CN104825311B - 偏瘫患者专用下肢外骨骼及其使用方法和稳定性验证方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种偏瘫患者专用下肢外骨骼,包括单侧外骨骼腿、支撑杆机构、控制器和电池,单侧外骨骼腿包括大腿杆、小腿杆、足底靴、髋关节、膝关节和踝关节,支撑杆机构包括支撑杆和伸缩杆,大腿杆通过髋关节与支撑杆连接,支撑杆上自上而下依次设有髋关节驱动电机、膝关节驱动电机和伸缩杆驱动电机,髋关节驱动电机通过髋关节蜗轮蜗杆与髋关节连接,膝关节驱动电机通过膝关节蜗轮蜗杆和膝关节摆动杆连接小腿杆中部,踝关节与膝关节之间设有一踝关节减振器,伸缩杆驱动电机通过丝杠传动结构与伸缩杆连接,控制器和电池设在支撑杆上。本发明针对单侧下肢偏瘫患者,充分发挥患者健康侧肢体作用,助其平地行走和上下楼梯,提高可靠性,降低成本。

Description

偏瘫患者专用下肢外骨骼及其使用方法和稳定性验证方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种助残器械,尤其涉及一种偏瘫患者专用下肢外骨骼及其使用方法和步态稳定性验证方法。
背景技术
[0002]现有技术及存在的不足:
[0003] 1.现有相关广品及不足
[0004] (I) 2014年巴西世界杯足球赛开幕式上,让瘫痪的巴西少年平托站起来开球的外骨骼,名为BRA-Santos Dumont,代表了当今世界外骨骼技术的先进水平。
[0005]这款脑控外骨骼是国际“再次行走计划”的一个研究成果。这款外骨骼由植入头皮或患者脑内的电极探测大脑活动信号,这些信号通过无线方式传输给佩戴者身上的一台电脑,电脑负责将信号转化成具体的腿部动作。BRA-Santos Dumont外骨骼装置技术含量高,集中了上百科学家智慧,应用了当今最先进技术。该装置由脑电波来控制,需要把电极直接植入瘫痪患者的大脑中。在放置电极时,不仅要把电极植入颅骨下的脑组织内,而且还要能同时探测大脑皮层上的更多神经元。一些神经科学家认为,通过脑电图等无创手段来记录大脑活动,可以反映出意识和肌肉之间的对应关系,但目前这个想法还没有实现。该装置结构过于繁杂,离实用还有一段距离。其成本也让普通患者难以接受。
[0006] (2)本田公司研制的Walking Assist Device(行走辅助装备)。它能够减轻使用者各种肌肉负载,轻松完成一些基本动作。这个装备包括坐垫(seat)、支架(fream)、鞋子(shoes)三部分,总重量6.5kg。本田公司目前正在他们的汽车工厂内小范围的测试该装备的效果。
[0007]该装置比较灵巧,但主要适用于四肢健康,但体力不支的老年体弱者使用,不适合偏瘫患者使用。因为该系统难以保证使用者的平衡性。但对本发明的研制有某些借鉴作用。
[0008] (3)以色列埃尔格医学技术公司(Argo Medical Technologies)研发的仿生外骨骼,名为“ReWalk'2014年,此产品通过了美国食物与药品管理局(FDA)的认证。是首款通过FDA认证的外骨骼。FDA认为,ReWalk可以帮助那些双腿失去行动能力的人再次感受走路时的感觉。
[0009] “ReWalk”可帮助下身麻痹患者(即腰部以下瘫痪的人)站立、行走和爬楼梯。“ReWalk”需要一副拐杖帮助维持身体平衡,由电动腿部支架、身体感应器和一个背包组成,背包内有一个计算机控制盒以及可再充电的蓄电池。使用者可以用遥控腰带选定某种模式,如站、坐、走、爬等。然后向前倾,激活身体感应器,使机械腿处于运动之中。
[0010]虽然ReWalk获得了 FDA的认证,但这并不是意味着所有行动不便的人都能用上它。据悉,这款装备的价格跟它的重量一样,都相当地“重”,高达6.95万美元。使用者还需要进行15次培训课程之后才能真正上手。产品发明人戈夫尔本人曾在1997年的一起事故中瘫痪,遗憾的是,他却不能使用自己的发明,因为他的双臂尚不能完全发挥作用。因为该装置需要双手均能使用拐杖来保持平衡,对于偏瘫病人,使用起来有些困难。
