CN106983638B - 一种基于步态相位自解锁的被动式体重支撑外骨骼装置 - Google Patents

Abstract

一种基于步态相位自解锁的被动式体重支撑外骨骼装置，包括座椅机构和设置在座椅机构两侧的支撑机构，该支撑机构包括大腿机构、膝关节机构和小腿机构，座椅机构包括弧形的座椅、滑块板、大腿连接杆、滑轮、限位钩和拉环，限位勾安装在座椅底面，座椅内设有导轨槽，滑轮通过螺杆与滑块板固定安装，滑轮活动卡装在座椅的导轨槽内，拉环活动设在滑块板侧面，大腿连接杆上部与滑块板转动连接；大腿机构与大腿连接杆紧固连接，拉环通过钢丝线与大腿机构连接；大腿机构下部与膝关节机构上部紧固连接，膝关节机构下部与小腿机构紧固连接。本发明无需动手即可自动根据步态相位完成膝关节的自解锁。

Description

一种基于步态相位自解锁的被动式体重支撑外骨骼装置

技术领域

本发明属于医疗辅助器械领域和体育运动器材领域，尤其涉及一种基于步态相位自解锁的被动式体重支撑外骨骼装置。

背景技术

由于人口老龄化加速、肥胖患者增多、关节运动损伤、关节先天性异常、关节畸形等诸多因素引起的膝关节退行性关节炎疾病越来越受到社会重视，患者对正常行走提出了迫切需求。然而，膝骨关节炎作为一种退行性病变，现有技术手段并没有一种很好的快速治愈方法，除服用药物缓解症状以外，主要的康复理疗方法还是以减少关节负重为主，以延缓病变的进程。传统的方法是用拐杖或手杖，以求减轻关节的负担，然而这就需要患者用双手辅助行走，不利于正常行走和从事生产劳动。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于步态相位自解锁的被动式体重支撑外骨骼装置，能够减轻膝关节退行性关节炎患者行走时的膝关节疼痛，患者无需动手即可自动根据步态相位完成膝关节的自解锁。

为了解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：

一种基于步态相位自解锁的被动式体重支撑外骨骼装置，包括座椅机构和设置在座椅机构两侧的支撑机构，该支撑机构包括大腿机构、膝关节机构和小腿机构，所述座椅机构包括弧形的座椅、滑块板、大腿连接杆、滑轮、限位钩和拉环，限位勾安装在座椅底面，座椅内设有导轨槽，滑轮通过螺杆与滑块板固定安装，滑轮活动卡装在座椅的导轨槽内，拉环活动设在滑块板侧面，大腿连接杆上部与滑块板转动连接，使得该大腿连接杆相对于滑块板沿人体冠状面方向转动；大腿机构与大腿连接杆紧固连接，拉环通过钢丝线与大腿机构连接；大腿机构下部与膝关节机构上部紧固连接，膝关节机构下部与小腿机构紧固连接，膝关节机构带动小腿机构相对于大腿机构沿人体矢状面方向转动。

所述座椅包括弧形的座椅上板和座椅下板，座椅下板两端设有座椅支撑侧板，座椅上板两端安装在该座椅支撑侧板上使得座椅上板与座椅下板之间形成间隙空间，导轨槽设置在座椅下板上。

所述滑块板上设有凸起的固定块，该固定块上设有用于放置拉环的槽位。

所述大腿机构包括大腿杆、拉伸弹簧和倒T型栓，大腿杆上部与大腿连接杆下部紧固连接，倒T型栓活动装设在大腿杆下部，并且该倒T型栓的下部与膝关节机构卡合连接，拉伸弹簧设在大腿杆内，拉伸弹簧上端与钢丝线固定连接、下端与倒T型栓固定连接，钢丝线上端穿过大腿杆、大腿连接杆与拉环连接。

所述大腿连接杆下部插装在大腿杆内进行紧固连接，该大腿连接杆与大腿杆为伸缩结构。

所述膝关节机构包括膝关节外板、膝关节内板、固定轴、直线槽、移动轴和曲线槽，膝关节外板上部设有与倒T型栓卡合限位的限位台阶卡位,曲线槽设置在膝关节内板下部，膝关节外板内设有安装腔位，直线槽设置在膝关节外板上，膝关节内板下部活动插装在膝关节外板的安装腔位内，固定轴一端固定安装在膝关节内板上、另一端活动插装在直线槽内，移动轴一端固定在膝关节外板上、另一端活动插装在曲线槽内，膝关节内板与大腿杆下部紧固连接，膝关节外板通过固定轴和移动轴相对于膝关节内板沿人体矢状面方向转动。

