CN110666783B - 一种髋关节外骨骼助力机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种髋关节外骨骼助力机构，该系统由腰支架、大腿支架、大腿绑带、中盖、后盖、转盘、大弹簧、小弹簧、滑块、第一连杆和第二连杆组成，所述腰支架固定在腰间，用以承担起整个髋关节助力机构，大腿绑带可以将大腿支架固定在人体的大腿上，转盘可随大腿支架的摆动而转动，转盘的转动可以驱动弹簧往复伸缩变形，通过弹簧的作用，在人体行走中的摆动期实现能量的存储与释放。本发明通过上述转动机构和弹性机构的设计，可实现髋关节助力机构辅助人体行走，达到助力的效果。

Description

一种髋关节外骨骼助力机构

技术领域

本发明属于下肢助力器械领域，具体来说，涉及一种髋关节外骨骼助力机构，主要适用于下肢髋关节助力领域。

背景技术

随着社会老龄化以及各种安全事故发生率的增加，行动不便的老年人、运动受伤的人和下肢运动障碍的患者越来越多，需要辅助设备来完成他们日常运动。髋关节是人体运动过程中的必要环节，且起到承重的作用，当髋关节收到损伤，将会严重影响人的行走能力。此外，像士兵、灾难救援人员和消防人员等，需要在特殊的环境下完成很大的体力工作。通过医学理论和临床经验，一些疾病也可导致髋关节周围肌肉出现问题，对于肌肉受伤者和老人来说必须进行康复运训练，以防止肌肉性萎缩和肌肉功能恢复。近年来国外外骨骼机器人的出现，使科学的康复训练更加容易实现，还能在特殊的环境下能实现助力的功能。在临床医疗上以行走步态训练方式实现髋关节功能障碍康复训练，可以维持髋关节的协调运动，能够提高使用者髋关节功能性障碍的恢复程度和进度。外骨骼助力机器人的另外一个重要应用领域是军队，用以提高军人的单兵作战能力。因此无论是民用还是军用都有广阔的应用前景。近年来国内越来越重视外骨骼机器人技术的研究，并研发了康复和助力机器人，但是在整体设计思路、成本、加工和研发周期、便携性等方面仍存在诸多的不足，严重制约了外骨骼机器人的应用。设计运动灵活、舒适度高，开发周期和成本的下肢外骨骼机器人很有必要。

申请号为201610029743.0的发明公开了一种基于并联机构的髋关节助力装置，该助力装置包括腰部支撑组件，两套约束组件和两套执行组件。该装置结构简单、穿戴方便，可以满足在行走过程中髋关节运动所需的前屈/后伸、外摆/内收、内旋/外旋三个旋转自由度；通过约束组件的调节功能可保证不同患者的髋关节旋转中心与装置旋转中心重合，有效避免了人机干涉力对患者造成的伤害，但该装置操作比较复杂，助力效果不理想。

申请号为201510212865.9的发明公开了一种基于套索传动的髋关节助力康复装置，该助力康复装置包括腰部支撑组件和两套执行组件，该装置康复训练角度相对较大，控制安全简单，便于工业生产和大范围推广，但由于该装置需要安装电机，整体重量较重。

因此，针对上述技术问题，研发一种髋关节外骨骼助力机构，在正常行走步态中实现能量的存储与释放的助力系统是非常有意义的。

发明内容

为了克服传统助力装置体积重和结构复杂的不足，本发明提出一种髋关节外骨骼助力机构，该机构可以有效利用行走中的能量，在不需要主动驱动的情况下实现能量的存储与释放，并作用于人腿，实现助力的效果。

为了达到上述的目的，本发明专利解决其技术问题所采用的技术方案是：一种髋关节外骨骼助力机构是由腰支架、大腿支架、大腿绑带、中盖、后盖、转盘、大弹簧、小弹簧、滑块、第一连杆和第二连杆组成，所述腰支架固定在人体腰部，所述大腿绑带通过捆绑的形式将大腿支架和人体的大腿固定在一起；

作为优选，所述的后盖与腰支架固定连接，并且保持一个相对位置不可以相对转动，主要起到将这个机构固定的作用；

作为优选，所述的中盖与后盖通过三个螺钉进行固定连接，且不能发生相对转动；

作为优选，所述的后盖中部有一个圆形沟槽，圆形沟槽旁边有个长方形沟槽，所述的转盘安放在圆形沟槽内且可以自由旋转，所述的滑块和弹簧安放在长方形沟槽内，在摆动过程中，所述的滑块会根据人腿的摆动压缩弹簧，进而实现能量的存储；

