CN106420277B - 一种便携式柔性行走辅助装备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种便携式柔性行走辅助装备，包括膝关节柔性执行机构(1)、气压形成机构(2)、柔性固定带(3)、气管(4)；其中，在人行走过程中，所述气压形成机构(2)使膝关节柔性执行机构(1)气囊压强快速增大或减小，膝关节柔性执行机构(1)产生辅助膝盖弯曲、伸展的转矩。本发明采用人的自重作为装备的驱动力，不需要其他外带能源；执行部分采用采用气囊气动驱动和扭力弹簧弹力相结合的柔性驱动方式，二者在人行走过程中相互补偿。本发明采用气动驱动和扭力弹簧弹力相结合的柔性驱动方式，结构惯性小，克服了一般腿部助力装备或者外骨骼机器人等刚性机构惯性大、容易造成人膝关节损伤、舒适性差等缺点，提高了装备的安全性和舒适性。

Description

一种便携式柔性行走辅助装备
技术领域
本发明属于膝关节辅助器械和柔性行走辅助装备领域，特别涉及一种适用于下肢运动能力下降或者下肢运动部分失能人群的便携式柔性行走辅助装备。
背景技术
由于生理机能的衰退，人在从中年到老年的衰老过程中，存在着站立及行走晃动不稳、关节运动幅度减小以及韧带弹性和绝对肌力下降等现象。研究表明，摔倒是造成75岁以上老年人突发性死亡的首要原因。这当中很大一部分原因是同膝关节生理退化与损伤有关。由此给老年人生活带来了极大的不便，生活质量得不到保证，严重损害身心健康。而在我国，针对老年人的辅助器械的开发与研究还较落后，不能满足市场的需求，开发与老年人相适应的各类辅助器械，满足老年人的生理与心理需求是势在必行的课题。
目前国内外成熟的辅助行走产品主要有：拐杖、助步架、无动力轮椅等。此类辅助器产品虽然能够起到帮助老年人或者下肢部分失能患者保持行动平衡或代步移动的作用，但由于其没有动力，需要借助上肢的力量，会使人感到行走费力。此外，外骨骼机器人也是目前行走辅助研究的热点，但是其体积和重量较大，刚性机构惯性大，舒适性较差，目前尚未实际应用到下肢运动能力下降或者下肢运动部分失能人群的日常行走中。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的缺陷，提供了一种适用于下肢运动能力下降或者下肢运动部分失能人群的便携式柔性行走辅助装备。
柔性行走辅助装备是以人的自重为装备的驱动力，不需要其他外部能量输 入；装备采用气囊增压与扭力弹簧蓄能相结合的方式，在人行走过程中提供作用于辅助膝关节弯曲和伸展的转矩。具体的，在人行走过程中，依靠自重双脚交替踩脚下气压形成机构，气压形成机构中的气囊组件与膝关节柔性执行机构的气囊形成气压闭合回路，使膝关节柔性执行机构气囊压强快速增大或减小，膝关节柔性执行机构的气囊和扭力弹簧配合形成一对作用力与反作用，产生辅助膝盖弯曲、伸展的转矩，达到辅助老年人和下肢部分失能患者行走的目的，并且可以帮助老年人和下肢部分失能患者改善肌肉活力，提高他们的自理能力和健康状况。
为了实现上述目的本发明采取的技术方案是：
一种便携式柔性行走辅助装备，包括：
膝关节柔性执行机构，是装备作用于左腿和右腿膝关节的转矩柔性执行部件，在跨步过程中为膝关节提供辅助伸展和弯曲的转矩；
气压形成机构，是用于为膝关节柔性执行机构提供正压和负压的气压动力源；
柔性固定带，以及柔性固定材料，用于将膝关节柔性执行机构固定在大腿、膝关节和小腿相应的位置。
气管，是气压形成机构与膝关节柔性执行机构之间气压输送通道。
其中，在人行走过程中，所述气压形成机构使膝关节柔性执行机构气囊压强快速增大或减小，膝关节柔性执行机构产生辅助膝盖弯曲、伸展的转矩。
