一種穿戴式仿人步態下肢康復助行裝置的製作方法

2023-10-07 07:00:04 1

本發明涉及康復助行器械技術領域，更具體地說是一種穿戴式仿人步態下肢康復助行裝置。

背景技術：

據相關調查，我國每年有近十萬新增肢體殘疾脊髓損傷患者，並且隨著老齡化的嚴重，老年人身體和各種生理功能下降，中風偏癱以及交通事故中造成的下肢損傷導致病人身心都受到嚴重損傷，對家人及社會構成嚴重的負擔，下肢康復裝置是一種具有廣泛應用價值的康復器械。

康復助行裝置或康復機器人是現代科技進步與人體康復醫療需求相結合的產品，屬於醫療機器人的範疇，其主要功能是幫助患者完成各種運動功能的恢復訓練，如行走訓練，肌肉恢復訓練等。

傳統的康復訓練有賴於治療師一對一的徒手操作，治療師的勞動強度大。現階段，世界上約有十家實驗室從事可穿戴型助行器的研究，如日本筑波大學的hal，能夠高度控制人體運動正常步態。但是這些助行裝置往往結構複雜，控制系統造價昂貴，導致價格極高。

專利號為201310419611.5，名稱為「仿人步態下肢康復助行器械」的專利文件中公開的技術方案，使用連杆機構模擬人正常行走的運動規律，其結構簡單，但不具有柔度，衝擊力較大，調節不方便，不能很好地配合使用者的形體。專利號201310689890.7，名稱為一種「穿戴式下肢康復訓練裝置」的專利文件中，通過兩組連杆機構分別帶動膝關節和髖關節運動，結構也比較簡單，但同樣不具有柔性，並且需要多個電機，膝關節和髖關節的協調配合不能夠保證。兩者都不能對單獨關節進行康復訓練。

技術實現要素：

本發明是為避免上述現有技術所存在的不足，提供一種結構簡單、控制方便的穿戴式仿人步態下肢康復助行裝置，用一種仿人步態的運動方式帶動患者進行正常人行走，使其驅動具有柔性，具有與肢體運動的協調性，減少衝擊，並且能很好地配合使用者的形體，實現康復訓練。

為實現上述目的，本發明採用如下技術方案：

一種穿戴式仿人步態下肢康復助行裝置，由左右對稱的梯形支架構成支撐框架，在所述支撐框架上左右對稱設置有下肢機構，所述下肢機構包括：

腰部，在其頂部固定設置驅動模塊，其底部與大腿杆的上端通過水平銷鉸接相連，形成髖關節；

大腿杆，其下端與小腿杆的上端通過水平銷鉸接相連，形成膝關節，所述大腿杆的內側設有用於固定大腿的大腿固定環；

小腿杆，其下端與腳部鉸接相連，形成踝關節，其內側設有用於固定小腿的小腿固定環；

驅動模塊，通過多路輸出帶動多條柔索，各柔索在驅動模塊的驅動下一一對應地對雙側大腿杆、小腿杆以及腳部進行牽動，實現大腿杆、小腿杆及腳部的運動。

優選的，所述驅動模塊是通過電機驅動主動鏈輪，所述主動鏈輪通過傳動鏈驅動被動鏈輪進行轉動，以所述被動鏈輪的輪軸為輸出軸，在所述輸出軸的兩軸端通過多路曲柄連杆機構一一對應驅動所述各條柔索。

優選的，所述多路曲柄連杆機構是在所述輸出軸的兩軸端設置連接板形成一對曲柄，在所述曲柄的另一端鉸接連接有圓盤，在所述圓盤上分布有四路連杆機構，所述四路連杆機構分別是：

