CN107714259A - 一种智能穿戴式可双向锁死的护膝 - Google Patents

Abstract

本专利申请涉及运动保护器械技术领域，公开了一种智能穿戴式可双向锁死的护膝，包括膝关节支撑装置、双向锁死装置、微型电机丝杠绳索驱动装置和智能控制装置。膝关节支撑装置包括小腿护架和大腿护架，小腿护架与大腿护架转动连接，小腿护架与大腿护架均设有弧形板以及绑带；双向锁死装置包括微型电机、滚珠丝杠、棘轮以及棘爪组件；智能控制装置包括智能控制系统、高性能处理器控制芯片、角度传感器、六轴姿态传感器、GPS定位模块和蓝牙无线通信模块。通过智能控制装置中的传感器对运动状态进行检测，以及在双向锁死装置共同的作用下在发生摔倒时锁定膝关节运动以防止膝关节造成严重的损伤。本发明具有结构稳定可靠、能双向锁死的优点。

Description

一种智能穿戴式可双向锁死的护膝

技术领域

本发明涉及运动保护器械技术领域，具体涉及一种用于康复医疗的护膝。

背景技术

在人体运动体系中，膝关节起着举足轻重的作用，是保证人体站立和行走的关键所在，膝关节的屈伸动作是人体能够行走的基本保证，膝关节是全身关节中滑膜面积最大的关节,滑膜反应也是最明显的，膝关节是人体较大而复杂的屈曲关节，它所受到的应力大，结构稳定而又灵活的人体膝关节由股骨下段、胫骨上段、髌骨以及关节韧带、肌腱和关节囊等结构组成，膝关节滑膜是人体关节中面积最广、最复杂的，也是最大的滑膜腔，膝关节是人体滑膜最多，关节面最大和结构最复杂的关节，所以膝关节在日常的生活中容易受到损伤。

现阶段我国存在着大量的膝关节疾病患者以及膝关节手术后的康复者，在日常生活中需要穿戴护膝来保护膝关节以及防止膝关节二次损伤，并帮助其恢复，除此之外还有许多行动不便的老年人在运动过程中很容易发生摔倒，严重的会造成膝关节损伤从而失去运动能力。

因此为了满足膝关节受伤者的需求，防止膝关节受伤患者手术后再次受伤，解决患者行走运动中的不便情况的问题，以及解决行动不便的老年人在运动过程中很容易发生摔倒导致膝关节严重受损的问题，需要研发出一种智能护膝能够对膝关节受损的人群进行膝关节的保护，以及能够对老年人的运动状态进行监测，在发生倾倒的瞬间对膝关节进行锁定防止老年人摔倒并保护老年人膝关节。

现有的护膝大致分为两种，一种是被动式柔性护膝，另外一种是机械结构的护膝。被动式柔性护膝只能在使用者跌倒以及碰撞时达到一定的缓冲作用，无法满足保护膝关节的需求，研究人员开始致力于机械结构护膝的研究。

公开号为CN102973337A的中国专利中，公开了一种具有承重自锁功能的主动式膝关节结构，主要包括与大腿和小腿固定的连杆绷带、膝关节连接机构及限位机构、小腿连接结构、电机及谐波减速器、自锁弹片、油压缓冲器、自恢复扭簧；膝关节连接机构及限位机构和大腿连杆固联在一起；小腿连接机构通过花键连接的方式和膝关节连接机构连接；膝关节连接机构分为内侧和外侧两个面，内侧面分为两层，靠近穿戴者的一层上有弧形槽，远离穿戴者的一层上有自锁弹片卡死结构；外侧面连接电机及谐波减速器；限位机构由小腿连接机构靠近穿戴者的一面上有凸出的圆柱型机构和膝关节连接结构内侧的弧形槽组成；圆柱型机构上装有自锁弹片的下端装有自恢复扭簧，自恢复扭簧的一端固定在自锁弹片上，另一端固定在小腿连接结构的下方圆台上，自锁弹片的左下端与钢丝绳的一端固联，钢丝绳的另一端与小腿连杆进行固联，小腿连接机构的下方圆台与油压缓冲器的顶杆通过连接机构进行固联，油压缓冲器由顶杆和底座两部分构成，油压缓冲器的底座上有调节油压缓冲阻尼系数的旋钮，油压缓冲器的底座通过外螺纹的方式与小腿连杆进行固联。虽然该结构能够通过锁死机构保证站立阶段穿戴者的平衡性，也能够在摆动阶段对穿戴者产生助力的作用，在一定程度上提高了能源的使用效率以及增强了患者、穿戴者对不同地形的适应性，但是上述结构设计比较复杂，自锁机构设计繁琐，特别是没有双向自锁功能。

