CN110123589A - 一种针对偏瘫患者的轻质可穿戴下肢康复助行外骨骼 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针对偏瘫患者的轻质可穿戴下肢康复助行外骨骼，包括腰部支撑机构和两组下肢驱动机构，两组下肢驱动机构对称设置在腰部支撑机构两侧，腰部支撑机构固定在偏瘫患者腰部，两组下肢驱动机构对称位于偏瘫患者的腿部外侧，下肢驱动机构包括自上向下依次串联的髋关节驱动机构、大腿支撑机构、膝关节驱动机构、小腿支撑机构、足底机构。本发明采取轻量化设计，体积小、质量轻、成本低，穿戴方便，人机接口舒适，具有关节保护功能，可用于偏瘫患者的康复治疗及助力行走，使患者能在外骨骼的辅助下逐渐恢复正常行走能力。
Description
技术领域
本发明属于医疗辅助器械领域，具体涉及一种针对偏瘫患者的轻质可穿戴下肢康复助行外骨骼。
背景技术
人体外骨骼的研究最早起源于军事应用中的单兵负重需求,即助力方面的需求。随着我国进入老龄化社会,因心脑血管疾病出现偏瘫的中老年患者不断增多,患者除了必要的手术治疗和药物治疗外，科学的康复训练对于肢体运动功能恢复十分重要，而下肢助力外骨骼也可成为偏瘫患者的康复训练器及辅助行走装置。
传统的康复机械依靠悬挂***减轻患者自重，再搭配运动跑台使患者原地行走，患者得不到空间上的视觉反馈，不利于提高平衡能力；悬挂***易摩擦患者皮肤，悬吊产生的勒紧感也使患者不适；并且这类机械为了增加悬挂***的稳定性往往底盘笨重庞大。现有的偏瘫康复外骨骼有些为单腿结构，此方案虽能缩小体积降低成本，但这种结构不能为患者提供对称性康复训练模式，不利于提高下肢步态同步性。并且一些康复助行外骨骼机器人的髋关节及膝关节处都没有设置限位结构，不能防止外骨骼转动角度超过人体极限的意外情况发生，容易对人体造成伤害；且其腰部尺寸不可调节，腿部长度也不可连续调节，不能适应不同体型的人。此外，现在较多外骨骼选择使用肌电传感器，肌电传感器虽能快速感知穿戴者运动意图，但肌电传感器使用时必须紧贴皮肤，不能有衣物的阻隔，这将造成穿戴不便；且穿戴者产生的汗液易干扰信号采集，也易使传感器掉落。
发明内容
本发明的目的在于提供一种针对偏瘫患者的轻质可穿戴下肢康复助行外骨骼。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种针对偏瘫患者的轻质可穿戴下肢康复助行外骨骼，包括腰部支撑机构和两组下肢驱动机构，两组下肢驱动机构对称设置在腰部支撑机构两侧，腰部支撑机构固定在偏瘫患者腰部，两组下肢驱动机构对称位于偏瘫患者的腿部外侧，下肢驱动机构包括自上向下依次串联的髋关节驱动机构、大腿支撑机构、膝关节驱动机构、小腿支撑机构、足底机构。
腰部支撑机构包括腰部护具和两根腰部刚性支撑杆；两根腰部刚性支撑杆对称固定在腰部护具两侧，腰部刚性支撑杆上设有一个髋关节驱动机构。
髋关节驱动机构包括第一限位端盖、第一柔轮法兰、第一联轴器、第一刚轮法兰、第一谐波减速器、第一电机法兰和第一电机；其中第一限位端盖、第一柔轮法兰、第一刚轮法兰、第一谐波减速器、第一电机法兰和第一电机依次设置；第一电机与第一电机法兰连接；第一电机的电机轴与第一谐波减速器的波发生器通过第一联轴器连接；第一电机法兰、第一刚轮法兰分别与第一谐波减速器的刚轮连接固定；第一柔轮法兰与第一谐波减速器的柔轮连接，第一限位端盖与第一刚轮法兰连接；腰部刚性支撑杆底端与第一刚轮法兰顶端连接，实现腰部支撑机构与髋关节驱动机构的连接；第一柔轮法兰底端和大腿支撑机构连接。
