于垂直狀態(tài)，支撐桿直立后，驅(qū)動電機(jī)使其再次伸長支撐地面，完成一步助行，為下一次助行做準(zhǔn)備。
[0088]本實(shí)用新型的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)等傳動結(jié)構(gòu)可參照現(xiàn)有雙下肢助行外骨骼成熟的設(shè)計(jì)方案。如圖4所示，本實(shí)用新型的關(guān)節(jié)驅(qū)動擬采用步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)，通過齒輪減速，通過蝸輪蝸桿改變傳動方向，帶動大小腿運(yùn)動。支撐桿伸縮由驅(qū)動電機(jī)通過絲杠螺母實(shí)現(xiàn)，再通過導(dǎo)向機(jī)械，實(shí)現(xiàn)無轉(zhuǎn)動伸縮。
[0089]本實(shí)用新型的安全保護(hù)設(shè)計(jì)，安全性是該產(chǎn)品首要目標(biāo)，為此，該產(chǎn)品設(shè)計(jì)了多重安全保護(hù)措施。一是機(jī)械運(yùn)行極限位置設(shè)計(jì)，保證機(jī)構(gòu)運(yùn)動范圍在人體允許范圍內(nèi)；二是通過相關(guān)部件的自鎖性實(shí)現(xiàn)安全保護(hù)，如人體直立時，膝關(guān)節(jié)需保護(hù)性直立自鎖。本項(xiàng)目通過選用具有自鎖功能電機(jī)，并選用具有自鎖功能的傳動部件，如蝸輪蝸桿(當(dāng)蝸桿的導(dǎo)程角小于嚙合輪齒間的當(dāng)量摩擦角時，具有自鎖性)、螺紋(螺紋自鎖條件為螺紋升角小于當(dāng)量摩擦角)等。三是設(shè)置行程開關(guān)，通過電氣聯(lián)鎖實(shí)現(xiàn)安全保障。四是軟件上充分考慮各種可能出現(xiàn)的狀況，實(shí)現(xiàn)安全容錯保護(hù)。
[0090]如圖5所示，本實(shí)用新型的步態(tài)穩(wěn)定性驗(yàn)證，零力矩點(diǎn)ZMP (Zero Moment Point)軌跡分析是步態(tài)穩(wěn)定性判定常用方法。ZMP是下肢外骨骼所受的重力、慣性力和地面反作用力三者合力矢量的延長線與地面的交點(diǎn)。為了使下肢外骨骼穩(wěn)定行走，應(yīng)保持零力矩點(diǎn)(ZMP) 一直在支撐腳(桿)所組成的凸形多邊形的合理支撐區(qū)域內(nèi)(穩(wěn)定區(qū)域)。穩(wěn)定區(qū)域是支撐腳掌或支撐桿所組成的凸形區(qū)域投影在水平面上的范圍。
[0091]本項(xiàng)目利用人體運(yùn)動圖像三維采集定位系統(tǒng)，采集偏癱患者健康側(cè)腿部在旁人輔助下完成起坐、平地行走，上下樓等動作的圖像；通過ariel生物運(yùn)行分析軟件獲取各運(yùn)行模式對應(yīng)腿部運(yùn)動參數(shù)。再將這些運(yùn)動參數(shù)導(dǎo)入ADAMS建立的人體及外骨骼模型進(jìn)行仿真，計(jì)算零力矩點(diǎn)ZMP軌跡，判斷助行時的穩(wěn)定性，分析步態(tài)的穩(wěn)定裕度。
[0092](2)驅(qū)動電機(jī)控制參數(shù)設(shè)計(jì)，將ariel運(yùn)行分析軟件獲取的關(guān)節(jié)運(yùn)動參數(shù)，導(dǎo)入ADAMS外骨骼模型，仿真計(jì)算髖、膝關(guān)節(jié)二驅(qū)動電機(jī)所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速參數(shù)，以及二驅(qū)動電機(jī)之間聯(lián)軸運(yùn)動控制要求。為找出髖、膝驅(qū)動電機(jī)控制參數(shù)與支撐桿傾斜角度之間關(guān)系，讓患者試穿外骨骼樣機(jī)，在旁人輔助下完成各模式動作，支撐桿伸縮電機(jī)由旁人根據(jù)助行需要手動控制。獲取支撐桿驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速與髖、膝關(guān)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系。
[0093]優(yōu)點(diǎn):利用ariel運(yùn)行分析系統(tǒng)，分析患者正常腿部運(yùn)動獲取控制參數(shù)，有利于設(shè)計(jì)出符合患者習(xí)慣的動作。通過ZMP原則進(jìn)行步態(tài)分析，提高步態(tài)穩(wěn)定性；采用模擬仿真，省略復(fù)雜的數(shù)學(xué)建模，在保證仿真精度情況下，簡化設(shè)計(jì)過程。
[0094]一種偏癱患者專用下肢外骨骼的穩(wěn)定性驗(yàn)證方法，包括下述步驟:
