CN110897834A - 一种适用于脑瘫患儿步态训练的可调节下肢外骨骼装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种适用于脑瘫患儿步态训练的可调节下肢外骨骼装置，该装置包含可调节的腰部固定机构、髋限位转动关节、三节滑动式可调节大腿机构、膝限位转动关节、二节滑动式可调节小腿机构、踝限位转动关节和足底支撑机构。腰部固定机构由可调节的半环状结构，前后调节和上下调节机构、髋被动外展运动关节组成；髋关节、膝关节和踝关节都是主动限位转动关节，能限制对应关节在一定角度内转动；大腿和小腿机构采用滑动式可调节机构，可调节相应部位的长度。本发明采用双侧对称结构，可根据康复训练要求进行单关节或多关节的协同训练，能适应脑瘫儿童步态康复训练需求，提高康复训练效果。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术应用领域，具体涉及一种适用于脑瘫患儿步态训练的可调节下肢外骨骼装置。
背景技术
下肢外骨骼机器人是一种可穿戴的机械装置，能够辅助下肢肢体运动功能障碍患者部分恢复行走能力。下肢外骨骼机器人通常包括多个可旋转的主动或被动关节，分别对应人体下肢髋关节、膝关节和踝关节，通过动力装置提供主动的关节运动力，辅助带动穿戴者的下肢运动。
目前外骨骼机器人主要用于脊髓损伤或脑卒中引起的偏瘫或全瘫患者的辅助行走，但结构较为复杂，自由度较多，需额外的平衡措施；多采用固定结构，主要用于个体化定制。临床上认为脑瘫患儿应尽早进行步态康复训练，重复的、持续的、精确的步态训练有助于提高康复效果，步态训练更应注重下肢运动协调性的训练。然而由于脑瘫儿童个体体型差异大，康复训练需求也各不同，常用的下肢外骨骼辅助设备并不适用于脑瘫患儿的步态康复训练。
临床上用于步态训练的下肢外骨骼辅助设备应能适应不同年龄的脑瘫患儿的体格；应能根据脑瘫患儿康复训练的要求，提供不同的训练模式，可单独或协同训练患儿的髋、膝和踝关节运动的协调性；应能与下肢矫形器配合使用，限制关节异常运动，协助控制肌肉痉挛；应能与减重装置配合使用，满足患儿前期康复训练的需求。
发明内容
本发明目的在于针对脑瘫儿童步态康复训练需求，提供了一种适用于脑瘫患儿步态训练的可调节下肢外骨骼装置。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种适用于脑瘫患儿步态训练的可调节下肢外骨骼装置，包括腰部固定机构、髋限位转动关节、大腿机构、膝限位转动关节、小腿机构、踝限位转动关节以及足底支撑机构；所述腰部固定机构的一端与髋限位转动关节固定连接；所述的髋限位转动关节的另一端通过大腿机构与膝限位转动关节的一端连接；所述的膝限位转动关节的另一端通过小腿机构与踝限位转动关节的一端连接；所述的踝限位转动关节的底部与足底支撑机构连接；其中，所述的髋限位转动关节、大腿机构、膝限位转动关节、小腿机构、踝限位转动关节以及足底支撑机构均设有两个，沿所述腰部固定机构的两侧对称设置；
所述的腰部固定机构包括固定调节板、两个连接杆、横断面调节杆、矢状面调节杆、髋外展关节和下连接板；所述固定调节板与两个连接杆的内侧部通过槽孔连接形成半环状结构，连接杆的外侧部与横断面调节杆通过槽孔连接，横断面调节杆的的下部通过槽孔与矢状面调节杆连接，矢状面调节杆的侧面固定连接有髋外展关节，髋外展关节的底部设有下连接板；
所述的髋限位转动关节包括髋关节驱动单元、髋关节伞齿转向单元、髋关节半内齿轮环传动单元以及髋关节转动单元，所述髋关节驱动单元的输出端与髋关节伞齿转向单元的一端连接，髋关节伞齿转向单元的另一端与髋关节半内齿轮环传动单元连接，髋关节半内齿轮环传动单元与髋关节转动单元连接，髋关节转动单元与大腿机构的上端固定连接，所述髋关节半内齿轮环传动单元还与所述下连接板固定连接；
所述的膝限位转动关节包括膝关节驱动单元、膝关节伞齿转向单元、膝关节半内齿轮环传动单元以及膝关节转动单元，所述膝关节驱动单元的输出端与膝关节伞齿转向单元的一端连接，膝关节伞齿转向单元的另一端与膝关节半内齿轮环传动单元连接，膝关节半内齿轮环传动单元与膝关节转动单元连接，膝关节转动单元与大腿机构的下端连接，所述膝关节半内齿轮环传动单元还与所述小腿机构的上端固定连接；
所述的踝限位转动关节包括踝关节驱动单元、踝关节伞齿转向单元、踝关节半内齿轮环传动单元以及踝关节转动单元，所述踝关节驱动单元的输出端与踝关节伞齿转向单元的一端连接，踝关节伞齿转向单元的另一端与踝关节半内齿轮环传动单元连接，踝关节半内齿轮环传动单元与踝关节转动单元连接，踝关节转动单元与小腿机构的下端连接，所述踝关节半内齿轮环传动单元还与足底支撑机构固定连接。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的髋外展关节为被动运动关节，由上连接支架、下连接支架、转轴、限位弹簧、轴承以及卡簧组成；所述的上连接支架与矢状面调节杆的侧面固定，上连接支架与下连接支架的连接部位为同心的半圆结构，所述的转轴穿过半圆结构上的同心孔将上连接支架与下连接支架连接，转轴的两端通过轴承以及卡簧与上连接支架固定，所述的限位弹簧套接在转轴上并位于上连接支架和下连接支架之间，所述的下连接支架底部与下连接板固定连接；所述的上连接支架和下连接支架由所述限位弹簧限制在与腰部固定机构侧面平行的位置，在外力带动下沿所述转轴旋转一定角度。
