下肢骨關節病患者穿戴式助行器的製造方法
2023-04-24 21:30:31
下肢骨關節病患者穿戴式助行器的製造方法
【專利摘要】下肢骨關節病患者穿戴式助行器由支撐機構及關節鉸鏈轉動助力系統組成，其中支撐機構包括依次連接的上身支撐件、大腿支持機構、小腿支持機構、腳部支持機構及關節鉸鏈轉動扭簧控制系統。關節鉸鏈轉動助力系統包括雙層支撐鞋底和腿部滑輪-鋼絲繩系統。支撐機構可分擔關節受力，而關節鉸鏈轉動助力系統輔助自身肌肉帶動關節轉動，把腳踏地面的力轉化為膝、髖部縱向運動所需力矩。針對骨關節病患者特點進行設計，穿戴於人體，成本低、簡單輕便，患者活動自由。利用下肢骨關節病患者穿戴式助行器分擔原本由下肢關節所承受的大部分人體重量、緩解疼痛的同時，還可以鍛練肌肉，防止長期缺少運動導致的肌肉萎縮。
【專利說明】下肢骨關節病患者穿戴式助行器
【技術領域】
[0001]本發明涉及下肢骨關節病患者穿戴式助行器。
【背景技術】
[0002]下肢骨關節病患者由於關節軟骨病變，在行走中關節受力會導致疼痛及病情加重，膝關節病患者的關節長期不對稱磨損還將導致X型腿及O型腿。雖然很多國家都在研製穿戴式外骨骼，並關注智能控制，但都技術過於複雜、成本過高，難以推廣，國際上還沒有使用方便、人類智能控制的理想的穿戴式外骨骼。目前，國內外下肢骨關節病患者使用的仍為手推式助行器或各類拐杖，不僅分擔的載荷較小難以達到理想的效果，而且由於上肢長期受力過大可能導致新的病變。
【發明內容】
[0003]臨床觀察表明，多數骨關節病人雖然關節軟骨病變，但控制關節活動的肌肉組織工作正常。下肢骨關節病患者穿戴式助行器是針對骨關節病人特點進行設計，直接穿戴於人體，僅釆用機械裝置分擔關節受力，而關節的轉動仍靠自身肌肉帶動。這種設計思路與通常外骨骼的設計思路不同，最主要的目的不是省力，而是減少關節負擔。下肢骨關節病患者穿戴式助行器釆用杆、鉸鏈、扭簧及緊固帶等組成支撐機構，輔之以關節鉸鏈轉動助力系統。支撐機構可分擔關節受力，而鋼絲繩及滑輪等組成的關節鉸鏈轉動助力系統輔助自身肌肉帶動關節轉動，把腳踏地面的力轉化為膝、髖部縱向運動所需力矩。可分擔原本由下肢關節所承受人體重量的50%以上，從而在一定程度上達到消除或減輕疼痛、緩解病情及防止X型腿及O型腿的作用。患者長期缺少運動會導致肌肉萎縮，加重骨關節病。利用下肢骨關節病患者穿戴式助行器分擔原本由下肢關節所承受的大部分人體重量、緩解患者疼痛的同時，還可以鍛鍊肌肉，防止肌肉萎縮，可謂一舉兩得。老年人往往伴有骨質疏鬆，要儘量使各部位分擔載荷，所以本設計方案通過腋下、臀下、緊固帶等多部位支撐，載荷分布較為均勻，也較為舒適。患者根據自身具體情況，可以雙側或單側使用本助行器；可以選擇同時使用腋下支撐件和臀部彈性軟座，也可以只選其一；可以選擇是否安裝關節鉸鏈轉動助力系統。總之，本發明思路獨特、針對性強，具有簡單輕便、成本較低、自由度高的特點。
