CN109674626A - 髋关节可外展内收的动力式下肢外骨骼 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种髋关节可外展内收的动力式下肢外骨骼，包括：膝关节组件、大腿支条组件、髋关节组件、骨盆支架组件、无动力膝关节、小腿支条和足托，其中，大腿支条组件包括大腿杆和大腿鞘；髋关节组件包括并联柔性驱动器、髋关节限位件和髋关节安装板；骨盆支架组件包括左主板、右主板、左调节板、右调节板、左背板、右背板和内收外展轴；左足托和右足托的内侧均通过小腿支条连接无动力膝关节和大腿鞘，左足托和右足托的外侧均通过小腿支条依次连接膝关节组件、大腿支条组件、髋关节组件和骨盆支架组件。该外骨骼可调节的尺寸包括大腿长度和骨盆支架高度、宽度和前后距离等，这使外骨骼与使用者的身体更为贴合，从而提高人机融合程度。

Description

髋关节可外展内收的动力式下肢外骨骼

技术领域

本发明涉及康复工程技术领域，特别涉及一种髋关节可外展内收的动力式下肢外骨骼。

背景技术

动力式下肢外骨骼起源于军事领域，用于增强士兵行走和负重能力，后来逐渐转为民用，目的在于辅助截瘫患者重建行走功能、为下肢运动功能减弱的老年人提供行走助力。该设备结合了人类的智能和机械的动力，它通过系统程序控制，利用液压、气压和电机等驱动装置实现设备本身的关节转动，通过医用绑带将交互力传递至人体，代偿人体下肢运动功能受损的肌肉，实现人体关节的转动，从而帮助截瘫患者和下肢运动功能减弱的老年人实现行走，从而在一定程度上恢复其行走能力，提高生活质量。

外骨骼探索阶段开始于20世纪60年代，学者根据下肢运动系统理论设计了首次用于截瘫患者的动力仿人外骨骼。20世纪80年代，动力式外骨骼进入了积累阶段，比如，我国第一款下肢动力外骨骼—下肢高位截瘫患者用电动步行机，再比如，HAL-1主要在日常活动中为使用者提供身体上的支撑，使动力式外骨骼不仅面向截瘫患者，也面向老年人等。21世纪动力式设备迈入快速发展阶段，ReWalk和eLEGS目前已经用于临床使用并商业化，可帮助患者在多种环境下活动。学者在HAL-1的基础上设计了HAL-3和HAL-5，面向对象为下肢肌力减弱的老年人和患有运动功能障碍的残疾人。2010年后，学者们转向对柔性外骨骼的研究，并于2018年应用于偏瘫患者。

相关技术中，动力式下肢外骨骼主要分为刚性和柔性动力式下肢外骨骼两类。刚性动力式下肢外骨骼，利用电机、液压或气压等驱动装置驱动外骨骼本身的关节转动，通过钢条或碳纤维等刚性材料连接髋、膝和踝关节驱动器，采用医用绑带捆绑使用者腰部、大小腿将交互力传递给人体。由于外骨骼驱动关节和支撑结构均为刚性，而人体骨骼为刚性，外部附着肌肉、人体皮肤等具有弹性的组织，因此运动中使用者为了克服外骨骼的刚性约束和有限的自由度不得不做无用功，而外骨骼为了克服人的抵抗力需要输出更多的能量，人机之间运动的不协调导致使用者生理能量代谢比较高。

刚性外骨骼普遍存在人机融合程度不够，驱动器体积大并且重，动力源能耗大等问题。柔性动力式下肢外骨骼，例如Exosuit，将柔性缆绳与人体腿部肌肉形成并联系统，通过驱动器拉动缆绳，利用缆绳的伸缩带动人体关节转动。采用柔性介质传力，在一定程度上降低了人机的不良交互力，但对于截瘫患者这种特殊人群，由于丧失对下肢肌肉的运动控制能力，无法调节关节的刚度，导致行走过程中无法在摆动期支撑身体，因此柔性外骨骼并不适用于下肢肌力丧失或极其微弱的患者。

发明内容

本发明的发明人在背景技术的基础上得出，针对截瘫患者的动力式外骨骼，应以刚性结构为主，并充分保证行走过程中患者的安全，在此基础上，适当增加外骨骼自由度，以及使其与使用者的身体更为贴合，避免人机产生过大的相对位移，从而提高外骨骼传力效率，降低使用者能耗。

