CN104856842B - 足底轮式驱动的截瘫助行外骨骼 - Google Patents
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Abstract
一种足底轮式驱动的截瘫助行外骨骼，包括下肢支具、足底驱动模块和电源及控制电路，其中下肢支具用于支撑和固定使用者下肢；足底驱动模块包括由动力推动使得使用者前行的轮子；电源及控制电路包括电源模块、驱动装置和信号收发装置。通过本发明的足底轮式驱动的截瘫助行外骨骼，无需考虑肢体关节力线，且不采用复杂机电控制方案以协同各关节运动，只需控制足底电机就可以实现行走、可降低设备复杂性、令外骨骼在结构上更加轻便，使得截瘫助行外骨骼的成本更低。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，特别是涉及到人体外骨骼技术。
背景技术
截瘫患者由于肢体机能损伤而必须借助外部器械来实现基本生活。直立和行走是截瘫患者最为迫切的需求。轮椅和往复式步行矫形器(Reciprocating gait Orthosis,RGO)是目前使用最广的两类辅具，但由于采用坐姿，长期使用轮椅易使患者产生褥疮和骨质流失并且有损患者自尊自信。RGO需要借助患者残存肌力驱动，对体力耗损大，不宜长时间使用。
相比于轮椅和RGO，有源驱动的截瘫外骨骼在不消耗患者体力的情况下可使患者实现直立行走，并且还能提高患者行走耐力。目前国际上比较有代表性的有源驱动的截瘫助行外骨骼机器人主要有美国的eLEGS、以色列的ReWALK、日本的WPAL等。这些外骨骼机器人较好地实现了截瘫患者的辅助行走及康复训练，但由于需要引导整个下肢关节运动，因而能量消耗较大且控制系统复杂，实现困难。
滑板或轮滑鞋同样属于在足底添加轮子的助行器械，但由于使用对象是正常人，因而对行走安全性和肢体平衡要求不高。而截瘫病人由于肢体运动和平衡能力丧失，在使用足底轮式驱动时需要添加额外的下肢固定机构以保持双腿站立，而且要保证站立时足底静止因而对轮子制动性能要求较高。这些都是适用于正常人的普通足底驱动机构难以完成的。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术中为截瘫助行辅具及智能外骨骼的在行走方式、体能消耗、驱动控制复杂性和成本方面的缺点，提出一种足底轮式驱动截瘫助行外骨骼，以实现截瘫助行辅具功耗降低、安全性提高。
为了实现此目的，本发明采取的技术方案为如下。
一种足底轮式驱动的截瘫助行外骨骼，包括下肢支具、足底驱动模块和电源及控制电路，其中，
下肢支具用于支撑和固定使用者下肢；
足底驱动模块包括由动力推动使得使用者前行的轮子；
电源及控制电路包括电源模块、驱动装置和信号收发装置。
其中所述足底驱动模块中的轮子由电机通过同步带带动，或由轮毂电机驱动，或由液压气压传动。
所述下肢支具包括背板、髋关节部分、膝关节部分、踝关节部分、连接髋关节部分和膝关节部分的股骨支条、连接膝关节部分和踝关节部分的胫骨支条，其中，
背板与使用者腰部尺寸匹配；
髋关节部分和膝关节部分具有锁，使用者站立时锁死，坐下时打开；
踝关节部分包括弯曲调整螺栓和内收外展限位螺栓，弯曲调整螺栓用于实现踝关节的背曲角限位，内收外展限位螺栓用于实现踝关节的内收外展角限位；
股骨支条或胫骨支条上安装有腿部固定板和绑带，腿部固定板可通过绑带固定使用者股骨和胫骨。
特别地，所述弯曲调整螺栓实现踝关节的背曲角在45度范围内限位。
所述胫骨支条包括胫骨部分和胫骨部分支架，胫骨部分支架按照一定间隔钻有一个以上螺纹孔，胫骨部分与胫骨部分支架采用一个以上螺栓连接，这样通过一个以上螺栓匹配一个以上螺纹孔，以实现胫骨支条长度的调节。
所述足底驱动模块还包括足部固定带、足部背板、电机、电机支架、轮子后桥和同步带，其中，
足部固定带与足部背板配合，实现使用者的足部固定；
电机支架固定在轮子后桥上，用于固定电机；
电机通过同步带带动轮子转动。