[0011] (4)清华大学康复工程研究中心教授张济川与北京瑞海博科技有限公司研制的截瘫步行机。该产品的主要有两方面用途:一、作为代步工具供截瘫患者穿在身上,在步行机构驱动下独立行走;二、与医用跑台配合,作为下肢功能障碍者进行训练的主要康复设备。
[0012]步行机的控制系统由光码盘、微处理器、功率放大器、位置反馈系统等组成,可实现双腿自动交替的步态,并有自动补偿步态相位差的功能。患者可根据需要手动调节步行速度。该步行机采用轻质高强的钛合金制造,总重量只有9.6公斤。目前,患者使用该步行系统,还需小车的配合,不适用于上下楼梯及上下坡。
[0013] (5)2014年7月,《深圳特区报》《中国科学报》等国内多家媒体报道,中国科学院深圳先进技术研究院的下肢外骨骼机器人项目取得重大突破,成功实现截瘫病人通过穿戴机器人实现站立行走[9]。该机器人采用小型化的动力系统及欠驱动机械结构,运用柔性控制来实现外骨骼机器人稳定的步态。与国内外同类型机器人相比,先进院外骨骼机器人具有结构紧凑、智能步态规划、康复训练与残障人士助力行走兼顾的特色。
[0014] 经比较,该成果与以色列埃尔格医学技术公司(Argo Medical Technologies)研发的仿生外骨骼,名为“ReWalk”外骨骼类似。但该装置的使用,需用二根拐杖,需二只健康的手来辅助动作,也不适合单侧偏瘫病人。
[0015] 2.现有相关专利及不足
[0016]专利一种穿戴式下肢外骨骼助行机器人,CN103054692A公开了一种穿戴式下肢外骨骼助行机器人,由踝关节运动模块、膝关节运动模块、髋关节运动模块、驱动模块、腰部及支撑架模块等组成。专利一种穿戴式下肢助力外骨骼,CN103315834,通过连杆、齿轮等复杂结构,提供一种单自由度的穿戴式下肢助力外骨骼。专利一种分体式的人体下肢外骨骼助行装置,CN201939538公开了一种分体式人体下肢外骨骼助行装置,采用无需与大小腿绑缚的伸缩式支撑杆,实现对人体的支撑。专利一种可穿戴式的下肢步行外骨骼,ZL200420081794.4公开了一种可穿戴式下肢步行外骨骼,分别由髋部四杆机构、膝部四杆机构、踝部四杆机构等组成,用计算机记录正常步态然后复现来帮助病人步行。专利一种拟人化的下肢外骨骼机器人,CN103610568A公开了一种拟人化的下肢外骨骼机器人,由髋部驱动系统、膝部驱动系统、踝部穿戴系统组成。在髋部设置了3个自由度,膝部设置了 I个自由度,踝部设置2个自由度,以增加穿戴者的舒适度。专利外骨骼可穿戴下肢康复机器人,CN201110292009.0分开了一种外骨骼可穿戴下肢康复机器人,包括脚部外骨骼、踝关节外骨骼、小腿外骨骼、膝关节外骨骼、大腿外骨骼、髋关节外骨骼及腰部外骨骼。驱动电机采用谐波减速器及盘式电机。
[0017]上述专利中,均为双下肢平衡设计,没有考虑单侧肢体健康的偏瘫患者的需求,结构过于复杂,穿戴麻烦,推广起来有些难度。
发明内容
[0018]本发明为了解决上述现有技术中存在的缺陷和不足,提供了一种针对单侧下肢偏瘫患者,帮助他们平地行走和上下楼梯,充分发挥患者健康侧肢体作用,提高系统可靠性,降低成本的偏瘫患者专用下肢外骨骼及其使用方法和稳定性验证方法。
[0019]本发明的技术方案:一种偏瘫患者专用下肢外骨骼,包括单侧外骨骼腿、支撑杆机构、控制器和电池,所述单侧外骨骼腿包括大腿杆、小腿杆、足底靴、连接在大腿杆顶部的髋关节、连接大腿杆和小腿杆的膝关节以及连接小腿杆和足底靴的踝关节,所述支撑杆机构包括支撑杆和设置在支撑杆底部的伸缩杆,所述大腿杆通过髋关节与支撑杆连接,所述支撑杆上自上而下依次设有髋关节驱动电机、膝关节驱动电机和伸缩杆驱动电机,所述髋关节驱动电机通过髋关节蜗轮蜗杆与髋关节连接,所述膝关节驱动电机通过膝关节蜗轮蜗杆和膝关节摆动杆连接小腿杆中部,所述踝关节与膝关节之间设有一踝关节减振器,所述伸缩杆驱动电机通过丝杠传动结构与伸缩杆连接,所述控制器和电池设置在支撑杆上。
[0020]优选地,所述小腿杆上设有滑轨,所述膝关节摆动杆底部通过一滑块连接在滑轨上,所述支撑杆顶部设有腋下支撑条,所述腋下支撑条上设有肩带。
