用于矫正步态损伤的可穿戴机器人、系统和方法技术方案

提供了一种可穿戴机器人(1000)、系统和方法，用于矫正用户的例如膝关节过度伸展的步态损伤。该可穿戴机器人(1000)是一种具有框架(1100、1300、1400)和驱动系统(1200)的辅助下肢外骨骼，以根据步态损伤减轻策略来产生具有时间、持续时间和幅度的辅助性力(F)。持续时间和幅度的辅助性力(F)。持续时间和幅度的辅助性力(F)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于矫正步态损伤的可穿戴机器人、系统和方法


[0001]提供了一种可穿戴机器人、系统和方法，用于矫正用户的步态损伤，如膝关节过度伸展。该可穿戴机器人是一种具有框架和执行系统的辅助性下肢外骨骼，以基于步态损伤缓解策略而产生具有定时、持续时间和幅度的辅助力。

技术介绍

[0002]由于衰老和病理状况(如神经和肌肉骨骼疾病)引发的步态障碍和下肢损伤是限制生活和丧失个人独立性的主要原因之一。以步态损伤为例，膝关节过度伸展是在受神经系统疾病(其中神经通路的损伤导致膝关节无力或失去控制，例如中风、多发性硬化症、脑瘫、肌肉萎缩症、脊髓损伤等)影响的人群中或在受膝关节畸形或损伤的人群中的一个非常常见的问题。
[0003]成年人膝关节的正常活动范围为0
°
至135
°
，在正常的步态周期中，膝关节的完全伸展通常不应超过10
°
。膝关节过度伸展通常表现为在步态周期的站立阶段膝关节完全伸展的增加，这可能是轻度、中度或重度的，通过破坏个体的平衡和步态模式而限制活动并导致其他病症，包括不对称步态模式的发展、疼痛、骨关节炎、肌腱或韧带损伤等。
[0004]行走能力在任何神经系统疾病的治疗中都是一个重要的目标，因为这种基本能力不仅有助于独立生活和其相关的心理益处，而且还会增加患者对其他治疗方案的依从性，增加肌肉力量，改善心血管健康，并有助于恢复或维持认知功能。对膝关节过度伸展的潜在原因的治疗和对慢性膝关节过度伸展的矫正措施都是非常需要的。
[0005]膝关节过度伸展的常规治疗通常依赖于步态训练来优化行走表现。步态训练主要集中在引导病人完成步态周期的各个组成部分的练习，例如通过训练有素的临床医生的直接干预和指导，或使用专门的跑步机和生物反馈设备来指导病人进行辅助性练习。虽然在长期的治疗过程中通常是成功的，但步态训练需要定期的、有监控的训练课程，可能需要持续数年才能有所改善。在这些相对有限的直接临床干预和训练的时期之外，患者可能仍会受到无法活动和膝关节过度伸展的负面影响，继而可能会延长成功治疗所需的时间。
[0006]支架、助行器和其他矫形装置已被用作“实验室外”日常使用的矫正措施，以满足膝关节过度伸展患者的现实生活需求。例如，刚性支架可以设计用于机械地限制膝关节的活动范围，并通过在给定点处的强制停止旋转来防止过度伸展。其他支架设计有弹性元件，以通过更渐进地减少膝关节过度伸展来对膝关节过度伸展作出弹性响应。
[0007]虽然已经发现用这些装置和相关方法在减轻膝关节过度伸展对步态周期的影响方面取得了一些成功，但提供给膝关节的辅助不能根据患者的特殊需求(如体重、力量水平、痉挛水平和其他步态损伤)进行调整，也不能复制自然步态周期的渐进过程。传统矫正措施中所实现的干预通常是突然的和被动的，因此传统矫正措施只在过度伸展已经开始时或以其他方式对用户步态周期的其他部分产生负面影响时才通过抵抗过度伸展来进行干预。已知的矫正措施不能复制自然运动的舒适性和稳定性。在设计一种能够实现更自然的步态并有助于临床步态训练效果的治疗或矫正策略方面，仍然存在着重大挑战。
[0008]综上所述，需要有能够矫正步态损伤(如膝关节过度伸展)的方法和系统，即通过模仿自然步态模式来实现。还需要有矫正步态损伤的方法和系统，该方法和系统可精细地调整个人用户的特征，并且能动态地防止膝关节过度伸展和其他步态损伤，其中使用单个装置或通过在单一关节处提供辅助扭矩来矫正另一个关节的损伤。举例来说，对膝关节过度伸展的矫正提供了更自然和更舒适的步态。另外的步态训练的可能会带来益处，提高病人的依从性，并减少通过步态训练来实现改善所需的时间。

