S2：分别获取患者大腿上大腿IMU的位置和小腿上小腿IMU的位置，并据此得出患者此时大腿和小腿之间的夹角角度；

S3：根据患者足底的受力状态与患者大腿和小腿之间的夹角角度分析出患者处于伸展辅助状态或弯曲辅助状态；

S4：驱动控制系统启动使鲍登线收卷以牵引患者小腿抬起或放下，实现患者腿部的伸展或弯曲动作。

在一些实施方式中，患者处于伸展辅助状态时驱动控制系统驱动位于患者正面的鲍登线收卷实现患者小腿的伸展，患者处于弯曲辅助状态时驱动控制系统驱动位于患者背面的鲍登线收卷实现患者小腿的弯曲。

本发明的有益效果在于：

该刚柔混合式膝关节康复机器人质量轻、便携性高，采用鲍登线传动方式，利用刚性的电机驱动机构驱使柔性的大腿包和小腿包带动患者腿部进行伸展与弯曲，在不会对患者产生伤害的同时又能够保证患者的训练强度与训练效果；并且通过对患者的状态进行分析，以判断患者需要何种辅助方式，更精准的对患者的腿部做伸展与弯曲的辅助动作，帮助患者更好的实现膝关节的康复。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为本发明的患者穿戴正面效果示意图；

图3为本发明的患者背面穿戴效果示意图；

图4为本发明的驱动控制系统立体结构示意图；

图5为本发明的大腿模块立体与拆分结构示意图；

图6为本发明的小腿模块立体与拆分结构示意图；

图7为本发明的力臂增大结构立体结构示意图；

图8为本发明的足底压力垫安装位置与局部放大结构示意图；

图9为本发明的普通膝关节走线原理示意图；

图10为本发明的具备力臂增大结构后膝关节走线原理示意图；

图11为本发明的正常人走路步态模拟示意图；

图12为本发明的正常人走路足底压力变化情况示意图；

图13为本发明的患者行走时大小腿夹角与足底压力变化情况示意图。

图中：1、上位机；2、驱动控制系统；3、鲍登线；4、大腿模块；5、小腿模块；6、腰带；7、大腿IMU；8、小腿IMU；9、足底压力垫；21、驱动控制箱；22、电机驱动机构；23、绕线轮；24、电机驱动器；25、单片机；26、直流电源转换器；221、电机固定架；222、减速机；223、直流无刷电机；41、上连接带；42、大腿包；43、大腿锚点；44、固定绑带；51、小腿包；52、上固定带；53、力臂增大结构；531、固定套；532、线盘；533、线槽；534、防脱环；54、下固定带；55、弹簧；56、固定贴；57、下连接带；91、脚掌压力传感器；92、脚跟压力传感器。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

请参阅图1和图4，本发明提供一种技术方案：一种刚柔混合式膝关节康复机器人，包括上位机1，上位机1远程连接有驱动控制系统2，驱动控制系统2包括背于患者背部的驱动控制箱21，驱动控制箱21在患者移动时能够跟随患者移动，实现无线化操作，不必受到通讯线以及电线的限制，便于康复地点的转移，驱动控制箱21采用亚克力背包的形式，在其内部安装有电机驱动机构22，电机驱动机构22包括铆接于驱动控制箱21内的电机固定架221，电机固定架221内部分别套设有减速机222和直流无刷电机223，减速机222的输出端固定有绕线轮23，并且在驱动控制箱21内还设有与直流无刷电机223电连接的电机驱动器24、与电机驱动器24电连接的单片机25、同时与电机驱动器24、单片机25、减速机222和直流无刷电机223电连接的直流电源转换器26，通过将上述质量较大的电器元件设于驱动控制箱21内部并且让患者背于背部，避免其集中于患者腿部增加患者腿部的负担；

绕线轮23内设置有若干个不同直径大小的槽，并且在其槽内部缠绕有鲍登线3，可以选择不同的槽以适应患者腿部弯曲与伸展所需要的不同速度；

鲍登线3由钢丝外套设外壳组成，钢丝保证其传递扭矩时不会断裂，外壳保证钢丝不会对患者造成二次伤害；

请参阅图2和图3，患者的大腿外设有大腿模块4，小腿外设有小腿模块5，绕线轮23通过鲍登线3分别与大腿模块4和小腿模块5相连，大腿模块4包括大腿包42，其中，大腿包42顶端缝合有上连接带41，在患者的腰间系有腰带6，大腿包42通过上连接带41连接于腰带6的下方，并且还可以在腰带6内放置无线电源；

请参阅图5，大腿包42还包括大腿IMU7、大腿锚点43和固定绑带44，其中，大腿IMU7内设有大腿定位器，其用于检测大腿的三维位置，固定绑带44分布于大腿包42的两侧，且其中一块固定绑带44的末端缝合有魔术贴的A面，另一块固定绑带44的末端缝合有魔术贴的B面，通过将魔术贴的A面与B面粘连在一起实现将大腿包42固定在患者大腿处；