[0004]下肢骨關節病患者穿戴式助行器包括支撐機構及關節鉸鏈轉動助力系統，其中支撐機構由依次連接的上身支撐件、大腿支持機構、小腿支持機構、腳部支持機構及關節鉸鏈轉動扭簧控制系統各部分組成。上身支撐件包括腋下支架及夾於腋下的軟墊，側腰支架、腰部緊固帶及臀部彈性軟座。大腿支持機構包括大腿支撐杆、兩個方向髖部鉸鏈及與大腿支撐杆連接的彈性緊固帶，髖部關節鉸鏈轉動的主要方向分別對應大腿向身體外側、前方向的轉動，通過鉸鏈一側凸起限制反方向轉動角度。大腿支撐杆一邊通過髖部鉸鏈與髖部支架相連，另一邊與膝部鉸鏈相連。小腿支持機構包括帶長度精確調節器的小腿支撐杆、膝部單向鉸鏈及與小腿支撐杆連接的彈性緊固帶。膝部鉸鏈的彎曲方向與人體關節一樣僅可以單方向轉動，通過鉸鏈一側凸起限制其只能單方向轉動。小腿支撐杆一邊通過膝部單向鉸鏈與大腿支撐杆相連，另一邊通過踝部鉸鏈連接腳部支持機構。腳部支持結構包括含單向踝部鉸鏈的踝部支撐杆、支撐鞋底及綁帶，踝部支撐杆一側通過踝部鉸鏈與小腿支撐杆相連，另一側與支撐鞋底牢固連接。踝部鉸鏈彎曲方向對應腳背繃直，通過鉸鏈一側凸起限制反方向轉動角度，用綁帶將鞋底與鞋固定。長度精確調節器的原理是:與長度精確調節器螺母連接的兩側杆之螺紋方向相反，所以朝一個方向旋轉長度精確調節器可使杆總長度增長，而反向旋轉則使杆縮短。連接在支撐杆上的緊固帶與腿部綁定時需要儘量保證支撐杆與腿部的連接效果，可以用高彈性護腿或綁帶，也可以用特製緊身褲。
[0005]關節鉸鏈轉動扭簧控制系統包括對膝部關節轉動進行控制的扭簧、對髖部關節橫、縱方向轉動進行控制的扭簧、對踝部關節轉動進行控制的扭簧。膝部關節鉸鏈與人體關節一樣僅可以單方向轉動，採用扭簧對轉動進行控制。髖部關節鉸鏈轉動方向分別對應大腿向身體側向、前後向的轉動，分別採用扭簧控制轉動。還有對踝部關節鉸鏈轉動進行控制的扭簧。扭簧都帶有鎖扣，扣上則扭簧處於工作狀態，鬆開關節自由活動。患者直立時扭簧處於變形、受力很小的狀態，走路或上樓梯時，抬腿扭簧蓄力，腿受力伸直過程中扭簧可提供力偶，在緊固帶的共同作用下，使助行器有適當剛度，以實現分擔載荷的效果。扭簧剛度應根據體重合理選擇。此外，患者坐下時需要將扭簧鬆開，以便關節鉸鏈自由彎曲。這種設計簡單可靠，可以起到鍛鍊肌肉的效果，但做腿部彎曲角度較大的動作會感到比較費力。
[0006]關節鉸鏈轉動助力系統是採用鋼絲繩及滑輪系統把腳踏地面的力轉化為膝、髖部縱向運動所需力矩。鑑於日常活動中髖部關節鉸鏈橫向轉動及踝部轉動角度較小，仍採用扭簧控制轉動即可，關節鉸鏈轉動助力系統主要幫助髖部關節鉸鏈縱向轉動及膝部關節鉸鏈轉動，因此可以鬆開這兩處的扭簧，或使用剛度較小的扭簧。關節鉸鏈轉動助力系統包括雙層支撐鞋底和腿部滑輪-鋼絲繩系統。
[0007]腿部滑輪-鋼絲繩系統包括腿部鋼絲繩、髖部關節縱向關節鉸鏈部位突起處的滑輪、膝部關節鉸鏈部位突起處的滑輪與鋼絲繩長度調節器。腿部鋼絲繩穿過中空的踝部支撐杆、小腿支撐杆及大腿支撐杆，繞過髖部關節鉸鏈處突出部位上的滑輪與膝部關節鉸鏈處突出部位上的滑輪，最後通過鋼絲繩長度調節器與側腰支架相連。鋼絲繩長度調節器一端與側腰支撐件通過螺紋連接，另一端與腿部鋼絲繩連接，通過旋轉帶動鋼絲繩升降達到微調鋼絲繩長度的目的。當腿部鋼絲繩拉緊，彎曲的鋼絲繩造成的擠壓力可產生使腿伸直的力。