[0021]优选地,所述大腿杆上设有大腿绑带,所述小腿杆上设有小腿绑带,所述支撑杆上部设有胸部护板,所述胸部护板分成左右两侧护板,左侧护板和右侧护板均通过护板铰链与支撑杆连接。
[0022]优选地,所述踝关节减振器为一减震杆,所述减震杆顶部铰接在膝关节上,减震杆底部铰接在踝关节上,所述控制箱内设有实现髋关节、膝关节、支撑杆三驱动电机间协调控制的控制器,所述控制器具有3轴示教功能,即可记忆与再现三个电机的加减速曲线,方便患者根据自己的习惯,调整髋、膝、伸缩杆3个部件的动作规划,所述足底靴和伸缩杆上均安装有判断患者足底和伸缩杆是否着地的压力传感器,各驱动电机均配套安装旋转编码器,用于检测各关节运动位置和速度,以及支撑杆伸缩长度,所述支撑杆上安装倾斜角度传感器,检测支撑杆的角度变化,实现支撑杆与外骨骼腿关节的协调控制。
[0023]本发明采用单侧外骨骼腿+支撑杆结构,支撑杆采用可伸缩结构,通过蜗轮蜗杆等传动机构驱动对应关节。踝关节没有驱动电机,靠踝关节减振器实现着地缓冲。电池及控制箱固定在支撑杆上。外骨骼腿与支撑杆之间通过髋关节联接。穿戴时,病人患侧大小腿与外骨骼腿绑定,患侧脚穿入靴中。将支撑条压在患者腋下,肩带固定在患者肩部。前后护板分别紧贴前胸和后背,并用带子扣紧。为适应不同身高患者的要求,大腿杆、小腿杆、伸缩杆等均设置长度调节装置。提高穿戴舒适性、方便性方案,为降低装置的复杂性,提高可靠性,减少成本,本项目外骨骼只设计了髋、膝、踝三个自由度。为增加患者穿戴的舒适性,减轻装置重量,本外骨骼的大、小腿杆等构件由具有高柔性、高强度材料制作,如聚氨酯等。为方便患者自行穿戴,穿戴前应让外骨骼自行处于直立准备状态。
[0024] —种偏瘫患者专用下肢外骨骼平地上的使用方法,包括下述步骤:
[0025] I)穿戴准备:患者跨坐长条凳上,外骨骼腿坐姿状态,大腿平放,小腿垂直,支撑杆置腋下,处直立收缩状态;
[0026] 2)患者自行穿戴:外骨骼腿绑定患腿,固定肩带,前胸后背通过左右两侧护板锁定;
[0027] 3)起立:健康腿后移与支撑杆平行,伸缩杆伸长,从腋下顶起患者身体,健康腿与支撑杆同步辅助人体站立,外骨骼腿后退与健康腿及支撑杆平齐;
[0028] 4)助行前,支撑杆与外骨骼腿处于并拢直立状态;
[0029] 5)当控制器发出平地前行指令时,外骨骼腿在髋关节、膝关节电机驱动下,模拟人体习惯将患侧腿向前抬起;健康侧腿助力使身体前倾,身体前倾过程中,支撑杆伸长辅助人体前倾、足底着地,并使外骨骼腿着地后逐渐直立;
[0030] 6)最后,支撑杆收缩离地,在髋关节电机及支撑杆自身重力作用下,支撑杆向前与外骨骼腿并拢并重新处于垂直状态,支撑杆直立后,驱动电机使其再次伸长支撑地面,完成一步助行,为下一次助行做准备。
[0031]优选地,步骤2)中穿戴时,病人患侧大小腿分别通过大腿绑带和小腿绑带与外骨骼腿与大腿杆和小腿杆绑定,患侧脚穿入足底靴中,将支撑条压在患者腋下,肩带固定在患者肩部;左右两侧护板分别紧贴前胸和后背,并用带子扣紧。
[0032]优选地,步行过程中,装置重量分别由支撑杆及外骨骼腿轮流承担,助行前由支撑杆承担,助力行过程中,重量逐渐由支撑杆转移到外骨骼腿。
[0033]患侧腿无需承受装置及患者自身重量。
[0034] —种偏瘫患者专用下肢外骨骼上下楼梯的使用方法,包括下述步骤:
[0035] I)穿戴准备:患者跨坐长条凳上,外骨骼腿坐姿状态,大腿平放,小腿垂直,支撑杆置腋下,处直立收缩状态;
[0036] 2)患者自行穿戴:外骨骼腿绑定患腿,固定肩带,前胸后背通过左右两侧护板锁定;
[0037] 3)起立:健康腿后移与支撑杆平行,伸缩杆伸长,从腋下顶起患者身体,健康腿与支撑杆同步辅助人体站立,外骨骼腿后退与健康腿及支撑杆平齐;
[0038] 4)助行前,支撑杆与外骨骼腿处于并拢直立状态;
[0039] 5)上楼梯时,当控制器发出平地前行指令时,伸缩杆先伸长抬高患者腿部,外骨骼腿在髋关节、膝关节电机驱动下,模拟人体习惯将患侧腿向前抬起;健康侧腿助力使身体前倾,身体前倾过程中,支撑杆伸长辅助人体前倾、足底着地,并使外骨骼腿着地后逐渐直立;
