CN109227521B - 被动储能式重力支撑下肢外骨骼 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种被动储能式重力支撑下肢外骨骼，包括腰部支撑组件及对称设置于所述腰部支撑组件两侧的两下肢外骨骼组件，所述下肢外骨骼组件包括通过髋关节运动组件与所述腰部支撑组件连接的股骨支撑杆、与所述股骨支撑杆通过膝关节运动组件连接的胫骨支撑杆、与所述胫骨支撑杆通过踝关节运动组件连接的足底支撑板组件、髋关节储能组件、膝关节储能组件及踝关节储能组件。本发明的被动储能式重力支撑下肢外骨骼适用于因下肢关节、肌肉组织损伤或骨骼疾病引起的下肢功能障碍或功能受限的患者,可以辅助患者进行正常的平地行走以及上下楼梯，实现患者生活自理，减缓患者的生理疼痛感，减轻患者家属的经济和精力负担，具有很好的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及助力外骨骼领域，特别涉及一种被动储能式重力支撑下肢外骨骼。
背景技术
下肢功能障碍的患者由于下肢长期不能活动，将引起肌肉、肌腱和结缔组织特性的改变，造成肌肉僵硬，出现肌肉萎缩；职业性肌肉骨骼损伤已成为西方国家职业经济赔偿和职业安全与健康急需解决的问题，我国体力劳动人员职业性肌肉骨骼损伤也呈高发态势，患病率高达20％至90％，涉及电子、建筑、冶金、汽车和机械制造等行业。此时下肢外骨骼机器人就起到了不可替代的作用，不仅可以满足下肢功能障碍的患者下肢大范围运动、社区内步行的需求，而且可以用于体力劳动人员在从事重体力劳动时提供支持和保护，从而减少常见的劳动损伤。但现有的下肢外骨骼设备往往存在结构复杂、体积庞大、价格昂贵、使用不便利等缺陷，难以满足患者的实际需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种被动储能式重力支撑下肢外骨骼。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种被动储能式重力支撑下肢外骨骼，包括腰部支撑组件及对称设置于所述腰部支撑组件两侧的两下肢外骨骼组件，所述下肢外骨骼组件包括通过髋关节运动组件与所述腰部支撑组件连接的股骨支撑杆、与所述股骨支撑杆通过膝关节运动组件连接的胫骨支撑杆、与所述胫骨支撑杆通过踝关节运动组件连接的足底支撑板组件、设置于髋关节处的髋关节储能组件、设置于膝关节处的膝关节储能组件及设置于踝关节处的踝关节储能组件。
优选的是，所述髋关节储能组件、膝关节储能组件和踝关节储能组件中的储能元件均为无级变刚度弹簧储能元件，其包括：内部中空的支撑外壳、设置在所述支撑外壳内的内部中空的旋转轴、设置在所述支撑外壳内的压缩挡块、一端与所述压缩挡块连接且另一自由端穿过所述旋转轴中部向上伸出所述支撑外壳的拉绳、连接于所述拉绳的自由端上的连接柱及底端与所述压缩挡块固接且上端套设在所述旋转轴上的压缩弹簧。
优选的是，所述旋转轴上端设置有用于调节所述压缩弹簧的压缩量的调节手轮。
优选的是，所述旋转轴上部的外壁上开设有螺距与所述压缩弹簧相同的螺旋槽，所述弹簧的上端卡设在所述螺旋槽内。
优选的是，所述支撑外壳的外壁上开设有贯通至其内部的竖向导向槽，所述压缩挡块的侧部开设有插孔，所述竖向导向槽内插设有内端深入所述插孔内的调节柱；所述调节柱可在所述导向槽内上下移动；所述支撑外壳的外壁上还设置有可上下移动的调节挡块；所述调节挡块上插设有用于将所述调节挡块连接在所述支撑外壳上的锁紧螺钉。