公开号为CN107041825A的中国专利中，公开了一种术后肘膝关节康复器，包括用于固定病人手臂的关节支撑组件、用于带动病人手臂弯曲的驱动机构，所述驱动机构包括用于显示转动角度的显示组件、用于锁死关节支撑组件位置的锁紧组件、用于带动关节支撑组件缓慢转动的减速组件、用于驱动减速组件转动的外置独立的驱动源；所述关节支撑组件包括与肘膝关节前端相连接的前臂板、与肘膝关节后端相连接的后臂板，所述显示组件包括与减速组件相连接的小齿轮、用于显示转动角度的显示轮，所述显示轮通过一传动轮与小齿轮相连接，所述减速组件以及显示组件外端面罩设一用于保护减速组件的端盖，所述端盖在与显示轮相对应的位置开设一用于显示显示轮圆周面刻度的缺口。上述技术虽然能在一定程度上解决对膝关节的保护以及有助于恢复的的问题，但是上述结构中锁紧组件、减速组件不容易啮合，其结构存在一定的不稳定的隐患。

所以发明一种能啮合稳定，又能双向锁死的护膝是目前急需要解决的问题。

发明内容

本发明意在提供一种既啮合稳定，又能双向锁死的，在发生倾倒的瞬间能对膝关节进行锁定防止使用者摔倒并保护使用者膝关节的护膝。

为解决上述技术问题，本发明提供一种智能穿戴式可双向锁死的护膝，包括膝关节支撑装置，所述膝关节支撑装置包括小腿护架和大腿护架，所述小腿护架与所述大腿护架转动连接，还包括双向锁死装置；所述双向锁死装置包括设置在所述小腿护架与所述大腿护架连接处之间的棘轮，所述棘轮与所述小腿护架固定连接，所述棘轮表面均匀分布有棘齿，所述大腿护架内侧铰接有棘爪组件，所述棘爪组件包括呈X状铰接相连的第一棘爪和第二棘爪，所述棘爪组件两侧均设有固定座，所述固定座与所述棘爪组件之间均连接有用于使所述棘爪组件向远离所述棘轮方向偏移的弹性件，所述第一棘爪与所述第二棘爪分别有一端设有与所述棘齿相啮合的从动部并紧靠所述棘轮，所述第一棘爪与所述第二棘爪的另外一端分别铰接有棘爪连杆，所述两个棘爪连杆的末端铰接在一起，所述棘爪连杆末端的铰接部位连接有绳索，所述绳索远离所述棘爪连杆的一端连接有用于拉动所述绳索的微型电机丝杠绳索驱动装置。

本技术方案的工作原理为：先将护膝用绑带绑在腿上，智能控制装置对运动状态进行检测，当检测到危险状态时微型电机丝杠绳索驱动装置会通过绳索带动棘爪连杆向上运动，带动第二棘爪逆时针转动，第一棘爪顺时针转动，使得第一棘爪与第二棘爪之间的夹度变小，由于第一棘爪与第二棘爪铰接固定在大腿护架上，而小腿护架与棘轮固定连接，棘轮与小腿护架之间不会有角度偏移，这样在第一棘爪与第二棘爪之间的夹角缩小时棘爪组件就会与棘轮啮合从而锁死设备。

