CN107433570B - 穿戴式下肢外骨骼助行装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种穿戴式下肢外骨骼助行装置，其具有行走模式和坐具模式。本发明可在行走模式与坐具模式间切换，行走模式下使用下肢外骨骼能够在所有地形上行走移动，在穿戴者需要坐下休息时可以随时坐下。

Description

穿戴式下肢外骨骼助行装置

技术领域

本发明涉及一种穿戴式下肢外骨骼助行装置，具体涉及一种具有行走模式和坐具模式的穿戴式下肢外骨骼助行装置。

背景技术

近年来，穿戴式下肢外骨骼助行装置已经得到了快速的发展。一般地，穿戴式下肢外骨骼助行装置被穿戴者穿戴在下肢上，形成对穿戴者下肢的有效支撑。其既可以配置有助动装置，用于例如辅助健康人行走，也可以配置有主动驱动装置，甚至可以用于帮助完全或部分失去下肢运动功能的患者行走。

对于穿戴着穿戴式下肢外骨骼助行装置的穿戴者来讲，当其行走或久站之后希望坐下休息时，如何实现方便地坐下休息是个问题。为了坐下休息脱去下肢外骨骼并在休息后再将其穿戴上是麻烦的。如果穿戴者不脱去下肢外骨骼，随时找到合适的座位将成为问题。

申请号为201410705631.3的发明设计了一种穿戴式外骨骼座椅，所设计外骨骼座椅包括上端支架、下端支架和支撑结构。当穿戴者需要坐下休息时，可以通过该外骨骼的弯曲，套在关节连接环的小腿会向上移动，使得脚撑接触地面提供支撑点，从而完成坐状态。该座椅的坐状态存在稳定性问题，脚部无法完全放松，并且该座椅没有助行作用，其支撑结构阻碍大小腿的正常弯曲，对行走有一定的限制作用。

需要能够使得穿戴者可以随时坐下休息的穿戴式外骨骼助行装置。

发明内容

为实现上述目的，本发明采用的技术方案包括：

一种穿戴式下肢外骨骼助行装置，其特征在于，所述穿戴式下肢外骨骼助行装置具有行走模式和坐具模式，包括：

脚部外骨骼；

小腿外骨骼，其通过踝关节部转动连接至所述脚部外骨骼；

大腿外骨骼，其通过膝关节部转动连接至所述小腿外骨骼；

髋部外骨骼，其通过髋关节部转动连接至所述大腿外骨骼，所述髋部外骨骼包括坐具面，并连接至坐具支架；和

踝关节部锁定部件、膝关节部锁定部件和髋关节部锁定部件；

当处于行走模式时，所述脚部外骨骼、小腿外骨骼、大腿外骨骼和髋部外骨骼形成下肢外骨骼助行装置，并且

当处于坐具模式时，所述踝关节部、膝关节部、髋关节部的转动分别被踝关节部锁定部件、膝关节部锁定部件和髋关节部锁定部件锁定，所述坐具支架、所述小腿外骨骼、所述脚部外骨骼、所述大腿外骨骼和所述髋部外骨骼形成牢固的坐具框架，支撑所述坐具面，形成坐具。