所述膝关节内板上部设有插槽，倒T型栓活动设在该插槽内。

所述小腿机构包括小腿外杆、小腿弹性连接件、小腿内杆和足底件，小腿外杆上部与膝关节外板紧固连接，小腿内杆上部插装入小腿外杆中，小腿弹性连接件装设在小腿外杆内，并且该小腿弹性连接件上部与小腿外杆活动连接，小腿弹性连接件下部与小腿内杆紧固连接，小腿内杆下部与足底件紧固连接，小腿外杆下端装接有踝关节绑带。

所述小腿弹性连接件包括调节套筒、V型弹簧、支撑弹簧、弹簧底座和移动销，V型弹簧嵌装在调节套筒内，调节套筒侧壁设有通孔，该通孔处装设有与V型弹簧连接的按压键，小腿外杆上设有排孔，该按压键卡装在排孔中，调节套筒底面设有下端轴，该下端轴活动插装入弹簧底座内，弹簧底座侧壁设有限位槽，移动销一端固定装设在下端轴侧壁、另一端活动插装在限位槽中，支撑弹簧套装在下端轴上，该支撑弹簧上端抵顶着调节套筒底面、下端抵顶着弹簧底座上端面，弹簧底座与小腿内杆紧固连接。

所述足底件的底面设为弧形状，并且该足底件的底面中间位置为弧形凸出的最高位置。

本发明在步态支撑相膝关节自锁并支撑人体体重、在步态摆动相膝关节解锁并跟随人体屈曲，膝关节自锁、解锁的动作可自动根据步态相位进行切换，无需人手控制，有效减轻膝关节退行性关节炎患者行走时产生的膝关节疼痛。

附图说明

附图1为本发明立体结构示意图；

附图2为本发明座椅机构立体结构示意图；

附图3为本发明座椅机构的限位钩和拉环限位勾住的立体结构示意图；

附图4为本发明大腿机构立体结构示意图；

附图5为本发明大腿机构的分解结构示意图；

附图6为本发明膝关节自锁时立体结构示意图；

附图7为本发明膝关节解锁时立体结构示意图；

附图8为本发明小腿机构立体结构示意图；

附图9为本发明小腿机构的小腿弹性连接件的立体结构示意图；

附图10为本发明小腿机构的小腿弹性连接件的局部分解结构示意图；

附图11为本发明行走状态示意图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如附图1、2、3和11所示，本发明揭示了一种基于步态相位自解锁的被动式体重支撑外骨骼装置，包括座椅机构1和设置在座椅机构1两侧的支撑机构，该支撑机构包括大腿机构2、膝关节机构3和小腿机构4，所述座椅机构1包括弧形的座椅101、滑块板102、大腿连接杆104、滑轮103、限位钩105和拉环106，限位钩呈L型，限位钩105安装在座椅101底面，座椅101内设有导轨槽1014，滑轮103通过螺杆与滑块板102固定安装，滑轮103活动卡装在座椅101的导轨槽1014内，拉环106活动设在滑块板102侧面，大腿连接杆104上部与滑块板102转动连接，使得该大腿连接杆相对于滑块板沿人体冠状面方向转动；大腿机构与大腿连接杆紧固连接，拉环106通过钢丝线202与大腿机构连接；大腿机构下部与膝关节机构上部紧固连接，膝关节机构下部与小腿机构紧固连接，膝关节机构带动小腿机构相对于大腿机构沿人体矢状面方向转动。滑轮通常会设置多个，以保证滑动时的稳定性。滑块板上设有凸起的固定块107，该固定块上设有用于放置拉环的槽位。通过设置限位钩在弧形的座椅的底面的位置，可以进行自角锁临界角度的灵活调节安装。在髋关节角度大于自解锁临界角度时拉环106与限位钩105脱离，如附图2所示；在髋关节角度小于自解锁临界角度时拉环106被限位钩105限制、勾住，拉环被推动脱离原来的初始位置，如附图3所示。

滑块板102在双弧形导轨座椅101上滑动时的转动中心恰好是人体髋关节的转动中心，实现髋关节矢状面的屈曲/伸直。大腿连接杆与滑动板的转动连接，则实现髋关节外展/内收的自由度。滑块板上设有卡槽位，大腿连接杆上部卡装在该卡槽位中然后通过销钉转动连接，确保大腿连接杆相对于滑块板在人体冠状面方向转动。人坐在座椅机构上，两条腿分别与两个小腿机构绑紧，从而在一前一后的行走时，滑轮在座椅的导轨槽内来回滚动，带动滑块板来回移动，从而实现大腿机构、小腿机构在人体矢状面方向的移动。

