CN112518723A - 主被动结合的助行下肢外骨骼 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主被动结合的助行下肢外骨骼，包括动力单元、大腿固定单元、小腿固定单元和执行单元；所述执行单元包括阻尼器和传感器电路，执行单元与大腿固定单元、小腿固定单元均连接且通过阻尼器控制膝关节的转动灵活性，所述动力单元包括驱动电机、鲍登线；鲍登线的内线一端连接驱动电机输出端，另一端连接小腿固定单元，鲍登线的外套两端分别与驱动电机外壳、大腿固定单元固定；该外骨骼采用主被动相结合的方式，尤其适用于需要进行肌力训练的用户，在迈腿时由动力单元提供驱动力，之后通过调节执行单元中阻尼器的阻尼，在落腿时提供支撑；动力单元通过鲍登线与下肢结构连接可极大的减轻下肢骨骼的重量，穿戴更为舒适，灵活性更强。

Description

主被动结合的助行下肢外骨骼

技术领域

本发明属于助力外骨骼技术领域，涉及一种下肢外骨骼，尤其涉及一种主被动结合的助行下肢外骨骼。

背景技术

随着人们对于康复设备的需求，很多康复外骨骼应运而生。目前的康复下肢外骨骼多是为全身瘫痪患者设计的可以辅助其行走的双侧下肢外骨骼，该类外骨骼价格昂贵且笨重不适宜推广和使用。此外，很多脑卒中患者往往是偏瘫，表现为单侧身体无力，双侧下肢外骨骼也不适用。对于下肢瘫痪患者，很多表现为下肢无力，走路过程中容易跌倒，而这主要是因为膝关节支撑力不足引起。目前已经有些针对膝关节的康复设备，但是该类设备多采用电驱动式或者被动助力式，鲜有将两者结合且可穿戴行走的康复训练下肢外骨骼。由于膝关节在支撑阶段需要很大的扭矩，对单纯的主动驱动需要的电机和减速器提出了很高的要求，往往导致设备重量较大，而单纯的被动式又不能辅助肌力完全不足的初期患者行走时的摆动腿阶段。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种主被动结合的助行下肢外骨骼，在行走过程中，当肌力不足以抬高腿部进行迈步时，动力单元会驱动腿部弯曲，之后膝关节阻尼器自适应的调节阻尼大小，在脚落地的时候，阻尼器调节阻尼较大，为膝关节提供防护。由于支撑阶段相比于迈步阶段膝关节扭矩较大，这样，采用主被动结合的方式，可以采用较小的电机作为迈步阶段的驱动，通过阻尼来提供较大的支撑时的扭矩，可以极大降低整体重量，使得外骨骼更加轻便舒适。

本发明采用的技术方案如下：

一种主被动结合的助行下肢外骨骼，包括动力单元、大腿固定单元、小腿固定单元和位于膝关节处的执行单元；所述大腿固定单元用于与大腿相贴合并固定，小腿固定单元用于与小腿相贴合并固定，所述执行单元包括阻尼器和传感器电路，所述执行单元与大腿固定单元、小腿固定单元均连接且通过阻尼器控制膝关节的转动灵活性，所述动力单元包括驱动电机、鲍登线；鲍登线的内线一端连接驱动电机输出端，另一端连接大腿固定单元，鲍登线的外套两端分别与驱动电机外壳、大腿固定单元固定连接；当人体需要抬腿时，由驱动电机转动通过鲍登线为大腿固定单元提供动力以使大腿抬起，此时调节阻尼器使膝关节可转动以实现弯腿行走，当传感器电路检测到腿落地处于支撑阶段时调节阻尼器阻尼值增大使膝关节锁死以提供支撑。

上述技术方案中，进一步的，所述执行单元中还设置有控制器，控制器内预设有调节算法或程序，用于根据传感器电路的检测信号实时调节动力单元的动力输出以及阻尼器的阻尼大小。

