CN104055650B - 一种具有左右摆动功能的交互式截瘫助行外骨骼 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有左右摆动功能的交互式截瘫助行外骨骼，包括左右两个足托，足托外侧均通过下支条连接有膝关节，膝关节上均安装有膝关节锁，膝关节另一端均连接有上支条，上支条上端均连接有髋关节，髋关节上均安装有髋关节锁，髋关节锁均通过驱动杆与支架末端连接，支架中部通过摇杆铰链与摇杆连接，摇杆末端均与髋关节锁连接。本发明的有益效果为：本发明在腰部和腿部绕矢状面髋关节铰链做屈伸运动的同时，在额状面上也做相对转动，充分利用患者重心转移时腰部左右摇晃的能量，使其从站立期到摆动期的过渡更为顺畅，提升摆动腿足部的离地间隙，降低截瘫患者利用RGO交互行走时的体能消耗。

Description

一种具有左右摆动功能的交互式截瘫助行外骨骼

技术领域

本发明涉及一种具有左右摆动功能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（knee ankle foot orthosis，即膝踝关节矫形器）或者HKAFO（hip knee ankle foot orthosis，即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，即环索RGO（horizontal cable system）；2）通过腰部空间连杆机构实现交互的RGO，即摇杆RGO（rocker bar system）；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。

如图1为现有技术的典型摇杆RGO结构示意图。摇杆RGO由固定截瘫患者足、踝和小腿的足托一1，经由下支条一2、膝关节锁一4、膝关节一3、上支条一5、髋关节锁一6、髋关节一7与支架一12相连。左右两个髋关节的驱动杆一9经由杆端球轴承一11、双头螺杆一10和杆端球轴承二8与摇杆一14连接，摇杆一14与支架一12通过摇杆铰链一13铰接，实现机械交互。其中下支条一2和上支条一5起到支撑和连接作用，在坐姿时膝关节锁一4和髋关节锁一6打开，膝关节一3和髋关节一7屈曲，在站立或者行走时膝关节锁一4和髋关节锁一6锁紧，膝关节一3不能屈曲，髋关节一3在摇杆一14的作用下，实现在矢状面内左右交互屈伸行走。

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尽管结构紧凑、小巧，但是在交互步行过程中，腰部和腿部只是绕矢状面髋关节铰链做屈伸运动，腰部和腿部在额状面上没有相对运动，对于腰部具有一定能力的截瘫患者，腰部相对于腿部的左右摆动能够使其站立期到摆动期的过渡更为顺畅，提升摆动腿足部的离地间隙，节省患者体能消耗。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有左右摆动功能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：

一种具有左右摆动功能的交互式截瘫助行外骨骼，包括左右两个足托二，所述足托二外侧均通过下支条二连接有膝关节二，所述膝关节二上均安装有膝关节锁二，所述膝关节二另一端均连接有上支条二，所述上支条二上端均连接有髋关节二，所述髋关节二上均安装有髋关节锁二，所述髋关节锁二均通过驱动杆二与所述支架二末端连接，所述支架二中部通过摇杆铰链二与所述摇杆二连接，所述摇杆二末端均与所述髋关节锁二连接。

进一步的，所述驱动杆二一端通过杆端球轴承三与所述髋关节锁二连接。

进一步的，所述驱动杆二另一端连接有双头螺杆二。

进一步的，所述双头螺杆二另一端通过杆端球轴承四连接。

本发明的有益效果为：本发明在腰部和腿部绕矢状面髋关节铰链做屈伸运动的同时，在额状面上也做相对转动，充分利用患者重心转移时腰部左右摇晃的能量，使其从站立期到摆动期的过渡更为顺畅，提升摆动腿足部的离地间隙，降低截瘫患者利用RGO交互行走时的体能消耗。

附图说明

下面根据附图对本发明作进一步详细说明。

图1是现有技术典型摇杆RGO的结构示意图；

图2是本发明实施例所述的具有左右摆动功能的交互式截瘫助行外骨骼的结构示意图。

图中：

1、足托一；2、下支条一；3、膝关节一；4、膝关节锁一；5、上支条一；6、髋关节锁一；7、髋关节一；8、杆端球轴承二；9、驱动杆一；10、双头螺杆一；11、杆端球轴承一；12、支架一；13、摇杆铰链一；14、摇杆一；15、足托二；16、下支条二；17、膝关节二；18、膝关节锁二；19、上支条二；20、髋关节二；21、髋关节锁二；22、杆端球轴承三；23、驱动杆二；24、双头螺杆二；25、杆端球轴承四；26、支架二；27、摇杆二；28、摇杆铰链二。