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种髋关节可外展内收的动力式下肢外骨骼，提供更符合人体结构和运动特性的动力式外骨骼，可提高人机融合程度，达到助力助残的目的。

为达到上述目的，本发明实施例提出了一种髋关节可外展内收的动力式下肢外骨骼，包括：膝关节组件，所述膝关节组件包括电驱动器和膝关节限位件；大腿支条组件，所述大腿支条组件包括大腿杆和大腿鞘；髋关节组件，所述髋关节组件包括并联柔性驱动器、髋关节限位件和髋关节安装板，骨盆支架组件，所述骨盆支架组件包括左主板、右主板、左调节板、右调节板、左背板、右背板和内收外展轴；无动力膝关节、小腿支条和足托，其中，所述足托包括左足托和右足托，所述左足托和所述右足托的内侧均通过所述小腿支条连接所述无动力膝关节和所述大腿鞘，所述左足托和所述右足托的外侧均通过所述小腿支条依次连接所述膝关节组件、所述大腿支条组件、所述髋关节组件和所述骨盆支架组件。

本发明实施例的髋关节可外展内收的动力式下肢外骨骼，外骨骼尺寸可根据使用者身材调节，这具体包括：骨盆的高度、宽度、前后距离以及大腿长度，并且大腿杆内收角度与人体股骨保持一致；另外，髋关节可绕骨盆上的内收外展轴被动式外展内收，提供更符合人体结构和运动特性的动力式外骨骼，提高人机融合程度，达到助力助残的目的。

另外，根据本发明上述实施例的髋关节可外展内收的动力式下肢外骨骼还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，骨盆支架组件还包括轴承。

进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，所述内收外展轴套设在所述轴承内圈上，所述内收外展轴固定在所述左调节板上，且所述轴承外圈套设在所述右调节板上，以使得髋关节绕内收外展轴被动式外展内收。进一步地，在本发明的一个实施例中，所述髋关节安装板包括左安装板和右安装板，其中，所述左安装板、所述右安装板、所述左主板和所述右主板上均设置有多个安装孔，所述左安装板和所述左主板、以及所述右安装板和所述右主板均通过多个安装孔进行限位固定，以调节骨盆支架的高度。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述左背板和所述右背板均设置有多个安装孔，其中，所述左背板和所述左主板、以及所述右背板和所述右主板均通过多个安装孔进行限位固定，以调节所述骨盆支架的前后距离。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述左调节板和右调节板均设置有多个安装孔，其中，所述左调节板和所述左背板、以及所述右调节板与所述右背板均通过多个安装孔进行限位固定，以调节所述骨盆支架的宽度。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述大腿杆相对所述大腿鞘的内侧进行滑动并锁紧固定，以调节大腿支条的长度。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的髋关节可外展内收的动力式下肢外骨骼的结构示意图；

图2为根据本发明一个实施例的髋关节可外展内收的动力式下肢外骨骼实施例的骨盆支架组件正视及俯视剖切图；

图3为根据本发明一个实施例的髋关节可外展内收的动力式下肢外骨骼实施例的髋关节组件及大腿组件结构图；

图4为根据本发明一个实施例的髋关节可外展内收的动力式下肢外骨骼膝关节组件结构图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明实施例的核心构思在于，本发明实施例在背板中心设计转轴，同时实现髋关节外展内收；在骨盆支架各组件上设计了一系列安装孔，通过安装孔在左右、前后和上下方向的配合固定实现外骨骼尺寸可调节功能，既保持外骨骼结构紧凑、简单的优点，又提高了人机融合程度。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的髋关节可外展内收的动力式下肢外骨骼。

