本發明專利技術公開了一種多模式多姿態的膝關節康復設備及其控制方法，該膝關節康復設備由大腿固定件、小腿固定件、內側關節組件、外側關節組件、雙套索傳動組件、電機、肌電信號測量單元、第一處理模塊、慣性測量單元、第二處理模塊及控制模塊等部件組成。該膝關節康復設備是一種穿戴式的康復設備，用戶可在臥姿、坐姿、站立及行走等四種康復下進行康復訓練，為用戶提供更加個性化的訓練，具有更廣泛的應用場景；并且具有被動模式與主被動結合模式，被動模式通過被動運動來幫助康復用戶恢復關節功能，主被動結合模式通過外力協助用戶的自主動作進行康復訓練，兩種模式適用于用戶的不同康復階段，能達到更高效的康復效果。
1、cpm（continuous?passive?motion，持續被動運動）是一種依靠持續的被動運動來幫助康復用戶恢復關節功能用于膝關節康復的設備。cpm通過一個設定的范圍內不斷地移動用戶的膝關節，模擬正常關節運動，這種持續的被動運動有助于減少術后或損傷后的關節僵硬，促進關節內軟骨的修復和新陳代謝。cpm能夠精確控制關節運動的范圍和速度，根據康復階段和用戶的個體情況進行調整，可以確保在安全范圍內進行康復運動，同時避免對關節造成額外的應力或損傷。此外，cpm在進行被動運動時，可以促進血液循環和關節內潤滑液的流動。這有助于減少關節腫脹和增加營養物質的供應，有利于康復的進行和速度。
2、cpm常用于膝關節的手術后恢復、創傷或損傷后的康復以及疾病或退化性變等場合，但cpm采用的是被動運動，而不是通過自主的康復運動來增強肌肉力量和功能，可能會導致用戶過度依賴設備，進而影響康復效果。而且cpm通常需要用戶處于躺臥狀態，由專業人員進行操作，因此其應用場景和范圍也受到限制。
3、綜上所述，盡管膝關節cpm機在康復過程中有其獨特的優勢和應用場景，但其也存在一些潛在的缺陷和限制，醫療專業人士在選擇和推薦時需要綜合考慮用戶的個體情況和康復目標。
>2、本專利技術采用的技術方案如下：一種多模式多姿態的膝關節康復設備，其特征在于，包括：大腿固定件與小腿固定件，分別用于固定需要康復的腿中的大腿部分與小腿部分；內側關節組件，旋轉連接于大腿固定件與小腿固定件的內側；外側關節組件，具有轉軸及相互鉸接的第一旋轉板、第二旋轉板，分別與大腿固定件、小腿固定件固定；雙套索傳動組件，用于帶動第二旋轉板相當于第一旋轉板旋轉；電機，固定于腰部或背部，與雙套索傳動組件傳動連接；肌電信號測量單元，用于檢測腿部肌肉的電活動，采集肌電圖數據；第一處理模塊，根據肌電圖數據識別腿部的肌肉收縮和動作意圖；慣性測量單元，用于檢測膝關節或相關聯部位在三個軸上的加速度和角速度；第二處理模塊，對膝關節或相關聯部位在多個方向上的加速度值進行時域-頻域數據轉換，并將頻域數據的幅值與基準值進行比較，并且根據比較的結果確定腿部的動作意圖；控制模塊，以預定輸入信號、第一處理模塊或第二處理模塊的輸出信號為基礎來控制電機的旋轉動作。3、優選的，大腿固定件與小腿固定件為輕質、硬質材料制造的拱形板，分別覆蓋大腿與小腿的正側，并采用綁帶進行固定。
4、優選的，內側關節組件包括依次連接的第三旋轉板、連接板及第四旋轉板，第三旋轉板與第四旋轉板相鄰的端部具有相互嚙合的傳動齒；第三旋轉板的上端、第四旋轉板的下端，分別與大腿固定件、小腿固定件固定。
5、優選的，第一旋轉板、第三旋轉板與大腿固定件的安裝位置可調，第二旋轉板、第四旋轉板與小腿固定件的安裝位置可調。
