CN105686929B - 一种柔顺驱动膝关节康复辅助装置 - Google Patents

一种柔顺驱动膝关节康复辅助装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种柔顺驱动膝关节康复辅助装置。膝关节康复治疗亟需能提供柔顺性的膝关节辅助康复装置。本发明的助力弹簧连接下支撑板和助力弹簧连接线；助力弹簧连接线连接上连接板；步进电机的底座和上连接板固定在中空旋转平台的外圈两侧；大腿连接机构与上连接板固定；中心轴通过两个单向轴承支承在轴承套上，轴承套与中空旋转平台的内圈固定；中空旋转平台的外圈与内圈构成转动副；步进电机驱动中空旋转平台的内圈；中心轴与弹簧盘的内圈固定；弹簧盘的外圈与十字支撑架及下连接板的一端固定后，弹簧盘的内圈支承在中心轴上；下连接板的另一端与小腿连接机构固定。本发明在驱动端设置弹性元件，增加驱动柔顺性，改善患者与康复装置适应性。

Description

一种柔顺驱动膝关节康复辅助装置
技术领域
本发明涉及一种医疗辅助康复装置，具体涉及一种柔顺驱动膝关节康复辅助装置。
背景技术
当膝关节受伤后，患者必须在康复期内针对膝关节进行一定的康复训练，而不同的时期训练的强度有所不同。国内外目前带动力的膝关节辅助康复装置，虽然能够有效地主动提供助力给膝关节，但是其动力传动结构比较复杂，电池能耗较大，价格贵，尤其是重量大，并不适用于患者长期穿戴，而且此类装置比较庞大，一般集中在康复医疗中心，所以患者只能到康复中心进行康复，这对有行动障碍的患者来说也是非常不便的。
常见的家用膝关节辅助康复装置可分为穿戴式和非穿戴式，目前市场上的小型穿戴式的辅助康复装置结构比较简单，一般只起支撑、稳定患者受损膝关节的作用，使用起来也相对简单。而非穿戴式的辅助康复装置相比于穿戴式的功能相对要强大一些，它可以增加患者肌力和膝关节的灵活性以及改善患者对肌肉的控制能力，但是由于不可穿戴，容易对患者的使用造成一定不便之处，康复效果也有一定的局限性。因此，搭载合适驱动器的穿戴式膝关节康复辅助装置将有效地结合以上两种家用穿戴式膝关节康复辅助装置的特点。
如专利号为CN201420671314.X的专利，采用两个气动肌肉组件和绳索带动膝关节上的转轮转动进而带动小腿摆动。专利号为201410462145.3的专利通过伺服电机驱动套索实现动力的传递，帮助患者进行手术后膝关节行走助力和康复训练。此类膝关节康复辅助装置结构都相对比较简单，体积小，重量轻，穿戴方便，适合民用。
近年来，基于生物学和生理学方面的研究表明，筋腱组织等柔性储能机构对人体行走的稳定性和能量效率具有极为重要的作用。而现有的装置都是刚性的驱动关节转动，而不能像人的膝关节那样具有柔顺性。柔顺的关节在运动过程中，交替地进行储存能量与释放能量，以将动能、重力势能和弹性势能进行转换，这样不但提高了人行走时能量的利用效率，还改善了对行走环境的适应性，因此膝关节的康复装置在驱动关节转动时应该是具有柔顺性的。综上所述，亟需一种穿戴轻巧、方便且能提供柔顺性的膝关节辅助康复装置。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种穿戴方便、基于柔顺驱动器的膝关节康复辅助装置。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
本发明包括大腿连接机构、助力弹簧连接线、柔顺驱动器和小腿连接机构；所述的大腿连接机构包括上支撑板和固定在上支撑板上的大腿绑带；所述的小腿连接机构包括助力弹簧、下支撑板和固定在下支撑板上的小腿绑带；下支撑板上固定有助力弹簧连接线安装环和下卡扣；助力弹簧的下端与下卡扣连接，上端与助力弹簧连接线的下端连接；助力弹簧连接线穿过助力弹簧连接线安装环。
所述的柔顺驱动器包括步进电机、中空旋转平台、中心轴、弹簧盘和电位器模块；步进电机的底座和上连接板固定在中空旋转平台的外圈两侧；大腿连接机构的上支撑板与上连接板固定；所述的中心轴通过两个单向轴承支承在轴承套上，轴承套端面的法兰结构与中空旋转平台的内圈固定；中空旋转平台的外圈与中空旋转平台的内圈构成转动副；步进电机驱动中空旋转平台的内圈转动。所述助力弹簧连接线的上端绕过上连接板的弧形凹槽并与固定在上连接板上的上卡扣连接。所述的中心轴设有法兰结构与弹簧盘的内圈固定；弹簧盘的外圈与十字支撑架及下连接板的一端通过螺栓固定后，弹簧盘的内圈用深沟球轴承支承在中心轴上；下连接板的另一端与小腿连接机构的下支撑板通过螺栓连接；所述的电位器模块测量中心轴转动的角度，并将角度信号传给控制器控制步进电机的行程量以及摆动速度。
单向轴承通过轴承卡圈和轴肩实现轴向定位。