优选的是，所述髋关节储能组件包括固定于所述股骨支撑杆上的所述无级变刚度弹簧储能元件及固定于所述髋关节运动组件上的髋关节拉绳固定组件；
所述膝关节储能组件包括固定于所述股骨支撑杆上的所述无级变刚度弹簧储能元件及固定于所述胫骨支撑杆上的膝关节拉绳固定组件；
所述踝关节储能组件包括固定于所述胫骨支撑杆上的所述无级变刚度弹簧储能元件及固定于所述踝关节运动组件上的踝关节拉绳固定组件，所述踝关节拉绳固定组件与膝关节拉绳固定组的结构相同。
优选的是，所述膝关节拉绳固定组件包括连接于所述胫骨支撑杆上的固定座、开设在所述固定座上的用于容纳所述连接柱的固定槽、水平并排设置在所述固定座上的两导向转轴及设置在所述固定座上的锁紧插柱。
优选的是，所述无级变刚度弹簧储能元件的拉绳的自由端穿过所述两导向转轴之间，拉绳的自由端上连接的连接柱配合设置在所述固定槽内；
所述固定座上开设有螺纹孔，所述锁紧插柱包括配合插设在所述螺纹孔内的螺柱、连接于所述螺柱一端的旋转头及套设在所述螺柱上且处于所述旋转头和固定座之间的缓冲弹簧；所述螺柱的另一端用于穿过所述螺纹孔并顶贴在所述连接柱一侧，以将所述连接柱限制于所述固定槽内。
优选的是，所述股骨支撑杆和胫骨支撑杆均可伸缩。
优选的是，所述足底支撑板组件上设置有柔性压力传感器。
本发明的有益效果是：
本发明的被动储能式重力支撑下肢外骨骼，每个关节运动部分都安装有无级变刚度弹簧储能元件，可以在一个步态周期内对下肢各关节能量进行循环的储存与释放，帮助患者助力行走，以及完成特定的主动训练动作；
本发明的腰部支撑组件将患者的一部分体重传递到地面，减轻患者的体重对患侧关节以及肌肉组织的负载，实现主动式助力行走，且可以通过足底压力传感器监测重力辅助支撑状态；
本发明的各关节均采用绳传动的关节传动方式，能减小关节传动结构的体积，减轻下肢外骨骼的各关节重量；
本发明的被动储能式重力支撑下肢外骨骼适用于因下肢关节、肌肉组织损伤或骨骼疾病引起的下肢功能障碍或功能受限的患者,可以辅助患者进行正常的平地行走以及上下楼梯，实现患者生活自理，减缓患者的生理疼痛感，减轻患者家属的经济和精力负担，具有很好的应用价值。
附图说明
图1为本发明的被动储能式重力支撑下肢外骨骼的结构示意图；
图2为本发明的无级变刚度弹簧储能元件卸去连接块后的剖视结构示意图；
图3为本发明的无级变刚度弹簧储能元件的外部结构示意图；
图4为本发明的无级变刚度弹簧储能元件与调节挡块分解后的结构示意图；
图5为本发明的旋转轴的结构示意图；
图6为本发明的图1中A处的局部放大结构示意图。
附图标记说明：
1—腰部支撑组件；2—下肢外骨骼组件；3—髋关节储能组件；4—膝关节储能组件；5—踝关节储能组件；6—无级变刚度弹簧储能元件；20—髋关节运动组件；21—股骨支撑杆；22—膝关节运动组件；23—胫骨支撑杆；24—踝关节运动组件；25—足底支撑板组件；30—髋关节拉绳固定组件；40—膝关节拉绳固定组件；41—固定座；42—固定槽；43—导向转轴；44—锁紧插柱；45—螺纹孔；46—螺柱；47—旋转头；48—缓冲弹簧；50—踝关节拉绳固定组件；61—支撑外壳；62—旋转轴；63—压缩挡块；64—拉绳；65—压缩弹簧；66—调节手轮；67—连接块；70—竖向导向槽；71—插孔；72—调节柱；73—调节挡块；74—弧形槽；75—锁紧螺钉；76—螺旋槽；77—轴承；78—轴承端盖；640—连接柱。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