第一連杆機構，通過第一連杆鉸接第一滑塊，所述第一滑塊連接第一柔索，所述第一柔索通過滑輪將動力傳遞至所述髖關節；

第二連杆機構，通過第二連杆鉸接第二滑塊，所述第二滑塊連接第二柔索，所述第二柔索通過滑輪將動力傳遞至所述膝關節；

第三連杆機構，通過第三連杆鉸接第三滑塊，所述第三滑塊連接第三柔索，所述第三柔索通過滑輪將動力傳遞至所述踝關節；

第四連杆機構，通過第四連杆鉸接第四滑塊，所述第四滑塊連接第四柔索，所述第四柔索通過滑輪將動力傳遞至所述膝關節。

優選的，所述圓盤上還設有約束機構，所述約束機構是由所述圓盤外緣一處向外凸出形成約束杆，在約束杆的另一端鉸接有約束滑塊，通過所述約束滑塊沿導杆作往復直線運動實現對所述圓盤運動的約束。

優選的，所述大腿杆上靠近所述髖關節位置處設有兩個髖關節止點，所述第一柔索與所述髖關節止點相連。

優選的，所述小腿杆上靠近所述膝關節位置處設有四個膝關節止點，所述第二柔索、第四柔索分別與所述各膝關節止點相連。

優選的，所述腳部設有兩個踝關節止點，所述第三柔索與所述踝關節止點相連。

與已有技術相比，本發明有益效果體現在：

1、本發明是用一種仿人步態的運動方式帶動患者進行康復訓練，通過驅動模塊多路輸出帶動多條柔索，各柔索在驅動模塊的驅動下一一對應地對雙側大腿杆、小腿杆以及腳部進行牽動，採用具有一定柔性的柔索的長度變化模仿人體正常行走一個周期內下肢各肌肉的長度變化，使其與使用者肢體運動的協調性更好，能夠減少衝擊；

2、本發明的行走和固定兩種形式可轉換，不僅能夠進行整個下肢的步態康復訓練，還可以對單個關節進行康復訓練，便於使用者根據自身情況靈活使用，應對多種不同的康復訓練需求；

3、本發明結構簡單，成本低，易於控制，操作方便，只需要使用兩個減速電機驅動兩側下肢機構運動，能耗較低。

附圖說明

圖1為本發明的整體結構示意圖；

圖2a為本發明中驅動模塊的結構示意圖；

圖2b為本發明中驅動模塊另一視角的結構示意圖；

圖3a為本發明中驅動模塊的原理示意圖一；

圖3b為本發明中驅動模塊的原理示意圖二；

圖4a為本發明中下肢機構的結構示意圖；

圖4b為本發明中下肢機構另一視角的結構示意圖；

圖5為本發明中被動鏈輪輸出軸兩軸端的一對曲柄的結構示意圖；

圖6a為本發明中柔索與滑塊連接結構的結構示意圖；

圖6b為本發明中柔索與滑塊連接結構的分解示意圖；

圖7a為本發明中髖關節止點與腰部之間柔索段在一個步態周期內的長度變化曲線圖；

圖7b為本發明中第一滑塊的運動路徑曲線圖。

圖中標記：1梯形支架；2腰部；3大腿杆；4小腿杆；5腳部；6大腿固定環；7小腿固定環；8驅動模塊；9背靠板；10蓋板；11扶手；12電機；13主動鏈輪；14傳動鏈；15被動鏈輪；16輸出軸；17連接板；18曲柄；19圓盤；20第一連杆；21第一滑塊；22第一柔索；23第二連杆；24第二滑塊；25第二柔索；26第三連杆；27第三滑塊；28第三柔索；29第四連杆；30第四滑塊；31第四柔索；32約束杆；33約束滑塊；34導杆；35連接套筒；36連接柱；37固定銷；38髖關節止點；39膝關節止點；40踝關節止點；41腳；42鞋；43螺柱；44導向滑輪；45髖關節滑輪；46膝關節滑輪；47腰部滑輪；48大腿滑輪；49小腿滑輪；50驅動模塊框架。

具體實施方式

實施例：

參見圖1，本實施例的穿戴式仿人步態下肢康復助行裝置是由左右對稱的梯形支架1構成支撐框架，在支撐框架上左右對稱設置有下肢機構，下肢機構包括：腰部2，在其頂部固定設置驅動模塊8，其底部與大腿杆3的上端通過水平銷鉸接相連，形成髖關節；大腿杆3，其下端與小腿杆4的上端通過水平銷鉸接相連，形成膝關節，大腿杆3的內側設有用於固定大腿的大腿固定環6；小腿杆4，其下端與腳部5鉸接相連，形成踝關節，其內側設有用於固定小腿的小腿固定環7；驅動模塊8，通過多路輸出帶動多條柔索，各柔索在驅動模塊8的驅動下一一對應地對雙側大腿杆3、小腿杆4以及腳部5進行牽動，實現大腿杆3、小腿杆4及腳部5的運動。

