CN106420280B - 一种减轻下肢关节负载及测量支撑力的外骨骼装置 - Google Patents
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Abstract
一种减轻下肢关节负载及测量支撑力的外骨骼装置，包括座椅机构、大腿机构、膝关节机构、小腿机构和鞋套机构，大腿机构与座椅机构活动连接，膝关节机构连接大腿机构和小腿机构，鞋套机构与小腿机构安装连接，所述膝关节机构包括膝关节上连接板、膝关节内板、膝关节外板和膝关节下连接板，膝关节上连接板上部与大腿机构固定连接、下部与膝关节内板固定连接，膝关节下连接板上部与膝关节外板固定连接、下部与小腿机构固定连接，膝关节内板上设有第一曲线槽和第二曲线槽，膝关节外板上设有活动卡装在第一曲线槽内的第一曲线轴和活动卡装在第二曲线槽内的第二曲线轴。本发明能够减轻下肢关节支撑人体时的负载力，以及测量支撑力的大小。
Description
技术领域
本发明属于医疗辅助器械领域和运动装备器械领域，尤其涉及一种减轻下肢关节负载并可测量支撑力的外骨骼装置。
背景技术
随着社会老龄化的日益加剧和不健康的生活方式导致肥胖比例的快速上升，人体的髋关节炎、膝关节炎和踝关节炎等下肢骨性关节炎疾病发病率逐年增高，并呈现年轻化的趋势，极大影响了患者的正常生活和行动，给家庭带来了沉重的康复和经济负担。下肢骨性关节炎的发病机制复杂，其中，关节过度受力是一个重要原因。下肢各关节在人体行走过程中支撑了人体体重和行走时的动态力，各关节内部存在滚动、滑动、扭动等复杂运动，过度受力导致了关节过度地摩擦、磨损，破坏了关节的软组织结构，加速了关节炎的病变，造成患者关节疼痛和步态异常。为了预防和康复下肢骨性关节炎，一个重要的手段是利用和人体同步行走的下肢外骨骼装置，在步态支撑相支撑人体体重、在步态摆动相跟随人体运动，减轻下肢关节支撑人体时的负载力，减小患者行走时的疼痛感，同时测量支撑力，定量化记录使用效果，评价人体舒适感。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种减轻下肢关节负载的外骨骼装置，能够减轻下肢负载并且可检测支撑力大小。
为了解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：
一种减轻下肢关节负载及测量支撑力的外骨骼装置，包括座椅机构、大腿机构、膝关节机构、小腿机构和鞋套机构，大腿机构与座椅机构活动连接使大腿机构朝向人体冠状面运动，膝关节机构连接大腿机构和小腿机构，鞋套机构与小腿机构安装连接，所述膝关节机构包括膝关节上连接板、膝关节内板、膝关节外板和膝关节下连接板，膝关节上连接板上部与大腿机构固定连接、下部与膝关节内板固定连接，膝关节下连接板上部与膝关节外板固定连接、下部与小腿机构固定连接，膝关节内板上设有第一曲线槽和第二曲线槽，膝关节外板上设有活动卡装在第一曲线槽内的第一曲线轴和活动卡装在第二曲线槽内的第二曲线轴。
所述第一曲线槽位于第二曲线槽的上方，并且该第一曲线槽的长度小于第二曲线槽的长度。
所述第一曲线槽和第二曲线槽均设为弧形状。
所述小腿机构包括小腿上杆、小腿外杆、小腿绑带、小腿内杆、空气弹簧和力传感器，小腿上杆上部与膝关节下连接板固定连接，下部与小腿外杆固定连接，小腿内杆上部与小腿外杆安装连接，小腿绑带固定在小腿外杆上，空气弹簧上部与小腿内杆固定连接，力传感器装接在空气弹簧的下端。