大腿支撑机构包括大腿滑槽支撑杆、大腿护具和大腿刚性支撑杆；大腿滑槽支撑杆顶端与第一柔轮法兰固连，实现髋关节驱动机构与大腿支撑机构的连接；大腿滑槽支撑杆底端与大腿刚性支撑杆固连；大腿护具设置在大腿刚性支撑杆内侧，且两者固连；大腿刚性支撑杆底端固连膝关节驱动机构。
膝关节驱动机构包括第二限位端盖、第二柔轮法兰、第二联轴器、第二刚轮法兰、第二谐波减速器、第二电机法兰和第二电机；其中第二限位端盖、第二柔轮法兰、第二刚轮法兰、第二谐波减速器、第二电机法兰和第二电机依次设置；第二电机与第二电机法兰连接；第二电机的电机轴与第二谐波减速器的波发生器通过第二联轴器连接；第二电机法兰、第二刚轮法兰分别与第二谐波减速器的刚轮连接固定；第二柔轮法兰与第二谐波减速器的柔轮连接，第二限位端盖与第二刚轮法兰连接；大腿刚性支撑杆底端与第二刚轮法兰顶端连接，实现大腿支撑机构与膝关节驱动机构的连接。第二柔轮法兰底端和小腿支撑机构连接。
小腿支撑机构包括小腿滑槽支撑杆、小腿护具和小腿刚性支撑杆；小腿滑槽支撑杆顶端与第二柔轮法兰固连，实现膝关节驱动机构与小腿支撑机构的连接；小腿滑槽支撑杆底端与小腿刚性支撑杆固连，小腿护具位于小腿刚性支撑杆内侧，且两者固连；小腿刚性支撑杆底端与足底机构固连。
足底机构包括鞋和至少三个压力传感器，三个压力传感器均位于人体足底与鞋的接触面，一个位于脚后跟位置，两个位于前脚掌位置。
腰部护具外侧壁上且位于人体背部的位置设有惯性测量单元；大腿护具外侧壁上且位于人体大腿后侧的位置设有惯性测量单元；小腿护具外侧壁上且位于人体小腿后侧的位置设有惯性测量单元。第一电机和第二电机上分别设有编码器。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：目前针对下肢偏瘫病人的康复医疗器械过于笨重和庞大且价格昂贵，所以只能在医院使用。然而治疗周期长、费用贵的缺点使许多患者未能坚持治疗，所以家用康复医疗辅助器械的发明十分重要。本发明体积小、质量轻、携带方便、成本低，适用于患者在家中使用，可用于偏瘫患者的康复治疗及助力行走，使患者能在外骨骼的辅助下逐渐恢复正常行走能力。与传统康复机械相比，下肢康复外骨骼能使患者在空间上行走，患者得到运动视觉反馈，有助于提高平衡能力；与单腿结构的康复外骨骼相比，双腿结构能为患者提供对称性康复训练模式，偏瘫腿模仿健侧腿的运动，有助于提高下肢步态同步性、稳定性。本发明结合医疗护具的优点，穿戴方便，人机接口舒适，腰部与腿部的尺寸大小均可连续调节，能够满足不同人群的需要；具有关节保护功能，使用时安全可靠。并且使用惯性测量单元预测人体运动意图，较肌力传感器和肌电传感器更为稳定方便。
附图说明
图1是本发明一种针对偏瘫患者的轻质可穿戴的下肢康复助行外骨骼结构图。
图2是本发明髋关节驱动机构分解图。
图3是本发明膝关节驱动机构分解图。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明。
