一种可穿戴智能下肢康复装置及控制方法与流程

本发明属于医学辅助治疗研究领域，具体涉及一种可穿戴智能下肢康复装置及控制方法。

背景技术：

随着社会的不断发展，人民的生活水平以及医疗水平都有了大幅度的提升，从而使国民人均寿命也由六七十年代的60岁左右提升到如今的75岁左右，逼近世界发达国家的平均水平，随着人均寿命的增加，老年人在社会总人口中所占的比例也在不断增加，截止2010年，我国60岁以上的老年人口已超过1.78亿，达到总人口的13.26％。同时，65岁以上的老年人口约为1.19亿，占总人口的8.87％，社会老龄化问题越来越严峻。

社会老龄化加之当今社会的快节奏生活和巨大压力，心脑血管疾病以及神经系统疾病造成的中风偏瘫患者逐年增加。我国中风(脑卒中)发病率世界第一，其中约3/4的患者有不同程度的神经损伤和运动障碍。不断增长的老年人口和脑卒中后遗症患者对康复治疗工作提出严峻挑战。传统的康复训练方式是医生徒手对患者进行训练，这显然存着诸多不便，因此很多医疗机构引入了康复机器人。

但目前在市场上存在的下肢康复机器人外骨骼存在诸多限制：外骨骼驱动系统多使用液压或气压驱动，控制精度不高、噪声大，且驱动系统外壳采用固定结构，为了保证关节的转动角度，使很多内部机构暴露在外，且容易对使用者造成伤害；此外已有外骨骼仅能保证机构的正常运转，不能检测患者使用时的身体状况，且患者无法直观了解设备的运行情况。因此，针对上述技术问题，有必要提供一种电机驱动的安全可靠、控制方便、精度高的下肢康复外骨骼，以解决上述缺陷。

技术实现要素：

本发明要解决的问题就是提供一种基于无线技术的，为患者康复训练提供额外关节转矩的康复装置，要求该装置线路简单、易操作、安全可靠，且可监测患者生命体征且实时显示的可穿戴智能下肢康复装置，加快康复的速度。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种可穿戴智能下肢康复装置，包括右侧背部支撑架、主控箱体、左侧背部支撑架、腰带固定螺栓、腰带、连接片、右侧腰部支撑件、前侧腰部调节结构、后侧腰部调节结构、髋关节固定螺栓、髋关节驱动机构、左侧腰部支撑件、错位连接件、错位连接件螺栓、大腿主连接件、大腿固定机构、膝关节驱动机构、小腿固定机构、小腿主连接件、脚板螺栓、脚板、脚部固定带；

所述右侧腰部主支撑架和左侧腰部主支撑架结构相同，其一端为“G”型结构，另一端通过前侧腰部调节件和后侧腰部调节件固定；所述左侧腰部主支撑架上设置有六轴运动处理组件；所述右侧腰部主支撑架上设置有紧急按钮；

所述左侧背部支撑架和右侧背部支撑架分别套在左侧腰部主支撑架和右侧腰部主支撑架上，并用螺钉紧固连接；所述主控箱体通过连接片固定在左侧背部支撑架和右侧背部支撑架上，所述腰带上的套孔穿过左侧背部支撑架和右侧背部支撑架，并使用螺栓固定；

所述髋关节驱动机构位于腰部支撑件的下侧，所述髋关节驱动机构与腰部支撑件通过髋关节固定外壳与腰部支撑件的“G”型结构螺纹连接；所述错位连接件、大腿主连接件、大腿固定机构组成髋关节执行机构，所述错位连接件两端均设置有调节圆孔，该调节圆孔与髋关节驱动机构的输出法兰固定连接，大腿主连接件两端均设置有圆孔，该圆孔与错位连接件上一端的调节圆孔通过螺栓连接，所述大腿固定机构与大腿主连接件相连；

所述膝关节驱动机构通过螺纹与大腿主连接件紧固连接；小腿主连接件、小腿固定机构组成膝关节的执行机构，小腿主连接件与膝关节驱动机构固定连接，小腿固定机构与小腿主连接件相连；