6、優選的，雙套索傳動組件包括：主動旋轉盤，隨電機的輸出軸旋轉；從動旋轉盤，與第二旋轉板安裝固定；軸承，支撐在從動旋轉盤與轉軸之間；雙套索，傳動連接在主動旋轉盤與從動旋轉盤之間。
7、優選的，肌電信號測量單元用于股四頭肌與腓腸肌的電活動；慣性測量單元包括加速度計和陀螺儀，安裝在小腿靠近腳踝的部位。
8、優選的，膝關節康復設備具有臥姿、坐姿、站立及行走四種使用姿態。
9、本專利技術采用的第二套技術方案如下：一種多模式多姿態的膝關節康復設備的控制方法，具有以預定輸出信號為基礎來控制電機旋轉動作的被動模式，以及以第一處理模塊或第二處理模塊的輸出信號為基礎來控制電機旋轉動作的主被動結合模式。
10、優選的，主被動結合模式的步驟如下：
11、步驟1.用戶穿戴好康復設備，選擇主被動結合模式；
12、步驟2.用戶自主控制腿部動作，肌電信號測量單元檢測腿部肌肉的電活動，采集肌電圖數據，慣性測量單元檢測膝關節或相關聯部位在三個軸上的加速度和角速度；
13、步驟3.按照幅值、頻率、穩定性、波形形態、與三軸加速度及角速度的數據一致性的順序，依次判斷肌電圖數據是否正常，若判定肌電圖數據在正常范圍內，則進入步驟4，若判定肌電圖數據不正常，則進入步驟5；
14、步驟4.若肌電圖數據為正常狀態，第一處理模塊根據肌電圖數據識別腿部的肌肉收縮和動作意圖，并以第一處理模塊的輸出信號為基礎來控制電機的旋轉動作，利用大腿固定件與小腿固定件帶動大腿與小腿作康復動作；
15、步驟5.若肌電圖數據為異常狀態，第二處理模塊對膝關節或相關聯部位在多個方向上的加速度值進行時域-頻域數據轉換，并將頻域數據的幅值與基準值進行比較，并且根據比較的結果確定腿部的動作意圖，并以第二處理模塊的輸出信號為基礎來控制電機的旋轉動作，利用大腿固定件與小腿固定件帶動大腿與小腿作康復動作。
16、優選的，步驟1中還包括對慣性測量單元進行靜態校準與動態校準；
17、靜態校準步驟為：
18、步驟1.1.將慣性測量單元放置在靜止的平坦表面，確保沒有外部運動或振動影響；
19、步驟1.2.記錄慣性測量單元的加速度計和陀螺儀在靜止時的輸出數據，采集數十秒到數分鐘的數據；
20、步驟1.3.對于每個軸上的數據，計算其平均值作為靜態校準的零偏補償參數；
21、步驟1.4.將計算得到的零偏補償參數應用到實時數據中，減少靜態誤差；
22、動態校準步驟為：
23、步驟1.5.用戶穿戴好康復設備后，先選定臥姿、坐姿、站立及行中的某種姿態，再選擇被動模式中預設的動態校準參數來控制電機的旋轉動作，利用大腿固定件與小腿固定件帶動大腿與小腿動作，記錄慣性測量單元的輸出數據；
24、步驟1.6.使用控制運動的真實數據與慣性測量單元記錄的輸出數據進行比較，識別和校正動態誤差；
25、步驟1.7.完成校準后，進行二次動態校準驗證確保慣性測量單元的性能符合預期。
26、本專利技術具有如下有益效果：
27、1.多姿態：為一種穿戴式的康復設備，用戶可在臥姿、坐姿、站立及行走等四種康復下進行康復訓練，為用戶提供更加個性化的訓練，具有更廣泛的應用場景；
28、2.多模式：具有被動模式與主被動結合模式，被動模式通過被動運動來幫助康復用戶恢復關節功能，主被動結合模式通過外力協助用戶的自主動作進行康復訓練，兩種模式適用于用戶的不同康復階段，能達到更高效的康復效果。
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【技術保護點】