进一步的，所述的动力单元通过腰部固定件设置在腰部。

进一步的，所述的阻尼器包括阻尼壳及其内形成的一圆柱形密封腔体，所述密封腔体的内壁设有一阻尼台，在密封腔体内部还设有一阻尼轴，阻尼轴侧面具有阻尼轴臂，所述阻尼轴的旋转中心与所述密封腔体同轴且一端伸出密封腔体与小腿固定单元固定连接，阻尼轴与阻尼台共同将密封腔体分隔为两个独立的腔体，各腔体内注满液体，所述阻尼器还包括调节轴调节轴上设置有油槽，通过调节轴的转动可使得上述两个腔体通过由油槽和阻尼台所形成的槽口连通或彼此独立，且所述槽口的大小可随调节轴的转动而改变；调节轴一端固定连接有电机，在大腿固定单元上设置有电机座，所述电机安装于电机座内。

进一步的，所述调节轴一端伸入所述密封腔体内成为阻尼台的一部分，另一端与所述电机固定，所述的调节轴上的油槽满足：转动调节轴时可使得调节轴与阻尼台的接触面在无缝和形成槽口之间变化，形成槽口后可使得两个腔体连通，且随调节轴的转动可改变所形成槽口的大小。

更进一步的，所述的调节轴的轴线垂直于阻尼轴轴线设置。或者所述的调节轴的轴线平行于所述阻尼轴轴线设置。

进一步的，所述的调节轴同轴设置于阻尼轴外部共同形成可调阻尼轴，且调节轴与阻尼轴仍可相对转动，转动调节轴，可以使得可调阻尼轴与阻尼台共同将密封腔体分隔为两个独立的腔体，当转动调节轴至调节轴上的油槽与阻尼台形成槽口则将两个腔体连通，且随调节轴的转动可改变所形成槽口的大小。

进一步的，上述任一方案中可以在所述的阻尼台上可以开有沟槽，所述沟槽在阻尼台厚度方向并不贯穿整个阻尼台，所述油槽与所述沟槽连通时即将两个腔体连通。

进一步的，上述任一方案中所述的两个腔体之中至少有一个内设有储能件，用于储存阻尼轴转动时的能量。

进一步的，所述的执行单元上还可以设置有状态按钮以控制阻尼器的阻尼状态。

本发明的有益效果是：

本发明的外骨骼采用主被动相结合的方式，尤其适用于需要进行肌力训练的用户，在迈腿时由动力单元提供驱动力，之后通过调节执行单元中阻尼器的阻尼，在落腿时提供支撑；且整个动力单元可以采用小型电机实现，且可以与下肢分离设置通过鲍登线进行连接，再加上执行单元中采用结构小巧紧凑的圆形阻尼器，可极大的减轻下肢骨骼的重量，减少摆动腿过程中做功，使得穿戴更为舒适；此外本发明中的动力单元是相对独立的，可根据需要自行进行拆装，使用灵活性更高。

