用于矫正步态损伤的可穿戴机器人、系统和方法与流程

提供了一种可穿戴机器人、系统和方法，用于矫正用户的步态损伤，如膝关节过度伸展。该可穿戴机器人是一种具有框架和执行系统的辅助性下肢外骨骼，以基于步态损伤缓解策略而产生具有定时、持续时间和幅度的辅助力。

背景技术：

1、由于衰老和病理状况(如神经和肌肉骨骼疾病)引发的步态障碍和下肢损伤是限制生活和丧失个人独立性的主要原因之一。以步态损伤为例，膝关节过度伸展是在受神经系统疾病(其中神经通路的损伤导致膝关节无力或失去控制，例如中风、多发性硬化症、脑瘫、肌肉萎缩症、脊髓损伤等)影响的人群中或在受膝关节畸形或损伤的人群中的一个非常常见的问题。

2、成年人膝关节的正常活动范围为0°至135°，在正常的步态周期中，膝关节的完全伸展通常不应超过10°。膝关节过度伸展通常表现为在步态周期的站立阶段膝关节完全伸展的增加，这可能是轻度、中度或重度的，通过破坏个体的平衡和步态模式而限制活动并导致其他病症，包括不对称步态模式的发展、疼痛、骨关节炎、肌腱或韧带损伤等。

3、行走能力在任何神经系统疾病的治疗中都是一个重要的目标，因为这种基本能力不仅有助于独立生活和其相关的心理益处，而且还会增加患者对其他治疗方案的依从性，增加肌肉力量，改善心血管健康，并有助于恢复或维持认知功能。对膝关节过度伸展的潜在原因的治疗和对慢性膝关节过度伸展的矫正措施都是非常需要的。

4、膝关节过度伸展的常规治疗通常依赖于步态训练来优化行走表现。步态训练主要集中在引导病人完成步态周期的各个组成部分的练习，例如通过训练有素的临床医生的直接干预和指导，或使用专门的跑步机和生物反馈设备来指导病人进行辅助性练习。虽然在长期的治疗过程中通常是成功的，但步态训练需要定期的、有监控的训练课程，可能需要持续数年才能有所改善。在这些相对有限的直接临床干预和训练的时期之外，患者可能仍会受到无法活动和膝关节过度伸展的负面影响，继而可能会延长成功治疗所需的时间。

5、支架、助行器和其他矫形装置已被用作“实验室外”日常使用的矫正措施，以满足膝关节过度伸展患者的现实生活需求。例如，刚性支架可以设计用于机械地限制膝关节的活动范围，并通过在给定点处的强制停止旋转来防止过度伸展。其他支架设计有弹性元件，以通过更渐进地减少膝关节过度伸展来对膝关节过度伸展作出弹性响应。

6、虽然已经发现用这些装置和相关方法在减轻膝关节过度伸展对步态周期的影响方面取得了一些成功，但提供给膝关节的辅助不能根据患者的特殊需求(如体重、力量水平、痉挛水平和其他步态损伤)进行调整，也不能复制自然步态周期的渐进过程。传统矫正措施中所实现的干预通常是突然的和被动的，因此传统矫正措施只在过度伸展已经开始时或以其他方式对用户步态周期的其他部分产生负面影响时才通过抵抗过度伸展来进行干预。已知的矫正措施不能复制自然运动的舒适性和稳定性。在设计一种能够实现更自然的步态并有助于临床步态训练效果的治疗或矫正策略方面，仍然存在着重大挑战。

7、综上所述，需要有能够矫正步态损伤(如膝关节过度伸展)的方法和系统，即通过模仿自然步态模式来实现。还需要有矫正步态损伤的方法和系统，该方法和系统可精细地调整个人用户的特征，并且能动态地防止膝关节过度伸展和其他步态损伤，其中使用单个装置或通过在单一关节处提供辅助扭矩来矫正另一个关节的损伤。举例来说，对膝关节过度伸展的矫正提供了更自然和更舒适的步态。另外的步态训练的可能会带来益处，提高病人的依从性，并减少通过步态训练来实现改善所需的时间。

技术实现思路

1、本公开的一个目的是提供改进的方法和系统，用于矫正用户的步态损伤，例如膝关节过度伸展。本发明的另一个目的是根据用户的个体特征，通过在髋部水平面上施加辅助力来矫正膝关节模式，从而动态地抵消膝关节的过度伸展。

2、根据本公开，提出了一种用于使用可穿戴机器人或更具体的下肢辅助外骨骼来矫正膝关节过度伸展的系统和方法，其中，提供了一种用于矫正膝关节过度伸展的新的辅助策略，能够通过实现更自然的步态来辅助用户的实际需求。膝关节过度伸展的矫正基于在步态周期的站立阶段向用户的肢体提供辅助力。在站立阶段，可在用户的髋关节，即大腿上提供屈曲辅助，以抵消膝关节的过度伸展。

