CN103989570B - 一种外动力驱动的交互式截瘫助行外骨骼 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种外动力驱动的交互式截瘫助行外骨骼，包括助行车和助行外骨骼，助行车上设有电机驱动机构，助行外骨骼上设有动力拉杆机构，电机驱动机构通过动力拉杆机构与助行外骨骼连接。本发明的有益效果为：本发明在助行车上设计了一个电机驱动机构，电机驱动机构提供的驱动动力经由动力拉杆传递给RGO的交互机构，降低截瘫患者利用RGO交互行走时的体能消耗；将电推杆、控制器和电池放在小车上，既可以保持RGO结构紧凑小巧的优点，又可以为截瘫患者交互行走提供助力，兼有动力助行外骨骼和无动力助行外骨骼二者的优点。

Description

一种外动力驱动的交互式截瘫助行外骨骼

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种外动力驱动的交互式截瘫助行外骨骼。

背景技术

助行外骨骼是穿戴在人体下肢，用于辅助截瘫患者重建行走功能、为下肢运动功能减弱的老年人提供行走助力，以及增强军人等特定群体行走和负重能力的机械装置。助行外骨骼主要分为外动力驱动的动力助行外骨骼和无外动力驱动的无动力助行外骨骼两大类型。

动力助行外骨骼的概念最早可以追溯到19世纪初，1830年英国人罗伯特·西摩（Robert Seymour）提出的穿戴人体上的蒸汽机行走器，是最早的动力助行外骨骼概念创意。1890年俄罗斯人尼古拉斯·亚根（Nicholas Yagn）提出用弹性储能元件增强人类跑和跳能力的发明专利，是被业界广为引用的最早助行外骨骼设计。在20世纪60年代年以前，动力助行外骨骼主要以幻想和创意设计为主；在20世纪60年代初，美国康奈尔航空实验室率先开始研发动力助行外骨骼人肌增强器（Man-amplifier），然后GE公司研发动力助行外骨骼哈德曼（Hardiman），开始了制造动力助行外骨骼样机的实践；在20世纪60年代末至70年代初，南斯拉夫普平研究所武科拉托维奇研发了用于截瘫患者辅助行走的多种动力助行外骨骼，并发表了有关人形机器人步态规划、设计及控制理论的专著，书中详细阐述了至今仍被双足机器人采用的“零力矩点”（ZMP）行走稳定性判据；在20世纪80年代，因机电和控制等核心技术瓶颈导致哈德曼（Hardiman）项目中止，使动力外骨骼研究陷入低潮；1988年国家自然科学基金支持清华大学张济川开展“外动力式截瘫步行器的研究”，并于1990申请了我国动力助行外骨骼方面的第一个发明专利 “下肢高位截瘫者用电动步行机” ，专利号ZL90104491.1；在20世纪90年代动力助行外骨骼最重要的进展是减重步行训练外骨骼的推出，瑞士HOCOMA医疗器械公司与瑞士苏黎士巴尔格瑞斯特（Balgrist）医学院康复中心合作将动力外骨骼与减重悬吊装置和跑步机相结合，于1999年研制成功机器人（LOKOMAT）减重步行训练动力外骨骼，并在临床上推广使用；随着机器人（LOKOMAT）减重步行训练动力外骨骼的成功应用，动力助行外骨骼研究进入了高潮期，其中日本和美国动力助行外骨骼的研究规模和总体技术水平比较高。截止2013年底，已有20多个国家从事动力助行外骨骼相关研究，仅我国从事动力助行外骨骼研究单位就有近40家，其中有实验样机的就超过10家。第一个上市的截瘫患者动力助行外骨骼是以色列开发的重新行走（Rewalk），已经上市销售的截瘫患者动力助行外骨骼还有新西兰的Rex，美国的Esko（以前称Elegs），日本Hal5-Type C等。