技术实现思路

[0009]本公开的一个目的是提供改进的方法和系统，用于矫正用户的步态损伤，例如膝关节过度伸展。本专利技术的另一个目的是根据用户的个体特征，通过在髋部水平面上施加辅助力来矫正膝关节模式，从而动态地抵消膝关节的过度伸展。
[0010]根据本公开，提出了一种用于使用可穿戴机器人或更具体的下肢辅助外骨骼来矫正膝关节过度伸展的系统和方法，其中，提供了一种用于矫正膝关节过度伸展的新的辅助策略，能够通过实现更自然的步态来辅助用户的实际需求。膝关节过度伸展的矫正基于在步态周期的站立阶段向用户的肢体提供辅助力。在站立阶段，可在用户的髋关节，即大腿上提供屈曲辅助，以抵消膝关节的过度伸展。
[0011]可穿戴机器人用来辅助运动和恢复功能性步态模式，并代表支持日常生活场景的技术辅助工具。在本公开的上下文中，可穿戴机器人是动力式或被动式外骨骼。在动力式外骨骼中，可穿戴机器人是一种由电动机、气动器、杠杆、液压装置或各种技术组合的系统来提供动力的机器，其允许肢体运动时具有增加的力量和耐力。一些可穿戴机器人感知用户的运动，并发送信号来管理可穿戴机器人的运动。可穿戴机器人可以布置为固定、支持或移动肩部、腰部和大腿，并可以辅助用于提升和拿住重物的运动。在被动式外骨骼中，外骨骼没有动力，但它可以为用户提供机械效益。可穿戴机器人可以通过在肢体运动中提供协调性的辅助来改善有肢体损伤和有行动不便状况的人群的康复计划。
[0012]通过针对有轻度下肢损伤的人群的辅助设备，可穿戴机器人可以依靠通过在步态周期中产生适当的力来推动肢体的一部分从而辅助协助下肢的主动运动，例如，通过启动摆动阶段。可穿戴机器人的干预传统上仅限于支持这些主动运动以实现自然步态，并且由于肢体的向前运动在站立阶段受到限制，步态周期的站立阶段的无规律性依赖于传统支架和助行器中已知的类似概念来治疗膝关节过度伸展。
[0013]更具体地说，现有的支架、助行器、矫形器和辅助装置都是单关节装置，该单关节装置配置为用于通过提供扭矩来诱导特定的辅助关节的更多生理模式而向该关节提供辅助或矫正。这些装置需要直接向辅助关节施加力或阻力，并且定位在该辅助关节处。现有的装置需要不同的设备来治疗与步态损伤有关的每个关节。
[0014]提供给肢体的辅助可以通过至少调节屈曲辅助的时间、屈曲辅助的持续时间或屈曲辅助的幅度来适配个体用户的特征(例如，体重、力量水平、痉挛水平和其他步态损伤)。根据本公开，屈曲辅助的时间可定义为在步态周期或步幅中以0
‑
100％的形式所测量的屈曲辅助轮廓的中心位置，屈曲辅助的持续时间可定义为步态周期中以百分比计的屈曲辅助轮廓的宽度，以及屈曲辅助的幅度可定义为在屈曲辅助期间提供给用户肢体的辅助性屈曲扭矩的峰值水平。
[0015]根据一个实施例，该系统和方法可包括通过识别在步态周期中用户膝盖的过度伸展来确定屈曲辅助，确定屈曲辅助的时间、确定屈曲辅助的持续时间，以及确定屈曲辅助的初始幅度。在屈曲辅助确定后，该方法可包括根据屈曲辅助向用户的肢体施加辅助力。
[0016]根据屈曲辅助，辅助力的应用可以从髋部水平处有利地矫正用户膝关节的损伤。在屈曲辅助轮廓中，髋部或大腿处的辅助扭矩可随着步态周期中膝关节负荷的增加而平行地逐渐增加，随着膝关节上负荷的减弱而逐渐减少。对髋关节处的辅助扭矩在时间、持续时间和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于使用辅助下肢外骨骼来减轻或矫正用户的膝关节过度伸展的系统，其特征在于，所述系统设置为：(a)在步态周期的站立阶段识别用户的肢体的膝关节的第一过度伸展；(b)通过如下方式来根据膝关节的所述第一过度伸展确定辅助轮廓的第一屈曲辅助：(i)确定所述第一屈曲辅助的时间；(ii)确定所述第一屈曲辅助的持续时间；和(iii)确定所述第一屈曲辅助的幅度；(c)根据所述辅助轮廓的所述第一屈曲辅助，在所述站立阶段通过所述辅助下肢外骨骼来向用户的肢体施加辅助屈曲扭矩。