[發(fā)明專利]基于氣動肌肉的膝過伸柔性外骨骼康復(fù)機器人及康復(fù)方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010600980.4
• 申請日: 2020-06-29
• 公開（公告）號: CN111658434A
• 公開（公告）日: 2020-09-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王發(fā)善;劉德勝
• 申請（專利權(quán)）人: 黑龍江佳德醫(yī)療器械有限公司
• 主分類號: A61H1/02
• 分類號: A61H1/02;A61H3/00
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 23211
• 代理人: 王海婷

本發(fā)明提供了一種基于氣動肌肉的膝過伸柔性外骨骼康復(fù)機器人及康復(fù)方法，康復(fù)機器人包括支架、下肢、驅(qū)動系統(tǒng)、感知系統(tǒng)和便攜式控制與動力系統(tǒng)，下肢包括兩條腿，兩條腿對稱安裝在支架上，每條腿均包括大腿、小腿和腳，每條腿的支架與大腿之間、大腿與小腿之間及小腿與腳之間依次構(gòu)成髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)，驅(qū)動系統(tǒng)包括分別驅(qū)動髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的屈伸運動的大腿驅(qū)動氣動肌肉、小腿驅(qū)動氣動肌肉和腳部驅(qū)動氣動肌肉大腿，且在髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的前后側(cè)均連接一相應(yīng)氣動肌肉，所有氣動肌肉均與氣源相連，感知系統(tǒng)采集患者下肢活動信息傳遞至便攜式控制與動力系統(tǒng)器。本發(fā)明功率質(zhì)量比髙、響應(yīng)速度快、成本低、柔性好、安全可靠。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于康復(fù)外骨骼技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于氣動肌肉的膝過伸柔性外骨骼康復(fù)機器人及康復(fù)方法。

背景技術(shù)

隨著社會的發(fā)展，偏癱或是腦癱患者的生活漸漸地得到了社會的普遍關(guān)注，尤其是先天腦癱兒，偏癱后開始走路，相當一部分患者會出現(xiàn)膝過伸現(xiàn)象，表現(xiàn)為患腿缺少屈膝動作，膝蓋伸得過直，他們對康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備的需求也越發(fā)迫切。下肢康復(fù)訓(xùn)練機械作為康復(fù)治療的一種機械設(shè)備，正是在這樣的背景下得到了迅速發(fā)展。市場上現(xiàn)有的下肢行走康復(fù)訓(xùn)練機器人的外骨骼機械結(jié)構(gòu)由下肢，下肢通過一個活動連接件安裝在支架上，且下肢上的支架與大腿、大腿與小腿、小腿與腳之間構(gòu)依次構(gòu)成髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)，髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)分別采用的是電機驅(qū)動，通過滾珠絲杠將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，帶動相應(yīng)的連桿機構(gòu)實現(xiàn)關(guān)節(jié)運動。由于下肢行走康復(fù)訓(xùn)練外骨骼的單條腿至少需要三個自由度運動，每個自由度需要一個電機，這樣勢必造成設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴。特別是電機驅(qū)動的系統(tǒng)剛性大、柔性差。并且先天腦癱兒與偏癱患者不同，他們自身并不會行走，因此對于康復(fù)機器人驅(qū)動的柔性要求特別高，現(xiàn)有的由于電機驅(qū)動系統(tǒng)剛性大吸收外部沖擊能力差，系統(tǒng)突然的外部沖擊干擾，往往能引起系統(tǒng)位移突變，極易造成患者下肢肌肉組織撕裂、肌肉痙攣及結(jié)締組織損傷等。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明旨在提出一種基于氣動肌肉的膝過伸柔性外骨骼康復(fù)機器人及康復(fù)方法，具有功率質(zhì)量比髙、響應(yīng)速度快、制作成本低、柔性好、安全可靠的特點，特別適合自身就不會行走的先天腦癱兒。

為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：

一種基于氣動肌肉的膝過伸柔性外骨骼康復(fù)機器人，包括支架、下肢、驅(qū)動系統(tǒng)、感知系統(tǒng)和便攜式控制與動力系統(tǒng)，所述的下肢包括兩條腿，兩條腿對稱安裝在支架上，每條腿均包括大腿、小腿和腳，每條腿的支架與大腿之間、大腿與小腿之間及小腿與腳之間依次構(gòu)成髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)，且髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)分別與各自的旋轉(zhuǎn)部件連接；

所述的驅(qū)動系統(tǒng)包括大腿驅(qū)動氣動肌肉、小腿驅(qū)動氣動肌肉和腳部驅(qū)動氣動肌肉，所述的大腿驅(qū)動氣動肌肉、小腿驅(qū)動氣動肌肉和腳部驅(qū)動氣動肌肉分別驅(qū)動髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的屈伸運動，且在髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的前后側(cè)均連接著一相應(yīng)的氣動肌肉；

每組前后對應(yīng)設(shè)置的氣動肌肉均分別依次通過一PWM閥及一換向閥與氣源相連；

所述的感知系統(tǒng)包括采集患者下肢活動信息的位姿傳感器、肌電傳感器、氣壓傳感器，在每個氣動肌肉上均設(shè)置一組感知系統(tǒng)；

所述的便攜式控制與動力系統(tǒng)安裝在支架上，包括控制器和氣源，所有感知系統(tǒng)采集患者下肢活動信息傳遞至控制器。

進一步的，每個氣動肌肉均包括內(nèi)部氣囊、外層的纖維編織網(wǎng)及兩端的緊固密封結(jié)構(gòu)，所述內(nèi)部氣囊為橡膠管或乳膠管，當向其內(nèi)部充入空氣,隨著壓力上升,橡膠管或乳膠管沿徑向膨脹,再通過編織纖維網(wǎng)的傳力作用使徑向膨脹力變?yōu)檠剌S向的收縮力,使氣動肌肉整體軸向收縮。