CN107184373B - 康复助行辅具 - Google Patents

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Abstract

一种康复助行辅具包括：外骨骼框架，穿戴在穿戴者的小腿和足部上；弹性储能器，一端固定在外骨骼框架上，在行走的过程中可以储存和释放能量，以减少肌力需求并降低行走能量消耗；离合器，固定在外骨骼框架上并且其一端与弹性储能器的另一端连接；以及传感器，该传感器与离合器的另一端连接，用于感知足底受到压力信息并以此控制离合器，其中，传感器将所感测的信号传递给离合器，离合器基于所接受到的信号来控制弹性储能器的能量储存释放时机，使其与穿戴者的步态配合。该康复助行辅具能降低人行走过程中的最大肌力需求和能量消耗，可以使力量衰弱的老年人更长时间行走，也可以帮助其他腿部力量虚弱的伤病患者进行康复行走训练。

Description

康复助行辅具
技术领域
本发明涉及一种康复助行辅具,可以帮助腿部肌力衰弱的老年人和伤病人群行走和进行康复训练。属于康复辅助技术领域。
背景技术
当人进入老年阶段，腿部的肌力会大幅下降，从而使老年人不愿意进行户外行走运动，并进一步导致他们各方面生理机能的下降。目前，我国60岁以上老年人的数量已经达到2.3亿，老龄化的社会问题也日益突出。利用康复助行辅具可以降低人行走的肌力和能量需求，使老年人更积极的参与户外运动，延缓衰老过程，减轻家庭和社会的负担。
外骨骼式康复助行辅具是目前的研究热点，但大多数产品都使用电机助力系统，由助行辅具带动人体一起移动。这些产品价格昂贵、形体笨重、穿戴不便，比较适用于完全失去行走能力的重症病人，例如截瘫患者。而本发明的助行辅具价格低、重量轻、易穿戴，适用于大多数的老年人以及轻度偏瘫和腿部疾病患者。
人体运动是由神经系统驱动肌肉，肌肉拉动肌腱，肌腱再带动骨骼，从而导致整个身体的运动。其中肌肉的生物力学模型包括弹性组织和由神经控制的收缩元；肌腱只包括带有一些阻尼的弹性组织。
另外，人体在运动过程中会消耗体内存储的生物能，而转化为肌肉所做的功、肌腱所具有的势能以及人体的动能和势能；这些由生物能产生的功和能量可以互相转化，但因为肌肉收缩元和肌腱阻尼的因素，最后都成为热能。其中肌肉所做的功可以分为正功和负功，其中正功为肌肉消耗生物能而做的机械功，而负功为肌肉消耗生物能而吸收的机械功。肌肉在等长收缩时，也会消耗能量。肌肉工作的机械效率(η)是完成的机械功(W)与消耗的总能量(E)的比率：正功约为0.25、而负功约为-1.2。
发明内容
本发明的目的是提供一种康复助行辅具，其能够克服上述现有技术的某种或某些问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种适于帮助行动不便者行走的康复助行辅具，该康复助行辅具包括：
外骨骼框架，穿戴在穿戴者的小腿和足部上；
弹性储能器，一端固定在外骨骼框架上，在行走的过程中可以储存和释放能量，以减少肌力需求并降低行走能量消耗；
离合器，固定在外骨骼框架上并且其一端与弹性储能器的另一端连接；以及
传感器，该传感器与离合器的另一端连接，用于感知足底受到压力信息并以此控制离合器，
其中，传感器将所感测的信号传递给离合器，离合器基于所接受到的信号来控制弹性储能器的能量储存释放时机，使其与穿戴者的步态配合。
该康复助行辅具能降低人行走过程中的最大肌力需求和能量消耗，可以使力量衰弱的老年人更长时间行走，也可以帮助其他腿部力量虚弱的伤病患者进行康复行走训练。
根据本发明，该康复助行辅具包括外骨骼框架、弹性储能器、离合器和传感器，其中外骨骼框架固定在穿戴者的小腿和脚部上，为其它部件提供支撑；弹性储能器用于储存行走过程中浪费的能量，并在需要的时候转换为行走的动力；离合器用于通过“离”和“合”两个状态控制弹性储能器储存和释放能量的时间；传感器贴在足底并连接到离合器，通过感知足底的压力信号并将其转化为电子信号，并以此控制离合器“离”和“合”的时机，进而使能量储存和释放能量的时机与步态配合。