优选地，所述坐具支架是是两条坐具腿。

优选地，所述坐具支架是折叠式的。

优选地，所述坐具支架是伸缩式的。

优选地，所述坐具支架在所述坐具模式下的高度是可调的。

更优选地，所述坐具支架是两条坐具腿，所述两条坐具腿中的每一条由上支撑段、下支撑段和连接上、下支撑段的多功能自锁折叠铰链构成。

优选地，所述髋部外骨骼活动连接至所述坐具支架，并且当处于坐具模式时，所述坐具支架相对于所述髋部外骨骼的活动被锁定。

更优选地，所述坐具支架通过多功能自锁折叠铰链与所述髋部外骨骼活动连接。

本发明的穿戴式下肢外骨骼助行装置可以使得穿戴者可以随时坐下休息。

附图说明

图1为根据本发明一个实例的行走模式下的外骨骼助行装置示意图

图2是根据本发明一个实例的坐具模式下的外骨骼助行装置示意图

图3是多功能自锁折叠铰链的外观图

图4是多功能自锁折叠铰链的分解示意图，图(b)是图(a)翻转之后的状态

具体实施方式

本发明提供一种穿戴式下肢外骨骼助行装置，其特征在于，所述穿戴式下肢外骨骼助行装置具有行走模式和坐具模式，包括：

脚部外骨骼；

小腿外骨骼，其通过踝关节部转动连接至所述脚部外骨骼；

大腿外骨骼，其通过膝关节部转动连接至所述小腿外骨骼；

髋部外骨骼，其通过髋关节部转动连接至所述大腿外骨骼，所述髋部外骨骼包括坐具面，并连接至坐具支架；和

踝关节部锁定部件、膝关节部锁定部件和髋关节部锁定部件；

当处于行走模式时，所述脚部外骨骼、小腿外骨骼、大腿外骨骼和髋部外骨骼形成下肢外骨骼助行装置，并且

当处于坐具模式时，所述踝关节部、膝关节部、髋关节部的转动分别被踝关节部锁定部件、膝关节部锁定部件和髋关节部锁定部件锁定，所述坐具支架、所述小腿外骨骼、所述脚部外骨骼、所述大腿外骨骼和所述髋部外骨骼形成牢固的坐具框架，支撑所述坐具面，形成坐具。

本发明的下肢外骨骼助行装置是穿戴式下肢外骨骼装置。其可以通过本领域公知的方式，固定到穿戴者的相应身体部位，从而跟随穿戴者或带动穿戴者的身体进行运动。穿戴方式的实例可以是利用约束带等固定到相应的身体部位。

本发明的穿戴式下肢外骨骼助行装置具有行走模式和坐具模式。行走模式是一般穿戴式下肢外骨骼助行装置具有的工作模式。在此模式下，穿戴者可以借助助行装置走动。也就是说，踝关节部、膝关节部和髋关节部可以具有如人的踝、膝、髋关节一样的转动自由度，使得脚部外骨骼、小腿外骨骼、大腿外骨骼、髋部外骨骼可以相对运动。与一般下肢外骨骼助行装置不同的是，本发明的穿戴式下肢外骨骼助行装置还具有坐具模式。在坐具模式下，坐具支架和小腿外骨骼一起起到坐具腿的作用，牢固支撑坐具面和大腿外骨骼，成为牢固的坐具，从而使得穿戴者可以安全稳定地坐下。

脚部、小腿、大腿、髋部外骨骼和踝、膝、髋关节部的设计可以是任何适合于下肢助行目的的设计，包括本领域已知的各种下肢外骨骼助行器，只要不妨碍形成坐具模式即可。各关节部将各外骨骼转动连接，其中转动连接可以是具有适宜的自由度的。例如膝关节可以是仅提供屈伸自由度的，而髋关节可以是提供屈伸和侧展两个自由度的。在这些部件中，还可以包括合适的助力或驱动系统，以及各种其他机械、电气等辅助系统。例如，关于髋关节部，可以包括髋关节角度传感器、髋部驱动电机及髋部宽度调节机构等。关于膝关节部和踝关节部，可以包括膝关节角度传感器、膝部屈伸驱动电机，踝关节角度传感器、踝部屈伸驱动电机等结构。在行走模式下，左右下肢外骨骼与大腿和小腿可以通过约束带绑定，关节处可随人体运动进行转动，各关节处传感器感应人体关节的屈伸，驱动电机负责提供驱动力，使穿戴者行走更轻松。总之，当处于行走模式时，脚部外骨骼、小腿外骨骼、大腿外骨骼和髋部外骨骼形成下肢外骨骼助行装置。

相对地，在坐具模式下，这些关节部的转动被锁定。以膝关节部为例，当处于坐具模式时，膝关节的转动被锁定，使得大腿外骨骼与小腿外骨骼固定保持呈一定的角度，例如约90度。这样施加在大腿外骨骼上的横向力不会引起大腿外骨骼绕膝关节部旋转，而是通过固定的膝关节部传递到小腿外骨骼上，主要是小腿外骨骼的轴向上。同理，髋关节部和踝关节部的转动也被锁定，使得在行走模式下活动的下肢外骨骼成为固定的框架，从而为坐具提供稳定的支撑。当然，膝关节部的锁定角度也可以不是约90度。

