CN105662780B - 一种下肢助力矫形器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种下肢助力矫形器，包括腰部支撑组件，以及结构相同的左腿助力机构和右腿助力机构，左腿助力机构和右腿助力机构对称安设在腰部支撑组件的两侧，所述腰部支撑组件上设有电源模块和控制器；左腿助力机构由足部组件、小腿组件和大腿组件组成，足部组件与小腿组件铰接，小腿组件与大腿组件铰接，大腿组件与腰部支撑组件铰接；所述矫形器还包括电动推杆，电动推杆与控制器电连接；电动推杆的一端与小腿组件铰接，电动推杆的另一端与大腿组件铰接，驱动大腿组件与小腿组件发生相对运动。本发明的有益效果是：结构稳定，可控性能好，轻便，可辅助下肢患者或者是膝踝足病患者独立进行日常的康复训练。
Description
技术领域
本发明涉及矫形器械，具体涉及一种下肢助力矫形器。
背景技术
下肢瘫痪患者或者下肢运动功能障碍患者在日常生活中，大多数需要借助轮椅或者拐杖实现移动。为了早日康复或者不让下肢关节及肌肉萎缩，患者通常需要定期训练，训练一般包括慢走、单腿伸展、下蹲-站起等方式。站立时，膝关节承受了人体绝大部分重量；同时，在下肢弯曲训练中，膝关节需要提供很大的力矩，这对下肢病患患者来说很困难，该类残疾人的训练一般需要辅助人员参与，也有部分医院具有残疾人下肢辅助康复系统，但是系统设备体积庞大，主要面向术后短期的康复训练，无法满足大部分残疾人的需求。为了减轻社会和家庭负担，同时也为了提高这类人群的自理能力，寻找新的辅助该类人群日常康复训练和日常活动的设备或装置显得很有必要。下肢外骨骼机器人作为一种可穿戴的设备，能为使用者提供助力，正逐步实现从军用到商用的转化。但由于外骨骼技术的综合性和复杂性，下肢外骨骼机器人的研制困难，成本也很高。因此，针对特定的病患，比如膝关节运动障碍患者，专门研制膝关节助力装置将降低技术门槛和成本。
目前，大多数下肢外骨骼都是通过设计与下肢相似的机械结构，平行布置在下肢肢体外侧，采用绷带或者其他的柔性连接材料将下肢与外骨骼固定，同时在矢状面内通过驱动外骨骼带动穿戴者下肢运动。由于人体下肢的重心与下肢外骨骼并不在同一个平面内，在驱动外骨骼时会给使用者下肢向内作用一个力矩，造成不适感；且大部分下肢外骨骼结构多采用气压驱动系统或液压驱动系统，这两种系统都会增加外骨骼的体积和重量，其本身就会给使用者带来额外的负担，而对于下肢患者来说，可能产生相反的结果。而且，针对下肢关节、肌肉等病患，实际上采用最多的是下肢矫形器，而常用的下肢矫形器以固定功能为主，较少的矫形器带有主动驱动功能。因此，有必要对现有技术进行改进。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种助力方式更符合人体运动规律、穿戴舒适的主动式下肢助力矫形器。
本发明采用的技术方案是：一种下肢助力矫形器，包括腰部支撑组件，以及结构相同的左腿助力机构和右腿助力机构，左腿助力机构和右腿助力机构对称安设在腰部支撑组件的两侧，所述腰部支撑组件上设有电源模块和控制器；所述左腿助力机构由足部组件、小腿组件和大腿组件组成，足部组件与小腿组件铰接，小腿组件与大腿组件铰接，大腿组件与腰部支撑组件铰接；所述矫形器还包括电动推杆，电动推杆与控制器电连接；电动推杆的一端与小腿组件铰接，电动推杆的另一端与大腿组件铰接，驱动大腿组件与小腿组件发生相对运动。
按上述方案，所述小腿组件包括小腿内撑板、小腿外撑板，以及两端分别与小腿内撑板和小腿外撑板固定连接的U型小腿限位板；所述大腿组件包括大腿内撑板、大腿外撑板以及两端分别与大腿内撑板和大腿外撑板固定相连的U型大腿限位板；所述足部组件包括足套，足套的内侧与小腿内撑板的下端铰接，小腿内撑板的上端与大腿内撑板的下端铰接；所述足套的外侧与小腿外撑板的下端铰接，小腿外撑板的上端与大腿外撑板的上端铰接，大腿外撑板的上端与腰部支撑组件铰接；所述电动推杆位于足套后端上方，电动推杆的一端与U型大腿限位板铰接，电动推杆的另一端与U型小腿限位板铰接。
