[發明專利]用于檢測人體下肢膝關節運動信息的穿戴型外骨骼機構

有效

• 申請號: 201110454122.4
• 申請日: 2011-12-30
• 公開（公告）號: CN102525479A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發明（設計）人: 李劍鋒;鄧楚慧;肖博;張自強
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: A61B5/11
• 分類號: A61B5/11
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

技術領域

本發明涉及一種穿戴型下肢外骨骼機構，可用于檢測人體直立行走運動過程中的下肢膝關節運動信息。

背景技術

減重步行訓練是下肢康復醫療采用的主要方法，訓練過程中需要兩名醫師相互協調，一名醫師幫助患者完成下肢擺動運動，另一名醫師在保持患者直立的同時幫助患者進行髖伸展。減重步行訓練能夠獲得理想的肢體功能恢復效果，但在很大程度上取決于醫師的經驗和水平。此外，康復訓練過程中醫師的工作強度較大、效率也較低。為彌補專業人員的不足，降低工作強度并為患者提供及時有效的醫療服務。自二十世紀九十年代以來，國內外的一些研究機構相繼開展了穿戴型下肢康復外骨骼系統的研制與實驗研究工作，研制的部分康復訓練外骨骼系統(如LOKOMAT系統等)已具有較好的性能并開始進入臨床應用階段。人體下肢的關節運動信息是規劃康復訓練外骨骼系統導引運動的基礎性數據，對患肢進行康復訓練時，需要參照相關信息設計外骨骼系統的導引運動規律。因此，獲得相對準確的下肢關節運動信息對于保證患肢的康復訓練效果具有實際意義。

目前下肢關節運動信息的檢測主要是通過運動圖像采集、標志點提取與運動分析相結合的技術方法來實現，由攝象機采集人體直立行走過程的運動圖象，通過對標志點的提取，以及基于不同肢體段連體坐標系之間的相對位姿關系分析得到下肢膝關節的運動信息。在前述檢測方法中，采用的膝關節運動分析模型為單自由度回轉副。

根據人體解剖學可知，下肢膝關節為圖1所示的單自由度滑車球狀關節。人體運動過程中膝關節作繞軸線x轉動的同時，還伴生有軸線x的滑移運動。因此，為實現更接近人體膝關節的運動功能，在現有下假肢設計技術中，多采用平面四桿機構膝關節而非單自由度回轉副對人體膝關節進行功能等效。

由于現有基于運動圖像采集與分析的膝關節運動信息檢測方法中，采用的膝關節分析模型為單自由度回轉副，難以表征x軸線滑移對膝關節運動的影響，得到的關節檢測信息與膝關節運動信息之間會存在一定程度的偏差。

為了獲得考慮軸線x滑移作用與影響的下肢膝關節運動信息，本發明設計了一種穿戴型外骨骼機構，當人體下肢穿戴外骨骼機構并作直立行走運動時，可以通過安置于外骨骼機構膝轉動關節和膝下轉動關節處的傳感器測量得到的角度之和為人體下肢的膝關節運動信息。圖2a)所示為外骨骼機構與人體下肢在髖以下部分經穿戴聯接構成的局部封閉運動鏈，圖2b)為局部封閉運動鏈的x軸向視圖。由于在人-機封閉鏈運動過程中大腿構件之間始終保持平行，圖2b)所示封閉運動鏈軸向視圖中，人-機大腿構件的投影線相互重合。但因人-機膝關節運動屬性上的差異，導致分別在兩平行平面內運動的人-機小腿構件的投影線之間出現位置和角度偏差。根據圖2b)所示幾何關系知，人-機大、小腿構件的投影線彼此相交并構成一個平面三角形。進而由三角形的外角定理可得人體下肢膝關節轉角θ₁、外骨骼機構膝轉動關節3轉角θ₂和膝下轉動關節7轉角θ₃之間的關系為θ₁＝θ₂+θ₃。

發明內容

圖3所示為本發明用于檢測下肢膝關節運動信息的外骨骼機構的機構原理簡圖，主要由大腿構件1、小腿構件2、膝轉動關節3、大腿穿戴具4、小腿穿戴具5、滑塊6和膝下轉動關節7組成。外骨骼機構與人體下肢之間通過大腿穿戴具4和小腿穿戴具5相聯。

所述的大腿構件1和小腿構件2分別如圖4和圖5所示。大腿構件1的上端開有第一通孔8和第二通孔9，下端開有第三通孔10和第四通孔11。小腿構件2的上端開有第五通孔12，中下部開有沿構件長度方向的滑槽13。

所述的膝轉動關節3如圖6所示。該轉動關節由大腿構件1的下端，小腿構件2的上端，上端開有第六通孔14、第七通孔15及下端開有第八通孔16的第一側板17，上端開有第九通孔18、第十通孔19及下端開有第十一通孔20的第二側板21，第一螺栓組22和第二螺栓組23以及階梯軸24組成。各組成部分的連接關系是：階梯軸24的中軸段裝入小腿構件2上端的第五通孔12中，兩者之間為間隙配合。第一側板17與階梯軸24的左軸段通過第八通孔16過盈聯接，第二側板21與階梯軸24的右軸段通過第十一通孔20過盈聯接。第一側板17、第二側板21及大腿構件1通過第六通孔14、第七通孔15、第九通孔18、第十通孔19、第三通孔10和第四通孔11由第一螺栓組22及第二螺栓組23聯接。