偏瘫患者专用下肢外骨骼及其使用方法和稳定性验证方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种助残器械，尤其涉及一种偏瘫患者专用下肢外骨骼及其使用方法和步态稳定性验证方法。
【背景技术】
[0002]现有技术及存在的不足:
[0003]1.现有相关产品及不足
[0004](1)2014年巴西世界杯足球赛开幕式上，让瘫痪的巴西少年平托站起来开球的外骨骼，名为BRA-Santos Dumont，代表了当今世界外骨骼技术的先进水平。
[0005]这款脑控外骨骼是国际“再次行走计划”的一个研宄成果。这款外骨骼由植入头皮或患者脑内的电极探测大脑活动信号，这些信号通过无线方式传输给佩戴者身上的一台电脑，电脑负责将信号转化成具体的腿部动作。BRA-Santos Dumont外骨骼装置技术含量高，集中了上百科学家智慧，应用了当今最先进技术。该装置由脑电波来控制，需要把电极直接植入瘫痪患者的大脑中。在放置电极时，不仅要把电极植入颅骨下的脑组织内，而且还要能同时探测大脑皮层上的更多神经元。一些神经科学家认为，通过脑电图等无创手段来记录大脑活动，可以反映出意识和肌肉之间的对应关系，但目前这个想法还没有实现。该装置结构过于繁杂，离实用还有一段距离。其成本也让普通患者难以接受。
[0006](2)本田公司研制的Walking Assist Device (行走辅助装备)。它能够减轻使用者各种肌肉负载，轻松完成一些基本动作。这个装备包括坐垫(seat)、支架(fream)、鞋子(shoes)三部分，总重量6.5kg。本田公司目前正在他们的汽车工厂内小范围的测试该装备的效果。
[0007]该装置比较灵巧，但主要适用于四肢健康，但体力不支的老年体弱者使用，不适合偏瘫患者使用。因为该系统难以保证使用者的平衡性。但对本发明的研制有某些借鉴作用。
[0008](3)以色列埃尔格医学技术公司(Argo Medical Technologies)研发的仿生外骨骼，名为“ReWalk”。2014年，此产品通过了美国食物与药品管理局(FDA)的认证。是首款通过FDA认证的外骨骼。FDA认为，ReWalk可以帮助那些双腿失去行动能力的人再次感受走路时的感觉。
[0009]“ReWalk”可帮助下身麻痹患者(即腰部以下瘫痪的人)站立、行走和爬楼梯。“ReWalk”需要一副拐杖帮助维持身体平衡，由电动腿部支架、身体感应器和一个背包组成，背包内有一个计算机控制盒以及可再充电的蓄电池。使用者可以用遥控腰带选定某种模式，如站、坐、走、爬等。然后向前倾，激活身体感应器，使机械腿处于运动之中。
[0010]虽然ReWalk获得了 FDA的认证，但这并不是意味着所有行动不便的人都能用上它。据悉，这款装备的价格跟它的重量一样，都相当地“重”，高达6.95万美元。使用者还需要进行15次培训课程之后才能真正上手。产品发明人戈夫尔本人曾在1997年的一起事故中瘫痪，遗憾的是，他却不能使用自己的发明，因为他的双臂尚不能完全发挥作用。因为该装置需要双手均能使用拐杖来保持平衡，对于偏瘫病人，使用起来有些困难。
[0011](4)清华大学康复工程研宄中心教授张济川与北京瑞海博科技有限公司研制的截瘫步行机。该产品的主要有两方面用途:一、作为代步工具供截瘫患者穿在身上，在步行机构驱动下独立行走；二、与医用跑台配合，作为下肢功能障碍者进行训练的主要康复设备。
[0012]步行机的控制系统由光码盘、微处理器、功率放大器、位置反馈系统等组成，可实现双腿自动交替的步态，并有自动补偿步态相位差的功能。患者可根据需要手动调节步行速度。该步行机采用轻质高强的钛合金制造，总重量只有9.6公斤。目前，患者使用该步行系统，还需小车的配合，不适用于上下楼梯及上下坡。
[0013](5) 2014年7月，《深圳特区报》《中国科学报》等国内多家媒体报道，中国科学院深圳先进技术研宄院的下肢外骨骼机器人项目取得重大突破，成功实现截瘫病人通过穿戴机器人实现站立行走[9]。该机器人采用小型化的动力系统及欠驱动机械结构，运用柔性控制来实现外骨骼机器人稳定的步态。与国内外同类型机器人相比，先进院外骨骼机器人具有结构紧凑、智能步态规划、康复训练与残障人士助力行走兼顾的特色。
[0014]经比较，该成果与以色列埃尔格医学技术公司(Argo Medical Technologies)研发的仿生外骨骼，名为“ReWalk”外骨骼类似。但该装置的使用，需用二根拐杖，需二只健康的手来辅助动作，也不适合单侧偏瘫病人。
[0015]2.现有相关专利及不足
