[发明专利]下肢外骨骼驱动器

说明书

本发明公开了一种下肢外骨骼驱动器，包括驱动装置、机架、主轴、转盘、棘轮和棘爪组件，主轴可自由转动地安装在机架上；转盘固定在主轴上；棘轮可自由转动地套装在主轴上；棘爪组件包括第一棘爪和第二棘爪，第一棘爪可枢转地安装在机架上，第二棘爪可枢转地安装在转盘上；当第一棘爪与棘轮啮合且第二棘爪与棘轮拨离时，棘轮静止，转盘可随下肢后摆伸展而逆着棘轮的棘齿方向从第一位置转动到第二位置；当转盘转动到第二位置时，第一棘爪与棘轮拨离且第二棘爪与棘轮啮合，驱动装置驱动转盘顺着棘轮的棘齿方向转动，从而推动下肢向前迈进。本发明能够为脊髓损伤患者行走提供外源力，使肌肉损伤平面更高的患者也能够使用，且体积小、控制方便。

技术领域

本发明涉及康复工程仿生机器人技术领域，尤其是涉及一种下肢外骨骼驱动器。

背景技术

研究表明，站立和直立行走对脊髓损伤患者有诸多益处，比如增加骨密度、降低褥疮和尿路感染的可能性、保持关节的活动度、减轻肌肉痉挛、改善心血管系统，以及与健康人站在同一高度平等交流从而提升社会参与度等。下肢助行外骨骼可以帮助脊髓损伤患者实现站立和直立行走，具有积极的意义。

当前，国内外均对脊髓损伤患者的助行设备进行了一系列研究，也在核心技术和临床应用方面取得了丰硕的成果。现有的助行设备主要分为动力和无动力两种。动力助行外骨骼的发展始于上世纪60年代，到现在经历了从探索、积累到快速发展，目前正迈入未来概念的阶段。一些动力助行外骨骼已经商品化，最具代表性的如以色列ReWalk Robotics公司的ReWalk，它通过系统程序控制，利用电机实现助行设备本身的关节转动，再通过绑缚系统将交互力传递到人体，代偿人体下肢运动功能受损的肌肉，并借助拐杖或助行架保持平衡，从而实现患者的行走。动力助行外骨骼从最初主要致力于实现模拟健康人的步态行走，已经发展到致力于轻型化、智能化和更好的人机融合。在关键技术方面，对动力助行设备的主要关注集中在机械结构、动力源、检测传感装置，以及控制及信息处理系统等核心技术方面。虽然ReWalk等动力助行外骨骼已经实现了商业化，并开始面向市场服务于患者，但是由于这类外骨骼通常具有复杂的电控、传感和动力系统，其体积和重量通常较大，而且价格高昂，非一般家庭所能负担。

无动力助行设备起步于下肢关节矫形器，发展至今已经有超过一百年的历史。最初以膝-踝-足矫形器(knee-ankle-foot orthosis,KAFO)为代表的无动力助行设备主要为患者提供下肢关节支撑，防止因膝关节屈曲而导致患者摔倒等意外的发生，提高患者站立和行走过程中的稳定性。患者使用KAFO行走首先需要将身体重心转移到支撑一侧下肢，而后通过躯干肌群(和残存的屈髋肌群)将下肢“甩”出，利用惯性保持行走；通过进一步的发展，Walkabout在KAFO基础上，采用人字形铰链将双侧下肢连接起来，以进一步改善患者站立的平衡性；路易斯安那州立大学交互式矫形器(Louisiana state universityreciprocating gait orthosis,LSU-RGO)通过钢索将两侧髋关节相连接，行走时患者首先将身体重心转移至支撑一侧的下肢上，然后伸展躯干使同侧髋关节做过伸运动，蹬地产生的力矩通过钢索传递至对侧髋关节，带动对侧髋关节做屈曲运动，实现了利用躯干的伸展形成交互行走的目的。清华大学季林红老师课题组通过实验发现相比正常步态，固定膝、踝关节行走使髋关节屈肌支撑期吸收的能量增加，在此基础上提出了通过髋关节储能的技术概念和实施方法，利用拉伸弹簧模拟髂肌吸收髋关节伸展产生的能量，并在摆动期释放为髋关节屈曲提供助力。该仿生储能外骨骼(Unpowered energy-stored exoskeleton,ES-EXO)系统进一步提高了无动力助行外骨骼的性能。相比动力式助行设备复杂的控制系统和庞大的驱动装置，无动力式助行设备通过患者本身的神经系统实现对设备的控制，利用助行设备的机械结构将上肢和躯干运动功能未受损伤的肌肉产生的能量传递到下肢，代偿下肢运动功能受损的肌肉，使人体和外骨骼同时运动。由于不同类型的无动力式助行设备行走原理不同，起代偿作用的肌肉不同，因而对患者自身的残存能力要求也不同。