CN106491317B - 一种自驱动自适应步态的可穿戴膝关节助行装备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自驱动自适应步态的可穿戴膝关节助行装备，包括左脚动力输出组件、右脚动力输出组件、左腿膝关节助力执行组件、右腿膝关节助力执行组件，以及驱动力传递装置。本发明装备基于杠杆原理和曲柄滑块结构机理，采用同侧平行驱动输入与异侧交叉驱动输入相结合的工作方式，在行走过程中利用人体自重作为驱动力，使左脚动力输出组件为左腿膝关节助力执行组件提供伸展的拉力，为右腿膝关节助力执行组件提供弯曲的拉力；右脚的动力输出组件为右腿膝关节助力执行组件提供伸展的拉力，为左腿膝关节助力执行组件提供弯曲的拉力，使之在行走过程中按照步态周期规律产生辅助左、右腿膝关节弯曲和伸展的转矩，达到辅助行走的目的。

Description

一种自驱动自适应步态的可穿戴膝关节助行装备

技术领域

本发明属于膝关节辅助器械和行走辅助装备领域，特别涉及一种自驱动自适应步态的可穿戴膝关节助行装备。

背景技术

老年人的肌肉力量和关节功能会随着年龄地增加而逐步降低，在下肢力量衰减和下肢关节损伤方面表现最为明显，以至于影响老年人的行动能力和生活质量。中青年群体在长期运动或工作中也会造成膝关节等部位劳损，如半月板的损伤等。另外，轻度中风患者也会造成下肢运动能力的部分失能，影响患者的行动能力。正确适度的下肢关节行走辅助锻炼，可以帮助老年人和下肢部分失能患者改善肌肉活力，提高他们的自理能力和健康状况。以改善和提高运动能力下降的老年人、中青年腿部关节运动损伤以及下肢部分失能的中风等脑疾病患者的行走能力为目标，要求行走辅助机构体积小、重量轻，简单实用，舒适度高。

目前成熟的行走助力产品主要有：拐杖、助步架、无动力轮椅等。此类行走助力产品虽然能够起到帮助老年人或者下肢部分失能患者保持行动平衡或代步移动的作用，但由于其没有动力，需要借助上肢的力量，会使人感到行走费力。此外，有关髋关节辅助行走外骨骼机器人和膝关节辅助行走外骨骼机器人也是目前行走助力研究的热点，但其体积和重量较大，且刚性机构惯性大，舒适性较差，目前尚未实际应用到老年人、下肢关节运动损伤或者下肢部分失能患者的日常行走中。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的缺陷，提供了一种自驱动自适应步态的可穿戴膝关节助行装备。自驱动自适应步态的可穿戴膝关节助行装备的执行组件作用于下肢膝关节部位，以人体自重为驱动力，不需要其他外部动力和能量输入。装备基于杠杆原理和曲柄滑块结构机理，采用所述左脚动力输出组件和右脚动力输出组件对左腿膝关节助力执行组件和右腿膝关节助力执行组件同侧平行驱动输入与异侧交叉驱动输入相结合的工作方式，在行走过程中，利用人体自重作用，以鲍登绳为驱动力传递的媒介，左脚动力输出组件为左腿膝关节助力执行组件提供伸展的拉力，为右腿膝关节助力执行组件提供弯曲的拉力；右脚动力输出组件为右腿膝关节助力执行组件提供伸展的拉力，为左腿膝关节助力执行组件提供弯曲的拉力，使之在行走过程中按照步态周期节奏，适应步态产生辅助左、右腿膝关节弯曲、伸展的转矩，达到辅助行走的目的。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种自驱动自适应步态的可穿戴膝关节助行装备，包括：

左腿膝关节助力执行组件，其适于固定在左腿膝关节对应位置，在行走过程中为左腿膝关节提供辅助伸展和弯曲的转矩；

右腿膝关节助力执行组件，其适于固定在右腿膝关节对应位置，在行走过程中为右腿膝关节提供辅助伸展和弯曲的转矩；

左脚动力输出组件，其适于穿着于使用者左脚，能够为所述左腿膝关节助力执行组件提供伸展的动力，以及为所述右腿膝关节助力执行组件提供弯曲的动力；

右脚动力输出组件，其适于穿着于使用者右脚，能够为所述右腿膝关节助力执行组件提供伸展的动力，以及为所述左腿膝关节助力执行组件提供弯曲的动力；

驱动力传递装置，其能够将所述左脚动力输出组件和所述右脚动力输出组件提供的动力传递到所述左腿膝关节助力执行组件和所述右腿膝关节助力执行组件。

优选地，所述驱动力传递装置包括：

第一鲍登绳及第一鲍登绳套管，其一端与所述左脚动力输出组件相连，另一端与所述左腿膝关节助力执行组件的伸展动力输入端相连，使得所述左脚动力输出组件为所述左腿膝关节助力执行组件提供伸展的拉力；

第二鲍登绳及第二鲍登绳套管，其一端与所述左脚动力输出组件相连，另一端与所述右腿膝关节助力执行组件的弯曲动力输入端相连，使得所述左脚动力输出组件为所述右腿膝关节助力执行组件提供弯曲的拉力；