优选地，所述膝关节柔性执行机构包括气囊、大腿固定板、小腿固定板、扭力弹簧保护盖、扭力弹簧压板、紧固件、扭力弹簧、转轴、轴承以及扭力弹簧固定件。
优选地，所述气囊使用时对应膝盖侧，随着脚下气压形成机构对所述气囊输入正压增大，所述气囊压强逐渐增大，并可以克服所述扭力弹簧的弹力，由无压力、无固定角度状态变成180°的固定角度，并具有较强的压力，为膝关节提供伸展的转矩，即辅助膝关节绷直，此时扭力弹簧的扭转力最大；当所述气压形成机构对所述气囊没有压力输入作用，所述扭力弹簧受扭转力的作用逐渐恢复到自由位置，为膝关节提供跨步弯曲的转矩，并且受弹簧扭转力作用，气囊内的气压逐渐降低，气囊内的气体开始回流到气压形成机构。
优选地，所述的气囊采用TPU高强度复合布，经热粘合焊接定型工艺制成横截面为四边形的柱型结构形式。
优选地，所述大腿固定板、小腿固定板采用高强度碳纤维材料制成，也可采用比刚度较高的镁铝合金金、硬铝合金等材料，分别通过铆钉固定在所述气囊边缘的TPU高强度复合布安装面上。
优选地，所述气压形成机构包括气囊组件、压板、复合基板、铰链、防滑橡胶垫、橡胶垫、光杆、压缩弹簧、防脱螺母以及弹性固定带。
优选地，所述气压形成机构为所述膝关节柔性执行机构提供正压和负压的气压动力源；
在人跨步时，当落地脚踏在气压形成机构上，脚下气压形成机构的压板受人的自重作用沿复合基板上的光杆向下运动压缩气囊组件，气囊组件中气体被挤压进入该侧腿的膝关节柔性执行机构中的气囊中，气囊压力不断增大，形成使膝关节伸展的转矩，辅助小腿完成伸直的动作；
当脚抬起时，由于不受体重的作用，气压形成机构的压板在压缩弹簧的回复力作用下向上反弹，气囊由于无压力作用，加上膝关节柔性执行机构中扭力弹簧扭转力作用，被压缩到膝关节柔性执行机构气囊的气体将迅速回流到气压 形成机构的气囊中，实现两者气压的平衡，形成使膝关节弯曲的转矩，辅助小腿完成弯曲和迈步的动作。
优选地，所述的气囊组件包括楔形橡胶内胆和尼龙保护套。
优选地，所述的压缩弹簧、两端有螺纹的光杆以及防脱螺母构成弹簧组件；复合基板和压板在后端通过弹簧组件限位，主要作用是使压板沿着固定在复合基板上的光杆做固定轨迹的上下往复运动，并且能够在气压形成机构受踩压时将人的一部分重力势能存储为弹性势能，并在气压形成机构不受外力时将存储的弹性势能释放，将气压形成机构的压板和复合基板弹开，促进气压形成机构的气囊气压回流。
优选地，所述的弹性固定带采用尼龙材料制成，通过铆钉固定在所述气压形成机构的压板上。
优选地，所述的气管采用PVC软管或者硅胶管。
本发明优异的效果是：
1)相比现有技术，本发明便携式柔性行走辅助装备具有不需要外界能量输入的特点：装备采用人的自重作为装备的驱动力，不需要其他外带能源，如：电流、气泵等形式的能量输入，突破了目前一般辅助行走装备，如外骨骼机器人对外带能源的依赖，直接减小了装备的体积和质量，使装备更加地便携。
2)相比现有技术，装备执行部分采用气囊气动驱动和扭力弹簧相结合的柔性驱动方式，气囊气动驱动力与扭力弹簧弹力形成一对作用力和反作用力，二者在人迈步过程中相互补偿，形成提供辅助膝关节伸展和弯曲的转矩。
3)相比现有技术，本装备采用气动和扭力弹簧弹性相结合的驱动方式，结构惯性小，克服了一般腿部助力装备或者外骨骼机器人等刚性机构惯性大，容 易造成人膝关节损伤，舒适性差等缺点，提高了装备的安全性和舒适性。