所述座椅101包括弧形的座椅上板1011和座椅下板1012，座椅下板1012两端设有座椅支撑侧板1013，座椅上板1011两端安装在该座椅支撑侧板1013上，使得座椅上板1011与座椅下板1012之间形成间隙空间，导轨槽1014设置在座椅下板1012上。

如附图4和5所示，所述大腿机构包括大腿杆201、拉伸弹簧203和倒T型栓204，大腿杆201上部与大腿连接杆104下部紧固连接，倒T型栓204活动装设在大腿杆201下部，并且该倒T型栓204的下部与膝关节机构3卡合连接，拉伸弹簧203设在大腿杆201内，拉伸弹簧203上端与钢丝线202固定连接、下端与倒T型栓204固定连接，钢丝线上端穿过大腿杆、大腿连接杆与拉环连接。倒T型栓利用其自身的重力而下落与膝关节机构卡合安装。当滑块板在座椅内移动过程中限位钩勾住拉环时，钢丝线被向上拉出，同时拉动拉伸弹簧和倒T型栓，使倒T型栓向上移动，实现倒T型栓与膝关节的解锁。倒T型栓的底部横向凸出于大腿杆，确保倒T型栓在被向上拉伸时最终会被大腿杆201的底部端面限位。

另外，大腿连接杆104下部插装在大腿杆201内进行紧固连接，该大腿连接杆与大腿杆为伸缩结构。可以通过在大腿连接杆104侧壁设置若干个调节孔，利用调节球珠的形式与大腿杆201形成连接，实现大腿杆与大腿连接杆之间的伸缩调节，实现长度可调的目的，扩大适用范围。

如附图6和7所示，所述膝关节机构3包括膝关节外板301、膝关节内板302、固定轴303、直线槽304、移动轴305和曲线槽306，膝关节外板301上部设有与倒T型栓204卡合限位的限位台阶卡位307,曲线槽306设置在膝关节内板302下部，膝关节外板301内设有安装腔位308，直线槽304设置在膝关节外板301上，膝关节内板302下部活动插装在膝关节外板301的安装腔位308内，固定轴303一端固定安装在膝关节内板302上、另一端活动插装在直线槽304内，使得固定轴303在膝关节外板301的直线槽304中可以上下滑动，移动轴305一端固定在膝关节外板301上、另一端活动插装在曲线槽306内，使得移动轴305可在曲线槽306内移动，从而实现膝关节内板302和膝关节外板301之间的相对转动。膝关节内板302与大腿杆201下部紧固连接，膝关节外板301通过固定轴和移动轴相对于膝关节内板沿人体矢状面方向转动。膝关节内板上部设有插槽，倒T型栓活动设在该插槽内。

在步态支撑相初期、摆动相末期，人体的膝关节伸直，倒T型栓204的底部在自身重力作用下卡住膝关节外板301的限位台阶卡位307，膝关节机构自锁，膝关节机构稳定传递人体重力到地面，此时膝关节内板302和膝关节外板301相互锁定，无法相对转动。在步态支撑相末期、摆动相初期，人体髋关节角度小于自解锁临界角度时，拉环106被限位钩105限制、勾住，拉环106拉动钢丝线202，钢丝线202向上拉动拉伸弹簧203，拉伸弹簧203拉起倒T型栓204，倒T型栓204的底部与膝关节外板301的限位台阶卡位307脱开、解锁，依靠固定轴在直线槽内的滑动和移动轴在曲线槽内的滑动，膝关节外板301和膝关节内板302之间可自由转动，膝关节屈曲、下肢前摆，完成摆动相。然后周期性地重复在步态支撑相初期自锁、在摆动相初期解锁的动作。

如附图8、9和10所示，小腿机构4包括小腿外杆401、小腿弹性连接件402、小腿内杆403和足底件404，小腿外杆401上部与膝关节外板301紧固连接，小腿内杆403上部插装入小腿外杆401中，小腿弹性连接件402装设在小腿外杆401内，并且该小腿弹性连接件402上部与小腿外杆401活动连接，小腿弹性连接件402下部与小腿内杆403紧固连接，小腿内杆403下部与足底件404紧固连接，小腿外杆401下端装接有踝关节绑带405。