请参阅图6，小腿模块5包括小腿包51，其中，小腿包51外分别缝合有上固定带52和下固定带54，上固定带52两端分别缝合有魔术贴的A面和B面，下固定带54也一致，上固定带52粘连于患者小腿处靠近膝盖的位置，下固定带54粘连于患者小腿处靠近脚踝的位置；

上固定带52和下固定带54一侧还设有两个固定贴56，固定贴56也分别缝合有魔术贴的A面和B面，将两个固定贴56粘在一起从而对小腿包51进行进一步的固定，以防止其脱落；

小腿包51底部还缝合有下连接带57，其中，下连接带57于患者的脚踝处缠绕一周后将其两端缝合；

请参阅图7，小腿包51内还缝合有力臂增大结构53，力臂增大结构53包括呈弧形且卡位于患者小腿外的固定套531，固定套531一侧设有呈圆弧形的线盘532，线盘532为四分之一圆，线盘532弧面处开设有线槽533，线槽533的末端还设有固定于线盘532底部的防脱环534；

小腿包51内还缝合有弹簧55，其中，鲍登线3的最底端缠绕于弹簧55顶部，弹簧55的设置使鲍登线3时刻处于张紧状态，避免其在传递力矩时出现松弛，同时，弹簧55类似于串联弹性驱动器，保证鲍登线3收缩过程中的平稳。

小腿包51内还缝合有小腿IMU8，小腿IMU8内设有小腿定位器，其用于检测小腿的三维位置；

请参阅图8，在患者的足底粘贴有足底压力垫9，其中，足底压力垫9包括脚掌压力传感器91和脚跟压力传感器92；

以下为鲍登线3的走线路径：鲍登线3设置有两根，一根正向缠绕于绕线轮23的槽内，另一根反向缠绕于绕线轮23的同一个槽内，两个鲍登线3分别穿过大腿锚点43的两个槽，正向缠绕于绕线轮23外的鲍登线3贴于线槽533内后从防脱环534内穿出并缠绕于弹簧55的顶端。

以下为驱动控制系统2的电连接原理：直流无刷电机223的末端设置有编码器，其用于检测直流无刷电机223的运动信息，大腿模块4和小腿模块5之间设置有拉力模块，其用于测量鲍登线3传递的力矩大小，编码器将直流无刷电机223的运动信息反馈至上位机1，拉力模块将鲍登线3传递的力矩大小也反馈至上位机1，直流无刷电机223经减速机222减速增扭后的输出轴连接于绕线轮23外，鲍登线3缠绕于绕线轮23表面的槽，实现鲍登线3的牵引动作，因为膝关节的伸展与鲍登线3收缩的距离成比例的关系，因此鲍登线3的收缩速度也不同，设置的多个槽是为了尽量避免鲍登线3传输力矩的过程中鲍登线3出现松弛的现象，保证膝关节转动时的稳定性，也能够克服不同体型的患者大腿与小腿比例不同带来的差异。

驱动控制系统2牵引鲍登线3实现患者的行走方法如下：上位机1接收到大腿IMU7和小腿IMU8传递来的患者大腿与小腿的位置关系，将该关系发送至单片机25，由其计算出患者的大腿和小腿之间的角度，同时，上位机1接收到足底压力垫9处收集到的患者脚掌和脚跟的受力情况，将受力情况发送至单片机25后由单片机25根据患者脚部受力情况与患者的大腿和小腿之间的角度分析出患者处于伸展辅助状态或弯曲辅助状态的哪一种，并将该结果反馈至驱动控制系统2，若患者处于伸展辅助状态时驱动控制系统2驱动位于患者正面的鲍登线3收卷实现患者小腿的伸展，若患者处于弯曲辅助状态时驱动控制系统2驱动位于患者背面的鲍登线3收卷实现患者小腿的弯曲。

请参阅图11至图13，单片机25患者状态原理如下：正常人在进行步态行走时，脚掌、脚跟压力值与关节角度均处于不同状态，单片机25获取以上三个数据后加以组合可得出患者当前状态及后续状态，以便于辅助患者进行行走训练，当患者脚掌或脚跟着地时，其为黑色，当不着地时，其为白色，可将步态行走分为三个阶段，分别是不辅助阶段、弯曲辅助阶段以及伸展辅助阶段；