第三鲍登绳及第三鲍登绳套管，其一端与所述右脚动力输出组件相连，另一端与所述左腿膝关节助力执行组件的弯曲动力输入端相连，使得所述右脚动力输出组件为所述左腿膝关节助力执行组件提供弯曲的拉力；

第四鲍登绳及第四鲍登绳套管，其一端与所述右脚动力输出组件相连，另一端和所述右腿膝关节助力执行组件的伸展动力输入端相连，使得所述右脚动力输出组件为所述右腿膝关节助力执行组件提供伸展的拉力。

优选地，所述左脚动力输出组件包括：第一基础板、第一活动板、第一鲍登绳套管固定支架、第一铰链、第一转轴；所述第一基础板的前端和所述第一活动板的前端形成以所述第一转轴为支点的杠杆结构；所述第一基础板的后端与所述第一鲍登绳、第二鲍登绳的一端连接；所述第一鲍登绳套管固定支架安装在所述第一活动板上，所述第一鲍登绳套管固定支架与所述第一鲍登绳套管、第二鲍登绳套管的一端连接；

所述右脚动力输出组件包括：第二基础板、第二活动板、第二鲍登绳套管固定支架、第二铰链、第二转轴；所述第二基础板的前端和所述第二活动板的前端形成以所述第二转轴为支点的杠杆结构；所述第二基础板的后端与所述第三鲍登绳、第四鲍登绳的一端连接；所述第二鲍登绳套管固定支架安装在所述第二活动板上，所述第二鲍登绳套管固定支架与所述第三鲍登绳套管、第四鲍登绳套管的一端连接。

优选地，所述左脚动力输出组件和右脚动力输出组件分中还包括：橡胶垫、橡胶缓冲摩擦垫、橡胶防滑垫，以及弹性固定带。

优选地，所述第一基础板和第二基础板采用硬铝合金材料加工制成；所述第一活动板和第二活动板采用碳纤维材料制成。

优选地，所述左腿膝关节助力执行组件包括：左腿大腿固定板、左腿小腿固定板、第一导轨、第一滑块、第一连杆、第一拉力弹簧；所述左腿大腿固定板、左腿小腿固定板、第一连杆、第一导轨和第一滑块构成曲柄滑块结构，形成两个转动副；所述第一鲍登绳对所述第一滑块的拉力作用通过第一连杆转化为左腿小腿固定板相对于左腿大腿固定板顺时针的转动，为左腿小腿提供辅助伸展的转矩；所述第三鲍登绳通过所述第一拉力弹簧为第一滑块提供拉力，并通过第一连杆转化为左腿小腿固定板相对于左腿大腿固定板逆时针的转动，为左腿小腿提供辅助弯曲的转矩；

所述右腿膝关节助力执行组件包括：右腿大腿固定板、右腿小腿固定板、第二导轨、第二滑块、第二连杆、第二拉力弹簧；所述右腿大腿固定板、右腿小腿固定板、第二连杆、第二导轨和第二滑块构成曲柄滑块结构，形成两个转动副；所述第二鲍登绳对所述第二滑块的拉力作用通过第二连杆转化为右腿小腿固定板相对于右腿大腿固定板顺时针的转动，为右腿小腿提供辅助弯曲的转矩；所述第四鲍登绳通过所述第二拉力弹簧为第二滑块提供拉力，并通过第二连杆转化为右腿小腿固定板相对于右腿大腿固定板逆时针的转动，为右腿小腿提供辅助伸展的转矩。

优选地，所述左腿膝关节助力执行组件和所述右腿膝关节助力执行组件还包括保护盖和柔性固定带。

优选地，所述左腿膝关节助力执行组件中的左腿小腿固定板可以相对于左腿大腿固定板在30°～200°内旋转；右腿膝关节助力执行组件中的右腿小腿固定板可以相对于右腿大腿固定板在30°～200°内旋转。

优选地，所述左腿膝关节助力执行组件中的左腿小腿固定板可以相对于左腿大腿固定板在120°～180°内旋转；右腿膝关节助力执行组件中的右腿小腿固定板可以相对于右腿大腿固定板在120°～180°内旋转。

优选地，所述左腿大腿固定板、左腿小腿固定板、右腿大腿固定板和右腿小腿固定板采用高碳纤维材料、镁铝合金金或硬铝合金材料制成。

本发明优异的效果是：

1)相比现有技术，本发明所述一种自驱动自适应步态的可穿戴膝关节助行装备，具有不需要外界动力和能量输入的特点：装备采用人的自重作为装备的驱动力，不需要电流、气泵等形式的外带能源，突破了目前一般行走辅助装备，如外骨骼机器人对外带能源的依赖，直接减小了装备的体积和质量，使装备更加地便携。