上述的大腿机构采用三节滑动式可调节机构，由大腿连接板、大腿上板和大腿下板构成；所述大腿连接板上设有第一滑槽，所述的大腿上板和大腿下板可在第一滑槽里滑动，大腿连接板的侧面设有上下两组第一连续螺孔，分别用于与大腿上板和大腿下板的固定；所述大腿连接板侧面还设有第一连接孔，所述第一连接孔采用长方形孔，用于安装固定绑带或塑料材质的下肢矫形器；所述的小腿机构采用二节滑动式可调节连杆结构，包括小腿上板和小腿下板；所述小腿上板上设有第二滑槽，所述的小腿下板可在第二滑槽里滑动，小腿上板侧面设有第二连续螺孔，用于小腿下板的固定；所述小腿上板的侧面还设有第二连接孔，所述第二连接孔采用长方形孔，用于安装固定绑带或塑料材质的下肢矫形器。
上述的髋限位转动关节中，髋关节驱动单元由伺服电机A和电机支架A组成；髋关节伞齿转向单元由纵轴锥齿轮A、横轴锥齿轮A和固定销A组成；髋关节半内齿轮环传动单元由旋转轴A、第一轴承A、卡簧A、齿轮A、增强连接块A、半内齿轮环A和髋关节腔组成；髋关节转动单元由髋关节运动板、第二轴承A、固定螺母A和固定螺丝A组成；其中，所述伺服电机A通过电机支架A固定在大腿上板的一侧，伺服电机A的输出轴与纵轴锥齿轮A连接，横轴锥齿轮A通过固定销A固定在旋转轴A上，所述的横轴锥齿轮A与纵轴锥齿轮A相啮合，将伺服电机A输出轴的转动转变为沿旋转轴A的转动；所述增强连接块A通过螺栓与大腿上板固定连接，并通过轴承A和卡簧A固定在旋转轴A上，带动大腿上板沿所述旋转轴A自由旋转；大腿上板的另一侧设有髋关节腔，所述的髋关节腔顶部与下连接板固定连接，髋关节腔内部安装有半内齿轮环A，所述的半内齿轮环A与齿轮A相啮合，所述的齿轮A固定在旋转轴A上，将旋转轴A的转动变为髋关节腔和大腿上板之间的角度运动；所述的髋关节运动板通过第二轴承A、固定螺母A和固定螺丝A与髋关节腔固定连接，可与髋关节腔同轴旋转，髋关节运动板下端与大腿上板固定连接。
上述的半内齿轮环A采用角度为162°的半圆环，限制所述髋限位转动关节的最大旋转角度不超过120°。
上述的膝限位转动关节中，膝关节驱动单元由伺服电机B和电机支架B组成；膝关节伞齿转向单元由纵轴锥齿轮B、横轴锥齿轮B和固定销B组成；膝关节半内齿轮环传动单元由旋转轴B、第一轴承B、卡簧B、齿轮B、增强连接块B、半内齿轮环B和膝关节腔组成；膝关节转动单元由膝关节运动板、第二轴承B、固定螺母B和固定螺丝B组成；其中，所述伺服电机B通过电机支架B固定在大腿下板的一侧，伺服电机B的输出轴与纵轴锥齿轮B连接，横轴锥齿轮B通过固定销B固定在旋转轴B上，所述的横轴锥齿轮B与纵轴锥齿轮B相啮合，将伺服电机B输出轴的转动转变为沿旋转轴B的转动；所述增强连接块B通过螺栓与大腿下板固定连接，并通过轴承B和卡簧B固定在旋转轴B上，带动大腿下板沿所述旋转轴B自由旋转；大腿下板的另一侧设有膝关节腔，所述的膝关节腔与小腿上板一体成型，膝关节腔内部安装有半内齿轮环B，所述的半内齿轮环B与齿轮B相啮合，所述的齿轮B固定在旋转轴B上，将旋转轴B的转动变为膝关节腔和大腿下板之间的角度运动；所述的膝关节运动板通过第二轴承B、固定螺母B和固定螺丝B与膝关节腔固定连接，可与膝关节腔同轴旋转，膝关节运动板上端与大腿下板固定连接。
上述的半内齿轮环B采用角度为150°的半圆环，限制所述膝限位转动关节的最大旋转角度不超过120°。
上述的踝限位转动关节中，踝关节驱动单元由伺服电机C和电机支架C组成；踝关节伞齿转向单元由纵轴锥齿轮C、横轴锥齿轮C和固定销C组成；踝关节半内齿轮环传动单元由旋转轴C、第一轴承C、卡簧C、齿轮C、增强连接块C、半内齿轮环C和踝关节腔组成；踝关节转动单元由踝关节运动板、第二轴承C、固定螺母C和固定螺丝C组成；其中，所述伺服电机C通过电机支架C固定在小腿下板的一侧，伺服电机C的输出轴与纵轴锥齿轮C连接，横轴锥齿轮C通过固定销C固定在旋转轴C上，所述的横轴锥齿轮C与纵轴锥齿轮C相啮合，将伺服电机C输出轴的转动转变为沿旋转轴C的转动；所述增强连接块C通过螺栓与小腿下板固定连接，并通过轴承C和卡簧C固定在旋转轴C上，带动小腿下板沿所述旋转轴C自由旋转；小腿下板的另一侧设有踝关节腔，所述的踝关节腔的底部与足底支撑机构固定连接，踝关节腔内部安装有半内齿轮环C，所述的半内齿轮环C与齿轮C相啮合，所述的齿轮C固定在旋转轴C上，将旋转轴C的转动变为踝关节腔和小腿下板之间的角度运动；所述的踝关节运动板通过第二轴承C、固定螺母C和固定螺丝C与踝关节腔固定连接，可与踝关节腔同轴旋转，踝关节运动板上端与小腿下板固定连接。
上述的半内齿轮环B采用角度为60°的半圆环，限制所述踝限位转动关节的最大旋转角度不超过45°。
上述的足底支撑机构包括托板、第一限位板和第二限位板，所述的第一限位板和第二限位板固定设于托板的两侧；其中，所述的第一限位板上设有多组调节孔，通过所述调节孔与踝关节腔固定连接；所述的第二限位板上设有长方形开孔，用于安装固定绑带。
本发明的有益效果在于：