[0040] 6)下楼梯时,当控制器发出平地前行指令时,伸缩杆先行缩短降低重心,外骨骼腿在髋关节、膝关节电机驱动下,模拟人体习惯将患侧腿向前抬起;健康侧腿助力使身体前倾,身体前倾过程中,支撑杆伸长辅助人体前倾、足底着地,并使外骨骼腿着地后逐渐直立;[0041 ] 7)最后,支撑杆收缩离地,在髋关节电机及支撑杆自身重力作用下,支撑杆向前与外骨骼腿并拢并重新处于垂直状态,支撑杆直立后,驱动电机使其再次伸长支撑地面,完成一步助行,为下一次助行做准备。
[0042] 一种偏瘫患者专用下肢外骨骼的稳定性验证方法,包括下述步骤:
[0043] I)利用三维采集定位系统,采集偏瘫患者健康侧腿部在旁人辅助下完成起坐、平地行走,上下楼动作的图像;
[0044] 2)通过ariel生物运行分析软件,获取髋、膝关节运动角度,角速度函数;关键点的运动轨迹及速度函数曲线;
[0045] 3)将髋、膝关节运动参数添加到模型对应部位,通过ADAMS软件仿真,求出髋、膝关节驱动电机的转角、转速、转矩参数;
[0046] 4)患者试穿本发明外骨骼样机,模拟人体几种模式动作,支撑杆伸缩电机由旁人根据助行需要手动控制;
[0047] 5)获取支撑杆驱动电机转角、转速与髋、膝关节电机转角、转速之间的函数关系;
[0048] 6)通过Solidworks建立外骨骼及人体模型导入ADAMS,设置相关约束及运动副;在各驱动电机输出轴添加已获取的运动参数进行仿真;
[0049] 7)仿真计算外骨骼及人体助行过程零力矩点ZMP轨迹,分析稳定裕度。
[0050]优选地,将步骤6)得到的各关节位置、速度、转矩参数,转化成各驱动电机控制数据存入控制器中,工作时,控制器根据这些数据,以及传感器反馈数据,通过控制策略,控制各驱动电机,实现所需的外骨骼动作。
[0051]本发明的髋关节、膝关节等传动结构参照现有双下肢助行外骨骼成熟的设计方案,关节驱动拟采用步进电机或伺服电机,通过齿轮减速,通过蜗轮蜗杆改变传动方向,带动大小腿运动。支撑杆伸缩由驱动电机通过丝杠螺母实现,再通过导向机械,实现无转动伸缩。
[0052]本发明设计了多重安全保护措施,一是机械运行极限位置设计,保证机构运动范围在人体允许范围内;二是通过相关部件的自锁性实现安全保护,如人体直立时,膝关节需保护性直立自锁。本项目通过选用具有自锁功能电机,并选用具有自锁功能的传动部件,如蜗轮蜗杆(当蜗杆的导程角小于啮合轮齿间的当量摩擦角时,具有自锁性)、螺纹(螺纹自锁条件为螺纹升角小于当量摩擦角)等。三是设置行程开关,通过电气联锁实现安全保障。四是软件上充分考虑各种可能出现的状况,实现安全容错保护。
[0053]本发明的步态稳定性验证及电机驱动参数设计结合进行
[0054] (I)步态验证,根据上述外骨骼结构及助行方式,根据零力矩点ZMP(Zero MomentPoint)方法进行步态稳定性分析,保证患者行进时的平衡稳定。
[0055] (2)将所需的步态要求,转化成各驱动电机所需控制参数。
[0056] (I)步态稳定性验证,零力矩点ZMP(Zero Moment Point)轨迹分析是步态稳定性判定常用方法。ZMP是下肢外骨骼所受的重力、惯性力和地面反作用力三者合力矢量的延长线与地面的交点。为了使下肢外骨骼稳定行走,应保持零力矩点(ZMP)—直在支撑脚(杆)所组成的凸形多边形的合理支撑区域内(稳定区域)。稳定区域是支撑脚掌或支撑杆所组成的凸形区域投影在水平面上的范围。
[0057]本项目利用人体运动图像三维采集定位系统,采集偏瘫患者健康侧腿部在旁人辅助下完成起坐、平地行走,上下楼等动作的图像;通过ariel生物运行分析软件获取各运行模式对应腿部运动参数。再将这些运动参数导入ADAMS建立的人体及外骨骼模型进行仿真,计算零力矩点ZMP轨迹,判断助行时的稳定性,分析步态的稳定裕度。
[0058] (2)驱动电机控制参数设计,将arieI运行分析软件获取的关节运动参数,导入ADAMS外骨骼模型,仿真计算髋、膝关节二驱动电机所需的转角、转速参数,以及二驱动电机之间联轴运动控制要求。为找出髋、膝驱动电机控制参数与支撑杆倾斜角度之间关系,让患者试穿外骨骼样机,在旁人辅助下完成各模式动作,支撑杆伸缩电机由旁人根据助行需要手动控制。获取支撑杆驱动电机转角、转速与髋、膝关节电机转角、转速之间的函数关系。