因此，本发明以人的自重为装备的驱动力，不需要其他外部能量输入，克服了目前一般辅助行走装备对外带能源的依赖，直接减小了装备的体积和质量，提高了装备的便携性。另外,本发明在人行走过程中，由于气压形成机构的气囊组件与膝关节柔性执行机构的气囊形成闭合回路，依靠自重双脚交替压缩脚底气压形成机构的气囊组件，使膝关节柔性执行机构的气囊压强快速增大或减小，膝关节柔性执行机构中的气囊气动驱动和扭力弹簧配合形成一对作用力与反作用，产生辅助膝关节弯曲、伸展的转矩，达到辅助老年人和下肢部分失能患者行走的目的，并且可以帮助老年人和下肢部分失能患者改善肌肉活力，提高他们的自理能力和健康状况。
附图说明
图1是本发明的便携式柔性行走辅助装备的组成图。
图2是图1中的膝关节柔性执行机构组成图。
图3是图1中的膝关节柔性执行机构中扭力弹簧的安装图。
图4是图1中的气压形成机构组成图。
其中各附图标记含义如下：
1.膝关节柔性执行机构；2.气压形成机构；3.柔性固定带；4.气管；
101.气囊；102.大腿固定板；103.小腿固定板；104.扭力弹簧保护盖；105.扭力弹簧压板；106.紧固件；107.扭力弹簧；108.转轴；109.轴承；110.扭力弹簧固定件；
201.气囊组件；202.压板；203.复合基板；204.铰链；205.防滑橡胶垫；206.橡胶垫；207.光杆；208.压缩弹簧；209.防脱螺母；210.弹性固定带。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施案例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
如图1所示，适用于下肢运动能力下降人群的便携式柔性行走辅助装备，该装备主要由膝关节柔性执行机构1、气压形成机构2、柔性固定带3以及气管4等组成。
如图2-3所示，膝关节柔性执行机构中包括气囊101、大腿固定板102、小腿固定板103、扭力弹簧保护盖104、扭力弹簧压板105、紧固件106、扭力弹簧107、转轴108、轴承109以及扭力弹簧固定件110等。
大腿固定板102和小腿固定板103通过转轴108和轴承109连接，大腿固定板102上有对小腿固定板103的可调节限位台，可根据用户跨步过程中膝关节伸展和弯曲的最大和最小角度进行调整，并通过螺钉紧固件固定，从而实现小腿固定板103绕转轴在固定角度范围内的旋转。扭力弹簧107安装在转轴上108，并通过扭力弹簧压板105、扭力弹簧固定件110以及紧固件106等分别固定在大腿固定板102和小腿固定板103上，然后外部有扭力弹簧保护盖104进行封闭保护。大腿固定板102、小腿固定板103采用高强度碳纤维材料制成，也可采用比刚度较高的镁铝合金金、硬铝合金等材料，分别通过铆钉固定在所述气囊101边缘的TPU高强度复合布安装面上。
所述气囊101采用TPU高强度复合布，经热粘合焊接定型工艺制成横截面为四边形的柱型结构形式，充气后有固定角度，并具有较强的压力。所述气囊101使用时气囊101对应膝盖侧，对应的，大腿固定板102和小腿固定板103在膝关节窝侧。膝关节柔性执行机构主要是依靠气囊101气压与扭力弹簧107扭转力实现辅助膝关节伸展和弯曲的。具体说，气囊101与扭力弹簧107形成一 对作用力和反作用力，当气囊101内的气压不断增大时，可以克服扭力弹簧107的扭转力，由无压力、无固定角度状态逐渐变成180°，也即为膝关节提供伸展的转矩，即辅助膝关节绷直，此时扭力弹簧的扭转力最大。当气囊内压强逐渐变小时，膝关节柔性执行机构主要受扭力弹簧107作用，扭力弹簧受扭转力的作用逐渐恢复到自由位置，为膝关节提供跨步弯曲的转矩。