根据另一个具体实施例，外骨骼框架包括小腿框架和脚架，小腿框架与脚架被弹性铰接在一起。小腿框架卡接在穿戴者的小腿上并且脚架放置在穿戴者的脚部，小腿框架与脚架通过橡胶材质弹性铰链连接在一起。根据另一个具体实施例，脚架包括向后突出到脚踝的杆臂，离合器通过杆臂与传感器的导线连接。根据这些具体实施例，能够通过简单的结构来固定离合器，从而不影响穿戴者腿部的运动。
根据一个具体实施例，弹性储能器平行于小腿腓肠肌放置，并且与小腿框架连接。弹性储能器是储能弹簧，储能弹簧由中级刚度的弹性材料制成。储能弹簧使用中级刚度的弹性材料用于替代部分腓肠肌的功能工作，从而降低人体代谢能量消耗。对不同的人，选取不同的弹性材料测试。随着储能弹簧刚度的增加，代谢率先降低然后升高，证明了中间刚度的储能弹簧是最合适的。弹性材料的回弹可以形成最大反向机械能的爆发。
离合器的控制需要做到：在足跟落地时，储能系统处于自由状态；当脚尖着地是，离合器闭合，使内部储能弹簧系统收紧但没有拉伸；当身体前倾时，身体重心下降，同时储能弹簧系统拉伸储能，部分重力势能转化为弹性势能并储存在弹簧系统之中；在抬脚行走时，弹性势能释放辅助行走；之后离合器打开，储能弹簧系统再次回到放松状态，对行走过程不产生影响；直到脚跟落地后，再次收紧，为下一次储能做准备。
根据一个具体实施例，传感器为电阻式压力传感器，并且包括转换器，该转换器能够将所采集的电阻信号转化为电压信号，并且通过电压信号控制电子离合器，有压力信号时，离合器闭合，弹性储能器两端处于受约束状态，从而可以在拉伸时储存能量；而在无信号的状态下，弹性储能器的约束放开而处于自由状态。在电阻式压力传感器中，金属粒子分布在弹性基质中压力作用时，金属粒子间距变小，电子在金属粒子间发生转移，从而便有了导电性电阻大小取决于所施加的压力，柔性薄膜网格状触觉压力传感器属于电阻式压力传感器当外力作用于传感器时，其电阻值随外力成比例变化，压力越大，电阻值越小。该传感器的优点在于传感点多，灵敏性高，能够准确检测出脚掌与鞋底初步接触和脚掌离开鞋底瞬间的压力变化，这对步态状态(如起步、落下)的分析是十分有帮助。
根据一个具体实施例，压力传感器为薄膜压力传感器，该薄膜压力传感器的传感有效区域是压力传感器的末端的直径为0.95cm的圆。
优选地，在足底部放置三个压力传感器，分别置于前脚掌两侧和后脚跟，以便更精确的感知足底和地面的接触时间，从而准确判断步态的规律。
在一个具体实施例中，弹性储能器平行于穿戴者的小腿放置。选择合适的个性化储能装置可以降低人体代谢能量消耗和行走肌力需求。
优选地，设置有三个弹性模量不同的弹簧(或选用能改变弹性系数的弹性尼龙带)，与离合器相连接。所述三个弹簧相互平行放置。通过设置三个弹性模量不同的弹簧，能针对不同的穿戴者需要穿戴。
优选地，外骨骼框架包括小腿框架和脚架，小腿框架卡接在穿戴者的小腿上，并且脚架放置在穿戴者的足底，小腿框架与脚架通过橡胶材质弹性铰链连接。脚架包括两个向后突出到脚踝的杆臂，两个电子离合器分别连接到这两个杆臂上。根据该实施例，能够使得整体构造简单，操作可靠。
为实现上述目的，本发明还可以采用以下技术方案：
1、一种康复助行辅具，包括：薄膜压力传感器，利用该薄膜压力传感器将实时采集得到电阻信号转化成电压信号；电子离合器，基于所述电压信号，控制弹簧的伸缩以达到与步态同步，在无信号状态下自然恢复弹簧的初始状态。
2、足底部放置三个压力传感器，分别置于前脚掌两侧和后脚跟，以便更精确的感知足底和地面的接触时间，从而准确判断步态的时间轴。进一步地，压力传感器为电阻式压力传感器，其特征在于，金属粒子分布在弹性基质中压力作用时，金属粒子间距变小，电子在金属粒子间发生转移，从而便有了导电性电阻大小取决于所施加的压力，柔性薄膜网格状触觉压力传感器属于电阻式压力传感器当外力作用于传感器时，其电阻值随外力成比例变化，压力越大，电阻值越小。