上述技术方案与现有技术相比的优点在于：采用了棘轮棘爪机构，能够快速锁死设备，且能够承受较大扭矩，具有双向锁死设备的功能、结构稳定可靠的、能对运动状态进行检测的、在发生倾倒的瞬间能对膝关节进行锁定防止摔倒并防止膝关节造成严重损伤的优点。

在上述技术方案中，所述微型电机丝杠绳索驱动装置包括与所述绳索相连的丝杠螺母支撑杆，所述大腿护架设有与丝杠螺母支撑杆尺寸相适应的滑槽，丝杠螺母支撑杆通过滑槽贯穿所述大腿护架，丝杠螺母支撑杆另外一端固定连接有垂直于所述大腿护架的丝杠螺母，丝杠螺母设有垂直于丝杠螺母的内螺纹通孔，丝杠螺母通过内螺纹通孔连接有滚珠丝杠，滚珠丝杠表面设有与内螺纹通孔适应的螺纹，丝杠螺母滑动连接有丝杠螺母滑动杆，丝杠螺母滑动杆连接有固定在所述大腿护架上的挡板，滚珠丝杠连接有用于驱动滚珠丝杠转动的微型电机，采用上述技术方案有利于所述微型电机丝杠绳索驱动装置对所述棘爪连杆的控制，并且微型电机丝杠绳索驱动装置可以实现小驱动力驱动，能够减少绳索所受到的刚性冲击。

在上述技术方案中，还包括智能控制装置，智能控制装置包括智能控制系统、设置在所述大腿护架上的用于检测膝关节的屈伸运动时膝关节屈伸角度的角度传感器、检测使用者运动姿态的六轴姿态传感器、以及对智能控制装置中数据进行处理的高性能处理器控制芯片，有利于对使用者的运动数据进行检测。

在上述技术方案中，所述智能控制装置还包括用于定位的GPS定位模块、用于通信的蓝牙无线通信模块，有利于使用者通过位置检测功能进行定位，在危险时发送求助信号寻求帮助，以及通过蓝牙无线通信模块将运动数据发送至智能设备的终端，方便使用者查看数据。

在上述技术方案中，所述小腿护架与所述大腿护架均设有弧形板以及绑带，弧形板有利于更好的与腿部相接触；绑带有利于固定。

在上述技术方案中，所述弧形板内侧均安装有与所述弧形板弧度相适应的护垫，安装有护垫有利于起到缓冲保护的作用。

附图说明

图1为本发明一种智能穿戴式可双向锁死的护膝的结构示意图；

图2为图1中A处的放大示意图；

图3为本发明一种智能穿戴式可双向锁死的护膝的另一侧示意图；

图4为图3中B处的放大示意图；

图5为本发明一种智能穿戴式可双向锁死的护膝的后视结构示意图；

图6为图5中C处的放大示意图；

图7为本发明一种智能穿戴式可双向锁死的护膝中智能控制装置的工作流程示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

说明书附图中的附图标记包括：小腿护架1、大腿护架2、护垫3、弧形板4、绑带5、角度传感器6、电路板7、微型电机8、电机固定板9、联轴器10、上挡板11、丝杠螺母12、滚珠丝杠13、下挡板14、丝杠螺母滑动杆15、平键16、棘轮17、第二棘爪18、第一棘爪19、固定座20、弹性件21、棘爪连杆22、绳索23、丝杠螺母支撑杆24、滑槽25、护架连接轴26。

实施例基本如图1～图7所示：一种智能穿戴式可双向锁死的护膝，包括膝关节支撑装置、双向锁死装置、微型电机丝杠绳索驱动装置和智能控制装置。

如图1、图4所示：膝关节支撑装置包括小腿护架1和大腿护架2，所述大腿护架2与所述小腿护架1左侧通过护架连接轴26和轴承连接，轴承安装在所述大腿护架2左侧的轴孔中，护架连接轴26安装在轴承中，平键16固定在护架连接轴26的键槽上，同时也为护膝锁死提供扭矩，护架连接轴26同时也连接所述小腿护架1，所述小腿护架1上开有键槽，平键16同时与所述小腿护架1的键槽契合，所述大腿护架2与所述小腿护架1右侧通过铰链连接，所述小腿护架1与所述大腿护架2均设有弧形板4以及绑带5，绑带5采用柔性材料制成，弧形板4安装有与所述弧形板4弧度相适应的柔性护垫3。

