CN113081699B - 自发电式踝关节内外翻增稳系统及方法 - Google Patents

自发电式踝关节内外翻增稳系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种自发电式踝关节内外翻增稳系统及方法，包括：脚部连接件、腿部连接件、运动传递构件和自发电构件；所述运动传递构件与脚部连接件相连；所述脚部连接件通过运动传递构件与腿部连接件相连；所述腿部连接件与自发电构件相连；所述自发电式踝关节内外翻增稳系统实现内外翻增稳。本发明的设计是全新的踝关节内外翻稳定系统设计，可以辅助行走过程中踝关节冠状面的稳定。本发明踝关节内外翻增稳利用电机工作在发电机状态实现，将反电动势造成的限制电机轴转动传递到踝关节，无须外部能源输入。

Description

自发电式踝关节内外翻增稳系统及方法
技术领域
本发明涉及步态康复设备技术领域，具体地，涉及一种自发电式踝关节内外翻增稳系统及方法。
背景技术
中风以及脊柱损伤等疾病导致病人在行走过程存在踝关节不稳定的情况，从而导致行走速度下降、能量消耗增加和跌倒风险增加等问题，严重地影响了患者的生活质量。对踝关节内外翻增稳可以增加行走稳定性，降低踝关节内外翻拉伤风险以及走路跌倒的风险。
目前常用的踝关节辅助康复设备主要有平台式康复系统和穿戴式康复系统。平台式康复系统多采取让人处于卧位或坐位的姿势对踝关节进行康复，或者对人进行悬吊让人在跑步机上进行行走，这些对患者的步态康复起到了一定的作用，但无法还原真实行走情况。穿戴式踝关节康复系统可以较好的还原实际行走情况，但踝关节辅助仅考虑矢状面的推进和足下垂，未考虑冠状面踝关节内外翻增稳。因此，一款辅助行走过程踝关节内外翻稳定的步态增稳系统将对中风患者乃至其他踝关节功能障碍的人群的行走功能恢复大有益处。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种自发电式踝关节内外翻增稳系统及方法。
根据本发明提供的一种自发电式踝关节内外翻增稳系统，包括：脚部连接件、腿部连接件、运动传递构件和自发电构件；所述运动传递构件与脚部连接件相连；所述脚部连接件与腿部连接件相连；所述腿部连接件与自发电构件相连；所述自发电式踝关节内外翻增稳系统实现内外翻增稳。
优选的，自发电构件包括：电机和电机外壳；所述电机设置于电机外壳中。
优选的，脚部连接件包括：脚套和接触开关；所述脚套与脚贴合；所述接触开关紧固连接于脚套的下方；
优选的，还包括：脚套魔术贴；所述脚套魔术贴与脚套相连接。
优选的，所述运动传递构件包括：腿脚连接件；所述腿脚连接件分别与脚部连接件、腿部连接件相连接；
优选的，所述运动传递构件包括：运动转换件；所述运动转换件与腿部连接件相连接。
根据本发明提供的一种自发电式踝关节内外翻增稳系统，其特征在于，采用所述的自发电式踝关节内外翻增稳系统，进行自发电式踝关节内外翻增稳。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明是全新的踝关节内外翻稳定系统设计，可以辅助行走过程中踝关节冠状面的稳定；
2、本发明踝关节内外翻增稳利用电机工作在发电机状态实现，将反电动势造成的限制电机轴转动传递到踝关节，无须外部能源输入；
3、本发明可以轻松的穿戴在脚和小腿上，结构简单，质量轻，使用不受环境和场地的限制；
4、本发明专利在考虑成本性，便捷性，有效性和持久性上，针对现有辅助设备存在的问题，设计了一款满足日常行走需求的踝关节步态增稳系统。该项目的实施有助于推进相关产品的研发与应用，提高现有的踝关节功能障碍人群的生活能力。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为自发电踝关节增稳系统结构图。