附图说明

图1是本发明外骨骼的一种结构示意图；

图2是图1外骨骼的一种剖面结构视图；

图3是图1外骨骼的一种侧面结构(a)整体图，(b)驱动电机放大图；

图4是本发明外骨骼中阻尼器的一种具体结构示意图(剖视图)；

图5是本发明外骨骼中阻尼器的一种具体结构示意图(去除阻尼盖后正视图)；

图6是图5中调节轴转动后的具体结构示意图；

图7是本发明中调节轴的一种具体结构示意图(轴测图)；

图8是本发明中阻尼轴的一种具体结构示意图(轴测图)；

图9是本发明中阻尼器的另一种实现方式部分结构示意图；(a)正视图，(b)剖视图；

图10是本发明中阻尼器的又一种实现方式部分结构示意图；(a)正视图，(b)剖视图；

图11是本发明中阻尼器中阻尼台的一种结构示意图。

图中：1阻尼壳，2阻尼轴，3下轴承，4上轴承，5调节轴承，6阻尼盖，7调节轴，8压盖，1-1腔体A，1-2腔体B，1-3注油孔，1-4阻尼台，1-5密封圈A，1-7沟槽，6-1密封圈B，7-1油槽，2-1阻尼轴臂，9大腿固定壳，10小腿固定壳，11护罩，12绑带，13左侧轴，14左轴端盖，15轴套，16电池，17电机，18电机座，19右轴端盖，20电路板，21传感器，22鲍登线，23驱动电机，24动力电源，25腰部绑带，9-1左上支撑板，9-2右上支撑板，9-3下限位块，10-3驱动块，23-1驱动轮，23-2上限位块，23-3绳过孔，10-1左下支撑板，10-2右下支撑板，11-1按键；

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合较佳实施例，对依据本发明提出的显示控制方法及系统的具体实施方式、结构、特征及功效，详细说明如后。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合参考图式的较佳实施例详细说明中将可清楚的呈现。通过具体实施方式的说明，当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

本发明的一种主被动结合的助行下肢外骨骼，如图1、2、3所示，图中所示外骨骼为右侧下肢外骨骼，左右两侧相互独立，可以独立穿戴使用，动力单元可以独立于下肢外骨骼结构，通过腰部绑带直接固定在腰部或者安装在背部，由于原理相同，以下以图示的右侧为例进行说明。

整个外骨骼装置包括动力单元、大腿固定单元、小腿固定单元和位于膝关节处的执行单元；所述大腿固定单元用于与大腿相贴合并固定，小腿固定单元用于与小腿相贴合并固定，在图1实例中，大腿固定单元包括大腿固定壳9、左上支撑板9-1、右上支撑板9-2、若干绑带12，以及位于固定壳里侧的衬垫(未画出)等；小腿固定单元包括小腿固定壳10、左下支撑板10-1、右下支撑板10-2、若干绑带12，以及位于固定壳里侧的衬垫(未画出)等。穿戴时，大腿固定单元通过若干绑带与大腿相贴合，小腿固定单元通过绑带与小腿相贴合，大腿固定单元和小腿固定单元之间的地方设置执行单元，执行单元与膝关节轴线对应，包括护罩11、电池16、电机17、电机座18、阻尼器、控制器和传感器电路等；执行单元与大腿固定单元、小腿固定单元均连接且通过阻尼器控制膝关节的灵活性，动力单元包括驱动电机23、鲍登线22，还可以包括动力电源24，驱动电机23、动力电源24通过腰部绑带25直接固定在腰部，与下肢结构分离开来，仅通过鲍登线22进行连接，驱动电机通过鲍登线为小腿提供拉力。

对于肌力完全不足的患者，可以开启腰部的动力单元，由于其肌力不足，使得大腿摆动缓慢或者由于膝关节僵硬导致膝关节弯曲度不够或不能自由弯曲，导致行走困难需要抬腿时，动力电机23通过鲍登线22拉动小腿促使其弯腿迈步，此时膝关节执行单元的阻尼处于自由状态。之后，动力电机23松开驱动线22，膝关节执行单元的阻尼器调节阻尼大小，使腿部按照规划的步态速度行走，当传感器电路检测到腿落地时调节阻尼器锁死膝关节以提供足够的支撑力。

通过该外骨骼的助行，后期肌力会得到恢复，当肌力足够迈步而不足以支撑时，可以关闭腰部动力单元，或者拆下动力单元，仅在行走过程中调节膝关节处阻尼大小即可。当大腿摆动时，阻尼值会变小，膝关节可以自由摆动；当脚落地且腿伸直后，阻尼器会增大阻尼，锁死膝关节不能弯曲，进而提供较大的支撑力，减轻膝关节的承重，起到保护膝关节的作用并且防止因为膝关节肌力不足而弯曲导致跌倒。其中，控制器中可以根据需要进行设计预先存有相应调节算法或程序，根据传感器电路所检测到的信号对阻尼器的阻尼值进行实时调节，可以控制膝关节的摆动速度，或者对动力单元的动力输出进行调节，这都可以根据具体情况自行设计，本发明中不再赘述。