3、压力传感器传感的有效区域是传感器末端的直径为0.95cm的圆，引出两个银线作为导线。
4、薄膜压力传感器的导线与电子离合器的接口相连，所述导线传递过来的电压信号控制弹簧的伸缩。
5、该康复助行辅具包括薄膜压力传感器、电子离合器、弹簧和柔性体外骨骼框架。所述柔性体外骨骼框架设计包括刚性碳纤维小腿框架和脚架。小腿框架卡住膝盖之下的小腿，小腿框架与脚架通过橡胶材质弹性铰链连接；两个突出的杆臂的孔分别与三个弹簧，压力传感器的导线相连。所述的电子离合器通过杆臂的孔与薄膜压力传感器的导线相连。
6、参与者需穿戴该辅具在跑步机上进行康复训练。
本发明的有益效果如下：
本发明所述技术方案电子离合器和薄膜压力传感器相结合的康复助行辅具，辅具体积小、穿戴方便，价格低廉。
除非明显抵触，本发明的不同实施例所涉及的特征可以相互组合。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；
图1示出了根据本发明的康复助行辅具的一种实施方式的示意图；
图2示出了根据本发明的三个压力感应器在足底的摆放位置；
图3示出了根据本发明的薄膜压力传感器的示意图；
图4示出了根据本发明的薄膜压力传感器的工作过程示意图；
图5示出了根据本发明的康复助行辅具的另一种实施方式的示意图。
附图标号
21、薄膜压力传感器的导线；121、杆臂；3、电子离合器；4、弹簧；11、刚性碳纤维小腿框架；211、尼龙搭扣；13、橡胶材质弹性铰链；12、脚架。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。
本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
如图1所示，示出了根据本发明的一种电子离合器和薄膜压力传感器相结合的康复助行辅具，该康复助行辅具包括：可穿戴式的外骨骼框架1；设置在外骨骼框架1上的薄膜压力传感器2，该薄膜压力传感器2用于根据脚部所经受的压力而实时产生电阻信号；与薄膜压力传感器2相连接的电子离合器3；以及与电子离合器3相连接的弹簧4，该弹簧4的另一端连接到杆臂121上。
进一步如图1所示中，外骨骼框架1于固定支撑在穿戴者的小腿和脚部上，并且包括刚性碳纤维小腿框架11和脚架12。小腿框架11卡接在穿戴者的小腿上并且脚架12设置在穿戴者的脚部，小腿框架11与脚架12通过橡胶材质弹性铰链13连接，橡胶材质弹性铰链13位于与穿戴者的脚踝相当的位置处。脚架12包括向后突出到脚踝的杆臂121，电子离合器3通过该杆臂121与压力传感器2连接。
如图2所示，示出了袜子底部采用缝织技术加入三个压力感应器，并分别摆放于脚掌两侧12a，12b、后脚跟12c，以纪录三个区域的脚底施压区域。采用的传感器类型为电阻式，并且该薄膜压力传感器2包括转换器，从而能够将实时采集得到电阻信号转化成电压信号，并且能够将电压信号传递给电子离合器3。
如详细地示出了根据本发明的薄膜压力传感器2的图3所示，该薄膜压力传感器2总体上为长条状，包括位于一端的传感有效区域22以及从该传感有效区域22引出的两条导线21，这两条导线21与电子离合器3的接口相连接，并且他们传递过来的电压信号能够控制弹簧4的伸缩。
薄膜压力传感器2的传感有效区域22，薄膜压力传感器2的末端的直径为0.95cm的圆。
薄膜压力传感器2的工作原理是：金属粒子分布在弹性基质中压力作用时，金属粒子间距变小，电子在金属粒子间发生转移，从而便有了导电性电阻大小取决于所施加的压力，柔性薄膜网格状触觉压力传感器属于电阻式压力传感器当外力作用于传感器时，其电阻值随外力成比例变化，压力越大，电阻值越小。