1、本发明的腰部固定机构由可调节的半环状结构、前后调节和上下调节机构、髋被动外展运动关节组成；髋关节、膝关节和踝关节都是主动限位转动关节，能限制对应关节在一定角度内转动；大腿和小腿机构采用滑动式可调节机构，可调节相应部位的长度，适应不同脑瘫患儿个体的体格；采用双侧对称结构，分别具有髋关节、膝关节和踝关节三个独立的主动关节，可根据康复训练要求进行单关节或多关节的协同训练。
2、本发明采用限定部分关节的自由度的方式，选择了髋关节一个主动旋转运动副和一个被动旋转运动副，膝关节一个主动旋转运动副，踝关节主动一个旋转运动副，更加适合身体协调性和稳定性较差的脑瘫患儿使用。
3、本发明可使用基于参考轨迹追踪算法的标准步态驱动方式的全被动步态康复训练，也可使用基于特异性肌肉骨骼模型和人机交互信息的主动康复训练，提供符合康复训练要求的多种康复模式，提高康复训练效果。
附图说明
图1是本发明的立体外观图。
图2是本发明的腰部固定机构正面的立体外观图。
图3是本发明的腰部固定机构背侧面立体外观图。
图4是本发明的腰部固定机构的元件分解图。
图5是本发明的髋限位转动关节的立体外观图。
图6是本发明的髋限位转动关节的元件分解图。
图7是本发明的三节滑动式可调节大腿机构的元件分解图。
图8是本发明的膝限位转动关节的元件分解图。
图9是本发明的二节滑动式可调节小腿机构的元件分解图。
图10是本发明的踝限位转动关节的元件分解图。
图11是本发明的足底支撑机构的立体外观图。
图12是本发明装置的穿戴示意图。
图13是本发明步态训练中一个单步的变化周期示意图。
图14是本发明与减重机构配合使用示意图。
图中序号，1-腰部固定机构、2-髋限位转动关节、3-大腿机构，4-膝限位转动关节，5-小腿机构，6-踝限位转动关节，7-足底支撑机构，101-固定调节板、102-连接杆、103-横断面调节杆、104-矢状面调节杆、105-上连接支架、106-下连接支架、107-转轴、108-限位弹簧、109-下连接板、110-轴承、111-卡簧、201-伺服电机A、202-电机支架A、203-纵轴锥齿轮A、204-横轴锥齿轮A、205-固定销A、206-旋转轴A、207-第一轴承A、208-卡簧A、209-齿轮A、210-增强连接块A、211-半内齿轮环A、212-固定螺母A、213-髋关节腔、214-髋关节运动板、215-第二轴承A、216-固定螺丝A、301-大腿连接板、302-大腿上板、303-大腿下板、304-第一连接孔、305-第一滑槽、306-第一连续螺孔、401-伺服电机B、402-电机支架B、403-纵轴锥齿轮B、404-固定销B、405-横轴锥齿轮B、406-旋转轴B、407-第一轴承B、408-卡簧B、409-齿轮B、410-增强连接块B、411-半内齿轮环B、412-固定螺母B、413-膝关节腔、414-膝关节运动板、415-第二轴承B、416-固定螺丝B、501-小腿下板、502-第二连接孔、503-第二滑槽、504-第二连续螺孔、506-小腿上板、601-伺服电机C、602-电机支架C、603-纵轴锥齿轮C、604-固定销C、605-横轴锥齿轮C、606-旋转轴C、607-第一轴承C、608-卡簧C、609-齿轮C、610-增强连接块C、611-半内齿轮环C、612-固定螺母C、613-踝关节腔、614-踝关节运动板、615-第二轴承C、616-固定螺丝C、701-第一限位板、702-调节孔、703-长方形开孔、704-第二限位板、705-托板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
参见图1所示的一种适用于脑瘫患儿步态训练的可调节下肢外骨骼装置，包括腰部固定机构1、髋限位转动关节2、大腿机构3、膝限位转动关节4、小腿机构5、踝限位转动关节6以及足底支撑机构7；所述腰部固定机构1的一端与髋限位转动关节2固定连接；所述的髋限位转动关节2的另一端通过大腿机构3与膝限位转动关节4的一端连接；所述的膝限位转动关节4的另一端通过小腿机构5与踝限位转动关节6的一端连接；所述的踝限位转动关节6的底部与足底支撑机构7连接；其中，所述的髋限位转动关节2、大腿机构3、膝限位转动关节4、小腿机构5、踝限位转动关节6以及足底支撑机构7均设有两个，沿所述腰部固定机构1的两侧对称设置；
参见图2-3，所述的腰部固定机构1用于将外骨骼装置固定在患者腰部，能根据患者的腰围调节长度；具有矢状面和横断面两个方向的长度调节装置，可调整对准髋关节位置；具有一个被动的髋外展关节，可在矢状面调整外骨骼装置其他部件的旋转角度；具有与减重装置相连接的接口，可安装在配套的减重装置上；其中，所述的腰部固定机构1包括固定调节板101、两个连接杆102、横断面调节杆103、矢状面调节杆104、髋外展关节和下连接板109；所述固定调节板101与两个连接杆102的内侧部通过槽孔连接形成半环状结构，与内衬垫、搭扣共同组成固定腰带，可根据患者的腰围调节腰部结构的环状尺寸，连接杆102的外侧部与横断面调节杆103通过槽孔连接，可调节外骨骼装置的髋关节的前后位置，固定调节板101中部还有四个连接孔，用于和悬梁臂式减重机构连接，横断面调节杆103的下部通过槽孔与矢状面调节杆104连接，可调节外骨骼装置的髋关节的上下位置，矢状面调节杆104的侧面固定连接有髋外展关节，髋外展关节的底部设有下连接板109；
