CN104997597A - 一种脚踏式下肢外骨骼运动康复轮椅 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种脚踏式下肢外骨骼运动康复轮椅，将含一个主动自由度，多个被动自由度的外骨骼安装在包含脚踏板的轮椅上，使用者在脚蹬轮椅行走的同时，实现对腿部的从完全主动到完全被动模式的有针对性的康复训练；一方面，在使用者体力不足，包括完全没有体力或者有部分体力的情况下，外骨骼可以提供轮椅行走所有动力或部分动力帮助使用者走动；另一方面，使用者体力充沛的情况下，外骨骼可以根据需要提供不同的阻力,帮助使用者对其下肢进行充分的锻炼。本发明最重要的特征之一是同时充分利用外骨骼和轮椅的特点，帮助使用者行走的同时，对康复者下肢进行科学的康复训练，简单实用，适宜推广。

Description

一种脚踏式下肢外骨骼运动康复轮椅

技术领域

本发明是涉及一种轮椅，属于康复医疗技术领域。

背景技术

随着人口的老龄化加剧及中风偏瘫患者逐步增加，下肢无力及截瘫患者逐渐增多，给家庭和社会带来了沉重的负担。纵观大部分暂时性失去下肢知觉的患者，如果通过科学的运动康复活动，可能使其恢复肢体功能；同时，对于大部分轮椅使用者，可能是因为体力不足或部分下肢功能缺失，如果肢体长期不活动，可能导致肌肉萎缩甚至溃烂。

实用新型专利CN203154111U及CN202458979U公开了一种活动下肢的康复轮椅，其后轮与轴是联动的，当后轮转动时，通过曲轴转动脚踏板做类似于走路的往返运动，帮助病人活动脚踏板上的下肢；该轮椅没有助力，由后轮驱动带动使用者下肢运动，在使用者体力不充沛的情况下，需要其他的人提供帮助，经济性不是很好。同时，训练模式比较单一，不能提供不同模式下的康复训练。

发明专利CN201010543205.6公开了一种医疗康复技术领域的坐式外骨骼下肢康复机器人，通过下肢康复机构中的电机驱动带动患者腿部训练，训练模式分有主动、被动模式，以满足不同患者下肢康复训练的要求；该装置没能充分利用助力帮助使用者行走。

发明内容

本发明针对现有轮椅对下肢康复运动的不足，结合外骨骼机器人能精确的指导下肢康复的特点，提供了一种脚踏式下肢外骨骼运动康复轮椅，将含一个主动自由度，多个被动自由度的外骨骼安装在包含脚踏板的轮椅上，使用者在脚蹬轮椅行走的同时，可以实现对腿部的从完全主动到完全被动模式的有针对性的康复训练；其中，髋关节可以活动的角度为0～30°，膝关节可供活动的角度为70°～110°，踝关节可以活动的角度为-10°～10°。

通过采用以上技术方案，本发明能够取得以下技术效果：一方面，在使用者体力不足(包括完全没有体力或者有部分体力)的情况下，外骨骼可以提供动力(轮椅行走所有动力或部分动力)，帮助使用者走动；另一方面，使用者体力充沛的情况下，外骨骼可以根据需要提供不同的阻力,帮助使用者对其下肢进行充分的锻炼。本发明同时充分利用外骨骼和轮椅的特点，帮助使用者行走的同时，对康复者下肢进行科学的康复训练，简单实用，适宜推广。

附图说明

图1是本发明总体示意图

图2是轮椅架机构示意图

图3是外骨骼机构示意图

图4是转向和刹车示意图

图中各附图标记的含义如下：

1轮椅框架，2外骨骼机构，3传动系统，4轮椅靠背，5轮椅右扶手，6轮椅坐垫，7轮椅支架，8轮椅右后轮，9轮椅左右脚踏板，10左右曲柄，11前传动齿轮，12传动齿轮保护罩，13传动链条，14转向轮，15后传动轮，16传动轴，17驱动器，18电源，19左轮椅后轮，20万向支撑轮，21电机安装孔，22轮椅左扶手，23转向刹车安装板，24大腿外骨骼件一，25大腿长度调节件，26大腿外骨骼件二，27小腿外骨骼件一，28小腿长度调节件，29小腿外骨骼件二，30外骨骼固定靴，31外骨骼固定件，32轮椅刹车，33刹车转向把，34髋关节连接轴，35膝关节连接轴，36踝关节连接轴，37电机与谐波减速器。