图1是本发明一个实施例的髋关节可外展内收的动力式下肢外骨骼的结构示意图。

如图1所示，该髋关节可外展内收的动力式下肢外骨骼100包括：足托1、小腿支条2、膝关节组件3、无动力膝关节4、大腿支条组件5、髋关节组件6和骨盆支架组件7。

其中，膝关节组件3包括电驱动器和膝关节限位件。大腿支条组件5包括大腿杆和大腿鞘。髋关节组件6包括并联柔性驱动器、髋关节限位件和髋关节安装板。骨盆支架组件7包括左主板、右主板、左调节板、右调节板、左背板、右背板和内收外展轴。无动力膝关节4、小腿支条2和足托1，其中，足托1包括左足托和右足托，左足托和右足托的内侧均通过小腿支条2连接无动力膝关节4和大腿鞘，左足托和右足托的外侧均通过小腿支条2依次连接膝关节组件3、大腿支条组件5、髋关节组件6和骨盆支架组件7。本发明实施例的髋关节可外展内收的动力式下肢外骨骼100可调节的尺寸包括大腿长度和骨盆支架高度、宽度和前后距离等，更外骨骼与使用者的身体更为贴合，提高人机融合程度。

可以理解的是，髋关节可外展内收的动力式下肢外骨骼100有效克服现有动力式下肢外骨骼存在的不足，其由固定患者足、踝和小腿的足托1，经由小腿支条2、膝关节组件3、大腿支条组件5、髋关节组件6与骨盆支架组件7相连，其中小腿支条2和大腿支条组件5起到支撑和连接作用，大腿内侧为无动力膝关节4，大腿外侧为由电驱动的膝关节组件3。

进一步地，在本发明的一个实施例中，骨盆支架组件7还包括轴承，其中，内收外展轴套设在轴承内圈上，内收外展轴固定在左调节板上，且轴承外圈套设在右调节板上，以使得髋关节绕内收外展轴被动式外展内收。

可以理解的是，骨盆支架上左、右调节板分别套设在轴承内、外圈，使得髋关节能够绕内收外展轴被动式外展内收。

具体而言，如图2所示，图的上方为骨盆支架组件7正视图，下方为骨盆支架组件7俯视剖切图，水平切面过内收外展轴7.3的中心轴线。左调节板7.4与内收外展轴7.3固连，内收外展轴7.3套设在轴承内圈7.7上，轴承外圈7.8套设在右调节板7.2上，从而使躯干相对静止时髋关节能够绕内收外展轴被动外展内收；在骨盆支架组件7上设计了一系列安装孔，骨盆左背板7.5和骨盆右背板7.1通过安装孔分别与骨盆支架左调节板7.4和骨盆支架右调节板7.2配合固定，不同骨盆背板安装孔配合可实现骨盆支架宽度的调节。

进一步地，在本发明的一个实施例中，髋关节安装板包括左安装板和右安装板，其中，左安装板、右安装板、左主板和右主板上均设置有多个安装孔，左安装板和左主板、以及右安装板和右主板均通过多个安装孔进行限位固定，以调节骨盆支架的高度。

可以理解的是，骨盆支架可相对髋关节上下移动，且通过骨盆左右主板与髋关节左右安装板上安装孔的配合，限位固定，实现骨盆支架高度调节。

进一步地，在本发明的一个实施例中，左背板和右背板均设置有多个安装孔，其中，左背板和左主板、以及右背板和右主板均通过多个安装孔进行限位固定，以调节骨盆支架的前后距离。

可以理解的是，骨盆支架可相对髋关节前后移动，可通过骨盆左右背板与左右主板上安装孔的配合，限位固定，实现骨盆支架前后距离调节。

进一步地，在本发明的一个实施例中，左调节板和右调节板均设置有多个安装孔，其中，左调节板和左背板、以及右调节板与右背板均通过多个安装孔进行限位固定，以调节骨盆支架的宽度。

可以理解的是，骨盆左右背板可相对于左右调节板左右移动，并通过背板和调节板上安装孔的配合，限位固定，实现骨盆支架宽度调节。

进一步地，在本发明的一个实施例中，大腿杆相对大腿鞘的内侧进行滑动并锁紧固定，以调节大腿支条的长度。

可以理解的是，大腿支条组件中的大腿杆可在大腿鞘内相对滑动并锁紧固定，实现大腿支条长度调节。

具体而言，如图3所示，图3为，髋关节可外展内收的动力式下肢外骨骼实施例的髋关节组件6及大腿组件5结构图。图以髋关节组件6和大腿组件5左侧具体描述，右侧与左侧结构相对称。左髋关节组件6包括左髋关节并联柔性驱动器6.3、左髋关节限位件6.2、左髋关节安装板6.1。左髋关节安装板6.1与骨盆支架左主板7.6上不同安装孔配合固定可实现骨盆支架高度的调节；骨盆支架左主板7.6与骨盆支架左背板7.5上不同安装孔配合固定可实现骨盆支架前后距离的调节。大腿支条组件5中，大腿杆5.1可在大腿鞘5.2内相对滑动，大腿杆限位孔5.3可与大腿鞘圆形凸起5.4配合来锁紧固定大腿杆5.1，从而实现大腿支条长度的调节，大腿鞘5.2上设计有绑带固定孔5.5。