[0008]雙層支撐鞋底由腳前半部分的鞋底、後半部分支撐板、二力杆件、鉸鏈、鞋內鋼絲繩、輪子、輪軸、滑輪、彈簧及限位器組成。上部鉸鏈固定在支撐板上，下部輪子可沿鞋底運動，鞋內鋼絲繩繞在輪軸上。輪軸的活動範圍被限位裝置所限制。腳下受力時，鞋跟高度變小，輪軸間距加大，鞋內鋼絲繩拉緊，而腳下不受力時，由於彈簧的作用，鞋跟高度恢復。鞋內鋼絲繩繞在輪軸上的圈數多則鋼絲繩的拉力較小，助力效果小，圈數少則鋼絲繩的拉力大，助力效果大，但鞋底高度隨腿部屈伸變化稍大，可依患者實際情況選擇。後半部分支撐板內層採用金屬片加固，不易變形，便於傳力，而鞋底後半部分支撐板外層及鞋底前半部分都採用橡膠材料，受力時會適當變形，同時穿著也較為舒適。踝部支撐杆一端與支撐板牢固連接，另一端與小腿支撐杆通過踝部單向鉸鏈加扭簧連接。鞋內鋼絲繩繞在輪軸上，並通過滑輪變換方向後穿過中空的踝部支撐杆與腿部鋼絲繩相連。
[0009]鞋底受力時，鞋跟高度變小，輪軸間距加大，鋼絲繩拉緊產生的擠壓力帶動膝部與髖部關節鉸鏈轉動，使腿伸直，而鞋底不受力時，由於彈簧的作用，鞋跟高度恢復。這種設計的優點就是省力，腳下受力時鋼絲繩拉緊可提供腿伸直的力偶，使助行器有適當剛度，而坐下後只要令腳跟不受力，腿的彎曲程度對應鋼絲繩所需長度有少許變化，僅使鞋跟高度有少許變化，對關節活動影響不大。
[0010]下肢骨關節病患者穿戴式助行器採用模塊式設計理念，可視病情自由組合。既可以雙側使用，也可以單側使用。可以選擇是否裝關節鉸鏈轉動助力系統，例如，難以適應穿著厚底鞋、肌肉力量較好的患者就可以不裝。可以選擇是否安裝臀部軟座或腋下支撐件等。
[0011]
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1為下肢骨關節病患者穿戴式助行器支撐機構示意圖。圖2為下肢骨關節病患者穿戴式助行器關節鉸鏈轉動助力系統示意圖。圖3為雙層支撐鞋底示意圖。
[0013]
【具體實施方式】
[0014]下肢骨關節病患者穿戴式助行器包括支撐機構及關節鉸鏈轉動助力系統，其中支撐機構由依次連接的上身支撐件、大腿支持機構、小腿支持機構、腳部支持機構及關節鉸鏈轉動扭簧控制系統各部分組成(圖1)。上身支撐件包括帶長度精確調節器2的支架3及夾於腋下的軟墊1，側腰支架4、腰部緊固帶5及臀部彈性軟座6。大腿支持機構包括帶長度精確調節器11的大腿支撐杆12、兩個方向的髖部鉸鏈7、9及與大腿支撐杆連接的彈性緊固帶，髖部關節鉸鏈7與9轉動的主要方向分別對應大腿向身體外側、前方向的轉動，通過鉸鏈一側凸起限制反方向轉動角度。大腿支撐杆12 —邊通過雙向髖部鉸鏈7、9與髖部支架4相連，另一邊與膝部鉸鏈13相連。小腿支持機構包括帶長度精確調節器16的小腿支撐杆15、膝部單向鉸鏈13及與小腿支撐杆連接的彈性緊固帶。膝部鉸鏈13的彎曲方向與人體關節一樣僅可以單方向轉動，通過鉸鏈一側凸起限制其只能單方向轉動。小腿支撐杆15一邊通過膝部單向鉸鏈13與大腿支撐杆12相連，另一邊通過踝部鉸鏈18連接腳部支持機構。腳部支持結構包括含單向踝部鉸鏈18的踝部支撐杆20、支撐鞋底17及綁帶，踝部支撐杆20 —側通過踝部鉸鏈18與小腿支撐杆相連，另一側與支撐鞋底17牢固連接。踝部鉸鏈18彎曲方向對應腳背繃直，通過鉸鏈一側凸起限制反方向轉動角度，用綁帶將鞋底17與鞋固定。長度精確調節器2、11、16的原理是:與長度精確調節器螺母連接的兩側杆之螺紋方向相反，所以朝一個方向旋轉長度精確調節器可使杆總長度增長，而反向旋轉則使杆縮短。連接在支撐杆上的緊固帶與腿部綁定時需要儘量保證支撐杆與腿部的連接效果，可以用高彈性護腿或綁帶，也可以用特製緊身褲。