结合图1，一种针对偏瘫患者的轻质可穿戴下肢康复助行外骨骼包括腰部支撑机构和两组下肢驱动机构，两组下肢驱动机构对称设置在腰部支撑机构两侧，腰部支撑机构固定在偏瘫患者腰部，两组下肢驱动机构对称位于偏瘫患者的腿部外侧，下肢驱动机构包括自上向下依次串联的髋关节驱动机构、大腿支撑机构、膝关节驱动机构、小腿支撑机构、足底机构。
结合图1，腰部支撑机构包括腰部护具1和两根腰部刚性支撑杆2；腰部护具1通过多孔柔性材料与人体紧密贴合，护具闭合卡扣具有松紧，使腰围大小可调节，适应不同人群需要。两根腰部刚性支撑杆2对称固定在腰部护具1两侧，通过改变腰部护具1与腰部刚性支撑杆2相对位置，腰部支撑机构的长度可调节。腰部刚性支撑杆2上设有一个髋关节驱动机构3。
结合图2，髋关节驱动机构3包括第一限位端盖12、第一柔轮法兰13、第一联轴器14、第一刚轮法兰15、第一谐波减速器16、第一电机法兰17和第一电机18；其中第一限位端盖12、第一柔轮法兰13、第一刚轮法兰15、第一谐波减速器16、第一电机法兰17和第一电机18依次设置。第一谐波减速器16为髋关节驱动机构3的核心部件，具有体积小质量轻的优点，拥有波发生器、柔轮和刚轮三个输入输出接口，通过以下连接，起到为第一电机18减速增扭的作用。第一电机18与第一电机法兰17连接；第一电机18的电机轴与第一谐波减速器16的波发生器通过第一联轴器14连接；第一电机法兰17、第一刚轮法兰15分别与第一谐波减速器16的刚轮连接固定；第一柔轮法兰13与第一谐波减速器16的柔轮连接；第一限位端盖12与第一刚轮法兰15连接。第一限位端盖12依据人体髋关节极限转动角度制造，具有机械限位功能，可以有效防止髋关节驱动机构转动角度过大的情况发生，保护人体关节。腰部刚性支撑杆2底端与第一刚轮法兰15顶端连接，实现腰部支撑机构与髋关节驱动机构3的连接；第一柔轮法兰13底端和大腿支撑机构连接。轻度偏瘫病人虽然尚能活动，但走起路来往往上肢屈曲、下肢伸直，瘫痪的下肢走一步划半个圈。为校正患者的偏瘫步态，外骨骼只保留髋关节前后抬腿的自由度，以避免患者走路划圈的情况出现。人体步行时，第一电机18转动带动柔轮法兰13和大腿滑槽支撑杆4相对于腰部刚性支撑杆2转动，实现跟随或者支撑抬腿运动。利用髋关节驱动机构3可实现步行时大腿前后方向上的摆动。
结合图1，大腿支撑机构包括大腿滑槽支撑杆4、大腿护具5和大腿刚性支撑杆6；大腿滑槽支撑杆4顶端与第一柔轮法兰13固连，实现髋关节驱动机构3与大腿支撑机构的连接；大腿滑槽支撑杆4底端与大腿刚性支撑杆6固连，通过滑槽改变大腿滑槽支撑杆4与大腿刚性支撑杆6相对位置，大腿支撑机构的长度可调节；大腿护具5设置在大腿刚性支撑杆6内侧，且两者固连；大腿刚性支撑杆6底端固连膝关节驱动机构7。
结合图2，膝关节驱动机构7包括第二限位端盖19、第二柔轮法兰20、第二联轴器21、第二刚轮法兰22、第二谐波减速器23、第二电机法兰24和第二电机25；其中第二限位端盖19、第二柔轮法兰20、第二刚轮法兰22、第二谐波减速器23、第二电机法兰24和第二电机25依次设置。第二谐波减速器23为膝关节驱动机构7的核心部件，具有体积小质量轻的优点，拥有波发生器、柔轮和刚轮三个输入输出接口，通过以下连接，起到为第二电机25减速增扭的作用。电机与第二电机法兰24连接；第二电机25的电机轴与第二谐波减速器23的波发生器通过第二联轴器21连接；第二电机法兰24、第二刚轮法兰22分别与第二谐波减速器23的刚轮连接固定；第二柔轮法兰20与第二谐波减速器23的柔轮连接；第二限位端盖19与第二刚轮法兰22连接。