在图1、2、3所述实例中，大腿固定壳9和左上支撑板9-1、右上支撑板9-2通过螺钉固定，小腿固定壳10和左下支撑板10-1、右下支撑板10-2通过螺钉固定。左上支撑板9-1和左下支撑板10-1通过左侧轴13铰接，且左侧轴13与左上支撑板9-1固定连接，左轴端盖14通过螺钉固定在左侧轴13上，限制左侧轴13的轴线运动，轴套15安装于左下支撑板10-1和左侧轴13之间，在左下支撑板10-1旋转过程中起到降低摩擦的作用。所示大腿固定壳9和小腿固定壳10的材料可以是树脂或碳纤维等比较轻的材料，左上支撑板9-1、右上支撑板9-2、左下支撑板10-1和右下支撑板10-2可以是铝合金或碳纤维等轻且刚度大的材料，以保证结构在刚度足够的情况下尽量轻便。当大腿固定壳9和小腿固定壳10采用强度较好的材料(例如碳纤维)，支撑板(9-1,9-2,10-1和10-2)可以不需要，仅需要将大腿固定壳9和小腿固定壳10铰接即可。

动力电机23结构如图3(b)所示，其输出轴连接有驱动轮23-1，该轮外缘部分有轮槽，当电机带动驱动轮23-1转动时，鲍登线22内侧的钢丝即缠绕在轮槽内，以提供拉力。鲍登线22的外侧线套的两端分别与驱动电机外壳上的上限位块23-2和下限位块9-3(下限位块9-3通过螺钉等方式固定在右上支撑板9-2或大腿固定壳9上)相固定，鲍登线22的内侧钢丝一端固定在驱动轮23-1上穿过驱动电机外壳上的绳过孔23-3(下限位块9-3有垂直方向过孔供内侧钢丝通过，图里未显示)后另一端和驱动块10-3(驱动块10-3通过螺钉等方式固定在右下支撑板10-2或小腿固定壳10上)固定，这样即使鲍登线22外侧看似没有拉紧，内部钢丝已经拉紧，可以提供拉力。

阻尼器可采用圆形阻尼器，结构如图4、5、6所示，包括阻尼壳1及其内形成的一圆柱形密封腔体(即图5、6中的圆形腔)，所述密封腔体的内壁设有一阻尼台1-4，在密封腔体内部还设有一阻尼轴2，阻尼轴侧面具有阻尼轴臂2-1，所述阻尼轴2的旋转中心与所述密封腔体同轴且一端伸出密封腔体作为连接端，阻尼轴2与阻尼台1-4共同将密封腔体分隔为两个独立的腔体：腔体A1-1、腔体B1-2，各腔体内注满液体(如液压油)，所述阻尼器还包括调节轴7，调节轴上设置有油槽7-1，通过调节轴的转动可使得上述两个腔体彼此分离或通过由油槽和阻尼台所形成的槽口连通，且所述槽口的大小可随调节轴的转动而改变。当槽口联通两个腔体时，阻尼轴臂可以转动；当油槽不连接两个腔体时，由于两腔体各自充满液体，阻尼轴臂无法旋转。此外，可将油槽设置为一端大一端小的渐变形状，通过旋转调节轴可以改变油槽与阻尼台所对应的位置，从而改变所形成槽口的开口大小，由于液体流过不同体积孔腔的速度不同，因此，可以通过改变连通槽口的大小来改变阻尼轴的阻尼。

右上支撑板9-2和阻尼盖6通过螺钉固定，右下支撑板10-2通过D型孔连接于阻尼轴2上，使得两者不能相互转动，并通过19右轴端盖限制右下支撑板10-2沿轴线方向运动，以将右下支撑板10-2和阻尼轴2固定在一起。