所述小腿弹性连接件402包括调节套筒406、V型弹簧407、支撑弹簧408、弹簧底座409和移动销410，V型弹簧407嵌装在调节套筒406内，调节套筒406侧壁设有通孔411，该通孔411处装设有与V型弹簧407连接的按压键412，利用V型弹簧，按下按压键后，按压键会受到V型弹簧的回复弹力而自动复位，方便调节。小腿外杆401上设有排孔413，该按压键412卡装在排孔413中，调节套筒406底面设有下端轴414，该下端轴414活动插装入弹簧底座409内，弹簧底座409侧壁设有限位槽415，移动销410一端固定装设在下端轴414侧壁、另一端活动插装在限位槽415中，移动销410可在限位槽415中滑动移位，支撑弹簧408套装在下端轴414上，该支撑弹簧408上端抵顶着调节套筒406底面、下端抵顶着弹簧底座409上端面，弹簧底座409与小腿内杆403紧固连接。通过弹性连接件，可实现小腿外杆与小腿内杆之间的伸缩调节，实现长度可调的目的，扩大适用范围。利用支撑弹簧408顶在调节套筒406和弹簧底座409之间，起到在人体步态支撑相承受体重时间距减小、产生支撑力、支撑人体体重的作用。通过在小腿外杆401上设置多个排孔，从而方便调节调节套筒406与小腿外杆401的相对高低位置。

另外，足底件的底面设为弧形状，并且该足底件的底面中间位置为弧形凸出的最高位置。使足底件形成“中间高凸、足跟低凹”的形状，有利于在外骨骼支撑人体体重时产生膝关节自锁的扭矩，有利于膝关节自身结构的稳定自锁。

本发明中，人体坐在座椅机构中的座椅上，踝关节绑带可采用尼龙搭扣的方式绑紧，将踝关节稳定地紧扣人体踝关节，足底贴紧在足底件上。

使用时，整个装置跟随人体下肢一起行走，周期性地完成完整的步态，包括支撑相和摆动相。步态支撑相的过程是：髋关节前摆、膝关节伸直，膝关节机构被锁死，膝关节中的膝关节内板和膝关节外板相对固定无法转动，即倒T型栓的底部卡装在膝关节外板的限位台阶卡位中。髋关节逐渐后摆，突出的弧形足底压在地面上，小腿外杆中的支撑弹簧被压缩产生支撑力支撑人体体重。此状态下，滑块板在座椅上的导轨槽内移动时，髋关节角度大于自解锁临界角度，限位钩与拉环相互脱离不接触。

接着进入步态摆动相，过程是：髋关节后摆，随着滑块板的移动，使得髋关节角度小于自解锁临界角度，拉环被限位钩勾住限制，并且随着滑块板的进一步移动，拉环拉动钢丝线，钢丝线向上拉动拉伸弹簧，拉伸弹簧向上拉起倒T型栓，倒T型栓的底部与膝关节外板的限位台阶卡位脱开、解锁，膝关节机构解锁，此时膝关节中的膝关节内板和膝关节外板可以自由转动，膝关节自由屈曲，髋关节前摆，准备进入下一个步态的支撑相。通过大腿连接杆与滑块板的相对转动，则可以实现髋关节外展/内收的自由度。

需要说明的是，以上所述并非是对本发明的限定，在不脱离本发明的创造构思的前提下，任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于步态相位自解锁的被动式体重支撑外骨骼装置，包括座椅机构和设置在座椅机构两侧的支撑机构，该支撑机构包括大腿机构、膝关节机构和小腿机构，其特征在于，所述座椅机构包括弧形的座椅、滑块板、大腿连接杆、滑轮、限位钩和拉环，限位勾安装在座椅底面，座椅内设有导轨槽，滑轮通过螺杆与滑块板固定安装，滑轮活动卡装在座椅的导轨槽内，拉环活动设在滑块板侧面，大腿连接杆上部与滑块板转动连接，使得该大腿连接杆相对于滑块板沿人体冠状面方向转动；大腿机构与大腿连接杆紧固连接，拉环通过钢丝线与大腿机构连接；大腿机构下部与膝关节机构上部紧固连接，膝关节机构下部与小腿机构紧固连接，膝关节机构带动小腿机构相对于大腿机构沿人体矢状面方向转动；

