一种膝关节辅助运动装置及其控制方法

1.本发明涉及关节运动辅助技术领域，具体为一种膝关节辅助运动装置及其控制方法。


背景技术：

2.膝关节手术术后康复问题是骨科常需面对的问题，部分患者术后由于缺乏运动或运动效果欠佳，直至伤愈其膝关节功能仍未能恢复至可满足日常生活正常需求。
3.而cpm机的出现使得患者可以得到被动运动康复效果，cpm机可连接固定在座椅或护理床架上，主要作用是满足卧床病人术前、术后恢复期病员做上下四肢的伸直、屈曲、外展等全范围被动运动，是一种物理运动疗法，通常采用电源变压器、步进减速电机、控制板、驱动器、限位启动开关、机壳为主要动力部件，以直线滑台或减速器模拟人体作往复伸展外展等运动，满足术后患者患肢的静脉回流，减轻肿胀，防止下肢深静脉血栓形成，提高肌力和关节活动度，减轻周围组织粘连，增加关节周围肌肉群的力量，改善关节功能状态，促进肢体功能的恢复，可供康复、临床外科使用。
4.但目前辅助康复装置功能单一，只能为卧床病人的术前、术后提供膝关节的被动弯曲功能，而不能为病人在行走时提供助力，也就是缺乏辅助主动运动的功能。


技术实现要素：

5.基于以上背景，本发明的目的是提供一种附着在下肢上下段之间的动力组件，可辅助患者进行康复行走，以解决现有技术中辅助康复装置功能单一，不能为病人在行走时提供助力，也就是缺乏辅助主动运动的功能的技术问题。
6.为实现上述目的，本发明一方面提供以下技术方案：一种膝关节辅助运动装置，应用于膝关节支具上，其特征在于，所述膝关节支具包括佩戴于大腿上的第一固定件、以及佩戴于小腿上的第二固定件，所述膝关节辅助运动装置包括盒体、设于所述盒体上的动力源、第一旋转组件以及伸缩组件、设于所述伸缩组件上的第二旋转组件；其中，所述盒体通过所述第一旋转组件与所述第一固定件转动连接，所述伸缩组件通过所述第二旋转组件与所述第二固定件转动连接；所述伸缩组件包括固定在所述盒体上的固定筒、滑动连接在所述固定筒内的伸缩筒，所述伸缩筒位于所述固定筒内的一端与所述动力源连接，所述伸缩筒远离所述固定筒的一端通过所述第二旋转组件与所述第二固定件转动连接；所述动力源驱动所述伸缩筒在所述固定筒内滑动，以使得所述第二固定件相对所述第一固定件进行旋转。
7.作为本发明进一步方案，所述动力源为电机，所述电机的输出端设有齿轮，所述伸缩筒的侧壁上设有与所述齿轮相啮合的齿条，所述电机通过所述齿轮与所述齿条的配合，驱动所述伸缩筒在所述固定筒上滑动。
8.作为本发明进一步方案，所述第一旋转组件包括第一连接臂、分别设于所述第一
连接臂两端的第一旋转底座与第一锁接结构，所述第一连接臂的一端通过第一锁接结构与所述第一固定件可拆卸连接，另一端通过所述第一旋转底座与所述盒体转动连接，通过所述第一连接臂使得所述动力源与所述第一固定件之间设有一定横向距离，以形成受力角度，提供初始力矩。
9.作为本发明进一步方案，所述第二旋转组件还包括第二连接臂、分别设于所述第二连接臂两端的第二旋转底座与第二锁接结构，所述第二连接臂的一端通过第二锁接结构与所述第二固定件可拆卸连接，另一端通过所述第二旋转底座与所述伸缩筒转动连接；作为本发明进一步方案，所述伸缩筒内部中空，并滑动连接有伸缩杆，所述伸缩筒与所述伸缩杆之间设有限位组件，所述限位组件可用于限制所述伸缩杆在所述伸缩筒内滑动，所述伸缩杆远离所述伸缩筒的一端通过所述第二旋转底座转动连接所述第二连接臂；作为本发明进一步方案，所述限位组件包括设有所述伸缩筒两侧的螺纹筒，所述伸缩筒内壁与所述伸缩杆外壁之间设有弧形的限位件，所述螺纹筒内螺纹连接有螺纹杆，所述螺纹杆的一端通过第一轴承连接限位件，另一端连接有把手，旋转所述把手使得所述限位件与所述伸缩杆摩擦接触，限制所述伸缩杆的滑动。
10.作为本发明进一步方案，所述伸缩筒的内部底端设有压力传感器，所述压力传感器用于检测所述伸缩杆在滑动时对所述伸缩筒造成的压力。
