CN109172286A - 一种下肢康复助行装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种下肢康复助行装置，包括两个在竖直方向呈上下分布的变刚度弹性关节，所述变刚度弹性关节包括外壳，外壳内设置有主轴弹簧套筒，在主轴弹簧套筒右侧设置有外周未完全均布轮齿的不完全齿轮，在主轴弹簧套筒上设置有涡卷弹簧A，在主轴弹簧套筒下方设置有从动轴弹簧套筒，从动轴弹簧套筒右侧设置有从动齿轮，所述从动齿轮的轮齿可以与不完全齿轮的轮齿啮合，在主轴弹簧套筒上设置有涡卷弹簧B；本发明还涉及一种下肢康复助行装置的工作方法。本发明能使患者在下肢康复行走时进行助力，在腿部下降过程中能避免患者大腿下降和膝关节伸直过快，对患者造成伤害，在腿部抬升过程中能对腿部进行助力，同时能避免患者腿部抬升的幅度过大。

Description

一种下肢康复助行装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种下肢康复助行装置及其工作方法。

技术背景

下肢助行外骨骼一直是一个研究热点，其主要用于人体下肢的康复训练和提高人体的负载能力。下肢助行外骨骼通过穿戴在人体上且与人体运动同步，在运动过程中检测人体的运动信息然后加以提供驱动力，从而减轻穿戴者的行走负担，以实现穿戴者较大负重或较长时间行走的目的。

下肢助行外骨骼主要分为外动力驱动的下肢助行外骨骼和无动力下肢助行外骨骼。现有的外动力驱动的下肢助行外骨骼按储能元件可分为三类，分别为电动、液压和气压 。电动的储能元件则首要考虑电机的选型，而满足运动目的的现有电机尺寸都相对较大，反而给穿戴者造成了很大的使用负担。储能元件为液压的下肢助行外骨骼，其精密度要求相对较高，导致其设计和制造成本大幅度提高，不利于大规模推广。储能元件为气压的的下肢助行外骨骼，其作用效果不太稳定，实用性不高。现有的无动力下肢助行外骨骼主要利用压缩弹簧的长度变化实现能量的传递，其变化范围较小，且工作方式单一。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供了一种下肢康复助行装置及其工作方法，能使患者在下肢康复行走时进行助力，在腿部下降过程中能避免患者大腿下降和膝关节伸直过快，对伤口造成伤害，在腿部抬升过程中能对腿部进行助力，同时能避免患者腿部抬升的幅度过大。

本发明的技术方案是：一种下肢康复助行装置，包括两个在竖直方向呈上下分布的变刚度弹性关节，两个变刚度弹性关节中位于上方的变刚度弹性关节安装于髋关节处，两个变刚度弹性关节中位于下方的变刚度弹性关节安装于膝关节处，所述变刚度弹性关节包括外壳，外壳内设置有主轴弹簧套筒，在主轴弹簧套筒右侧设置有外周未完全均布轮齿的不完全齿轮，在主轴弹簧套筒上设置有涡卷弹簧A，在主轴弹簧套筒下方设置有从动轴弹簧套筒，从动轴弹簧套筒右侧设置有外周完全均布轮齿的从动齿轮，所述从动齿轮的轮齿可以与不完全齿轮的轮齿啮合，在主轴弹簧套筒上设置有涡卷弹簧B。

进一步的，在主轴弹簧套筒内穿设有主动轴，主动轴右端设置有轴承A，主动轴左端设置有轴承B，在从动轴弹簧套筒内穿设有从动轴，从动轴右端设置有轴承C，从动轴左端设置有轴承D，轴承B和轴承D左端均设置有轴承套筒，轴承套筒左端面与外壳左侧端面贴合，所述轴承B和轴承D的外圈均固定在外壳上，所述外壳右端设置有与外壳相配合的端盖，端盖上设置有主轴孔，主动轴右端穿过主轴孔延伸至端盖右侧，所述轴承A和轴承C的外圈均固定在端盖上。

进一步的，涡卷弹簧A上方设置有与涡卷弹簧A相配合并为涡卷弹簧提供阻力的销轴A，涡卷弹簧B下方设置有与涡卷弹簧B相配合并为涡卷弹簧提供阻力的销轴B。

进一步的，所述膝关节处的变刚度弹性关节相对于髋关节处的变刚度弹性关节进行相向安装，既髋关节处的变刚度弹性关节主动轴端朝上，膝关节处的变刚度弹性关节主动轴端朝下，所述膝关节处的变刚度弹性关节和髋关节处的变刚度弹性关节在结构上是一致的，但齿轮参数和涡卷弹簧参数可以不同。