如图1、图2、图4所示：双向锁死装置包括设置在所述小腿护架1与所述大腿护架2连接处之间的棘轮17，棘轮17开有键槽，小腿护架1上也开有键槽，所述棘轮17与所述小腿护架1通过平键16固定连接，所述棘轮17表面均匀分布有棘齿，所述大腿护架2内侧铰接有棘爪组件，所述棘爪组件包括呈X状铰接相连的第一棘爪19和第二棘爪18，所述棘爪组件两侧均设有固定座20，所述固定座20与所述棘爪组件之间均连接有用于使所述棘爪组件向远离所述棘轮17方向偏移的弹性件，所述第一棘爪19与所述第二棘爪18分别有一端设有与所述棘齿相啮合的从动部并紧靠所述棘轮17，所述第一棘爪19与所述第二棘爪18的另外一端分别铰接有棘爪连杆22，所述两个棘爪连杆22的末端铰接在一起，所述棘爪连杆22末端的铰接部位连接有绳索23，所述绳索23为柔性绳索，柔性绳索可以在锁死设备时能避免大部分的刚性冲击，所述绳索23远离所述棘爪连杆22的一端连接有用于拉动所述绳索23的微型电机丝杠绳索驱动装置。

如图1、图2、图4所示：微型电机丝杠绳索驱动装置包括与所述绳索23相连的丝杠螺母支撑杆24，所述大腿护架2设有与丝杠螺母支撑杆24尺寸相适应的滑槽25，丝杠螺母支撑杆24通过滑槽25贯穿所述大腿护架2，丝杠螺母支撑杆24另外一端固定连接有垂直于所述大腿护架2的丝杠螺母12，丝杠螺母12设有垂直于丝杠螺母12的内螺纹通孔，丝杠螺母12通过内螺纹通孔连接有滚珠丝杠13，滚珠丝杠13能在驱动力较小的情况下进行工作，有利于减少能耗，滚珠丝杠13表面设有与内螺纹通孔适应的螺纹，丝杠螺母12滑动连接有丝杠螺母滑动杆15，丝杠螺母滑动杆15连接有固定在所述大腿护架2上的挡板，滚珠丝杠13连接有用于驱动滚珠丝杠13转动的微型电机8，所述挡板包括分布在所述丝杠螺母滑动杆15两端的上挡板11和下挡板14，上挡板11上端设有固定在所述大腿护架2外侧的电机固定板9，所述微型电机8固定在电机固定板9上，所述微型电机8通过联轴器10与所述滚珠丝杠13相连。

如图5、图6所示：智能控制装置包括智能控制系统、设置在所述大腿护架2上的用于检测膝关节的屈伸运动时膝关节屈伸角度的角度传感器6、检测使用者运动姿态的六轴姿态传感器、用于定位的GPS定位模块、用于通信的蓝牙无线通信模块、以及对所述智能控制装置中数据进行处理的高性能处理器控制芯片。高性能处理器控制芯片、六轴姿态传感器、GPS定位模块和蓝牙无线通信模块都安装在所述大腿护架2上的电路板7中。