本实施例中，所述髋限位转动关节2、膝限位转动关节4和踝限位转动关节6具有相似的结构；其中，所述的髋限位转动关节2包括髋关节驱动单元、髋关节伞齿转向单元、髋关节半内齿轮环传动单元以及髋关节转动单元，所述髋关节驱动单元的输出端与髋关节伞齿转向单元的一端连接，髋关节伞齿转向单元的另一端与髋关节半内齿轮环传动单元连接，髋关节半内齿轮环传动单元与髋关节转动单元连接，髋关节转动单元与大腿机构3的上端固定连接，所述髋关节半内齿轮环传动单元还与所述下连接板109固定连接；所述的膝限位转动关节4包括膝关节驱动单元、膝关节伞齿转向单元、膝关节半内齿轮环传动单元以及膝关节转动单元，所述膝关节驱动单元的输出端与膝关节伞齿转向单元的一端连接，膝关节伞齿转向单元的另一端与膝关节半内齿轮环传动单元连接，膝关节半内齿轮环传动单元与膝关节转动单元连接，膝关节转动单元与大腿机构3的下端连接，所述膝关节半内齿轮环传动单元还与所述小腿机构5的上端固定连接；所述的踝限位转动关节6包括踝关节驱动单元、踝关节伞齿转向单元、踝关节半内齿轮环传动单元以及踝关节转动单元，所述踝关节驱动单元的输出端与踝关节伞齿转向单元的一端连接，踝关节伞齿转向单元的另一端与踝关节半内齿轮环传动单元连接，踝关节半内齿轮环传动单元与踝关节转动单元连接，踝关节转动单元与小腿机构5的下端连接，所述踝关节半内齿轮环传动单元还与足底支撑机构7固定连接。
参见图4，本实施例中，所述髋外展关节为被动运动关节，由上连接支架105、下连接支架106、转轴107、限位弹簧108、轴承110以及卡簧111组成；所述的上连接支架105与矢状面调节杆104的侧面固定，上连接支架105与下连接支架106的连接部位为同心的半圆结构，所述的转轴穿过半圆结构上的同心孔将上连接支架105与下连接支架106连接，转轴107的两端通过轴承110以及卡簧111与上连接支架105固定，半圆连接结构外侧为非对称的限位挡块，允许一定角度的旋转；所述的限位弹簧108套接在转轴107上并位于上连接支架105和下连接支架106之间，所述的下连接支架106底部与下连接板109固定连接；所述的上连接支架105和下连接支架106由所述限位弹簧108限制在与腰部固定机构1侧面平行的位置，在外力带动下沿所述转轴107旋转一定角度，患者在步态训练中通过腿部带动髋外展关节的上连接支架105、下连接支架106沿转轴107旋转一定的角度，辅助形成自然步态。
参见图7和图9，本实施例中，所述的大腿机构3采用三节滑动式可调节机构，由大腿连接板301、大腿上板302和大腿下板303构成；所述大腿连接板301上设有第一滑槽305，所述的大腿上板302和大腿下板303可在第一滑槽305里滑动，大腿连接板301的侧面设有上下两组第一连续螺孔306，分别用于与大腿上板302和大腿下板303的固定，通过固定在不同的位置可以调节大腿机构的实际长度；所述大腿连接板301侧面还设有第一连接孔304，所述第一连接孔304采用长方形孔，用于安装固定绑带或塑料材质的下肢矫形器；所述的小腿机构5采用二节滑动式可调节连杆结构，包括小腿上板506和小腿下板501；所述小腿上板506上设有第二滑槽503，所述的小腿下板501可在第二滑槽503里滑动，小腿上板506侧面设有第二连续螺孔504，用于小腿下板501的固定，通过固定在不同的位置可以调节小腿机构的实际长度；所述小腿上板506的侧面还设有第二连接孔502，所述第二连接孔502采用长方形孔，用于安装固定绑带或塑料材质的下肢矫形器。
参见图5和图6，所述的髋限位转动关节中，髋关节驱动单元由伺服电机A201和电机支架A202组成，所述的伺服电机A201采用RE35 90W型号，内部包含编码器和减速器；髋关节伞齿转向单元由纵轴锥齿轮A203、横轴锥齿轮A204和固定销A205组成；髋关节半内齿轮环传动单元由旋转轴A206、第一轴承A207、卡簧A208、齿轮A209、增强连接块A210、半内齿轮环A211和髋关节腔213组成；髋关节转动单元由髋关节运动板214、第二轴承A215、固定螺母A212和固定螺丝A216组成；其中，所述伺服电机A201通过电机支架A202固定在大腿上板302的一侧，伺服电机A201的输出轴与纵轴锥齿轮A203连接，横轴锥齿轮A204通过固定销A205固定在旋转轴A206上，所述的横轴锥齿轮A204与纵轴锥齿轮A203相啮合，纵轴锥齿轮A203的横轴锥齿轮A204的齿轮传动比为1:2，将伺服电机A201输出轴的转动转变为沿旋转轴A206的转动，并将旋转轴A206的转速降低至电机转速的一半；所述增强连接块A210通过螺栓与大腿上板302固定连接，并通过轴承A207和卡簧A208固定在旋转轴A206上，带动大腿上板302沿所述旋转轴A206自由旋转；大腿上板302的另一侧设有髋关节腔213，所述的髋关节腔213顶部与下连接板109固定连接，髋关节腔213内部为一个空腔，内部安装有半内齿轮环A211，所述的半内齿轮环A211与齿轮A209相啮合，传动比为1:2，所述的齿轮A209固定在旋转轴A206上，将旋转轴A206的转动变为髋关节腔213和大腿上板302之间的角度运动，优选的，所述的半内齿轮环A211采用角度为162°的半圆环，限制所述髋限位转动关节2的最大旋转角度不超过120°；所述的髋关节运动板214通过第二轴承A215、固定螺母A212和固定螺丝A216与髋关节腔213固定连接，可与髋关节腔213同轴旋转，髋关节运动板214下端与大腿上板302固定连接，使得髋关节运动板214、大腿上板302和髋关节腔213形成了稳定的旋转运动机构。