11.上述辅助运动装置，通过将动力源转动连接在第一固定件上，伸缩组件动连接在第二固定件上，通过动力源驱动伸缩组件进行伸缩来为患者在行走时的膝关节弯曲/复位提供助力，替换了传统方案中只能为卧床病人的术前、术后提供膝关节的被动弯曲功能的技术方案。具体的，将盒体通过第一旋转组件与第一固定件转动连接，动力源设置在盒体上，伸缩组件通过第二旋转组件与第二固定件转动连，通过动力源驱动伸缩组件进行伸缩，使得伸缩组件在伸缩时，动力源相对第一固定件进行旋转，伸缩组件相对第二固定件进行旋转，从而使得第一固定件相对第二固定件进行旋转，从而为膝关节弯曲/复位提供助力。解决了现有技术中辅助康复装置功能单一，不能为病人在行走时提供助力，也就是缺乏辅助主动运动的功能的技术问题。
12.本发明的另一方面在于提供一种膝关节辅助运动装置的控制方法，应用于上述膝关节辅助运动装置的技术方案中，所述控制方法包括：将膝关节辅助运动装置辅助康复装置的两端分别连接在第一固定件与第二固定件上；获取所述膝关节辅助运动装置的当前运行模式，所述运行模式包括主动运动模式、辅助运动模式、站立模式，以根据所述当前运行模式控制所述膝关节辅助运动装置执行对应的控制策略；调整所述动力源的当前运行模式，所述运行模式包括；若当前运行模式调整为主动运动模式时，控制动力源按第一预设转速以及第一预设周期进行来回旋转，以通过所述动力源驱动所述伸缩筒进行往复滑动，从而辅助患者在行走时膝关节的弯曲/复位；直至患者康复训练结束，关闭所述辅助康复装置。
13.作为本发明进一步方案，所述调整所述动力源的当前运行模式，所述运行模式包括的步骤之后还包括：
当运行模式调整为辅助运动模式时，患者进行康复行走，使得所述伸缩杆在所述伸缩筒中自由滑动；当所述伸缩杆对所述压力传感器的压力达到所述压力传感器阈值后，控制动力源按第二预设转速以及第二预设周期进行来回旋转，以通过所述动力源驱动所述伸缩筒进行往复滑动，从而辅助患者在行走时膝关节的复位；重复执行当所述伸缩杆对所述压力传感器的压力达到所述压力传感器阈值后，控制动力源按第二预设转速以及第二预设周期进行来回旋转，以通过所述动力源驱动所述伸缩筒进行往复滑动，从而辅助患者在行走时膝关节的复位的步骤；直至患者康复训练结束，关闭所述辅助康复装置。
14.作为本发明进一步方案，所述调整所述动力源的当前运行模式，所述运行模式包括的步骤之后还包括：当运行模式调整为站立模式时，通过所述动力源调整所述伸缩筒相对固定筒的位置；通过所述限位组件将所述伸缩筒与所述伸缩杆固定连接，使得患者的腿部姿势固定，为患者保持该腿部姿势提供支撑力；直至患者康复训练结束。
附图说明
15.图1为本发明整体结构第一视角立体图；图2为本发明中膝关节支具的结构立体图；图3为本发明图1中一部分结构剖视图；图4为本发明图1中另一部分结构剖视图；图5为本发明图4中a-a处结构剖视图；图6为本发明图1中结构俯视图；图7为本发明图4中b处结构放大图；图8为本发明中第一种控制方法流程图；图9为本发明中第二种控制方法流程图；图10为本发明中第三种控制方法流程图；主要元件符号说明:大腿护套101大腿连接板102小腿护套103小腿连接板104盒体201启动开关202模式开关203速度调节模块204压力传感器205动力源301固定筒302伸缩筒303齿轮304齿条305伸缩杆401螺纹筒402限位件403螺纹杆404第一轴承405把手406
定位筒501第二轴承502第一连接臂601第二连接臂602第一旋转底座603第二旋转底座604第一螺纹孔605第二螺纹孔606螺栓607第一固定块701第二固定块702
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如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
16.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
17.需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
18.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