如图1-6所示，本实施例的一种被动储能式重力支撑下肢外骨骼，包括腰部支撑组件1及对称设置于腰部支撑组件1两侧的两下肢外骨骼组件2，下肢外骨骼组件2包括通过髋关节运动组件20与腰部支撑组件1连接的股骨支撑杆21、与股骨支撑杆21通过膝关节运动组件222连接的胫骨支撑杆23、与胫骨支撑杆23通过踝关节运动组件24连接的足底支撑板组件25、设置于髋关节处的髋关节储能组件3、设置于膝关节处的膝关节储能组件4及设置于踝关节处的踝关节储能组件5。
髋关节储能组件3、膝关节储能组件4和踝关节储能组件5中的储能元件均为无级变刚度弹簧储能元件6。
在一种实施例中，无级变刚度弹簧储能元件6包括：内部中空的支撑外壳61、设置在支撑外壳61内的内部中空的旋转轴62、设置在支撑外壳61内的压缩挡块63、底端与压缩挡块63连接且上端穿过旋转轴62中部向上伸出支撑外壳61的拉绳64及底端与压缩挡块63固接且上端套设在旋转轴62上的压缩弹簧65。压缩弹簧65为圆柱螺旋压缩弹簧65。
进一步的，在一种实施例中，旋转轴62的上部外周套设有轴承77，轴承77的上端设置有与支撑外壳61固接的轴承端盖78。支撑外壳61上还设置有用于与外骨骼设备相连的连接块67。轴承77用来固定旋转轴62，保证旋转轴62能够带动圆柱弹簧进行储能。轴承端盖78为轴承77提供固定。
其中，旋转轴62上端设置有用于调节圆柱螺旋压缩弹簧65的压缩量的调节手轮66；调节手轮66套设在旋转轴62顶端，并与之固定。
其中，旋转轴62上部的外壁上开设有螺距与压缩弹簧65相同的螺旋槽76，弹簧的上端卡设在螺旋槽76内。压缩弹簧65的压缩端与下方压缩挡块63固定连接。拉绳64与圆柱螺旋压缩弹簧65压缩端所固定的压缩挡块63相连，拉绳64的拉动带动压缩挡块63，实现压缩弹簧65的储能。
其中，通过转动调节手轮66，带动旋转轴62旋转，旋转轴62与压缩弹簧65之间发生螺旋转动，从而增加或减少处于旋转轴62和压缩挡块63之间的压缩弹簧65的有效工作圈数，从而控制弹簧的压缩量，实现压缩弹簧65刚度的无级改变，实现能量储存量的控制。例如，参照图2，顺时针旋转转动调节手轮66，带动旋转轴62顺时针旋转，压缩弹簧65上端在螺旋槽76的引导作用下向上转动，更多圈数的压缩弹簧65旋入螺旋槽76内，相当于压缩弹簧65在旋转轴62上向上移动，使固定于旋转轴62和压缩挡块63之间的压缩弹簧65的有效圈数减少；反之，逆时针转动调节手轮66时，使固定于旋转轴62和压缩挡块63之间的压缩弹簧65的有效圈数增多，从而实现能产生弹力作用的有效的压缩弹簧655数量的调节，从而控制弹簧的压缩量，实现能量储存量的控制调节，以适应不同的使用情况。
在一种实施例中，支撑外壳61的外壁上开设有贯通至其内部的竖向导向槽70，压缩挡块63的侧部开设有插孔71，竖向导向槽70内插设有内端深入插孔71内的调节柱72。调节柱72可在导向槽内上下移动；使压缩挡块63能在一定范围内上下移动。支撑外壳61的外壁上还设置有可上下移动的调节挡块73；调节挡块73用于对调节柱72向上的移动范围进行限位。调节挡块73的下端开设有用于与调节柱72配合接触的弧形槽74，便于调节挡块73挡住调节柱72。调节挡块73上插设有用于将调节挡块73连接在支撑外壳61上的锁紧螺钉75。