参见图8，本实施例中的膝限位转动关节中，膝关节驱动单元由伺服电机B401和电机支架B402组成，所述的伺服电机B401采用RE35 90W型号，内部包含编码器和减速器；膝关节伞齿转向单元由纵轴锥齿轮B403、横轴锥齿轮B405和固定销B404组成；膝关节半内齿轮环传动单元由旋转轴B406、第一轴承B407、卡簧B408、齿轮B409、增强连接块B410、半内齿轮环B411和膝关节腔413组成；膝关节转动单元由膝关节运动板414、第二轴承B415、固定螺母B412和固定螺丝B416组成；其中，所述伺服电机B401通过电机支架B402固定在大腿下板303的一侧，伺服电机B401的输出轴与纵轴锥齿轮B403连接，横轴锥齿轮B405通过固定销B404固定在旋转轴B406上，所述的横轴锥齿轮B405与纵轴锥齿轮B403相啮合，纵轴锥齿轮B403的横轴锥齿轮B4054的齿轮传动比为1:2，将伺服电机B401输出轴的转动转变为沿旋转轴B406的转动，并将旋转轴B406的转速降低至电机转速的一半；所述增强连接块B410通过螺栓与大腿下板303固定连接，并通过轴承B407和卡簧B408固定在旋转轴B406上，带动大腿下板303沿所述旋转轴B406自由旋转；大腿下板303的另一侧设有膝关节腔413，所述的膝关节腔413与小腿上板506一体成型，膝关节腔413内部具有一个空腔，安装有半内齿轮环B411，所述的半内齿轮环B411与齿轮B409相啮合，传动比为1:2，所述的齿轮B409固定在旋转轴B406上，将旋转轴B406的转动变为膝关节腔413和大腿下板303之间的角度运动，优选的，所述的半内齿轮环B411采用角度为150°的半圆环，限制所述膝限位转动关节4的最大旋转角度不超过120°；所述的膝关节运动板414通过第二轴承B415、固定螺母B412和固定螺丝B416与膝关节腔413固定连接，可与膝关节腔413同轴旋转，膝关节运动板414上端与大腿下板303固定连接，使得膝关节腔412、大腿下板303和膝关节运动板414形成稳定的转动结构。
参见图10，本实施例中的踝限位转动关节中，踝关节驱动单元由伺服电机C601和电机支架C602组成，所述伺服电机C601采用RE35 90W型号，内部包含编码器和减速器；踝关节伞齿转向单元由纵轴锥齿轮C603、横轴锥齿轮C605和固定销C604组成；踝关节半内齿轮环传动单元由旋转轴C606、第一轴承C607、卡簧C608、齿轮C609、增强连接块C610、半内齿轮环C611和踝关节腔613组成；踝关节转动单元由踝关节运动板614、第二轴承C615、固定螺母C612和固定螺丝C616组成；其中，所述伺服电机C601通过电机支架C602固定在小腿下板501的一侧，伺服电机C601的输出轴与纵轴锥齿轮C603连接，横轴锥齿轮C605通过固定销C604固定在旋转轴C606上，所述的横轴锥齿轮C605与纵轴锥齿轮C603相啮合，纵轴锥齿轮C603与横轴锥齿轮C605的传动比为1:2，将伺服电机C601输出轴的转动转变为沿旋转轴C606的转动，并将旋转轴C606的转速降低至电机转速的一半；所述增强连接块C610通过螺栓与小腿下板501固定连接，并通过轴承C607和卡簧C608固定在旋转轴C606上，带动小腿下板501沿所述旋转轴C606自由旋转；小腿下板501的另一侧设有踝关节腔613，所述的踝关节腔613的底部与足底支撑机构7固定连接，踝关节腔613具有一个空腔，内部安装有半内齿轮环C611，所述的半内齿轮环C611与齿轮C609相啮合，传动比为1:2，所述的齿轮C609固定在旋转轴C606上，将旋转轴C606的转动变为踝关节腔613和小腿下板501之间的角度运动，优选的，所述的半内齿轮环B611采用角度为60°的半圆环，限制所述踝限位转动关节6的最大旋转角度不超过45°；所述的踝关节运动板614通过第二轴承C615、固定螺母C612和固定螺丝C616与踝关节腔613固定连接，可与踝关节腔613同轴旋转，踝关节运动板614上端与小腿下板501固定连接。
参见图11，本实施例中的足底支撑机构7包括托板705、第一限位板701和第二限位板704，所述的第一限位板701和第二限位板704固定设于托板705的两侧；其中，所述的第一限位板701上设有多组调节孔702，通过所述调节孔702与踝关节腔613固定连接，从而可调节踝关节的长度；所述的第二限位板704上设有长方形开孔703，用于安装固定绑带。
本发明的具体使用过程：