具体实施方式

如图2所示，本发明实施例所述的一种具有左右摆动功能的交互式截瘫助行外骨骼，包括左右两个足托二15，所述足托二15外侧均通过下支条二16连接有膝关节二17，所述膝关节二17上均安装有膝关节锁二18，所述膝关节二17另一端均连接有上支条二19，所述上支条二19上端均连接有髋关节二20，所述髋关节二20上均安装有髋关节锁二21，所述髋关节锁二21均通过驱动杆二23与所述支架二26末端连接，所述支架二26中部通过摇杆铰链二28与所述摇杆二27连接，所述摇杆二27末端均与所述髋关节锁二21连接；所述驱动杆二23一端通过杆端球轴承三22与所述髋关节锁二21连接；所述驱动杆二23另一端连接有双头螺杆二24；所述双头螺杆二24另一端通过杆端球轴承四25连接。

具体使用时，新型摇杆RGO由固定截瘫患者足、踝和小腿的足托二15，经由下支条二16、膝关节锁二18、膝关节二17、上支条二19、髋关节锁二21、髋关节二20与摇杆二27相连。左右两个髋关节的驱动杆二23经由杆端球轴承三22、双头螺杆二24和杆端球轴承四25与支架二26连接，摇杆二27与支架二26通过摇杆铰链恶28铰接，实现机械交互。其中下支条二16和上支条二19起到支撑和连接作用，在坐姿时膝关节锁二18和髋关节锁二21打开，膝关节二17和髋关节二20屈曲，在站立或者行走时膝关节锁二18和髋关节锁二21锁紧，膝关节二17不能屈曲，髋关节二20在支架二26的作用下，在矢状面内的左右交互屈伸，同时由于固定在大腿外侧的上支条二19与固定在腰部的支架二26在额状面内绕着摇杆铰链二28转动，实现在交互行走的同时，腰部相对于腿部摆动功能。

具有左右摆动功能的交互式截瘫助行外骨骼RGO（reciprocation gaitorthosis，即交互式步态矫形器），属于康复工程领域。为了充分利用患者重心转移时腰部左右摇晃的能量，本发明改变了现有RGO髋关节与支架的连接方式和结构，使得髋关节与交互机构直接连接，而驱动杆与支架用球铰连接，相当于腰部在额状面增加了一个转动铰链，达到髋关节在矢状面屈伸时，在额状面也进行相应屈伸的效果，以提高摆动腿足部的离地间隙，降低截瘫患者利用RGO交互行走时的体能消耗。在交互行走时，摆动腿足部的离地间隙增大，使患者可以顺利地由站立期过渡到摆动期，降低体能消耗。

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 (2)

1.一种具有左右摆动功能的交互式截瘫助行外骨骼，包括左右两个足托二（15），所述足托二（15）外侧均通过下支条二（16）连接有膝关节二（17），所述膝关节二（17）上均安装有膝关节锁二（18），所述膝关节二（17）另一端均连接有上支条二（19），所述上支条二（19）上端均连接有髋关节二（20），所述髋关节二（20）上均安装有髋关节锁二（21），其特征在于：所述髋关节锁二（21）均通过驱动杆二（23）与支架二（26）末端连接，所述支架二（26）的内侧与腰部对应，且该支架二（26）的外侧中部通过摇杆铰链二（28）与摇杆二（27）连接，所述摇杆二（27）末端均与所述髋关节锁二（21）连接，所述驱动杆二（23）一端通过杆端球轴承三（22）与所述髋关节锁二（21）连接，且该驱动杆二（23）另一端通过杆端球轴承四（25）与所述支架二（26）连接。

2.根据权利要求1所述的具有左右摆动功能的交互式截瘫助行外骨骼，其特征在于：所述驱动杆二（23）的另一端通过双头螺杆二（24）连接有杆端球轴承四（25）。