无动力助行外骨骼源于临床实践，对胸锥和腰锥完全性脊髓损伤的患者不借助辅助器具是无法实现站立或行走的，而行走对维持肌肉骨骼与心肺功能有重要作用，因此很多年前就有医师用KAFO（膝踝关节矫形器）或者HKAFO（髋膝踝关节的矫形器）帮助截瘫患者行走。1967年加拿大一位矫形器技师提出通过齿轮将双侧HKAFO相连，使截瘫患者一侧屈髋时对侧伸髋实现交互式步态，后来其同事用钢索代替了齿轮，并命名为LUS RGO（LUS，即路易士安娜州立大学）。无动力助行外骨骼RGO经过多年的改进和临床实践，形成了三类主要产品：1）靠腰部钢索实现交互的RGO（往复式截瘫步行器），即环索RGO；2）通过腰部空间连杆机构实现交互的RGO，即摇杆RGO；3）通过会阴部下方“人”字形关节实现交互的RGO，即V型关节RGO。

外动力助行外骨骼由于驱动力和能耗较大，存在体积和重量大，不易穿戴和使用的问题。RGO尽管相对小巧，但是使用时需要消耗患者大量的体能，部分患者应用困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种外动力驱动的交互式截瘫助行外骨骼，以克服目前现有技术存在的上述不足。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：

一种外动力驱动的交互式截瘫助行外骨骼，包括助行车和助行外骨骼，所述助行车上设有电机驱动机构，所述助行外骨骼上设有动力拉杆机构，所述电机驱动机构通过动力拉杆机构与所述助行外骨骼连接；所述电机驱动机构包括安装在助行车上的控制器、电池和安装在所述助行车支架一、助行车支架二之间的交互臂杆，所述助行车的连接梁通过交互铰链支座和交互铰链与所述交互臂杆中部连接，所述交互臂杆的一端通过电推杆与所述助行车支架二连接，所述交互臂杆的左部和右部均安装有动力拉杆一，所述动力拉杆一外套有动力拉杆套一，所述动力拉杆套一通过动力拉杆套支座一与所述连接梁固定连接，所述控制器通过导线与所述电推杆连接，所述电池通过导线与所述控制器的供电端、所述电推杆的供电端连接；所述动力拉杆机构与所述动力拉杆套一连接。

进一步，所述助行外骨骼为环索RGO式助行外骨骼，所述环索RGO式助行外骨骼包括髋关节组件一，所述动力拉杆机构包括分别设置在左右两个髋关节处的动力拉杆二，所述髋关节组件一包括左右两个髋关节的驱动杆一、支架一、环索拉杆，所述驱动杆一一端均通过环锁铰链与所述环索拉杆连接，所述驱动杆一另一端均通过动力铰链二与所述动力拉杆二连接，所述动力拉杆二外均套有动力拉杆套二，所述动力拉杆套二均通过动力拉杆套支座二固定连接在支架一上，所述动力拉杆套二另一端均与所述动力拉杆套一连接。

进一步，所述助行外骨骼为摇杆RGO式助行外骨骼，所述摇杆RGO式助行外骨骼包括髋关节组件二，所述动力拉杆机构包括分别设置在左右两个髋关节处的动力拉杆三，所述髋关节组件二包括分别设置在左右两个髋关节处的驱动杆二、摇杆、支架二、髋关节锁二，所述驱动杆二一端均通过杆端球轴承一与所述髋关节锁二连接，所述驱动杆二另一端均通过双头螺杆、杆端球轴承二与所述摇杆连接，所述摇杆通过摇杆铰链与所述支架二连接，所述动力拉杆三外均套有动力拉杆套三，所述动力拉杆套三均通过动力铰链三与所述摇杆末端连接，所述动力拉杆套三通过动力拉杆套支座三固定连接在支架二上，所述动力拉杆三的另一端均与所述动力拉杆套一连接。

