CN114848252A - 一种动态腰带及其动态补偿方法、制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种动态腰带及其动态补偿方法、制备方法，动态腰带包括穿戴组件和悬挂装置，穿戴组件包括腰带本体和大腿绑带，悬挂装置包括钢丝外鞘管和钢丝，钢丝外鞘管呈环状嵌装于腰带本体内，钢丝连接大腿绑带和钢丝外鞘管并构成闭合回路。动态补偿方法包括在穿戴者髋关节运动过程中，通过钢丝沿钢丝外鞘管滑动，实现穿戴者身体前后两侧钢丝环路裸露部分的动态长度补偿。制备方法包括通过平面几何动态模型，确定钢丝环路的周长与布置方式。本发明可在穿戴者髋关节运动时进行动态长度补偿，不会限制穿戴者髋关节的正常生理运动，其结构简单，制作成本低，易于推广普及。

Description

一种动态腰带及其动态补偿方法、制备方法

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种动态腰带及其动态补偿方法、制备方法。

背景技术

膝关节是人体下肢的主要关节之一，在为人体提供重力支撑与产生行进助推力方面发挥着重要作用。然而，近年来膝关节病(如：关节炎、滑膜炎、半月板损伤等)多发，且多伴有相当程度的膝关节疼痛，导致患者行走困难。穿戴膝关节矫形器作为一种新型治疗方式，因其成本低、无创伤、疗效好等突出优势，已被广泛应用于膝关节病的临床治疗之中。

目前的膝关节矫形器主要依靠大腿绑带、小腿绑带与人腿相连，连接稳定性主要依靠提高绑带张紧程度实现。然而，过度张紧会限制人体肌肉激活程度，给穿戴者造成不适感，甚至引发软组织疼痛。除通过张紧绑带以提高穿戴稳定性外，通常还会设计悬挂系统用以减少大腿绑带下滑。目前已知的悬挂系统均利用腰带和固定长度的连接带悬吊矫形器的大腿绑带，通过骨盆的骨骼结构特征限制大腿绑带下滑，参考如下：

(1)参考文献：E.J.Park,T.Akbas,A.Eckert-Erdheim,L.H.Sloot,R.W.Nuckols,D.Orzel,L.Schumm,T.D.Ellis,L.N.Awad,and C.J.Walsh,“A hingefree,non-restrictive,lightweight tethered exosuit for knee extension assistance duringwalking,”IEEE Transactions on Medical Robotics and Bionics,vol.2,no.2,pp.165–175,2020.

该文献公开了一种腰带+单外侧连接带的悬挂系统，但是其存在髋关节前屈/后伸时，外侧连接带松弛，导致大腿绑带下滑的缺陷；

(2)参考文献：K.Schmidt,J.E.Duarte,M.Grimmer,A.Sancho-Puchades,H.Wei,C.S.Easthope,and R.Riener,“The myosuit:Bi-articular anti-gravity exosuit thatreduces hip extensor activity in sitting transfers,”Frontiers inneurorobotics,vol.11,p.57,2017.

该文献公开了一种腰带+单前侧连接带的悬挂系统，但是其存在髋关节前屈时，前侧连接带松弛，导致大腿绑带下滑；髋关节后伸时，前侧连接带过度张紧，限制穿戴者正常生理运动的缺陷；

(3)参考文献：Y.Zhang,A.Ajoudani,and N.G.Tsagarakis,“Exo-muscle:A semi-rigid assistive device for the knee,”IEEE Robotics and Automation Letters,vol.6,no.4,pp.8514–8521,2021.