具体实施方式

一种脚踏式下肢外骨骼运动康复轮椅，其结构上包括轮椅架和外骨骼机构两大部分，其中，轮椅架又包括轮椅框架和传动系统两部分；其中，外骨骼机构一方面通过电机与谐波固定座固定在轮椅上，另一方面通过传动机构与轮椅架连接，传动机构固定在轮椅架上。

所述的轮椅框架包括轮椅支架、轮椅坐垫、轮椅靠背、轮椅左右扶手、第一万向支撑轮、第二万向支撑轮、转向轮、转向刹车把、刹车线、左右椅后轮、前后传动轴、前后传动齿轮、传动链条、传动齿轮保护罩、左右曲柄、左右脚蹬及左右脚踏板。其中：2个万向支撑轮连接在轮椅框架上，转向轮安装在传动齿轮保护罩下面，转向和刹车把固定在一侧的轮椅扶手上，刹车线和转向线连接在刹车转向把和转向轮之间；所述的传动系统包括，左右轮椅后轮均通过传动轴与轮椅连接，后传动齿轮与后传动轴固定连接，后传动齿轮通过传动链条与前传动齿轮形成齿轮系，前传动齿轮与前传动轴固定连接，前传动轴分别与左右曲柄固定连接，左右曲柄分别与左右脚蹬通过轴承活动相连。

所述的外骨骼机构包括电机、减速器、蓄电池、控制器、腿与外骨骼固定件及左右大腿杆件一、大腿长度调节件、左右大腿杆件二、左右小腿杆件一、小腿长度调节件、左右小腿杆件二、髋关节连接轴、膝关节连接轴、踝关节连接轴、脚固定靴。其中，在轮椅左侧，电机与谐波直接相连，谐波一侧固定在轮椅左侧扶手上，另一侧与外骨骼左大腿杆件一通过螺钉固定连接；在轮椅右侧，轮椅右侧扶手与外骨骼右大腿杆件一通过髋关节连接轴活动连接。左右大腿杆件一与大腿长度调节件通过顶丝固定连接，大腿长度调节件与左右大腿杆件二通过顶丝固定连接，左右大腿杆件二与左右小腿杆件一通过膝关节连接轴活动连接，左右小腿杆件一与小腿长度调节件通过顶丝固定连接，小腿长度调节件与左右小腿杆件二通过顶丝固定连接。左右小腿杆件二与脚固定靴通过踝关节连接轴活动连接。四个腿与外骨骼固定件分别固定在左右大腿杆件二和左右小腿杆件二上。腿与外骨骼固定件通过外骨骼固定件连接。脚固定靴与轮椅脚踏板固定连接。

所述的左右大腿、小腿杆件均可根据使用者的大腿、小腿长度通过大腿、小腿长度调节件做相应的调整，以适合不同高度的使用者使用并使之穿戴舒服。

所述的基于下肢外骨骼的脚踏式康复运动轮椅工作流程为，在使用者到处行走的过程中，针对不同的康复运动需求，使用不同的工作模式，具体表现为：康复初期，患者没有力量驱动轮椅运动时，可完全通过电机带动谐波减速器，驱动左右大腿杆件旋转，从而依次带动左右小腿杆件、脚固定靴、脚踏板曲柄旋转，这样一方面通过传动齿轮系、后传动轴带动左右轮椅后轮转动实现轮椅适应各种不同坡度的路面向前运动；另一方面，外骨骼机构带动使用者腿部做有规律的类似于蹬自行车的运动，实现腿部髋关节、膝关节和踝关节各部分肌肉的运动，此为完全被动康复模式。当使用者身体状况较好，可以自己出一部分力量蹬踏板时，可以根据人类蹬车的规律设置电机参数，在特定的速度下完成人和电机各提供部分动力推动轮椅行走并同时使腿部康复运动的任务。当使用者有足够的力量蹬轮椅时，此时外骨骼为完全随动机构，甚至提供部分阻力的机构，这样一方面防止运动训练过程中腿部侧移或翻转，确保使用者的行走安全，另一方面可以有针对性的提供阻力，锻炼使用者的腿部，此为完全主动康复模式；如公式1所示，作用于脚踏板的扭矩(T_轮椅)是电机和使用者共同作用的结果，电机和使用者分别提供扭矩的大小由比例因素k决定，k＝0时为完全被动康复模式，0<k<1为中间康复模式，k≥1时为完全主动康复模式。