按上述方案，所述矫形器还包括弹性储能器，弹性储能器的下端与足套的后端铰接，弹性储能器的上端与U型小腿限位板铰接，弹性储能器可缓冲小腿组件和足部组件的相对运动。
按上述方案，所述弹性储能器包括导杆、缸筒和弹簧，导杆的一端与U型小腿限位板铰接，导杆的另一端设置有凸台，凸台与缸筒的内壁滑动配合，凸台可沿缸筒内壁滑动；缸筒的另一端与足套的后端铰接；所述弹簧套设在导杆和缸筒上，弹簧的一端与导杆的上端固定连接，弹簧的另一端与缸筒的下端连接固定。
按上述方案，所述足套内安设有压力检测模块，压力检测模块分别与控制器和电源模块电连接。
按上述方案，所述矫形器还包括与控制器和电源模块电连接的角位移检测模块，角位移检测模块由多个角位移传感器组成；在足部组件与小腿组件的铰接处、小腿组件与大腿组件的铰接处，以及大腿组件与腰部支撑组件的铰接处各安设一个角位移传感器。
按上述方案，所述腰部支撑组件包括U型支撑板及分别安设在U型支撑板两端的两个弹性连接板，弹性连接板铰接有腰部连接板，腰部连接板的下端与大腿外撑板的上端铰接。
按上述方案，所述压力检测模块包括若干压力传感器；足套包括自上而下粘合的上面板、夹芯板和下撑板，夹芯板上安装压力传感器；下撑板的两侧各安设有与小腿内撑板铰接的内铰座和与小腿外撑板铰接的外铰座。
按上述方案，所述下撑板的两侧各安设有内耳板和外耳板，内耳板和外耳板上均各安设一个压力传感器；所述内耳板与内铰座连接固定，外耳板与外铰座连接固定；所述下撑板的后端伸出有后耳板，后耳板与弹簧储能器铰接；所述后耳板上安设一个压力传感器。
按上述方案，所述小腿组件还包括小腿绷带，小腿绷带的一端与小腿内撑板连接，小腿绷带的另一端与小腿外撑板连接；所述大腿组件还包括大腿绷带，大腿绷带的一端与大腿内撑板连接，大腿绷带的另一端与大腿外撑板连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1）膝关节后置的电动推杆采用直流电机控制，驱动膝关节的运动，与液压驱动或气压驱动相比，大大减少了控制系统对其它组件的要求，控制系统的体积小，结构更加紧凑；同时保证了电动推杆的驱动作用力与使用者的运动大致在一个竖直平面（矢状面）上，使用者运动更加舒适自然。
2）不采用主动驱动装置，采用弹簧储能器件将足部组件与小腿组件铰接，降低系统的重量和控制难度。弹性储能器中的弹簧起缓冲储能作用，结合人体步态特点，根据使用者的步态阶段调整小腿保护组件与踝足保护组件之间的拉力，从而达到储能和助力效果，满足使用者康复运动中小腿肌肉的拉伸训练要求，防止肌肉萎缩，同时还能防止足部下垂。
3）足部组件、小腿组件和弹性储能器在矢状面内构成单自由度机构，在冠状面和横切面构成稳定结构，起到矫正踝关节的作用。
4）采用内外撑板与U型弹性限位板，使用者的下肢受力更加平衡，有利于下肢助力装置与穿戴者下肢同步运动，同时还能起到对下肢矫形的功能。
5）本矫形器结构稳定，可控性能好，轻便，可辅助下肢残疾人或者是膝踝足病患者独立进行日常的康复训练，为下肢患者提供支撑作用，可以减少使用者站立到坐下、上下楼梯等常规运动中膝关节所需的力矩，减轻患者的负担。
附图说明
图1为本发明一个具体实施例的结构示意图。
图2为本实施例中左腿助力机构的结构示意图。
图3为本实施例中左腿助力机构的小腿组件结构示意图。
图4为本实施例中左腿助力机构的大腿组件结构示意图。
图5为本实施例中左腿助力机构的足部组件结构示意图。
图6为本实施例中夹芯板与下撑板的示意图。
图7为本实施例中腰部支撑组件结构示意图。
