一种外骨骼康复系统及康复方法与流程

本发明实施例涉及人体康复技术领域，尤其涉及一种外骨骼康复系统及康复方法。

背景技术：

腕部是人体最为常用的关节之一，意外伤害、脑卒中、帕金森等会引起腕部运动功能损伤，影响患者的日常生活，手部(或脚部)不自主运动尤其会对患者的抓握动作和腕部动作造成极大的干扰。腕部运动功能受损的患者，在重力的作用下，腕部和手部(或脚部)均呈自然下垂状态，如果得不到及时的康复训练，手部(或脚部)和腕部等本可以活动的关节将逐步发生软组织粘连、肌肉萎缩、组织钙化、最终僵硬并失去活动能力。连续被动运动可以防止关节僵化，提高关节活动度。

现在的连续被动运动康复治疗主要是康复医师对患者进行“一对一”康复训练，带来了成本高昂、需要治疗师和患者投入大量的体力和精力、康复训练参数难以精确控制等问题。采用机器人技术来进行患者的康复训练将会改善这些问题。

然而，目前腕部功能康复设备存在以下问题：腕部康复装置多采用机械结构，穿戴性差，重量、尺寸较大，无法实现家用，影响患者体验；大部分腕部康复设备为刚体连杆结构，关节转动时关节中心与连杆机构转动中心存在偏差，可能造成患者的二次受伤；机械结构较为复杂，活动范围小，自由度少，运动形式单一；很多装置是通过患者手握康复装置的末端手柄来实现运动康复训练，然而许多严重患者无法自行实现手握功能，且手掌不自由，无法实现对日常生活动作的协助。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种外骨骼康复系统及康复方法，用以解决现有技术中外骨骼康复系统常用刚性连接，如果关节转动时关节中心与连杆机构转动中心存在偏差，对病人造成二次伤害；另外刚性康复系统机械结构复杂，活动范围有限，系统单个驱动器运动形式单一且自由度少。

本发明公开一种外骨骼康复系统，包括：柔性驱动装置、流体供应装置以及一个或者多个固定部；其中，

一个或者多个所述固定部分别安装于人体的待康复部位；

所述柔性驱动装置分别与所述固定部连接，所述柔性驱动装置包括驱动腔，所述驱动腔沿其径向圆周分布，所述柔性驱动装置通过所述驱动腔内部的流体压力的变化能够伸长、缩短或弯曲；

所述流体供应装置与所述驱动腔连接，用于向所述驱动腔内输入的一定压力的流体。

其中，所述柔性驱动装置还包括柔性主体和约束层，所述驱动腔设于所述柔性主体内部，且平行于所述柔性主体的轴向设置，所述约束层包裹于所述驱动腔的外侧壁或覆盖于所述柔性主体的外侧壁。

其中，所述约束层为纤维制品、柔性弹簧或编织物。

其中，每个所述固定部包括固定带和固定接头，所述固定带捆绑于所述人体的待康复部位，所述固定接头固定于所述固定带，且与所述柔性驱动装置可拆卸连接。

其中，所述固定接头包括固定基座和调节按钮，所述固定基座上设有用于安装所述柔性驱动装置的卡位，所述调节按钮安装于所述卡位的周侧，用于调节卡位的开合状态。

其中，所述固定部和所述柔性驱动装置均为两个，每个所述固定部包括两个固定接头，两个所述柔性驱动装置交叉连接于两个固定部之间的固定接头。

其中，还包括传感装置，所述传感装置包括肌电信号检测装置、弯曲角度传感器和扭转角度传感器，所述肌电信号检测装置用于监测待康复部位的肌电信号，所述弯曲角度传感器用于监测待康复部位的弯曲角度，所述扭转角度传感器用于监测待康复部位的旋转角度。

其中，还包括电控装置，所述电控装置与所述流体供应装置连接，所述电控装置分别与所述肌电信号检测装置、弯曲角度传感器、扭转角度传感器以及流体供应装置连接，根据接收到的待康复部位的肌电信号、弯曲角度以及旋转角度控制所述流体供应装置向所述驱动腔内输入的流体压力。

其中，所述驱动腔的个数为大于等于三个。

本发明还公开一种使用如本发明的外骨骼康复系统的康复方法，包括：

连接系统，进行设备初始化；

医师通过上位机设置康复训练模式；

上位机向电控装置发送柔性驱动装置的伸缩和/或弯曲指令，电控装置控制流体供应装置供应或排出流体，控制流体压强，使得相应的柔性驱动装置的伸缩和/或弯曲，持续监测康复部位运动的角度，发送给电控装置作为反馈，使得康复部位达到预定活动状态；或者医师通过上位机控制柔性驱动装置动作的停止或继续，观察肌电信号调整康复训练模式。