该文献公开了一种腰带+前后双侧连接带的悬挂系统，但是其存在髋关节前屈时，后侧连接带过度张紧，限制穿戴者正常生理运动；髋关节后伸时，前侧连接带过度张紧，限制穿戴者正常生理运动；穿戴者需周期性抵抗悬挂系统附加的过度约束，一段时间后会导致连接带连接处松弛，进而逐步松弛，失去悬吊效果的缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种动态腰带及其动态补偿方法、制备方法，以解决现有技术中膝关节矫形器穿戴的稳定性低的问题。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

本发明提供一种动态腰带，包括：

穿戴组件，所述穿戴组件包括腰带本体和大腿绑带，所述腰带本体和大腿绑带均呈穿戴用的环状结构，在大腿绑带的前侧外表面上设有前侧连接件，在大腿绑带的后侧外表面上设有后侧连接件；

悬挂装置，所述悬挂装置包括钢丝外鞘管和钢丝，所述钢丝外鞘管呈环状嵌装于所述腰带本体内，所述钢丝呈环状布置在所述钢丝外鞘管的内部，所述钢丝前侧的一段丝体于所述钢丝外鞘管的前侧管体穿出所述腰带本体，并挂扣在所述前侧连接件上，所述钢丝后侧的一段丝体于所述钢丝外鞘管的后侧管体穿出所述腰带本体，并挂扣在所述后侧连接件上；

其中，所述大腿绑带设置有两个，且两个大腿绑带分别与腰带本体通过一根钢丝连接。

进一步地，两个所述大腿绑带相对于所述腰带本体的矢状面呈左右两侧对称布置，所述前侧连接件和所述后侧连接件相对于所述大腿绑带的冠状面呈前后两侧对称布置。

进一步地，所述钢丝外鞘管在对应所述大腿绑带位置的管壁上，于前侧分别开设有第一穿入孔和第一穿出孔，并于后侧开设有第二穿入孔和第二穿出孔，所述第一穿入孔和第二穿出孔相对于所述大腿绑带的冠状面呈前后两侧对称布置，所述第一穿出孔和第二穿入孔相对于所述大腿绑带的冠状面呈前后两侧对称布置，所述钢丝的一端于所述第一穿入孔穿入所述钢丝外鞘管内，并沿所述钢丝外鞘管的内部管路环绕自第二穿出孔穿出，经所述后侧连接件后自第二穿入孔穿入所述钢丝外鞘管内，并沿所述钢丝外鞘管的内部管路环绕自第一穿出孔穿出，经所述前侧连接件后与所述钢丝的另一端在所述穿戴组件的前侧连接，并构成闭合的钢丝环路。

进一步地，所述前侧连接件和所述后侧连接件上均形成有供所述钢丝横向穿过的通道。

进一步地，所述腰带本体包括一体成型的外侧带面和内侧带面，所述外侧带面和内侧带面之间形成有封闭的空隙，所述钢丝外鞘管嵌装在外侧带面和内侧带面之间的空隙处，并在所述腰带本体的外侧带面上，对应于第一穿入孔、第一穿出孔、第二穿入孔以及第二穿出孔的位置分别开设有连通空隙的通孔。

进一步地，所述钢丝的两端通过绳带束紧扣相连。

进一步地，所述腰带本体的两端于所述腰带本体的前侧通过日字扣连接。

基于上述的动态腰带，本发明还提供一种动态补偿方法，包括：

根据穿戴者髋关节前屈的状态，所述大腿绑带的前侧连接件与腰带本体前侧的带体间距减小，所述大腿绑带的后侧连接件与腰带本体后侧的带体间距增大，使大腿绑带运动方向、前侧连接件运动方向、钢丝的环路运动方向、后侧连接件运动方向沿顺时针构成穿戴者身体前后两侧钢丝环路裸露部分的动态长度补偿；

根据穿戴者髋关节后伸的状态，所述大腿绑带的前侧连接件与腰带本体前侧的带体间距增大，所述大腿绑带的后侧连接件与腰带本体后侧的带体间距减小，使大腿绑带运动方向、前侧连接件运动方向、钢丝的环路运动方向、后侧连接件运动方向沿逆时针构成穿戴者身体前后两侧钢丝环路裸露部分的动态长度补偿。

