一种基于耦合驱动模式的下肢床旁运动康复装置

摘要

本发明公开了一种基于耦合驱动模式的下肢床旁运动康复装置，包括支撑固定结构、机械传动机构、控制系统、监测系统和上位机，支撑固定结构将人体肢体固定于装置中；机械传动机构在控制系统的控制下，实现装置各节段的运动；控制系统通过微控制器控制板实现对机械传动机构的有效控制；监测系统通过扭力传感器和角度传感器反馈，对装置运行状况进行实时监测；上位机通过串口通信与控制系统连接，实现对机械传动机构的控制。本发明装置可针对踝、膝、髋三个下肢主要关节进行主、被动精准化训练，实现踝关节，髋关节屈、伸等单关节运动，亦可通过控制系统调整模式进行多关节复合运动，可评估患者肌力情况与训练效果，实现训练精准化、智能化。

说明书

技术领域

本发明属于中医临床治疗与养生康复保健领域，更具体地说，涉及一种基于耦合驱动模式的下肢床旁运动康复装置。

背景技术

运动康复是通过运动训练改善人体功能状态、提高患者生活质量的康复技术，其原理是根据脑的可塑性理论，通过适当力学刺激促进神经肌肉组织的再生，临床常用于脑卒中后遗症、退行性骨关节病变、各种术后障碍等病症的康复治疗。目前应用于临床的运动康复方法可分为患者主动训练、治疗师辅助患者半主动训练和完全依靠治疗师的被动训练，训练内容以抗阻训练、拉伸训练为主。由于运动功能障碍患者的康复周期普遍较长，导致运动康复过程存在治疗师工作时间长、运动动作重复性强、运动参数难以定量、治疗效率低等问题和困境，因此采用智能化机构替代治疗师的重复性劳动成为目前运动康复领域的突破方向，其中肢体康复机器人成为当前的研究热点。

当前肢体康复装置主要分为抗阻训练和拉伸训练两类。抗阻装置常通过液压、气动、丝杠、柔索等驱动方式实现阻力控制，完成对肢体不同肌群的增强训练，在反馈训练方面主要以采集表面肌电信息为主。在下肢康复领域，各类抗阻训练装置包括下肢机器人在内，多为针对膝关节、踝关节的单关节抗阻训练，部分具有多关节联合运动功能的装置，多为大型支撑固定类装置或助行类装置，操作烦琐，运动方式单一，临床实用性较差；在拉伸训练方面，尚未见智能化程度高、多关节联合的运动装置，仅见拉筋凳等简单装置。基于耦合驱动模式，集成主动和被动训练、抗阻训练和拉伸训练、关节活动度和肌力训练的多关节下肢训练装置，尚未见报道。

本发明针对脑卒中恢复期等卧床阶段的下肢运动障碍患者，融合关节角度测量技术、压力传感技术、数据实时分析处理技术，提出一种下肢床旁运动康复装置。其可直接放置于病床上，以下肢三个关节的活动度控制为标准，以主动肌肌群静力性收缩训练为手段，以拮抗肌肌群及附属结构的精细拉伸为对象，以肢体节段重心压力和关节活动度的参数变量为反馈依据，以关节角度的微量调节为关键，可实现下肢单关节或多关节联合的肢体主动收缩与机构跟随、自主拉伸和被动拉伸、健患双侧下肢的同步和异步运动。在多模态耦合驱动下，该装置可以完成下肢踝、膝、髋3个主要关节的多种运动方案的精准化设计和实施，为提高运动康复训练的智能化水平、促进康复临床疗效提供技术支撑。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于耦合驱动模式的下肢床旁运动康复装置，解决现有技术中运动康复训练装置精细化、智能化欠缺，难以满足临床康复的需求的问题。