2)相比现有技术，装备采用所述左脚动力输出组件和右脚动力输出组件对左腿膝关节助力执行组件和右腿膝关节助力执行组件同侧平行驱动输入与异侧交叉驱动输入相结合的工作方式。在行走过程中利用人体自重作用，以鲍登绳为驱动力传递的媒介，左脚动力输出组件为左腿膝关节助力执行组件提供伸展的拉力，为右腿膝关节助力执行组件提供弯曲的拉力；右脚动力输出组件为右腿膝关节助力执行组件提供伸展的拉力，为左腿膝关节助力执行组件提供弯曲的拉力，使之在行走过程中按照步态周期规律产生辅助左、右腿膝关节弯曲、伸展的转矩，达到辅助行走的目的。左腿膝关节助力执行组件和右腿膝关节助力执行组件中采用拉力弹簧作为蓄能和缓冲器，减小执行组件的机械惯性。

因此，本发明以人的自重为装备的驱动力，不需要其他外部动力和能量输入，体积小、重量轻、便携性好。另外,本发明装备惯性小，舒适性好，不仅可以达到辅助下肢运动能力下降人群、下肢关节运动损伤和下肢部分失能患者行走的目的，并且可以帮助老年人、下肢关节运动损伤和下肢部分失能患者改善肌肉活力，提高他们的自理能力和健康状况。

附图说明

图1是本发明的自驱动自适应步态的可穿戴膝关节助行装备主要组成图。

图2是本发明所述左脚动力输出组件组成及不受人体自重作用时的工况图。

图3是本发明所述右脚动力输出组件组成及受人体自重作用时的工况图。

图4是本发明所述左腿膝关节助力执行组件组成外形图。

图5是本发明所述左腿膝关节助力执行组件组成主要组成与内部装配关系图。

图6是本发明所述右腿膝关节助力执行组件外形图。

图7是本发明所述右腿膝关节助力执行组件主要组成与内部装配关系图。

图8是本发明所述装备的基本工作模式图。

其中各附图标记含义如下：

1.左脚动力输出组件；2.右脚动力输出组件；3.左腿膝关节助力执行组件；4.右腿膝关节助力执行组件；5.鲍登绳及鲍登绳套管。

101.基础板；102.活动板；103.鲍登绳套管固定支架；104.铰链；105.转轴；106.橡胶垫；107.橡胶缓冲摩擦垫；108.橡胶防滑垫；109.鲍登绳；110.鲍登绳套管；111.鲍登绳；112.鲍登绳套管；113.弹性固定带。

201.基础板；202.活动板；203.鲍登绳套管固定支架；204.铰链；205.转轴；206.橡胶垫；207.橡胶缓冲摩擦垫；208.橡胶防滑垫；209.鲍登绳；210.鲍登绳套管；211.鲍登绳；212.鲍登绳套管；213.弹性固定带。

301.左腿大腿固定板；302.左腿小腿固定板；303.保护盖；304.柔性固定带；305.转轴；306.导轨；307.滑块；308.连杆；309.鲍登绳固定连接件；310.鲍登绳套管固定基座；311.拉力弹簧；312.鲍登绳套管连接固定件；313.紧固件；314.铆钉。

401.右腿大腿固定板；402.右腿小腿固定板；403.保护盖；404.柔性固定带；405.转轴；406.导轨；407.滑块；408.连杆；409.鲍登绳固定连接件；410.鲍登绳套管固定基座；411.拉力弹簧；412.鲍登绳套管连接固定件；413.紧固件；414.铆钉。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施案例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。

如图1所示，一种自驱动自适应步态的可穿戴膝关节助行装备，以人体自重为驱动力，不需要其他外部动力和能量输入。所述装备主要由左脚动力输出组件1、右脚动力输出组件2、左腿膝关节助力执行组件3、右腿膝关节助力执行组件4、鲍登绳及鲍登绳套管5等组成。左脚动力输出组件1、右脚动力输出组件2分别穿戴在左、右脚下，是所述可穿戴膝关节助行装备的动力源，为左腿膝关节助力执行组件3、右腿膝关节助力执行组件4提供动力。左腿膝关节助力执行组件3、右腿膝关节助力执行组件4固定在左腿和右腿膝关节对应位置，是所述可穿戴膝关节助行装备的执行部件，在行走过程中按照步态周期规律为左腿和右腿膝关节提供辅助伸展和弯曲的转矩。鲍登绳及鲍登绳套管4包括鲍登绳和鲍登绳套管，分别是驱动力(拉力)的传递媒介和位移通道。左脚动力输出组件1与左腿膝关节助力执行组件3和右腿膝关节助力执行组件4之间，以及右脚动力输出组件2与左腿膝关节助力执行组件3和右腿膝关节助力执行组件4之间，均通过鲍登绳及鲍登绳套管4中的鲍登绳传递拉力。在行走过程中利用人体自重作用，以鲍登绳及鲍登绳套管4中的鲍登绳为驱动力传递的媒介，左脚动力输出组件1为左腿膝关节助力执行组件3提供伸展的拉力，为右腿膝关节助力执行组件4提供弯曲的拉力；右脚动力输出组件2为右腿膝关节助力执行组件4提供伸展的拉力，为左腿膝关节助力执行组件3提供弯曲的拉力，使之在行走过程中按照步态周期规律产生辅助左、右腿膝关节弯曲、伸展的转矩，达到辅助行走的目的。