基于上述的动态腰带，本发明还提供一种制备方法，包括：

预设动态腰带的穿戴状态，以腰带本体下沿与大腿绑带上沿的共切圆为基准圆，根据髋关节的运动状态，分别从穿戴组件的左侧、右侧、前侧以及后侧建立动态腰带的平面几何动态模型；

根据建立的四组平面几何动态模型，通过平面几何公式换算，得到髋关节运动至任意角度时大腿绑带的下滑距离与钢丝环路周长的数学关系；

实测穿戴者的相关身体尺寸，根据得到的数学关系，确定钢丝环路的周长与布置方式，并指导动态腰带的制备过程。

本发明由于采取以上技术方案，其具备以下有益效果：

本发明的钢丝环路可在穿戴者髋关节运动时进行动态长度补偿，不会限制穿戴者髋关节的正常生理运动，并且可将导致膝关节矫形器下滑的外力有效传递给穿戴者的骨盆，进而通过人体骨盆的结构特点阻止膝关节矫形器下滑，使用该发明时，无需过度张紧膝关节矫形器的绑带，即可实现防止膝关节矫形器下滑，穿戴舒适性更高，且本发明结构简单，制作成本低，易于推广普及。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例提供的一种动态腰带的整体结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种动态腰带的穿戴状态示意图；

图3是本发明实施例提供的一种动态腰带的悬挂装置结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种动态补偿方法的动态腰带在髋关节前屈时的动态补偿状态示意图；

图5是本发明实施例提供的一种动态补偿方法的动态腰带在髋关节后伸时的动态补偿状态示意图；

图6是本发明实施例提供的一种制备方法的动态腰带在髋关节前屈时的左视平面几何动态模型；

图7是本发明实施例提供的一种制备方法的动态腰带在髋关节后伸时的左视平面几何动态模型；

图8是本发明实施例提供的一种制备方法的动态腰带的前视平面几何动态模型；

图9是本发明实施例提供的一种制备方法的动态腰带的后视平面几何动态模型。

附图中各标记表示如下：

1、腰带本体；2、大腿绑带；21、前侧连接件；22、后侧连接件；3、钢丝外鞘管；31、第一穿入孔；32、第一穿出孔；33、第二穿入孔；34、第二穿出孔；4、钢丝；5、绳带束紧扣。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

由于现有技术中膝关节矫形器在穿戴过程中，容易发生下滑的情况，而过度张紧会限制人体肌肉激活程度，给穿戴者造成不适感，甚至引发软组织疼痛。因此本发明提出一种动态腰带，包括由腰带本体和大腿绑带构成的穿戴组件，通过悬挂装置连接腰带本体和矫形器大腿，利用钢丝在钢丝外鞘管内的滑动，无需采用张紧机构，即可在穿戴者髋关节运动时进行动态长度补偿，不会限制穿戴者髋关节的正常生理运动，方便使用。

下面通过实施例对本发明的方案进行详细说明。

实施例

如图1和图2所示，本发明提供了一种动态腰带，包括穿戴组件和悬挂装置，具体设置如下：

穿戴组件包括腰带本体1和大腿绑带2。腰带本体1和大腿绑带2均呈穿戴用的环状结构，在大腿绑带2的前侧外表面上设有前侧连接件21，在大腿绑带2的后侧外表面上设有后侧连接件22。悬挂装置包括钢丝外鞘管3和钢丝4，钢丝外鞘管3呈环状嵌装于腰带本体1内，钢丝4呈环状布置在钢丝外鞘管3的内部，且钢丝4前侧的一段丝体于钢丝外鞘管3的前侧管体穿出腰带本体1，并挂扣在前侧连接件21上；钢丝4后侧的一段丝体于钢丝外鞘管3的后侧管体穿出腰带本体1，并挂扣在后侧连接件22上。其中，大腿绑带2设置有两个，且两个大腿绑带2分别与腰带本体1通过一根钢丝4连接。