另外，所述足底驱动模块还包括刹车，所述刹车安装于前轮两侧中心处，且所述刹车采用自保持电磁铁提供向前推力，并可以断电自保持，通电时，所述自保持电磁铁通过安装在推头处的刹车条顶住前轮，实现刹车功能。
所述电源及控制电路及信号收发装置整体封装在电路盒中，所述电路盒固定于下肢支具上，且电机与刹车的电线套入热缩管后由电路盒引出至电机或刹车，所述电线由电线固定条固定在下肢支具上。
其中，所述电源及控制电路的信号收发装置为蓝牙无线收发器，所述蓝牙无线收发器输出脉冲宽度调制调速信号与两路开关信号，用于控制电机转速与刹车使能。
另外，所述截瘫助行外骨骼还包括无线控制手柄，无线控制手柄包括调速摇杆与开关按钮，所述无线控制手柄通过蓝牙无线方式与所述电源及控制电路通信，其中所述调速摇杆向前推动幅度越大，则所述足底轮式驱动的截瘫助行外骨骼速度越高，向后拨动所述调速摇杆则刹车，向下按所述调速摇杆则实现定速巡航。
通过采用本发明的足底轮式驱动截瘫助行外骨骼，能够实现以下的技术效果。
(1)相比于轮椅，本发明足底轮式驱动的截瘫助行外骨骼可以实现患者的站立行走，能减少褥疮和骨质流失问题；相比于RGO或者ARGO，本发明专利由于采用电力驱动，对患者体能消耗少，能增大患者行走耐力，提高行走时间；相比于现有的其他智能外骨骼，本发明专利采用足底驱动的方式，其所需功率远小于关节驱动型外骨骼，根据相关技术分析可知，在驱动相同体重以同样速度行进时，关节驱动的外骨骼所需电机功率是足底驱动方式的4倍。
(2)由于可以采用较低功率的电机实现助行功能，足底驱动方式在电机尺寸、降低电源体积、增加设备续航时间等方面存在优势。
(3)此外，本发明专利由于不需要考虑肢体关节力线，无需采用复杂机电控制方案以协同各关节运动，只需控制足底电机就可以实现行走，因而可降低设备复杂性令外骨骼在结构上更加轻便，同时使截瘫助行外骨骼的成本更低。
(4)相比于轮滑鞋或经改装的足底驱动机构，本发明兼有下肢支具和机械及电子双重刹车，可以保证截瘫患者直立时下肢的固定及制动安全性，通过与助行架配合使用可以保证行走时的肢体平衡。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中足底轮式驱动的截瘫助行外骨骼的透视图。
图2是本发明具体实施方式中足底轮式驱动的截瘫助行外骨骼足底部分的透视图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细说明。
以下公开详细的示范实施例。然而，此处公开的具体结构和功能细节仅仅是出于描述示范实施例的目的。
然而，应该理解，本发明不局限于公开的具体示范实施例，而是覆盖落入本公开范围内的所有修改、等同物和替换物。在对全部附图的描述中，相同的附图标记表示相同的元件。
同时应该理解，如在此所用的术语“和/或”包括一个或多个相关的列出项的任意和所有组合。另外应该理解，当部件或单元被称为“连接”或“耦接”到另一部件或单元时，它可以直接连接或耦接到其他部件或单元，或者也可以存在中间部件或单元。此外，用来描述部件或单元之间关系的其他词语应该按照相同的方式理解(例如，“之间”对“直接之间”、“相邻”对“直接相邻”等)。
首先说明附图中出现的附图标记所代表的含义：
1 电路盒，
2 背板，
3 髋关节锁，
4 电线，
5 绑带，
6 足部固定帯，
7 轮子，
8 腿部固定板，
9 膝关节锁，
10 踝关节部分，
11 足部背板，
12 电机支架，
13 弯曲调整螺栓，
14 内收外展限位螺栓，
15 距离调整螺栓，
16 自保持电磁铁，
17 刹车条，
18 胫骨长度调整螺栓，
19 同步带轮，
20 电机。
如图1所述，本发明具体实施方式中公开了一种足底轮式驱动的截瘫助行外骨骼，包括下肢支具、足底驱动模块和电源及控制电路，其中，
下肢支具用于支撑和固定使用者下肢；
足底驱动模块包括电机20和轮子7，电机20提供动力带动轮子7实现使用者前行；
电源及控制电路包括电源模块、驱动装置和信号收发装置。