进一步的，在髋关节处的变刚度弹性关节上方设置有腰部挡板，所述腰部挡板安装于髋关节处的变刚度弹性关节的端盖上，在髋关节处的变刚度弹性关节与膝关节处的变刚度弹性关节之间设置有大腿固定支架，所述大腿固定支架上方安装于髋关节处的变刚度弹性关节的主动轴上，大腿固定支架下方安装于膝关节处的变刚度弹性关节的端盖上，在膝关节处的变刚度弹性关节下方设置有小腿固定支架，小腿固定支架上方固定于膝关节处的变刚度弹性关节的主动轴上，在小腿固定支架下方设置有铰接于小腿固定支架上的足部托板，所述腰部挡板、大腿固定支架和小腿固定支架上均设置有绑带。

本发明提供的另一种技术方案是：一种下肢康复助行装置的工作方法，包括所述的下肢康复助行装置，其特征在于：

（1）患者利用绑带分别将腰部挡板绑紧固定于腰部，将大腿固定支架绑紧固定于大腿上，将小腿固定支架绑紧固定于小腿上；

（2）在患者行走的过程中，当大腿下降时伴随着膝关节伸直，大腿下降带动大腿固定支架绕髋关节处的变刚度弹性关节的主动轴逆时针转动，主动轴带动主轴弹簧套筒和不完全齿轮逆着涡卷弹簧A由内圈向外圈的延伸方向转动，使涡卷弹簧A进行储能，在膝关节伸直带动小腿固定支架绕膝关节处的变刚度弹性关节的主动轴顺时针转动，但由于膝关节处的变刚度弹性关节相对于髋关节处的变刚度弹性关节进行相向安装，此时膝关节处的变刚度弹性关节的主动轴也是带动主轴弹簧套筒和不完全齿轮逆着涡卷弹簧A由内圈向外圈的延伸方向转动，使涡卷弹簧A进行储能，在主动轴小角度转动一定角度的范围内，由于不完全齿轮外周未完全均布轮齿，所以此时不完全齿轮不能与从动齿轮啮合，当主动轴大角度的转动超过一定角度的范围时，此时不完全齿轮上的轮齿与从动齿轮上的轮齿啮合，不完全齿轮带动从动齿轮转动，使涡卷弹簧B也进行储能，通过涡卷弹簧A与涡卷弹簧B的配合，避免患者大腿下降和膝关节伸直过快，对患者造成伤害；

（3）在患者行走的过程中，当大腿抬升时伴随着膝关节弯曲，大腿下降带动大腿固定支架绕髋关节处的变刚度弹性关节的主动轴顺时针转动，主动轴带动主轴弹簧套筒和不完全齿轮顺着涡卷弹簧A由内圈向外圈的延伸方向转动，使涡卷弹簧A进行释放能量，在膝关节伸直带动小腿固定支架绕膝关节处的变刚度弹性关节的主动轴逆时针转动，但由于膝关节处的变刚度弹性关节相对于髋关节处的变刚度弹性关节进行相向安装，此时膝关节处的变刚度弹性关节的主动轴也是带动主轴弹簧套筒和不完全齿轮顺着涡卷弹簧A由内圈向外圈的延伸方向转动，使涡卷弹簧A进行释放能量，由于在步骤2中大腿下降时伴随着膝关节使不完全齿轮和从动齿轮保持啮合，此时在大腿抬升时伴随着膝关节弯曲的过程中，在主动轴小角度转动一定角度的范围内，不完全齿轮和从动齿轮保持啮合，使涡卷弹簧A与涡卷弹簧B均释放能量，为患者腿部抬升助力，当主动轴大角度的转动超过一定角度的范围时，此时不完全齿轮上的轮齿与从动齿轮上的轮齿不再啮合，此时只有涡卷弹簧A释放能量，对患者的助力减小，避免患者大腿抬升和膝关节弯曲幅度过大，对患者造成伤害。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明能使患者在下肢康复行走时进行助力，在腿部下降过程中能通过涡卷弹簧进行储能，对患者腿部下降产生一定阻力，避免患者大腿下降和膝关节伸直过快，对伤口造成伤害，在腿部抬升过程中能通过涡卷弹簧进行释放能量，对腿部进行助力，同时能避免患者腿部抬升的幅度过大。

为使得本发明的上述目的、特征和优点能够更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明图1的左视图；

