偏癱患者專用下肢外骨骼及其使用方法和穩(wěn)定性驗證方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種助殘器械，尤其涉及一種偏癱患者專用下肢外骨骼及其使用方法和步態(tài)穩(wěn)定性驗證方法。
【背景技術】
[0002]現(xiàn)有技術及存在的不足:
[0003]1.現(xiàn)有相關產品及不足
[0004](1)2014年巴西世界杯足球賽開幕式上，讓癱瘓的巴西少年平托站起來開球的外骨骼，名為BRA-Santos Dumont，代表了當今世界外骨骼技術的先進水平。
[0005]這款腦控外骨骼是國際“再次行走計劃”的一個研宄成果。這款外骨骼由植入頭皮或患者腦內的電極探測大腦活動信號，這些信號通過無線方式傳輸給佩戴者身上的一臺電腦，電腦負責將信號轉化成具體的腿部動作。BRA-Santos Dumont外骨骼裝置技術含量高，集中了上百科學家智慧，應用了當今最先進技術。該裝置由腦電波來控制，需要把電極直接植入癱瘓患者的大腦中。在放置電極時，不僅要把電極植入顱骨下的腦組織內，而且還要能同時探測大腦皮層上的更多神經(jīng)元。一些神經(jīng)科學家認為，通過腦電圖等無創(chuàng)手段來記錄大腦活動，可以反映出意識和肌肉之間的對應關系，但目前這個想法還沒有實現(xiàn)。該裝置結構過于繁雜，離實用還有一段距離。其成本也讓普通患者難以接受。
[0006](2)本田公司研制的Walking Assist Device (行走輔助裝備)。它能夠減輕使用者各種肌肉負載，輕松完成一些基本動作。這個裝備包括坐墊(seat)、支架(fream)、鞋子(shoes)三部分，總重量6.5kg。本田公司目前正在他們的汽車工廠內小范圍的測試該裝備的效果。
[0007]該裝置比較靈巧，但主要適用于四肢健康，但體力不支的老年體弱者使用，不適合偏癱患者使用。因為該系統(tǒng)難以保證使用者的平衡性。但對本發(fā)明的研制有某些借鑒作用。
[0008](3)以色列埃爾格醫(yī)學技術公司(Argo Medical Technologies)研發(fā)的仿生外骨骼，名為“ReWalk”。2014年，此產品通過了美國食物與藥品管理局(FDA)的認證。是首款通過FDA認證的外骨骼。FDA認為，ReWalk可以幫助那些雙腿失去行動能力的人再次感受走路時的感覺。
[0009]“ReWalk”可幫助下身麻痹患者(即腰部以下癱瘓的人)站立、行走和爬樓梯?！癛eWalk”需要一副拐杖幫助維持身體平衡，由電動腿部支架、身體感應器和一個背包組成，背包內有一個計算機控制盒以及可再充電的蓄電池。使用者可以用遙控腰帶選定某種模式，如站、坐、走、爬等。然后向前傾，激活身體感應器，使機械腿處于運動之中。
[0010]雖然ReWalk獲得了 FDA的認證，但這并不是意味著所有行動不便的人都能用上它。據(jù)悉，這款裝備的價格跟它的重量一樣，都相當?shù)亍爸亍?，高達6.95萬美元。使用者還需要進行15次培訓課程之后才能真正上手。產品發(fā)明人戈夫爾本人曾在1997年的一起事故中癱瘓，遺憾的是，他卻不能使用自己的發(fā)明，因為他的雙臂尚不能完全發(fā)揮作用。因為該裝置需要雙手均能使用拐杖來保持平衡，對于偏癱病人，使用起來有些困難。