调节轴7通过D型轴或者顶丝与电机17的输出轴相固定，电机17通过电机座18固定在右上支撑板9-2上，电池16同样固定在右上支撑板9-2上，电路板20集成有控制芯片、传感器电路等并与传感器21一起检测大腿和小腿所处的状态。电机17可以是舵机、无刷电机等，电机17可以带动调节轴7旋转，进而调节阻尼大小。

图4、5、6实例中，阻尼轴2安装于阻尼壳1的圆柱形密封腔体中心位置，接触处安装有下轴承3和上轴承4以降低阻尼轴2在旋转过程中的摩擦力，阻尼盖6通过螺钉固定在阻尼壳1上，以限制阻尼轴的轴向运动，此外，阻尼盖6亦可以通过焊接或胶水粘贴方式安装，阻尼轴臂2-1和阻尼壳1内侧面具有微小缝隙，以便两者之间可以相互转动，且液压油很难通过；调节轴7安装有阻尼壳1侧面，其轴线垂直于阻尼轴2的轴线，调节轴7与阻尼壳接触的底部安装调节轴套5，以降低调节轴7旋转过程中的摩擦力，压盖8通过螺钉固定在阻尼壳1上，以限制调节轴7的轴线运动。

阻尼壳1内圆柱腔体被阻尼轴2(含阻尼轴臂2-1)和阻尼台1-4共同作用分为腔体A1-1和腔体B 1-2，且两腔体中充满液压油(装配完后通过注油孔1-3注油然后封堵注油孔1-3，图5、6中为显示内部结构隐藏了阻尼盖，但仍保留了注油孔1-3)。调节轴7上开有油槽7-1，油槽7-1可以横跨阻尼台1-4(即形成槽口)，这样腔体A 1-1和腔体B 1-2就呈连通状态，两腔体液压油可以相互流动，阻尼轴2可以自由转动，由于油槽7-1两端大小不同，这样可以通过转动阻尼轴7调节图5中b所示位置槽口大小调节液压油的流速，进而可以控制阻尼轴2转动需要的力矩，b口越小，液体流动越缓慢，阻尼较大，转动阻尼轴2需要的扭矩越大；相反，b口越大，转动阻尼轴2需要的扭矩越小。

当旋转调节轴7到图6所示位置，油槽7-1不能横跨阻尼台1-4，导致腔体A 1-1和腔体B 1-2不连通，这样，阻尼轴2就无法旋转，为锁死状态。

图5和图6分别是阻尼连通状态和锁定状态。

此外，在腔体B1-2内有压缩弹簧或者腔体A1-1内装有拉伸弹簧(弹簧未画出)，当旋转阻尼轴2后，压缩腔体B1-2后，弹簧储能，以确保阻尼具有恢复原始状态的能量。此外，根据阻尼初始状态的不同，压缩弹簧也可以安装在腔体A1-1内或者拉伸弹簧安装在腔体B1-2内。总之，确保阻尼轴2旋转同时弹簧可以储能。也可以采用其他可行的储能件，如弹力带等。总之，采用储能件可确保阻尼轴2在膝关节弯曲产生的作用力带动下旋转的同时储能件储能，以便协助膝关节回弹伸直。

上述仅为本发明的一种具体实现方式，此外，本发明中的调节轴还可如图9、10所示采用与图4-6完全不同的设置方式，图9中调节轴的轴线与阻尼轴的轴线平行设置，调节轴一端伸入所述密封腔体内成为阻尼台的一部分，另一端连接电机，转动调节轴时可使得调节轴与阻尼台的接触面在无缝和形成槽口之间变化，形成槽口后可使得两个腔体连通；图10中调节轴与阻尼轴同轴设置，且二者可以相对转动形成可调阻尼轴，通过转动调节轴同样可以使得调节轴与阻尼台的接触面在无缝和形成槽口之间变化，形成槽口后可使得两个腔体连通，且随调节轴的转动可改变所形成槽口的大小，不再赘述。除此之外，在本发明中，所述的阻尼台上也可以设置有沟槽1-7，如图11所示，在阻尼台1-4上开不连通的沟槽(即沿阻尼台厚度方向不贯穿整个阻尼台)，当油槽7-1与沟槽1-7连通时，两腔体腔体A 1-1和腔体B 1-2就可以连通。

