CN111228089A - 一种穿戴式可伸缩下肢外骨骼助力装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种穿戴式可伸缩下肢外骨骼助力装置及方法，在外部平衡架上固定有包括导轨和导轨钳制器构成的腰部升降机构，大腿固定机构、小腿固定机构分别通过关节盘式电机连接，大腿固定机构连接在腰部升降机构的腰部伸缩杆上，脚板固定机构连接在小腿固定机构底部；使用者通过手机APP连接电源控制机构控制髋关节盘式电机和膝关节盘式电机同时动作，带动使用者的大腿和小腿转动，实现移动；通过脚轮实现原地固定、转弯和刹车；通过使用者控制导轨钳制器使得腰部升降机构沿导轨升降，实现起立、下蹲。本发明能够解决下肢运动障碍人群独自移动问题，将保持平衡机构与起立下蹲机构相结合，适用于不同体型的相关人群。

Description

一种穿戴式可伸缩下肢外骨骼助力装置及方法

技术领域

本发明针对下肢运动障碍人群，设计一种在人需要移动的情况下，能起到支撑、助力、保护作用的穿戴式可伸缩下肢外骨骼助力装置及方法。

背景技术

目前，人口老龄化已成为世界上许多国家不可忽视的社会问题。老年人生理功能的衰退与下肢病重患者及交通事故的增多，重新获得正常的行走能力是下肢运动障碍患者的美好期望。临床医学表明，除必须的医学治疗外，科学和正确的康复训练对肢体功能的恢复也十分有效。目前市场上没有将平衡保持装置与起立下蹲机构相结合的下肢外骨骼助力装置，并且成本造价高、兼容性低。

目前现有的下肢外骨骼装置有以下几类：

1)拐杖式

该类装置型式比较多，体积小，因此使用十分普遍。但该类装置辅助平衡，对人的支撑保护性较差。

2)立柱式

该类装置对人的支撑保护性能好。但该类设备体积大，成本高，移动灵活性较差，不易穿戴。

3)背戴式

该类装置体积小，重量轻，具有良好的便携性。但该类设备无法进行伸缩调节，穿戴兼容性较差，无法适用于各类体型的下肢运动障碍患者，并且无平衡保持装置，平衡性较差。

因此，需要提供一种体积小、成本低、稳定性好、便捷、安全可靠的穿戴式可伸缩下肢外骨骼助力机械装置。

发明内容

针对上述问题，本发明提供设计一种在下肢运动障碍人群需要移动的情况下，能起到支撑、助力、保护作用的穿戴式可伸缩下肢外骨骼助力装置，该装置为一种能够实现将保持平衡机构与起立下蹲机构相结合的下肢外骨骼助力装置，其设计简单、成本低、穿戴方便、易于装配。

本发明解决其技术问题的是通过下述技术方案来实现的：

本发明的一种穿戴式可伸缩下肢外骨骼助力装置，包括外部平衡架、腰部升降机构、大腿固定机构、小腿固定机构、脚板固定机构、脚轮和电源控制机构；所述外部平衡架上固定有包括导轨和导轨钳制器构成的腰部升降机构，大腿固定机构通过髋关节盘式电机连接在腰部升降机构的腰部伸缩杆上，小腿固定机构通过膝关节盘式电机连接在大腿固定机构下部，脚板固定机构连接在小腿固定机构底部；

使用者通过手机APP连接电源控制机构控制髋关节盘式电机和膝关节盘式电机同时动作，带动使用者的大腿和小腿转动，实现移动；通过脚轮实现原地固定、转弯和刹车；通过使用者控制导轨钳制器使得腰部升降机构沿导轨升降，实现起立、下蹲。

对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：

优选的，所述外部平衡架为前部开口的框架结构，腰部固定机构固定在外部平衡架后框架内部，电源控制机构安装在外部平衡架的后端。

优选的，所述腰部升降机构包括导轨固定后板，导轨固定后板上固定一对导轨，导轨上设有滑块和导轨钳制器，腰部连接板连接在滑块上，通过导轨钳制器控制腰部连接板沿滑块上下移动。

优选的，在腰部连接板两端分别连接有一对腰部伸缩杆，一对腰部伸缩杆端部分别连接有髋关节盘式电机。

优选的，所述大腿固定机构包括相互套接的一对大腿内杆和一对大腿外杆，一对大腿内杆分别连接在髋关节盘式电机上，一对大腿外杆连接膝关节盘式电机。

优选的，所述小腿固定机构包括相互套接的一对小腿内杆和小腿外杆，一对小腿内杆分别连接在膝关节盘式电机上，小腿外杆连接脚板固定机构。

优选的，一对大腿外杆上分别连接有大腿绑带板，一对小腿外杆上连接有小腿绑带板，大腿外杆和小腿绑带板通过弹力绑带紧固。

优选的，髋关节盘式电机与膝关节盘式电机之间倾斜15-20°；小腿固定机构与膝关节盘式电机保持在同一垂线上。

优选的，所述外部平衡架的底部连接四个脚轮连接板，前侧两个脚轮连接板连接缓震万向轮，后侧两个脚轮连接板连接缓震定向轮；缓震万向轮和缓震定向轮上设有缓震弹簧和刹车板。