所述小腿内杆上部插装入小腿外杆内与该小腿外杆卡合安装，空气弹簧上部伸入小腿内杆中固定安装。
所述鞋套机构包括L型鞋底板、连接板、弹簧连接筒、足外侧尼龙搭扣、足后跟尼龙搭扣和足背尼龙搭扣，足外侧尼龙搭扣、足后跟尼龙搭扣和足背尼龙搭扣均安装在鞋底板上，连接板与鞋底板外侧面固定连接，弹簧连接筒与该连接板安装连接，该弹簧连接筒套装在空气弹簧下部。
所述连接板与弹簧连接筒之间设有合页铰链，该合页铰链的一侧和连接板固定连接，该合页铰链的另一则与弹簧连接筒活动连接。
所述座椅机构包括弧形导轨座椅、滑块、弧形坐垫和腰部绑带，滑块活动套装在弧形导轨座椅上沿该弧形导轨座椅来回滑动，腰部绑带固定装在坐垫上，坐垫安装在弧形导轨座椅上，大腿机构与滑块活动连接。
所述大腿机构包括大腿上杆、大腿杆、大腿绑带和大腿下杆，大腿上杆上部与座椅机构活动连接、下部与大腿杆固定连接，大腿绑带固定在大腿杆上，大腿下杆上部与大腿杆固定连接、下部与膝关节上连接板固定连接，大腿上杆与滑块活动连接。
所述滑块上设有连接槽，大腿上杆上部插装入该连接槽内并通过销轴安装，该大腿上杆在连接槽内以该销轴为转动轴沿人体冠状面运动。
本发明装置供人体穿戴使用时，在步态支撑相，外骨骼支撑人体部分体重，减轻下肢关节支撑人体时的负载力，减小髋关节、膝关节、踝关节的内部受力，减小关节内部的摩擦磨损和肌肉疲劳，减轻下肢骨关节炎患者行走时的疼痛感，能够有效预防和康复下肢骨关节炎患者，并利用力传感器检测支撑力的大小，定量化记录使用效果，评价人体舒适感。在步态摆动相，外骨骼由人体带动跟随人体同步运动，并不影响人体正常的行走。
附图说明
附图1为本发明立体结构示意图；
附图2为本发明座椅机构立体结构示意图；
附图3为本发明大腿机构立体结构示意图；
附图4为本发明膝关节立体结构示意图；
附图5为本发明膝关节分解状态示意图；
附图6为本发明小腿机构立体结构示意图；
附图7为本发明鞋套机构立体结构示意图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图对本发明作进一步的描述。
如附图1、4和5所示，本发明揭示了减轻下肢关节负载及测量支撑力的外骨骼装置，包括座椅机构1、大腿机构2、膝关节机构3、小腿机构4和鞋套机构5，大腿机构2与座椅机构1活动连接使大腿机构2朝向人体冠状面运动，膝关节机构3连接大腿机构2和小腿机构4，鞋套机构5与小腿机构4安装连接，所述膝关节机构3包括膝关节上连接板301、膝关节内板302、膝关节外板305和膝关节下连接板308，膝关节上连接板301上部与大腿机构2固定连接、下部与膝关节内板302固定连接，膝关节下连接板308上部与膝关节外板305固定连接、下部与小腿机构4固定连接，膝关节内板302上设有第一曲线槽303和第二曲线槽304，膝关节外板305上设有活动卡装在第一曲线槽303内的第一曲线轴306和活动卡装在第二曲线槽304内的第二曲线轴307。该第一曲线轴和第二曲线轴分别在第一曲线槽和第二曲线槽内来回移动，从而实现膝关节内板和膝关节外板之间的相对转动。当人体行走处于支撑相时，外骨骼中的膝关节处于极限伸直状态，支撑人体重力；当人体行走处于摆动相时，外骨骼中的膝关节机构跟随人体膝关节自由屈曲转动。