3、可穿戴机器人用来辅助运动和恢复功能性步态模式，并代表支持日常生活场景的技术辅助工具。在本公开的上下文中，可穿戴机器人是动力式或被动式外骨骼。在动力式外骨骼中，可穿戴机器人是一种由电动机、气动器、杠杆、液压装置或各种技术组合的系统来提供动力的机器，其允许肢体运动时具有增加的力量和耐力。一些可穿戴机器人感知用户的运动，并发送信号来管理可穿戴机器人的运动。可穿戴机器人可以布置为固定、支持或移动肩部、腰部和大腿，并可以辅助用于提升和拿住重物的运动。在被动式外骨骼中，外骨骼没有动力，但它可以为用户提供机械效益。可穿戴机器人可以通过在肢体运动中提供协调性的辅助来改善有肢体损伤和有行动不便状况的人群的康复计划。

4、通过针对有轻度下肢损伤的人群的辅助设备，可穿戴机器人可以依靠通过在步态周期中产生适当的力来推动肢体的一部分从而辅助协助下肢的主动运动，例如，通过启动摆动阶段。可穿戴机器人的干预传统上仅限于支持这些主动运动以实现自然步态，并且由于肢体的向前运动在站立阶段受到限制，步态周期的站立阶段的无规律性依赖于传统支架和助行器中已知的类似概念来治疗膝关节过度伸展。

5、更具体地说，现有的支架、助行器、矫形器和辅助装置都是单关节装置，该单关节装置配置为用于通过提供扭矩来诱导特定的辅助关节的更多生理模式而向该关节提供辅助或矫正。这些装置需要直接向辅助关节施加力或阻力，并且定位在该辅助关节处。现有的装置需要不同的设备来治疗与步态损伤有关的每个关节。

6、提供给肢体的辅助可以通过至少调节屈曲辅助的时间、屈曲辅助的持续时间或屈曲辅助的幅度来适配个体用户的特征(例如，体重、力量水平、痉挛水平和其他步态损伤)。根据本公开，屈曲辅助的时间可定义为在步态周期或步幅中以0-100％的形式所测量的屈曲辅助轮廓的中心位置，屈曲辅助的持续时间可定义为步态周期中以百分比计的屈曲辅助轮廓的宽度，以及屈曲辅助的幅度可定义为在屈曲辅助期间提供给用户肢体的辅助性屈曲扭矩的峰值水平。

7、根据一个实施例，该系统和方法可包括通过识别在步态周期中用户膝盖的过度伸展来确定屈曲辅助，确定屈曲辅助的时间、确定屈曲辅助的持续时间，以及确定屈曲辅助的初始幅度。在屈曲辅助确定后，该方法可包括根据屈曲辅助向用户的肢体施加辅助力。

8、根据屈曲辅助，辅助力的应用可以从髋部水平处有利地矫正用户膝关节的损伤。在屈曲辅助轮廓中，髋部或大腿处的辅助扭矩可随着步态周期中膝关节负荷的增加而平行地逐渐增加，随着膝关节上负荷的减弱而逐渐减少。对髋关节处的辅助扭矩在时间、持续时间和幅度方面的微调有利地实现了对膝关节过度伸展的渐进式、预期式矫正，而不是像现有技术中已知的突然式、被动式矫正。

9、在膝关节过度伸展的常规矫正措施中，膝关节的活动范围可以通过支架或其他手段直接在膝关节处加以限制，或者响应于主动的过度伸展而在膝关节处提供反作用力。这些矫正措施导致自然步态周期的停顿或不稳定的中断，使得用户感到不适或失去平衡，同时也阻止用户练习正常的步态。与现有技术的方法相反，通过有效地抵消膝关节上引起过度伸展的部分负荷，根据本公开的屈曲辅助轮廓在髋关节水平上所施加的辅助力可矫正膝关节过度伸展，有利于恢复用户的自然步态。本公开的系统、方法和装置还允许用于多个关节的辅助轮廓的混合，使得在髋部水平处的辅助可以矫正髋部、膝部或踝部关节中的一个或所有的步态损伤。

10、屈曲辅助的时间可以通过将屈曲辅助的时间与所确定的膝关节过度伸展的时间或与步态周期的站立阶段的中间区域的时间相匹配来协调用户的特定需求。例如，屈曲辅助的时间可以在步态周期的15％至40％的范围内，特别是步态周期的20％至35％的范围内，或者更具体地是步态周期的25％至30％的范围内，并且可根据用户的具体需要和特征进行微调。

11、屈曲辅助的持续时间可包括步态周期的10％到55％，特别是步态周期的20％到35％，或者更具体地是步态周期的25％到30％，并且可根据用户的具体需求和特征进行微调。屈曲辅助的幅度可在1.0n*m到4.0n*m的范围内，特别是1.5n*m到2.5n*m的范围内，或者更具体地是1.75n*m到2.25n*m的范围内，并且可根据用户的具体需要和特征进行微调。

12、在一个实施例中，该系统和方法可包括用于为用户确定个性化的屈曲辅助的迭代步骤。有利的是，可以在与步态损伤源不同的关节处提供屈曲辅助。该方法的步骤可包括在步态周期中识别用户膝关节的第一过度伸展，确定第一屈曲辅助的第一时间、确定第一屈曲辅助的第一持续时间，以及确定第一屈曲辅助的第一幅度。在第一屈曲辅助确定后，该方法可包括根据第一屈曲辅助向用户的肢体(例如，在髋部或大腿处)施加辅助力。