嵌入深沟球轴承侧面环形凹槽内的弹簧卡圈及中心轴的法兰结构分设在两侧对弹簧盘和十字支撑盘进行轴向定位。
轴承卡圈卡在中心轴上对深沟球轴承轴向定位。
所述弹簧盘采用的材料为经热处理后的50CrVA。
所述弹簧盘的内圈和外圈通过沿圆周均布的四根S状弹性辐条连接，通过计算机软件有限元分析后，根据应力应变条件确定S状弹性辐条最优的曲线结构。
所述弹簧盘的整体结构由线切割工艺加工而成。
本发明由于采用以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明在驱动端设置了弹性元件，有效增加了机构的柔顺性，更加适应了患者的康复需求。
2本发明在支撑上、下肢的机构间设置了一助力弹簧，为患者进行行走以及下蹲运动时提供辅助作用力。
3、本发明在转动轴处设置了一电位器，用以测量患者的运动状态，并反馈给控制端，使控制更为精确。
4、转动轴处采用两个单向轴承能够起到一定的限位作用。
附图说明
图1是本发明的整体结构立体图；
图2是本发明的局部剖视图；
图3是本发明的爆炸视图；
图4是本发明中弹簧盘的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的描述。
如图1所示，一种柔顺驱动膝关节康复辅助装置，包括大腿连接机构、助力弹簧连接线、柔顺驱动器和小腿连接机构；在穿戴时，须将柔顺驱动器的中心轴41和膝关节的转动轴轴线共线。大腿连接机构包括上支撑板12和固定在上支撑板12上的大腿绑带11；小腿连接机构包括助力弹簧33、下支撑板31和固定在下支撑板31上的小腿绑带32；下支撑板31上固定有助力弹簧连接线安装环34和下卡扣35；助力弹簧33的下端与下卡扣35连接，上端与助力弹簧连接线的下端连接；助力弹簧连接线穿过助力弹簧连接线安装环34。
如图2和3所示，柔顺驱动器包括步进电机21、日本东方电机公司的中空旋转平台、中心轴41、弹簧盘44和电位器模块23；步进电机21的底座和上连接板13固定在中空旋转平台的外圈22两侧；大腿连接机构的上支撑板12与上连接板13固定；中心轴41通过两个单向轴承45支承在轴承套上，轴承套端面的法兰结构与中空旋转平台的内圈24固定，可使轴承套46和中空旋转平台带有轮齿的内圈24同步转动；中空旋转平台的外圈22与中空旋转平台的内圈构成转动副；步进电机21驱动中空旋转平台的内圈24转动。助力弹簧连接线的上端绕过上连接板13的弧形凹槽并与固定在上连接板13上的上卡扣14连接，使患者行走和下蹲时助力弹簧能够产生较大的形变，从而提供一定的辅助作用力。单向轴承45通过第一轴承卡圈48和轴肩定位实现轴向定位，通过单向轴承45使中心轴41只能单向自由摆动，另一方向只能跟随步进电机21同步转动。中心轴41设有法兰结构与弹簧盘44的内圈固定；弹簧盘44的外圈与十字支撑架47及下连接板36的一端通过螺栓固定后，弹簧盘44的内圈用深沟球轴承42支承在中心轴41上；下连接板36的另一端与小腿连接机构的下支撑板31通过螺栓连接；嵌入深沟球轴承42侧面环形凹槽内的弹簧卡圈43及中心轴41的法兰结构分设在两侧对弹簧盘44和十字支撑盘47进行轴向定位；第二轴承卡圈49卡在中心轴41上对深沟球轴承42轴向定位；十字支撑架47在一定程度上防止弹簧盘在径向的变形。电位器模块23测量中心轴41转动的角度，从而读取小腿摆动的运动量，并将角度信号传给控制器控制步进电机21的行程量以及摆动速度。可见，柔顺驱动器可在转动时提供一定柔顺性。
如图4所示，弹簧盘44采用的材料为经热处理后的50CrVA；弹簧盘44的内圈和外圈通过沿圆周均布的四根S状弹性辐条连接；通过计算机软件有限元分析后，根据应力应变条件确定S状弹性辐条最优的曲线结构；弹簧盘44整体结构由线切割工艺加工而成，弹簧盘44能够使机构刚度呈非线性变化，为小腿摆动提供一定柔顺性。
该柔顺驱动膝关节康复辅助装置，工作原理如下:
进行膝关节康复训练和辅助行走时，要求该装置带动小腿做反复运动。步进电机21通过齿轮副传动带动中空旋转平台的内圈24转动，由于中心轴41上固定有两个单向轴承45，使中心轴41在一个方向上卡死，只能跟随步进电机21同步转动，而在另一方向上可自由摆动。因此，中心轴41在步进电机21的驱动下可带动小腿向后侧摆动，同时造成助力弹簧33的拉伸变形。通过电位器模块23检测小腿摆动的角度，当小腿向后侧摆动到目标角度时，步进电机21停止运行，由于助力弹簧33产生的拉力，该装置可带动小腿恢复到初始状态(即站立状态)，从而完成康复训练和行走时小腿摆动的动作。由于该装置动力传动过程必须经过弹簧盘44的变形，弹簧盘44可为该装置的运作提供一定柔顺性，起到一定的力缓冲作用。