第一曲线槽303位于第二曲线槽304的上方，并且该第一曲线槽的长度小于第二曲线槽的长度。并且第一曲线槽和第二曲线槽均设为弧形状。
如附图6所示，小腿机构4包括小腿上杆401、小腿外杆402、小腿绑带403、小腿内杆404、空气弹簧405和力传感器406，小腿上杆401上部与膝关节下连接板308固定连接、下部与小腿外杆402固定连接，小腿内杆404上部与小腿外杆402安装连接，小腿绑带403固定在小腿外杆402上，空气弹簧405上部与小腿内杆404固定连接，力传感器406装接在空气弹簧405的下端。优选地，小腿内杆404上部插装入小腿外杆402内与该小腿外杆402卡合安装，可实现小腿外杆与小腿内杆之间的伸缩调节，实现长度可调的目的，扩大适用范围，空气弹簧405上部伸入小腿内杆404中固定安装。小腿绑带绑住人体小腿。空气弹簧在小腿机构支撑人体部分体重时长度压缩，压缩后产生的力支撑人体部分体重，力传感器的底端接触地面，可以测量支撑力的大小。
如附图7所示，鞋套机构5包括L型鞋底板501、连接板502、弹簧连接筒504、足外侧尼龙搭扣505、足后跟尼龙搭扣506和足背尼龙搭扣507，足外侧尼龙搭扣505、足后跟尼龙搭扣506和足背尼龙搭扣507均安装在鞋底板501上，连接板502与鞋底板501外侧面固定连接，弹簧连接筒504与该连接板安装连接，该弹簧连接筒504套装在空气弹簧405下部。连接板502与弹簧连接筒504之间设有合页铰链503，该合页铰链503的一侧和连接板502固定连接，该合页铰链503的另一则与弹簧连接筒504活动连接，从而使得弹簧连接筒504通过合页铰链能够相对于连接板502转动，实现人体踝关节相对于外骨骼的屈伸运动，合页铰链增加踝关节外展/内收的自由度，空气弹簧套在弹簧连接筒内增加了踝关节外旋/内旋的自由度和直线运动的自由度，符合人机工程学的要求。足外侧尼龙搭扣、足后跟尼龙搭扣和足背尼龙搭扣之间尼龙搭扣粘贴的连接具有方便、柔软、稳定可靠的特点。
如附图2所示，座椅机构1包括弧形导轨座椅101、滑块102、弧形坐垫104和腰部绑带105，滑块102活动套装在弧形导轨座椅101上沿该弧形导轨座椅101来回滑动，腰部绑带105固定装在坐垫104上，坐垫104安装在弧形导轨座椅101上，大腿机构2与滑块102活动连接。使用时人体就座在坐垫上，腰部绑带沿着人体外侧腰部扣住人体腰部，滑块滑动时的转动中心恰好是人体髋关节的转动中心，，实现髋关节矢状面的屈曲/伸直，这具有穿戴舒适、符合人机工程学的特点。
如附图3所示，大腿机构2包括大腿上杆201、大腿杆202、大腿绑带203和大腿下杆204，大腿上杆201上部与座椅机构1的滑块103活动连接、下部与大腿杆202固定连接，大腿绑带203固定在大腿杆202上，大腿下杆204上部与大腿杆202固定连接、下部与膝关节上连接板301固定连接。大腿上杆与大腿杆之间可设为可伸缩结构，能够调节长度。通过大腿杆与U型滑块连接槽之间的转动连接，使得大腿杆能够朝向冠状面运动，实现髋关节外展/内收。大腿绑带绑住人体大腿。
所述滑块102上设有连接槽103，大腿上杆201上部插装入该连接槽103内并通过销轴安装，该大腿上杆201在连接槽103内以该销轴为转动轴沿人体冠状面运动。