图2是本发明所述左脚动力输出组件1组成及不受人体自重作用时的工况图。左脚动力输出组件1包括基础板101、活动板102、鲍登绳套管固定支架103、铰链104、转轴105、橡胶垫106、橡胶缓冲摩擦垫107、橡胶防滑垫108、鲍登绳109、鲍登绳套管110、鲍登绳111、鲍登绳套管112、以及弹性固定带113等。其中，基础板101采用比刚度较高的硬铝合金材料加工制成，并进行了局部加筋，整体减重处理，起到整体固定和支撑的作用。活动板102采用高强度碳纤维材料制成，是所述左脚动力输出组件1另一个重要的固定和支撑零件。活动板102与铰链104采用转轴105铰接，活动板102可以绕铰链104在一定角度内旋转。铰链104固定在基础板101上，二者之间有橡胶垫106隔振，橡胶缓冲摩擦垫107固定在铰链104的外侧，与粘合在活动板102底面的橡胶缓冲摩擦垫108起到在行走过程中防滑缓冲的作用。

鲍登绳109和鲍登绳111采用具有较强的弹性和韧性的65Mn材料，是左脚动力输出组件1与左腿膝关节助力执行组件3和右腿膝关节助力执行组件4之间拉力传递的媒介。鲍登绳套管110和鲍登绳套管112分别是鲍登绳109和鲍登绳111的位移通道及保护套管。鲍登绳套管固定支架103采用比刚度较高的硬铝合金材料，通过螺钉紧固件固定在活动板102上，主要对鲍登绳套管110和鲍登绳套管112起固定的作用，并为活动板102及鲍登绳109和鲍登绳111提供上下往复运动的位移空间。鲍登绳套管110的一端紧固在鲍登绳套管固定支架103的左侧限位孔中，另一端固定在左腿膝关节助力执行组件3中的鲍登绳套管连接固定件312上。鲍登绳109一端通过鲍登绳套管110固定在基础板101的左侧卡口上，另一端通过鲍登绳固定连接件309固定在左腿膝关节助力执行组件3中的滑块307上，可以为滑块307提供拉力作用。鲍登绳套管112的一端紧固在鲍登绳套管固定支架103的右侧限位孔中，另一端固定在右腿膝关节助力执行组件4中的鲍登绳套管固定基座410上。鲍登绳111一端通过鲍登绳套管112固定在基础板101的右侧卡口上，另一端通过鲍登绳套管112固定在右腿膝关节助力执行组件4中的拉力弹簧411上，可以为拉力弹簧411提供拉力作用。弹性固定带113由柔韧性较好的尼龙A材料制成，通过铆钉固定在基础板101上，用于所述可穿戴膝关节助行装备使用时固定鞋与左脚动力输出组件1。

所述基础板101和活动板102形成了以转轴105为支点的杠杆结构形式，人体自重在基础板101重心作用点到支点的距离是杠杆的动力臂，基础板101的左侧卡口的鲍登绳109和右侧卡口的鲍登绳111的合力作用点到支点的距离是杠杆的阻力臂，所述左脚动力输出组件1基于此杠杆结构，利用人的自重分别为所述可穿戴膝关节助行装备的左腿膝关节助力执行组件3和右腿膝关节助力执行组件4提供动力。

图3是本发明所述右脚动力输出组件2及受人体自重作用时的工况图。右脚动力输出组件2与左脚动力输出组件1结构相同，包括基础板201、活动板202、鲍登绳套管固定支架203、铰链204、转轴205、橡胶垫206、橡胶缓冲摩擦垫207、橡胶防滑垫208、鲍登绳209、鲍登绳套管210、鲍登绳211、鲍登绳套管212、以及弹性固定带213等。右脚动力输出组件2的组成、零部件的材料、结构形式，安装方式与左脚动力输出组件1相同，二者相同的部分不再赘述。

鲍登绳209和鲍登绳211分别是右脚动力输出组件2与左腿膝关节助力执行组件3和右腿膝关节助力执行组件4之间拉力传递的媒介。鲍登绳套管210和鲍登绳套管212分别是鲍登绳209和鲍登绳211的位移通道及保护套管。鲍登绳套管固定支架203通过螺钉紧固件固定在活动板202上，对鲍登绳套管210和鲍登绳套管212起固定的作用，并为活动板202及鲍登绳209和鲍登绳211提供上下往复运动的位移空间。鲍登绳套管210的一端紧固在鲍登绳套管固定支架203的左侧限位孔中，另一端固定在左腿膝关节助力执行组件3中的鲍登绳套管固定基座310上。鲍登绳209通过鲍登绳套管210，一端固定在基础板201末端的左侧卡口上，另一端固定在左腿膝关节助力执行组件3中的拉力弹簧311上，为拉力弹簧311以及滑块307提供拉力作用。鲍登绳套管212的一端紧固在鲍登绳套管固定支架203的右侧限位孔中，另一端固定在右腿膝关节助力执行组件4的鲍登绳套管连接固定件412上。鲍登绳211通过鲍登绳套管212，一端固定在基础板101末端的右侧卡口上，另一端通过鲍登绳固定连接件409固定在右腿膝关节助力执行组件4中的滑块407上，可以为滑块407提供拉力作用。

