CN106038178A - 一种用于截瘫康复训练的足底轮式驱动交替行走外骨骼装置 - Google Patents

一种用于截瘫康复训练的足底轮式驱动交替行走外骨骼装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种截瘫康复外骨骼装置，该装置包括外骨骼和肘拐，其中外骨骼主要包括电源及控制电路模块和足底驱动模块，肘拐主要包括肘拐遥控器和肘拐管身。本发明的外骨骼装置采用足底轮式驱动，行走过程中双脚始终不离地，克服了关节驱动型外骨骼步态中的摆动相问题；辅以带有遥控器的肘拐辅助平衡，通过控制左右手按压按键的幅度及按压时间，实时掌控行走时的步长、步频、步速等步态参数。本发明的外骨骼装置以较为精简的结构实现截瘫康复的直立和交替行走两项要求。

Description

一种用于截瘫康复训练的足底轮式驱动交替行走外骨骼装置
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，特别地，涉及动力下肢医疗外骨骼技术。
背景技术
近年来，外骨骼技术在截瘫助行康复中的应用逐渐成熟。其中最具代表性的是商业化较为成功的ReWalk外骨骼，不但获得FDA认证并且已成功上市。与ReWalk结构相似的动力下肢外骨骼还有Ekso及Indego等。虽然此类外骨骼驱动单元略有差异，但共同点为嵌入有可感知人体运动意图的控制传感器，并且通过拐杖辅助平衡。
虽然以ReWalk为代表的移动穿戴式外骨骼可以帮助截瘫患者行走，但此类关节驱动型外骨骼在行走时较难实现外骨骼下肢运动角和人体下肢力线的完全重合，这对患者正常行走步态会有潜在影响。此外由于此类关节驱动型外骨骼的控制系统复杂，使用者需要经过前期练习和医师指导才能独立使用，存在一定学习成本和使用难度。有研究者指出医疗器械中复杂的控制系统并非有益，因为只有使用者最清楚自身的运动意图，任何传感器都有无法100％感知使用者的意图，一旦传感器预判出现错误将会带来严重后果。此外，系统越复杂其稳定性越差、出错率越高。康复医疗器械对系统稳定性有着更为严苛的要求，不允许因为系统问题而对使用者造成二次伤害。
发明内容
移动穿戴式截瘫康复器械应满足的两项最基本的要求是直立和交替行走。为克服现有截瘫康复外骨骼控制系统复杂、能耗高、人机步态协调性不佳及产品昂贵的问题，在分析了目前穿戴式外骨骼的优缺点后，本发明提出了可以同时满足以上两项要求的一种简单可靠的截瘫康复训练外骨骼装置。该外骨骼装置采用足底轮式驱动，在肘拐手柄处装有可分别控制左右脚运动的按键，使用融合有遥控器的肘拐辅助平衡，可实现直立和交替行走的截瘫康复外骨骼装置。
为了实现此目的，本发明采取的技术方案为如下：
一种用于截瘫康复训练的足底轮式驱动交替行走外骨骼装置，包括外骨骼和肘拐，所述外骨骼包括电源及控制电路模块、髋关节、电线、腿部固定板及绑带、膝关节锁、长度调整螺钉、足底驱动模块，所述足底驱动模块包括踝关节支架、足部挡板、底板、驱动轮和从动轮；所述肘拐包括肘拐遥控器和肘拐管身，所述肘拐遥控器安装在肘拐管身上，包括遥控器手柄主体、电路板和按键。电源及控制电路模块包括锂离子电池组、电机控制器和无线信号接收器，电线包括三相无刷电机线和霍尔线，用于将电源和控制电路模块的电能和控制信号传递到足底驱动模块以带动人体前行，腿部固定板和绑带位于股骨和胫骨处，负责固定使用者的下肢。
足部挡板包括2个前足部挡板、后外侧足部挡板和后内侧足部挡板，底板较长的两个边上分别设置有2个与足部挡板相配合的凹槽，2个前足部挡板对称设置在底板的2个凹槽内，后外侧足部挡板和后内侧足部挡板对称设置在底板的另外2个凹槽内。
足底驱动模块还包括薄型推力轴承、六角大螺钉和异型螺母，通过内六角大螺钉和异型螺母将薄型推力轴承与踝关节支架和后外侧足部挡板连接在一起。
踝关节支架上设置有限位孔槽，限位螺钉固接在后外侧足部挡板上，一端深入到限位孔槽内进行踝关节转角限位。
所述遥控器手柄主体采用一体成型结构，整体上呈手柄状，下部设置成中空用于放置电路板，遥控器手柄主体还设置有按键行程限位台；所述电路板采用可充电电池供电，通过蓝牙进行无线信号传输，电路板还设置有调速摇杆；所述按键上设置有斜槽、按键弹簧卡台和按键滑台。
所述按键弹簧卡台设置成与按键行程限位台的位置相对应，按键上设置有弹簧，其一端套入按键弹簧卡台，另一端置于按键行程限位台上。
按键按下时，调速摇杆滑入按键的斜槽内，由此可将调速摇杆的拨动调速转变为按键的直线调速，通过控制按下按键的幅度进行调速。