T_轮椅＝(1-k)T_电机+k*F_脚踏板*L_脚踏板      (公式1)

式中，T_电机为电机通过外骨骼作用在脚踏板上的扭矩，F_脚踏板为固定在脚底板的力传感器测出的使用者作用于脚踏板的垂直力，L_脚踏板为脚踏板的长度。具体的实现方式为：轮椅可以在三种设定的速度下运动，通过转向刹车把的按钮切换；对于特定的速度，k值大小的调节是根据使用者的力量情况，通过对电机的控制实现的；当使用者的力量不足以使轮椅达到设定的速度时，需要减少k值增大电机的输出；当使用者的力量达到或者超出使轮椅达到该速度时，则可以增大k值减小电机的输出；在上下坡等不同坡度的地面行走过程中，控制方式类似。

Claims (10)

1.一种脚踏式下肢外骨骼运动康复轮椅，包括轮椅架和外骨骼机构，其中，所述轮椅架包括轮椅框架和传动系统；所述外骨骼机构一方面通过电机与谐波固定座固定在轮椅上，另一方面通过传动机构与轮椅架连接，所述传动机构固定在所述轮椅架上。

2.根据权利要求1所述的轮椅，其特征在于，所述的轮椅框架包括轮椅支架、轮椅坐垫、轮椅靠背、轮椅左右扶手、第一万向支撑轮、第二万向支撑轮、转向轮、转向刹车把、刹车线、左轮椅后轮、右轮椅后轮、前传动轴、后传动轴、前传动齿轮、后传动齿轮、传动链条、传动齿轮保护罩、左曲柄、右曲柄、左脚踏板、右脚蹬及左脚踏板、右脚踏板。

3.根据权利要求2所述的轮椅，其特征在于，所述第一和第二万向支撑轮连接在所述轮椅框架上，所述转向轮安装在所述传动齿轮保护罩下面，所述转向刹车把固定在一侧的轮椅扶手上，刹车线和转向线连接在刹车转向把和转向轮之间。

4.根据权利要求2所述的轮椅，其特征在于，所述左右轮椅后轮均通过传动轴与轮椅连接，后传动齿轮与后传动轴固定连接，后传动齿轮通过传动链条与前传动齿轮形成齿轮系，前传动齿轮与前传动轴固定连接，前传动轴分别与左右曲柄固定连接，左右曲柄分别与左右脚蹬通过轴承活动相连。

5.根据权利要求1所述的轮椅，其特征在于，所述的外骨骼机构包括电机、减速器、蓄电池、控制器、腿与外骨骼固定件，以及左右大腿杆件一、大腿长度调节件、左右大腿杆件二、左右小腿杆件一、小腿长度调节件、左右小腿杆件二、髋关节连接轴、膝关节连接轴、踝关节连接轴、脚固定靴。

6.根据权利要求5所述的轮椅，其特征在于，在轮椅左侧，电机与谐波直接相连，谐波一侧固定在轮椅左侧扶手上，另一侧与外骨骼左大腿杆件一通过螺钉固定连接；在轮椅右侧，轮椅右侧扶手与外骨骼右大腿杆件一通过髋关节连接轴活动连接。

7.根据权利要求5所述的轮椅，其特征在于，所述左右大腿杆件一与大腿长度调节件通过顶丝固定连接，大腿长度调节件与左右大腿杆件二通过顶丝固定连接，左右大腿杆件二与左右小腿杆件一通过膝关节连接轴活动连接，左右小腿杆件一与小腿长度调节件通过顶丝固定连接，小腿长度调节件与左右小腿杆件二通过顶丝固定连接。

8.根据权利要求5所述的轮椅，其特征在于，所述左右小腿杆件二与脚固定靴通过踝关节连接轴活动连接。

9.根据权利要求5所述的轮椅，其特征在于，四个腿与外骨骼固定件分别固定在左右大腿杆件二和左右小腿杆件二上。腿与外骨骼固定件通过外骨骼固定件连接。脚固定靴与轮椅脚踏板固定连接。

10.根据权利要求5所述的轮椅，其特征在于，所述的左右大腿杆件一、左右大腿杆件二、左右小腿杆件可分别根据使用者的大腿、小腿长度通过大腿长度调节件、小腿长度调节件做相应的调整,大腿杆长度可以调节的范围为380mm～430mm，小腿杆长度可以调节的范围为370mm～420mm，以适合不同高度的使用者使用并使之穿戴舒服。