本发明实施例提供的一种外骨骼康复系统及康复方法，将现有技术中的刚性连接替换为柔性驱动装置，采用全柔性部件柔性连接，可顺应性贴合康复部位，实现康复部位的弯曲和扭转等多角度动作，可以提高穿戴的舒适性，减轻设备重量，扩大康复设备的应用场所和范围，避免由于刚性结构对患者造成的二次伤害。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种外骨骼康复系统实施例的结构示意图；

图2(a)和图2(b)为本发明一种实施例的手腕前、后弯曲结构示意图；

图3(a)和图3(b)为本发明一种实施例的手腕左、右弯曲结构示意图；

图4(a)和图4(b)为本发明一种实施例的手腕旋后和内转结构示意图；

图5为本发明柔性驱动装置的第一种结构示意图；

图6为本发明柔性驱动装置的第一种横截面示意图；

图7为本发明柔性驱动装置的第一种纵截面示意图；

图8为本发明柔性驱动装置的第二种结构示意图；

图9为本发明柔性驱动装置的第二种横截面示意图；

图10为本发明柔性驱动装置的第三种结构示意图；

图11为本发明柔性驱动装置的第三种横截面示意图；

图12为本发明固定部的结构示意图；

图13为本发明固定接头的结构示意图。

图14为本发明具体实施例中康复方法流程图。

图中，1、柔性驱动装置；11、驱动腔；12、柔性主体；13、约束层；2、固定部；21、固定带；22、固定接头；221、固定基座；222、调节按钮；3、流体供应装置；4、电控装置；5、传感装置；6、流体管道。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。

本发明说明书附图中图3(a)、图3(b)、图4(a)以及图4(b)中实线的柔性驱动装置代表本面的实体结构，而虚线的柔性驱动装置代表背面的柔性驱动装置在本面的投影。

如图1所示，本发明公开一种外骨骼康复系统，包括：柔性驱动装置1、流体供应装置3以及一个或者多个固定部2；其中，

一个或者多个所述固定部2分别安装于人体的待康复部位；

所述柔性驱动装置1分别与所述固定部2连接，所述柔性驱动装置1包括驱动腔11，所述驱动腔11沿其径向圆周分布，所述柔性驱动装置1通过所述驱动腔11内部的流体压力的变化能够伸长、缩短或弯曲；

所述所述流体供应装置3与驱动腔11连接，用于向所述驱动腔11内输入的一定压力的流体。

具体的，医师或患者控制流体供应装置3向所述驱动腔11内输入的一定压力的流体，通过多个驱动腔11的伸长和缩短，实现整个柔性驱动装置1的伸长、缩短或弯曲等柔性动作，将动作传递给相应的固定部2，辅助带动康复部位进行活动。

为了实现柔性驱动装置1多角度弯曲的稳定性，则需要设置多个柔性驱动装置1，在待康复部位的正面和背面设置柔性驱动装置1，控制两个柔性驱动装置1具有不同的流体压力，导致前后两个柔性驱动装置1的长度不同，实现待康复部位的前后弯曲；如果需要左右弯曲，则从手面的左到右布置多个柔性驱动装置1，且各柔性驱动装置1沿手臂轴向设置，同样使其具有不同的流体压力，导致左右两个柔性驱动装置1长度不同，实现待康复部位的左右弯曲。

其中，本发明的流体供应装置3中的流体可以为气体或液体，对应的流体供应装置3可以为液体泵或气体压力泵。柔性驱动装置1和固定部2均可以采用柔性材料制成，可实现一定角度的弯曲和扭转。柔性驱动装置1内的驱动腔11通过流体管道6与流体供应装置3连接，并且一个驱动腔11对应连接一个流体管道6，使得各个驱动腔11之间的流体压力独立控制，不会相互影响。通过在同一个柔性驱动装置1内的不同驱动腔11的位置合理布设，例如：各驱动腔11沿横截面圆周分布。驱动柔性驱动装置1运动由流体供应装置3中的流体压力所决定，控制各驱动腔11的流体压力，且由于柔性驱动装置1由柔性材料制成，柔性驱动装置1能够实现伸长、缩短以及多角度弯曲等动作。

