[发明专利]一种带生物力反馈的可变刚度膝关节康复训练装置及其方法

说明书

技术领域

本发明属于可应用于膝关节损伤患者手术后进行康复训练技术，特别是一种带生物力反馈的可变刚度膝关节康复训练装置及其方法。

背景技术

膝关节是人体中承担支承和运动功能的重要关节。如果膝关节在发生损伤或医疗手术后的康复期内不能及时得到有效的锻炼，则极易造成膝关节部位的粘连和肌肉萎缩，从而大大限制膝关节的运动能力，严重的甚至会造成关节部分功能的永久缺损。因此，现代康复医学认为，术后及时对膝关节进行适度、有效的康复锻炼，对恢复膝关节功能具有非常重要的作用。

对膝关节康复器械的基本要求主要集中在两个方面：安全性和有效性。安全性是指康复器械在对患膝进行康复训练时，不能对患膝产生二次伤害；有效性是指康复器械不仅要具有对关节灵活性的锻炼，而且要具有对关节关联肌肉及韧带进行必要的拉伸锻炼及肌力恢复的功能。因此膝关节康复器应同时满足柔顺性好、被动-主动训练相结合的功能要求。

目前，市场上在售的膝关节康复训练器（一般称为CPM机，Continuous Passive Motion）基本上都是采用电机＋机械传动机构的刚性结构驱动形式，由电机带动机械传动机构运动，从而带动患者肢体运动（美国专利US6325770B1和US6221033B1、中国专利200410006254.0等），这种驱动方式往往无法根据患膝的不同康复阶段灵活地施加驱动力，或改变康复训练的角度，因此极易对膝关节造成二次伤害。虽然有不少学者对此进行了改进（中国专利200910031938.9），也增加了一些智能控制的环节，但刚性驱动方式导致的安全性差的弊端没有从根本上得以根除。中国专利200410077721.9利用Mckibben型气动人工肌肉这种柔性驱动元件作为膝关节康复器的驱动元件，大大提高了康复器的训练安全性。但这种康复器只能对患者实施被动训练，无法满足主动训练的要求。同时，由于Mckibben型气动肌肉的有效行程较短，使得该康复训练装置所能提供的训练角度较小，无法实现膝关节康复训练中的大角度运动。

针对上述的这些问题，前期我们提出了一种双向柔性的膝关节主-被动康复训练装置（专利号：201010146310.6），利用了无杆气缸+推力大行程气动柔性驱动器的柔性驱动方案，在驱动行程的末端对抗安装了一对气动柔性驱动器，利用该驱动器的柔顺性保证屈膝-伸膝两个方向的膝关节康复训练的安全性，同时，通过控制气缸不同气腔以及不同气动柔性驱动器的供/排气，为患膝在不同的康复进程中提供被动训练、主动训练等多种不同的训练方式。但前期研制的这种康复器，虽然能够实现相应的康复训练，但训练之后在不同的训练阶段的训练力和训练角度是根据医师的个人经验给定的，一定程度上影响了康复训练的效果。

为了更为科学地对患膝进行康复训练，需要一种能对不同康复对象或者同一对象不同康复阶段的实际康复状态进行科学客观地评价、并以此为根据制定科学有效的康复方案、以期达到最佳康复效果的康复器械。根据这一思路，前期我们对膝关节关联肌肉的生物力信号的检测、处理、评估及控制方法等进行了相关的理论研究工作（南京理工大学硕士论文：基于表面肌电信号的膝关节康复机器人控制技术研究，作者：王士允）。但是如何通过相关技术来实现以及将这些研究用于康复训练在目前公开的文献中还未能解决这些技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带生物力反馈的可变刚度膝关节康复训练装置及其方法，可适用于膝关节损伤患者术后进行康复训练，可实时检测患膝在康复训练过程中屈膝用力时膝关节关联肌肉产生的肌肉生物力信号，并将该信号进行反馈，用于确定在被动训练时的驱动力或主动训练时的阻尼力的变刚度控制方法，从而实现对膝关节康复训练的智能控制，以期达到最佳的康复训练效果。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种带生物力反馈的可变刚度膝关节康复训练装置，包括施力结构、托架结构，施力结构包括无杆气缸、第一气动柔性驱动器、第二气动柔性驱动器、滑动副，滑动副由杆件和滑块组成；托架结构包括大腿杆、小腿杆，小腿杆与大腿杆之间构成转动副；还包括生物力信号检测单元、控制单元，其中生物力信号检测单元包括表面电极片、信号调理器、数据采集及控制系统、位置指示用的行程开关、角度传感器，该行程开关由磁性开关和接近开关组成，控制单元包括计算机、比例流量阀、比例压力阀、开关阀、电磁换向阀、可编程控制器；