每种阶段对应的脚掌、脚跟压力值与关节角度分别如下：

不辅助阶段（包括首次触地、承重反应期、站立中期、站立末期），此时，患者的脚掌由悬空逐渐变为着地，脚跟始终处于着地状态，且大腿和小腿的角度值由0°变为50°；

弯曲辅助阶段（包括迈步前期、迈步初期），此时，患者的脚掌仍着地，但脚跟变为悬空状态，且大腿和小腿的角度值由50°变为73°，说明患者进入了弯曲辅助阶段；

伸展辅助阶段（包括迈步中期、迈步后期），此时，患者的脚掌和脚跟均不着地，且大腿和小腿的角度值由73°变为100°时，说明患者进入了伸展辅助阶段。

请参阅图9和图10，图9为常规鲍登线3在患者腿部上的牵引方式，鲍登线3是紧贴于患者膝关节外表面的，膝关节的旋转中心为O，从O到鲍登线3的旋转距离是r，图10为本申请鲍登线3在患者腿部上的牵引装置，患者膝关节处设置的力臂增大结构53，延长了膝关节的旋转中心O到鲍登线3的旋转距离R，在鲍登线3驱动患者膝关节的旋转角度不变的情况下，图9中膝关节旋转时膝关节移动的弧长是小于图10中膝关节移动的弧长的，因此，设置力臂增大结构53其实相当于是起到了增大膝关节的作用而不更改其旋转中心，从而达到增大力臂的效果。

最后应说明的是，以上仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (7)

1.刚柔混合式膝关节康复机器人，包括大腿模块（4）和小腿模块（5），其特征在于，所述大腿模块（4）设有包裹于患者大腿外的大腿包（42），所述小腿模块（5）设有包裹于患者小腿外的小腿包（51），所述小腿包（51）上缠绕有鲍登线（3），所述鲍登线（3）穿过大腿包（42）后连接于背于患者背部的驱动控制系统（2），所述驱动控制系统（2）驱动鲍登线（3）收卷对患者小腿进行拉伸使其进行屈曲，所述鲍登线（3）设有两根，其中一根所述的鲍登线（3）连接于患者正面的小腿包（51）外，另一根所述的鲍登线（3）连接于患者背面的小腿包（51）外；

所述大腿包（42）内设有用于感应患者大腿位置的大腿IMU（7），所述小腿包（51）内设有用于感应患者小腿位置的小腿IMU（8），所述大腿IMU（7）和小腿IMU（8）分别与驱动控制系统（2）通讯连接，所述驱动控制系统（2）还设有与其通讯连接的足底压力垫（9），所述足底压力垫（9）包括位于患者脚掌的脚掌压力传感器（91）和位于患者脚跟的脚跟压力传感器（92）。

2.根据权利要求1所述的刚柔混合式膝关节康复机器人，其特征在于，所述大腿包（42）包括固定绑带（44），所述固定绑带（44）设有至少两个，所述大腿包（42）内设有用于鲍登线（3）穿过的大腿锚点（43）。

3.根据权利要求1所述的刚柔混合式膝关节康复机器人，其特征在于，所述小腿包（51）包括固定贴（56），所述固定贴（56）设有至少两个，所述小腿包（51）外分别设有用于包裹于患者小腿外的上固定带（52）和下固定带（54），所述上固定带（52）和下固定带（54）外侧均与固定贴（56）缝合连接，所述小腿包（51）还包括系于鲍登线（3）最底端的弹簧（55），所述弹簧（55）固定于下固定带（54）上。

4.根据权利要求3所述的刚柔混合式膝关节康复机器人，其特征在于，所述小腿包（51）内设有力臂增大结构（53），所述力臂增大结构（53）包括固定于上固定带（52）外的固定套（531），所述固定套（531）一侧设有呈弧形的线盘（532），所述线盘（532）底部安装有呈环状的防脱环（534），所述线盘（532）一侧开设有线槽（533），所述鲍登线（3）穿过防脱环（534）后于线槽（533）内移动。

5.根据权利要求1所述的刚柔混合式膝关节康复机器人，其特征在于，所述驱动控制系统（2）一侧设有缠绕于患者腰部的腰带（6），所述大腿包（42）外设有上连接带（41），所述小腿包（51）外设有下连接带（57），所述驱动控制系统（2）包括固定于腰带（6）上的驱动控制箱（21），所述驱动控制箱（21）内设有与鲍登线（3）最顶端缠绕的绕线轮（23），所述绕线轮（23）一侧设有与其驱动配合的电机驱动机构（22）。

6.根据权利要求5所述的刚柔混合式膝关节康复机器人，其特征在于，所述电机驱动机构（22）包括固定于驱动控制箱（21）一侧的电机固定架（221），所述电机固定架（221）内依次设有与绕线轮（23）控制连接的减速机（222）和直流无刷电机（223）。

7.根据权利要求6所述的刚柔混合式膝关节康复机器人，其特征在于，所述电机驱动机构（22）还包括用于驱动直流无刷电机（223）的电机驱动器（24），所述驱动控制系统（2）还设有与其远程连接的上位机（1），所述驱动控制箱（21）内安装有与上位机（1）通讯连接的单片机（25），所述驱动控制箱（21）内还安装有为上述电器元件提供动力的直流电源转换器（26）。