图2为自发电控制原理图。
图中：
1为腿部连接件 8为电机(左侧)
3为齿轮(右侧) 9为电机(右侧)
5为腿脚连接件兼齿条(右侧) 10为变速器(左侧)
6为接触开关 12为电机外壳(左侧)
7为脚套
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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1-2所示，一种自发电式踝关节内外翻增稳系统，包括脚部连接件，腿部连接件，运动传递构件和自发电构件。
脚部连接件包括脚套和接触开关。脚套与脚贴合，通过魔术贴或其他方式固定在脚上。接触开关固定在脚套下方，检测走路时脚是否在地上，接触开关两端线各连接到两个电机的一侧接线端。脚套为运动传递构件提供转动副，将踝关节的内外翻旋转运动在踝关节位置处转化成运动传递构件的平移运动。
腿部连接件在小腿左右两侧贴合，通过魔术贴或其他方式固定在小腿上。腿部连接件为电机外壳提供安装位置，还为运动传递构件提供移动副。
运动传递构件包括腿脚连接件和运动转换件。腿脚连接件连接脚部连接和腿部连接件，为运动转换部件提供安装位置。运动转换部件在脚踝处将脚踝的旋转运动转换为腿脚连接件的平移运动，在小腿处将腿脚连接件的平移运动转换为电机的旋转运动，实现脚踝旋转到电机旋转的传递。
自发电构件包括电机和电机外壳。电机外壳将电机安装在腿部连接件上。当踝关节内外翻发生时，内外翻旋转的速度越快，传递到电机上的转动就越快，形成的反向电动势就越大，对旋转的抑制作用就越大，增稳效果越强，故本系统的增稳效果是根据实际情况自动调节的。
电机不是工作在外部供电产生旋转的马达状态，而是工作在电机轴被外部运动带着旋转的发电机状态，产生反向电动势，故本系统无需额外提供动力。两侧电机同时转动，但转动方向不同，产生相反的反向电动势。两电机接线端通过接触开关闭合连接，两电机相互作为对方负载，相互限制转动。
人走路分为步态摆动相和步态支撑相，脚在地上时的支撑相需要踝关节内外翻增稳，脚在空中时踝关节内外翻自由活动。脚在地上时，接触开关闭合，若发生踝关节内外翻旋转，则该转动先在脚部连接件处转换为平移，通过运动传递构件传到腿部连接件处再讲平移转换为旋转运动，带动电机转动，电机转动产生反向电动势，给对侧电机一个往相反方向转的趋势，从而使两侧电机都无法旋转，形成稳定，无须额外能量输入。该稳定沿着腿部连接件，运动传递构件和脚部连接件传递到脚踝，实现内外翻增稳。当脚在空中时，接触开关断开，两侧电机接线端均为开路，电机可自由转动，不限制踝关节正常内外翻运动。
根据本发明提供的一种自发电式踝关节内外翻增稳系统，包括腿部连接件1，齿轮3，腿脚连接件兼齿条5，接触开关6，脚套7，第一电机8、第二电机9、变速器10，电机外壳12。
脚部连接件包括脚套和接触开关。脚套与脚贴合，通过魔术贴或其他方式固定在脚上。接触开关采用薄片式，通过胶水等方式固定在脚套下方，检测走路时脚是否在地上，脚在地上时接触开关闭合，接触开关两端线各连接到两个电机的一侧接线端(如图2)，脚在空中时接触开关断开。脚套与腿脚连接件形成转动副，通过在腿脚连接件上打孔，在脚套上插入销可以实现。
腿部连接件在小腿左右两侧贴合，通过魔术贴缠绕在膝关节下方小腿肌肉最突出处上下两侧，使其固定在小腿上，不在行走过程中上下滑动。腿部连接件为电机外壳提供安装位置，通过螺栓螺母固定。腿部连接件还与齿条形成移动副，可在腿部连接件上设置滑槽实现。
运动传递构件包括腿脚连接件兼齿条与腿部连接件形成的移动副，齿轮，以及腿脚连接件与脚套形成的转动副。转动副将踝关节的内外翻旋转运动在踝关节位置处转化成腿脚连接件的上下平移运动。齿轮齿条在小腿处将腿脚连接件的平移运动转换为齿轮的旋转运动，齿轮旋转带动电机旋转，实现脚踝旋转到电机旋转的传递。腿脚连接件的长度设置为可调节型，适应不同人的小腿长度。
