[发明专利]一种个性化定制的高顺应性膝关节外骨骼设计方法

说明书

本发明涉及医疗康复器械技术领域，公开了一种个性化定制的高顺应性膝关节外骨骼设计方法，通过采集膝关节特定角度下的CT图像，然后利用轮廓检测算子对CT图像进行膝关节骨骼轮廓提取，提取出膝关节特定角度下的股骨和胫骨轮廓，接着根据膝关节股骨轮廓特征确定胫骨上的固定特征点，并利用法线交汇法拟合出人体下肢膝关节运动瞬心曲线ICR，再通过建立数学函数模型确定曲柄摇杆机构的各杆参数并进行杆长条件优化，使得依据ICR曲线设计出曲柄摇杆机构的运动瞬心曲线与人体下肢膝关节运动瞬心曲线重合，最终设计出高顺应性的高顺应性膝关节外骨骼，解决现有技术中每个患者的运动瞬心不同导致的患者穿戴的协调性和高顺应性问题，提高患者康复效率和矫正效果。

技术领域

本发明涉及医疗康复器械技术领域，特别是涉及一种个性化定制的高顺应性膝关节外骨骼设计方法。

背景技术

在日常生活中，由于重大疾病导致中风偏瘫、或者因人的年龄上升身体机能退化导致生活中行动能力下降的人群越来越多。传统的中风偏瘫康复治疗方法是通过专业的理疗师对病人进行康复指导和辅助训练，康复效率不高且进程缓慢，而且一个中风或者偏瘫患者往往要求两到三个理疗师进行跟进治疗，耗费大量的人力物力和财力。而利用下肢穿戴外骨骼机器人进行辅助治疗能够有效的减轻理疗师的工作负担，提高康复效率，减少了康复成本。下肢康复训练机器人辅助治疗是在下肢康复机器人的帮助下完成临床医疗上所需要的康复训练，并且及时向患者和医疗师提供反馈信息，使患者能够更快的恢复运动能力。

在现有的外骨骼技术中，大部分外骨骼康复机器人都将下肢膝关节简化为一简单的转动副，即一个自由度。这类膝关节转动副其瞬心为一恒定的铰链回转轴中心，而从人体解刨学和运动学的角度分析可知，人体下肢膝关节在矢状面的运动包含大腿骨和小腿骨的相对转动和转动瞬心的移动，即实际人体下肢膝关节运动有三个自由度且实际人体的膝关节在膝关节水平转动轴曲率中心即瞬时转动中心ICR(Instant Center of Rotation，瞬时旋转中心，简称瞬心)是可变的，其运动轨迹为J型曲线。且由于人体身高，体重及骨骼结构的差异性，每个人的下肢步态都是有差别的，因此个体的下肢膝关节运动瞬心曲线也有差异，故此市面上存在的膝关节高顺应性膝关节外骨骼不能很好的模拟每个人运动的步态周期，与人体实际的膝关节运动瞬心并不能很好的拟合，从而达不到人机系统的高度顺应，依据个体人体的膝关节运动瞬心曲线ICR设计出一款个性化定制的高顺应性的膝关节运动下肢外骨骼且具备良好的人机运动特性的下肢外骨骼现市面上还未有。

中国实用新型CN209850913U(公开日为2019年12月27日)公开了一种具有变轴线膝关节的下肢外骨骼，其在说明书中公开了对膝关节上连杆、膝关节后连杆、膝关节下连杆、膝关节左摇杆和膝关节右摇杆的杆长进行优化的方法，包括建立外骨骼数学模型、将绝对坐标系内的函数关系式转化到局部坐标系、以人体膝关节理论瞬心轨迹和计算轨迹的坐标平方差之和为目标函数，以站立稳定性条件、双摇杆运动学条件、仿生性条件和传动角约束为约束条件，以杆长参数为变量进行优化，计算出目标函数最小时的杆长参数。但是，该专利采用的是人体膝关节理论瞬心轨迹，而对于每一个患者来说，人体膝关节理论瞬心轨迹是有差异的，因此，该专利的方法并不能为患者实现私人定制，并且该专利并未公开膝关节理论瞬心ICR轨迹曲线是如何得到的。

发明内容

本发明的目的是提供一种符合患者的运动习惯与特性、提高患者康复效率和矫正效果的个性化定制的高顺应性膝关节外骨骼设计方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种个性化定制的高顺应性膝关节外骨骼设计方法，包括如下步骤：

S1、获取人体膝关节瞬时转动中心轨迹曲线：获取人体膝关节在不同转动角度下的图像，提取图像上的人体膝关节的特征点，根据图像获得该特征点在人体膝关节转动时的轨迹曲线，根据轨迹曲线获得人体膝关节瞬时转动中心轨迹曲线；

S2、建立外骨骼数学模型：确定模拟人体膝关节的摇杆机构中的设计变量和设计变量之间的关系；

S3、确定摇杆机构设计的优化条件和约束条件；