通过采用本发明的外骨骼装置，能够实现以下的技术效果：
使用时膝关节锁定，使用者双腿跟随外骨骼作直立交替行走，由于不存在行走过程中的膝关节弯曲，因而外骨骼下肢与人体下肢力线完全重合，步态一致性好，绝大部分能量用来完成水平前进，因而对能耗及电机驱动扭矩的要求都较小；
采用机械限位设计，可使踝关节前后转角都被限制在15度，以免按键按压不当或者电路故障问题对使用者造成伤害；
采用足底轮式驱动模式，行走过程中双脚始终不离地，解决了关节驱动型外骨骼步态中的摆动相问题，当无线信号接收模块接收到PWM信号时控制电路驱动电机前行，无PWM信号时控制电路自动使电机进入刹车状态，以此保证轮式驱动的安全控制；
通过控制左右手按压按键的幅度及按压时间，使用者可完全实时掌控行走时的步长、步频、步速等步态参数提高了使用者对步态的实时干预能力。
附图说明
图1是本发明的截瘫康复训练外骨骼装置的示意图(足部绑带未示出)；
图2是本发明的截瘫康复训练外骨骼装置的足底驱动模块的示意图；
图3是本发明的截瘫康复训练外骨骼装置的肘拐遥控器的结构图(下壳未示出)。
图中1-电源及控制电路模块，2-髋关节，3-电线，4-腿部固定板及绑带，5-膝关节锁，6-长度调整螺钉，7-足底驱动模块，8-肘拐遥控器，9-肘拐管身，10-踝关节支架，11-内六角大螺钉，12-薄型推力轴承，13-异形螺母，14-限位孔槽，15-后外侧足部挡板，16-限位螺钉，17-背板，18-后内侧足部挡板，19-底板，20-前足部挡板，21-驱动轮，22-从动轮，23-遥控器手柄主体，24-电路板，25-摇杆，26-按键，27-按键行程限位台，28-按键弹簧卡台，29-按键滑台。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细说明。
如图1所示，本发明的外骨骼装置主要包括外骨骼和肘拐，其中，
外骨骼包括电源及控制电路模块1、髋关节2、电线3、腿部固定板及绑带4、膝关节锁5、长度调整螺钉6、足底驱动模块7。
电源及控制电路模块1主要包括锂离子电池组、电机控制器和无线信号接收器。
电线3主要包括三相无刷电机线和霍尔线，负责将电源和控制电路模块1的电能和控制信号传递到足底驱动模块7以带动人体前行。
腿部固定板和绑带4位于股骨和胫骨处，负责固定使用者的下肢。
如图2所示，足底驱动模块7主要包括踝关节支架10、足部挡板、底板19、驱动轮21和从动轮22。
踝关节支架10上设置9个M5螺钉孔，间距10mm，可调整80mm的长度。
薄型推力轴承12设置为内外侧各一套，通过内六角大螺钉11和异型螺母13将两套轴承12与踝关节支架10和后外侧足部挡板15连接在一起，装配好后踝关节支架10可自由转动。为防止踝关节转角过大对使用者造成伤害，在踝关节支架10上加工有限位孔槽14，限位螺钉16固接在后外侧足部挡板15上，一端深入到限位孔槽14内进行踝关节转角限位。人体正常步态摆动初期踝关节跖屈10-20°而支撑期背屈15°。为保证安全，踝关节限位槽以踝关节支架垂直轴为中心各偏15°，踝关节支架最大可在前后15°范围内转动。
底板19呈水平方向设置，其中较长的两个边上分别设置有2个与足部挡板相配合的凹槽。
足部挡板采用一体化设计，整体呈竖直方向设置，包括2个前足部挡板20、后外侧足部挡板15和后内侧足部挡板18，各个足部挡板的上部大致呈方形，下部大致呈三角形。
2个前足部挡板对称设置在底板19的2个凹槽内，后外侧足部挡板15和后内侧足部挡板18对称设置在底板19的另外2个凹槽内；足部挡板均通过螺钉与底板19固接。
2个前足部挡板的下端分别设置有与从动轮22配合的有型孔，后外侧足部挡板15和后内侧足部挡板18分别设置有与驱动轮21配合的有型孔。
后外侧足部挡板15和后内侧足部挡板18上部均设置有斜孔槽，足部绑带一端固定在后外侧足部挡板15的斜孔槽内，另一端穿过后内侧足部挡板15的斜孔槽后利用魔术扣粘住。
前足部挡板20上部均设置有平孔槽，采用与后足部挡板同样的足部绑带固定方法。
前后足部挡板及背板17与足部绑带一起，可实现足部的完全固定。
驱动轮21采用小直径轮毂电机做主动驱动，从动轮22采用同样尺寸无动力轮，两轮都包有耐磨橡胶。
此外，足底驱动模块7上还有足部固定带(为便于展示说明未示出)。
如图1所示，肘拐包括肘拐遥控器8和肘拐管身9。
如图3所示，肘拐遥控器8安装在肘拐管身9上，主要包括遥控器手柄主体23、电路板24和按键26。