如图4所示，气压形成机构2主要包括气囊组件201、压板202、复合基板203、铰链204、防滑橡胶垫205、橡胶垫206、光杆207、压缩弹簧208、防脱螺母209、弹性固定带210等。压板202和复合基板203采用铰链连接形式。压板202通过铆钉固定在折页铰链204一端，压板202折页铰链204之间有橡胶垫206。复合基板203通过铆钉固定在折页铰链204的另一端。压板202与复合基板203之间是气囊组件201，气囊组件201由楔形橡胶内胆和尼龙保护套组成。复合基板203下部是防滑橡胶垫205，防滑橡胶垫205形成摩擦面与地面直接接触，起防滑作用。光杆207、压缩弹簧208以及防脱螺母209构成弹簧组件，复合基板203和压板202在后端通过此弹簧组件进行限位，主要作用是使压板202沿着固定在复合基板203上的光杆207做固定轨迹的上下往复运动，并且能够在气压形成机构2受踩压时将人的一部分重力势能存储为弹性势能，并在气压形成机构2不受外力时将存储的弹性势能释放，将气压形成机构2的压板202和复合基板203弹开，促进气压形成机构2的气囊组件201气压回流。弹性固定带210铆接在压板202上，用户可以直接将气压形成机构2穿在脚下，通过弹性固定带210系紧固定。
如图1-4所示，膝关节柔性执行机构1通过柔性固定带3固定在大腿、小腿和膝关节相应的位置上；气压形成机构2通过弹性固定带210系紧固定在脚下。以下在一个跨步周期内对所述发明进行介绍。当右脚落地脚踏在气压形成 机构2上，气压形成机构2的压板202受人的自重作用沿复合基板203上的光杆207向下运动，并压缩所述气囊组件201，所述气囊组件201中的气体受压力作用被挤压进入右腿膝关节柔性执行机构1的气囊101中，气囊101压力迅速增大，由于所述气囊101是经热粘合焊接定型工艺制成的特定角度形式，随着内部的气压逐渐增大，气囊101的上下两部分由无压力无固定角度状态变成180°的固定角度，并具有较强的压力，且能够克服扭力弹簧107的扭转力矩，提供辅助右腿膝关节由弯曲到伸展的转矩，辅助小腿完成伸直的动作。随后，右脚开始抬起跨步，由于迈步后右脚不再受体重的压力作用，所述右脚下气压形成机构2的压板202在压缩弹簧208的回复力作用下向上反弹，气压形成机构2中气囊101由于无压力作用，扭力弹簧107受自身扭转力的作用有逐渐恢复到自由位置的趋势，受到扭力弹簧107扭转力矩作用，膝关节柔性执行机构1气囊101的气体将迅速回流到脚底气压动力组件中气囊，两者实现气压的平衡；同时，扭力弹簧107为整个右腿膝关节柔性执行机构1提供了作用于右腿小腿的弯曲转矩，辅助小腿完成弯曲和迈步动作，然后右脚落地，左脚抬起，左腿膝关节柔性执行机构1和气压形成机构2与右腿膝关节柔性执行机构1和气压形成机构2工作原理一样，从而实现在行走过程中达到辅助用户行走的目的，并且可以帮助用户改善肌肉活力。
以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种便携式柔性行走辅助装备，包括：
膝关节柔性执行机构(1)，是装备作用于左腿和右腿膝关节的转矩柔性执行部件，在跨步过程中为膝关节提供辅助伸展和弯曲的转矩；
气压形成机构(2)，是用于为所述膝关节柔性执行机构(1)提供正压和负压的气压动力源；
柔性固定带(3)，用于将所述膝关节柔性执行机构(1)固定在大腿、膝关节和小腿相应的位置；
气管(4)，是所述气压形成机构(2)与所述膝关节柔性执行机构(1)之间气压输送通道；
其中，在人行走过程中，所述气压形成机构(2)使膝关节柔性执行机构(1)气囊压强快速增大或减小，膝关节柔性执行机构(1)产生辅助膝盖弯曲、伸展的转矩；
所述膝关节柔性执行机构(1)包括气囊(101)、大腿固定板(102)、小腿固定板(103)、扭力弹簧保护盖(104)、扭力弹簧压板(105)、紧固件(106)、扭力弹簧(107)、转轴(108)、轴承(109)以及扭力弹簧固定件(110)。