图8为本实施例中弹性储能器的结构示意图。
图9为本实施例中导杆与缸筒的结构示意图。
图10为左腿助力机构适应使用者的状态示意图。
其中：1、腰部支撑组件；1.1、腰部连接板；1.2、弹性连接件；1.3、U形支撑板；2、右腿助力机构；3、左腿助力机构；3.1、大腿组件；3.11、大腿内撑板；3.12、大腿外撑板；3.13、U型大腿限位板；3.14、大腿绷带；3.15、大腿弹性支撑板；3.2、电动推杆；3.3、小腿组件；3.31、小腿内撑板；3.32、小腿外撑板；3.33、U型小腿限位板；3.34、小腿绷带；3.4、弹簧储能器；3.41、导杆；3.42、缸筒；3.43、弹簧；3.5、足部组件；3.51、足套；3.52、弹簧铰座；3.53、上面板；3.54、夹芯板；3.55、下撑板；3.56、内铰座；3.57、外铰座。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步地描述。
如图1所述的一种下肢助力矫形器，包括腰部支撑组件1，以及结构相同的左腿助力机构3和右腿助力机构2，左腿助力机构3和右腿助力机构2对称安设在腰部支撑组件1的两侧，腰部支撑组件1上安设有电源模块和控制器；如图2所示，左腿助力机构3由足部组件3.5、小腿组件3.3和大腿组件3.1组成，大腿组件3.1和小腿组件3.3都采用了双侧支撑结构，即内侧和外侧支撑；足部组件3.5与小腿组件3.3铰接，小腿组件3.3与大腿组件3.1铰接，大腿组件3.1与腰部支撑组件1铰接；足部组件3.5内安设有压力检测模块，压力检测模块与控制器和电源模块电连接；所述矫形器还包括角位移检测模块，角位移检测模块与控制器和电源模块电连接；角位移检测模块由多个角位移传感器组成，在足部组件3.5与小腿组件3.3的铰接处、小腿组件3.3与大腿组件3.1的铰接处，以及大腿组件3.1与腰部支撑组件1的铰接处各安设有一个角位移传感器。
如图3所示，小腿组件3.3包括小腿内撑板3.31、小腿外撑板3.32、小腿绷带3.34（或粘带）和U型小腿限位板3.33，U型小腿限位板3.33两端分别与小腿内撑板3.31和小腿外撑板3.32固定连接，通过小腿绷带3.34固定使用者的小腿；为提高使用者穿戴的舒适度，在小腿组件3.3的内侧增加小腿保护罩；小腿内撑板3.31和小腿外撑板3.32的结构相同，均由第一小腿连杆和第二小腿连杆组成，第一小腿连杆上端设有铰接接头，第二小腿连杆上端中空，第二小腿连杆下端设有铰接接头；第一段小腿连杆下端可插入第二段小腿连杆上端，通过在第二小腿连杆上端外侧设置的螺孔，采用螺钉微调小腿第一连杆和小腿第二连杆的相对位置。
如图4所示，大腿组件3.1包括大腿内撑板3.11、大腿外撑板3.12、大腿绷带3.14（或粘带）、U型大腿限位板3.13和大腿弹性支撑板3.15，大腿弹性支撑板3.15两端分别与大腿内撑板3.11无孔末端和大腿外撑板3.12固定连接，U型大腿限位板3.13两端分别与大腿内撑板3.11和大腿外撑板3.12连接，通过大腿绷带3.14固定使用者的大腿；为提高使用者穿戴的舒适度，在大腿组件3.1的内侧增加大腿保护罩。U型大腿限位板3.13和U型小腿限位板3.33均采用高强度铝合金或碳纤维材料制成；大腿弹性支撑板3.15采用弹性较强的金属材料或者硬质塑料制成，U型大腿限位板3.13和U型小腿限位板3.33均采用高强度不易变形的合金材料。
如图5所示，足部组件3.5包括足套3.51，足套3.51通过绷带与使用者的足部固定；足套3.51的内侧与小腿内撑板3.31的下端铰接，小腿内撑板3.31的上端与大腿内撑板3.32的下端铰接；足套3.51的外侧与小腿外撑板3.32的下端铰接，小腿外撑板3.32的上端与大腿外撑板3.12的上端铰接，大腿外撑板3.12的上端与腰部支撑组件1的一端铰接。