[0016]专利一种穿戴式下肢外骨赂助行机器人，CN103054692A公开了一种穿戴式下肢外骨骼助行机器人，由踝关节运动模块、膝关节运动模块、髋关节运动模块、驱动模块、腰部及支撑架模块等组成。专利一种穿戴式下肢助力外骨骼，CN103315834，通过连杆、齿轮等复杂结构，提供一种单自由度的穿戴式下肢助力外骨骼。专利一种分体式的人体下肢外骨骼助行装置，CN201939538公开了一种分体式人体下肢外骨骼助行装置，采用无需与大小腿绑缚的伸缩式支撑杆，实现对人体的支撑。专利一种可穿戴式的下肢步行外骨骼，ZL200420081794.4公开了一种可穿戴式下肢步行外骨赂，分别由髋部四杆机构、膝部四杆机构、踝部四杆机构等组成，用计算机记录正常步态然后复现来帮助病人步行。专利一种拟人化的下肢外骨骼机器人，CN103610568A公开了一种拟人化的下肢外骨骼机器人，由髋部驱动系统、膝部驱动系统、踝部穿戴系统组成。在髋部设置了 3个自由度，膝部设置了 I个自由度，踝部设置2个自由度，以增加穿戴者的舒适度。专利外骨骼可穿戴下肢康复机器人，CN201110292009.0分开了一种外骨骼可穿戴下肢康复机器人，包括脚部外骨骼、踝关节外骨骼、小腿外骨骼、膝关节外骨骼、大腿外骨骼、髋关节外骨骼及腰部外骨骼。驱动电机采用谐波减速器及盘式电机。
[0017]上述专利中，均为双下肢平衡设计，没有考虑单侧肢体健康的偏瘫患者的需求，结构过于复杂，穿戴麻烦，推广起来有些难度。
【发明内容】
[0018]本发明为了解决上述现有技术中存在的缺陷和不足，提供了一种针对单侧下肢偏瘫患者，帮助他们平地行走和上下楼梯，充分发挥患者健康侧肢体作用，提高系统可靠性，降低成本的偏瘫患者专用下肢外骨骼及其使用方法和稳定性验证方法。
[0019]本发明的技术方案:一种偏瘫患者专用下肢外骨骼，包括单侧外骨骼腿、支撑杆机构、控制器和电池，所述单侧外骨骼腿包括大腿杆、小腿杆、足底靴、连接在大腿杆顶部的髋关节、连接大腿杆和小腿杆的膝关节以及连接小腿杆和足底靴的踝关节，所述支撑杆机构包括支撑杆和设置在支撑杆底部的伸缩杆，所述大腿杆通过髋关节与支撑杆连接，所述支撑杆上自上而下依次设有髋关节驱动电机、膝关节驱动电机和伸缩杆驱动电机，所述髋关节驱动电机通过髋关节蜗轮蜗杆与髋关节连接，所述膝关节驱动电机通过膝关节蜗轮蜗杆和膝关节摆动杆连接小腿杆中部，所述踝关节与膝关节之间设有一踝关节减振器，所述伸缩杆驱动电机通过丝杠传动结构与伸缩杆连接，所述控制器和电池设置在支撑杆上。
[0020]优选地，所述小腿杆上设有滑轨，所述膝关节摆动杆底部通过一滑块连接在滑轨上，所述支撑杆顶部设有腋下支撑条，所述腋下支撑条上设有肩带。
[0021 ] 优选地，所述大腿杆上设有大腿绑带，所述小腿杆上设有小腿绑带，所述支撑杆上部设有胸部护板，所述胸部护板分成左右两侧护板，左侧护板和右侧护板均通过护板铰链与支撑杆连接。
[0022]优选地，所述踝关节减振器为一减震杆，所述减震杆顶部铰接在膝关节上，减震杆底部铰接在踝关节上，所述控制箱内设有实现髋关节、膝关节、支撑杆三驱动电机间协调控制的控制器，所述控制器具有3轴示教功能，即可记忆与再现三个电机的加减速曲线，方便患者根据自己的习惯，调整髋、膝、伸缩杆3个部件的动作规划，所述足底靴和伸缩杆上均安装有判断患者足底和伸缩杆是否着地的压力传感器，各驱动电机均配套安装旋转编码器，用于检测各关节运动位置和速度，以及支撑杆伸缩长度，所述支撑杆上安装倾斜角度传感器，检测支撑杆的角度变化，实现支撑杆与外骨骼腿关节的协调控制。
[0023]本发明采用单侧外骨骼腿+支撑杆结构，支撑杆采用可伸缩结构，通过蜗轮蜗杆等传动机构驱动对应关节。踝关节没有驱动电机，靠踝关节减振器实现着地缓冲。电池及控制箱固定在支撑杆上。外骨骼腿与支撑杆之间通过髋关节联接。穿戴时，病人患侧大小腿与外骨骼腿绑定，患侧脚穿入靴中。将支撑条压在患者腋下，肩带固定在患者肩部。前后护板分别紧贴前胸和后背，并用带子扣紧。为适应不同身高患者的要求，大腿杆、小腿杆、伸缩杆等均设置长度调节装置。提高穿戴舒适性、方便性方案，为降低装置的复杂性，提高可靠性，减少成本，本项目外骨骼只设计了髋、膝、踝三个自由度。为增加患者穿戴的舒适性，减轻装置重量，本外骨骼的大、小腿杆等构件由具有高柔性、高强度材料制作，如聚氨酯等。为方便患者自行穿戴，穿戴前应让外骨骼自行处于直立准备状态。
[0024]一种偏瘫患者专用下肢外骨骼平地上的使用方法，包括下述步骤:
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