此外，支撐框架上位於兩側驅動模塊8的後部之間設置有背靠板9，其底部設有萬向輪，上端內側固設有驅動模塊框架50，驅動模塊8設置在驅動模塊框架50中。驅動模塊框架50的頂部設有蓋板10，蓋板10上設有扶手11，方便使用者手扶，驅動模塊框架50的底部與腰部2的頂部固定相連。

參見圖2及圖3，驅動模塊8是通過電機12驅動主動鏈輪13，主動鏈輪13通過傳動鏈14驅動被動鏈輪15進行轉動，以被動鏈輪15的輪軸為輸出軸16，在輸出軸16的兩軸端通過多路曲柄連杆機構一一對應驅動各條柔索。

具體的，多路曲柄連杆機構是在輸出軸16的兩軸端設置連接板17形成一對曲柄18，在曲柄18的另一端鉸接連接有圓盤19，在圓盤19上分布有四路連杆機構，四路連杆機構分別是：

第一連杆機構，通過第一連杆20鉸接第一滑塊21，第一滑塊21連接第一柔索22，第一柔索22通過滑輪將動力傳遞至髖關節；

第二連杆機構，通過第二連杆23鉸接第二滑塊24，第二滑塊24連接第二柔索25，第二柔索25通過滑輪將動力傳遞至膝關節；

第三連杆機構，通過第三連杆26鉸接第三滑塊27，第三滑塊27連接第三柔索28，第三柔索28通過滑輪將動力傳遞至踝關節；

第四連杆機構，通過第四連杆29鉸接第四滑塊30，第四滑塊30連接第四柔索31，第四柔索31通過滑輪將動力傳遞至膝關節。

圓盤19上還設有約束機構，約束機構是由圓盤19外緣一處向外凸出形成約束杆32，在約束杆32的另一端鉸接有約束滑塊33，通過約束滑塊33沿導杆34作往復直線運動實現對圓盤19運動的約束。

本實施例中，在驅動模塊框架50內壁上對應上述約束機構及各連杆機構分別設有相應的導杆34，在電機12的驅動下，被動鏈輪15輸出軸16兩軸端的一對曲柄18帶動約束機構及各連杆機構的滑塊沿相應的導杆34做往復直線運動，通過滑塊的往復直線運動，使各柔索一一對應地對雙側大腿杆3、小腿杆4以及腳部5進行牽動，通過柔索的長度變化模仿人體正常行走一個周期內下肢各肌肉的長度變化，使本發明的康復助行裝置與使用者肢體運動的協調性更好。

此外，根據人體正常行走一個周期內下肢由四組八條肌肉驅動的原理，本發明中單側驅動模塊8的一對曲柄18通過其兩端鉸接的圓盤19分別實現四條柔索的長度變化，實現一個電機12驅動八條柔索同時工作，降低了整套裝置的能耗，同時優化結構，使結構更簡單、成本降低，操作方便、易於控制。且上述各連杆機構的尺寸大小，是以人體正常行走一個周期內下肢四組肌肉長度變化規律作為依據進行設計，使其輸出的八條柔索滿足人體正常行走一個周期內的關節角度變化曲線。

初始狀態下，兩側驅動模塊8中曲柄18的初始位置相差一個相位值。其中，曲柄18的結構如圖5所示，被動鏈輪15的輸出軸16兩軸端的連接板17之間具有一定的夾角，本實施例中，兩端連接板17之間具有20°的夾角，通過設置該夾角，使曲柄兩端圓盤上的連杆機構對應滑塊的起始位置不同，從而使得兩端滑塊對應帶動的柔索長度變化更接近下肢四組肌肉的長度變化規律。