进一步，所述助行外骨骼为V型关节RGO式助行外骨骼，所述V型关节RGO式助行外骨骼包括V型关节组件，所述动力拉杆机构包括设置动力拉杆四，所述V型关节组件包括两个交互臂，所述动力拉杆四外套有动力拉杆套四，所述动力拉杆套四的末端通过动力铰链四与一侧交互臂连接，所述动力拉杆套四的中部通过动力拉杆套支座四与另一侧交互臂连接，所述动力拉杆四另一端与所述动力拉杆套一连接。

进一步，所述控制器安装在所述助行车支架一的下部，所述电池安装在助行车支架二的下部，所述支架一的横管上安装有手控按键，所述手控按键通过导线与所述控制器连接。

进一步，所述电推杆一端通过铰链一与所述所述助行车支架二顶部连接，所述电推杆另一端通过铰链二与所述交互臂杆连接。

进一步，所述动力拉杆一均通过动力铰链一与所述交互臂杆连接。

本发明的有益效果为：本发明在助行车上设计了一个电机驱动机构，电机驱动机构提供的驱动动力经由动力拉杆传递给RGO的交互机构，降低截瘫患者利用RGO交互行走时的体能消耗；将电推杆、控制器和电池放在小车上，既可以保持RGO结构紧凑小巧的优点，又可以为截瘫患者交互行走提供助力，兼有动力助行外骨骼和无动力助行外骨骼二者的优点。

附图说明

下面根据附图对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明实施例所述的外动力驱动的交互式截瘫助行外骨骼的助行车的结构示意图；

图2是本发明实施例一所述的外动力驱动的交互式截瘫助行外骨骼的环索RGO式助行外骨骼的结构示意图；

图3是本发明实施例一所述的外动力驱动的交互式截瘫助行外骨骼的环索RGO式助行外骨骼的环索髋部组件的结构示意图；

图4是本发明实施例二所述的外动力驱动的交互式截瘫助行外骨骼的摇杆RGO式助行外骨骼的结构示意图；

图5是本发明实施例二所述的外动力驱动的交互式截瘫助行外骨骼的摇杆RGO式助行外骨骼的摇杆髋部组件的结构示意图；

图6是本发明实施例三所述的外动力驱动的交互式截瘫助行外骨骼的V型关节RGO的结构示意图；

图7是本发明实施例三所述的外动力驱动的交互式截瘫助行外骨骼的V型关节RGO的V型关节组件的结构示意图。

图中：

11、足托一；12、下支条一；13、膝关节锁一 ；14、膝关节一； 15、上支条一；16、髋关节组件一；161、髋关节锁一；162、髋关节一；163、支架一；164、驱动杆一；165、动力铰链二、166、动力拉杆二；167动力拉杆套二；170、动力拉杆套支座二；169、环索铰链；168、环索拉杆；171、环索拉杆套；172、环索拉杆套支座；21、足托二；22、下支条二；23、膝关节锁二；24、膝关节二；25、上支条二；26、髋关节组件二；261、髋关节锁二；262、髋关节二；263、驱动杆二；264、杆端球轴承；265、双头螺杆；266、杆端球轴承；267、支架二；268、动力铰链三；269、动力拉杆三；270、动力拉杆套三；271、动力拉杆套支座三；272、摇杆；273、摇杆铰链；31、足托三 ； 32、外侧下支条；33、内侧下支条；34、膝关节锁三；35、膝关节三；36外侧上支条；37、大腿托；38、内侧上支条；39、V型关节组件；391、交互臂；392、锁紧滑块；393、锁紧开关；394、动力铰链四；395、动力拉杆四；396、动力拉杆套四；397、动力拉杆套支座四；398、关节轴；401、车轮；402、车前架；403、防滑座；404、车后架；405、车中梁；406、动力拉杆套一；407、动力拉杆套支座一；408、动力拉杆一；409、动力铰链一；410、交互铰链支座；411、交互铰链；412、交互臂杆；413、电池；414、控制器；415、铰链一；416、电推杆；417、铰链二；418、按键。