本实施例中，足套3.51包括自上而的上面板3.53、夹芯板3.54和下撑板3.55（三者可螺钉连接），其中上面板3.53和下撑板3.55均采用橡胶材料制成，夹芯板3.54采用金属材料或者硬质塑料制成。下撑板3.55的两侧各安设有与小腿内撑板3.31铰接的内铰座3.56和与小腿外撑板3.32铰接的外铰座3.57；如图6所示，夹芯板3.54分为三段，按照一定间距粘贴在下撑板3.55上；夹芯板3.54的上表面固定有多个压力传感器，用来检测足部压力分布；下撑板3.55的两侧各设有与内铰座3.56相连的内耳板和与外铰座3.57相连的外耳板，下撑板3.55的后端伸出有后耳板，后耳板与弹簧储能器3.4铰接；内耳板、外耳板和后耳板上均各安设有一个压力传感器，以检测结构承受的压力。
如图7所示，腰部支撑组件1包括U型支撑板1.3及分别安设在U型支撑板1.3两端的两个弹性连接件1.2，弹性连接件1.2与腰部连接板1.1的上端铰接，腰部连接板1.1的下端与大腿外撑板3.12的上端铰接（两个腰部连接板1.1分别与左腿助力机构3和右腿助力机构2的大腿外撑板3.12铰接）。腰部支撑组件1主要用来支撑左腿助力机构3和右腿助力机构2，防止两者的下滑；考虑到上述大腿组件3.1只能在矢状面内运动，为了使大腿也能够在冠状面和横切面内小范围运动，采用的弹性连接件1.2具有较好地弹性，U型支撑板1.3采用铝合金材料，在具体实施中U型支撑板1.3可以裁剪为两端，通过螺钉连接以便调节U型支撑板1.3的长度来适用不同腰围尺寸，腰部支撑组件1配合腰带和肩带与使用者上身固定。
本实施例中，所述矫形器还包括位于足套3.51后部上方的电动推杆3.2，电动推杆3.2与控制器电连接；电动推杆3.2的一端与U型小腿限位板3.33铰接，电动推杆3.2的另一端与U型大腿限位板3.13铰接（电动推杆3.2的驱动端与U型大腿限位板铰接3.13），电动推杆3.2可驱动膝关节的运动。为了避免电动推杆3.2影响使用者坐下等动作，U型大腿限位板3.13的的固定位置应偏下，适当靠近膝关节处，U型小腿限位板3.33的固定位置应偏下，适当靠近踝关节处。
如图8所示，所述矫形器还包括弹性储能器3.4，弹性储能器3.4的下端与足套3.51后端的弹簧铰座3.52铰接，弹性储能器3.4的上端与U型小腿限位板3.33铰接，弹性储能器3.4可缓冲小腿组件3.3和足部组件3.5的相对运动；如图9所示，弹性储能器3.4包括导杆3.41、缸筒3.42和弹簧3.43，导杆3.41的一端与U型小腿限位板铰接，导杆3.41的另一端设置有凸台，凸台与缸筒3.42的内壁滑动配合，凸台可沿缸筒3.42内壁滑动；缸筒3.42的另一端与足套3.51的后端铰接；弹簧3.43套设在导杆3.41和缸筒3.42上，弹簧3.43的一端与导杆3.41的上端固定连接，弹簧3.43的另一端与缸筒3.42的下端连接固定。使用者穿上所述矫形器并处于站立状态时，弹簧储能器3.4中的弹簧3.43处于自然状态；使用者运动时，由于重力的作用，弹簧储能器3.4中的弹簧3.43由自然状态变为拉伸或者压缩状态以储存能量；当使用者下肢从一种状态向另外一种状态转变时，如图10所示，弹簧储能器3.4释放能量，辅助踝关节运动；对于足下垂患者而言，弹性储能器3.4还能防止足下垂，并辅助踝关节锻炼。
本发明中，大腿组件3.1与小腿组件3.3的铰接处为矫形器的内膝关节和外膝关节（大腿外撑板3.32侧），小腿组件3.3和足部组件3.5的铰接处为矫形器的内踝关节和外踝关节（大腿外撑板3.32侧），大腿外撑板3.32与腰部支撑组件1的铰接处为矫形器的髋关节。在外踝关节、外膝关节和髋关节处各安装一个角位移传感器，用于检测下肢关节运动状态；结合夹芯板3.54上压力传感器监测到的信息，推算使用者的运动状态，并根据推算到的运动状态控制电动推杆3.2做出相应的动作，辅助使用者的运动；另外综合在内耳板、外耳板和后耳板上设置的压力传感器检测到的压力信息和其它的传感器信息，可以对所述矫形器的助力效果进行评价。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (8)