如上所述，大腿绑带2相对于腰带本体1的矢状面呈左右两侧对称布置，且前侧连接件21和后侧连接件22相对于大腿绑带2的冠状面呈前后两侧对称布置。

进一步地，结合图3所示，钢丝外鞘管3在对应大腿绑带2位置的管壁上，于前侧分别开设有第一穿入孔31和第一穿出孔32，并于后侧开设有第二穿入孔33和第二穿出孔34。第一穿入孔31和第二穿出孔34相对于大腿绑带2的冠状面呈前后两侧对称布置，第一穿出孔32和第二穿入孔33相对于大腿绑带2的冠状面呈前后两侧对称布置。钢丝4的一端于第一穿入孔31穿入钢丝外鞘管3内，并沿钢丝外鞘管3的内部管路环绕自第二穿出孔34穿出，经后侧连接件22后自第二穿入孔33穿入钢丝外鞘管3内，并沿钢丝外鞘管3的内部管路环绕自第一穿出孔32穿出，经前侧连接件21后与钢丝4的另一端在穿戴组件的前侧连接，并构成闭合的钢丝环路。

优选的，前侧连接件21和后侧连接件22上均形成有供钢丝4横向穿过的通道。

进一步地，腰带本体1包括一体成型的外侧带面和内侧带面，外侧带面和内侧带面之间形成有封闭的空隙，钢丝外鞘管3嵌装在外侧带面和内侧带面之间的空隙处，并在腰带本体1的外侧带面上，对应于第一穿入孔31、第一穿出孔32、第二穿入孔33以及第二穿出孔34的位置分别开设有连通空隙的通孔。

进一步地，钢丝4的两端通过绳带束紧扣5相连，且腰带本体1的两端于腰带本体1的前侧通过日字扣连接。

其中，本发明实施例的动态腰带结构不仅适用于膝关节矫形器，也适用于膝关节外骨骼、膝关节假肢、膝关节外肌肉等通过张紧结构与穿戴者大腿产生紧约束的所有穿戴式人体辅助装置，其中也可使用绳索、条形带等代替钢丝4组成环路。

基于上述的动态腰带，本发明还提供一种动态补偿方法，包括：

根据穿戴者髋关节前屈的状态，大腿绑带2的前侧连接件21与腰带本体1前侧的带体间距减小，大腿绑带2的后侧连接件22与腰带本体1后侧的带体间距增大，使大腿绑带2运动方向、前侧连接件21运动方向、钢丝4的环路运动方向、后侧连接件22运动方向沿顺时针构成穿戴者身体前后两侧钢丝4环路裸露部分的动态长度补偿；

其中，参考图4，A为腰带本体1的矢状面，B为大腿绑带2运动方向，C为后侧连接件22运动方向，D为钢丝4的环路运动方向。

根据穿戴者髋关节后伸的状态，大腿绑带2的前侧连接件21与腰带本体1前侧的带体间距增大，大腿绑带2的后侧连接件22与腰带本体1后侧的带体间距减小，使大腿绑带2运动方向、前侧连接件21运动方向、钢丝4的环路运动方向、后侧连接件22运动方向沿逆时针构成穿戴者身体前后两侧钢丝4环路裸露部分的动态长度补偿；

其中，参考图5，A为腰带本体1的矢状面，B为大腿绑带2运动方向，C为后侧连接件22运动方向，D为钢丝4的环路运动方向。

基于上述的动态腰带，本发明还提供一种制备方法，包括：

预设动态腰带的穿戴状态，以腰带本体1下沿与大腿绑带2上沿的共切圆为基准圆，根据髋关节的运动状态，分别从穿戴组件的左侧、右侧、前侧以及后侧建立动态腰带的平面几何动态模型；