19.实施例一：请参阅图1-7，本发明的第一实施例提供了一种膝关节辅助运动装置，其应用于膝关节支具上，膝关节支具包括佩戴于大腿上的第一固定件、以及佩戴于小腿上的第二固定件，膝关节辅助运动装置包括盒体201、设于盒体201上的动力源301、第一旋转组件以及伸缩组件、设于伸缩组件上的第二旋转组件；其中，盒体201通过第一旋转组件与第一固定件转动连接，伸缩组件通过第二旋转组件与第二固定件转动连接，也就是说，将盒体201通过第一旋转组件与第一固定件转动连接，动力源301设置在盒体201上，伸缩组件通过第二旋转组件与第二固定件转动连，通过动力源301驱动伸缩组件进行伸缩，使得伸缩组件在伸缩时，动力源301相对第一固定件进行旋转，伸缩组件相对第二固定件进行旋转，从而使得第一固定件相对第二固定件进行旋转，从而为膝关节弯曲/复位提供助力。
20.具体的，如图2所示，第一固定件包括大腿护套101以及设于大腿护套101两侧的大腿连接板102，第二固定件包括小腿护套103以及设于小腿护套103两侧的小腿连接板104，大腿连接板102与小腿连接板104铰接，使得大腿护套101与小腿护套103之间可相互旋转，盒体通过第一旋转组件与大腿连接板102转动连接，伸缩组件通过第二旋转组件与小腿连接板104转动连接。
21.如图3所示，伸缩组件包括固定在盒体201上的固定筒302、滑动连接在固定筒302内的伸缩筒303，伸缩筒303位于固定筒302内的一端与动力源301连接，动力源301为电机，电机的输出端设有齿轮304，伸缩筒303的侧壁上设有与齿轮304相啮合的齿条305，电机通
过齿轮304与齿条305的配合，驱动伸缩筒303在盒体201上往复滑动，当电机正向旋转时，伸缩筒303向固定筒302的上方滑动，当电机反向旋转时，伸缩筒303向固定筒302的下方滑动，也就是说，通过电机的正反向旋转，使得伸缩筒303在固定筒302内上下滑动，进而使得第一固定件与第二固定件之间相互旋转，来为膝关节弯曲/复位提供助力。
22.如图4-图5所示，为保证辅助运动装置适配与不同的患者，通过将伸缩筒303内部设为中空，并滑动连接有伸缩杆401，伸缩筒303与伸缩杆401之间设有限位组件，限位组件用于限制伸缩杆401在伸缩筒303内滑动，伸缩杆401远离伸缩筒303的一端通过第二旋转组件转动连接第二固定件；其中，限位组件包括设于伸缩筒303两侧的螺纹筒402，伸缩筒303内壁与伸缩杆401外壁之间设有弧形的限位件403，螺纹筒402内螺纹连接有螺纹杆404，螺纹杆404的一端通过第一轴承405连接限位件403，另一端连接有把手406，旋转把手406使得限位件403与伸缩杆401摩擦接触，限制伸缩杆401的滑动，这样针对不同的患者，通过限位组件调节伸缩筒303与伸缩杆401之间的位置关系，以适应不同患者腿长。
23.进一步的，为提高适应效果，在伸缩杆401远离伸缩筒303的一端设有调节组件，调节组件通过第二旋转组件转动连接第二固定件；调节组件包括设于伸缩杆401远离伸缩筒303的一端的螺纹，并螺纹连接在伸缩杆401上的定位筒501，套接在定位筒501外部的第二轴承502，也就是说，第二轴承502的内圈与定位筒501转动连接，第二轴承502的外圈通过第二旋转组件转动连接第二固定件，通过旋转定位筒501使得，调节组件可以在伸缩杆401上上下移动。
24.具体的，第二旋转组件包括第二连接臂602、分别设于第二连接臂602两端的第二旋转底座604与第二锁接结构，第二连接臂602的一端通过第二旋转底座604与第二轴承502的外壁转动连接，第二旋转底座604为一圆柱，圆柱的一端固定连接在第二轴承502的外壁上，另一端设有旋转槽，旋转槽内部转动连接第二连接臂602，第二连接臂602的一端通过第二锁接结构与第二固定件可拆卸连接，第二锁接结构包括设于第二连接臂602远离第二旋转底座604的一端的第一螺纹孔605、设于小腿连接板104上的第二螺纹孔606、以及将这两螺纹孔连接起来的螺栓607，使得伸缩杆401与第二固定件可拆卸连接。