[0011](4)清華大學康復工程研宄中心教授張濟川與北京瑞海博科技有限公司研制的截癱步行機。該產品的主要有兩方面用途:一、作為代步工具供截癱患者穿在身上，在步行機構驅動下獨立行走；二、與醫(yī)用跑臺配合，作為下肢功能障礙者進行訓練的主要康復設備。
[0012]步行機的控制系統(tǒng)由光碼盤、微處理器、功率放大器、位置反饋系統(tǒng)等組成，可實現(xiàn)雙腿自動交替的步態(tài)，并有自動補償步態(tài)相位差的功能?；颊呖筛鶕?jù)需要手動調節(jié)步行速度。該步行機采用輕質高強的鈦合金制造，總重量只有9.6公斤。目前，患者使用該步行系統(tǒng)，還需小車的配合，不適用于上下樓梯及上下坡。
[0013](5) 2014年7月，《深圳特區(qū)報》《中國科學報》等國內多家媒體報道，中國科學院深圳先進技術研宄院的下肢外骨骼機器人項目取得重大突破，成功實現(xiàn)截癱病人通過穿戴機器人實現(xiàn)站立行走[9]。該機器人采用小型化的動力系統(tǒng)及欠驅動機械結構，運用柔性控制來實現(xiàn)外骨骼機器人穩(wěn)定的步態(tài)。與國內外同類型機器人相比，先進院外骨骼機器人具有結構緊湊、智能步態(tài)規(guī)劃、康復訓練與殘障人士助力行走兼顧的特色。
[0014]經(jīng)比較，該成果與以色列埃爾格醫(yī)學技術公司(Argo Medical Technologies)研發(fā)的仿生外骨骼，名為“ReWalk”外骨骼類似。但該裝置的使用，需用二根拐杖，需二只健康的手來輔助動作，也不適合單側偏癱病人。
[0015]2.現(xiàn)有相關專利及不足
[0016]專利一種穿戴式下肢外骨賂助行機器人，CN103054692A公開了一種穿戴式下肢外骨骼助行機器人，由踝關節(jié)運動模塊、膝關節(jié)運動模塊、髖關節(jié)運動模塊、驅動模塊、腰部及支撐架模塊等組成。專利一種穿戴式下肢助力外骨骼，CN103315834，通過連桿、齒輪等復雜結構，提供一種單自由度的穿戴式下肢助力外骨骼。專利一種分體式的人體下肢外骨骼助行裝置，CN201939538公開了一種分體式人體下肢外骨骼助行裝置，采用無需與大小腿綁縛的伸縮式支撐桿，實現(xiàn)對人體的支撐。專利一種可穿戴式的下肢步行外骨骼，ZL200420081794.4公開了一種可穿戴式下肢步行外骨賂，分別由髖部四桿機構、膝部四桿機構、踝部四桿機構等組成，用計算機記錄正常步態(tài)然后復現(xiàn)來幫助病人步行。專利一種擬人化的下肢外骨骼機器人，CN103610568A公開了一種擬人化的下肢外骨骼機器人，由髖部驅動系統(tǒng)、膝部驅動系統(tǒng)、踝部穿戴系統(tǒng)組成。在髖部設置了 3個自由度，膝部設置了 I個自由度，踝部設置2個自由度，以增加穿戴者的舒適度。專利外骨骼可穿戴下肢康復機器人，CN201110292009.0分開了一種外骨骼可穿戴下肢康復機器人，包括腳部外骨骼、踝關節(jié)外骨骼、小腿外骨骼、膝關節(jié)外骨骼、大腿外骨骼、髖關節(jié)外骨骼及腰部外骨骼。驅動電機采用諧波減速器及盤式電機。
[0017]上述專利中，均為雙下肢平衡設計，沒有考慮單側肢體健康的偏癱患者的需求，結構過于復雜，穿戴麻煩，推廣起來有些難度。

【發(fā)明內容】

[0018]本發(fā)明為了解決上述現(xiàn)有技術中存在的缺陷和不足，提供了一種針對單側下肢偏癱患者，幫助他們平地行走和上下樓梯，充分發(fā)揮患者健康側肢體作用，提高系統(tǒng)可靠性，降低成本的偏癱患者專用下肢外骨骼及其使用方法和穩(wěn)定性驗證方法。
