一种新型下肢机械电子外骨骼及其综合控制系统的制作方法

本实用新型属于神经电生理技术领域，尤其是一种新型下肢机械电子外骨骼及其综合控制系统。

背景技术：

目前世界许多科研机构及公司都在研发机械外骨骼、机械假肢等产品，这些产品帮助肢体功能障碍的人们辅助肢体活动或肢体康复，目前这些产品均采用基于读取肌肉电信号、电子传感器信号或模块的方式驱动机械部分，这种方式只适用于部分人群，如肢体缺失或外周神经受损的人群，但并不适用于中枢传导通路受损的的人群如脑血管病导致的偏瘫病人、高位截瘫病人、运动神经元病(渐冻人)等病人。这类产品无法与大脑建立双向神经反馈通路，无法实现类脑全仿生功能。目前也有一些基于脑电信号驱动的机械外骨骼相关专利或产品，这类产品基于稳态视觉诱发电位(Visual evoked potentail，SSVEP)作为设备的控制核心，但SSVEP受限条件非常多：(1)客观因素包括：整个视觉传导通路任何一处有病变，都会导致该设备无法使用。如常见的近视远视，散光，青光眼，白内障，各种原因导致的复视，眼底出血，眼底动脉硬化，黄斑变性，各种原因引起的视乳头水肿，视神经萎缩及病变，视神经脱髓鞘，颅内肿瘤压迫视神经或视交叉，颅内的多种病变累及视神经传导通路(如最常见的脑梗死或脑出血等疾病)，视觉皮层病变如枕叶梗死出血等，都会使该设备无法使用。另外，支配眼外肌的动眼神经，滑车神经及外展神经，任何一个神经因为任何原因受损，均会使该设备无法使用，而这些疾病恰恰是临床非常常见的疾病。(2)主观因素包括：目前国际上公认的VEP检测方法是被试者观看不断翻转的黑白格棋盘，从而使视觉通路产生信号，来检测视觉通路是否通畅，但这种视觉诱发电位产生方式显然无法用来控制肢体运动。因此被试者要产生有效的、能对运动功能产生引导效果的视觉诱发电位，需要有能产生视觉诱发电位的有国际标准的公认的方案，方案不一致，会导致结果千差万别，很难得到公认。该设备的视觉电位产生方案，未经过广泛的临床实验及专业认可，可用性及可推广性尚不可知，以上两点原因，导致该设备使用范围大幅度受限以及可靠性无法推断。

直立行走是人类最基本的生理功能，一些疾病如：脑血管病、脊髓疾病、周围神经疾病及肌肉疾病等造成人偏瘫、截瘫或肌力不足，从而影响人正常行走功能。下肢早期力量及步态的康复训练就极为重要。但目前针对下肢功能康复在理论及机制上就存在问题，下肢功能的丧失，是由于中枢神经系统环路的被损造成，下肢本身并不存在问题，而目前的康复措施均毫无例外地把重点集中在下肢肢体本身上，因此导致神经康复的实际效果非常差。加之目前下肢康复设备及训练措施比较少，方法又比较单一，无法早期进行真实直立行走的力量及步态训练；而康复师的手法康复治疗又缺乏持续性、系统性和有效性，患者自主康复训练往往因效果缓慢而使患者丧失康复的信心而早早放弃。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于弥补现有技术的不足之处，提供一种新型下肢机械电子外骨骼及其综合控制系统，解决下肢功能丧失患者的康复效果缓慢的问题。

本实用新型解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种新型下肢机械电子外骨骼，包括重心调整装置、髋部电子机械关节、膝部电子机械关节、踝部电子机械关节、腰部连接杆、大腿连接杆、小腿连接杆、大腿外骨骼、小腿外骨骼、足部固定鞋和足底传感器；所述重心调整装置安装在腰部连接杆上，所述腰部连接杆、髋部电子机械关节、大腿外骨骼、大腿连接杆、膝部电子机械关节、小腿外骨骼、小腿连接杆、踝部电子机械关节依次相连接；所述足部固定鞋与踝部电子机械关节连接，所述足底传感器安装在足部固定鞋的底部；上述电子机械关节内安装有关节角度及阻尼传感器并通过相应的关节机械驱动装置驱动产生动作。