[0059]优点:利用a r i e I运行分析系统,分析患者正常腿部运动获取控制参数,有利于设计出符合患者习惯的动作。通过ZMP原则进行步态分析,提高步态稳定性;采用模拟仿真,省略复杂的数学建模,在保证仿真精度情况下,简化设计过程。
[0060]本发明相对现有技术的有益效果:第一,成本明显下降,因为它省略了一条下肢外骨骼,代之以简单的支撑杆;第二,可穿戴性好,现有双下肢外骨骼,患者身体腰部及以下均被外骨骼包裹,穿戴麻烦,也不太舒适;患者穿上后,感觉像变形金刚。本发明外骨骼,只需患侧大小腿绑定,再加上简单的胸部前后护板;患者穿戴本产品类似于拐杖,轻巧方便;第三,稳定性高,现有双下肢外骨骼;患者双腿均被外骨骼束缚,难以实现自主控制,行走时只有二个支点;而本发明外骨骼,充分发挥患者健康侧腿部作用,增加支撑杆,形成三点支撑结构,增加了行走稳定性,并有利于步态参数的调整;第四,患者负重减轻,现有双下肢结构外骨骼,电池及控制器大多安放在患者背部;一侧抬腿时,其重量通过髋关节传递到腰部,再通过腰部传递到另一侧外骨骼腿上,往往会引起腰部不适;本发明外骨骼,将电池及控制器等固定在支撑杆上,行走时,重量在外骨骼与支撑杆之间传递,腰部不承受装置重量。
附图说明
[0061]图1为本发明的结构示意图;
[0062]图2为本发明中外骨骼自行穿戴及辅助起立动作流程图;
[0063]图3为本发明中外骨骼平地助行动作流程图;
[0064]图4为本发明中机构传动设计图;
[0065]图5为本发明中步态稳定性验证及驱动电机控制参数设计图。
[0066]图中1.肩带,2.腋下支撑条,3.护板铰链,4.支撑杆,5.髋关节驱动电机,6.髋关节蜗轮蜗杆,7.控制器和电池,8.膝关节驱动电机,9.伸缩杆驱动电机,10.膝关节摆动杆,11.伸缩杆,12.足底靴,13.踝关节减振器,14.小腿绑带,15.小腿杆,16.膝关节,17.大腿杆,18.大腿绑带,19.髋关节,20.胸部护板,21.踝关节。
具体实施方式
[0067]下面结合附图对本发明作进一步详细的说明,但并不是对发明保护范围的限制。
[0068]如图1所示,一种偏瘫患者专用下肢外骨骼,包括单侧外骨骼腿、支撑杆机构、控制箱7和电源,单侧外骨骼腿包括大腿杆17、小腿杆15、足底靴12、连接在大腿杆17顶部的髋关节19、连接大腿杆17和小腿杆15的膝关节16以及连接小腿杆15和足底靴12的踝关节21,支撑杆结构包括支撑杆4和设置在支撑杆4底部的伸缩杆11,大腿杆17通过髋关节19与支撑杆4连接,支撑杆4上自上而下依次设有髋关节驱动电机5、膝关节驱动电机8和伸缩杆驱动电机9,髋关节驱动电机5通过髋关节蜗轮蜗杆6与髋关节19连接,膝关节驱动电机8通过膝关节蜗轮蜗杆和膝关节摆动杆10连接小腿杆15中部,踝关节21与膝关节16之间设有一踝关节减振器13,伸缩杆驱动电机9通过丝杠传动结构与伸缩杆11连接,电源设置在控制箱7内,控制箱7设置在支撑杆11上。小腿杆15上设有滑轨,膝关节摆动杆10底部通过一滑块连接在滑轨上,支撑杆11顶部设有腋下支撑条2,腋下支撑条2上设有肩带I。大腿杆17上设有大腿绑带18,小腿杆15上设有小腿绑带14,支撑杆11上部设有胸部护板20,胸部护板20分成左右两侧护板,左侧护板和右侧护板均通过护板铰链3与支撑杆11连接。踝关节减振器13为一减震杆,减震杆顶部铰接在膝关节16上,减震杆底部铰接在踝关节21上,控制箱7内设有实现髋关节、膝关节、支撑杆三驱动电机间协调控制的控制器,控制器具有3轴示教功能,即可记忆与再现三个电机的加减速曲线,方便患根据据自己的习惯,调整髋、膝、伸缩杆3个部件的动作规划,足底靴12和伸缩杆11上均安装有判断患者足底和伸缩杆是否着地的压力传感器,各驱动电机均配套安装旋转编码器,用于检测各关节运动位置和速度,以及支撑杆伸缩长度,所述支撑杆上安装倾斜角度传感器,检测支撑杆的角度变化,实现支撑杆与外骨骼腿关节的协调控制。
