[发明专利]下肢康复训练外骨骼系统及其步行控制方法与髋关节结构

说明书

本发明涉及一种下肢康复训练外骨骼系统及其步行控制方法与髋关节结构，属于医疗机器人技术领域。髋关节结构包括外展自由度欠驱动机构，外展自由度欠驱动机构包括安装座、左髋关节内收驱动臂、右髋关节内收驱动臂及驱动器；左髋关节内收驱动臂与右髋关节内收驱动臂可在内收单腿支撑位置与欠外展位置间往复摆动地安装在安装座上；驱动器用于在单腿步态周期内，驱动两髋关节内收驱动臂中的摆动侧者保持在欠外展位置上，且支撑侧者内收动作。基于该结构设置的髋关节，能在康复训练过程中避免出现侧倾问题，可广泛应用于下肢无力或偏瘫患者的康复训练。

技术领域

本发明涉及医疗用机器人技术领域，具体地说，涉及一种下肢康复训练外骨骼系统及其步行控制方法与髋关节结构。

背景技术

随着我国脑卒中患病率的增加，脑卒中患者早期康复训练治疗越来越受到重视，其主流是利用中枢神经系统的可塑性，通过运动训练使患侧出现相应的反应，改善肌肉张力，建立神经系统新的组合关系。然而，依靠理疗师对患者进行手动康复训练不但效率不高，而且康复训练效果主要取决于理疗师的经验。

随着机器人技术的不断发展与进步，利用外骨骼机器人替代传统理疗师来指导患者进行康复训练，有助于患者康复训练进程的科学定量化管理，并解决康复训练理疗师资源不足的难题。同时，相比于兴起较早的基于活动平板的悬吊减重式康复训练外骨骼，直立步行下肢康复训练外骨骼基于直立行走条件下使患者真正感知正常步行，而不是在跑步机上的原地踏步行走，其能更好地辅助脑卒中患者实现下肢康复训练。

公布号为CN103932870A的专利文献中公开了一种仿生设计下肢康复训练外骨骼，其包括穿戴者腰部连接的腰部绑紧机构和下肢外骨骼推杆，在下肢外骨骼左右腿杆上各有四个自由度；其中，髋关节通过髋关节内收外展机构、髋关节屈伸机构及髋关节内旋外旋机构实现其中三个自由度，且该三个自由度的轴线正交于人体髋关节运动中心；膝关节屈伸机构的转动中心随人体膝关节转动中心一起运动。该下肢康复训练外骨骼系统通过分析人体下肢髋关节和膝关节的生理运动特征，相应地设计了外骨骼关节，使得人体穿戴外骨骼步行过程中外骨骼关节转动中心与人体对应关节转动中心的运动轨迹保持一致，有助于改善穿戴的舒适性。

但该下肢康复训练外骨骼系统与现有其他外骨骼系统均存在以下问题，即穿戴外骨骼的偏瘫患者在临床实验中，其一侧腿支撑，另一侧腿将要离地向前迈步的时候，由于患者缺乏主动提胯抬腿能力，需要外骨骼指导患者下肢关节屈伸，而在重力作用下，人体会向将要迈腿侧倾覆，导致穿戴者出现侧向摔倒的问题，基于步行平衡稳定理论分析，其主要原因是不满足零力矩点(Zero Moment Poi nt,ZMP)平衡判据，即当迈腿一侧足底要离地时，由于外骨骼机器人缺乏髋关节内收外展主动助力驱动机构，该自由度没有角度变化，导致ZMP位置在足底支撑平面之外，所以会有一个额外的倾覆力矩导致失稳，导致ZMP位置在足底支撑平面之外，所以会有一个额外的倾覆力矩导致穿戴者失稳而摔倒。

针对上述失稳问题，目前常用的解决方案是采用双拐来辅助下肢康复系列外骨骼系统支撑人体步行，以达到保证人体步行平衡的目的，通常是通过在双拐末端安装了力传感器，用于辅助检测患者的平衡状态。这种借助双拐辅助平衡的方式虽然能在一定程度上改善患者穿戴外骨骼后步行的平衡稳定性，但对患者上肢操作双拐能力具有一定的要求，要求其能根据自身平衡情况及时地调整双拐的支撑位置。这显然对于脑卒中偏瘫患者来说不容易实现，因为偏瘫患者上肢也有一侧处于麻痹状态。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种下肢康复训练外骨骼系统的步行控制方法，以确保外骨骼系统能更平稳地辅助穿戴者进行步行康复训练；本发明的另一目的是提供一种下肢康复训练外骨骼系统用的髋关节结构，以使该下肢康复训练外骨骼系统能适用上述步行控制方法，而能更平稳地辅助穿戴者进行步行康复训练；本发明的另一目的是提供一种以上述髋关节结构构建的下肢康复训练外骨骼系统，以使其能更平稳地辅助穿戴者进行步行康复训练。