[發明專利]一種用于脊髓損傷患者的足底輪式驅動自平衡動力外骨骼

有效

• 申請號: 201710236659.0
• 申請日: 2017-04-12
• 公開（公告）號: CN107174488B
• 公開（公告）日: 2020-03-20
• 發明（設計）人: 季林紅;馬青川
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: A61H3/00
• 分類號: A61H3/00
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 張文寶

本發明公開了一種用于脊髓損傷患者的足底輪式驅動自平衡動力外骨骼，包括髖關節、膝關節、踝關節、足底驅動模塊、骨盆、股骨和脛骨。踝關節采用無動力被動式關節，在矢狀面和冠狀面各具有一個旋轉自由度，膝關節采用主動式關節驅動器，髖關節為主動式關節驅動器或可控制動器，膝關節和髖關節在矢狀面具有一個旋轉自由度，配合足底輪式驅動雙腳始終著地的優勢，在冠狀面運動學和動力學平衡；在骨盆處設計了支撐裝置，利用足底輪式驅動雙腳始終著地的優點，將人體重量由支撐裝置經外骨骼傳遞到地面，有效減小了外骨骼需要約束的人體重量；通過在關節處設計扭簧等儲能原件，可以將行走運動過程中的垂直向負重波動造成的對驅動器能量的消耗降低。

技術領域

本發明屬于醫療器械技術領域，特別地，涉及一種動力下肢醫療外骨骼技術。

背景技術

脊髓損傷是一種嚴重的下肢運動系統喪失疾病，按損傷程度可以分為截癱和四肢癱。脊髓損傷患者由于下肢運動機能喪失，需要依賴輔具來實現基本生活。動力下肢外骨骼由于可以輔助患者實現直立行走，因而成為目前非常具有發展潛力的智能醫療康復設備，由于脊髓損傷患者無法通過自身保證行走平衡，因此運動平衡性成為外骨骼設計中的重點和難點。

目前已經實際應用的運動平衡方法主要有三種：第一種是采用輔助器件的方法，當前絕大多數的外骨骼都是依賴肘拐或者助行架來保證平衡，其中包括以色列的ReWalk，美國的Ekso和Indego等商用化比較成功的外骨骼產品，但使用這種外骨骼時需要患者擁有良好的上肢機能，因而僅能應用于低位脊髓損傷而無法應用于高位或四肢癱患者；第二種是采用自運動平衡算法的方法，目前應用比較廣的主要是零力矩點(Zero Moment Point,ZMP)平衡算法，但ZMP平衡算法僅能保證矢狀面的平衡而無法實現冠狀面的平衡，因而目前多應用于幫助健康人增強能力的動力外骨骼中，當應用于下肢機能損傷患者時，一些本身采用ZMP算法的外骨骼如日本的HAL等還是需要依賴肘拐來保證行走安全；第三種主要是采用自身機械結構的平衡方法，新西蘭的REX是世界上首款采用這種方法的外骨骼，該外骨骼采用自身機械結構實現了無拐行走平衡，達到了Handsfree的使用體驗，不但可以應用于低位的截癱也可以應用于無法使用肘拐的四肢癱，但目前REX僅能以低速行走避免動載的方式保證平衡，而無法實現快速運動平衡。

在外骨骼使用過程中，人機運動協調性是一個關鍵的評價指標。由于外骨骼帶動人體運動本身屬于采用機械方式約束人體隨著既定的軌跡運動，而外骨骼質量相對于人體一般較小，屬于小質量約束大質量，因而常出現人體無法緊隨外骨骼運動的情況，即所謂人機運動不協調。提高人機運動協調性的關鍵是減小外骨骼需要約束的人體質量。目前常采用的辦法是使用人體重量支撐系統(Body Weight Support,BWS)。但當前的BWS系統設計復雜并且基本沒有移動性可言，因而常應用于基于跑步機的外骨骼系統中。此外由于人體行走過程屬于周期性運動，在關節驅動型外骨骼中大量的能量被用來抵消垂直向的負重波動，真正用于前行的能量較小。采用儲能元件可以有效減小負重對能量的消耗。但由于關節驅動型外骨骼在行走過程中要經歷單支撐期和雙支撐期，雙腿并非時刻著地，因而目前這種方法在關節驅動型外骨骼中實現起來較為困難。

由于超過一半的脊髓損傷患者是頸級損傷，C5最多其次胸級(T1-T12)(NSCISC2015)，但目前絕大多數外骨骼只能覆蓋胸級損傷患者，因而研發像REX一樣采用無拐平衡方式的動力外骨骼對于覆蓋整個脊髓損傷人群具有現實意義。但同時這種外骨骼相比于REX應該有根本性的結構改進以實現運動平衡能力。目前包括REX在內的絕大多數外骨骼在結構上都屬于關節驅動型外骨骼。這種外骨骼行走方式更接近于人體，在前行時需要先抬腳后向前邁步。多出來的抬腳時間限制了這種類型的外骨骼前向平衡速度。相比之下，輪式驅動機構由于在前行時靠輪子的快速滾動可以實現運動平衡，這種機構借助于倒立擺平衡算法已經在平衡車如Segway和輪式機器人中得到了很好的應用。此外，配合適當的體重支撐設計，利用輪式驅動雙腳始終著地的優勢，可以將人體重量通過外骨骼自身結構傳遞到地面，有效提高人機運動協調性，減小驅動器性能要求和能量消耗。