其中，调节挡块73用来控制压缩弹簧65可调的范围，用锁紧螺钉75固定在外壳上。压缩挡块63在拉绳64的作用下，带动弹簧发生形变，压缩挡块63上的调节柱72沿竖向导向槽70移动，使压缩挡块63能上下滑动。例如，将调节挡块73向上移动再通过锁紧螺钉75后，使压缩挡块63能向上移动的距离增大，在拉绳64的作用下，压缩挡块63能向上移动更多，使压缩弹簧65压缩更多。
在一种实施例中，髋关节储能组件3包括固定于股骨支撑杆21上的无级变刚度弹簧储能元件6及固定于髋关节运动组件20上的髋关节拉绳64固定组件30；膝关节储能组件4包括固定于股骨支撑杆21上的无级变刚度弹簧储能元件6及固定于胫骨支撑杆23上的膝关节拉绳64固定组件40；踝关节储能组件5包括固定于胫骨支撑杆23上的无级变刚度弹簧储能元件6及固定于踝关节运动组件24上的踝关节拉绳64固定组件50，踝关节拉绳64固定组件50与膝关节拉绳64固定组的结构相同。
在一种实施例中，膝关节拉绳64固定组件40包括连接于胫骨支撑杆23上的固定座41、开设在固定座41上的用于容纳连接柱640的固定槽42、水平并排设置在固定座41上的两导向转轴43及设置在固定座41上的锁紧插柱44；无级变刚度弹簧储能元件6的拉绳64的自由端穿过两导向转轴43之间，拉绳64的自由端上连接的连接柱640配合设置在固定槽42内；
固定座41上开设有螺纹孔45，锁紧插柱44包括配合插设在螺纹孔45内的螺柱46、连接于螺柱46一端的旋转头47及套设在螺柱46上且处于旋转头47和固定座41之间的缓冲弹簧48；螺柱46的另一端用于穿过螺纹孔45并顶贴在连接柱640一侧，以将连接柱640限制于固定槽42内。
其中，无级变刚度弹簧储能元件6的拉绳64的自由端固定在固定座41内，关节主动运动使拉动拉绳64，从而压缩无级变刚度弹簧储能元件6中的压缩弹簧65，进行储能；在一个步态周期内则释放储存的能量，压缩弹簧65拉动拉绳64，以辅助带动关节运动，帮助患者完成动作。例如，膝关节屈曲时，拉动拉绳64，无级变刚度弹簧储能元件6进行储能；当膝关节伸展时，压缩弹簧65拉动拉绳64，无级变刚度弹簧储能元件6释放储存的能量，辅助带动膝关节伸展。
下肢外骨骼的各关节均采用绳传动的关节传动方式，能减小关节传动结构的体积，减轻下肢外骨骼的各关节重量。
股骨支撑杆21和胫骨支撑杆23均可伸缩，以便于使用。胫骨支撑杆23、股骨支撑杆21和腰部支撑杆拟选用密度小、强度高的碳纤维管，减轻支撑件的重量，满足下肢外骨骼轻量化设计要求。通过下肢外骨骼的腰部支撑组件1以及股骨支撑杆21、胫骨支撑杆23实现对穿戴者的重力辅助支撑，减轻体重对于患侧肢体的负载。
足底支撑板组件25上设置有柔性压力传感器。柔性压力传感器能对患者的足底压力进行实时检测，并将检测结果传输至外部上位机。在一种实施例中，通过无线采集模块采集柔性压力传感器的信号输出，传输到上位机，并进行数据分析处理。
单腿具有多个自由度，其中髋关节运动组件20的自由度包括外旋/内旋、外摆/内收、前屈/后伸，膝关节运动组件22的自由度包括屈曲/伸展，踝关节运动组件24的自由度包括外翻/内翻、背屈/趾屈。通过合理配置外骨骼各关节的自由度，能满足穿戴者正常行走。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。