[0069]如图2所示,本产品可以让患者自己穿戴。穿戴时,患者先自行移动到一长条凳上,该长条凳可放在床边,患者可直接从床上挪动到凳上。长条凳方便患者跨坐其上,前后稳定性好。穿戴前,外骨骼直立放置在患腿一侧。自行穿戴及外骨骼辅助起立动作设计。
[0070]如图3所示,外骨骼平地助行动作。助行前,支撑杆与外骨骼腿处于并拢直立状态。当控制器发出平地前行指令时,外骨骼腿在髋关节、膝关节电机驱动下,模拟人体习惯将患侧腿向前抬起;健康侧腿助力使身体前倾;身体前倾过程中,支撑杆伸长辅助人体前倾、足底着地;并使外骨骼腿着地后逐渐直立;最后,支撑杆收缩离地,在髋关节电机及支撑杆自身重力作用下,支撑杆向前与外骨骼腿并拢并重新处于垂直状态。支撑杆直立后,驱动电机使其再次伸长支撑地面,完成一步助行,为下一次助行做准备。步行过程中,装置重量分别由支撑杆及外骨骼腿轮流承担。助行前由支撑杆承担,助力行过程中,重量逐渐由支撑杆转移到外骨骼腿。上楼梯动作时,伸缩杆先伸长抬高患者腿部,再迈脚,其余动作与平地助行类似,只是动作幅度轨迹稍有不同;下楼梯时,伸缩杆先行缩短降低重心再迈脚,其余动作与平地助行类似。上下楼梯详细动作设计在此不再详述。髋关节、膝关节、伸缩杆电机设有单独控制模式,让患者在特殊情况能自主调整控制方式及参数。
[0071] —种偏瘫患者专用下肢外骨骼平地上的使用方法,包括下述步骤:
[0072] I)穿戴准备:患者跨坐长条凳上,外骨骼腿坐姿状态,大腿平放,小腿垂直,支撑杆置腋下,处直立收缩状态;
[0073] 2)患者自行穿戴:外骨骼腿绑定患腿,固定肩带,前胸后背通过左右两侧护板锁定;
[0074] 3)起立:健康腿后移与支撑杆平行,伸缩杆伸长,从腋下顶起患者身体,健康腿与支撑杆同步辅助人体站立,外骨骼腿后退与健康腿及支撑杆平齐;
[0075] 4)助行前,支撑杆与外骨骼腿处于并拢直立状态;
[0076] 5)当控制器发出平地前行指令时,外骨骼腿在髋关节、膝关节电机驱动下,模拟人体习惯将患侧腿向前抬起;健康侧腿助力使身体前倾,身体前倾过程中,支撑杆伸长辅助人体前倾、足底着地,并使外骨骼腿着地后逐渐直立;
[0077] 6)最后,支撑杆收缩离地,在髋关节电机及支撑杆自身重力作用下,支撑杆向前与外骨骼腿并拢并重新处于垂直状态,支撑杆直立后,驱动电机使其再次伸长支撑地面,完成一步助行,为下一次助行做准备。
[0078]步骤2)中穿戴时,病人患侧大小腿分别通过大腿绑带和小腿绑带与外骨骼腿与大腿杆和小腿杆绑定,患侧脚穿入足底靴中,将支撑条压在患者腋下,肩带固定在患者肩部;左右两侧护板分别紧贴前胸和后背,并用带子扣紧。
[0079]步行过程中,装置重量分别由支撑杆及外骨骼腿轮流承担,助行前由支撑杆承担,助力行过程中,重量逐渐由支撑杆转移到外骨骼腿。
[0080] 一种偏瘫患者专用下肢外骨骼上下楼梯的使用方法,包括下述步骤:
[0081 ] I)穿戴准备:患者跨坐长条凳上,外骨骼腿坐姿状态,大腿平放,小腿垂直,支撑杆置腋下,处直立收缩状态;
[0082] 2)患者自行穿戴:外骨骼腿绑定患腿,固定肩带,前胸后背通过左右两侧护板锁定;
[0083] 3)健康腿后移与支撑杆平行,伸缩杆伸长,从腋下顶起患者身体,健康腿与支撑杆同步辅助人体站立,外骨骼腿后退与健康腿及支撑杆平齐;
[0084] 4)助行前,支撑杆与外骨骼腿处于并拢直立状态;
[0085] 5)上楼梯时,当控制器发出平地前行指令时,伸缩杆先伸长抬高患者腿部,外骨骼腿在髋关节、膝关节电机驱动下,模拟人体习惯将患侧腿向前抬起;健康侧腿助力使身体前倾,身体前倾过程中,支撑杆伸长辅助人体前倾、足底着地,并使外骨骼腿着地后逐渐直立;
[0086] 6)下楼梯时,当控制器发出平地前行指令时,伸缩杆行先缩短降低重心,外骨骼腿在髋关节、膝关节电机驱动下,模拟人体习惯将患侧腿向前抬起;健康侧腿助力使身体前倾,身体前倾过程中,支撑杆伸长辅助人体前倾、足底着地,并使外骨骼腿着地后逐渐直立;
[0087] 7)最后,支撑杆收缩离地,在髋关节电机及支撑杆自身重力作用下,支撑杆向前与外骨骼腿并拢并重新处于垂直状态,支撑杆直立后,驱动电机使其再次伸长支撑地面,完成一步助行,为下一次助行做准备。