踝关节部锁定部件、膝关节部锁定部件和髋关节部锁定部件可以是能够将关节部锁定的任何构造。关节部锁定部件也可以是处于关节部内部的部件。或者说，包含自锁装置的关节部可以看作是关节部与锁定部件的组合，并且也在本发明的范围内。

本发明的下肢外骨骼助行装置的髋部外骨骼具有坐具面，该坐具面在坐具模式下提供支撑穿戴者臀部的承载面。坐具面不必须是平面，为了舒适，其可以具有适合于容纳穿戴者臀部的凹面。坐具面也可以配备有柔软的座垫等。当处于坐具模式时，坐具面起到主要的承载作用。坐具面作为髋部外骨骼的一部分，可以是固定的，也可以是可活动的。从牢固性和简单性的观点出发，坐具面优选为固定的。不过，行走时坐具面应不严重影响穿戴者行走，而坐下时坐具面的位置应尽量配合穿戴者的臀部，因此，为了达到上述舒适性目的，坐具面也可以是可调节的或可活动的。

本发明的髋部外骨骼连接有坐具支架。其在下肢外骨骼之外提供对坐具面的支撑。

当从行走模式变成坐具模式时，各处转动被锁定，使得各外骨骼与坐具支架一起形成牢固的坐具框架。锁定方式可以是已知的各种锁定方式，在本发明中不作特别的限制。当转动连接是铰链连接时，一种锁定方式是使用后述的多功能自锁折叠铰链。

当处于坐具模式时，坐具框架和坐具面一起形成坐具，使得穿戴者可以放松地坐在其上。该坐具是稳定的，不易倾倒。

本发明的穿戴式下肢外骨骼助行装置还可以具有其他的部件，例如腰部或躯干部外骨骼、用手控制的操作系统、便携式电源等等，只要这些部件与本发明的行走模式及坐具模式构造不冲突即可。

通过上述方案，本发明的穿戴式下肢外骨骼助行装置可以在自由的行走模式和稳固的坐具模式之间切换。

坐具支架可以采用各种适宜的形式。在一种优选的实施方案中，折叠式的坐具支架由两条坐具腿组成，其优选位于髋部外骨骼的左右两侧。与单一支撑件的坐具支架相比，两条坐具腿更易于装配且更加稳固，并且适用于不平的地面。

为了在行走模式下节约空间的目的，优选地，坐具支架是折叠式的(例如后文详述的)，或者是可伸缩的(例如套筒伸缩式的)。坐具支架也可以是其他可以减小体积的构造。

优选地，坐具支架在所述坐具模式下的高度是可调的，从而使得坐具面的距地高度可调，使得坐具更加舒适，特别是可以适用于各种坡面。当坐具支架为两条腿时，两条腿的高度分别独立可调，适用于不平坦的地面或更加复杂的坡面。

在一种优选的实施方案中，折叠式的坐具腿可以由上支撑段，铰链和下支撑段构成。上支撑段连接至髋部外骨骼，下支撑段具有自由端，在坐具模式下接触地面。在一种最简单的构造下，上下支撑段具有0度夹角和180度夹角两个固定位置。当处于行走模式时，上下支撑段具有0度夹角，坐具支架收起。当处于坐具模式时，上下支撑段具有180度夹角，坐具支架打开。在更优选的实施方案中，坐具支架的支撑段之间夹角是可调的，从而使得坐具面距离地面的距离可调。一种调节夹角的方式是使用如下的铰链(通常称为多功能自锁折叠铰链)连接上下支撑段：所述铰链由两个相互枢接的连接件构成，两个连接件中均有圆形槽，圆形槽侧壁有内齿，两个连接件中的圆形槽相向形成一个活动腔，齿轮位于该活动腔中，并且可以分别与两个连接件中的内齿啮合，第一个连接件中的圆形槽的深度大于或等于齿轮的厚度，第二个连接件中的圆形槽深度小于齿轮的厚度，第二个连接件的圆形槽的外侧有按压板。铰链的结构示于图4中。调节和固定坐具支架角度的方法为：压下按压板，通过压杆将齿轮推到第一个连接件的圆形槽中，齿轮不再与第二个连接件的圆形槽的内齿啮合，第一个连接件和第二个连接件之间可以相对转动，转动一定角度后放开按压板，齿轮受弹簧弹力作用再次同时与内齿和内齿啮合，第一个连接件和第二个连接件之间的转动角度得到固定。