自发电构件包括电机和电机外壳，优选的，还包括变速箱。电机外壳将电机安装在腿部连接件上,安装高度保证齿轮和齿条啮合。齿轮安装在电机轴上，齿条平移带动齿轮转动即可带动电机转动产生反向电动势。反向电动势的大小与电机转速成正比，为进一步增强反向电动势，加大增稳效果，可在电机轴上加装变速箱，来自齿轮的转动先经过变速箱增速，再传递到电机轴上，则电机的转速可成倍增大，实现来自脚踝的内外翻旋转运动在电机轴上的旋转增速，加强增稳效果。当踝关节内外翻发生时，内外翻旋转的速度越快，传递到电机上的转动就越快，形成的反向电动势就越大，对旋转的抑制作用就越大，增稳效果越强，故本系统的增稳效果是根据实际情况自动调节的。此外，踝关节内外翻转动时，两侧腿脚连接件兼齿条分别向上和向下运动，带动两侧齿轮相反方向转动，电机转动方向相反，产生的反向电动势也相反，相互作为对方的负载，抑制对方的转动。
人走路分为步态摆动相和步态支撑相，脚在地上时的支撑相需要踝关节内外翻增稳，脚在空中时踝关节内外翻自由活动。脚在地上时，接触开关闭合，两侧电机形成相互连接。若发生踝关节内外翻旋转，脚部连接件跟着旋转，带动两侧腿脚连接件兼齿条上下平移，两侧齿条上下平移带动两侧齿轮转动，经过两侧变速箱增速，传递到两侧电机轴带动电机转动，两侧电机转动产生反向电动势，给对侧电机一个往相反方向转的趋势，从而使两侧电机都无法旋转，形成稳定，无须额外能量输入。该稳定使变速器和齿轮难以转动，使齿条难以上下平移，时脚部连接件难以转动，从而限制踝关节内外翻转动，实现踝关节内外翻增稳。当脚在空中时，接触开关断开，两侧电机接线端均为开路，电机可自由转动，不限制踝关节正常内外翻运动。
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化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
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化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (4)

1.一种自发电式踝关节内外翻增稳系统，其特征在于，包括：脚部连接件、腿部连接件、运动传递构件和自发电构件；
所述运动传递构件与脚部连接件相连；
所述脚部连接件与腿部连接件相连；
所述腿部连接件与自发电构件相连；
所述自发电式踝关节内外翻增稳系统实现内外翻增稳；
自发电构件包括：电机和电机外壳；
所述电机设置于电机外壳中；
脚部连接件包括：脚套和接触开关；
所述接触开关紧固连接于脚套的下方；
还包括：脚套魔术贴；
所述脚套魔术贴与脚套相连接；
腿部连接件与脚部连接件 通过运动传递构件连接；
腿部连接件的相对侧上各设置一个电机，两个电机同时转动，但转动方向不同，产生相反的反向电动势；
接触开关的两端线各连接到两个电机的一侧接线端。
2.根据权利要求1所述的自发电式踝关节内外翻增稳系统，其特征在于，所述运动传递构件包括：腿脚连接件；
所述腿脚连接件分别与脚部连接件、腿部连接件相连接。
3.根据权利要求2所述的自发电式踝关节内外翻增稳系统，其特征在于所述运动传递构件包括：运动转换件；
所述运动转换件与腿部连接件相连接；
所述运动转换件与脚部连接件相连接。
4.一种自发电式踝关节内外翻增稳方法，其特征在于，采用权利要求1-3任一项所述的自发电式踝关节内外翻增稳系统，进行自发电式踝关节内外翻增稳。
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