[0088]本发明的髋关节、膝关节等传动结构可参照现有双下肢助行外骨骼成熟的设计方案。如图4所示,本发明的关节驱动拟采用步进电机或伺服电机,通过齿轮减速,通过蜗轮蜗杆改变传动方向,带动大小腿运动。支撑杆伸缩由驱动电机通过丝杠螺母实现,再通过导向机械,实现无转动伸缩。
[0089]本发明的安全保护设计,安全性是该产品首要目标,为此,该产品设计了多重安全保护措施。一是机械运行极限位置设计,保证机构运动范围在人体允许范围内;二是通过相关部件的自锁性实现安全保护,如人体直立时,膝关节需保护性直立自锁。本项目通过选用具有自锁功能电机,并选用具有自锁功能的传动部件,如蜗轮蜗杆(当蜗杆的导程角小于啮合轮齿间的当量摩擦角时,具有自锁性)、螺纹(螺纹自锁条件为螺纹升角小于当量摩擦角)等。三是设置行程开关,通过电气联锁实现安全保障。四是软件上充分考虑各种可能出现的状况,实现安全容错保护。
[°09°] 如图5所示,本发明的步态稳定性验证,零力矩点ZMP(Zero Moment Point)轨迹分析是步态稳定性判定常用方法。ZMP是下肢外骨骼所受的重力、惯性力和地面反作用力三者合力矢量的延长线与地面的交点。为了使下肢外骨骼稳定行走,应保持零力矩点(ZMP)—直在支撑脚(杆)所组成的凸形多边形的合理支撑区域内(稳定区域)。稳定区域是支撑脚掌或支撑杆所组成的凸形区域投影在水平面上的范围。
[0091 ]本项目利用人体运动图像三维采集定位系统,采集偏瘫患者健康侧腿部在旁人辅助下完成起坐、平地行走,上下楼等动作的图像;通过ariel生物运行分析软件获取各运行模式对应腿部运动参数。再将这些运动参数导入ADAMS建立的人体及外骨骼模型进行仿真,计算零力矩点ZMP轨迹,判断助行时的稳定性,分析步态的稳定裕度。
[0092] (2)驱动电机控制参数设计,将arie I运行分析软件获取的关节运动参数,导入ADAMS外骨骼模型,仿真计算髋、膝关节二驱动电机所需的转角、转速参数,以及二驱动电机之间联轴运动控制要求。为找出髋、膝驱动电机控制参数与支撑杆倾斜角度之间关系,让患者试穿外骨骼样机,在旁人辅助下完成各模式动作,支撑杆伸缩电机由旁人根据助行需要手动控制。获取支撑杆驱动电机转角、转速与髋、膝关节电机转角、转速之间的函数关系。
[O O9 3 ]优点:利用a r i e I运行分析系统,分析患者正常腿部运动获取控制参数,有利于设计出符合患者习惯的动作。通过ZMP原则进行步态分析,提高步态稳定性;采用模拟仿真,省略复杂的数学建模,在保证仿真精度情况下,简化设计过程。
[0094] 一种偏瘫患者专用下肢外骨骼的稳定性验证方法,包括下述步骤:
[0095] I)利用三维采集定位系统,采集偏瘫患者健康侧腿部在旁人辅助下完成起坐、平地行走,上下楼动作的图像;
[0096] 2)通过ariel生物运行分析软件,获取髋、膝关节运动角度,角速度函数;关键点的运动轨迹及速度函数曲线;
[0097] 3)将髋、膝关节运动参数添加到模型对应部位,通过ADAMS软件仿真,求出髋、膝关节驱动电机的转角、转速、转矩参数;
[0098] 4)患者试穿本项目外骨骼样机,模拟人体几种模式动作,支撑杆伸缩电机由旁人根据助行需要手动控制;
[0099] 5)获取支撑杆驱动电机转角、转速与髋、膝关节电机转角、转速之间的函数关系;
[0100] 6)通过Solidworks建立外骨骼及人体模型导入ADAMS,设置相关约束及运动副;在各驱动电机输出轴添加已获取的运动参数进行仿真;
[0101] 7)仿真计算外骨骼及人体助行过程零力矩点ZMP轨迹,分析稳定裕度。
[0102]将步骤6)得到的各关节位置、速度、转矩参数,转化成各驱动电机控制数据存入控制器中,工作时,控制器根据这些数据,以及传感器反馈数据,通过控制策略,控制各驱动电机,实现所需的外骨骼动作。
[0103]本发明的控制系统设计
[0104] (I)本装置以合作企业自主研发的控制器为核心,实现髋关节、膝关节、支撑杆三驱动电机间的协调控制。