所述重心调整装置由U型空心导管、两个可移动配重块、驱动轮、转轴、电机和摩擦轮构成；所述U型空心导管两侧下端与腰部连接杆安装在一起，所述可移动配重块表面有多个驱动轮并安装在转轴上，可移动配重块内部有多个电机带动摩擦轮旋转，该摩擦轮带动驱动轮旋转从而使可移动配重块在U型空心导管内运动。

所述重心调整装置、大腿外骨骼和小腿外骨骼上分别设有腰部固定带、大腿固定带和小腿固定带。

所述腰部连接杆、大腿连接杆、小腿连接杆为伸缩连接杆。

所述足底传感器为足底压力及温度传感器。

一种新型下肢机械电子外骨骼的综合控制系统，由新型下肢机械电子外骨骼及上位设备连接构成，所述上位设备包括多功能人脑计算机接口单元和运动感觉控制装置，所述新型下肢机械电子外骨骼通过运动感觉控制装置与多功能人脑计算机接口单元相连接，所述运动感觉控制装置安装在新型下肢机械电子外骨骼上，多功能人脑计算机接口单元佩戴在头部。

所述多功能人脑计算机接口单元包括立体定向磁头阵列和超微头皮电极阵列，所述立体定向磁头阵列位于大脑皮层躯体感觉中枢所对应的头皮表面用于向躯体感觉中枢传入人造感觉信号，所述超微头皮电极阵列位于大脑皮层躯体运动中枢所对应的头皮表面用于采集躯体运动中枢产生的电信号，该超微头皮电极阵列依次与信号放大器、模数转换器及信号传输器相连接。

所述运动感觉控制装置包括感觉管理单元和下肢运动管理单元；

所述感觉管理单元由人造感觉系统中心控制单元、磁场立体定向控制线圈控制单元和脉冲磁场线圈控制单元连接构成；所述人造感觉系统中心控制单元接收新型下肢机械电子外骨骼中的多组关节角度及阻尼传感器、压力传感器、温度传感器实时的数据信息，将这些数据进行整合、编码成人脑可识别的深感觉和浅感觉的信号，并将编码信息和控制指令传送给磁场立体定向控制线圈控制单元和脉冲磁场线圈控制单元，在磁场立体定向控制线圈控制单元和脉冲磁场线圈控制单元的驱动下，立体定向磁头阵列向大脑皮层躯体感觉中枢发出能被大脑解读的脉冲磁场信号；

所述下肢运动管理单元包括多通道机械驱动装置控制器、脑电信号解读模块、特征脑电信号数据库、小脑类脑智能模拟模块、陀螺仪；

所述脑电信号解读模块对接收到的脑电信号并根据特征脑电信号数据库中存储着各种运动的特征脑电信号数据解读大脑的运动意图，并将解读结果传送至小脑类脑智能模拟模块；

所述陀螺仪实时监测佩戴者躯体及下肢机械电子外骨骼的姿态及运动加速度信息，并即时将信息发送至小脑类脑智能模拟模块；

所述小脑类脑智能模拟模块通过实时接收并分析脑电信号解读模块发出的大脑的运动意图指令数据、陀螺仪及下肢机械电子外骨骼中多种、多组传感器的实时数据，对下肢机械电子外骨骼的各个电子机械关节中的关节机械驱动装置的运动方向、运行角度、运行速度加以精确控制、对重心调整装置随时进行重心调整，从而实时保证躯体的平衡和下肢电子机械外骨骼静止及随意运动中的协调；

多通道机械驱动装置控制器接收小脑类脑智能模拟模块的动作指令，并将相应指令分发给相应的关节机械驱动装置带动相应的电子机械关节产生动作。

所述小脑类脑智能模拟模块还连接自动训练模块，该自动训练模块按照事先编制的设定向小脑类脑智能模拟模块发送数据，小脑类脑智能模拟模块按照该数据向多通道机械驱动装置控制器发出动作指令驱动机械外骨骼做出各种动作。

本实用新型的优点和积极效果是：

1、本实用新型的新型下肢机械电子外骨骼设置有髋部电子机械关节、膝部电子机械关节、踝部电子机械关节及其内部的关节角度及阻尼传感器，能够精确地感应各种动作并据此实现相应控制功能，同时，通过重心调整装置自动调整下肢平衡，保证行走的稳定性和可靠性，可有效地解决下肢功能丧失患者的康复效果缓慢的问题。