具体实施方式

实施例一

如图1-3所示，本发明实施例一所述的一种外动力驱动的交互式截瘫助行外骨骼，包括带有外动力驱动机构的助行车，助行车的车轮401安装在车前架402上，车后架404有防滑座403，车前架402和车后架404由车中梁405连接成一体，自身力源驱动机构通过交互铰链支座410与车前架402和车后架404连接，交互臂杆412由电推杆416经电推杆上铰链一415和电推杆下铰链二417驱动，绕交互铰链411往复转动，由截瘫患者手控按键418通过控制器414操作电推杆416工作，电推杆416由电池413供电，安装在交互臂杆，412的动力铰链一409，通过动力拉杆一408和经由动力拉杆套支座一407固定在助行车上的动力拉杆套一406，将因电推杆416驱动力传递给RGO，对于环索RGO，动力拉杆套一406的另一端与动力拉杆套二167连接。

如图2所示，第一个实施例，即外动力驱动的环索RGO。环索RGO由固定截瘫患者足、踝和小腿的足托一11，经由下支条一12、膝关节锁一13、膝关节一14和上支条一15与髋关节组件16相连，其中下支条一12和上支条一15起到支撑和连接作用，在坐姿时膝关节锁一13打开，膝关节一14屈曲，在站立或者行走时膝关节锁一13锁紧，膝关节一14不能屈曲。

如图3所示，外动力驱动的环索RGO的髋关节组件16。上支条一15经由髋关节锁一161、髋关节一162与支架一163相连。左右两个髋关节的驱动杆一164经由环索铰链169和环索拉杆168连接，实现机械交互。环索拉杆168外有环索拉杆套171，环索拉杆套171经由环索拉杆套支座172固定在支架一163上。动力拉杆二166经由动力铰链二165与驱动杆一164铰接，动力拉杆二166外有动力拉杆套二167，动力拉杆套二167的一端经由动力拉杆套支座二170固定在支架一163上。动力拉杆套二167的另一端固定在助行车上。在坐姿时髋关节锁一161打开，髋关节一162屈曲，在站立或者行走时髋关节锁一161锁紧，髋关节一162在环索拉杆168的作用下，实现在矢状面内左右交互屈伸行走。

实施例二

如图1、4、5所示，本发明实施例二所述的一种外动力驱动的交互式截瘫助行外骨骼，包括带有外动力驱动机构的助行车，助行车的车轮401安装在车前架402上，车后架404有防滑座403，车前架402和车后架404由车中梁405连接成一体，自身力源驱动机构通过交互铰链支座410与车前架402和车后架404连接，交互臂杆412由电推杆416经电推杆上铰链一415和电推杆下铰链二417驱动，绕交互铰链411往复转动，由截瘫患者手控按键418通过控制器414操作电推杆416工作，电推杆416由电池413供电，安装在交互臂杆，412的动力铰链一409，通过动力拉杆一408和经由动力拉杆套支座一407固定在助行车上的动力拉杆套一406，将因电推杆416驱动力传递给RGO，对于环索RGO，动力拉杆套一406的另一端与动力拉杆三269连接。

如图4所示，第二个实施例，即外动力驱动的摇杆RGO。摇杆RGO由固定截瘫患者足、踝和小腿的足托二21，经由下支条二22、膝关节锁二23、膝关节二24和上支条二25与髋关节组件二26相连，其中下支条二22和上支条二25起到支撑和连接作用，在坐姿时膝关节锁二23打开，膝关节二24屈曲，在站立或者行走时膝关节锁二23锁紧，膝关节二24不能屈曲。

如图5所示，外动力驱动的摇杆RGO的髋关节组件二26。上支条二25经由髋关节锁二261、髋关节二262与支架二267相连。左右两个髋关节的驱动杆二263经由杆端球轴承264、双头螺杆265和杆端球轴承266与摇杆272连接，摇杆272与支架二267通过摇杆铰链273铰接，实现机械交互。动力拉杆三269经由动力铰链三268与驱动杆二263铰接，动力拉杆三269外有动力拉杆套三270，动力拉杆套三270的一端经由动力拉杆套支座三271固定在支架二267上。动力拉杆套三270的另一端固定在助行车上。在坐姿时髋关节锁二261打开，髋关节二262屈曲，在站立或者行走时髋关节锁二261锁紧，髋关节二262在动力拉杆三269的作用下，实现在矢状面内左右交互屈伸行走。