本发明使用时，外骨骼装置跟随人体下肢一起行走：当下肢的足部压在地面上时，下肢处于支撑相，外骨骼中的膝关节机构处于极限伸直状态，空气弹簧压缩产生支撑力，支撑人体部分体重，力传感器的底端接触地面，可测量支撑力的大小。当下肢的足部离开地面时，下肢处于摆动相，空气弹簧恢复原长，外骨骼膝关节机构屈曲并跟随人体膝关节自由转动。
需要说明的是，以上所述并非是对本发明技术方案的限定，在不脱离本发明的创造构思的前提下，任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种减轻下肢关节负载及测量支撑力的外骨骼装置，包括座椅机构、大腿机构、膝关节机构、小腿机构和鞋套机构，大腿机构与座椅机构活动连接使大腿机构朝向人体冠状面运动，膝关节机构连接大腿机构和小腿机构，鞋套机构与小腿机构安装连接，其特征在于，所述膝关节机构包括膝关节上连接板、膝关节内板、膝关节外板和膝关节下连接板，膝关节上连接板上部与大腿机构固定连接、下部与膝关节内板固定连接，膝关节下连接板上部与膝关节外板固定连接、下部与小腿机构固定连接，膝关节内板上设有第一曲线槽和第二曲线槽，膝关节外板上设有活动卡装在第一曲线槽内的第一曲线轴和活动卡装在第二曲线槽内的第二曲线轴，所述第一曲线槽位于第二曲线槽的上方，并且该第一曲线槽的长度小于第二曲线槽的长度，所述第一曲线槽和第二曲线槽均设为弧形状；
所述小腿机构包括小腿上杆、小腿外杆、小腿绑带、小腿内杆、空气弹簧和力传感器，小腿上杆上部与膝关节下连接板固定连接，下部与小腿外杆固定连接，小腿内杆上部与小腿外杆安装连接，小腿绑带固定在小腿外杆上，空气弹簧上部与小腿内杆固定连接，力传感器装接在空气弹簧的下端。
2.根据权利要求1所述的减轻下肢关节负载及测量支撑力的外骨骼装置，其特征在于，所述小腿内杆上部插装入小腿外杆内与该小腿外杆卡合安装，空气弹簧上部伸入小腿内杆中固定安装。
3.根据权利要求2所述的减轻下肢关节负载及测量支撑力的外骨骼装置，其特征在于，所述鞋套机构包括L型鞋底板、连接板、弹簧连接筒、足外侧尼龙搭扣、足后跟尼龙搭扣和足背尼龙搭扣，足外侧尼龙搭扣、足后跟尼龙搭扣和足背尼龙搭扣均安装在鞋底板上，连接板与鞋底板外侧面固定连接，弹簧连接筒与该连接板安装连接，该弹簧连接筒套装在空气弹簧下部。
4.根据权利要求3所述的减轻下肢关节负载及测量支撑力的外骨骼装置，其特征在于，所述连接板与弹簧连接筒之间设有合页铰链，该合页铰链的一侧和连接板固定连接，该合页铰链的另一侧与弹簧连接筒活动连接。
5.根据权利要求4所述的减轻下肢关节负载及测量支撑力的外骨骼装置，其特征在于，所述座椅机构包括弧形导轨座椅、滑块、弧形坐垫和腰部绑带，滑块活动套装在弧形导轨座椅上沿该弧形导轨座椅来回滑动，腰部绑带固定装在坐垫上，坐垫安装在弧形导轨座椅上，大腿机构与滑块活动连接。
6.根据权利要求5所述的减轻下肢关节负载及测量支撑力的外骨骼装置，其特征在于，所述大腿机构包括大腿上杆、大腿杆、大腿绑带和大腿下杆，大腿上杆上部与座椅机构活动连接、下部与大腿杆固定连接，大腿绑带固定在大腿杆上，大腿下杆上部与大腿杆固定连接、下部与膝关节上连接板固定连接，大腿上杆与滑块活动连接。
7.根据权利要求6所述的减轻下肢关节负载及测量支撑力的外骨骼装置，其特征在于，所述滑块上设有连接槽，大腿上杆上部插装入该连接槽内并通过销轴安装，该大腿上杆在连接槽内以该销轴为转动轴沿人体冠状面运动。
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