在另一个优选的实施方案中，髋部外骨骼与坐具支架可以是活动连接的，例如是枢接或铰接的。因为当处于坐具模式时，坐具支架基本上是竖直的，与基本上水平的坐具面基本上是垂直的。如果是固定连接，当处于行走状态时坐具支架变成水平伸出，会带来不便。

优选地，所述坐具支架也通过多功能自锁折叠铰链与所述髋部外骨骼活动连接。

以下通过附图更详细地说明本发明的。注意附图仅是说明性的，不意在限制本发明。

图1为根据本发明一个实施方案的行走模式下的穿戴式下肢外骨骼助行装置示意图。如图1中示例的，此装置包括坐具支架1。坐具支架是折叠式的，包括支架上下段之间铰链2。坐具支架1通过铰链3连接至髋部外骨骼4。髋部外骨骼4包括坐具面5。外骨骼部分除髋部外骨骼4之外还包括左右下肢外骨骼。左、右下肢外骨骼包括大腿外骨骼6、小腿外骨骼7、膝关节部8、踝关节部9、脚部外骨骼10。大腿外骨骼6、小腿外骨骼7分别有约束带以方便与穿戴者的大腿、小腿绑定。左、右下肢外骨骼分别绑定于两腿的外侧。

图2是坐具模式下的结构图，此时坐具支架展开，穿戴者可通过弯曲大腿处于坐下休息状态。此时，踝关节部、膝关节部、髋关节部的转动分别被踝关节部锁定部件、膝关节部锁定部件和髋关节部锁定部件锁定，所述坐具支架、所述小腿外骨骼、所述脚部外骨骼、所述大腿外骨骼和所述髋部外骨骼形成牢固的坐具框架，支撑所述坐具面，形成坐具。在图中并未示出具体的关节部锁定部件。锁定部件可以是单独的锁定部件，如销等。更优选地，锁定可以是关节部本身的功能。例如，关节部可以是转动可以被锁定的电机。在图2的状态下，穿戴者的体重通过坐具面和大腿外骨骼分布，并通过坐具腿和小腿、脚部外骨骼传递到地面。

图2中，坐具腿是折叠式的。虽然图2中所示坐具腿的上下两段处于一条直线上并被固定，但根据实际需要，上下两段也可以不在一条直线上，以提供较短的坐具腿。当然，坐具腿也可以是三折的或更多折的。

折叠式坐具腿的锁定可以通过各种锁定方式完成，如使用销。优选地，使用多功能自锁折叠铰链完成坐具腿各段之间的锁定。

多功能自锁折叠铰链如图3与图4所示。其由连接件11和连接件12通过中间轴相互枢接构成，连接件11和连接件12上还有加强板13、14，用于增加结合面的强度。连接件11中有圆形槽15，圆形槽15的侧壁有内齿18。连接件12中有圆形槽19，圆形槽19侧壁有内齿20。连接件11中的圆形槽15和连接件12中的圆形槽19相向形成一个活动腔，齿轮16位于该活动腔中，并且可以分别与内齿18和内齿20啮合。圆形槽15的深度应大于或等于齿轮16的厚度，圆形槽19深度小于齿轮16的厚度，圆形槽19的外侧有按压板21，按压板21上有压杆22，连接件11的圆形槽15中有弹簧17。