实施例三

如图1、6、7所示，本发明实施例三所述的一种外动力驱动的交互式截瘫助行外骨骼，包括带有外动力驱动机构的助行车，助行车的车轮401安装在车前架402上，车后架404有防滑座403，车前架402和车后架404由车中梁405连接成一体，自身力源驱动机构通过交互铰链支座410与车前架402和车后架404连接，交互臂杆412由电推杆416经电推杆上铰链一415和电推杆下铰链二417驱动，绕交互铰链411往复转动，由截瘫患者手控按键418通过控制器414操作电推杆416工作，电推杆416由电池413供电，安装在交互臂杆，412的动力铰链一409，通过动力拉杆一408和经由动力拉杆套支座一407固定在助行车上的动力拉杆套一406，将因电推杆416驱动力传递给RGO，对于环索RGO，动力拉杆套一406的另一端与动力拉杆四395连接。

如图6所示，第三个实施例，即外动力驱动的V型关节RGO。V型关节RGO由固定截瘫患者足、踝和小腿的足托三31，经由外侧下支条32、内侧下支条33、膝关节锁三34、膝关节三35、外侧上支条36、大腿托37和内侧上支条38与V型关节组件39相连，其中外侧下支条32、内侧下支条33、外侧上支条36和内侧上支条38起到支撑和连接作用，在坐姿时膝关节锁三34打开，膝关节三35屈曲，在站立或者行走时膝关节锁三34锁紧，膝关节三35不能屈曲。

如图7所示，外动力驱动的V型关节RGO的V型关节组件39。交互臂391由内侧上支条38固定。交互臂391经由锁紧滑块392、锁紧开关393和关节轴398实现机械交互。动力拉杆四395经由动力铰链四394与一侧交互臂391铰接，动力拉杆四395外有动力拉杆套四396，动力拉杆套四396的一端经由动力拉杆套支座四397固定在另外一侧交互臂上。动力拉杆套396四的另一端固定在助行车上。

本发明是一种由助行车上电推杆驱动交互机构的外动力截瘫助行外骨骼RGO（reciprocation gait orthosis，即交互式步态矫形器），属于康复工程领域。提供一种由电机驱动交互机构，降低截瘫患者利用RGO交互行走时的体能消耗。为了降低截瘫患者用RGO交替行走时的体能消耗，本发明在助行车上设计了一个电机驱动机构，电机驱动机构提供的驱动动力经由动力拉杆传递给RGO的交互机构，将电推杆、控制器和电池放在小车上，既可以保持RGO结构紧凑小巧的优点，又可以为截瘫患者交互行走提供助力，兼有动力助行外骨骼和无动力助行外骨骼二者的优点。本发明的外动力驱动机构可以安装在各种不同形式RGO上，用于提供交替行走的辅助动力，本发明给出了典型RGO的3种实施例：1）外动力驱动的环索RGO；2）外动力驱动的摇杆RGO；3）外动力驱动的V型关节RGO。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种外动力驱动的交互式截瘫助行外骨骼，包括助行车和助行外骨骼，其特征在于：所述助行车上设有电机驱动机构，所述助行外骨骼上设有动力拉杆机构，所述电机驱动机构通过动力拉杆机构与所述助行外骨骼连接；所述电机驱动机构包括安装在助行车上的控制器（414）、电池（413）和安装在所述助行车支架一、助行车支架二之间的交互臂杆（412），所述助行车的连接梁（402）通过交互铰链支座（410）和交互铰链（411）与所述交互臂杆（412）中部连接，所述交互臂杆（412）的一端通过电推杆（416）与所述助行车支架二连接，所述交互臂杆（412）的左部和右部均安装有动力拉杆一（408），所述动力拉杆一（408）外套有动力拉杆套一（406），所述动力拉杆套一（406）通过动力拉杆套支座一（407）与所述连接梁（402）固定连接，所述控制器（414）通过导线与所述电推杆（416）连接，所述电池（413）通过导线分别与所述控制器（414）的供电端、所述电推杆（416）的供电端连接；所述动力拉杆机构与所述动力拉杆套一（406）连接。