如图1-图13所示，本发明提供一种手腕外骨骼康复系统的实施例，将本发明应用于手腕康复训练中。首先，在手背面和手正面均布置两个固定部2，一个固定于手掌部位，一个固定于小臂部位，利用柔性驱动装置1将两个固定部2连接起来。具体的，为了实现手腕的前后弯曲和左右弯曲仅需要手正面和手背面均设置一个柔性驱动装置1，控制其内部的驱动腔11的流体压力，使其弯曲；若为了实现手腕旋后和内转，则需要手正面和手背面均至少设置一个柔性驱动装置1，其中一个柔性驱动装置1一端固定在手正面的左端，另一端固定在手臂的右端，另一个柔性驱动装置1一端固定在手背面的右端，另一端固定在左端，这样位于手正面和手背面的两个柔性驱动装置1为交叉布置，两个柔性驱动装置1配合伸缩和弯曲，实现手腕旋后和内转。优选地，如图2-图4所示，分别在手正面和手背面各布置一个柔性驱动装置1，且手正面和手背面的柔性驱动装置1交叉设置，这样不仅可以实现手腕前后弯曲(如图2(a)和图2(b))，而且可以实现左右弯曲(如图3(a)和图3(b))和旋后和内转(如图4(a)和图4(b))。具体地，需要前后弯曲时，只需要控制手掌面和手背面的柔性驱动装置1内驱动腔11的流体压力即可实现：如图2(a)所示，当需要向前弯曲时，控制手正面的柔性驱动装置1内流体压力小于手背面的柔性驱动装置1内流体压力，使手背面的柔性驱动装置1伸长量大于手正面的柔性驱动装置1伸长量，并控制手正面和手背面的柔性驱动装置1内的各个驱动腔11的流体压力，使其向前弯曲，完成对手腕的向前驱动；需要向后弯曲时，如图2(b)所示，同理，使手正面的柔性驱动装置1内流体压力大于手背面的柔性驱动装置1内流体压力，并控制手正面和手背面的柔性驱动装置1内的各个驱动腔11的流体压力，使其向后弯曲。需要向左弯曲时，手正面和手背面的柔性驱动装置1均向左弯曲，具体的操作可以为，控制处于同一个柔性驱动装置1中的位于左面的驱动腔11中的流体压力小于位于右面的驱动腔11中的流体压力，使柔性驱动装置1本身进行弯曲；或者在手正面和手背面均设置左右两个柔性驱动装置，控制两个柔性驱动装置向左弯曲，可以替代的是，本发明不限制于图中两个柔性驱动装置交叉设置的布置方式，也可以两者均竖直设置；当竖直设置时，使两个柔性驱动装置1同时向前后左右中的单一方向弯曲，可以实现手腕的前后左右弯曲；如图3(a)所示，当交叉设置时，控制柔性驱动装置1的伸长和缩短，实现手腕的前后左右弯曲。例如：要使手腕向左弯曲时，连接在手掌左端和手臂右端的柔性驱动装置1缩短，而连接在手掌右端和手臂左端的柔性驱动装置1伸长。同理，需要向右弯曲时，连接在手掌右端和手臂左端的柔性驱动装置1缩短，而连接在手掌左端和手臂右端的柔性驱动装置1伸长。进一步地，柔性驱动装置1可以实现伸缩和弯曲的先后动作，也可以实现伸缩和弯曲的同时动作。需要转动手腕时，需要在手正面和手背面均安装至少一个柔性驱动装置1，并且手正面和手背面的柔性驱动装置1为交叉设置，通过多个柔性驱动装置1实现扭转。本例中在手正面和手背面各设置一个柔性驱动装置1，且手正面和手背面的柔性驱动装置为交叉设置，具体操作可以为：如图4(a)和图4(b)所示，设置交叉的左右两个柔性驱动装置1，控制其中一个柔性驱动装置1的驱动腔11内的流体压力，使其向左后方弯曲，控制另一个柔性驱动装置1的驱动腔11内的流体压力，使其向右前方弯曲，这样可以实现手腕的扭转。同理，改变两个柔性驱动装置1的弯曲方向，保证两者能够提供扭力，可实现与上述反方向的手腕扭转。与上述例子类似，本发明也可应用于脚腕，胳臂或脖子等身体康复部位，辅助活动。