根据患者的体格，先调节腰部固定机构1将外骨骼装置固定在患者腰部，进一步调节横断面调节杆103和矢状面调节杆104使得外骨骼装置对准患者髋关节位置，并将腰部固定机构1与减重装置连接安装在配套的减重装置上，然后继续调节三节滑动式可调节大腿机构3和二节滑动式可调节小腿机构5的长度，使得患者的下肢匹配在对应的机构中；然后分别启动髋限位转动关节2的伺服电机A201，膝限位转动关节4的伺服电机B401，踝限位转动关节6的伺服电机C601，其动力分别经过各自伞齿转向单元和半内齿轮环传动单元传递给髋关节腔213、膝关节腔413和踝关节腔613，然后髋关节腔213、膝关节腔413和踝关节腔613分别带动与其连接的大腿上板302、大腿下板303和小腿下板501进行稳定转动，从而可以实现患者髋关节、膝关节、踝关节以及大腿与小腿的运动，并达到训练效果。
具体参见图12，为本发明装置在脑瘫患儿上的穿戴示意图，将腰部固定机构1使用绑带（未画出）固定在脑瘫患儿的腰部，调节腰部的横断面调节杆103和矢状面调节杆104使得髋主动限位转动关节2与患儿的髋关节对齐；调节大腿机构3的长度，使得膝限位转动关节4与患儿的膝关节对齐；调节小腿机构5，使得踝限位转动关节与患儿踝关节对齐，调整足部7，让患儿足底放在足底托板701上。用绑带通过大腿机构3上的连接孔304将患儿大腿固定在大腿机构3上，通过小腿机构5上的连接孔502将患儿小腿规定在小腿机构上，通过足部7的开孔703将患儿的脚固定在足底托板701上。随着下肢外骨骼装置各主动驱动装置的运动，外骨骼装置形成正常的步态运动，患儿下肢将随着外骨骼装置的运动而运动，进行被动的步态康复训练。
参见图13，为本发明在步态训练中一个单步的变化周期示意图（以左腿迈步右腿支撑为例）。第一阶段为双腿支撑阶段，是开始行走或连接上一个单步的阶段，在此阶段患儿的重心位于双腿之间，左腿髋关节较大角度后伸，膝关节小角度前屈或伸直，踝关节小角度前屈；右腿髋关节小角度前屈，膝关节较大角度前屈，踝关节伸直或小角度后伸；第二阶段为支撑腿后部支撑阶段，是迈步腿在支撑腿后面的阶段，在此阶段患儿的重心位于支撑腿上，着力点为支撑脚的后部，左腿髋关节小角度后伸，膝关节大角度前屈，踝关节小角度前屈或伸直；右腿髋关节小角度前屈或伸直，膝关节小角度前屈，踝关节小角度前屈；第三阶段为支撑腿前部支撑阶段，是迈步腿在支撑腿前面的阶段，在此阶段患儿的重心位于支撑腿上，着力点为支撑脚的前部，左腿髋关节较大角度前屈，膝关节较大角度前屈，踝关节小角度后伸或伸直；右腿髋关节小角度后伸或伸直，膝关节小角度前屈或伸直，踝关节小角度前屈或伸直；第四阶段为支撑腿转换阶段，是结束一个单步的阶段。在此阶段患儿的重心位于双腿之间，但支撑腿开始向另一条腿转换，左腿髋关节较大角度前屈，膝关节小角度前屈或伸直，踝关节小角度后伸或伸直；右腿髋关节较大角度后伸，膝关节较大角度前屈，踝关节小角度前屈或伸直。通过这四个阶段的变化完成了一个单步的运动，下一步将转换支撑腿和迈步腿，实现对称的右腿迈步左腿支撑的单步运动。
参见图14，为本发明与减重机构配合使用示意图，减重机构可为带有悬吊装置和运动平板的固定式减重机构，也可为小车式可移动减重机构。腰部固定机构1中固定调节板101中部的四个连接孔与可移动小车的悬臂梁的前端连接块相连接，可对外骨骼装置和患儿提供支撑，减小患儿在步态训练过程中下肢的负重，根据康复的需要，可实现全减重、半减重和不减重的训练。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，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。
Claims (10)
1.一种适用于脑瘫患儿步态训练的可调节下肢外骨骼装置，其特征在于：包括腰部固定机构(1)、髋限位转动关节(2)、大腿机构(3)、膝限位转动关节(4)、小腿机构(5)、踝限位转动关节(6)以及足底支撑机构(7)；所述腰部固定机构(1)的一端与髋限位转动关节(2)固定连接；所述的髋限位转动关节(2)的另一端通过大腿机构(3)与膝限位转动关节(4)的一端连接；所述的膝限位转动关节(4)的另一端通过小腿机构(5)与踝限位转动关节(6)的一端连接；所述的踝限位转动关节(6)的底部与足底支撑机构(7)连接；其中，所述的髋限位转动关节(2)、大腿机构(3)、膝限位转动关节(4)、小腿机构(5)、踝限位转动关节(6)以及足底支撑机构(7)均设有两个，沿所述腰部固定机构(1)的两侧对称设置；
所述的腰部固定机构(1)包括固定调节板(101)、两个连接杆(102)、横断面调节杆(103)、矢状面调节杆(104)、髋外展关节和下连接板(109)；所述固定调节板(101)与两个连接杆(102)的内侧部通过槽孔连接形成半环状结构，连接杆(102)的外侧部与横断面调节杆(103)通过槽孔连接，横断面调节杆(103)的下部通过槽孔与矢状面调节杆(104)连接，矢状面调节杆(104)的侧面固定连接有髋外展关节，髋外展关节的底部设有下连接板(109)；
所述的髋限位转动关节(2)包括髋关节驱动单元、髋关节伞齿转向单元、髋关节半内齿轮环传动单元以及髋关节转动单元，所述髋关节驱动单元的输出端与髋关节伞齿转向单元的一端连接，髋关节伞齿转向单元的另一端与髋关节半内齿轮环传动单元连接，髋关节半内齿轮环传动单元与髋关节转动单元连接，髋关节转动单元与大腿机构(3)的上端固定连接，所述髋关节半内齿轮环传动单元还与所述下连接板(109)固定连接；