[0095]I)利用三維采集定位系統(tǒng)，采集偏癱患者健康側(cè)腿部在旁人輔助下完成起坐、平地行走，上下樓動作的圖像；
[0096]2)通過ariel生物運(yùn)行分析軟件，獲取髖、膝關(guān)節(jié)運(yùn)動角度，角速度函數(shù)；關(guān)鍵點(diǎn)的運(yùn)動軌跡及速度函數(shù)曲線；
[0097]3)將髖、膝關(guān)節(jié)運(yùn)動參數(shù)添加到模型對應(yīng)部位，通過ADAMS軟件仿真，求出髖、膝關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩參數(shù)；
[0098]4)患者試穿本項(xiàng)目外骨骼樣機(jī)，模擬人體幾種模式動作，支撐桿伸縮電機(jī)由旁人根據(jù)助行需要手動控制；
[0099]5)獲取支撐桿驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速與髖、膝關(guān)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系；
[0100]6)通過Solidworks建立外骨骼及人體模型導(dǎo)入ADAMS，設(shè)置相關(guān)約束及運(yùn)動副；在各驅(qū)動電機(jī)輸出軸添加已獲取的運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行仿真；
[0101]7)仿真計(jì)算外骨骼及人體助行過程零力矩點(diǎn)ZMP軌跡，分析穩(wěn)定裕度。
[0102]將步驟6)得到的各關(guān)節(jié)位置、速度、轉(zhuǎn)矩參數(shù)，轉(zhuǎn)化成各驅(qū)動電機(jī)控制數(shù)據(jù)存入控制器中，工作時，控制器根據(jù)這些數(shù)據(jù)，以及傳感器反饋數(shù)據(jù)，通過控制策略，控制各驅(qū)動電機(jī)，實(shí)現(xiàn)所需的外骨骼動作。
[0103]本實(shí)用新型的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
[0104](I)本裝置以合作企業(yè)自主研發(fā)的控制器為核心，實(shí)現(xiàn)髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、支撐桿三驅(qū)動電機(jī)間的協(xié)調(diào)控制。
[0105]該控制器具有3軸示教功能，即可記憶與再現(xiàn)三個電機(jī)的加減速曲線。據(jù)此，方便患者的根據(jù)自己的習(xí)慣，調(diào)整髖、膝、伸縮桿3個部件的動作規(guī)劃。
[0106](2)本裝置設(shè)置下列檢測裝置，在外骨骼足底、伸縮桿上安裝壓力傳感器，判斷患者足底和伸縮桿是否著地。各驅(qū)動電機(jī)均配套安裝旋轉(zhuǎn)編碼器，用于檢測各關(guān)節(jié)運(yùn)動位置和速度，以及支撐桿伸縮長度。在支撐桿上安裝傾斜角度傳感器，檢測支撐桿的角度變化，實(shí)現(xiàn)支撐桿與外骨骼腿關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)控制。
[0107](3)將步驟6得到的各關(guān)節(jié)位置、速度、轉(zhuǎn)矩參數(shù)，轉(zhuǎn)化成各驅(qū)動電機(jī)控制數(shù)據(jù)存入控制器中。工作時，控制器根據(jù)這些數(shù)據(jù)，以及傳感器反饋數(shù)據(jù)，通過一定的控制策略，控制各驅(qū)動電機(jī)，實(shí)現(xiàn)所需的外骨骼動作。
[0108]本實(shí)用新型中提到的骨骼為人造骨骼結(jié)構(gòu)，其中提到的關(guān)節(jié)都為人造類關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種偏癱患者專用下肢外骨骼，包括單側(cè)外骨骼腿、支撐桿機(jī)構(gòu)、控制器和電池，其特征在于:所述單側(cè)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(guān)節(jié)、連接大腿桿和小腿桿的膝關(guān)節(jié)以及連接小腿桿和足底靴的踝關(guān)節(jié)，所述支撐桿機(jī)構(gòu)包括支撐桿和設(shè)置在支撐桿底部的伸縮桿，所述大腿桿通過髖關(guān)節(jié)與支撐桿連接，所述支撐桿上自上而下依次設(shè)有髖關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)、膝關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)和伸縮桿驅(qū)動電機(jī)，所述髖關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)通過髖關(guān)節(jié)蝸輪蝸桿與髖關(guān)節(jié)連接，所述膝關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)通過膝關(guān)節(jié)蝸輪蝸桿和膝關(guān)節(jié)擺動桿連接小腿桿中部，所述小腿桿和足底靴之間設(shè)有一踝關(guān)節(jié)減振器，所述伸縮桿驅(qū)動電機(jī)通過絲杠傳動結(jié)構(gòu)與伸縮桿連接，所述控制器和電池設(shè)置在支撐桿上。