因此，本发明的足底轮式驱动的截瘫助行外骨骼不需要考虑肢体关节力线，无需采用复杂机电控制方案以协同各关节运动，只需控制足底电机就可以实现行走，因而可降低设备复杂性、令外骨骼在结构上更加轻便，同时使外骨骼的成本更低。
前述实施方式中采用了电机20带动轮子的方式驱动，但是本领域内技术人员应当明白，其他驱动轮子的方式也可以实现本专利的技术效果，例如轮子由轮毂电机驱动，或由液压气压传动。
在本发明一个具体实施方式中，所述下肢支具包括背板2、髋关节部分、膝关节部分、踝关节部分、连接髋关节部分和膝关节部分的股骨支条、连接膝关节部分和踝关节部分的胫骨支条，其中，
背板2与使用者腰部尺寸匹配；
髋关节部分和膝关节部分具有锁，其中髋关节锁3采用按压锁，而膝关节锁9采用拉环锁，当使用者站立时，髋关节锁3和膝关节锁9锁死，使用者坐下时打开，这样能够实现使用者的安全灵活使用；
股骨支条和胫骨支条上安装有腿部固定板8，腿部固定板8通过绑带5分别固定使用者的股骨和胫骨。
在一个具体实施例中，所述胫骨支条包括胫骨部分和胫骨部分支架，胫骨部分支架钻有8个M5螺纹孔，孔距10mm，这样就实现了70mm长度可调，胫骨部分与胫骨部分支架采用3个M5的胫骨长度调整螺栓18连接，这样3个胫骨长度调整螺栓18匹配8个螺纹孔，即可实现胫骨支条长度的调节。当然，本领域内技术人员应当知晓，以上长度、螺栓和螺纹孔数量等仅仅是示例性的。
踝关节部分10包括弯曲调整螺栓13和内收外展限位螺栓14，其中弯曲调整螺栓13用于实现踝关节的背曲角限位，内收外展限位螺栓14用于实现踝关节的内收外展角限位；特别地，所述弯曲调整螺栓13实现踝关节的背曲角在45度范围内限位。通过以上设置，可以实现使用者踝关节的灵活转动，与正常人的踝关节活动范围相仿。
另外，所述下肢支具还包括距离调整螺栓15，距离调整螺栓15用于调整足部与下肢支具其余部分的距离。
在一个具体实施方式中，所述足底驱动模块还包括足部固定带6、足部背板11、电机支架12、轮子后桥和同步带，其中，
足部固定带6与足部背板11配合，实现使用者的足部固定；
电机支架12固定在轮子后桥上，用于固定电机20，其中电机支架12通过D型口和内六角螺栓固定在轮子后桥上；
电机20通过同步带带动轮子7转动。
为保证所述截瘫助行外骨骼在站立时完全静止，所述足底驱动模块还包括刹车，所述刹车安装于前轮两侧中心处，且所述刹车采用自保持电磁铁4提供向前推力，并可以断电自保持。通电时，所述自保持电磁铁4通过安装在推头处的刹车条5顶住前轮，实现刹车功能。
另外，在一个具体实施方式中，所述电源及控制电路及信号收发装置整体封装在电路盒1中，所述电路盒1固定于下肢支具上，且电机与刹车的电线4套入热缩管后由电路盒1引出至电机20或刹车，所述电线4由电线固定条固定在下肢支具上。通过这样的结构设置，可以避免电线被磨损，或者妨碍他人。另外，通过将电源及控制电路及信号收发装置全部封装在电路盒中，而最终将电线直接引到脚下的这种方式，比起将控制板和电源分开的方式结构更紧凑。
特别地，所述电源及控制电路的信号收发装置为蓝牙无线收发器，所述蓝牙无线收发器输出脉冲宽度调制调速信号与两路开关信号，用于控制电机转速与刹车使能。无线蓝牙收发器的特点是距离近、功耗小而且传输速率足以满足要求。
另外，所述电源模块使用带有充放电保护电路的锂离子电池供电，通过电机控制器实现两路电机的驱动。通过这样的结构设置，能够为本发明的足底轮式驱动的截瘫助行外骨骼提供持久的电力供应。
为了便于使用者操作，所述截瘫助行外骨骼还包括无线控制手柄，所述无线控制手柄通过一个调速摇杆来实现前进速度的调节，所述调速摇杆向前推动幅度越大，则所述足底轮式驱动的截瘫助行外骨骼速度越高，向后拨动所述调速摇杆则刹车，向下按所述调速摇杆则实现定速巡航。无线控制手柄侧面有两个开关按钮，一个按下后驱动自保持电磁铁进行机械刹车，另外一个按下后解除刹车。该控制手柄采用蓝牙无线通信协议与电源及控制电路的信号收发装置通信，由充电电池供电，通过USB口充电。