Claims (7)

1.一种柔顺驱动膝关节康复辅助装置，包括大腿连接机构、助力弹簧连接线、柔顺驱动器和小腿连接机构，其特征在于：所述的大腿连接机构包括上支撑板和固定在上支撑板上的大腿绑带；所述的小腿连接机构包括助力弹簧、下支撑板和固定在下支撑板上的小腿绑带；下支撑板上固定有助力弹簧连接线安装环和下卡扣；助力弹簧的下端与下卡扣连接，上端与助力弹簧连接线的下端连接；助力弹簧连接线穿过助力弹簧连接线安装环；
所述的柔顺驱动器包括步进电机、中空旋转平台、中心轴、弹簧盘和电位器模块；步进电机的底座和上连接板固定在中空旋转平台的外圈两侧；大腿连接机构的上支撑板与上连接板固定；所述的中心轴通过两个单向轴承支承在轴承套上，轴承套端面的法兰结构与中空旋转平台的内圈固定；中空旋转平台的外圈与中空旋转平台的内圈构成转动副；步进电机驱动中空旋转平台的内圈转动；所述助力弹簧连接线的上端绕过上连接板的弧形凹槽并与固定在上连接板上的上卡扣连接；所述的中心轴设有法兰结构与弹簧盘的内圈固定；弹簧盘的外圈与十字支撑架及下连接板的一端通过螺栓固定后，弹簧盘的内圈用深沟球轴承支承在中心轴上；下连接板的另一端与小腿连接机构的下支撑板通过螺栓连接；所述的电位器模块测量中心轴转动的角度，并将角度信号传给控制器控制步进电机的行程量以及摆动速度。
2.根据权利要求1所述的一种柔顺驱动膝关节康复辅助装置，其特征在于：单向轴承通过第一轴承卡圈和轴肩实现轴向定位。
3.根据权利要求1所述的一种柔顺驱动膝关节康复辅助装置，其特征在于：嵌入深沟球轴承侧面环形凹槽内的弹簧卡圈及中心轴的法兰结构分设在两侧对弹簧盘和十字支撑盘进行轴向定位。
4.根据权利要求1所述的一种柔顺驱动膝关节康复辅助装置，其特征在于：第二轴承卡圈卡在中心轴上对深沟球轴承轴向定位。
5.根据权利要求1所述的一种柔顺驱动膝关节康复辅助装置，其特征在于：所述弹簧盘采用的材料为经热处理后的50CrVA。
6.根据权利要求1所述的一种柔顺驱动膝关节康复辅助装置，其特征在于：所述弹簧盘的内圈和外圈通过沿圆周均布的四根S状弹性辐条连接，通过计算机软件有限元分析后，根据应力应变条件确定S状弹性辐条最优的曲线结构。
7.根据权利要求1所述的一种柔顺驱动膝关节康复辅助装置，其特征在于：所述弹簧盘的整体结构由线切割工艺加工而成。
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