2、本实用新型的综合控制系统通过人脑计算机接口技术直接采集、解读大脑运动皮层(高级运动中枢)的神经电信号作为系统的控制核心，人脑可以直接控制机械电子外骨骼按人脑的意图产生各种动作，并运用多种方法使电子外骨骼平稳、平衡地运作；通过收集多组外周传感器产生关节角度、压力及温度信息并由系统处理并模拟成人脑可识别的深感觉(关节觉)和浅感觉(触压觉及温度觉)的信号，通过人脑计算机接口装置反馈到大脑感觉皮层(高级感觉中枢)，经大脑感觉皮层将神经电信号整合处理后，反馈到大脑高级运动皮层中枢，产生二次主动运动行为，起到运动控制信号二次纠正和调节作用。同时，通过本实用新型的类小脑智能控制模块，能智能调整病人的直立、平衡及步态，使病人能真正做到在无外部固定装置的状态下自由行走。最后，经过一定时间的训练和治疗后，病灶周围会产生代偿性的神经网络，从而能真正地重建下肢的运动功能。

3、本实用新型设计合理，其通过人脑计算机接口装置与人脑建立双向神经网络连接，人脑可以直接控制新型下肢机械电子外骨骼按人脑的意图产生各种动作，并运用多种方法使电子外骨骼平稳、平衡的运作，可广泛应用于神经系统损伤造成的肢体运动、肢体感觉功能障碍人群的康复、生活辅助；也可广泛应用于其它机器人技术，如远程机械控制、助力辅助、危险环境探险、排险作业等。

附图说明

图1为本实用新型的下肢机械电子外骨骼侧视图；

图2为本实用新型的重心调整装置的三维透视图；

图3为本实用新型的重心调整装置的剖视图；

图4为本实用新型的可移动配重块的三维立体图；

图5为本实用新型的综合控制系统连接框图；

图中，1：运动感觉控制装置，2：重心调整装置，3-1：腰部固定带，3-2：大腿固定带，3-3：小腿固定带，4-1：腰部连接杆，4-2：大腿连接杆，4-3：小腿连接杆，5-1：髋部电子机械关节，5-2：膝部电子机械关节，5-3：踝部电子机械关节，6-1：大腿外骨骼，6-2：小腿外骨骼，7-足部固定鞋，8-足底压力及温度传感器；2-1：U型空心导管，2-2：可移动配重块，2-3：导线，2-4：驱动轮，2-5：转轴，2-6：电机，2-7：摩擦轮。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型实施例做进一步详述：

一种新型下肢机械电子外骨骼，如图1所示，包括重心调整装置2、髋部电子机械关节5-1、膝部电子机械关节5-2、踝部电子机械关节5-3、腰部连接杆4-1、大腿连接杆4-2、小腿连接杆4-3、大腿外骨骼6-1、小腿外骨骼6-2、足部固定鞋7和足底压力及温度传感器8。所述重心调整装置2安装在腰部连接杆4-1上，所述腰部连接杆4-1、髋部电子机械关节5-1、大腿外骨骼6-1、大腿连接杆4-2、膝部电子机械关节5-2、小腿外骨骼6-2、小腿连接杆4-3、踝部电子机械关节5-3依次相连接。所述足部固定鞋7与踝部电子机械关节5-3连接，用于固定穿戴者足部。所述足底压力及温度传感器8安装在足部固定鞋7的底部，用于探测足底部实时压力及温度数据并将实时数据传送至运动感觉控制装置1。在重心调整装置2、大腿外骨骼6-1和小腿外骨骼6-2分别设有腰部固定带3-1、大腿固定带3-2、小腿固定带3-3，用于将人肢体与机械电子外骨骼紧密固定，以便机械电子外骨骼带动人肢体运动。