所述基础板201和活动板202形成了以转轴205为支点的杠杆结构形式，人体自重在基础板201重心作用点到支点的距离是杠杆的动力臂，基础板101末端左侧卡口的鲍登绳209和右侧卡口的鲍登绳211的合力作用点到支点的距离是杠杆的阻力臂，所述右脚动力输出组件2基于杠杆结构，利用人的自重分别为所述可穿戴膝关节助行装备的左腿膝关节助力执行组件3和右腿膝关节助力执行组件4提供动力。

图2和图3也是左脚动力输出组件1和右脚动力输出组件2的两种极限状态。图2为左脚动力输出组件1不受人体自重情况下的状态，即人在跨步过程中抬脚离地时的状态，人的自重没有作用在基础板101与活动板102形成的杠杆结构上，此时对鲍登绳109和鲍登绳111输出拉力最小；而图3为右脚动力输出组件2受人体重力作用最大的状态，即人在跨步过程中自重全部作用在右脚动力输出组件2的基础板201时的状态。此时，基础板201和活动板202形成了以转轴205为支点的杠杆结构形式，人体自重在基础板201重心作用点到支点的距离是杠杆的动力臂，基础板101左侧卡口的鲍登绳209和右侧卡口的鲍登绳211的合力作用点到支点的距离是杠杆的阻力臂，基于此杠杆结构，右脚动力输出组件2依靠人体自重为鲍登绳209和鲍登绳211提供拉力，并且此状态提供的拉力达到最大值。

图4为左腿膝关节助力执行组件3外形图，图5为左腿膝关节助力执行组件3主要组成与内部装配关系图。如图4和5所示，所述左腿膝关节助力执行组件3主要由左腿大腿固定板301、左腿小腿固定板302、保护盖303、柔性固定带304、转轴305、导轨306、滑块307、连杆308、鲍登绳固定连接件309、鲍登绳套管固定基座310、拉力弹簧311、鲍登绳套管连接固定件312、紧固件313、铆钉314以及鲍登绳109、鲍登绳套管110、鲍登绳209和鲍登绳套管210等组成。

左腿膝关节助力执行组件3通过柔性固定带304在左腿膝关节相应位置进行固定。其中，左腿大腿固定板301、左腿小腿固定板302采用轻质高强度碳纤维材料制成，起力的传导和支撑的作用。保护盖303是所述左腿膝关节助力执行组件3内部零部件密封保护壳体，避免在使用过程中内部零部件受外力作用而损坏失效。柔性固定带304采用柔韧性较好的自粘布和弹力带制成，通过铆钉314固定在左腿大腿固定板301和左腿小腿固定板302上。

如图5所示，左腿小腿固定板302安装在左腿大腿固定板301的转轴305上，可以绕转轴305在设计角度内旋转。导轨306和鲍登绳套管固定基座310通过紧固件313固定在左腿大腿固定板301上，滑块307安装在导轨306上，可以在导轨的额定行程内做直线往复运动。拉伸弹簧311一端固定在滑块307上，另一端固定在鲍登绳209上，作为能量存储单元。鲍登绳套管连接固定件312通过螺钉紧固件固定在左腿大腿固定板301底部左侧的安装孔上，作为鲍登绳套管110的固定之用，同时还具有左腿小腿固定板302顺时针转角极限位置限位功能。鲍登绳109通过鲍登绳套管110，一端通过鲍登绳固定连接件309固定在滑块307上，另一端固定在左脚动力输出组件1的基础板101末端左侧卡口上，为滑块307传递来自左脚动力输出组件1的拉力作用。

左腿小腿固定板302和滑块307通过连杆308连接，构成两个转动副，形成曲柄滑块结构形式，鲍登绳209通过拉力弹簧311为滑块307提供的拉力，通过连杆308转化为左腿小腿固定板302相对于左腿大腿固定板301逆时针的转动，为左腿小腿提供弯曲的辅助转矩。鲍登绳109对滑块307的拉力作用通过连杆308转化为左腿小腿固定板302相对于左腿大腿固定板301顺时针的转动，为左腿小腿提供辅助伸展的转矩。拉力弹簧311是储能器件，同时也是缓冲器件。拉力弹簧311在鲍登绳109提供拉力时将一部分拉力转化为自身的弹性势能存储起来，并在鲍登绳109拉力消失时再逐渐释放这部分势能到滑块307上，避免拉力突然增大或者消失对膝盖造成伤害。同样的，拉力弹簧311在鲍登绳209提供拉力时将一部分拉力转化为自身的弹性势能存储起来，并在鲍登绳209拉力消失时再逐渐释放这部分势能到滑块307上，避免拉力突然增大或者突然消失而产生的机械惯性对膝盖造成伤害。