所述大腿机构包括大腿杆、拉伸弹簧和倒T型栓，大腿杆上部与大腿连接杆下部紧固连接，倒T型栓活动装设在大腿杆下部，并且该倒T型栓的下部与膝关节机构卡合连接，拉伸弹簧设在大腿杆内，拉伸弹簧上端与钢丝线固定连接、下端与倒T型栓固定连接，钢丝线上端穿过大腿杆、大腿连接杆与拉环连接；

所述膝关节机构包括膝关节外板、膝关节内板、固定轴、直线槽、移动轴和曲线槽，膝关节外板上部设有与倒T型栓卡合限位的限位台阶卡位,曲线槽设置在膝关节内板下部，膝关节外板内设有安装腔位，直线槽设置在膝关节外板上，膝关节内板下部活动插装在膝关节外板的安装腔位内，固定轴一端固定安装在膝关节内板上、另一端活动插装在直线槽内，移动轴一端固定在膝关节外板上、另一端活动插装在曲线槽内，膝关节内板与大腿杆下部紧固连接，膝关节外板通过固定轴和移动轴相对于膝关节内板沿人体矢状面方向转动；

在步态支撑相初期、摆动相末期，人体的膝关节伸直，倒T型栓的底部在自身重力作用下卡住膝关节外板的限位台阶卡位，膝关节机构自锁，膝关节机构稳定传递人体重力到地面，此时膝关节内板和膝关节外板相互锁定，无法相对转动；在步态支撑相末期、摆动相初期，人体髋关节角度小于自解锁临界角度时，拉环被限位钩勾住，拉环拉动钢丝线，钢丝线向上拉动拉伸弹簧，拉伸弹簧拉起倒T型栓，倒T型栓的底部与膝关节外板的限位台阶卡位脱开、解锁，依靠固定轴在直线槽内的滑动和移动轴在曲线槽内的滑动，膝关节外板和膝关节内板之间可自由转动，膝关节屈曲、下肢前摆，完成摆动相。

2.根据权利要求1所述的基于步态相位自解锁的被动式体重支撑外骨骼装置，其特征在于，所述座椅包括弧形的座椅上板和座椅下板，座椅下板两端设有座椅支撑侧板，座椅上板两端安装在该座椅支撑侧板上使得座椅上板与座椅下板之间形成间隙空间，导轨槽设置在座椅下板上。

3.根据权利要求2所述的基于步态相位自解锁的被动式体重支撑外骨骼装置，其特征在于，所述滑块板上设有凸起的固定块，该固定块上设有用于放置拉环的槽位。

4.根据权利要求3所述的基于步态相位自解锁的被动式体重支撑外骨骼装置，其特征在于，所述大腿连接杆下部插装在大腿杆内进行紧固连接，该大腿连接杆与大腿杆为伸缩结构。

5.根据权利要求4所述的基于步态相位自解锁的被动式体重支撑外骨骼装置，其特征在于，所述膝关节内板上部设有插槽，倒T型栓活动设在该插槽内。

6.根据权利要求5所述的基于步态相位自解锁的被动式体重支撑外骨骼装置，其特征在于，所述小腿机构包括小腿外杆、小腿弹性连接件、小腿内杆和足底件，小腿外杆上部与膝关节外板紧固连接，小腿内杆上部插装入小腿外杆中，小腿弹性连接件装设在小腿外杆内，并且该小腿弹性连接件上部与小腿外杆活动连接，小腿弹性连接件下部与小腿内杆紧固连接，小腿内杆下部与足底件紧固连接，小腿外杆下端装接有踝关节绑带。

7.根据权利要求6所述的基于步态相位自解锁的被动式体重支撑外骨骼装置，其特征在于，所述小腿弹性连接件包括调节套筒、V型弹簧、支撑弹簧、弹簧底座和移动销，V型弹簧嵌装在调节套筒内，调节套筒侧壁设有通孔，该通孔处装设有与V型弹簧连接的按压键，小腿外杆上设有排孔，该按压键卡装在排孔中，调节套筒底面设有下端轴，该下端轴活动插装入弹簧底座内，弹簧底座侧壁设有限位槽，移动销一端固定装设在下端轴侧壁、另一端活动插装在限位槽中，支撑弹簧套装在下端轴上，该支撑弹簧上端抵顶着调节套筒底面、下端抵顶着弹簧底座上端面，弹簧底座与小腿内杆紧固连接。

8.根据权利要求7所述的基于步态相位自解锁的被动式体重支撑外骨骼装置，其特征在于，所述足底件的底面设为弧形状，并且该足底件的底面中间位置为弧形凸出的最高位置。