2.根据权利要求1所述的柔性行走辅助装备，其特征在于：所述气囊(101)使用时对应膝盖侧，随着脚下气压形成机构(2)对所述气囊(101)输入正压增大，所述气囊(101)压强逐渐增大，并可以克服所述扭力弹簧(107)的弹力，由无压力、无固定角度状态变成180°的固定角度，并具有较强的压力，为膝关节提供伸展的转矩，即辅助膝关节绷直，此时扭力弹簧的扭转力最大；当所述气压形成机构(2)对所述气囊(101)没有压力输入作用，所述扭力弹簧(107)受扭转力的作用逐渐恢复到自由位置，为膝关节提供跨步弯曲的转矩，并且受弹簧扭转力作用，气囊(101)内的气压逐渐降低，气囊(101)内的气体开始回流到气压形成机构。
3.根据权利要求2所述的柔性行走辅助装备，其特征在于，所述的气囊(101)采用TPU高强度复合布，经热粘合焊接定型工艺制成横截面为四边形的柱型结构形式。
4.根据权利要求1所述的柔性行走辅助装备，其特征在于，所述的大腿固定板、小腿固定板采用高强度碳纤维材料制成，也可采用比刚度较高的镁铝合金、硬铝合金等材料，分别通过铆钉固定在所述气囊边缘的TPU高强度复合布安装面上。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的柔性行走辅助装备，其特征在于，所述气压形成机构(2)包括气囊组件(201)、压板(202)、复合基板(203)、铰链(204)、防滑橡胶垫(205)、橡胶垫(206)、光杆(207)、压缩弹簧(208)、防脱螺母(209)以及弹性固定带(210)。
6.根据权利要求5所述的柔性行走辅助装备，其特征在于，所述气压形成机构(2)为所述膝关节柔性执行机构(1)提供正压和负压的气压动力源；
在人跨步时，当落地脚踏在气压形成机构(2)上，脚下气压形成机构(2)的压板(202)受人的自重作用沿复合基板(203)上的光杆(207)向下运动压缩气囊组件(201)，气囊组件(201)中气体被挤压进入该侧腿的膝关节柔性执行机构(1)中的气囊(101)中，气囊(101)压力不断增大，形成使膝关节伸展的转矩，辅助小腿完成伸直的动作；
当脚抬起时，由于不受体重的作用，气压形成机构(2)的压板(202)在压缩弹簧(208)的回复力作用下向上反弹，气囊组件(201)由于无压力作用，加上膝关节柔性执行机构(1)中扭力弹簧(107)扭转力作用，被压缩到膝关节柔性执行机构(1)气囊(101)的气体将迅速回流到气压形成机构(2)的气囊组件(201)中，实现两者气压的平衡，形成使膝关节弯曲的转矩，辅助小腿完成弯曲和迈步的动作。
7.根据权利要求5所述的柔性行走辅助装备，其特征在于，所述的气囊组件(201)包括楔形橡胶内胆和尼龙保护套。
8.根据权利要求5所述的柔性行走辅助装备，其特征在于，所述的压缩弹簧(208)、两端有螺纹的光杆(207)以及防脱螺母(209)构成弹簧组件；复合基板(203)和压板(202)在后端通过弹簧组件限位，主要作用是使压板(202)沿着固定在复合基板(203)上的光杆(207)做固定轨迹的上下往复运动，并且能够在气压形成机构(2)受踩压时将人的一部分重力势能存储为弹性势能，并在气压形成机构(2)不受外力时将存储的弹性势能释放，将气压形成机构(2)的压板(202)和复合基板(203)弹开，促进气压形成机构(2)的气囊(101)气压回流。
9.根据权利要求5所述的柔性行走辅助装备，其特征在于，所述的弹性固定带(210)采用尼龙材料制成，通过铆钉固定在所述气压形成机构(2)的压板(202)上。
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