1.一種多模式多姿態的膝關節康復設備，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的多模式多姿態的膝關節康復設備，其特征在于，大腿固定件（1）與小腿固定件（2）為輕質、硬質材料制造的拱形板，分別覆蓋大腿與小腿的正側，并采用綁帶進行固定。
3.根據權利要求1所述的多模式多姿態的膝關節康復設備，其特征在于，內側關節組件（3）包括依次連接的第三旋轉板（301）、連接板（302）及第四旋轉板（303），第三旋轉板（301）與第四旋轉板（303）相鄰的端部具有相互嚙合的傳動齒；第三旋轉板（301）的上端、第四旋轉板（303）的下端，分別與大腿固定件（1）、小腿固定件（2）固定。
4.根據權利要求3所述的多模式多姿態的膝關節康復設備，其特征在于，第一旋轉板（402）、第三旋轉板（301）與大腿固定件（1）的安裝位置可調，第二旋轉板（403）、第四旋轉板（303）與小腿固定件（2）的安裝位置可調。
5.根據權利要求1所述的多模式多姿態的膝關節康復設備，其特征在于，雙套索傳動組件（5）包括：
6.根據權利要求1所述的多模式多姿態的膝關節康復設備，其特征在于，肌電信號測量單元（7）用于股四頭肌與腓腸肌的電活動；慣性測量單元（9）包括加速度計和陀螺儀，安裝在小腿靠近腳踝的部位。
7.根據權利要求1所述的多模式多姿態的膝關節康復設備，其特征在于，具有臥姿、坐姿、站立及行走四種使用姿態。
8.一種基于權利要求1~7中任一項所述的多模式多姿態的膝關節康復設備的控制方法，其特征在于，具有以預定輸出信號為基礎來控制電機（6）旋轉動作的被動模式，以及以第一處理模塊（8）或第二處理模塊（10）的輸出信號為基礎來控制電機（6）旋轉動作的主被動結合模式。
9.根據權利要求8所述的多模式多姿態的膝關節康復設備的控制方法，其特征在于，主被動結合模式的步驟如下：
10.根據權利要求9所述的多模式多姿態的膝關節康復設備的控制方法，其特征在于，步驟1中還包括對慣性測量單元（9）進行靜態校準與動態校準；
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【技術特征摘要】
1.一種多模式多姿態的膝關節康復設備，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的多模式多姿態的膝關節康復設備，其特征在于，大腿固定件（1）與小腿固定件（2）為輕質、硬質材料制造的拱形板，分別覆蓋大腿與小腿的正側，并采用綁帶進行固定。
3.根據權利要求1所述的多模式多姿態的膝關節康復設備，其特征在于，內側關節組件（3）包括依次連接的第三旋轉板（301）、連接板（302）及第四旋轉板（303），第三旋轉板（301）與第四旋轉板（303）相鄰的端部具有相互嚙合的傳動齒；第三旋轉板（301）的上端、第四旋轉板（303）的下端，分別與大腿固定件（1）、小腿固定件（2）固定。
4.根據權利要求3所述的多模式多姿態的膝關節康復設備，其特征在于，第一旋轉板（402）、第三旋轉板（301）與大腿固定件（1）的安裝位置可調，第二旋轉板（403）、第四旋轉板（303）與小腿固定件（2）的安裝位置可調。
5.根據權利要求1所述的多模式多姿態的膝關節康復設備...
【專利技術屬性】
技術研發人員：金偉，祝震亞，嚴衛鋒，汪海東，
申請(專利權)人：嘉興市中醫醫院，
類型：發明
國別省市：
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