[发明专利]多自由度仿生智能矫形系统和方法

说明书

本发明提供了一种多自由度仿生智能矫形系统和方法，涉及康复辅具领域，该系统包括：信息采集模块、多自由度仿生矫形机构、大小腿包裹装置、膝腿连接件和智能调节控制数据平台；信息采集模块用于采集人体运动学和关节损伤信息；多自由度仿生矫形机构包括：仿侧副韧带及仿前后交叉韧带的交叉控制元件、仿膝屈肌控制元件、仿膝伸肌控制元件、复合运动环、位置传感器和矫治辅助动力装置；大小腿包裹装置用于承重及悬吊；智能调节控制数据平台用于接收和处理采集模块以及位置传感器发送的信息，并生成控制信号发送至矫治辅助动力装置。通过上述系统可以引导关节在正常受力、稳固的条件下，进行无损伤且无痛的运动，进而促进关节修复达到矫治目标。

技术领域

本发明涉及康复辅具领域，尤其是涉及一种多自由度仿生智能矫形系统和方法。

背景技术

退行性骨关节疾病在老年人群中较为常见，其中膝关节骨关节炎患者数量庞大，临床上表现为不同程度的疼痛、活动受限、畸形、骨擦音和肌肉萎缩。发病原因是软组织功能障碍和损伤时，造成力学和神经改变，软组织的正常排列关系、细胞活性及组织含水量改变，应力分布失衡或负载过度引起软骨磨损，自我修复能力下降，导致关节功能障碍和潜在的退化。

矫形器属于常见康复辅助器具，其功能一般包括：预防和矫正变形、支撑体重(免荷)、丧失功能的代偿或辅助等。目前，用于退行性骨关节疾病的膝矫形器主要功能是侧方支撑、限制关节活动度、部分免荷等。现有膝矫形器关节部件大多为单轴或简单铰链结构。而膝关节是人体最复杂且承重最大的关节，包括股骨远端、胫骨近端、关节囊、交叉韧带以及半月板等组织。因此，现有矫形器不能达到全面稳固关节、引导正常受力，尤其是恢复正常运动功能的目的。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多自由度仿生智能矫形系统和仿生矫形方法，以缓解现有矫形器无法全面稳固关节、引导正常受力的问题。

为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种多自由度仿生智能矫形系统，包括：信息采集模块、多自由度仿生矫形机构、大小腿包裹装置、膝腿连接件和智能调节控制数据平台；上述信息采集模块用于采集人体运动学和关节损伤信息；上述多自由度仿生矫形机构包括：仿侧副韧带及仿前后交叉韧带的交叉控制元件、仿膝屈肌控制元件、仿膝伸肌控制元件和复合运动环；上述多自由度仿生矫形机构还包括位置传感器和矫治辅助动力装置；上述位置传感器用于采集股骨和胫骨的相对位置信息；上述大小腿包裹装置用于承重及悬吊；上述膝腿连接件用于将上述多自由度仿生矫形机构与上述大小腿包裹装置结实连接；上述智能调节控制数据平台用于接收和处理上述采集模块以及上述位置传感器发送的信息，并生成控制信号发送至矫治辅助动力装置。

在一些可能的实施方式中，上述人体运动学和关节损伤信息包括：健康人群及患者在运动过程中的股骨和胫骨相对时空信息、人体尺寸信息以及疾病诊断信息；上述股骨和胫骨的相对时空信息包括以下六个自由度：膝屈或膝伸、膝内收或膝外展、膝内旋或膝外旋、内移或外移、前移或后移、近端位移或远端位移。

在一些可能的实施方式中，上述多自由度仿生矫形机构包括四个上述仿侧副韧带及仿前后交叉韧带的交叉控制元件；每个上述交叉控制元件均包括上述位置传感器和上述矫治辅助动力装置；上述交叉控制元件用于提供牵拉限位的矫治辅助动力；四个上述交叉控制元件分别位于膝关节内侧前上到后下方向，膝关节内侧后上到前下方向，膝关节外侧前上到后下方向，膝关节外侧后上到前下方向；其中，膝关节内侧两个上述交叉控制元件用于仿内侧副韧带，膝关节外侧两个上述交叉控制元件用于仿外侧副韧带，由后上到前下的两个上述交叉控制元件还用于仿前交叉韧带，由前上到后下的两个上述交叉控制元件还用于仿后交叉韧带。

在一些可能的实施方式中，上述多自由度仿生矫形机构包括两个上述仿膝屈肌控制元件和两个上述仿膝伸肌控制元件，每个上述控制元件均包括上述位置传感器和上述矫治辅助动力装置，上述控制元件用于提供伸缩驱动的矫治辅助动力；两个上述仿膝屈肌控制元件位于膝关节的后侧，两个上述仿膝伸肌控制元件位于膝关节的前侧。