上述髋部电子机械关节5-1、膝部电子机械关节5-2、踝部电子机械关节5-3由相应的关节机械驱动装置驱动产生动作，上述电子机械关节内安装有关节角度及阻尼传感器，上述传感器将相应关节角度、运动方向、运动阻尼数据实时传送至上位设备。所述腰部连接杆4-1、大腿连接杆4-2、小腿连接杆4-3均可以沿长转轴上下伸缩并固定，以适应不同穿戴者的身长变化。上述外骨骼由坚固的塑料或金属材质构成，贴敷固定于人体表面，可以支撑肢体并带动肢体运动。

如图2、图3及图4所示，重心调整装置7由U型空心导管2-1、两个可移动配重块2-2、驱动轮2-4、转轴2-5、电机2-6和摩擦轮2-7构成。所述U型空心导管2-1两侧下端与腰部连接杆4-1安装在一起，所述两个可移动配重块2-2安装在U型空心导管2-1内并可沿U型空心导管2-1内壁移动。所述可移动配重块2-2表面有多个驱动轮2-4并安装在转轴2-5上，可移动配重块2-2内部有多个电机2-6带动摩擦轮2-7旋转，摩擦轮2-7带动驱动轮2-4旋转，可移动配重块2-2在U型空心导管2-1内运动。所述电机2-6一端连接导线2-3，导线2-3另一端连接上位设备，在上位设备的控制下，两个可移动配重块2-2通过相应移动来调整机械电子外骨骼重心的转移，使机械电子外骨骼重心始终保持平衡状态。

一种新型下肢机械电子外骨骼的综合控制系统，由新型下肢机械电子外骨骼及上位设备连接构成，所述上位设备包括多功能人脑计算机接口单元和运动感觉控制装置，如图5所示，新型下肢机械电子外骨骼通过运动感觉控制装置与多功能人脑计算机接口单元相连接，所述运动感觉控制装置1安装在新型下肢机械电子外骨骼上(本实施例安装在重心调整装置上，如图1所示)，多功能人脑计算机接口单元佩戴在头部。

所述多功能人脑计算机接口单元安装有立体定向磁头阵列和超微头皮电极阵列，所述立体定向磁头阵列和超微头皮电极阵列分别与运动感觉控制装置的感觉管理单元和下肢运动管理单元相连接。所述立体定向磁头阵列位于大脑皮层躯体感觉中枢所对应的头皮表面用于向躯体感觉中枢传入人造感觉信号，所述超微头皮电极阵列位于大脑皮层躯体运动中枢所对应的头皮表面用于采集躯体运动中枢产生的电信号。所述超微头皮电极阵列依次与信号放大器、模数转换器及信号传输器相连接。信号输出器输出信号至下肢运动管理单元。

所述运动感觉控制装置包括感觉管理单元和下肢运动管理单元。

感觉管理单元由人造感觉系统中心控制单元、磁场立体定向控制线圈控制单元和脉冲磁场线圈控制单元连接构成。所述人造感觉系统中心控制单元接收新型下肢机械电子外骨骼中的多组关节角度及阻尼传感器、压力传感器、温度传感器实时的数据信息，将这些数据进行整合、编码成人脑可识别的深感觉(关节觉)和浅感觉(触压觉及温度觉)的信号，并将编码信息和控制指令传送给磁场立体定向控制线圈控制单元和脉冲磁场线圈控制单元，在磁场立体定向控制线圈控制单元和脉冲磁场线圈控制单元的驱动下，立体定向磁头阵列向大脑皮层躯体感觉中枢发出能被大脑解读的脉冲磁场信号，从而产生人造感觉，大脑可以感知通过机械电子外骨骼所接触物体的温度、软硬以及关节的位置等信息并通过脑内的神经网络传递给大脑内的其它功能区，使人体产生相应的反应。

下肢运动管理单元包括多通道机械驱动装置控制器、脑电信号解读模块、特征脑电信号数据库、小脑类脑智能模拟模块(动作姿态平衡控制模块)、陀螺仪、自动训练模块。下肢运动管理单元能够提供脑电信号自主驱动模式(通过接收分析人大脑皮层躯体运动中枢的运动电信号驱动机械电子外骨骼动作)、自动训练模块驱动模式(通过事先编制的设定驱动机械电子外骨骼动作)、助力驱动模式(为穿戴者提供机械电子外骨骼助力)等多种驱动模式。各种驱动模式可以独立运作或其中的多种驱动模式协同运作来驱动下肢机械电子外骨骼。下面对下肢运动管理单元的各个部分分别进行说明：