所述的膝限位转动关节(4)包括膝关节驱动单元、膝关节伞齿转向单元、膝关节半内齿轮环传动单元以及膝关节转动单元，所述膝关节驱动单元的输出端与膝关节伞齿转向单元的一端连接，膝关节伞齿转向单元的另一端与膝关节半内齿轮环传动单元连接，膝关节半内齿轮环传动单元与膝关节转动单元连接，膝关节转动单元与大腿机构(3)的下端连接，所述膝关节半内齿轮环传动单元还与所述小腿机构(5)的上端固定连接；
所述的踝限位转动关节(6)包括踝关节驱动单元、踝关节伞齿转向单元、踝关节半内齿轮环传动单元以及踝关节转动单元，所述踝关节驱动单元的输出端与踝关节伞齿转向单元的一端连接，踝关节伞齿转向单元的另一端与踝关节半内齿轮环传动单元连接，踝关节半内齿轮环传动单元与踝关节转动单元连接，踝关节转动单元与小腿机构(5)的下端连接，所述踝关节半内齿轮环传动单元还与足底支撑机构(7)固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种适用于脑瘫患儿步态训练的可调节下肢外骨骼装置，其特征在于：所述髋外展关节为被动运动关节，由上连接支架(105)、下连接支架(106)、转轴(107)、限位弹簧(108)、轴承(110)以及卡簧(111)组成；所述的上连接支架(105)与矢状面调节杆(104)的侧面固定，上连接支架(105)与下连接支架(106)的连接部位为同心的半圆结构，所述的转轴穿过半圆结构上的同心孔将上连接支架(105)与下连接支架(106)连接，转轴(107)的两端通过轴承(110)以及卡簧(111)与上连接支架(105)固定，所述的限位弹簧(108)套接在转轴(107)上并位于上连接支架(105)和下连接支架(106)之间，所述的下连接支架(106)底部与下连接板(109)固定连接；所述的上连接支架(105)和下连接支架(106)由所述限位弹簧(108)限制在与腰部固定机构(1)侧面平行的位置，在外力带动下沿所述转轴(107)旋转一定角度。
3.根据权利要求2所述的一种适用于脑瘫患儿步态训练的可调节下肢外骨骼装置，其特征在于：所述的大腿机构(3)采用三节滑动式可调节机构，由大腿连接板(301)、大腿上板(302)和大腿下板(303)构成；所述大腿连接板(301)上设有第一滑槽(305)，所述的大腿上板(302)和大腿下板(303)可在第一滑槽(305)里滑动，大腿连接板(301)的侧面设有上下两组第一连续螺孔(306)，分别用于与大腿上板(302)和大腿下板(303)的固定；所述大腿连接板(301)侧面还设有第一连接孔(304)，所述第一连接孔(304)采用长方形孔，用于安装固定绑带或塑料材质的下肢矫形器；所述的小腿机构(5)采用二节滑动式可调节连杆结构，包括小腿上板(506)和小腿下板(501)；所述小腿上板(506)上设有第二滑槽(503)，所述的小腿下板(501)可在第二滑槽(503)里滑动，小腿上板(506)侧面设有第二连续螺孔(504)，用于小腿下板(501)的固定；所述小腿上板(506)的侧面还设有第二连接孔(502)，所述第二连接孔(502)采用长方形孔，用于安装固定绑带或塑料材质的下肢矫形器。
4.根据权利要求3所述的一种适用于脑瘫患儿步态训练的可调节下肢外骨骼装置，其特征在于：所述的髋限位转动关节中，髋关节驱动单元由伺服电机A(201)和电机支架A(202)组成；髋关节伞齿转向单元由纵轴锥齿轮A(203)、横轴锥齿轮A(204)和固定销A(205)组成；髋关节半内齿轮环传动单元由旋转轴A(206)、第一轴承A(207)、卡簧A(208)、齿轮A(209)、增强连接块A(210)、半内齿轮环A(211)和髋关节腔(213)组成；髋关节转动单元由髋关节运动板(214)、第二轴承A(215)、固定螺母A(212)和固定螺丝A(216)组成；其中，所述伺服电机A(201)通过电机支架A(202)固定在大腿上板(302)的一侧，伺服电机A(201)的输出轴与纵轴锥齿轮A(203)连接，横轴锥齿轮A(204)通过固定销A(205)固定在旋转轴A(206)上，所述的横轴锥齿轮A(204)与纵轴锥齿轮A(203)相啮合，将伺服电机A(201)输出轴的转动转变为沿旋转轴A(206)的转动；所述增强连接块A(210)通过螺栓与大腿上板(302)固定连接，并通过轴承A(207)和卡簧A(208)固定在旋转轴A(206)上，带动大腿上板(302)沿所述旋转轴A(206)自由旋转；大腿上板(302)的另一侧设有髋关节腔(213)，所述的髋关节腔(213)顶部与下连接板(109)固定连接，髋关节腔(213)内部安装有半内齿轮环A(211)，所述的半内齿轮环A(211)与齿轮A(209)相啮合，所述的齿轮A(209)固定在旋转轴A(206)上，将旋转轴A(206)的转动变为髋关节腔(213)和大腿上板(302)之间的角度运动；所述的髋关节运动板(214)通过第二轴承A(215)、固定螺母A(212)和固定螺丝A(216)与髋关节腔(213)固定连接，可与髋关节腔(213)同轴旋转，髋关节运动板(214)下端与大腿上板(302)固定连接。