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还设置为：(d)在步骤(c)的所述站立阶段识别所述用户的肢体的膝关节的第二过度伸展或第一屈曲；(e)根据识别膝关节的所述第二过度伸展或所述第一屈曲来调节所述第一屈曲辅助，以确定第二屈曲辅助；(f)根据所述第二屈曲辅助，在所述站立阶段向用户的肢体施加辅助屈曲扭矩。3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，根据对膝关节中的所述第二过度伸展或所述第一屈曲的识别来调节所述第一屈曲辅助以确定第二屈曲辅助包括：响应于对膝关节中的所述第二过度伸展的识别来相对于所述第一屈曲辅助而增加所述第二屈曲辅助的幅度。4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，根据对膝关节中的所述第二过度伸展或所述第一屈曲的识别来调节所述第一屈曲辅助以确定第二屈曲辅助包括：响应于对膝关节中的所述第二过度伸展的识别来相对于所述第一屈曲辅助而增加或减少所述第二屈曲辅助的时间。5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，根据对膝关节中的所述第二过度伸展或所述第一屈曲的识别来调节所述第一屈曲辅助以确定第二屈曲辅助包括：响应于对膝关节中的第一屈曲的识别相对于所述第一屈曲辅助而减少所述第二屈曲辅助的幅度。6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一屈曲辅助的时间在所述步态周期的15％～40％的范围内。7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一屈曲辅助的幅度在1.0N*m～3.0N*m的范围内。8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一屈曲辅助的时间与所述步态周期的速度峰值相一致。10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述辅助屈曲扭矩被布置为施加于用户的所述膝关节以上的肢体。11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述辅助下肢外骨骼包括：框架，其布置为安装在至少一个肢体的周围；驱动系统，其布置为向所述框架施加力；以及包括处理器的控制器，所述控制器布置为至少在站立阶段以基于所述至少一个肢体的膝关节过度伸展的幅度、持续时间和时间来驱动所述驱动系统。12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述辅助下肢外骨骼与布置为确定至少
一个步态参数的至少一个传感器进行通信；其中，所述控制器布置为根据所述至少一个步态参数来确定幅度、持续时间和时间。13.一种用于减轻或矫正用户的膝关节过度伸展的辅助下肢外骨骼，其特征在于，所述辅助下肢外骨骼包括：框架，其布置为安装在至少一个肢体的周围；驱动系统，其布置为向所述框架施加力；以及包括处理器的控制器，所述控制器布置为至少在站立阶段以基于所述至少一个肢体的膝关节过度伸展的幅度、持续时间和时间来驱动所述驱动系统。14.根据权利要求13所述的辅助下肢外骨骼，其特征在于，还包括：布置为确定至少一个步态参数的至少一个传感器；其中，所述控制器布置为根据所述至少一个步态参数来确定幅度、持续时间和时间。15.根据权利要求14所述的辅助下肢外骨骼，其特征在于，形成如权利要求1的系统的所述辅助性下肢外骨骼。16.根据权利要求15所述的辅助下肢外骨骼，其特征在于，所述系统还布置为：(d)在步骤(c)的所述站立阶段识别用户的肢体的膝关节的第二过度伸展或第一屈曲；(e)根据识别...

【专利技术属性】
技术研发人员：R，
申请(专利权)人：IUVO公司，
类型：发明
国别省市：