25.如图6所示，第一旋转组件包括第一连接臂601、分别设于第一连接臂601两端的第一旋转底座603与第一锁接结构，第一连接臂601的一端通过第一锁接结构与第一固定件可拆卸连接，另一端通过第一旋转底座603上与盒体201转动连接，通过第一连接臂601使得动力源301与第一固定件之间设有一定横向距离，以形成受力角度，提供初始力矩，需要说明的是，第一旋转底座603与第二旋转底座604的结构相同，第一锁接结构包括设于第一连接臂601远离第一旋转底座603的一端的第一螺纹孔605、设于大腿连接板102上的第二螺纹孔606、以及将这两螺纹孔连接起来的螺栓607；第一连接臂601上的第一螺纹孔605与第二连接臂602上的第一螺纹孔605，以及小腿连接板104上的第二螺纹孔606与大腿连接板102上的第二螺纹孔606，在结构上相同，以统一标记。
26.如图7所示，在伸缩筒303的开口端内壁上设有第一固定块701，在伸缩杆401的外壁上设有第二固定块702，也就是说，当伸缩筒303向上移动时，通过第一固定块701挤压第二固定块702，带动伸缩杆401向上移动。
27.进一步的，伸缩筒303的内部底端设有压力传感器205，压力传感器205用于检测伸缩杆401在滑动时对伸缩筒303造成的压力。
28.在本实施例中，还包括一控制系统，也就是说，动力源301通过一控制系统进行控制，通过控制动力源301驱动伸缩筒303在盒体上滑动，来为膝关节弯曲/复位提供助力，控制系统包括设于盒体201上的控制器（具体可以为mcu（microcontroller unit，微控制单元））、启动开关202、模式开关203、压力传感器205、及速度调节模块204，其中模式开关203用于切换运动模式，速度调节模块204用于改变动力源301功率，控制系统根据膝关节弯曲时伸缩筒303受力情况来改变动力源301功率。
29.在本实施例中，启动开关202、控制器、速度调节模块204、模式开关203、压力传感器205、以及动力源301电性连接。
30.上述辅助运动装置，通过将动力源转动连接在第一固定件上，伸缩组件动连接在第二固定件上，通过动力源驱动伸缩组件进行伸缩来为患者在行走时的膝关节弯曲/复位提供助力，替换了传统方案中只能为卧床病人的术前、术后提供膝关节的被动弯曲功能的技术方案。具体的，将盒体通过第一旋转组件与第一固定件转动连接，动力源设置在盒体上，伸缩组件通过第二旋转组件与第二固定件转动连，通过动力源驱动伸缩组件进行伸缩，使得伸缩组件在伸缩时，动力源相对第一固定件进行旋转，伸缩组件相对第二固定件进行旋转，从而使得第一固定件相对第二固定件进行旋转，从而为膝关节弯曲/复位提供助力。解决了现有技术中辅助康复装置功能单一，不能为病人在行走时提供助力，也就是缺乏辅助主动运动的功能的技术问题。
31.与现有技术相比，有益效果在于：一、需要膝关节弯曲/复位时，开启动力源，驱动伸缩筒在固定筒内部上下滑动，继而通过第一固定块挤压第二固定块，带动伸缩杆向上移动，或者通过伸缩筒内部顶端推动伸缩杆向下移动，从而达到驱动连接在伸缩杆上的第一固定件旋转的目的，达到辅助患者主动行走的效果；二、根据患者的体型以及腿长的不同，通过旋转定位筒使得调节组件可以在伸缩杆上上下移动，以调节第二旋转底座连接在小腿连接板上的位置，以适应不同患者；三、在伸缩杆与伸缩筒上设置限位组件，当患者站立时，为保证患者立姿，通过限位组件将伸缩杆固定在伸缩筒上，以对患者提供站立助力。
32.解决了现有技术中辅助康复装置功能单一，不能为病人在行走及立姿康复训练时提供助力，也就是缺乏辅助主动运动的功能的技术问题。
33.实施例二：请参阅图8，本发明的第二实施例提供了第一种辅助康复装置的控制方法，控制方法应用于上述第一实施例的辅助康复装置。
34.控制方法包括步骤s101至步骤s104：s101,将辅助康复装置的两端分别连接在第一固定件与第二固定件上；也就是说，通过第一锁接结构，将第一连接臂601可拆卸连接在大腿连接板102上，通过第二锁接结构，将第二连接臂602可拆卸连接在小腿连接板104上。
35.s102,拨动模式开关203，调整动力源301的当前运行模式。
36.s103,若当前运行模式调整为主动运动模式时，控制动力源按第一预设转速以及