遥控器手柄主体23采用一体成型结构，整体上呈手柄状，下部设置成中空用于放置电路板24，遥控器手柄主体23还设置有按键行程限位台27。
电路板24采用可充电电池供电，通过蓝牙进行无线信号传输。电路板24设置有长度为20mm的调速摇杆25。
按键26上设置有斜角为30度的斜槽、按键弹簧卡台28和按键滑台29。
按键弹簧卡台28设置成与按键行程限位台27的位置相对应。按键26上还设置有弹簧(未示出)，其一端套入按键弹簧卡台28，另一端置于按键行程限位台27上。
当按键26按下时，调速摇杆25滑入按键26的斜槽内，由此可将调速摇杆25的拨动调速转变为按键26的直线调速，使用者可通过控制按下按键的幅度进行调速，按键回复零位时自动进入刹车状态。
外骨骼工作时，髋关节2和踝关节可自由转动，当膝关节锁5锁定时膝关节无法发生转动，当膝关节锁5打开时膝关节可以发生转动供使用者坐下。
外骨骼胫骨部分长度可根据使用者身高，通过外骨骼长度调整螺钉6进行调节。
外骨骼由肘拐遥控器8进行独立运动控制，其中右侧肘拐控制外骨骼左腿，左侧肘拐控制右腿，通过依次按压遥控按键实现交替行走。
另外，肘拐管身9长度同样可以根据使用者身高进行调节。
尽管上述通过举例说明，已经描述了本发明最佳的具体实施方式，本发明的保护范围并不仅限于上述说明，本领域一般技术人员可以理解的是，在不背离本发明所教导的实质和精髓的前提下，任何修改和变化都落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于截瘫康复训练的足底轮式驱动交替行走外骨骼装置，包括外骨骼和肘拐，其特征在于：所述外骨骼包括电源及控制电路模块(1)、髋关节(2)、电线(3)、腿部固定板及绑带(4)、膝关节锁(5)、长度调整螺钉(6)、足底驱动模块(7)所述足底驱动模块(7)包括踝关节支架(10)、足部挡板、底板(19)、驱动轮(21)和从动轮(22)；所述肘拐包括肘拐遥控器(8)和肘拐管身(9)，所述肘拐遥控器(8)安装在肘拐管身(9)上，包括遥控器手柄主体(23)、电路板(24)和按键(26)。
2.根据权利要求1所述的外骨骼装置，其特征在于：所述电源及控制电路模块(1)包括锂离子电池组、电机控制器和无线信号接收器，电线(3)包括三相无刷电机线和霍尔线，用于将电源和控制电路模块(1)的电能和控制信号传递到足底驱动模块(7)以带动人体前行，腿部固定板和绑带(4)位于股骨和胫骨处，负责固定使用者的下肢。
3.根据权利要求1所述的外骨骼装置，其特征在于：所述足部挡板包括2个前足部挡板(20)、后外侧足部挡板(15)和后内侧足部挡板(18)，底板(19)较长的两个边上分别设置有2个与足部挡板相配合的凹槽，2个前足部挡板对称设置在底板(19)的2个凹槽内，后外侧足部挡板(15)和后内侧足部挡板(18)对称设置在底板(19)的另外2个凹槽内。
4.根据权利要求1所述的外骨骼装置，其特征在于：所述足底驱动模块(7)还包括薄型推力轴承(12)、六角大螺钉(11)和异型螺母(13)，通过内六角大螺钉(11)和异型螺母(13)将薄型推力轴承(12)与踝关节支架(10)和后外侧足部挡板(15)连接在一起。
5.根据权利要求4所述的外骨骼装置，其特征在于：所述踝关节支架(10)上设置有限位孔槽(14)，限位螺钉(16)固接在后外侧足部挡板(15)上，一端深入到限位孔槽(14)内进行踝关节转角限位。
6.根据权利要求1所述的外骨骼装置，其特征在于：所述遥控器手柄主体(23)采用一体成型结构，整体上呈手柄状，下部设置成中空用于放置电路板(24)，遥控器手柄主体(23)还设置有按键行程限位台(27)；所述电路板(24)采用可充电电池供电，通过蓝牙进行无线信号传输，电路板(24)还设置有调速摇杆(25)；所述按键(26)上设置有斜槽、按键弹簧卡台(28)和按键滑台(29)。
7.根据权利要求6所述的外骨骼装置，其特征在于：所述按键弹簧卡台(28)设置成与按键行程限位台(27)的位置相对应，按键(26)上设置有弹簧，其一端套入按键弹簧卡台(28)，另一端置于按键行程限位台(27)上。
8.根据权利要求7所述的外骨骼装置，其特征在于：按键(26)按下时，调速摇杆(25)滑入按键(26)的斜槽内，由此将调速摇杆(25)的拨动调速转变为按键(26)的直线调速，通过控制按下按键(26)的幅度进行调速。
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