第二限位端盖19依据人体膝关节极限转动角度制作，具有机械限位功能，可以有效防止膝关节驱动机构转动角度过大的情况发生，保护人体关节。大腿刚性支撑杆6底端与第二刚轮法兰22顶端连接，实现大腿支撑机构与膝关节驱动机构7的连接。第二柔轮法兰20底端和小腿支撑机构连接。人体步行时，第二电机25转动带动柔轮法兰20和小腿滑槽支撑杆8相对于大腿刚性支撑杆6转动，实现跟随或者支撑抬腿运动。利用膝关节驱动机构7可实现步行时小腿前后方向的摆动。
结合图1，小腿支撑机构包括小腿滑槽支撑杆8、小腿护具9和小腿刚性支撑杆10；小腿滑槽支撑杆8顶端与第二柔轮法兰20固连，实现膝关节驱动机构7与小腿支撑机构的连接；小腿滑槽支撑杆8底端与小腿刚性支撑杆10固连，通过滑槽改变小腿滑槽支撑杆8与小腿刚性支撑杆10相对位置，小腿支撑机构的长度可调节；小腿护具9位于小腿刚性支撑杆10内侧，且两者固连；小腿刚性支撑杆10底端与足底机构固连。
足底机构包括鞋11和至少三个压力传感器。鞋11通过多孔柔性材料与可调节卡扣与人体脚部贴合。偏瘫患者由于足部肌张力低下或过高，往往出现足部下垂或内翻，医学治疗中多固定患者脚踝。故本发明亦取消脚踝处的自由度，将小腿支撑机构与足底机构固连，鞋底加入多弧面设计以补偿踝关节自由度使患者步行流畅。
为了采集人运动时足底压力的分布状态，从而来判断人运动时所处的步态，需要在鞋11上安装至少三个压力传感器。三个压力传感器均位于鞋面，一个位于脚后跟位置，两个位于前脚掌位置。为了采集人体下肢在步行时的运动位姿信号，需要在外骨骼上安装惯性测量单元。腰部护具1外侧壁上且位于人体背部的位置设有惯性测量单元；大腿护具5外侧壁上且位于人体大腿后侧的位置设有惯性测量单元；小腿护具9外侧壁上且位于人体小腿后侧的位置设有惯性测量单元。为了精确测量人体膝关节和髋关节转过的角度，需在关节驱动处安装编码器。第一电机18和第二电机25上分别设有编码器。
穿戴时，患者将下肢康复助行外骨骼穿着于双腿两侧，依靠多孔柔性材料和松紧卡扣使护具紧贴于穿戴者的下肢。每条腿都具有2个可控自由度，带动外骨骼进行运动。
Claims (9)
1.一种针对偏瘫患者的轻质可穿戴下肢康复助行外骨骼，其特征在于：包括腰部支撑机构和两组下肢驱动机构，两组下肢驱动机构对称设置在腰部支撑机构两侧，腰部支撑机构固定在偏瘫患者腰部，两组下肢驱动机构对称位于偏瘫患者的腿部外侧，下肢驱动机构包括自上向下依次串联的髋关节驱动机构、大腿支撑机构、膝关节驱动机构、小腿支撑机构、足底机构。
2.根据权利要求1所述的针对偏瘫患者的轻质可穿戴下肢康复助行外骨骼，其特征在于：腰部支撑机构包括腰部护具（1）和两根腰部刚性支撑杆（2）；两根腰部刚性支撑杆（2）对称固定在腰部护具（1）两侧，腰部刚性支撑杆（2）上设有一个髋关节驱动机构（3）。
3.根据权利要求2所述的针对偏瘫患者的轻质可穿戴下肢康复助行外骨骼，其特征在于：髋关节驱动机构（3）包括第一限位端盖（12）、第一柔轮法兰（13）、第一联轴器（14）、第一刚轮法兰（15）、第一谐波减速器（16）、第一电机法兰（17）和第一电机（18）；其中第一限位端盖（12）、第一柔轮法兰（13）、第一刚轮法兰（15）、第一谐波减速器（16）、第一电机法兰（17）和第一电机（18）依次设置；第一电机（18）与第一电机法兰（17）连接；第一电机（18）的电机轴与第一谐波减速器（16）的波发生器通过第一联轴器（14）连接；第一电机法兰（17）、第一刚轮法兰（15）分别与第一谐波减速器（16）的刚轮连接固定；第一柔轮法兰（13）与第一谐波减速器（16）的柔轮连接，第一限位端盖（12）与第一刚轮法兰（15）连接；腰部刚性支撑杆（2）底端与第一刚轮法兰（15）顶端连接，实现腰部支撑机构与髋关节驱动机构（3）的连接；第一柔轮法兰（13）底端和大腿支撑机构连接。