所述脚板和脚部固定带组成脚部机构，脚板与小腿主连接件铰接，脚部固定带固定铆接在脚板上；所述生命特征监测设备位于患者右侧手臂上。

进一步的，所述右侧腰部支撑结构包括L型支撑件和G型连接件；所述L型支撑件的一端设置螺纹连接轴，且螺纹连接轴与G型连接件通过螺母紧固。

进一步的，所述髋关节驱动机构与膝关节驱动机构结构相同；所述髋关节驱动机构包括编码计数器、髋关节伺服电机、伺服电机垫片、减速器垫片、输出轴、髋关节键、髋关节输出法兰、髋关节固定外壳、左侧固定圆盘、右侧固定圆环、髋关节转动外壳、定位轴承、轴承定位法兰和髋关节外壳垫圈；所述髋关节伺服电机的尾部安装有编码计数器，伺服电机输出轴与髋关节L型减速器相连；所述伺服电机与髋关节L型减速器之间设置有伺服电机垫片和减速器垫片；所述输出轴与髋关节输出法兰通过髋关节键相连接；所述髋关节固定外壳与左侧固定圆盘、右侧固定圆环通过螺钉固定连接形成外壳体，髋关节转动外壳与髋关节固定外壳相连接，输出轴一端与定位轴承相连，另一端与髋关节减速器相连。

进一步的，所述的大腿固定机构包括束缚带固定结构、长固定螺栓、压力应变片和大腿束缚带；所述束缚带固定结构为U形结构；所述压力应变片固定在束缚带固定结构的内侧，束缚带固定结构通过长固定螺栓与大腿主连接件固定，大腿束缚带与束缚带固定结构固定。

进一步的，所述左侧背部支撑架、右侧背部支撑架、右侧腰部主支撑件、前侧腰部调节结构、后侧腰部调节结构、右侧腰部主支撑件、错位连接件、大腿主连接件、小腿主连接件的材质均为碳纤维；所述腰带的材质为硬质皮革。

进一步的，所述主控箱包括主控箱底壳、主控箱盖、WIFI天线、中央处理器、无线WIFI模块、锂电池和第一蓝牙模块；所述主控箱底壳、主控箱盖通过螺栓连接；所述WIFI天线与主控箱底壳固定连接，且WIFI天线一端位于主控箱底壳外部；所述中央处理器、无线WIFI模块、锂电池、第一蓝牙模块内置于箱体内部，且固定主控箱底壳上。

进一步的，所述生命特征监测设备包括显示屏、腕部束缚带、脉搏测量模块、数据连接线、大臂束缚带、血压测量模块和第二蓝牙模块；所述第二蓝牙模块、显示屏和脉搏测量模块置于腕部束缚带上、所述血压测量模块与大臂束缚带连接，腕部束缚带与大臂束缚带(2505通过数据连接线固定连接。

基于可穿戴智能下肢康复装置的控制方法，包括如下步骤：

步骤一)压力应变片测量人体下肢与康复装置之间作用所产生的压力信号；脉搏测量模块测量人体脉搏信号；血压测量模块测量人体血压信号；

步骤二)所测压力信号经放大和模数转换后经总线传输至中央处理器；脉搏信号和血压信号经放大和模数转换后经第二蓝牙模块传输至中央处理器；

步骤三)中央处理器处理各种信号；

步骤四)中央处理器产生伺服电机控制参数和患者生命体征参数，参数通过显示屏显示，并通过无线WIFI模块与外围大型设备通讯；

步骤五)编码器测得伺服电机转速，通过PID控制算法修复伺服电机转速；

步骤六)重复以上步骤一到步骤五，实现可穿戴智能下肢康复装置的正常运行。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

康复机器人使用电机驱动，控制精度高且产生噪声较少。

髋关节和膝关节的外壳使用了固定外壳和转动保护外壳，固定外壳起到了限位的作用，转动保护外壳起到了防止驱动机构内部暴露和防止患者受到伤害的作用。

康复机器人采用无线传输技术，减少了康复机器人所需要的连接线路，整体更美观，同时也降低了机器人的故障率和维修难度，与周围大型生命体征监控设备的连接更简单，移动更加自如；