Claims (6)
1.一种被动储能式重力支撑下肢外骨骼，其特征在于，包括腰部支撑组件及对称设置于所述腰部支撑组件两侧的两下肢外骨骼组件，所述下肢外骨骼组件包括通过髋关节运动组件与所述腰部支撑组件连接的股骨支撑杆、与所述股骨支撑杆通过膝关节运动组件连接的胫骨支撑杆、与所述胫骨支撑杆通过踝关节运动组件连接的足底支撑板组件、设置于髋关节处的髋关节储能组件、设置于膝关节处的膝关节储能组件及设置于踝关节处的踝关节储能组件；
所述髋关节储能组件、膝关节储能组件和踝关节储能组件中的储能元件均为无级变刚度弹簧储能元件，其包括：内部中空的支撑外壳、设置在所述支撑外壳内的内部中空的旋转轴、设置在所述支撑外壳内的压缩挡块、一端与所述压缩挡块连接且另一自由端穿过所述旋转轴中部向上伸出所述支撑外壳的拉绳、连接于所述拉绳的自由端上的连接柱及底端与所述压缩挡块固接且上端套设在所述旋转轴上的压缩弹簧；
所述旋转轴上端设置有用于调节所述压缩弹簧的压缩量的调节手轮；
所述旋转轴上部的外壁上开设有螺距与所述压缩弹簧相同的螺旋槽，所述弹簧的上端卡设在所述螺旋槽内；
所述足底支撑板组件上设置有柔性压力传感器。
2.根据权利要求1所述的被动储能式重力支撑下肢外骨骼，其特征在于，所述支撑外壳的外壁上开设有贯通至其内部的竖向导向槽，所述压缩挡块的侧部开设有插孔，所述竖向导向槽内插设有内端深入所述插孔内的调节柱；所述调节柱可在所述导向槽内上下移动；所述支撑外壳的外壁上还设置有可上下移动的调节挡块；所述调节挡块上插设有用于将所述调节挡块连接在所述支撑外壳上的锁紧螺钉。
3.根据权利要求2所述的被动储能式重力支撑下肢外骨骼，其特征在于，所述髋关节储能组件包括固定于所述股骨支撑杆上的所述无级变刚度弹簧储能元件及固定于所述髋关节运动组件上的髋关节拉绳固定组件；
所述膝关节储能组件包括固定于所述股骨支撑杆上的所述无级变刚度弹簧储能元件及固定于所述胫骨支撑杆上的膝关节拉绳固定组件；
所述踝关节储能组件包括固定于所述胫骨支撑杆上的所述无级变刚度弹簧储能元件及固定于所述踝关节运动组件上的踝关节拉绳固定组件，所述踝关节拉绳固定组件与膝关节拉绳固定组件的结构相同。
4.根据权利要求3所述的被动储能式重力支撑下肢外骨骼，其特征在于，所述膝关节拉绳固定组件包括连接于所述胫骨支撑杆上的固定座、开设在所述固定座上的用于容纳所述连接柱的固定槽、水平并排设置在所述固定座上的两导向转轴及设置在所述固定座上的锁紧插柱。
5.根据权利要求4所述的被动储能式重力支撑下肢外骨骼，其特征在于，所述无级变刚度弹簧储能元件的拉绳的自由端穿过所述两导向转轴之间，拉绳的自由端上连接的连接柱配合设置在所述固定槽内；
所述固定座上开设有螺纹孔，所述锁紧插柱包括配合插设在所述螺纹孔内的螺柱、连接于所述螺柱一端的旋转头及套设在所述螺柱上且处于所述旋转头和固定座之间的缓冲弹簧；所述螺柱的另一端用于穿过所述螺纹孔并顶贴在所述连接柱一侧，以将所述连接柱限制于所述固定槽内。
6.根据权利要求1所述的被动储能式重力支撑下肢外骨骼，其特征在于，所述股骨支撑杆和胫骨支撑杆均可伸缩。
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