相应地，本发明还给出了一种所述装置的行走方法，包括如下步骤：

1)使用者调节大腿外杆与大腿内杆、小腿外杆与小腿内杆、左腰部伸缩杆与右腰部伸缩杆，将自身型体穿戴进大腿绑带板和小腿绑带板，并将身体于固定腰部连接板上；

2)使用者用脚将前端两侧缓震定向轮后侧的刹车踏脚踩下，将下肢外骨骼助力机械装置固定在原地；

3)使用者使用弹力绑带将腿部分别固定在大腿绑带板和小腿绑带板上；

4)使用者通过手机APP连接电源控制机构，控制髋关节盘式电机和膝关节盘式电机同时动作产生扭矩，带动使用者大腿和小腿转动，实现前进和后退；

5)使用者通过缓震定向轮实现转弯，通过缓震定向轮上的缓震弹簧实现平稳性；

6)使用者旋转导轨钳制器，通过滑块与导轨配合，进行起立、下蹲动作；

7)完成起立、下蹲动作后，使用者反向旋转导轨钳制器手柄锁紧导轨钳制器，重新进行其他运动。

本发明的有益效果是：

(1)腿部套杆及腰部套杆的伸缩性，确保穿戴式下肢外骨骼助力机械装置能适合不同体型的人群。

(2)外部平衡架能够确保在下肢运动障碍人群需要移动的情况下，起到支撑、助力、保护作用，提高了使用者在使用过程中的平衡性，从而大幅度增强此类人群的移动能力，安全可靠。

(3)穿戴式下肢外骨骼助力机械装置设计简单、穿戴便捷、人机一体、并且成本低、易于装配。

(4)导轨和导轨钳制器组成的腰部升降机构，可以满足使用者在穿戴过程中，不仅能够实现前进、后退运动，还可以实现下蹲、起立的动作，灵活性更好。

(5)康复训练模式可以为下肢运动障碍人群提供运动康复训练，减缓其肌肉衰减。具有实用、便捷、体积小、成本低等特点。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1是本发明结构主视图；

图2是本发明俯视图；

图3是本发明侧视图；

图4是本发明下肢外骨骼立体结构示意图；

图5是本发明腰部升降机构示意图；

图6是本发明缓震机构示意图；

图7是本发明腿部伸缩机构示意图。

图中：1-缓震万向轮；2-外部平衡架；3-脚轮连接板；4-左脚板；5-电源控制箱；6-导轨钳制器；7-腰部连接板；8-髋关节盘式电机；9-膝关节盘式电机；10-大腿外杆；11-大腿内杆；12-缓震定向轮；13-蓄电池；14-小腿内杆；15-小腿外杆；16-小腿绑带板；17-右腰部伸缩杆；18-大腿绑带板；19-脚踝连接板；20-导轨；21-右脚板；22-左腰部伸缩杆；23-滑块；24-滑块注油嘴；25-圆柱头螺钉a；26-圆柱头螺钉b；27-圆柱头螺钉c；28-圆柱头螺钉d；29-刹车板；30-缓震弹簧；31-导轨固定后板；32-圆柱头螺钉e；33-导轨钳制器手柄；34-弹力绑带。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1～图7，本发明提供一种穿戴式可伸缩下肢外骨骼助力装置，包括外部平衡架2、腰部升降机构、大腿固定机构、小腿固定机构、脚板固定机构、脚轮和电源控制机构；其中，外部平衡架2为前部开口的框架结构，腰部固定机构固定在外部平衡架2后框架内部。其中，见图5所示，腰部升降机构包括固定在外部平衡架2后框架上的导轨固定后板31，导轨固定后板31向内侧的板面上固定一对导轨20，导轨20上设有滑块23和导轨钳制器6，腰部连接板7连接在滑块23上，导轨钳制器6外侧安装有导轨钳制器手柄33，见图3所示；在滑块23上还设有滑块注油嘴24。通过导轨钳制器6控制腰部连接板7沿滑块23上下移动；在腰部连接板7内部凹槽两端分别通过圆柱头螺钉c27连接有左腰部伸缩杆22和右腰部伸缩杆17，根据不同体型情况，将圆柱头螺钉c27松开调整在腰部连接板7凹槽中的螺孔位置，以适用于不同体型具有不同腰宽的情况，提高装置的兼容性。其中，左腰部伸缩杆22和右腰部伸缩杆17的端部分别连接有髋关节盘式电机8。