图6为右腿膝关节助力执行组件4外形图，图7为右腿膝关节助力执行组件4主要组成与内部装配关系图。如图6和7所示，所述右腿膝关节助力执行组件4主要由右腿大腿固定板401、右腿小腿固定板402、保护盖403、柔性固定带404、转轴405、导轨406、滑块407、连杆408、鲍登绳固定连接件409、鲍登绳套管固定基座410、拉力弹簧411、鲍登绳套管连接固定件412、紧固件413、铆钉414以及鲍登绳111、鲍登绳套管112、鲍登绳211和鲍登绳套管212等组成。右腿膝关节助力执行组件4对应位置的零部件与左腿膝关节助力执行组件3相同。

如图7所示，右腿小腿固定板402安装在右腿大腿固定板401的转轴405上，可以绕转轴405在设计角度内旋转。导轨406和鲍登绳套管固定基座410通过紧固件413固定在右腿大腿固定板401上，滑块407安装在导轨406上，可以在导轨额定行程内做直线往复运动。拉伸弹簧411一端固定在滑块407上，另一端固定在鲍登绳109上，作为能量存储单元。鲍登绳套管连接固定件412通过螺钉紧固件固定在右腿大腿固定板401下部右侧的安装孔上，除用于固定鲍登绳套管212，并对右腿小腿固定板402逆时针转角极限位置作限位。鲍登绳211利用鲍登绳套管212提供的通道，一端通过鲍登绳固定连接件409固定在滑块407上，另一端固定在右脚动力输出组件2的基础板201末端的右侧卡口上，为滑块407传递来自右脚动力输出组件2的拉力作用。

右腿小腿固定板402和滑块407通过连杆408连接，构成两个转动副，形成曲柄滑块结构形式，鲍登绳111通过拉力弹簧411为滑块407提供的拉力，通过连杆408转化为右腿小腿固定板402相对于右腿大腿固定板401顺时针的转动，为右腿小腿提供辅助弯曲的转矩。鲍登绳211对滑块407的拉力作用通过连杆408转化为右腿小腿固定板402相对于右腿大腿固定板401逆时针的转动，可以为右腿小腿提供辅助伸展的转矩。拉力弹簧411是储能器件，同时也是缓冲器件。拉力弹簧411在鲍登绳111提供拉力时可以将一部分拉力转化为自身的弹性势能存储起来，并在鲍登绳111拉力消失时再逐渐释放这部分势能到滑块407上，避免拉力突然增大或者突然消失而产生的机械惯性对膝盖造成伤害。同样的，拉力弹簧411在鲍登绳211提供拉力时将一部分拉力转化为自身的弹性势能存储起来，并在鲍登绳211拉力消失时再逐渐释放这部分势能到滑块407上，避免拉力突然增大或者突然消失而产生的机械惯性对膝盖造成伤害。

左腿小腿固定板302可以绕转轴305做相对于左腿大腿固定板301在设计角度120°～180°内旋转；右腿小腿固定板402可以绕转轴405做相对于右腿大腿固定板401在设计角度120°～180°内旋转。所述的设计角度120°～180°，其中，120°为人在跨步过程中小腿和大腿之间通常所需的最小角度，即抬腿时膝关节最小角度；180°为正常人直立或者小腿绷直发力时膝关节所成的极限角度。所述左腿膝关节助力执行组件3的左腿小腿固定板302相对左腿大腿固定板301所能达到的转角范围，可以根据用户的实际行走步态参数相应调整鲍登绳套管连接固定件312以及调节滑块307的行程来实现，最小可达到30°，最大可达200°。同样的，右腿膝关节助力执行组件4的右腿小腿固定板402相对右腿大腿固定板401所能达到的转角范围，可以根据用户的实际行走步态参数相应调整鲍登绳套管连接固定件412以及调节滑块407的行程来实现，最小可达到30°，最大可达200°。

图8是本发明所述装备的基本工作模式图，自驱动自适应步态周期的可穿戴膝关节助行装备的执行组件作用于下肢膝关节部位，以人体自重为驱动力，不需要其他外部动力和能量输入。装备基于杠杆原理和曲柄滑块结构机理，采用左右脚的动力输出组件对左右膝关节助力执行组件同侧平行驱动输入与异侧交叉驱动输入相结合的工作方式，在行走过程中利用人体自重作用，以鲍登绳为驱动力传递的媒介，左脚的动力输出组件为左腿膝关节助力执行组件提供伸展的拉力，为右腿膝关节助力执行组件提供弯曲的拉力；右脚的动力输出组件为右腿膝关节助力执行组件提供伸展的拉力，为左腿膝关节助力执行组件提供弯曲的拉力，使之在行走过程中按照步态周期规律产生辅助左、右腿膝关节弯曲、伸展的转矩，达到辅助行走的目的。