电子离合器3基于所接受到的电压信号来控制弹簧4的伸缩以达到与穿戴者的步态同步，而在无电压信号的状态下，弹簧4能够恢复到自然初始状态。
弹簧4为拉伸弹簧并且平行于穿戴者的小腿放置。
如图4所示，示出了本发明的薄膜压力传感器的工作过程示意图。薄膜压力传感器2产生电阻信号，并且通过转换器将电阻信号转化为电压信号。当有电压存在时，电子离合器3接合，从而弹簧4的两端固定而可以进行拉伸。当不存在电压时，电子离合器3断开，从而弹簧4的一端自由而处于不受压力的状态。
本发明所述康复助行辅具的工作原理：薄膜压力传感器2将电阻信号通过转换器转换为电压信号，当人行走脚跟离地准备迈步时，薄膜压力传感器2检测有电压，电子离合器3合上控制弹簧4两端固定可以拉伸；当人行走脚水平接触地面时，薄膜压力传感器2检测无电压，电子离合器3离开控制弹簧4的一端自由处于不受力状态。
图5示出了根据本发明的康复助行辅具的另一种实施方式的示意图。
图5中设置有三个弹性模量不同的弹簧4a，4b，4c与电子离合器3相连接。所述三个弹簧相互平行放置。通过设置三个弹性模量不同的弹簧，能针对不同的穿戴者需要穿戴。
其中弹簧4a为弹性模量最大，弹簧4b，4c弹性模量数值依次为弹簧4a的1/2，1/4，能满足不同穿戴者需要。
本发明所述康复助行辅具穿戴过程：用户将袜子底部采用缝织技术加入薄膜压力传感器三个薄膜压力传感器，并分别摆放于脚掌两侧12a、12b，后脚跟12c，以纪录三个区域的脚底施压区域。薄膜压力传感器2的导线21插在电子离合器3的接口上，然后将柔性体外骨骼框架1插进运动鞋中。穿戴者将脚放入运动鞋中，尼龙搭扣211固定好位置，系好鞋带，在跑步机上行走。当行走时，脚水平接触地面时薄膜传感器2传递电压信号给电子离合器3，从而拉伸弹簧4储存能量；脚跟离地准备迈步时薄膜传感器2传递电压信号给电子离合器3，从而压缩弹簧4释放能量。
综上所述，本发明所述技术方案是基于电子离合器3和薄膜压力传感器2相结合的康复助行辅具，训练系统体积小携带方便，简单易行，节省了人力物力的消耗。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (6)

1.一种适于帮助行动不便者进行行走的康复助行辅具，该康复助行辅具包括：
外骨骼框架，穿戴在穿戴者的小腿和足部上；
弹性储能器，一端固定在外骨骼框架的穿戴在穿戴者的小腿的部分上，并且在行走过程中可以储存和释放能量，以减少肌力需求并降低行走能量消耗；
离合器，固定在外骨骼框架上并且其一端与弹性储能器的另一端连接；以及
传感器，该传感器与离合器的另一端连接，用于感知足底受到压力信息并以此控制离合器，
其中，传感器将所感测的信号传递给离合器，离合器基于所接受到的信号来控制弹性储能器的能量储存释放时机，使其与穿戴者的步态配合。
2.根据权利要求1所述的康复助行辅具，其中，外骨骼框架包括小腿框架和脚架，小腿框架与脚架被弹性铰接在一起。
3.根据权利要求2所述的康复助行辅具，其中，弹性储能器平行于小腿腓肠肌放置，并且与小腿框架连接。
4.根据权利要求3所述的康复助行辅具，其中，弹性储能器是储能弹簧，并且储能弹簧由中级刚度的弹性材料制成。
5.根据权利要求1所述的康复助行辅具，传感器为电阻式压力传感器，并且包括转换器，转换器能够将所采集的电阻信号转化为电压信号，并且将电压信号传递给离合器，有压力信号时，离合器闭合，弹性储能器两端处于受约束状态，从而可以在拉伸时储存能量；而在无信号的状态下，弹性储能器的约束放开而处于自由状态。
6.根据权利要求2所述的康复助行辅具，其中，脚架包括向后突出到脚踝的杆臂，离合器通过该杆臂与传感器的导线连接。
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