大腿固定机构连接在腰部升降机构的左腰部伸缩杆22和右腰部伸缩杆17上，其中，大腿固定机构包括相互连接的一对大腿内杆11和一对大腿外杆10，大腿内杆11外侧安装有大腿外杆10，大腿内杆11嵌套在大腿外杆10内部，实现可伸缩性，满足于不同体型不同腿长的情况。一对大腿内杆11顶部分别连接在髋关节盘式电机8上，一对大腿外杆10底部连接膝关节盘式电机9；一对大腿外杆10内侧分别连接有大腿绑带板18，大腿绑带板18的上下方设有弹力绑带34。

如图7所示，小腿固定机构连接在大腿固定机构下部，小腿固定机构包括一对小腿内杆14和小腿外杆15，小腿内杆14套在小腿外杆15内，通过圆柱头螺钉a25连接；一对小腿内杆14顶部分别连接在膝关节盘式电机9上，一对小腿外杆15上通过圆柱头螺钉e32连接有小腿绑带板16，小腿绑带板16通过弹力绑带34紧固；一对小腿外杆15底部通过一对L形板水平连接脚板固定机构，L形板垂直部分通过圆柱头螺钉b26连接在小腿外杆15上，L形板水平部分通过圆柱头螺钉d28连接脚板固定机构。

如图2所示，其中连接在一对腰部伸缩杆端部的髋关节盘式电机8相对于膝关节盘式电机9倾斜有15-20°的角度，以便于大腿伸缩时与腰部升降机构的配合。同时，小腿固定机构保持与膝关节盘式电机9在同一垂线上。

脚板固定机构包括脚踝连接板19和一对脚板(左脚板4、右脚板21)，脚踝连接板19被固连在小腿外杆15的两侧，左脚板4和右脚板21水平连接脚踝连接板19。

外部平衡架2的底部与四个脚轮连接板3相连，前侧两个脚轮连接板3与缓震万向轮1相连，后侧两个脚轮连接板3与缓震定向轮12相连，使装置实现转弯功能。如图6所示，在脚轮连接板3上连接一对连接支架，连接支架上设有缓震弹簧30，连接支架通过销轴连接缓震万向轮1或缓震定向轮12，销轴上连接有刹车板29。缓震弹簧30被安装在缓震万向轮1和缓震定向轮12的一侧，使装置在移动和跨越小障碍时，平稳度可以提高，提高使用者的舒适度。

电源控制机构设在外部平衡架2后框架外部，电源控制机构包括蓄电池13和电源控制箱5，电源控制箱5内设有与使用者手机相连的控制器，电源控制箱5被安装在外部平衡架2的后端。

使用前：

图1和图3示意了使用者在工作人员的帮助下，根据自身体型，调节大腿外杆10与大腿内杆11、小腿外杆15与小腿内杆14、左腰部伸缩杆22与右腰部伸缩杆17，以此来兼容自身体型，提高使用者的舒适度。调整好后，使用者即可自主穿戴使用，使用者可用脚将前端两侧缓震万向轮1后侧的刹车踏脚29踩下，将下肢外骨骼助力机械装置固定在原地；完成此步骤后，使用者将腿部贴合于大腿绑带板18与小腿绑带板16，并使用弹力绑带34将腿部固定在绑带板上。

移动时：

图6和图7示意了使用者通过手机APP，可实现对穿戴式下肢外骨骼助力机械装置的控制。当使用者发送预设命令后，髋关节盘式电机8和膝关节盘式电机9同时开始动作，产生扭矩，从而带动使用者的大腿和小腿转动，实现前进和后退功能。在外部平衡架2前端两侧的缓震万向轮1的作用下，使用者可实现转弯功能。当使用者使用装置跨越小障碍时，设置在缓震万向轮1和缓震定向轮12一侧的缓震弹簧30可以提高装置的平稳性，提高使用者在使用的整个过程中的舒适度。

起立下蹲时：

图5示意了使用者起立下蹲动作原理。使用者旋转导轨钳制器手柄33，使其处于松动状态，完成此步骤后，使用者即可在滑块23与导轨20的组合下，进行起立、下蹲动作，完成起立动作后，使用者反向旋转导轨钳制器手柄33即可锁紧导轨钳制器6，重新进行其他运动。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种穿戴式可伸缩下肢外骨骼助力装置，其特征在于，包括外部平衡架(2)、腰部升降机构、大腿固定机构、小腿固定机构、脚板固定机构、脚轮和电源控制机构；所述外部平衡架(2)上固定有包括导轨和导轨钳制器构成的腰部升降机构，大腿固定机构通过髋关节盘式电机(8)连接在腰部升降机构的腰部伸缩杆上，小腿固定机构通过膝关节盘式电机(9)连接在大腿固定机构下部，脚板固定机构连接在小腿固定机构底部；