采用本发明的外骨骼，在人行走过程中，当穿戴外骨骼的腿落地处在支撑阶段时，电机17旋转使得调节轴7位于图6所示状态，膝关节无法转动，进而保护膝关节；当需要抬腿时，电机17旋转使得调节轴7处于图5所示状态，膝关节可以转动，驱动电机23通过鲍登线22拉动小腿固定壳10以小腿弯曲抬起，之后驱动电机23恢复初始位置，不再提供拉力，在检测到腿落地时再次调节阻尼器将膝关节锁死以提供支撑。在抬起到落地的过程中可以根据预设的相关算法调节阻尼器阻尼的大小，进而可以限制腿的摆动速度。此外，在该外骨骼上还可以设有若干状态按键11-1，包括但不限于步行按键、锁死状态按键、自由状态按键等，通过按键可直接控制电机的运转，以方便调节外骨骼状态。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种主被动结合的助行下肢外骨骼，其特征在于，包括动力单元、大腿固定单元、小腿固定单元和位于膝关节处的执行单元；所述大腿固定单元用于与大腿相贴合并固定，小腿固定单元用于与小腿相贴合并固定，所述执行单元包括阻尼器和传感器电路，所述执行单元与大腿固定单元、小腿固定单元均连接且通过阻尼器控制膝关节的转动灵活性，所述动力单元包括驱动电机、鲍登线；鲍登线的内线一端连接驱动电机输出端，另一端连接小腿固定单元，鲍登线的外套两端分别与驱动电机外壳、大腿固定单元固定连接；当人体需要抬腿时，由驱动电机转动通过鲍登线为小腿固定单元提供动力以使小腿抬起，此时调节阻尼器使膝关节可转动以实现弯腿行走，当传感器电路检测到腿落地处于支撑阶段时调节阻尼器阻尼值增大使膝关节锁死以提供支撑。

2.根据权利要求1所述的主被动结合的助行下肢外骨骼，其特征在于，所述执行单元中还设置有控制器，控制器内预设有调节算法或程序，用于根据传感器电路的检测信号实时调节动力单元的动力输出以及阻尼器的阻尼大小。

3.根据权利要求1所述的主被动结合的助行下肢外骨骼，其特征在于，所述的动力单元通过腰部固定件设置在腰部。

4.根据权利要求1所述的主被动结合的助行下肢外骨骼，其特征在于，所述的阻尼器包括阻尼壳及其内形成的一圆柱形密封腔体，所述密封腔体的内壁设有一阻尼台，在密封腔体内部还设有一阻尼轴，阻尼轴侧面具有阻尼轴臂，所述阻尼轴的旋转中心与所述密封腔体同轴且一端伸出密封腔体与小腿固定单元固定连接，阻尼轴与阻尼台共同将密封腔体分隔为两个独立的腔体，各腔体内注满液体，所述阻尼器还包括调节轴，调节轴上设置有油槽，通过调节轴的转动可使得上述两个腔体通过由油槽和阻尼台所形成的槽口连通或彼此独立，且所述槽口的大小可随调节轴的转动而改变；调节轴一端固定连接有电机，在大腿固定单元上设置有电机座，所述电机安装于电机座内。

5.根据权利要求4所述的被动助行下肢外骨骼，其特征在于，所述调节轴一端伸入所述密封腔体内成为阻尼台的一部分，另一端与所述电机固定，所述的调节轴的轴线垂直于阻尼轴或者平行于所述阻尼轴轴线；所述的调节轴上的油槽满足：转动调节轴时可使得调节轴与阻尼台的接触面在无缝和形成槽口之间变化，形成槽口后可使得两个腔体连通，且随调节轴的转动可改变所形成槽口的大小。

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