[發明專利]功能電刺激和電機混合驅動的下肢外骨骼裝置及控制方法

有效

• 申請號: 202010728115.8
• 申請日: 2020-07-24
• 公開（公告）號: CN111991694B
• 公開（公告）日: 2022-09-30
• 發明（設計）人: 關鑫宇;李銀波;任峻立;劉偉峰;季林紅;楊沂霖;韓新宇;時展鵬
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: A61N1/36
• 分類號: A61N1/36;A61H1/02
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 石茵汀

1.一種功能電刺激和電機混合驅動的下肢外骨骼裝置，其特征在于，包括：動力式下肢外骨骼系統和功能電刺激系統；

所述動力式下肢外骨骼系統用于根據實時電機角度和電流信號，建立髖關節電機控制器和膝關節電機控制器的內部動力學模型，對動力學模型進行參數識別，得到所述髖關節電機控制器和所述膝關節電機控制器輸出的力矩；

所述功能電刺激系統用于接收所述動力式下肢外骨骼系統反饋的電機角度信息和電流信號，調整刺激參數以生成刺激電流對肌肉進行刺激，輸出功能電刺激引起肌肉力矩，通過所述髖關節電機控制器和所述膝關節電機控制器輸出的力矩和所述功能電刺激引起肌肉力矩共同驅動患者下肢運動；其中，所述功能電刺激引起肌肉力矩為人機系統提供的總關節力矩與所述髖關節電驅動器和所述膝關節電驅動器輸出的力矩之差；

所述功能電刺激和電機混合驅動的下肢外骨骼裝置工作時，根據預設目標，利用當前步態周期的所述功能電刺激引起肌肉力矩及所述人機系統提供的總關節力矩，調節下一步態周期功能電刺激系統輸出的刺激電流參數以及功能電刺激系統的刺激電流觸發和髖關節電驅動器、膝關節電驅動器啟動的時間差；其中，所述預設目標為：所述髖關節電驅動器和所述膝關節電驅動器輸出的力矩或功率最??；

在當前步態周期功能電刺激貢獻的正向屈髖伸膝力矩T_F(n)(t)和人機系統輸出的總正向屈髖伸膝力矩數據T_T(n)(t)自適應調節功能電刺激系統在下一周期輸出的刺激電流參數脈沖時長t_d(n+1)和脈沖幅值I_(n+1)的方法包括：

以最小化髖膝關節電驅動器的輸出力矩、功率為目標，下一周期的刺激電流脈沖時長設置為t_d(n+1)＝t_d(n)+c₁sgn(Δt_T(n))，其中Δt_T(n)是在當前步態周期內擺動時人機系統輸出的正向屈髖伸膝正力矩T_T(n)(t)和功能電刺激貢獻的正向屈髖伸膝正力矩T_F(n)(t)的持續時間差，c₁是預定義的定常時長增量系數，sgn是符號函數；下一周期的刺激電流脈沖幅值設置為I_d(n+1)＝I_d(n)+c₂sgn(ΔT_(n))，其中ΔT_(n)是當前步態周期內擺動時人機系統輸出的正向屈髖伸膝正力矩T_T(n)(t)和功能電刺激貢獻的正向屈髖伸膝正力矩T_F(n)(t)的峰值之差，c₂是預定義的定常電流增量系數。

2.根據權利要求1所述的功能電刺激和電機混合驅動的下肢外骨骼裝置，其特征在于，所述動力式下肢外骨骼系統包括骨盆支架、髖關節系統、膝關節系統、踝關節系統、連接所述髖關節系統和所述膝關節系統的大腿桿、連接所述膝關節系統與所述踝關節系統的小腿桿以及支撐左、右兩側上肢的左肘拐和右肘拐；

所述大腿桿包括上大腿桿和下大腿桿，所述上大腿桿與所述髖關節系統連接，所述下大腿桿與所述膝關節系統連接；

所述小腿桿包括上小腿桿和下小腿桿，所述上小腿桿與所述膝關節系統連接，所述下小腿桿與所述踝關節系統連接；

所述上大腿桿插入所述下大腿桿內，所述上大腿桿插入所述下大腿桿配合的部分均設計有矩形通孔，通過插入條形通孔內的螺栓實現所述上大腿桿和所述下大腿桿的固定連接，并通過調整上所述大腿桿和所述下大腿桿配合部分矩形孔的位置，實現大腿桿的長度調節；

所述髖關節系統包括髖關節電驅動器及髖關節電機控制器，所述髖關節電機控制器用于實時獲取所述髖關節電驅動器電機角度和電流信號，所述髖關節電驅動器用于驅動髖關節運動；

所述膝關節系統包括膝關節電驅動器及膝關節電機控制器，所述膝關節電機控制器實時獲取所述膝關節電驅動器電機角度和電流信號，所述膝關節電驅動器用于驅動膝關節運動；

所述左肘拐和所述右肘拐上設置控制按鈕，用于控制所述動力式下肢外骨骼系統和功能電刺激系統。

3.根據權利要求2所述的功能電刺激和電機混合驅動的下肢外骨骼裝置，其特征在于，

所述骨盆支架、所述大腿桿和所述小腿桿上均安裝有柔性綁帶，用于固定所述外骨骼系統。