使用者通过手机APP连接电源控制机构控制髋关节盘式电机(8)和膝关节盘式电机(9)同时动作，带动使用者的大腿和小腿转动，实现移动；通过脚轮实现原地固定、转弯和刹车；通过使用者控制导轨钳制器使得腰部升降机构沿导轨升降，实现起立、下蹲。

2.根据权利要求1所述的一种穿戴式可伸缩下肢外骨骼助力装置，其特征在于，所述外部平衡架(2)为前部开口的框架结构，腰部固定机构固定在外部平衡架(2)后框架内部，电源控制机构安装在外部平衡架(2)的后端。

3.根据权利要求1所述的一种穿戴式可伸缩下肢外骨骼助力装置，其特征在于，所述腰部升降机构包括导轨固定后板(31)，导轨固定后板(31)上固定一对导轨(20)，导轨(20)上设有滑块(23)和导轨钳制器(6)，腰部连接板(7)连接在滑块(23)上，通过导轨钳制器(6)控制腰部连接板(7)沿滑块(23)上下移动。

4.根据权利要求3所述的一种穿戴式可伸缩下肢外骨骼助力装置，其特征在于，在腰部连接板(7)两端分别连接有一对腰部伸缩杆，一对腰部伸缩杆端部分别连接有髋关节盘式电机(8)。

5.根据权利要求1所述的一种穿戴式可伸缩下肢外骨骼助力装置，其特征在于，所述大腿固定机构包括相互套接的一对大腿内杆(11)和一对大腿外杆(10)，一对大腿内杆(11)分别连接在髋关节盘式电机(8)上，一对大腿外杆(10)连接膝关节盘式电机(9)。

6.根据权利要求5所述的一种穿戴式可伸缩下肢外骨骼助力装置，其特征在于，所述小腿固定机构包括相互套接的一对小腿内杆(14)和小腿外杆(15)，一对小腿内杆(14)分别连接在膝关节盘式电机(9)上，小腿外杆(15)连接脚板固定机构。

7.根据权利要求6所述的一种穿戴式可伸缩下肢外骨骼助力装置，其特征在于，一对大腿外杆(10)上分别连接有大腿绑带板(18)，一对小腿外杆(15)上连接有小腿绑带板(16)，大腿外杆(10)和小腿绑带板(16)通过弹力绑带(34)紧固。

8.根据权利要求7所述的一种穿戴式可伸缩下肢外骨骼助力装置，其特征在于，髋关节盘式电机(8)与膝关节盘式电机(9)之间倾斜15-20°；小腿固定机构与膝关节盘式电机(9)保持在同一垂线上。

9.根据权利要求1所述的一种穿戴式可伸缩下肢外骨骼助力装置，其特征在于，所述外部平衡架(2)的底部连接四个脚轮连接板(3)，前侧两个脚轮连接板(3)连接缓震万向轮(1)，后侧两个脚轮连接板(3)连接缓震定向轮(12)；缓震万向轮(1)和缓震定向轮(12)上设有缓震弹簧(30)和刹车板(29)。

10.一种权利要求1-9任一项所述装置的行走方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)使用者调节大腿外杆与大腿内杆、小腿外杆与小腿内杆、左腰部伸缩杆与右腰部伸缩杆，将自身型体穿戴进大腿绑带板(18)和小腿绑带板(16)，并将身体于固定腰部连接板(7)上；

2)使用者用脚将前端两侧缓震定向轮(12)后侧的刹车踏脚踩下，将下肢外骨骼助力机械装置固定在原地；

3)使用者使用弹力绑带将腿部分别固定在大腿绑带板(18)和小腿绑带板(16)上；

4)使用者通过手机APP连接电源控制机构，控制髋关节盘式电机(8)和膝关节盘式电机(9)同时动作产生扭矩，带动使用者大腿和小腿转动，实现前进和后退；

5)使用者通过缓震定向轮(12)实现转弯，通过缓震定向轮上的缓震弹簧实现平稳性；

6)使用者旋转导轨钳制器，通过滑块与导轨配合，进行起立、下蹲动作；

7)完成起立、下蹲动作后，使用者反向旋转导轨钳制器手柄锁紧导轨钳制器，重新进行其他运动。

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