13、在根据第一屈曲辅助施加辅助力的期间，该方法还可包括识别用户膝关节的未矫正的过度伸展(称为“第二膝关节过度伸展”，以区别于初始膝关节过度伸展)或在步态周期的站立阶段的诱导性膝关节屈曲(这意味着屈曲辅助太高)，这可能还需要对辅助力进行微调。如果已识别出第二膝关节过度伸展，那么该方法可以相对于第一屈曲辅助来增加第二屈曲辅助的幅度，并根据修正后的第二屈曲辅助来对用户的肢体施加辅助力。另一方面，如果已识别出在站立阶段的诱导性膝关节屈曲，该方法可以相对于第一屈曲辅助来减少第二屈曲辅助的幅度，并根据修正后的第二屈曲辅助来对用户的肢体施加辅助力。

14、在根据第二屈曲辅助来施加辅助力的期间，该方法还可包括识别用户膝关节的未矫正的过度伸展(称为“第三膝关节过度伸展”，以区别于初始膝关节过度伸展)或在步态周期的站立阶段的诱导性膝关节屈曲(这意味着屈曲辅助太高)，这样可能再需要对辅助力进行微调。如果已识别出第三膝关节过度伸展，该方法可包括相对于第一或第二屈曲辅助来调节第三屈曲辅助的时间，并根据修正后的第三屈曲辅助来对用户的肢体施加辅助力。另一方面，如果已识别出站立阶段的诱导性膝关节屈曲，该方法可相对于第一或第二屈曲辅助来减少第三屈曲辅助的幅度，并根据修正后的第三屈曲辅助来对用户的肢体施加辅助力。

15、根据不同的实施例，该方法可包括迭代地重复上述步骤，例如，通过增加或减少扭矩轮廓的幅度、通过调节屈曲辅助的时间或通过调整屈曲辅助的持续时间来确定第四、第五或任何其他的屈曲辅助。通过在站立阶段的期间迭代地检测膝关节过度伸展或膝关节屈曲，并根据检测结果来调节屈曲辅助的幅度、时间或持续时间，所产生的个性化屈曲辅助能够根据用户的特征和需要来有利地进行微调。

16、用于执行该方法和/或构成该系统的一部分的示例性可穿戴机器人可包括主动骨盆矫形器(apo)，该主动骨盆矫形器具有被布置为辅助由第一和第二腿部单元传送的双边髋部的屈曲/伸展运动的驱动系统。该apo可包括躯干，该驱动系统从该躯干延伸至至少一个髋关节，该至少一个髋关节对应于至少一个腿部单元。该apo优选地包括电源单元和计算单元。该电源单元优选地设置为向驱动系统提供辅助动力，用以根据计算单元的辅助轮廓在髋关节处驱动至少一个腿部单元。该辅助轮廓可包括用于矫正用户的膝关节过度伸展的屈曲辅助。

17、可根据本公开的方法确定辅助轮廓的屈曲辅助。在一些实施例中，计算单元可被配置为根据站立阶段期间对膝关节过度伸展的识别来确定辅助轮廓的屈曲辅助的时间、屈曲辅助的持续时间和屈曲辅助的幅度。计算单元可连接到至少一个传感器，用以在站立阶段识别膝关节过度伸展或膝关节屈曲。计算单元自动确定辅助轮廓的屈曲辅助的时间、屈曲辅助的持续时间和屈曲辅助的幅度。

18、随着屈曲辅助的确定，计算单元可被配置为控制驱动系统，以根据辅助轮廓(包括屈曲辅助)在髋关节处驱动至少一个腿部单元。

19、除了根据当前公开的用于矫正膝关节过度伸展的屈曲辅助之外，辅助轮廓可以包括额外的屈曲和/或伸展辅助，正如本领域技术人员所设想的那样，通过在肢体运动中提供协调的辅助来辅助运动并恢复功能性步态模式。例如，计算单元可以配置为基于来自至少一个传感器的输入来确定用户的步态周期的分割和/或步态事件，并根据第一屈曲辅助和根据用于在步态周期中推进部分肢体的辅助力，通过启动摆动阶段来向用户的肢体施加辅助力。

20、计算单元还可以配置为通过使用至少一个传感器主动评估膝关节过度伸展来向用户或临床医生提供反馈。在一些实施例中，计算单元可布置为通过诸如根据由计算单元所确定的反馈的在屈曲辅助的持续时间和/或幅度中的增量减少来向用户呈现步态训练。

21、通过提供具有增加的可调性和有效性的改进的步态辅助，上述实施例、系统和方法解决了用于矫正膝关节过度伸展的现有系统和方法的问题，包括支架、助行器和仅具有有限的可调性且只能对单一关节的损伤作出反应的其他矫形器。参阅以下描述、所附权利要求书和附图，本公开的这些和其他特征将得到更好的理解。