图3为本发明变刚度弹性关节的结构示意图；

图4为本发明变刚度弹性关节的爆炸示意图；

图5为本发明变刚度弹性关节的内部结构示意图；

图6为本发明图5的右视图；

图中：100-绑带；200-大腿固定支架；300-小腿固定支架；400-足部托板；500-腰部挡板；600-变刚度弹性关节；601-外壳；602-轴承A；603-轴承B；604-轴承C；605-轴承D；606-销轴A；607-销轴B；608-轴承套筒；609-涡卷弹簧A；610-涡卷弹簧B；611-主轴弹簧套筒；612-从动轴弹簧套筒；613-不完全齿轮；614-从动齿轮；615-主动轴；616-从动轴；617-端盖；618-主轴孔。

具体实施方式

如图1~6所示，一种下肢康复助行装置，包括两个在竖直方向呈上下分布的变刚度弹性关节600，两个变刚度弹性关节600中位于上方的变刚度弹性关节600安装于髋关节处，两个变刚度弹性关节600中位于下方的变刚度弹性关节600安装于膝关节处，所述变刚度弹性关节600包括外壳601，外壳601内设置有主轴弹簧套筒611，在主轴弹簧套筒611右侧设置有外周未完全均布轮齿的不完全齿轮613，在主轴弹簧套筒611上设置有涡卷弹簧A609，在主轴弹簧套筒611下方设置有从动轴弹簧套筒612，从动轴弹簧套筒612右侧设置有外周完全均布轮齿的从动齿轮614，所述从动齿轮614的轮齿可以与不完全齿轮613的轮齿啮合，在主轴弹簧套筒611上设置有涡卷弹簧B610。

本实施例中，在主轴弹簧套筒611内穿设有主动轴615，主动轴615右端设置有轴承A602，主动轴615左端设置有轴承B603，在从动轴弹簧套筒612内穿设有从动轴616，从动轴616右端设置有轴承C604，从动轴616左端设置有轴承D605，轴承B603和轴承D605左端均设置有轴承套筒608，轴承套筒608左端面与外壳601左侧端面贴合，所述轴承B603和轴承D605的外圈均固定在外壳601上，所述外壳601右端设置有与外壳601相配合的端盖617，端盖617上设置有主轴孔618，主动轴615右端穿过主轴孔618延伸至端盖617右侧，所述轴承A602和轴承C604的外圈均固定在端盖617上。

本实施例中，涡卷弹簧A609上方设置有与涡卷弹簧A609相配合并为涡卷弹簧提供阻力的销轴A606，涡卷弹簧B610下方设置有与涡卷弹簧B610相配合并为涡卷弹簧提供阻力的销轴B607。

本实施例中，所述膝关节处的变刚度弹性关节600相对于髋关节处的变刚度弹性关节600进行相向安装，既髋关节处的变刚度弹性关节600的主动轴615端朝上，膝关节处的变刚度弹性关节600的主动轴615端朝下，所述膝关节处的变刚度弹性关节600和髋关节处的变刚度弹性关节600在结构上是一致的，但齿轮参数和涡卷弹簧参数可以不同。

本实施例中，在髋关节处的变刚度弹性关节600上方设置有腰部挡板500，所述腰部挡板500安装于髋关节处的变刚度弹性关节600的端盖617上，在髋关节处的变刚度弹性关节600与膝关节处的变刚度弹性关节600之间设置有大腿固定支架200，所述大腿固定支架200上方安装于髋关节处的变刚度弹性关节600的主动轴615上，大腿固定支架200下方安装于膝关节处的变刚度弹性关节600的端盖617上，在膝关节处的变刚度弹性关节600下方设置有小腿固定支架300，小腿固定支架300上方固定于膝关节处的变刚度弹性关节600的主动轴615上，在小腿固定支架300下方设置有铰接于小腿固定支架300上的足部托板400，所述腰部挡板500、大腿固定支架200和小腿固定支架300上均设置有绑带100。