机器人配备了脉搏和血压实时监控设备，患者使用显示屏可以直观了解自身的情况，保证运动强度在自身情况允许的范围内；

附图说明

图1是本发明整体结构示意图；

图2是本发明整体结构背面示意图；

图3是本发明腰部调整结构装配爆炸图；

图4是本发明腰部主支撑机构爆炸图；

图5是本发明髋关节驱动机构爆炸图；

图6是本发明大腿固定机构示意图；

图7是本发明主控箱结构示意图；

图8是本发明生命特征监测设备示意图。

附图标记如下：

1-右侧背部支撑架、2-主控箱体、201-主控箱底壳、202-中央处理器、203-WIFI天线、204-无线WIFI模块、205-锂电池、206-第一蓝牙模块、3-左侧背部支撑架、4-腰带固定螺栓、5-腰带、6-连接片、7-右侧腰部支撑件、701-G型连接件、702-腰部固定螺栓、703-G型连接件固定螺栓、704-L型支撑件螺纹、705-L型支撑件、8-前侧腰部调节结构、9-后侧腰部调节结构、10-髋关节固定螺栓、11-髋关节驱动机构、1101-编码计数器、1102-髋关节伺服电机、1103-减速器固定螺栓、1104-伺服电机垫片、1105-减速器垫片、1106-髋关节L型减速器、1107-髋关节键、1108-髋关节外壳固定螺栓、1109-左侧固定圆盘、1110-输出轴、1111-髋关节转动外壳、1112-髋关节输出法兰、1113-髋关节输出法兰螺栓、1114-髋关节固定外壳、1115-定位轴承、1116-输出法兰挡圈、1117-轴承定位法兰、1118-髋关节外壳垫圈、1119-右侧固定圆环、1120-髋关节端盖螺栓、12-左侧腰部支撑件、13-错位连接件、14-错位连接件螺栓、15-大腿主连接件、16-大腿固定机构、1601-束缚带固定结构、1602-长固定螺栓、1603-压力应变片、1604-大腿束缚带、17-膝关节驱动机构、18-小腿固定机构、19-小腿主连接件、20-脚板螺栓、21-脚板、22-脚部固定带、23-紧急按钮、24-六轴运动处理组件、25-生命特征监测设备、2501-显示屏、2502-腕部束缚带、2503-脉搏测量模块、2504-数据连接线、2505-大臂束缚带、2506-血压测量模块、2507-第二蓝牙模块。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明实例中，结合附图1、2、3和4，可穿戴智能下肢康复装置，由腰部机构、背部机构，驱动机构和执行机构组成，其中右侧腰部主支撑架7和左侧腰部主支撑架12机构相同，其一端为“G”型结构701，另一端通过前侧腰部调节件8和后侧腰部调节件9固定；六轴运动处理组件24位于左侧腰部主支撑架12的外侧，紧急按钮23位于右侧腰部主支撑架7的外侧；

所述左侧背部支撑架3和右侧背部支撑架1套在对应侧腰部主支撑架上，并用螺栓紧固连接；主控箱体2通过连接片6固定在左侧背部支撑架3和右侧背部支撑架1上，腰带5上的套孔穿过左侧背部支撑架3和右侧背部支撑架1，并使用螺栓固定；

所述髋关节驱动机构11位于腰部支撑件7的下侧，并通过髋关节固定外壳1104与腰部支撑件7的“G”型结构701螺纹连接；错位连接件13、大腿主连接件15、大腿固定机构16构成髋关节执行机构，错位连接件13与髋关节驱动机构11的输出法兰1112固定连接，大腿主连接件15与错位连接件13固定连接，大腿固定机构16与大腿主连接件15相连；

所述膝关节驱动机构17通过螺钉紧固的方式与大腿主连接件15连接；小腿主连接件19、小腿固定机构18组成膝关节的执行机构，小腿主连接件19与膝关节驱动机构17固定连接，小腿固定机构18与小腿主连接件19相连；