[0019]本發(fā)明的技術方案:一種偏癱患者專用下肢外骨骼，包括單側外骨骼腿、支撐桿機構、控制器和電池，所述單側外骨骼腿包括大腿桿、小腿桿、足底靴、連接在大腿桿頂部的髖關節(jié)、連接大腿桿和小腿桿的膝關節(jié)以及連接小腿桿和足底靴的踝關節(jié)，所述支撐桿機構包括支撐桿和設置在支撐桿底部的伸縮桿，所述大腿桿通過髖關節(jié)與支撐桿連接，所述支撐桿上自上而下依次設有髖關節(jié)驅動電機、膝關節(jié)驅動電機和伸縮桿驅動電機，所述髖關節(jié)驅動電機通過髖關節(jié)蝸輪蝸桿與髖關節(jié)連接，所述膝關節(jié)驅動電機通過膝關節(jié)蝸輪蝸桿和膝關節(jié)擺動桿連接小腿桿中部，所述踝關節(jié)與膝關節(jié)之間設有一踝關節(jié)減振器，所述伸縮桿驅動電機通過絲杠傳動結構與伸縮桿連接，所述控制器和電池設置在支撐桿上。
[0020]優(yōu)選地，所述小腿桿上設有滑軌，所述膝關節(jié)擺動桿底部通過一滑塊連接在滑軌上，所述支撐桿頂部設有腋下支撐條，所述腋下支撐條上設有肩帶。
[0021 ] 優(yōu)選地，所述大腿桿上設有大腿綁帶，所述小腿桿上設有小腿綁帶，所述支撐桿上部設有胸部護板，所述胸部護板分成左右兩側護板，左側護板和右側護板均通過護板鉸鏈與支撐桿連接。
[0022]優(yōu)選地，所述踝關節(jié)減振器為一減震桿，所述減震桿頂部鉸接在膝關節(jié)上，減震桿底部鉸接在踝關節(jié)上，所述控制箱內設有實現(xiàn)髖關節(jié)、膝關節(jié)、支撐桿三驅動電機間協(xié)調控制的控制器，所述控制器具有3軸示教功能，即可記憶與再現(xiàn)三個電機的加減速曲線，方便患者根據(jù)自己的習慣，調整髖、膝、伸縮桿3個部件的動作規(guī)劃，所述足底靴和伸縮桿上均安裝有判斷患者足底和伸縮桿是否著地的壓力傳感器，各驅動電機均配套安裝旋轉編碼器，用于檢測各關節(jié)運動位置和速度，以及支撐桿伸縮長度，所述支撐桿上安裝傾斜角度傳感器，檢測支撐桿的角度變化，實現(xiàn)支撐桿與外骨骼腿關節(jié)的協(xié)調控制。
[0023]本發(fā)明采用單側外骨骼腿+支撐桿結構，支撐桿采用可伸縮結構，通過蝸輪蝸桿等傳動機構驅動對應關節(jié)。踝關節(jié)沒有驅動電機，靠踝關節(jié)減振器實現(xiàn)著地緩沖。電池及控制箱固定在支撐桿上。外骨骼腿與支撐桿之間通過髖關節(jié)聯(lián)接。穿戴時，病人患側大小腿與外骨骼腿綁定，患側腳穿入靴中。將支撐條壓在患者腋下，肩帶固定在患者肩部。前后護板分別緊貼前胸和后背，并用帶子扣緊。為適應不同身高患者的要求，大腿桿、小腿桿、伸縮桿等均設置長度調節(jié)裝置。提高穿戴舒適性、方便性方案，為降低裝置的復雜性，提高可靠性，減少成本，本項目外骨骼只設計了髖、膝、踝三個自由度。為增加患者穿戴的舒適性，減輕裝置重量，本外骨骼的大、小腿桿等構件由具有高柔性、高強度材料制作，如聚氨酯等。為方便患者自行穿戴，穿戴前應讓外骨骼自行處于直立準備狀態(tài)。
[0024]一種偏癱患者專用下肢外骨骼平地上的使用方法，包括下述步驟:
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