具体说，如图1跨步状态，此时右脚着地，左脚抬起。所述右脚动力输出组件2中的基础板201和活动板202形成了以转轴205为支点的杠杆结构形式，人体自重在基础板201重心作用点到支点的距离是杠杆的动力臂，基础板201的左侧卡口的鲍登绳209和右侧卡口的鲍登绳211的合力作用点到支点的距离是杠杆的阻力臂。所述右脚动力输出组件2基于杠杆结构，利用人的自重作用，通过鲍登绳211为右腿膝关节助力执行组件4中的滑块407提供拉力作用，通过鲍登绳209为左腿膝关节助力执行组件3中的拉力弹簧311提供拉力作用。其中，鲍登绳211对右腿膝关节助力执行组件4中滑块407的拉力作用通过连杆408转化为右腿小腿固定板402相对于右腿大腿固定板401逆时针的转动，在跨步过程中为右腿膝关节提供辅助伸展的转矩，辅助右腿绷直发力。在此过程中，与滑块407相连接的拉力弹簧411在鲍登绳211提供拉力时将一部分拉力转化为自身的弹性势能存储起来，并在鲍登绳211拉力消失时再逐渐释放这部分势能到滑块407上，避免拉力突然增大或者突然消失而产生的机械惯性对膝盖造成伤害。另外，鲍登绳209为左腿膝关节助力执行组件3的拉力弹簧311提供的拉力，一部分转化为拉力弹簧311自身的弹性势能存储起来，鲍登绳209另一部分拉力通过拉力弹簧311为滑块307提供的拉力，并通过连杆308转化为左腿小腿固定板302相对于左腿大腿固定板301逆时针的转动，为左腿膝关节提供弯曲的辅助转矩，辅助左腿迈步。拉力弹簧311并在鲍登绳109拉力消失时逐渐将自身存储的弹性势能释放到滑块307上，避免拉力突然增大或者消失对膝盖造成伤害。

随后，左脚逐渐着地，右脚开始抬起，人体的自重逐渐集中作用在左脚上。基于左脚动力输出组件1中基础板101和活动板102形成的以转轴105为支点的杠杆结构形式，人体自重在基础板101形成的动力力矩为基础板101末端左侧卡口的鲍登绳109和右侧卡口的鲍登绳111提供拉力作用。鲍登绳109为左腿膝关节助力执行组件3中的滑块307直接提供拉力作用；鲍登绳111为右腿膝关节助力执行组件4中的拉力弹簧411提供拉力作用。鲍登绳109对滑块307的拉力作用通过连杆308转化为左腿小腿固定板302相对于左腿大腿固定板301顺时针的转动，为左腿膝关节提供辅助伸展的转矩，辅助左腿小腿绷直发力。在此过程中，与滑块307相连接的拉力弹簧311在鲍登绳109提供拉力时将一部分拉力转化为自身的弹性势能存储起来，并在鲍登绳109拉力消失时再逐渐释放这部分势能到滑块307上，避免拉力突然增大或者突然消失而产生的机械惯性对膝盖造成伤害。另外，鲍登绳111为右腿膝关节助力执行组件4的拉力弹簧411提供的拉力，一部分转化为拉力弹簧411自身的弹性势能存储起来，鲍登绳111另一部分拉力通过拉力弹簧411为滑块407提供的拉力作用，并通过连杆408转化为右腿小腿固定板402相对于右腿大腿固定板401顺时针的转动，为右腿膝关节提供弯曲的辅助转矩，辅助右腿跨步，随后开始下一个跨步周期。拉力弹簧411在鲍登绳111拉力消失时逐渐将自身存储的弹性势能释放到滑块407上，避免拉力突然增大或者消失对膝盖造成伤害。

以上即为人在一个跨步周期过程中，一种自驱动自适应步态周期的可穿戴膝关节助行装备的作用机理。本发明不仅可以具有辅助下肢运动能力下降人群、下肢关节运动损伤人群和下肢部分失能患者行走的功能，并且可以帮助下肢运动能力下降人群和下肢部分失能患者改善肌肉活力，提高他们的自理能力和健康状况。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种自驱动自适应步态的可穿戴膝关节助行装备，包括：

左腿膝关节助力执行组件，其适于固定在左腿膝关节对应位置，在行走过程中为左腿膝关节提供辅助伸展和弯曲的转矩；

右腿膝关节助力执行组件，其适于固定在右腿膝关节对应位置，在行走过程中为右腿膝关节提供辅助伸展和弯曲的转矩；

左脚动力输出组件，其适于穿着于使用者左脚，能够为所述左腿膝关节助力执行组件提供伸展的动力，以及为所述右腿膝关节助力执行组件提供弯曲的动力；

右脚动力输出组件，其适于穿着于使用者右脚，能够为所述右腿膝关节助力执行组件提供伸展的动力，以及为所述左腿膝关节助力执行组件提供弯曲的动力；

驱动力传递装置，其能够将所述左脚动力输出组件和所述右脚动力输出组件提供的动力传递到所述左腿膝关节助力执行组件和所述右腿膝关节助力执行组件。

2.根据权利要求1所述的可穿戴膝关节助行装备，其特征在于，所述驱动力传递装置包括：

第一鲍登绳及第一鲍登绳套管，其一端与所述左脚动力输出组件相连，另一端与所述左腿膝关节助力执行组件的伸展动力输入端相连，使得所述左脚动力输出组件为所述左腿膝关节助力执行组件提供伸展的拉力；