如图7所示：智能控制装置的工作流程包括对膝关节屈伸角度、使用者运动姿态、使用者运动速度和使用者位置进行检测四个部分。

膝关节屈伸角度检测是通过固定在大腿护架2上的角度传感器6进行检测，通过高性能处理器控制芯片预设膝关节正常的屈伸角度，或者根据使用者的身体健康状况预设膝关节能够屈伸的角度，当使用者膝关节屈伸角度大于预设角度时就会锁死护膝；使用者运动姿态检测是通过六轴姿态传感器对使用者的身体姿态进行检测，当六轴姿态传感器检测到使用者身体处于摔倒或倾斜角度大于预设值时就会通过高性能处理器控制芯片驱动微型电机8锁死护膝达到保护使用者的效果；使用者运动速度检测是通过角度传感器6和GPS定位模块共同协作完成，可以实时检测使用者运动速度；使用者位置检测是通过GPS定位模块和蓝牙无线通信模块来完成的，可以针对膝关节术后康复者在进行康复治疗时医生可以通过预设安全区域，使用者在安全区域内进行术后康复治疗，当GPS定位模块和蓝牙无线通信模块检测到使用者在安全区域范围外时就会锁死护膝，保护使用者，也可以针对于佩戴者进行室外远程的定位，在紧急情况下使用者可以通过位置检测功能发送求助信号寻求帮助；蓝牙无线通信模块可以将智能控制装置中的对运动状态检测的数据和运动里程数发送到手机终端，方便使用者查看。

在运动的过程中，智能控制装置中的六轴姿态传感器、GPS定位模块、蓝牙无线通信模块和高性能处理器控制芯片，会结合角度传感器6可以实时检测使用者的运用运动状态、运动量、运动距离和定位使用者的位置。根据六轴姿态传感器和角度传感器6的数据再结合智能算法与高性能处理器控制芯片可以检测出使用者是否处在危险状态中。

如图1～图7所示，本发明的实施原理为：使用者通过绑带5将大腿护架2与大腿绑定，小腿护架1与小腿绑定，在使用者佩戴好护膝后，由于护垫3和绑带5的固定作用可以减轻对膝盖的负担，可以起到一定的对膝关节支撑的作用。

当使用者处于正常状态时，第二棘爪18和第一棘爪19与弹簧座20之间由于固定有弹性件21，弹性件21提供一定的拉力使棘轮17与第一棘爪19和第二棘爪18分离，这时护膝处于打开状态不会对行走或者运动产生任何阻力。

当使用者处于危险状态时，高性能处理器控制芯片发出信号控制微型电机8转动，微型电机8带动滚珠丝杠13转动同时由于丝杠螺母12被丝杠螺母滑动杆15限定了滑动的方向，所以在滚珠丝杠13转动时会带动丝杠螺母12在滚珠丝杠13上做轴向移动，丝杠螺母支撑杆24会通过绳索23带动棘爪连杆22向上运动，棘爪连杆22带动第二棘爪18逆时针转动，带动第一棘爪19顺时针转动，使第一棘爪19和第二棘爪18之间的夹度变小，由于第一棘爪19与第二棘爪18通过铰接固定在大腿护架2上，而小腿护架1与棘轮17通过护架连接轴26和平键16与小腿护架1固定连接，棘轮17与小腿护架1之间不会有角度偏移，这样在第一棘爪19、第二棘爪18之间的夹角缩小时，棘爪组件就会与棘轮17啮合从而锁死设备，从而保护使用者。

护膝锁死后，当六轴姿态传感器检测到使用者身体姿态恢复正常后，高性能处理器控制芯片会发出信号使微型电机8转动，使微型电机8带动滚珠丝杠13转动，滚珠丝杠13转动时会带动丝杠螺母12在滚珠丝杠13上做轴向移动，丝杠螺母支撑杆24会通过绳索23带动棘爪连杆22向下运动，此时丝杠螺母支撑杆24对棘爪连杆22的拉力消失，第一棘爪19和第二棘爪18在弹性件21拉力的作用下，带动第二棘爪18顺时针转动，带动第一棘爪19逆时针转动，使第一棘爪19和第二棘爪18之间的夹度变小，棘爪组件与棘轮17脱离啮合状态，护膝停止锁死状态，重新回到正常状态。