脑电信号解读模块通过分析接收到的脑电信号解读大脑的运动意图，并将分析结果传送至小脑类脑智能模拟模块(动作姿态平衡控制模块)。

特征脑电信号数据库中存储着各种运动的特征脑电信号数据，脑电信号解读模块可以把接收到的脑电信号与该数据库中数据进行比对从而快速、准确解读大脑意图。

陀螺仪能够实时监测躯体的姿态及运动加速度等信息，并即时将信息发送至小脑类脑智能模拟模块(动作姿态平衡控制模块)。

小脑类脑智能模拟模块(动作姿态平衡控制模块)：由于人类小脑的主要功能是调节躯体平衡、调节肌紧张、协调随意运动等，因此本模块通过实时接收脑电信号解读模块发出的大脑的运动意图指令数据、陀螺仪及机械电子外骨骼中多种、多组传感器的实时数据，通过对这些数据的整合和综合分析，对下肢机械电子外骨骼的各个电子机械关节中的关节机械驱动装置的运动方向、运行角度、运行速度等加以精确控制、对重心调整装置随时进行重心调整，从而实时保证躯体的平衡和下肢电子机械外骨骼静止及随意运动中的协调，实现模拟人类小脑的功能，使电子机械外骨骼在各种运动模式下均可平稳、平衡地运作。具体包括以下功能：

(1)对脑电信号解读模块发送数据的分析：根据其它传感器传送的数据所描绘的当前机械电子外骨骼姿态信息，进一步明确大脑动作意图，对错误和危险的动作意图进行修正，将正常或修正后的人脑动作意图指令发送至多通道机械驱动装置控制器。

(2)对陀螺仪发送数据的分析：实时分析穿戴者躯体的实时姿态及运动加速度变化。

(3)对关节角度及阻尼传感器发送数据的分析：实时分析各个电子机械关节的角度、运动方向、及各个电子机械关节的运动阻尼变化数据，根据分析确定机械电子外骨骼各个关节实时的姿态信息。在脑电信号自主驱动模式下及自动训练模块驱动模式下，通过实时测量电子机械关节的运动阻尼变化，间接了解佩戴者关节、肌肉及肌腱的紧张状态，当阻尼数值高于设定预警值时将通过指令减慢或停止机械电子外骨骼的运动，避免造成佩戴者关节、肌肉或肌腱的损伤；在助力驱动模式下，通过分析各个电子机械关节的角度及阻尼传感器的细微数据变化，明确使用者各个关节的运动方向、运动速度及力度的意图，从而使相应的电子机械关节的关节机械驱动装置产生相应的助力。

(4)对足底压力传感器及温度传感器发送数据的分析：当机械电子外骨骼足底每次接触地面时，足底压力传感器及温度传感器将即时产生压力及温度数据，通过分析压力及温度数据变化的数值及数值变化的速度，可估计出所接触地面的材质、硬度等的变化，当这些数值超出预警值时，将通过指令减慢或停止机械电子外骨骼的运动，避免踩空或踩碎物体。

自动训练模块：按照事先编制的设定向小脑类脑智能模拟模块(动作姿态平衡控制模块)发送数据，小脑类脑智能模拟模块(动作姿态平衡控制模块)将该数据与多种传感器数据综合分析并处理后向多通道机械驱动装置控制器发出动作指令驱动机械电子外骨骼做出各种动作。该模块可模拟专业康复师的手法，对各种神经肌肉损伤造成的下肢活动功能障碍的患者进行个性化、循序渐进的康复训练。该模块还可接收并分析小脑类脑智能模拟模块(动作姿态平衡控制模块)返回的对关节角度及阻尼传感器分析数据，并根据该数据评估穿戴者关节、肌肉及肌腱的紧张程度，并自动调整训练的强度及程度。该模块还可评估穿戴者的训练效果。

多通道机械驱动装置控制器能够接收小脑类脑智能模拟模块(动作姿态平衡控制模块)的动作指令，并将相应指令分发给相应的关节机械驱动装置带动相应的电子机械关节产生动作。

需要强调的是，本实用新型所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本实用新型包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本实用新型的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本实用新型保护的范围。