第二鲍登绳及第二鲍登绳套管，其一端与所述左脚动力输出组件相连，另一端与所述右腿膝关节助力执行组件的弯曲动力输入端相连，使得所述左脚动力输出组件为所述右腿膝关节助力执行组件提供弯曲的拉力；

第三鲍登绳及第三鲍登绳套管，其一端与所述右脚动力输出组件相连，另一端与所述左腿膝关节助力执行组件的弯曲动力输入端相连，使得所述右脚动力输出组件为所述左腿膝关节助力执行组件提供弯曲的拉力；

第四鲍登绳及第四鲍登绳套管，其一端与所述右脚动力输出组件相连，另一端和所述右腿膝关节助力执行组件的伸展动力输入端相连，使得所述右脚动力输出组件为所述右腿膝关节助力执行组件提供伸展的拉力。

3.根据权利要求2所述的可穿戴膝关节助行装备，其特征在于，

所述左脚动力输出组件包括：第一基础板、第一活动板、第一鲍登绳套管固定支架、第一铰链、第一转轴；所述第一基础板的前端和所述第一活动板的前端形成以所述第一转轴为支点的杠杆结构；所述第一基础板的后端与所述第一鲍登绳、第二鲍登绳的一端连接；所述第一鲍登绳套管固定支架安装在所述第一活动板后端，所述第一鲍登绳套管固定支架与所述第一鲍登绳套管、第二鲍登绳套管的一端连接；

所述右脚动力输出组件包括：第二基础板、第二活动板、第二鲍登绳套管固定支架、第二铰链、第二转轴；所述第二基础板的前端和所述第二活动板的前端形成以所述第二转轴为支点的杠杆结构；所述第二基础板的后端与所述第三鲍登绳、第四鲍登绳的一端连接；所述第二鲍登绳套管固定支架安装在所述第二活动板后端，所述第二鲍登绳套管固定支架与所述第三鲍登绳套管、第四鲍登绳套管的一端连接。

4.根据权利要求3所述的可穿戴膝关节助行装备，其特征在于，所述左脚动力输出组件和右脚动力输出组件分中还包括：橡胶垫、橡胶缓冲摩擦垫、橡胶防滑垫，以及弹性固定带。

5.根据权利要求3所述的可穿戴膝关节助行装备，其特征在于，所述第一基础板和第二基础板采用硬铝合金材料加工制成；所述第一活动板和第二活动板采用碳纤维材料制成。

6.根据权利要求3所述的可穿戴膝关节助行装备，其特征在于，

所述左腿膝关节助力执行组件包括：左腿大腿固定板、左腿小腿固定板、第一导轨、第一滑块、第一连杆、第一拉力弹簧；所述左腿大腿固定板、左腿小腿固定板、第一连杆、第一导轨和第一滑块构成曲柄滑块结构，形成两个转动副；所述第一鲍登绳对所述第一滑块的拉力作用通过第一连杆转化为左腿小腿固定板相对于左腿大腿固定板顺时针的转动，为左腿小腿提供辅助伸展的转矩；所述第三鲍登绳通过所述第一拉力弹簧为第一滑块提供拉力，并通过第一连杆转化为左腿小腿固定板相对于左腿大腿固定板逆时针的转动，为左腿小腿提供辅助弯曲的转矩；

所述右腿膝关节助力执行组件包括：右腿大腿固定板、右腿小腿固定板、第二导轨、第二滑块、第二连杆、第二拉力弹簧；所述右腿大腿固定板、右腿小腿固定板、第二连杆、第二导轨和第二滑块构成曲柄滑块结构，形成两个转动副；所述第二鲍登绳对所述第二滑块的拉力作用通过第二连杆转化为右腿小腿固定板相对于右腿大腿固定板顺时针的转动，为右腿小腿提供辅助弯曲的转矩；所述第四鲍登绳通过所述第二拉力弹簧为第二滑块提供拉力，并通过第二连杆转化为右腿小腿固定板相对于右腿大腿固定板逆时针的转动，为右腿小腿提供辅助伸展的转矩。

7.根据权利要求6所述的可穿戴膝关节助行装备，其特征在于，所述左腿膝关节助力执行组件和所述右腿膝关节助力执行组件还包括保护盖和柔性固定带。

8.根据权利要求6所述的可穿戴膝关节助行装备，其特征在于，所述左腿膝关节助力执行组件中的左腿小腿固定板可以相对于左腿大腿固定板在30°～200°内旋转；右腿膝关节助力执行组件中的右腿小腿固定板可以相对于右腿大腿固定板在30°～200°内旋转。

9.根据权利要求8所述的可穿戴膝关节助行装备，其特征在于，所述左腿膝关节助力执行组件中的左腿小腿固定板可以相对于左腿大腿固定板在120°～180°内旋转；右腿膝关节助力执行组件中的右腿小腿固定板可以相对于右腿大腿固定板在120°～180°内旋转。

10.根据权利要求6所述的可穿戴膝关节助行装备，其特征在于，所述左腿大腿固定板、左腿小腿固定板、右腿大腿固定板和右腿小腿固定板采用高碳纤维材料、镁铝合金金或硬铝合金材料制成。