[实用新型]用于检测人体下肢膝关节运动信息的穿戴型外骨骼机构

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种穿戴型下肢外骨骼机构，可用于检测人体直立行走运动过程中的下肢膝关节运动信息。 

背景技术

减重步行训练是下肢康复医疗采用的主要方法，训练过程中需要两名医师相互协调，一名医师帮助患者完成下肢摆动运动，另一名医师在保持患者直立的同时帮助患者进行髋伸展。减重步行训练能够获得理想的肢体功能恢复效果，但在很大程度上取决于医师的经验和水平。此外，康复训练过程中医师的工作强度较大、效率也较低。为弥补专业人员的不足，降低工作强度并为患者提供及时有效的医疗服务。自二十世纪九十年代以来，国内外的一些研究机构相继开展了穿戴型下肢康复外骨骼系统的研制与实验研究工作，研制的部分康复训练外骨骼系统(如LOKOMAT系统等)已具有较好的性能并开始进入临床应用阶段。人体下肢的关节运动信息是规划康复训练外骨骼系统导引运动的基础性数据，对患肢进行康复训练时，需要参照相关信息设计外骨骼系统的导引运动规律。因此，获得相对准确的下肢关节运动信息对于保证患肢的康复训练效果具有实际意义。 

目前下肢关节运动信息的检测主要是通过运动图像采集、标志点提取与运动分析相结合的技术方法来实现，由摄象机采集人体直立行走过程的运动图象，通过对标志点的提取，以及基于不同肢体段连体坐标系之间的相对位姿关系分析得到下肢膝关节的运动信息。在前述检测方法中，采用的膝关节运动分析模型为单自由度回转副。 

根据人体解剖学可知，下肢膝关节为图1所示的单自由度滑车球状关节。人体运动过程中膝关节作绕轴线x转动的同时，还伴生有轴线x的滑移运动。因此，为实现更接近人体膝关节的运动功能，在现有下假肢设计技术中，多采用平面四杆机构膝关节而非单自由度回转副对人体膝关节进行功能等效。 

由于现有基于运动图像采集与分析的膝关节运动信息检测方法中，采用的膝关节分析模型为单自由度回转副，难以表征x轴线滑移对膝关节运动的影响，得到的关节检测信息与膝关节运动信息之间会存在一定程度的偏差。 

为了获得考虑轴线x滑移作用与影响的下肢膝关节运动信息，本 实用新型设计了一种穿戴型外骨骼机构，当人体下肢穿戴外骨骼机构并作直立行走运动时，可以通过安置于外骨骼机构膝转动关节和膝下转动关节处的传感器测量得到的角度之和为人体下肢的膝关节运动信息。图2a)所示为外骨骼机构与人体下肢在髋以下部分经穿戴联接构成的局部封闭运动链，图2b)为局部封闭运动链的x轴向视图。由于在人-机封闭链运动过程中大腿构件之间始终保持平行，图2b)所示封闭运动链轴向视图中，人-机大腿构件的投影线相互重合。但因人-机膝关节运动属性上的差异，导致分别在两平行平面内运动的人-机小腿构件的投影线之间出现位置和角度偏差。根据图2b)所示几何关系知，人-机大、小腿构件的投影线彼此相交并构成-个平面三角形。进而由三角形的外角定理可得人体下肢膝关节转角θ₁、外骨骼机构膝转动关节3转角θ₂和膝下转动关节7转角θ₃之间的关系为θ₁＝θ₂+θ₃。 

实用新型内容

图3所示为本实用新型用于检测下肢膝关节运动信息的外骨骼机构的机构原理简图，主要由大腿构件1、小腿构件2、膝转动关节3、大腿穿戴具4、小腿穿戴具5、滑块6和膝下转动关节7组成。外骨骼机构与人体下肢之间通过大腿穿戴具4和小腿穿戴具5相联。 

所述的大腿构件1和小腿构件2分别如图4和图5所示。大腿构件1的上端开有第一通孔8和第二通孔9，下端开有第三通孔10和第四通孔11。小腿构件2的上端开有第五通孔12，中下部开有沿构件长度方向的滑槽13。 

所述的膝转动关节3如图6所示。该转动关节由大腿构件1的下端，小腿构件2的上端，上端开有第六通孔14、第七通孔15及下端开有第八通孔16的第一侧板17，上端开有第九通孔18、第十通孔19及下端开有第十一通孔20的第二侧板21，第一螺栓组22和第二螺栓组23以及阶梯轴24组成。各组成部分的连接关系是：阶梯轴24的中轴段装入小腿构件2上端的第五通孔12中，两者之间为间隙配合。第一侧板17与阶梯轴24的左轴段通过第八通孔16过盈联接，第二侧板21与阶梯轴24的右轴段通过第十一通孔20过盈联接。第一侧板17、第二侧板21及大腿构件1通过第六通孔14、第七通孔15、第九通孔18、第十通孔19、第三通孔10和第四通孔11由第一螺栓组22及第二螺栓组23联接。