本发明实施例提供的一种外骨骼康复系统及康复方法，将现有技术中的刚性连接替换为柔性驱动装置，采用柔性连接，可实现康复部位的弯曲和扭转等多角度动作，可以提高穿戴的舒适性，减轻设备重量，扩大康复设备的应用场所和范围，避免由于刚性结构对患者造成的二次伤害。

其中，所述柔性驱动装置1还包括柔性主体12和约束层13，所述驱动腔11设于所述柔性主体12内部，且平行于所述柔性主体12的轴向设置，所述约束层13包裹于所述驱动腔11的外侧壁或覆盖于所述柔性主体12的外侧壁。柔性主体12的材质可以为硅胶、橡胶或乳胶等柔性材质。约束层13具有良好的柔性和延展性，可以为纤维、柔性弹簧或编制物等。约束层13沿轴向的延展性应远远大于柔性主体12径向的延展性。具体的，本实施例的约束层13的设置方式可以为包裹于驱动腔11的外侧壁上(如图5、图6和图7)，或者直接包裹于柔性主体12的外侧壁上(如图10和图11)，还可以在柔性主体12的外侧壁上设置沟槽，将约束层13嵌入到沟槽内(如图8和图9)。柔性主体12可以作为驱动腔11的承载部，而约束层13则对整个柔性驱动装置1的形变进行约束，可以调节其柔性大小。

如图12和图13所示，每个所述固定部2包括固定带21和固定接头22，所述固定带21捆绑于所述人体的待康复部位，所述固定接头22固定于所述固定带21，且与所述柔性驱动装置1可拆卸连接。具体的，固定带21可以为绑带、线绳和皮套等。固定带21采用高强度，柔软透气的布料制成，内表面设有防滑内衬。如本发明的一种实施例，将本发明应用于手腕康复训练中，需要将一个固定部2安装于小臂，另一个安装于手掌部分，对应的，一个固定带21捆绑于小臂，另一个捆绑于手掌部分，并在固定带21上分别设有固定接头22，固定接头22可以对连接在两个固定部2之间的柔性驱动装置1进行安装或拆卸。具体的，固定接头22的结构可以为卡扣部或螺纹部等，即固定接头22与柔性驱动装置1通过卡扣或螺纹进行可拆卸连接。本例中采用卡扣连接，固定接头22包括固定基座221和调节按钮222，所述固定基座221上设有用于安装所述柔性驱动装置1的卡位，所述调节按钮222安装于所述卡位的周侧，用于调节卡位的开合状态，本例通过调节按钮222调节卡位的开合程度，进而实现柔性驱动装置1在卡位中的锁紧和松开的两种状态。

其中，所述固定部2和所述柔性驱动装置1均为两个，每个所述固定部2包括两个固定接头22，两个所述柔性驱动装置1交叉连接于固定接头22。如图2(a)、图2(b)、图3(a)、图3(b)、图4(a)和图4(b)，本例利用两个交叉设置的柔性驱动装置1连接在处于对角位置的固定接头22上，利用两个柔性驱动装置1即可辅助手腕进行弯曲和扭转。值得注意的是，本例和附图中的两个柔性驱动装置1指的是在手正面和手背面分别设置一个柔性驱动装置1。

如图1所示，还包括传感装置5，所述传感装置5包括肌电信号检测装置、弯曲角度传感器和扭转角度传感器，所述肌电信号检测装置用于监测待康复部位的肌电信号，所述弯曲角度传感器用于监测待康复部位的弯曲角度，所述扭转角度传感器用于监测待康复部位的旋转角度。