作为优选，所述的第一连杆与滑块连接且可以相对转动，所述的第二连杆与转盘连接且可以相对转动，所述的第一连杆和第二连杆以套筒的形式配合放置，此结构可以实现人腿向后摆动，避免妨碍人体的正常运动；

作为优选，所述的小弹簧安装在第一连杆和第二连杆内部，将两个连杆连接在一起，所述的小弹簧会在人腿向后摆动时拉伸，实现能量的存储；

作为优选，所述的大腿支架与转盘固定连接，且转盘可以跟随大腿支架的摆动而转动，圆盘的转动将会带动两个连杆运动，进而实现大小弹簧的压缩与伸长，实现能量的存储与释放。

本发明的有益效果：本发明整体结构简单，结构紧凑，整体厚度小，重量轻，穿戴方便并且可以实现助力效果；本发明可以在不使用主动驱动的情况下实现助力效果。

附图说明

图1整体穿戴效果图

图2髋关节外骨骼助力机构分解图

图3圆盘、连杆和弹簧布局图

图4连杆剖视图

图5后盖结构示意图

其中1.腰支架，2.大腿支架，3.大腿绑带，4.中盖，5.后盖，6.转盘，7.大弹簧，8.小弹簧，9.滑块，10.第一连杆，11.第二连杆，12.圆形沟槽，13.长方形沟槽。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1至图5所示，一种髋关节外骨骼助力机构，该机构由腰支架(1)、大腿支架(2)、大腿绑带(3)、中盖(4)、后盖(5)、转盘(6)、大弹簧(7)、小弹簧(8)、滑块(9)、第一连杆(10)和第二连杆(11)组成；所述腰支架(1)固定在人体腰部，所述大腿绑带(3)通过捆绑的形式将大腿支架(2)和人体的大腿固定在一起。

所述的后盖(5)与腰支架(1)通过螺钉进行固定连接，并且保持一个相对位置不能够进行相对转动，起到将腰支架(1)固定的作用；所述的中盖(4)与后盖(5)通过三个螺钉进行固定连接，且不能发生相对转动。所述的后盖(5)中部有一个圆形沟槽(12)，圆形沟槽(12)旁边有个长方形沟槽(13)，所述的转盘(6)安放在圆形沟槽(12)内且能够自由旋转，滑块(9)和大弹簧(7)安放在长方形沟槽(13)内，在摆动过程中，滑块(9)能够根据人腿的摆动压缩大弹簧(7)，进而实现能量的存储。

所述的小弹簧(8)安装在第一连杆(10)和第二连杆(11)内部，将第一连杆(10)和第二连杆(11)连接在一起，所述的小弹簧(8)会在人腿向后摆动时拉伸，实现能量的存储。

作为优选，所述的大腿支架(2)与转盘(6)固定连接，且转盘(6)可以跟随大腿支架(2)的摆动而转动，转盘(6)的转动将会带动两个连杆运动，进而实现大弹簧与小弹簧的压缩与伸长，实现能量的存储与释放。

作为优选，所述的第一连杆(10)与滑块(9)连接且能够进行相对转动，所述的第二连杆(11)与转盘(6)连接且能够进行相对转动，所述的第一连杆(10)和第二连杆(11)以套筒的形式配合放置，此结构能够实现人腿向后摆动，避免妨碍人体的正常运动。

作为优选，所述的大腿支架(2)与人体贴合的一侧用织物包裹，以免对人体造成不适

本发明的工作原理及过程：

请参阅图1至图5所示，本发明提供的一种髋关节外骨骼助力机构在整体装配完成以后，通过腰部支架(1)和大腿绑带(3)将这个机构穿戴在人体大腿外侧，髋部的运动主要是矢状面上的屈曲和伸展，在人体脚部着地的阶段实现能量的存储，在人体脚部离开地面时实现能量的释放。当整体机构不受力时，机构是处于向前摆动一定的角度，此时，大弹簧(7)、小弹簧(8)均处于原始状态，当该机构穿戴在人体身上，人腿由前向后摆动到直立状态时，大腿支架(2)跟随人体步态进行摆动，由于转盘(6)与大腿支架(2)相连，故转盘(6)将会根据大腿支架(2)摆动的角度进行一定角度的旋转，在该阶段第一连杆(10)、第二连杆(11)将不会发生相对移动，因此可以看做是一根长连杆，随着转盘(6)的转动，由于第二连杆(11)与转盘(6)连接，所以将会导致整个长连杆进行移动，由于第一连杆(10)与滑块(9)连接，此次运动将会带动滑块(9)沿长方形沟槽(13)下移，而大弹簧(7)恰好与滑块(9)接触，所以滑块(9)将会压缩大弹簧(7)进行压缩储能；当大腿从直立状态继续向后摆动时，大腿支架(2)继续随着大腿摆动，带动转盘(6)继续转动，大弹簧(7)由于长方形沟槽(13)的限制将不会继续压缩，此时第一连杆(10)、第二连杆(11)将会相对移动，第一连杆(10)、第二连杆(11)的总长度将会变长，套在里面的小弹簧(8)将会被伸长，实现能量的存储；当人腿向后摆动到头时，开始进入摆动阶段，脚部将会离开地面，此时大弹簧(7)、小弹簧(8)将会向恢复原始状态的方向运动，即开始能量的释放，在该阶段，该部分能量将会作用于大腿支架(2)，以实现大腿向前摆动，达到助力的目的。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (4)