[0105]该控制器具有3轴示教功能,即可记忆与再现三个电机的加减速曲线。据此,方便患者的根据自己的习惯,调整髋、膝、伸缩杆3个部件的动作规划。
[0106] (2)本装置设置下列检测装置,在外骨骼足底、伸缩杆上安装压力传感器,判断患者足底和伸缩杆是否着地。各驱动电机均配套安装旋转编码器,用于检测各关节运动位置和速度,以及支撑杆伸缩长度。在支撑杆上安装倾斜角度传感器,检测支撑杆的角度变化,实现支撑杆与外骨骼腿关节的协调控制。
[0107] (3)将步骤6得到的各关节位置、速度、转矩参数,转化成各驱动电机控制数据存入控制器中。工作时,控制器根据这些数据,以及传感器反馈数据,通过一定的控制策略,控制各驱动电机,实现所需的外骨骼动作。
[0108]本发明中提到的骨骼为人造骨骼结构,其中提到的关节都为人造类关节结构。

Claims (5)

1.一种偏瘫患者专用下肢外骨骼,包括单侧外骨骼腿、支撑杆机构、控制器和电池,其特征在于:所述单侧外骨骼腿包括大腿杆、小腿杆、足底靴、连接在大腿杆顶部的髋关节、连接大腿杆和小腿杆的膝关节以及连接小腿杆和足底靴的踝关节,所述支撑杆机构包括支撑杆和设置在支撑杆底部的伸缩杆,所述大腿杆通过髋关节与支撑杆连接,所述支撑杆上自上而下依次设有髋关节驱动电机、膝关节驱动电机和伸缩杆驱动电机,所述髋关节驱动电机通过髋关节蜗轮蜗杆与髋关节连接,所述膝关节驱动电机通过膝关节蜗轮蜗杆和膝关节摆动杆连接小腿杆中部,所述小腿杆和足底靴之间设有一踝关节减振器,所述伸缩杆驱动电机通过丝杠传动结构与伸缩杆连接,所述控制器和电池设置在支撑杆上,所述踝关节减振器为一减震杆,所述减震杆顶部铰接在膝关节上,减震杆底部铰接在踝关节上,控制箱内设有实现髋关节、膝关节、支撑杆三驱动电机间协调控制的控制器,所述控制器具有3轴示教功能,即可记忆与再现三个电机的加减速曲线,方便患者根据自己的习惯,调整髋、膝、伸缩杆3个部件的动作规划,所述足底靴和伸缩杆上均安装有判断患者足底和伸缩杆是否着地的压力传感器,各驱动电机均配套安装旋转编码器,用于检测各关节运动位置和速度以及支撑杆伸缩长度,所述支撑杆上安装倾斜角度传感器,检测支撑杆的角度变化,实现支撑杆与外骨骼腿关节的协调控制。
2.根据权利要求1所述的一种偏瘫患者专用下肢外骨骼,其特征在于:所述小腿杆上设有滑轨,所述膝关节摆动杆底部通过一滑块连接在滑轨上,所述支撑杆顶部设有腋下支撑条,所述腋下支撑条上设有肩带。
3.根据权利要求2所述的一种偏瘫患者专用下肢外骨骼,其特征在于:所述大腿杆上设有大腿绑带,所述小腿杆上设有小腿绑带,所述支撑杆上部设有胸部护板,所述胸部护板分成左右两侧护板,左侧护板和右侧护板均通过护板铰链与支撑杆连接,所述大腿杆、小腿杆、伸缩杆上均设置长度调节装置。
4.根据权利要求3所述的一种偏瘫患者专用下肢外骨骼的稳定性验证方法,其特征在于:其包括下述步骤: 1)利用三维采集定位系统,采集偏瘫患者健康侧腿部在旁人辅助下完成起坐、平地行走,上下楼动作的图像; 2)通过ariel生物运行分析软件,获取髋、膝关节运动角度,角速度函数,关键点的运动轨迹及速度函数曲线; 3)将髋、膝关节运动参数添加到模型对应部位,通过ADAMS软件仿真,求出髋、膝关节驱动电机的转角、转速、转矩参数; 4)患者试穿外骨骼样机,模拟人体几种模式动作,支撑杆伸缩电机由旁人根据助行需要手动控制; 5)获取支撑杆驱动电机转角、转速与髋、膝关节电机转角、转速之间的函数关系; 6)通过Solidworks建立外骨骼及人体模型导入ADAMS,设置相关约束及运动副;在各驱动电机输出轴添加已获取的运动参数进行仿真; 7)仿真计算外骨骼及人体助行过程零力矩点ZMP轨迹,分析稳定裕度。
5.根据权利要求4所述的一种偏瘫患者专用下肢外骨骼的稳定性验证方法,其特征在于:将步骤2)得到的各关节位置、速度、转矩参数,转化成各驱动电机控制数据存入控制器中,工作时,控制器根据这些数据以及传感器反馈数据,通过控制策略,控制各驱动电机,实现所需的外骨骼动作。
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