其中，还包括电控装置4，所述电控装置4与所述流体供应装置3连接，所述电控装置4分别与所述肌电信号检测装置、弯曲角度传感器、扭转角度传感器以及流体供应装置3连接，根据接收到的待康复部位的肌电信号、弯曲角度以及旋转角度控制所述流体供应装置3向所述驱动腔11内输入的流体压力。本例中的控制器能够收集弯曲角度传感器和扭转角度传感器监测到的信息，并可以自动控制或使用者手动控制流体供应装置3驱动柔性驱动装置1，对康复部分辅助活动。具体的，电控装置4包括电源和控制器，电源用于给整个系统提供电力驱动，控制器用于收集并分析对监测到的信息，进而控制流体供应装置3中输出流体的压力。具体的，本发明利用传感装置5可监测人体对应位置的信息，主要根据肌电信号可以判断相应部位的肌肉状态，根据肌肉状态电控装置4控制流体供应装置3给驱动腔11输入的流体压力，辅助带动固定部2驱动康复部位。例如，当人体需要活动时，此时肌肉绷紧，产生相应的肌电信号，电控装置4控制流体供应装置3输出的流体压力的增减，驱动固定部2运动，进而使得人体相应部位产生活动。弯曲角度传感器监测的弯曲角度信息包括前后左右等360°的角度监测，即弯曲角度传感器可以监测到左前、左后、右前、右后等多个斜角角度。本实施例中肌电信号检测装置、弯曲角度传感器和扭转角度传感器的基底由柔软的织物、硅胶等构成，具有很强的可拉伸性和皮肤贴合性，可紧贴于皮肤表面；肌电信号检测装置、弯曲角度传感器和扭转角度传感器的传感材料由液态金属、石墨烯、碳纳米管、光纤等构成，具有很强的可拉伸性和皮肤贴合性，可紧贴于皮肤表面。本实施例中可以通过医师或患者手动控制电控装置4，对流体供应装置3输出的流体压力进行调节，也可以通过传感装置5监测到的信息，利用电控装置4对流体供应装置3输出的流体压力进行自动调节，也可以利用传感装置5作为康复部位的活动反馈，作为调节流体压强的依据。

其中，所述驱动腔11的个数为大于等于三个。如图6、图9和图11所示，本例中的驱动腔11数量为三个，且均沿横截面圆周等角度布置。

本发明还公开一种如本外骨骼康复系统的康复方法，包括：

流体供应装置3向柔性驱动装置1中的驱动腔11输入一定压力的流体，使得柔性驱动装置1伸长、缩短或弯曲，并带动固定部2辅助人体的待康复部位活动。

其中，还包括电控装置4，其可以控制流体供应装置3向柔性驱动装置1中的驱动腔11输入一定压力的流体。

其中，本发明还包括传感装置5，所述传感装置5包括肌电信号检测装置、弯曲角度传感器和扭转角度传感器，所述肌电信号检测装置用于监测待康复部位的肌电信号，所述弯曲角度传感器用于监测待康复部位的弯曲角度，所述扭转角度传感器用于监测待康复部位的旋转角度。电控装置4可基于传感装置5监测到的肌电信号、弯曲角度以及旋转角度，对流体供应装置3的流体压力进行控制，进而控制柔性驱动装置1的伸长、缩短或弯曲。本实施例中可以通过医师或患者手动控制电控装置4，对流体供应装置3输出的流体压力进行调节，也可以通过传感装置5监测到的信息，利用电控装置4对流体供应装置3输出的流体压力进行自动调节，也可以利用传感装置5作为康复部位的活动反馈，作为调节流体压强的依据。

如图14所示，本发明具体实施例中公开外骨骼康复系统康复方法，包括：

连接系统，进行设备初始化；

医师通过上位机设置康复训练模式；

上位机向电控装置4发送柔性驱动装置1的伸缩和/或弯曲指令，电控装置4控制流体供应装置3供应或排出流体，控制流体压强，使得相应的柔性驱动装置1伸缩和/或弯曲，持续监测康复部位运动的角度，发送给电控装置4作为反馈，使得康复部位达到预定活动状态；或者医师通过上位机控制柔性驱动装置1动作的停止或继续，观察肌电信号调整康复训练模式。

本发明实施例提供的一种外骨骼康复系统及康复方法，将现有技术中的刚性连接替换为柔性驱动装置，采用柔性连接，可实现康复部位的弯曲和扭转等多角度动作，可以提高穿戴的舒适性，减轻设备重量，扩大康复设备的应用场所和范围，避免由于刚性结构对患者造成的二次伤害；采用多个柔性驱动装置进行驱动，并且每个柔性驱动装置中布置多个驱动腔，保证多角度弯曲和扭转的柔性驱动，具有较大的控制灵活性，能够全面有效地辅助患者进行康复治疗；控制装置和患者佩戴装置分开，减轻设备重量，减小了穿戴者的使用负担，便于患者穿戴以及医师的控制；柔性驱动装置和传感装置等采用柔性材料制成，能够较好的贴合皮肤，保证柔软和舒适性；柔性驱动装置采用可拆卸连接，便于整个装置的组装和拆卸，具有便携性；优化算法，监测康复部位的肌电信号、弯曲角度以及扭转角度，用于监测和识别患者的主动运动意愿，还可以用来监测患者的康复状态，并监测和优化相应康复部位的多角度柔性形变状态，能够及时给医师和患者反馈，进行康复部位的运动调整。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。