本发明的优点在于：采用了棘轮棘爪机构，棘轮棘爪结构简单、便于安装维修，采用两支棘爪并采用铰链连接，在锁死过程中行程较短，在锁死的过程中能够更好的与棘轮啮合从而能够快速的锁死设备，且能够承受较大扭矩；采用了滚珠丝杠结构，能在较小的驱动力的情况下锁死设备，避免采用了大功率的电机，减轻了整体设备的重量，减少了能耗；同时使用柔性绳索连接，可以过滤掉大部分刚性冲击；并且本发明创新的把传感器与智能系统与传统自锁型护膝结合起来能够把传统护膝做到智能化，能够提供运动保护、运动状态检测、运动量检测的功能，除此之外，本发明中还配备了蓝牙无线通信模块，通过蓝牙无线通信模块能够与手机等智能设备连接控制护膝或者查看各种数据，本发明中还配备了GPS定位模块，当使用者处于危险位置时能够发送求助信息。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (6)

1.一种智能穿戴式可双向锁死的护膝，包括膝关节支撑装置，所述膝关节支撑装置包括小腿护架(1)和大腿护架(2)，所述小腿护架(1)与所述大腿护架(2)转动连接；其特征在于：还包括双向锁死装置；所述双向锁死装置包括设置在所述小腿护架(1)与所述大腿护架(2)连接处之间的棘轮(17)，所述棘轮(17)与所述小腿护架(1)固定连接，所述棘轮(17)表面均匀分布有棘齿，所述大腿护架(2)内侧铰接有棘爪组件，所述棘爪组件包括呈X状铰接相连的第一棘爪(19)和第二棘爪(18)，所述棘爪组件两侧均设有固定座(20)，所述固定座(20)与所述棘爪组件之间均连接有用于使所述棘爪组件向远离所述棘轮(17)方向偏移的弹性件，所述第一棘爪(19)与所述第二棘爪(18)分别有一端设有与所述棘齿相啮合的从动部并紧靠所述棘轮(17)，所述第一棘爪(19)与所述第二棘爪(18)的另外一端分别铰接有棘爪连杆(22)，所述两个棘爪连杆(22)的末端铰接在一起，所述棘爪连杆(22)末端的铰接部位连接有绳索(23)，所述绳索(23)远离所述棘爪连杆(22)的一端连接有用于拉动所述绳索(23)的微型电机丝杠绳索驱动装置。

2.根据权利要求1所述的智能穿戴式可双向锁死的护膝，其特征在于：所述微型电机丝杠绳索驱动装置包括与所述绳索(23)相连的丝杠螺母支撑杆(24)，所述大腿护架(2)设有与丝杠螺母支撑杆(24)尺寸相适应的滑槽(25)，丝杠螺母支撑杆(24)通过滑槽(25)贯穿所述大腿护架(2)，丝杠螺母支撑杆(24)另外一端固定连接有垂直于所述大腿护架(2)的丝杠螺母(12)，丝杠螺母(12)设有垂直于丝杠螺母(12)的内螺纹通孔，丝杠螺母(12)通过内螺纹通孔连接有滚珠丝杠(13)，滚珠丝杠(13)表面设有与内螺纹通孔适应的螺纹，丝杠螺母(12)滑动连接有丝杠螺母滑动杆(15)，丝杠螺母滑动杆(15)连接有固定在所述大腿护架(2)上的挡板，滚珠丝杠(13)连接有用于驱动滚珠丝杠(13)转动的微型电机(8)。

3.根据权利要求1所述的智能穿戴式可双向锁死的护膝，其特征在于：还包括智能控制装置，智能控制装置包括智能控制系统、设置在所述大腿护架(2)上的用于检测膝关节的屈伸运动时膝关节屈伸角度的角度传感器(6)、检测使用者运动姿态的六轴姿态传感器、以及对智能控制装置中数据进行处理的高性能处理器控制芯片。

4.根据权利要求3所述的智能穿戴式可双向锁死的护膝，其特征在于：所述智能控制装置还包括用于定位的GPS定位模块、用于通信的蓝牙无线通信模块。

5.根据权利要求1所述的智能穿戴式可双向锁死的护膝，其特征在于：所述小腿护架(1)与所述大腿护架(2)均设有弧形板(4)以及绑带(5)。

6.根据权利要求5所述的智能穿戴式可双向锁死的护膝，其特征在于：所述弧形板(4)内侧均安装有与所述弧形板(4)弧度相适应的护垫(3)。