本发明的技术方案为：

一种基于耦合驱动模式的下肢床旁运动康复装置，包括支撑固定结构、机械传动机构、控制系统、监测系统和上位机，所述支撑固定结构将人体肢体固定于装置中，并为装置运行提供支撑；机械传动机构在控制系统的控制下，实现装置各节段的运动；控制系统通过微控制器控制板实现对机械传动机构的有效控制；监测系统通过监测扭矩传感器和角度传感器反馈信号，对装置运行状况进行实时监测；上位机通过串口通信与控制系统连接，发送控制指令，实现对机械传动机构的控制。

系统采用欠驱动与全驱动耦合驱动模式，其中，足部的运动采取全驱动模式，即系统执行器(伺服电机)的数量等于足的运动自由度数；下肢其他节段的运动采取欠驱动模式，即系统执行器(伺服电机)的数量小于足的运动自由度数。

支撑固定结构包括脚托、关节支撑臂、可伸缩导向轴、内侧托架、臀部固定组件和辅助支撑杆；脚托和关节支撑臂实现下肢固定，关节支撑臂包括踝关节支撑臂、踝关节主支撑、膝关节主支撑、髋关节主支撑等；可伸缩导向轴和内侧托架分为小腿处和大腿处两部分，可伸缩导向轴可根据患者肢体长度进行调节，确保关节转轴与关节旋转中心相吻合；内侧托架上附有医用捆扎带，用于将肢体固定于装置上；臀部固定组件实现装置与床体的固定，防止装置运行过程中出现位置移动；辅助支撑杆实现装置运行过程中的辅助支撑。

机械传动机构包括关节转轴、定制钢丝、关节拉线轮和伺服电机，在脚底、踝关节、膝关节、髋关节各有1组，共4组；关节转轴可实现踝关节跖屈、背屈、内收、外展，膝关节屈、伸，髋关节屈、伸共3个单关节的8种动作，并可为多关节的联合运动提供可能；定制钢丝可发挥力学传动作用，最大拉力≤300kg；关节拉线轮与伺服电机连接，通过拉动定制钢丝实现关节转轴的旋转，为避免运行过程中挤压人体，关节拉线轮在关节处均配有关节拉线轮保护套；伺服电机在控制系统控制下驱动关节拉线轮，从而带动整个装置运行。

控制系统包括微控制器和电路；微控制器可对伺服电机运行情况进行控制；电路负责传导控制信号和驱动伺服电机运转。

监测系统包括扭矩传感器和角度传感器；扭矩传感器为称重传感器，与伺服电机相连，可实时监测装置对人体机体施加的力；角度传感器位于关节转轴内，可实时反馈各关节的转动角度。

上位机包括PC计算机和触摸屏，通过触摸屏的用户控制界面实现对系统的控制；上位机软件界面包括个人信息录入界面、参数设置界面和状态监测界面；个人信息录入界面可录入患者基本信息，包括姓名、年龄、身高、体重、肢长等，并可对患者最大对抗力进行测试；参数设置界面用于设置动作方式，包括被动运动/主动运动、左侧运动/右侧运动/双侧运动、单关节运动/多关节复合运动，同时可设置运行周期、运行时间，各关节需设置最大活动角度限位；状态监测界面可实时反馈各关节的压力参数和关节运动角度，便于实时监测运动状态和评估训练效果，同时对装置运行的安全性进行实时监测。

本发明有益效果：

本发明装置可针对双侧下肢踝、膝、髋关节实施主、被动精准化训练，实现踝关节跖屈、背屈、内收、外展，膝关节屈、伸，髋关节屈、伸共3个关节的8种运动，亦可通过控制系统调整模式完成多关节复合运动，同时扭矩传感器和角度传感器对运动情况进行实时监测，可评估患者肌力情况与训练效果，实现训练精准化、智能化。系统中，足部的运动采取全驱动模式，即系统执行器(伺服电机)的数量等于足的运动自由度数，以便进行精确控制；下肢其他节段的运动采取欠驱动模式，即系统执行器(伺服电机)的数量小于足的运动自由度数，以便精简机构、减小系统体积。