[0015]關節鉸鏈轉動扭簧控制系統包括對膝部關節轉動進行控制的扭簧14、對髖部關節橫、縱方向轉動進行控制的扭簧8與10、對踝部關節轉動進行控制的扭簧19。膝部關節鉸鏈與人體關節一樣僅可以單方向轉動，採用扭簧14對轉動進行控制。髖部關節鉸鏈7與9轉動方向分別對應大腿向身體側向、前後向的轉動，分別採用扭簧8與10控制轉動。還有對踝部關節鉸鏈18轉動進行控制的扭簧19。扭簧都帶有鎖扣，扣上則扭簧處於工作狀態，鬆開關節自由活動。患者直立時扭簧處於變形、受力很小的狀態，走路或上樓梯時，抬腿扭簧10、14蓄力，腿受力伸直過程中扭簧可提供力偶，在緊固帶的共同作用下，使助行器有適當剛度，以實現分擔載荷的效果。患者作下蹲動作(例如下樓梯或如廁)時，腳下受力，膝蓋與胯部會自然彎曲，扭簧10、14幫助肌肉對彎曲程度進行控制。在大腿向身體側方轉動時扭簧8蓄力，而踝部關節鉸鏈18轉運動時踝部扭簧19也會蓄力，但一般性的活動中這些扭簧變形較小。扭簧剛度應根據體重合理選擇。此外，患者坐下時需要將扭簧鬆開，以便關節鉸鏈自由彎曲。這種設計簡單可靠，可以起到鍛鍊肌肉的效果，但做腿部彎曲角度較大的動作會感到比較費力。
[0016]關節鉸鏈轉動助力系統是採用鋼絲繩及滑輪系統把腳踏地面的力轉化為膝、髖部縱向運動所需力矩(圖2)。鑑於日常活動中髖部關節鉸鏈橫向轉動及踝部轉動角度較小，仍採用扭簧8、19控制轉動即可，關節鉸鏈轉動助力系統主要幫助髖部關節鉸鏈縱向轉動及膝部關節鉸鏈轉動，因此可以鬆開扭簧10、14，或使用剛度較小的扭簧10、14。關節鉸鏈轉動助力系統包括雙層支撐鞋底23和腿部滑輪-鋼絲繩系統。
[0017]腿部滑輪-鋼絲繩系統(圖2)包括腿部鋼絲繩25、髖部關節縱向關節鉸鏈部位突起處的滑輪21、膝部關節鉸鏈部位突起處的滑輪22與鋼絲繩長度調節器24。腿部鋼絲繩25穿過中空的踝部支撐杆20、小腿支撐杆15及大腿支撐杆12，繞過髖部關節鉸鏈處突出部位上的滑輪21與膝部關節鉸鏈處突出部位上的滑輪22，最後通過鋼絲繩長度調節器24與側腰支架相連。鋼絲繩長度調節器24 —端與側腰支撐件通過螺紋連接，另一端與腿部鋼絲繩連接，通過旋轉帶動鋼絲繩升降達到微調鋼絲繩長度的目的。當腿部鋼絲繩拉緊，彎曲的鋼絲繩造成的擠壓力可產生使腿伸直的力。
[0018]雙層支撐鞋底(圖3)由腳前半部分的鞋底40、後半部分支撐板30與32、二力杆件38與39、鉸鏈35、鞋內鋼絲繩29、輪子26與27、輪軸28與34、滑輪36與37、彈簧33及限位器31組成。上部鉸鏈35固定在支撐板30上，下部輪子26、27可沿鞋底運動，鞋內鋼絲繩29繞在輪軸28、34上。輪軸的活動範圍被限位裝置31所限制。腳下受力時，鞋跟高度變小，輪軸間距加大，鞋內鋼絲繩拉緊，而腳下不受力時，由於彈簧33的作用，鞋跟高度恢復。鞋內鋼絲繩29繞在輪軸28、34上的圈數多則鋼絲繩的拉力較小，助力效果小，圈數少則鋼絲繩的拉力大，助力效果大，但鞋底高度隨腿部屈伸變化稍大，可依患者實際情況選擇。後半部分支撐板30、32內層採用金屬片加固，不易變形，便於傳力，而鞋底後半部分支撐板30、32外層及鞋底前半部分40都採用橡膠材料，受力時會適當變形，同時穿著也較為舒適。踝部支撐杆20 —端與支撐板30牢固連接，另一端與小腿支撐杆通過踝部單向鉸鏈加扭簧連接。鞋內鋼絲繩29繞在輪軸28、34上，並通過滑輪36、37變換方向後穿過中空的踝部支撐杆20與腿部鋼絲繩25相連。