2.根据权利要求1所述的外动力驱动的交互式截瘫助行外骨骼，其特征在于：所述助行外骨骼为环索RGO式助行外骨骼，所述环索RGO式助行外骨骼包括髋关节组件一（16），所述动力拉杆机构包括分别设置在左右两个髋关节处的动力拉杆二（166），所述髋关节组件一（16）包括左右两个髋关节的驱动杆一（164）、支架一（163）、环索拉杆（168），所述驱动杆一（164）一端均通过环锁铰链（169）与所述环索拉杆（168）连接，所述驱动杆一（164）另一端均通过动力铰链二（165）与所述动力拉杆二（166）连接，所述动力拉杆二（166）外均套有动力拉杆套二（167），所述动力拉杆套二（167）均通过动力拉杆套支座二（170）固定连接在支架一（163）上，所述动力拉杆套二（167）另一端均与所述动力拉杆套一（406）连接。

3.根据权利要求1所述的外动力驱动的交互式截瘫助行外骨骼，其特征在于：所述助行外骨骼为摇杆RGO式助行外骨骼，所述摇杆RGO式助行外骨骼包括髋关节组件二（26），所述动力拉杆机构包括分别设置在左右两个髋关节处的动力拉杆三（269），所述髋关节组件二（26）包括分别设置在左右两个髋关节处的驱动杆二（263）、摇杆（272）、支架二（267）、髋关节锁二（261），所述驱动杆二（263）一端均通过杆端球轴承一（266）与所述髋关节锁二（261）连接，所述驱动杆二（263）另一端均通过双头螺杆（265）、杆端球轴承二（264）与所述摇杆（272）连接，所述摇杆（272）通过摇杆铰链（273）与所述支架二（267）连接，所述动力拉杆三（269）外均套有动力拉杆套三（270），所述动力拉杆套三（270）均通过动力铰链三（268）与所述摇杆（272）末端连接，所述动力拉杆套三（270）通过动力拉杆套支座三（271）固定连接在支架二（267）上，所述动力拉杆三（269）的另一端均与所述动力拉杆套一（406）连接。

4.根据权利要求1所述的外动力驱动的交互式截瘫助行外骨骼，其特征在于：所述助行外骨骼为V型关节RGO式助行外骨骼，所述V型关节RGO式助行外骨骼包括V型关节组件（39），所述动力拉杆机构包括设置动力拉杆四（395），所述V型关节组件（39）包括两个交互臂（391），所述动力拉杆四（395）外套有动力拉杆套四（396），所述动力拉杆套四（396）的末端通过动力铰链四（394）与一侧交互臂（391）连接，所述动力拉杆套四（396）的中部通过动力拉杆套支座四（397）与另一侧交互臂（391）连接，所述动力拉杆四（395）另一端与所述动力拉杆套一（406）连接。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的外动力驱动的交互式截瘫助行外骨骼，其特征在于：所述控制器（414）安装在所述助行车支架一的下部，所述电池（413）安装在助行车支架二的下部，所述支架一的横管上安装有手控按键（418），所述手控按键（418）通过导线与所述控制器（414）连接。

6.根据权利要求5所述的外动力驱动的交互式截瘫助行外骨骼，其特征在于：所述电推杆（416）一端通过铰链一（415）与所述所述助行车支架二顶部连接，所述电推杆（416）另一端通过铰链二（417）与所述交互臂杆（412）连接。

7.根据权利要求6所述的外动力驱动的交互式截瘫助行外骨骼，其特征在于：所述动力拉杆一（408）均通过动力铰链一（409）与所述交互臂杆（412）连接。