作為一個優選的方案，本實施例中，各柔索與對應滑塊之間可拆卸連接。如圖6所示，柔索與滑塊的具體連接結構為：在滑塊上設置連接套筒35，連接套筒35內設有連接柱36，連接柱36與連接套筒35之間通過固定銷37固定連接，連接柱36頂部具有圓環，用於連接柔索。需要說明的是，上述連接結構是本發明其中一種可選的技術方案，本領域技術人員在具體應用時不局限於該技術方案，也可採用其他連接方式實現柔索與對應滑塊之間的可拆卸連接，如卡接、螺接等。

當使用者想對單個關節進行針對性的康復訓練時，例如只想訓練小腿，這時將與大腿杆3及腳部5對應的柔索相連的連接柱36上的固定銷37拔出，將連接柱36從滑塊上的連接套筒35中取出，即可實現大腿杆3及腳部5的柔索與對應滑塊的分離。通過上述操作使本發明的康復助行裝置，行走和固定兩種形式可轉換，不僅能夠進行整個下肢的步態康復訓練，還可以對單個關節進行康復訓練，便於使用者根據自身情況靈活使用，應對多種不同的康復訓練需求。

參見圖4，大腿杆3上靠近髖關節位置處設有兩個髖關節止點38，第一柔索22與髖關節止點38相連。小腿杆4上靠近膝關節位置處設有四個膝關節止點39，第二柔索25、第四柔索31分別與各膝關節止點39相連。腳部5設有兩個踝關節止點40，第三柔索28與踝關節止點40相連。

其中，兩個髖關節止點38對應設置在大腿杆3的前後側，四個膝關節止點39分別位於小腿杆4的前後及左右側。

本實施例中，腳部5由外至內包括腳41和鞋42，腳41的上端與小腿杆4的下端通過水平銷鉸接，鞋42與腳41之間通過螺柱43相連，可通過螺柱43調節鞋42與腳41之間的間距；上述兩個踝關節止點40分別位於腳41的左右側。

此外，在驅動模塊框架50內壁、腰部2、大腿杆3、小腿杆4上分別設有若干滑輪，具體的，本實施例中，在驅動模塊框架50內壁上對應各連杆機構分別設有導向滑輪44，在腰部2左右側對稱設有通孔，其中一部分柔索穿過該通孔向下延伸與下肢相連，在腰部2的前後側分別設有兩個腰部滑輪47，其餘柔索經腰部2前後側的腰部滑輪47導向，將動力傳遞至下肢；在髖關節和膝關節處的水平銷兩端分別設有一個髖關節滑輪45和膝關節腿滑輪，大腿杆3的下端部前後側分別設有一對大腿滑輪48，小腿杆4的下端部左右側均設有一個小腿滑輪49，通過滑輪為各柔索導向進而將動力傳遞至大腿杆3、小腿杆4及腳部5。

以曲柄18一側圓盤19上的四路連杆機構為例，與第一滑塊21相連的第一柔索22經導向滑輪44、腰部滑輪47導向，與大腿杆3前側的髖關節止點38相連；與第二滑塊24相連的第二柔索25穿過腰部2通孔向下延伸，經導向滑輪44、髖關節滑輪45、大腿杆3下端部後側的大腿滑輪48導向，與小腿杆4右側的膝關節止點39相連；與第三滑塊27相連的第三柔索28經導向滑輪44、腰部滑輪47、膝關節滑輪46、小腿杆4下端部右側的小腿滑輪49導向，與腳41上內側的踝關節止點40相連；與第四滑塊30相連的第四柔索31經導向滑輪44、腰部滑輪47及大腿杆3下端部前側的大腿滑輪48導向，與小腿杆4前側的膝關節止點39相連。曲柄18另一側圓盤19上的四路連杆機構連接的另四條柔索分別與其餘的髖關節止點38、膝關節止點39及踝關節止點40相連，通過驅動模塊8帶動8條柔索實現對下肢的牽引。

通過實驗得出髖關節止點38與腰部2之間的柔索段在一個步態周期內的長度變化曲線圖，如圖7a所示；同時得出了第一滑塊22的運動路徑曲線圖，如圖7b所示。