第一预设周期进行来回旋转，以通过所述动力源驱动所述伸缩筒进行往复滑动，从而辅助患者在行走时膝关节的弯曲/复位；也就是说，通过第一预设转速以及第一预设周期，使得动力源301可以正反方向往复旋转，当患者佩戴好膝关节支具以及辅助运动装置后，接通电源，拨动模式开关203，将运行模式调整为主动运动模式，患者通过速度调节模块204调节动力源的功率；在本实施例中，可在控制系统中增加一时间控制模块，用于设定运动时间，到达运动时间，则辅助康复装置自动关闭，且辅助康复装置自动关闭时，伸缩筒位于初始位置，也就是患者直立时的站姿。
37.其中运动时间也就是动力源的工作时间，也就是动力源的运行周期，也就是动力源会往复旋转几回，使得动力源可以驱动伸缩组件以一定的伸缩速度进行往复滑动，使得第二固定件相对第一固定件进行旋转，从而改变患者的腿部姿态，为患者在主动行走时提高助力，这个模式中的压力传感器205不进行工作。
38.s104,直至患者康复训练结束，关闭启动开关；实施例三：请参阅图9，本发明的第二实施例还提供了第二种辅助康复装置的控制方法，控制方法应用于上述第一实施例的辅助康复装置。
39.控制方法包括步骤s201至步骤s206：s201,将辅助康复装置的两端分别连接在第一固定件与第二固定件上；也就是说，通过第一锁接结构，将第一连接臂601可拆卸连接在大腿连接板102上，通过第二锁接结构，将第二连接臂602可拆卸连接在小腿连接板104上。
40.s202, 拨动模式开关203，调整动力源301的当前运行模式。
41.s203,当运行模式调整为辅助运动模式时，患者进行康复行走，使得伸缩杆401在伸缩筒303中自由滑动；也就是说，此模式中的患者，可自行进行行走，此时动力源301处于关闭状态。
42.s204,当所述伸缩杆对所述压力传感器的压力达到所述压力传感器阈值后，控制动力源按第二预设转速以及第二预设周期进行来回旋转，以通过所述动力源驱动所述伸缩筒进行往复滑动，从而辅助患者在行走时膝关节的复位,并关闭动力源；也就是说，当患者在自行行走时，由于腿部力量不足，导致膝关节无法承受上身压力，导致其不自主弯曲，患者无法控制膝关节伸直，此时伸缩杆401挤压压力传感器205，使得压力达到压力传感器205阈值，压力传感器205传输信号出去，控制器控制动力源启动，通过伸缩筒挤压伸缩杆，使得患者腿部伸直；其中动力源启动，按照预设的第二预设转速以及第二预设周期进行来回旋转，第二预设转速相比第一预设速度不会改变，他是定值，也就是为支撑患者膝关节，第二预设周期在本实施例中为一个周期，也就是说，动力源驱动伸缩筒滑出后，患者腿部复位，再驱动伸缩筒复位，结束这一周期，动力源停止工作。
43.也就是说,当伸缩杆处于接触压力传感器205的位置，动力源301驱动伸缩筒303伸缩到最低端时，患者腿部处于复位状态，当患者腿部处于复位状态后，动力源301驱动伸缩筒303回缩复位。
44.s205,重复执行当所述伸缩杆对所述压力传感器的压力达到所述压力传感器阈值
后，控制动力源按第二预设转速以及第二预设周期进行来回旋转，以通过所述动力源驱动所述伸缩筒进行往复滑动，从而辅助患者在行走时膝关节的复位,并关闭动力源的步骤；s206,直至患者康复训练结束，关闭启动开关202。
45.实施例四：请参阅图10，本发明的第三实施例还提供了第三种辅助康复装置的控制方法，控制方法应用于上述第一实施例的辅助康复装置。
46.控制方法包括步骤s301至步骤s305：s301,将辅助康复装置的两端分别连接在第一固定件与第二固定件上；s302,拨动模式开关203，调整动力源301的当前运行模式；s303,当运行模式调整为站立模式时，通过动力源调整所述伸缩筒相对固定筒的位置；s304,通过限位组件将伸缩筒与伸缩杆固定连接，使得患者的腿部姿势固定，为患者保持该腿部姿势提供支撑力；s305,直至患者康复训练结束，关闭启动开关。
47.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
48.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。