另外，如图4所示，髋关节可外展内收的动力式下肢外骨骼实施例的膝关节组件3。膝关节组件3主要包括膝关节限位件3.1、电驱动器3.2。

根据本发明实施例提出的髋关节可外展内收的动力式下肢外骨骼，将左、右调节板分别套设在轴承内、外圈，从而使躯干相对静止时髋关节能够绕内收外展轴被动外展内收；同时，在骨盆支架各组件上设计了一系列安装孔，骨盆左右背板通过安装孔分别与左右调节板配合固定，通过不同安装孔配合固定可实现骨盆支架宽度的调节；骨盆左右主板和左右髋关节上不同安装孔的配合固定可实现骨盆支架高度的调节；骨盆左右主板和骨盆左右背板上不同安装孔的配合固定可实现骨盆支架前后距离的调节；大腿杆可在大腿鞘内相对滑动并锁紧固定，从而实现大腿支条长度可调节；同时大腿杆采用内收设计与人体股骨在冠状面保持平行。通过以上部件和结构设计，可使得下肢动力外骨骼与人体生理结构更匹配，行走过程中与患者的运动更协调。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种髋关节可外展内收的动力式下肢外骨骼，其特征在于，包括：

膝关节组件，所述膝关节组件包括电驱动器和膝关节限位件；

大腿支条组件，所述大腿支条组件包括大腿杆和大腿鞘；

髋关节组件，所述髋关节组件包括并联柔性驱动器、髋关节限位件和髋关节安装板；

骨盆支架组件，所述骨盆支架组件包括左主板、右主板、左调节板、右调节板、左背板、右背板和内收外展轴；以及

无动力膝关节、小腿支条和足托，其中，所述足托包括左足托和右足托，所述左足托和所述右足托的内侧均通过所述小腿支条连接所述无动力膝关节和所述大腿鞘，所述左足托和所述右足托的外侧均通过所述小腿支条依次连接所述膝关节组件、所述大腿支条组件、所述髋关节组件和所述骨盆支架组件。

2.根据权利要求1所述的髋关节可外展内收的动力式下肢外骨骼，其特征在于，骨盆支架组件还包括轴承。

3.根据权利要求2所述的髋关节可外展内收的动力式下肢外骨骼，其特征在于，其中，

所述内收外展轴套设在所述轴承内圈上，所述内收外展轴固定在所述左调节板上，且所述轴承外圈套设在所述右调节板上，以使得髋关节绕内收外展轴被动式外展内收。

4.根据权利要求1所述的髋关节可外展内收的动力式下肢外骨骼，其特征在于，所述髋关节安装板包括左安装板和右安装板，其中，所述左安装板、所述右安装板、所述左主板和所述右主板上均设置有多个安装孔，所述左安装板和所述左主板、以及所述右安装板和所述右主板均通过多个安装孔进行限位固定，以调节骨盆支架的高度。

5.根据权利要求4所述的髋关节可外展内收的动力式下肢外骨骼，其特征在于，所述左背板和所述右背板均设置有多个安装孔，其中，所述左背板和所述左主板、以及所述右背板和所述右主板均通过多个安装孔进行限位固定，以调节所述骨盆支架的前后距离。

6.根据权利要求4所述的髋关节可外展内收的动力式下肢外骨骼，其特征在于，所述左调节板和右调节板均设置有多个安装孔，其中，所述左调节板和所述左背板、以及所述右调节板与所述右背板均通过多个安装孔进行限位固定，以调节所述骨盆支架的宽度。

7.根据权利要求1所述的髋关节可外展内收的动力式下肢外骨骼，其特征在于，所述大腿杆相对所述大腿鞘的内侧进行滑动并锁紧固定，以调节大腿支条的长度。