一种下肢康复助行装置的工作方法，包括所述的下肢康复助行装置：

（1）患者利用绑带100分别将腰部挡板500绑紧固定于腰部，将大腿固定支架200绑紧固定于大腿上，将小腿固定支架300绑紧固定于小腿上；

（2）在患者行走的过程中，当大腿下降时伴随着膝关节伸直，大腿下降带动大腿固定支架200绕髋关节处的变刚度弹性关节600的主动轴615逆时针转动，主动轴615带动主轴弹簧套筒611和不完全齿轮613逆着涡卷弹簧A609由内圈向外圈的延伸方向转动，使涡卷弹簧A609进行储能，在膝关节伸直带动小腿固定支架300绕膝关节处的变刚度弹性关节600的主动轴615顺时针转动，但由于膝关节处的变刚度弹性关节600相对于髋关节处的变刚度弹性关节600进行相向安装，此时膝关节处的变刚度弹性关节600的主动轴615也是带动主轴弹簧套筒611和不完全齿轮613逆着涡卷弹簧A609由内圈向外圈的延伸方向转动，使涡卷弹簧A609进行储能，在主动轴615小角度转动一定角度的范围内，由于不完全齿轮613外周未完全均布轮齿，所以此时不完全齿轮613不能与从动齿轮614啮合，当主动轴615大角度的转动超过一定角度的范围时，此时不完全齿轮613上的轮齿与从动齿轮614上的轮齿啮合，不完全齿轮613带动从动齿轮614转动，使涡卷弹簧B610也进行储能，通过涡卷弹簧A609与涡卷弹簧B610的配合，避免患者大腿下降和膝关节伸直过快，对患者造成伤害；

（3）在患者行走的过程中，当大腿抬升时伴随着膝关节弯曲，大腿下降带动大腿固定支架200绕髋关节处的变刚度弹性关节600的主动轴615顺时针转动，主动轴615带动主轴弹簧套筒611和不完全齿轮613顺着涡卷弹簧A609由内圈向外圈的延伸方向转动，使涡卷弹簧A609进行释放能量，在膝关节伸直带动小腿固定支架300绕膝关节处的变刚度弹性关节600的主动轴615逆时针转动，但由于膝关节处的变刚度弹性关节600相对于髋关节处的变刚度弹性关节600进行相向安装，此时膝关节处的变刚度弹性关节600的主动轴615也是带动主轴弹簧套筒611和不完全齿轮613顺着涡卷弹簧A609由内圈向外圈的延伸方向转动，使涡卷弹簧A609进行释放能量，由于在步骤2中大腿下降时伴随着膝关节使不完全齿轮613和从动齿轮614保持啮合，此时在大腿抬升时伴随着膝关节弯曲的过程中，在主动轴615小角度转动一定角度的范围内，不完全齿轮613和从动齿轮614保持啮合，使涡卷弹簧A609与涡卷弹簧B610均释放能量，为患者腿部抬升助力，当主动轴615大角度的转动超过一定角度的范围时，此时不完全齿轮613上的轮齿与从动齿轮614上的轮齿不再啮合，此时只有涡卷弹簧A609释放能量，对患者的助力减小，避免患者大腿抬升和膝关节弯曲幅度过大，对患者造成伤害。

上述操作流程及软硬件配置，仅作为本发明的较佳实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种下肢康复助行装置，其特征在于：包括两个在竖直方向呈上下分布的变刚度弹性关节，两个变刚度弹性关节中位于上方的变刚度弹性关节安装于髋关节处，两个变刚度弹性关节中位于下方的变刚度弹性关节安装于膝关节处，所述变刚度弹性关节包括外壳，外壳内设置有主轴弹簧套筒，在主轴弹簧套筒右侧设置有外周未完全均布轮齿的不完全齿轮，在主轴弹簧套筒上设置有涡卷弹簧A，在主轴弹簧套筒下方设置有从动轴弹簧套筒，从动轴弹簧套筒右侧设置有外周完全均布轮齿的从动齿轮，所述从动齿轮的轮齿可以与不完全齿轮的轮齿啮合，在主轴弹簧套筒上设置有涡卷弹簧B。

2.根据权利要求1所述的下肢康复助行装置，其特征在于：在主轴弹簧套筒内穿设有主动轴，主动轴右端设置有轴承A，主动轴左端设置有轴承B，在从动轴弹簧套筒内穿设有从动轴，从动轴右端设置有轴承C，从动轴左端设置有轴承D，轴承B和轴承D左端均设置有轴承套筒，轴承套筒左端面与外壳左侧端面贴合，所述轴承B和轴承D的外圈均固定在外壳上，所述外壳右端设置有与外壳相配合的端盖，端盖上设置有主轴孔，主动轴右端穿过主轴孔延伸至端盖右侧，所述轴承A和轴承C的外圈均固定在端盖上。

3.根据权利要求1所述的下肢康复助行装置，其特征在于：涡卷弹簧A上方设置有与涡卷弹簧A相配合并为涡卷弹簧提供阻力的销轴A，涡卷弹簧B下方设置有与涡卷弹簧B相配合并为涡卷弹簧提供阻力的销轴B。