所述脚板21和脚部固定带22组成了脚部机构，脚板21与小腿主连接件19铰接，脚部固定带22固定铆接在脚板21上；

结合图8，生命特征监测设备25位于患者右侧手臂上，腕部束缚带2502缠绕在腕部，大臂束缚带2505缠绕在大臂上端；

在本实施例中，患者穿戴机构时，通过调节左侧腰部支撑件12以及右侧腰部支撑件7的位置关系，可以实现不同腰围尺寸的康复人群；腰带上分布的若干圆孔可以多样搭配以适合自身，且内侧的柔软材料也使得使用感上升；大腿错位连接件和大腿主连接件通过调节螺栓连接的孔的不同，可以适合不同身高康复人员的需要。

在本实施例中，结合附图5，髋关节驱动机构11由编码计数器1101、伺服电机1102、减速器1106、保护外壳1114和转动保护壳1111、髋关节输出法兰1112、轴承1115、垫圈1118、外壳连接法兰1117组成，其工作原理是：伺服电机1102收到控制系统的指令后发生转动，编码计数器1101记录转速，伺服电机1102的输出轴与减速器1106的输入端相吻合，实现减速，并通过减速器1106的输出轴1110将减速后的转速输出，实现髋关节输出法兰1112的转动，达到髋关节驱动机构的目的。

在本实施例中，结合附图6，大腿固定机构16包括束缚带固定结构1601、长固定螺栓1602、压力应变片1603、大腿束缚带1604，其中，压力应变片1603固定在束缚带固定结构1601的内侧，束缚带固定结构1601通过长固定螺栓1602与大腿主连接件15固定，大腿束缚带1604与束缚带固定结构1601固定。患者运动时，大腿和小腿的运动经通过大腿束缚带16和小腿束缚带18，使压力应变片1603变形，从而测量出压力值。

在本实施例中，结合附图7，主控箱2包括主控箱底壳201、主控箱盖207、WIFI天线203、中央处理器202、无线WIFI模块204、锂电池205、第一蓝牙模块206，其中主控箱底壳201、主控箱盖207通过螺栓连接、WIFI天线203与主控箱底壳201固定连接，且天线端在箱体外部，中央处理器202、无线WIFI模块204、锂电池205、第一蓝牙模块206在箱体内部与主控箱底壳201固定连接。

在本实施例中，生命特征监测设备25包括显示屏2501、腕部束缚带2502、脉搏测量模块2503、数据连接线2504、大臂束缚带2505、血压测量模块2506、第二蓝牙模块2507，其中蓝牙模块2507、显示屏2501和脉搏测量模块2503与腕部束缚带2502固定、血压测量模块2506于大臂束缚带2505连接，腕部束缚带2502与大臂束缚带2505和数据连接线2504固定连接。其原理是：脉搏测量模块2503测量患者的脉搏频率，血压测量模块2506测量患者的血压压力值，所测数值经由第二蓝牙模块2507传一输给总控箱的第一蓝牙模块206，经过中央处理器202处理之后，将数值再经由第二蓝牙模块2507发送至LCD2501显示屏显示，以实现患者对自身基本情况的实时了解，避免发生危险。

在本实施例中，控制方法为：

步骤一：压力应变片1603测量人体下肢与康复装置间作用所产生的压力信号；脉搏测量模块2503测量人体脉搏信号；血压测量模块2506测量人体血压信号；

步骤二：所测压力信号经放大和模数转换后经总线传输至中央处理器202；脉搏信号和血压信号经放大和模数转换后经蓝牙模块2507传输至中央处理器202；

步骤三：中央处理器202处理各种信号；

步骤四：中央处理器202产生伺服电机1102控制参数和患者生命体征参数，参数通过显示屏2501显示，并通过无线WIFI模块204与外围大型设备通讯；

步骤五：编码器测量伺服电机1102转速，通过PID控制算法修复伺服电机1102转速；

步骤六：重复以上步骤一到步骤五，实现可穿戴智能下肢康复装置的正常运行。

本发明的描述中，未作特殊解释的术语如“活动连接”、“固定”以及“连接”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。本发明虽然已经给出了本发明的一些实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。