当齿轮16受弹簧17的弹力作用同时与内齿18和内齿20啮合时，连接件11和接件12之间不可相对转动。若压下按压板21，通过压杆22将齿轮16推到圆形槽15中，齿轮16将不再与圆形槽19的内齿20啮合，此时连接件11和连接件12之间可以相对转动，转动一定角度后放开按压板21，齿轮16受弹簧17的弹力作用再次同时与内齿18和内齿20啮合，此时连接件11和接件12之间不能相对转动，连接件11和连接件12之间的角度便得到固定。

在各个铰链中，齿轮16上有多个限位孔23，连接件12的圆形槽19中有限位柱24，在连接件11和连接件12之间调节角度的过程，当限位孔23对准限位柱24时，齿轮16才可以落入连接件12的圆形槽19中，否则齿轮16还在连接件11的圆形槽15中，连接件11和连接件12之间还可以自由转动，由此调节并固定连接件11和连接件12之间的调节角度。

通过多功能自锁折叠铰链可以实现对坐具支架的角度的调节，及坐具支架上下支撑段间角度的调节，以此改变坐具高度。穿戴者可以容易地操作该铰链，来调整坐具腿的高度，以获得舒适的坐姿。

应当注意，上述附图均为示意性的，其未必显示本发明的所有特征，并且本发明也不限于这些附图所具体表示的结构。

穿戴本发明的穿戴式下肢外骨骼助行装置的穿戴者可以通过展开并固定坐具支架，随后坐在坐具面上并锁定各关节，实现彻底放松休息。当继续站起行走时，只需解锁关节，站起后收起支架即可。支架的展开和各处的锁定可以由同伴帮助完成，由穿戴者自己完成，或由自动化设备完成。

本发明的有益效果包括：可随时实现行走或坐下两种模式切换，使用方便，可以用于长久站立的工作场合或长途跋涉，不会影响到人体的走动，无需脱去助行装置，在需要休息时直接原地坐下即可。本发明能广泛应用于工厂、家庭、康复训练、野外科考及旅游等场合。

以上实施例和附图的说明只是用于帮助理解本发明及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种穿戴式下肢外骨骼助行装置，其特征在于，所述穿戴式下肢外骨骼助行装置具有行走模式和原地坐具模式，包括：

脚部外骨骼；

小腿外骨骼，其通过踝关节部转动连接至所述脚部外骨骼；

大腿外骨骼，其通过膝关节部转动连接至所述小腿外骨骼；

髋部外骨骼，其通过髋关节部转动连接至所述大腿外骨骼，所述髋部外骨骼包括坐具面，并连接至坐具支架；和

踝关节部锁定部件、膝关节部锁定部件和髋关节部锁定部件；

当处于行走模式时，所述脚部外骨骼、小腿外骨骼、大腿外骨骼和髋部外骨骼形成下肢外骨骼助行装置，并且

当处于原地坐具模式时，所述踝关节部、膝关节部、髋关节部的转动分别被踝关节部锁定部件、膝关节部锁定部件和髋关节部锁定部件锁定，所述坐具支架、所述小腿外骨骼、所述脚部外骨骼、所述大腿外骨骼和所述髋部外骨骼形成牢固的坐具框架，支撑所述坐具面，形成原地坐具，

其中，所述坐具支架是两条坐具腿，并且所述两条坐具腿在所述原地坐具模式下的高度分别独立可调。

2.根据权利要求1所述的穿戴式下肢外骨骼助行装置，其特征在于，所述坐具支架是折叠式的。

3.根据权利要求1所述的穿戴式下肢外骨骼助行装置，其特征在于，所述坐具支架是伸缩式的。

4.根据权利要求1所述的穿戴式下肢外骨骼助行装置，其特征在于，所述两条坐具腿中的每一条由上支撑段、下支撑段和连接上、下支撑段的多功能自锁折叠铰链构成。

5.根据权利要求1所述的穿戴式下肢外骨骼助行装置，其特征在于，所述髋部外骨骼活动连接至所述坐具支架，并且当处于原地坐具模式时，所述坐具支架相对于所述髋部外骨骼的活动被锁定。

6.根据权利要求5所述的穿戴式下肢外骨骼助行装置，其特征在于，所述坐具支架通过多功能自锁折叠铰链与所述髋部外骨骼活动连接。

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