本领域内技术人员也应当知晓，所述信号收发装置和控制手柄采用蓝牙无线方式通信，这仅仅是一个实施例。信号收发装置和控制手柄采用其他方式通信，例如通过有线连接传递信号，也属于本发明的保护范围。
因此，通过使用本发明的足底轮式驱动的截瘫助行外骨骼，无需采用复杂机电控制方案以协同各关节运动，只需控制足底电机就可以实现行走，因而可降低设备复杂性、令外骨骼在结构上更加轻便，同时使截瘫助行外骨骼的成本更低。
另外相比于轮滑鞋或经改装的足底驱动机构，本发明具体实施方式中的足底轮式驱动的截瘫助行外骨骼兼有下肢支具和机械及电子双重刹车，可以保证截瘫患者直立时下肢的固定及制动安全性，通过与助行架配合使用可以保证行走时的肢体平衡。
需要说明的是，上述实施方式仅为本发明较佳的实施方案，不能将其理解为对本发明距离保护范围的限制，在未脱离本发明构思前提下，对本发明所做的任何微小变化与修饰均属于本发明的距离保护范围。
Claims (9)
1.一种足底轮式驱动的截瘫助行外骨骼，包括下肢支具、足底驱动模块和电源及控制电路，其中，
下肢支具用于支撑和固定使用者下肢；
足底驱动模块包括由动力推动使得使用者前行的轮子；
电源及控制电路包括电源模块、驱动装置和信号收发装置；
所述足底驱动模块还包括足部固定带、足部背板、电机、电机支架、轮子后桥和同步带，其中，
足部固定带与足部背板配合，实现使用者的足部固定；
电机支架固定在轮子后桥上，用于固定电机；
电机通过同步带带动轮子转动。
2.根据权利要求1中所述的足底轮式驱动的截瘫助行外骨骼，其特征在于，所述足底驱动模块中的轮子由电机通过同步带带动，或由轮毂电机驱动，或由液压气压传动。
3.根据权利要求1中所述的足底轮式驱动的截瘫助行外骨骼，其特征在于，所述下肢支具包括背板、髋关节部分、膝关节部分、踝关节部分、连接髋关节部分和膝关节部分的股骨支条、连接膝关节部分和踝关节部分的胫骨支条，其中，
背板与使用者腰部尺寸匹配；
髋关节部分和膝关节部分具有锁，使用者站立时锁死，坐下时打开；
踝关节部分包括弯曲调整螺栓和内收外展限位螺栓，弯曲调整螺栓用于实现踝关节的背曲角限位，内收外展限位螺栓用于实现踝关节的内收外展角限位；
股骨支条或胫骨支条上安装有腿部固定板和绑带，腿部固定板可通过绑带固定使用者股骨和胫骨。
4.根据权利要求3中所述的足底轮式驱动的截瘫助行外骨骼，其特征在于，所述弯曲调整螺栓实现踝关节的背曲角在45度范围内限位。
5.根据权利要求3中所述的足底轮式驱动的截瘫助行外骨骼，其特征在于，所述胫骨支条包括胫骨部分和胫骨部分支架，胫骨部分支架按照一定间隔钻有一个以上螺纹孔，胫骨部分与胫骨部分支架采用一个以上螺栓连接，这样通过一个以上螺栓匹配一个以上螺纹孔，以实现胫骨支条长度的调节。
6.根据权利要求1中所述的足底轮式驱动的截瘫助行外骨骼，其特征在于，所述足底驱动模块还包括刹车，所述刹车安装于前轮两侧中心处，且所述刹车采用自保持电磁铁提供向前推力，并可以断电自保持，通电时，所述自保持电磁铁通过安装在推头处的刹车条顶住前轮，实现刹车功能。
7.根据权利要求1中所述的足底轮式驱动的截瘫助行外骨骼，其特征在于，所述电源及控制电路及信号收发装置整体封装在电路盒中，所述电路盒固定于下肢支具上，且电机与刹车的电线套入热缩管后由电路盒引出至电机或刹车，所述电线由电线固定条固定在下肢支具上。
8.根据权利要求1中所述的足底轮式驱动的截瘫助行外骨骼，其特征在于，所述电源及控制电路的信号收发装置为蓝牙无线收发器，所述蓝牙无线收发器输出脉冲宽度调制调速信号与两路开关信号，用于控制电机转速与刹车使能。
9.根据权利要求1中所述的足底轮式驱动的截瘫助行外骨骼，其特征在于，所述截瘫助行外骨骼还包括无线控制手柄，无线控制手柄包括调速摇杆与开关按钮，所述无线控制手柄通过蓝牙无线方式与所述电源及控制电路通信，其中所述调速摇杆向前推动幅度越大，则所述足底轮式驱动的截瘫助行外骨骼速度越高，向后拨动所述调速摇杆则刹车，向下按所述调速摇杆则实现定速巡航。
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