本发明装置可直接放置于病床上，以下肢三个关节的活动度控制为标准，以主动肌肌群静力性收缩训练为手段，以拮抗肌肌群及附属结构的精细拉伸为对象，以肢体节段重心压力和关节活动度的参数变量为反馈依据，以关节角度的微量调节为关键，可实现下肢单关节或多关节联合的肢体主动收缩与机构跟随、自主拉伸和被动拉伸、健患双侧下肢的同步和异步运动。同时融合关节角度测量技术、压力传感技术、数据实时分析处理技术，可对训练情况和训练效果进行实时监测，实现训练精准化、智能化，适用于多种疾病造成的运动功能障碍。

附图说明

图1床旁下肢运动康复训练装置立体图；

图2电机配置示意图；

图3控制系统结构框图；

图4主程序流程图；

图5.1上位机软件界面示意图(个人信息录入界面)；

图5.2上位机软件界面示意图(参数设置界面)；

图5.3上位机软件界面示意图(状态监测界面)；

其中：1-踝关节支撑臂；2-脚底拉线轮；3-脚底转轴；4-脚托；5-踝关节拉线轮；6-踝关节转轴；7-踝关节主支撑；8-小腿可伸缩导向轴；9-小腿内侧托架；10-膝关节拉线轮；11-膝关节转轴；12-膝关节主支撑；13-大腿可伸缩导向轴；14-大腿内侧托架；15-髋关节拉线轮；16-髋关节转轴；17-髋关节主支撑；18-臀部固定组件；19-辅助支撑杆；20-伺服电机；21-扭矩传感器。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如附图1、2所示，一种基于耦合驱动模式的下肢床旁运动康复装置，主要由支撑固定结构、机械传动机构、控制系统、监测系统、上位机组成。

支撑固定结构由踝关节支撑臂1、脚托4、踝关节主支撑7、小腿可伸缩导向轴8、小腿内侧托架9、膝关节主支撑12、大腿可伸缩导向轴13、大腿内侧托架14、髋关节主支撑17、臀部固定组件18、辅助支撑杆构成19，非工作状态下将整个装置放置于床旁，通过臀部固定组件18将装置固定于床上，通过小腿内侧托架9、大腿内侧托架14上所附的医用捆扎带进一步将肢体固定于装置上。

机械传动机构由脚底拉线轮2、脚底转轴3、踝关节拉线轮5、踝关节转轴6、1膝关节拉线轮10、膝关节转轴11、髋关节拉线轮15、髋关节转轴16、伺服电机组成20。通过程序控制伺服电机带动拉线轮，在定制钢丝的牵拉下，关节转轴可实现踝关节跖屈、背屈、旋左、旋右、膝关节屈、伸、髋关节屈、伸等动作。

如附图2所示，扭矩传感器可实时测量装置运行过程中对人体机体施加的力。

如附图3、附图4所示，控制系统对整体传动机构进行控制，通过微控制器对多个电机的控制实现多种关节运动模式。

如附图5所示，上位机通过串口通讯与控制系统连接，上位机软件界面包括个人信息录入界面、参数设置界面和状态监测界面；个人信息录入界面可录入患者基本信息，包括姓名、年龄、身高、体重、肢长等，并可对患者最大对抗力进行测试；参数设置界面用于设置动作方式，包括被动运动/主动运动、左侧运动/右侧运动/双侧运动、单关节运动/多关节复合运动，同时可设置运动时长、运动周期，各关节需设置最大活动角度限位；状态监测界面可实时反馈各关节的压力参数和关节运动角度，便于评估训练效果，同时对装置运行的安全性进行实时监测。

以上所述，仅是本发明/发明的较佳实施例而已，并未对本发明/发明的结构作任何形式上的限制。凡是依据本发明/发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明/发明的技术方案的范围内。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。