5.根据权利要求4所述的一种适用于脑瘫患儿步态训练的可调节下肢外骨骼装置，其特征在于：所述的半内齿轮环A(211)采用角度为162°的半圆环，限制所述髋限位转动关节(2)的最大旋转角度不超过120°。
6.根据权利要求4所述的一种适用于脑瘫患儿步态训练的可调节下肢外骨骼装置，其特征在于：所述的膝限位转动关节中，膝关节驱动单元由伺服电机B(401)和电机支架B(402)组成；膝关节伞齿转向单元由纵轴锥齿轮B(403)、横轴锥齿轮B(405)和固定销B(404)组成；膝关节半内齿轮环传动单元由旋转轴B(406)、第一轴承B(407)、卡簧B(408)、齿轮B(409)、增强连接块B(410)、半内齿轮环B(411)和膝关节腔(413)组成；膝关节转动单元由膝关节运动板(414)、第二轴承B(415)、固定螺母B(412)和固定螺丝B(416)组成；其中，所述伺服电机B(401)通过电机支架B(402)固定在大腿下板(303)的一侧，伺服电机B(401)的输出轴与纵轴锥齿轮B(403)连接，横轴锥齿轮B(405)通过固定销B(404)固定在旋转轴B(406)上，所述的横轴锥齿轮B(405)与纵轴锥齿轮B(403)相啮合，将伺服电机B(401)输出轴的转动转变为沿旋转轴B(406)的转动；所述增强连接块B(410)通过螺栓与大腿下板(303)固定连接，并通过轴承B(407)和卡簧B(408)固定在旋转轴B(406)上，带动大腿下板(303)沿所述旋转轴B(406)自由旋转；大腿下板(303)的另一侧设有膝关节腔(413)，所述的膝关节腔(413)与小腿上板(506)一体成型，膝关节腔(413)内部安装有半内齿轮环B(411)，所述的半内齿轮环B(411)与齿轮B(409)相啮合，所述的齿轮B(409)固定在旋转轴B(406)上，将旋转轴B(406)的转动变为膝关节腔(413)和大腿下板(303)之间的角度运动；所述的膝关节运动板(414)通过第二轴承B(415)、固定螺母B(412)和固定螺丝B(416)与膝关节腔(413)固定连接，可与膝关节腔(413)同轴旋转，膝关节运动板(414)上端与大腿下板(303)固定连接。
7.根据权利要求6所述的一种适用于脑瘫患儿步态训练的可调节下肢外骨骼装置，其特征在于：所述的半内齿轮环B(411)采用角度为150°的半圆环，限制所述膝限位转动关节(4)的最大旋转角度不超过120°。
8.根据权利要求6所述的一种适用于脑瘫患儿步态训练的可调节下肢外骨骼装置，其特征在于：所述的踝限位转动关节中，踝关节驱动单元由伺服电机C(601)和电机支架C(602)组成；踝关节伞齿转向单元由纵轴锥齿轮C(603)、横轴锥齿轮C(605)和固定销C(604)组成；踝关节半内齿轮环传动单元由旋转轴C(606)、第一轴承C(607)、卡簧C(608)、齿轮C(609)、增强连接块C(610)、半内齿轮环C(611)和踝关节腔(613)组成；踝关节转动单元由踝关节运动板(614)、第二轴承C(615)、固定螺母C(612)和固定螺丝C(616)组成；其中，所述伺服电机C(601)通过电机支架C(602)固定在小腿下板(501)的一侧，伺服电机C(601)的输出轴与纵轴锥齿轮C(603)连接，横轴锥齿轮C(605)通过固定销C(604)固定在旋转轴C(606)上，所述的横轴锥齿轮C(605)与纵轴锥齿轮C(603)相啮合，将伺服电机C(601)输出轴的转动转变为沿旋转轴C(606)的转动；所述增强连接块C(610)通过螺栓与小腿下板(501)固定连接，并通过轴承C(607)和卡簧C(608)固定在旋转轴C(606)上，带动小腿下板(501)沿所述旋转轴C(606)自由旋转；小腿下板(501)的另一侧设有踝关节腔(613)，所述的踝关节腔(613)的底部与足底支撑机构(7)固定连接，踝关节腔(613)内部安装有半内齿轮环C(611)，所述的半内齿轮环C(611)与齿轮C(609)相啮合，所述的齿轮C(609)固定在旋转轴C(606)上，将旋转轴C(606)的转动变为踝关节腔(613)和小腿下板(501)之间的角度运动；所述的踝关节运动板(614)通过第二轴承C(615)、固定螺母C(612)和固定螺丝C(616)与踝关节腔(613)固定连接，可与踝关节腔(613)同轴旋转，踝关节运动板(614)上端与小腿下板(501)固定连接。
9.根据权利要求8所述的一种适用于脑瘫患儿步态训练的可调节下肢外骨骼装置，其特征在于：所述的半内齿轮环B(611)采用角度为60°的半圆环，限制所述踝限位转动关节(6)的最大旋转角度不超过45°。
10.根据权利要求8所述的一种适用于脑瘫患儿步态训练的可调节下肢外骨骼装置，其特征在于：所述的足底支撑机构(7)包括托板(705)、第一限位板(701)和第二限位板(704)，所述的第一限位板(701)和第二限位板(704)固定设于托板(705)的两侧；其中，所述的第一限位板(701)上设有多组调节孔(702)，通过所述调节孔(702)与踝关节腔(613)固定连接；所述的第二限位板(704)上设有长方形开孔(703)，用于安装固定绑带。
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