1.一种下肢助力矫形器，其特征在于，包括腰部支撑组件，以及结构相同的左腿助力机构和右腿助力机构，左腿助力机构和右腿助力机构对称安设在腰部支撑组件的两侧，所述腰部支撑组件上设有电源模块和控制器；所述左腿助力机构由足部组件、小腿组件和大腿组件组成，足部组件与小腿组件铰接，小腿组件与大腿组件铰接，大腿组件与腰部支撑组件铰接；所述矫形器还包括电动推杆，电动推杆与控制器电连接；电动推杆的一端与小腿组件铰接，电动推杆的另一端与大腿组件铰接，驱动大腿组件与小腿组件发生相对运动；所述小腿组件包括小腿内撑板、小腿外撑板，以及两端分别与小腿内撑板和小腿外撑板固定连接的U型小腿限位板；所述大腿组件包括大腿内撑板、大腿外撑板以及两端分别与大腿内撑板和大腿外撑板固定相连的U型大腿限位板；所述足部组件包括足套，足套的内侧与小腿内撑板的下端铰接，小腿内撑板的上端与大腿内撑板的下端铰接；所述足套的外侧与小腿外撑板的下端铰接，小腿外撑板的上端与大腿外撑板的上端铰接，大腿外撑板的上端与腰部支撑组件铰接；所述电动推杆位于足套后端的上方，电动推杆的一端与U型大腿限位板铰接，电动推杆的另一端与U型小腿限位板铰接；所述矫形器还包括弹性储能器，弹性储能器的下端与足套的后端铰接，弹性储能器的上端与U型小腿限位板铰接，弹性储能器可缓冲小腿组件和足部组件的相对运动。
2.如权利要求1所述的一种下肢助力矫形器，其特征在于，所述弹性储能器包括导杆、缸筒和弹簧，导杆的一端与U型小腿限位板铰接，导杆的另一端设置有凸台，凸台与缸筒的内壁滑动配合，凸台可沿缸筒内壁滑动；缸筒的另一端与足套的后端铰接；所述弹簧套设在导杆和缸筒上，弹簧的一端与导杆的上端固定连接，弹簧的另一端与缸筒的下端连接固定。
3.如权利要求1所述的一种下肢助力矫形器，其特征在于，所述足套内安设有压力检测模块，压力检测模块分别与控制器和电源模块电连接。
4.如权利要求1所述的一种下肢助力矫形器，其特征在于，所述矫形器还包括与控制器和电源模块电连接的角位移检测模块，角位移检测模块由多个角位移传感器组成；在足部组件与小腿组件的铰接处、小腿组件与大腿组件的铰接处，以及大腿组件与腰部支撑组件的铰接处各安设一个角位移传感器。
5.如权利要求1所述的一种下肢助力矫形器，其特征在于，所述腰部支撑组件包括U型支撑板及分别安设在U型支撑板两端的两个弹性连接板，弹性连接板铰接有腰部连接板，腰部连接板的下端与大腿外撑板的上端铰接。
6.如权利要求3所述的一种下肢助力矫形器，其特征在于，所述压力检测模块包括若干压力传感器；足套包括自上而下粘合的上面板、夹芯板和下撑板，夹芯板上安装压力传感器；下撑板的两侧各安设有与小腿内撑板铰接的内铰座和与小腿外撑板铰接的外铰座。
7.如权利要求6所述的一种下肢助力矫形器，其特征在于，所述下撑板的两侧各安设有内耳板和外耳板，内耳板和外耳板上均各安设一个压力传感器；所述内耳板与内铰座连接固定，外耳板与外铰座连接固定；所述下撑板的后端伸出有后耳板，后耳板与弹簧储能器铰接；所述后耳板上安设一个压力传感器。
8.如权利要求1所述的一种下肢助力矫形器，其特征在于，所述小腿组件还包括小腿绷带，小腿绷带的一端与小腿内撑板连接，小腿绷带的另一端与小腿外撑板连接；所述大腿组件还包括大腿绷带，大腿绷带的一端与大腿内撑板连接，大腿绷带的另一端与大腿外撑板连接。
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