4.根据权利要求3所述的针对偏瘫患者的轻质可穿戴下肢康复助行外骨骼，其特征在于：大腿支撑机构包括大腿滑槽支撑杆（4）、大腿护具（5）和大腿刚性支撑杆（6）；大腿滑槽支撑杆（4）顶端与第一柔轮法兰（13）固连，实现髋关节驱动机构（3）与大腿支撑机构的连接；大腿滑槽支撑杆（4）底端与大腿刚性支撑杆（6）固连；大腿护具（5）设置在大腿刚性支撑杆（6）内侧，且两者固连；大腿刚性支撑杆（6）底端固连膝关节驱动机构（7）。
5.根据权利要求4所述的针对偏瘫患者的轻质可穿戴下肢康复助行外骨骼，其特征在于：膝关节驱动机构（7）包括第二限位端盖（19）、第二柔轮法兰（20）、第二联轴器（21）、第二刚轮法兰（22）、第二谐波减速器（23）、第二电机法兰（24）和第二电机（25）；其中第二限位端盖（19）、第二柔轮法兰（20）、第二刚轮法兰（22）、第二谐波减速器（23）、第二电机法兰（24）和第二电机（25）依次设置；第二电机（25）与第二电机法兰（24）连接；第二电机（25）的电机轴与第二谐波减速器（23）的波发生器通过第二联轴器（21）连接；第二电机法兰（24）、第二刚轮法兰（22）分别与第二谐波减速器（23）的刚轮连接固定；第二柔轮法兰（20）与第二谐波减速器（23）的柔轮连接，第二限位端盖（19）与第二刚轮法兰（22）连接；大腿刚性支撑杆（6）底端与第二刚轮法兰（22）顶端连接，实现大腿支撑机构与膝关节驱动机构（7）的连接；第二柔轮法兰（20）底端和小腿支撑机构连接。
6.根据权利要求5所述的针对偏瘫患者的轻质可穿戴下肢康复助行外骨骼，其特征在于：小腿支撑机构包括小腿滑槽支撑杆（8）、小腿护具（9）和小腿刚性支撑杆（10）；小腿滑槽支撑杆（8）顶端与第二柔轮法兰（20）固连，实现膝关节驱动机构（7）与小腿支撑机构的连接；小腿滑槽支撑杆（8）底端与小腿刚性支撑杆（10）固连，小腿护具（9）位于小腿刚性支撑杆（10）内侧，且两者固连；小腿刚性支撑杆（10）底端与足底机构固连。
7.根据权利要求5所述的针对偏瘫患者的轻质可穿戴下肢康复助行外骨骼，其特征在于：足底机构包括鞋（11）和至少三个压力传感器，三个压力传感器均位于人体足底与鞋（11）的接触面，一个位于脚后跟位置，两个位于前脚掌位置。
8.根据权利要求2、4、6中所述的针对偏瘫患者的轻质可穿戴下肢康复助行外骨骼，其特征在于：腰部护具（1）外侧壁上且位于人体背部的位置设有惯性测量单元；大腿护具（5）外侧壁上且位于人体大腿后侧的位置设有惯性测量单元；小腿护具（9）外侧壁上且位于人体小腿后侧的位置设有惯性测量单元。
9.根据权利要求3或5所述的针对偏瘫患者的轻质可穿戴下肢康复助行外骨骼，其特征在于：第一电机（18）和第二电机（25）上分别设有编码器。
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