[0019]鞋底受力時，鞋跟高度變小，輪軸間距加大，鋼絲繩拉緊產生的擠壓力帶動膝部與髖部關節鉸鏈轉動，使腿伸直，而鞋底不受力時，由於彈簧33的作用，鞋跟高度恢復。這種設計的優點就是省力，腳下受力時鋼絲繩拉緊可提供腿伸直的力偶，使助行器有適當剛度，而坐下後只要令腳跟不受力，腿的彎曲程度對應鋼絲繩所需長度有少許變化，僅使鞋跟高度有少許變化，對關節活動影響不大。
[0020]下肢骨關節病患者穿戴式助行器採用模塊式設計理念，可視病情自由組合。既可以雙側使用，也可以單側使用。可以選擇是否裝關節鉸鏈轉動助力系統，例如，難以適應穿著厚底鞋、肌肉力量較好的患者就可以不裝。可以選擇是否安裝臀部軟座或腋下支撐件等。
[0021]使用時，老年骨關節病患者將穿戴式助行器側腰支架4緊貼側腰，將腰部用緊固帶5固定，將臀部軟座6由胯下穿過並固定於支架4，調緊固帶以及臀部軟座至長度合適，旋轉腋下支撐件長度精確調節器2至長度合適。若只用單側助行器，可以不連臀部軟座。用綁帶將鞋底17與鞋固定，將大腿支撐杆12、小腿支撐杆15分別與大腿、小腿用緊固帶固定在一起，注意腿伸直時膝部鉸鏈上下支撐杆要在一條直線上，另外緊固帶不要過緊，以免影響血液循環。分別旋轉長度精確調節器11、16調節大腿支撐杆、小腿支撐杆的長度，越長則助行器承擔的身體重量百分比越大，調到感到舒適的長度即可。採用關節鉸鏈轉動扭簧控制系統，只需直立位連上轉角扭簧8、10、14、19即可。將各處扭簧脫開，關節鉸鏈自由活動，即可坐下。對於關節鉸鏈轉動助力系統，可逐一在腳跟不受力情況下儘量伸直腿部，調節鋼絲繩與側腰支架相連處的鋼絲繩長度調節器24至鬆緊合適。
【權利要求】
1.下肢骨關節病患者穿戴式助行器，其特徵是包括支撐機構及關節鉸鏈轉動助力系統，其中支撐機構由依次連接的上身支撐件、大腿支持機構、小腿支持機構、腳部支持機構及關節鉸鏈轉動扭簧控制系統各部分組成；上身支撐件包括腋下支架(3)、夾於腋下的軟墊(I)、側腰支架(4)、腰部緊固帶(5)及臀部彈性軟座(6);大腿支持機構包括兩個方向的髖部單向鉸鏈(7)與(9)、大腿支撐杆(12)及與大腿支撐杆連接的彈性緊固帶，通過髖部單向鉸鏈(7)與(9)與側腰支架(4)相連；小腿支持機構包括膝部單向鉸鏈(13)、小腿支撐杆(15)及與小腿支撐杆連接的彈性緊固帶，通過膝部單向鉸鏈(13)與大腿支持機構相連；腳部支持結構包括含單向踝部鉸鏈(18)的踝部支撐杆(20)、支撐鞋底(17)及綁帶，踝部支撐杆(20)—側通過踝部鉸鏈(18)與小腿支撐杆相連，另一側與支撐鞋底(17)牢固連接；關節鉸鏈轉動扭簧控制系統包括對膝部關節轉動進行控制的扭簧(14)、對髖部關節橫、縱方向轉動進行控制的扭簧(8)與(10)、對踝部關節轉動