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種偏癱患者專用下肢外骨骼，其特征在于:所述小腿桿上設(shè)有滑軌，所述膝關(guān)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(shè)有腋下支撐條，所述腋下支撐條上設(shè)有肩帶。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種偏癱患者專用下肢外骨骼，其特征在于:所述大腿桿上設(shè)有大腿綁帶，所述小腿桿上設(shè)有小腿綁帶，所述支撐桿上部設(shè)有胸部護(hù)板，所述胸部護(hù)板分成左右兩側(cè)護(hù)板，左側(cè)護(hù)板和右側(cè)護(hù)板均通過護(hù)板鉸鏈與支撐桿連接。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種偏癱患者專用下肢外骨骼，其特征在于:所述踝關(guān)節(jié)減振器為一減震桿，所述減震桿頂部鉸接在膝關(guān)節(jié)上，減震桿底部鉸接在踝關(guān)節(jié)上，所述控制箱內(nèi)設(shè)有實(shí)現(xiàn)髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、支撐桿三驅(qū)動電機(jī)間協(xié)調(diào)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(jī)的加減速曲線，方便患者根據(jù)自己的習(xí)慣，調(diào)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(qū)動電機(jī)均配套安裝旋轉(zhuǎn)編碼器，用于檢測各關(guān)節(jié)運(yùn)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(shí)現(xiàn)支撐桿與外骨骼腿關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)控制。
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種偏癱患者專用下肢外骨骼，包括單側(cè)外骨骼腿、支撐桿、伸縮桿、控制器和電池，單側(cè)外骨骼腿包括大腿桿、小腿桿、足底靴、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)，大腿桿通過髖關(guān)節(jié)與支撐桿連接，支撐桿上自上而下依次設(shè)有髖關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)、膝關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)和伸縮桿驅(qū)動電機(jī)，髖關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)通過髖關(guān)節(jié)蝸輪蝸桿與髖關(guān)節(jié)連接，膝關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)通過膝關(guān)節(jié)蝸輪蝸桿和膝關(guān)節(jié)擺動桿連接小腿桿中部，踝關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)之間設(shè)有踝關(guān)節(jié)減振器，伸縮桿驅(qū)動電機(jī)通過絲杠傳動結(jié)構(gòu)與伸縮桿連接，控制器和電池設(shè)在支撐桿上。本實(shí)用新型針對單側(cè)下肢偏癱患者，充分發(fā)揮患者健康側(cè)肢體作用，助其平地行走和上下樓梯，提高可靠性，降低成本。
【IPC分類】A61H1/02, A61H3/00
【公開號】CN204636917
【申請?zhí)枴緾N201520279732
【發(fā)明人】李軍, 秦利明, 李國業(yè), 葉鄭煥
【申請人】臺州學(xué)院
【公開日】2015年9月16日
【申請日】2015年5月4日