1.一种髋关节外骨骼助力机构，其特征在于：该机构由腰支架(1)、大腿支架(2)、大腿绑带(3)、中盖(4)、后盖(5)、转盘(6)、大弹簧(7)、小弹簧(8)、滑块(9)、第一连杆(10)和第二连杆(11)组成；所述腰支架(1)固定在人体腰部，所述大腿绑带(3)通过捆绑的形式将大腿支架(2)和人体的大腿固定在一起；

所述的后盖(5)与腰支架(1)通过螺钉进行固定连接，并且保持一个相对位置不能够进行相对转动，起到将腰支架(1)固定的作用；所述的中盖(4)与后盖(5)通过三个螺钉进行固定连接，且不能发生相对转动；所述的后盖(5)中部有一个圆形沟槽(12)，圆形沟槽(12)旁边有个长方形沟槽(13)，所述的转盘(6)安放在圆形沟槽(12)内且能够自由旋转，滑块(9)和大弹簧(7)安放在长方形沟槽(13)内，在摆动过程中，滑块(9)能够根据人腿的摆动压缩大弹簧(7)，进而实现能量的存储；

所述的小弹簧(8)安装在第一连杆(10)和第二连杆(11)内部，将第一连杆(10)和第二连杆(11)连接在一起，所述的小弹簧(8)会在人腿向后摆动时拉伸，实现能量的存储；通过腰支架(1)和大腿绑带(3)将这个机构穿戴在人体大腿外侧，髋部的运动主要是矢状面上的屈曲和伸展，在人体脚部着地的阶段实现能量的存储，在人体脚部离开地面时实现能量的释放；当整体机构不受力时，机构是处于向前摆动一定的角度，此时，大弹簧(7)、小弹簧(8)均处于原始状态，当穿戴在人体身上，人腿由前向后摆动到直立状态时，大腿支架(2)跟随人体步态进行摆动，由于转盘(6)与大腿支架(2)相连，故转盘(6)将会根据大腿支架(2)摆动的角度进行一定角度的旋转，在该阶段第一连杆(10)、第二连杆(11)将不会发生相对移动，随着转盘(6)的转动，由于第二连杆(11)与转盘(6)连接，所以将会导致整个长连杆进行移动，由于第一连杆(10)与滑块(9)连接，此次运动将会带动滑块(9)沿长方形沟槽(13)下移，而大弹簧(7)恰好与滑块(9)接触，所以滑块(9)将会压缩大弹簧(7)进行压缩储能；当大腿从直立状态继续向后摆动时，大腿支架(2)继续随着大腿摆动，带动转盘(6)继续转动，大弹簧(7)由于长方形沟槽(13)的限制将不会继续压缩，此时第一连杆(10)、第二连杆(11)将会相对移动，第一连杆(10)、第二连杆(11)的总长度将会变长，套在里面的小弹簧(8)将会被伸长，实现能量的存储；当人腿向后摆动到头时，开始进入摆动阶段，脚部将会离开地面，此时大弹簧(7)、小弹簧(8)将会向恢复原始状态的方向运动，即开始能量的释放，能量将作用于大腿支架(2)，以实现大腿向前摆动，达到助力的目的。

2.根据权利要求1所述的一种髋关节外骨骼助力机构，其特征在于：所述的大腿支架(2)与转盘(6)固定连接，且转盘(6)可以跟随大腿支架(2)的摆动而转动，转盘(6)的转动将会带动两个连杆运动，进而实现大弹簧与小弹簧的压缩与伸长，实现能量的存储与释放。

3.根据权利要求1所述的一种髋关节外骨骼助力机构，其特征在于：所述的第一连杆(10)与滑块(9)连接且能够进行相对转动，所述的第二连杆(11)与转盘(6)连接且能够进行相对转动，所述的第一连杆(10)和第二连杆(11)以套筒的形式配合放置，此结构能够实现人腿向后摆动，避免妨碍人体的正常运动。

4.根据权利要求1所述的一种髋关节外骨骼助力机构，其特征在于：所述的大腿支架(2)与人体贴合的一侧用织物包裹。

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