進行控制的扭簧(19);關節鉸鏈轉動助力系統包括鞋底的雙層支撐機構(23)和腿部的滑輪-鋼絲繩系統；腿部滑輪-鋼絲繩系統包括腿部鋼絲繩(25)、髖部關節縱向鉸鏈處突出部位上的滑輪(21)、膝部關節鉸鏈處突出部位上的滑輪(22)與鋼絲繩長度調節器(24)，腿部鋼絲繩(25)—側穿過中空的大腿支撐杆及小腿支撐杆，繞過膝部與髖部關節鉸鏈處突出部位上的滑輪與側腰支撐件相連，另一側與鞋內鋼絲繩(29)相連；鞋底的雙層支撐機構(23)由腳前半部分的鞋底(40)、腳後半部分中內層採用金屬片加固的支撐板(30)與(32)、二力杆件(38)與(39)、固定在支撐板(30)上的鉸鏈(35)、輪軸(28)與(34)、鞋內鋼絲繩(29)、可沿鞋底運動的輪子(26)與(27)，滑輪(36)與(37)、彈簧(33)、及限位器(31)組成。
2.根據權利要求1所述的下肢骨關節病患者穿戴式助行器，其特徵是上身支撐件腋下支架帶長度精確調節器(2 )，腰部緊固帶(5 )及臀部彈性軟座(6 )長度也可調。
3.根據權利要求1所述的下肢骨關節病患者穿戴式助行器，其特徵是大腿支持機構髖部關節鉸鏈(7)與(9)轉動主要方向分別對應大腿向身體外側、前方向的轉動，通過鉸鏈一側凸起限制反方向轉動角度，大腿支撐杆(12)帶長度精確調節器(11)。
4.根據權利要求1所述的下肢骨關節病患者穿戴式助行器，其特徵是小腿支持機構膝部鉸鏈(14)的單方向彎曲對應膝蓋向前彎，通過鉸鏈一側凸起限制其只能單方向轉動，小腿支撐杆(15)帶長度精確調節器(16 )。
5.根據權利要求2至4所述的下肢骨關節病患者穿戴式助行器，其特徵是長度精確調節器包括螺母與兩側帶有方向相反外螺紋的杆，通過旋轉螺母精調長度。
6.根據權利要求1所述的下肢骨關節病患者穿戴式助行器，其特徵是腳部支持機構單向踝部鉸鏈(18)主要彎曲方向對應小腿與腳背繃直，通過鉸鏈一側凸起限制反方向轉動角度，綁帶可將鞋底與鞋固定。
7.根據權利要求1所述的下肢骨關節病患者穿戴式助行器，其特徵是關節鉸鏈轉動扭簧控制系統中的扭簧帶有鎖扣，扣上則扭簧處於工作狀態，鬆開關節自由活動，直立時扭簧處於不受力狀態。
8.根據權利要求1所述的下肢骨關節病患者穿戴式助行器，其特徵是腿部滑輪-鋼絲繩系統中髖部關節滑輪(21)、膝部關節滑輪(22)安裝在關節鉸鏈部位的突起處，彎曲的鋼絲繩造成的擠壓力可產生使腿伸直的力，起到助力作用；鋼絲繩長度調節器(24) —端與側腰支撐件通過螺紋連接，另一端與腿部鋼絲繩連接，通過旋轉帶動鋼絲繩升降達到微調鋼絲繩長度的目的。
9.根據權利要求1所述的下肢骨關節病患者穿戴式助行器，其特徵是鞋內鋼絲繩(29)繞在輪軸(28、34 )上，並通過滑輪(36、37 )變換方向後穿過中空的踝部支撐杆(20 )與腿部鋼絲繩(25)相連，而支撐板(30)與踝部支撐杆(20)下端牢固連接，把腳踏地面的力轉化為鋼絲繩的拉力。
【文檔編號】A61F2/60GK204147143SQ201420462233
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年8月17日 優先權日:2014年8月17日
【發明者】張楷穎 申請人:張楷穎