4.根据权利要求1所述的下肢康复助行装置，其特征在于：所述膝关节处的变刚度弹性关节相对于髋关节处的变刚度弹性关节进行相向安装，既髋关节处的变刚度弹性关节主动轴端朝上，膝关节处的变刚度弹性关节主动轴端朝下，所述膝关节处的变刚度弹性关节和髋关节处的变刚度弹性关节在结构上是一致的，但齿轮参数和涡卷弹簧参数可以不同。

5.根据权利要求1所述的下肢康复助行装置，其特征在于：在髋关节处的变刚度弹性关节上方设置有腰部挡板，所述腰部挡板安装于髋关节处的变刚度弹性关节的端盖上，在髋关节处的变刚度弹性关节与膝关节处的变刚度弹性关节之间设置有大腿固定支架，所述大腿固定支架上方安装于髋关节处的变刚度弹性关节的主动轴上，大腿固定支架下方安装于膝关节处的变刚度弹性关节的端盖上，在膝关节处的变刚度弹性关节下方设置有小腿固定支架，小腿固定支架上方固定于膝关节处的变刚度弹性关节的主动轴上，在小腿固定支架下方设置有铰接于小腿固定支架上的足部托板，所述腰部挡板、大腿固定支架和小腿固定支架上均设置有绑带。

6.一种下肢康复助行装置的工作方法，包括如权利要求1所述的下肢康复助行装置，其特征在于：

（1）患者利用绑带分别将腰部挡板绑紧固定于腰部，将大腿固定支架绑紧固定于大腿上，将小腿固定支架绑紧固定于小腿上；

（2）在患者行走的过程中，当大腿下降时伴随着膝关节伸直，大腿下降带动大腿固定支架绕髋关节处的变刚度弹性关节的主动轴逆时针转动，主动轴带动主轴弹簧套筒和不完全齿轮逆着涡卷弹簧A由内圈向外圈的延伸方向转动，使涡卷弹簧A进行储能，在膝关节伸直带动小腿固定支架绕膝关节处的变刚度弹性关节的主动轴顺时针转动，但由于膝关节处的变刚度弹性关节相对于髋关节处的变刚度弹性关节进行相向安装，此时膝关节处的变刚度弹性关节的主动轴也是带动主轴弹簧套筒和不完全齿轮逆着涡卷弹簧A由内圈向外圈的延伸方向转动，使涡卷弹簧A进行储能，在主动轴小角度转动一定角度的范围内，由于不完全齿轮外周未完全均布轮齿，所以此时不完全齿轮不能与从动齿轮啮合，当主动轴大角度的转动超过一定角度的范围时，此时不完全齿轮上的轮齿与从动齿轮上的轮齿啮合，不完全齿轮带动从动齿轮转动，使涡卷弹簧B也进行储能，通过涡卷弹簧A与涡卷弹簧B的配合，避免患者大腿下降和膝关节伸直过快，对患者成伤害；

（3）在患者行走的过程中，当大腿抬升时伴随着膝关节弯曲，大腿下降带动大腿固定支架绕髋关节处的变刚度弹性关节的主动轴顺时针转动，主动轴带动主轴弹簧套筒和不完全齿轮顺着涡卷弹簧A由内圈向外圈的延伸方向转动，使涡卷弹簧A进行释放能量，在膝关节伸直带动小腿固定支架绕膝关节处的变刚度弹性关节的主动轴逆时针转动，但由于膝关节处的变刚度弹性关节相对于髋关节处的变刚度弹性关节进行相向安装，此时膝关节处的变刚度弹性关节的主动轴也是带动主轴弹簧套筒和不完全齿轮顺着涡卷弹簧A由内圈向外圈的延伸方向转动，使涡卷弹簧A进行释放能量，由于在步骤2中大腿下降时伴随着膝关节使不完全齿轮和从动齿轮保持啮合，此时在大腿抬升时伴随着膝关节弯曲的过程中，在主动轴小角度转动一定角度的范围内，不完全齿轮和从动齿轮保持啮合，使涡卷弹簧A与涡卷弹簧B均释放能量，为患者腿部抬升助力，当主动轴大角度的转动超过一定角度的范围时，此时不完全齿轮上的轮齿与从动齿轮上的轮齿不再啮合，此时只有涡卷弹簧A释放能量，对患者的助力减小，避免患者大腿抬升和膝关节弯曲幅度过大，对患者造成伤害。