根据建立的四组平面几何动态模型，通过平面几何公式换算，得到髋关节运动至任意角度时大腿绑带2的下滑距离与钢丝4环路周长的数学关系；

实测穿戴者的相关身体尺寸，根据得到的数学关系，确定钢丝4环路的周长与布置方式，并指导动态腰带的制备过程。

其中，平面几何公式换算的方法包括：

以平面几何动态模型中基准圆的圆心为基点，对平面几何动态模型进行三角形分割(参考图6-图9)，并定义各项参数如下：

R_h：人体左侧髋关节转动中心；W_fW_b：直立状态下左视图中的腰带下沿，长度为2d；W_m：直立状态下左视图中的腰带下沿的中点；T_fT_b：直立状态下左视图中的大腿绑带上沿，长度为2d；T_m：直立状态下左视图中的大腿绑带上沿的中点；T’_fT’_b：髋关节运动时左视图中的大腿绑带上沿，长度为2d；T’_m：髋关节运动时左视图中的大腿绑带上沿的中点；W_iW_l：直立状态下正视图中的单侧腰带下沿，长度为2d；W_m1：直立状态下正视图中的单侧腰带下沿的中点；T_iT_l：直立状态下正视图中的大腿绑带上沿，长度为2d；T_m1：直立状态下正视图中的大腿绑带上沿的中点；α：髋关节角度(相对于人体矢状面)；β是髋关节转动中心与大腿绑带下沿端点间连线与大腿轴线的夹角；γ₁、γ₂与髋关节转动角度有关，两者之和为定值；p：大腿绑带在穿戴者大腿上的位置；m：大腿绑带沿穿戴者大腿的下滑距离；d：常数，当穿戴者直立时，腰带下沿与大腿绑带上沿均与以R_h为圆心，以d为半径的圆相切，且W_m、R_h、T_m三点共线；l₁是髋关节转动中心到腰带下沿两端点的距离；l₂是髋关节转动中心到大腿绑带上沿两端点的距离；L₁为钢丝环路前侧裸露部分在矢状面中的投影长度；L₂为钢丝环路前侧裸露部分在矢状面中的投影长度；k₁为钢丝环路前侧裸露部分的单侧长度；k₂为钢丝环路后侧裸露部分的单侧长度；s₁为钢丝环路前侧裸露部分的单侧开口距离；s₂为钢丝环路后侧裸露部分的单侧开口距离；

如图6、图7所示，在ΔT’_fT’_mR_h中，根据正切函数可得：

由图6、图7中几何关系可知：

然后，在ΔT’_fT’_mR_h和ΔW_fW_mR_h中运用勾股定理，可得：

在ΔW_fT’_fR_h和ΔW_bT’_bR_h中运用余弦定理，可得：

另外，由图6、图7中几何关系可知：m＝d-p；

由图8、图9所示，由于在髋关节运动过程中钢丝环路周长始终保持不变，在ΔW_aW_m1T_m1中运用勾股定理，可得：

最后，联立以上各式，可求得当穿戴者髋关节运动至任意角度α时的大腿绑带的下滑距离。

本发明设置由腰带本体1和大腿绑带2构成的穿戴组件，通过悬挂装置连接腰带本体1和大腿绑带2，利用钢丝4的环路可在穿戴者髋关节运动时进行动态长度补偿，不会限制穿戴者髋关节的正常生理运动，并且可将导致膝关节矫形器下滑的外力有效传递给穿戴者的骨盆，进而通过人体骨盆的结构特点阻止膝关节矫形器下滑，使用该发明时，无需过度张紧膝关节矫形器的绑带，即可实现防止膝关节矫形器下滑，穿戴舒适性更高，且本发明结构简单，制作成本低，易于推广普及。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种动态腰带，其特征在于，所述动态腰带包括：

穿戴组件，所述穿戴组件包括腰带本体和大腿绑带，所述腰带本体和大腿绑带均呈穿戴用的环状结构，在大腿绑带的前侧外表面上设有前侧连接件，在大腿绑带的后侧外表面上设有后侧连接件；

悬挂装置，所述悬挂装置包括钢丝外鞘管和钢丝，所述钢丝外鞘管呈环状嵌装于所述腰带本体内，所述钢丝呈环状布置在所述钢丝外鞘管的内部，所述钢丝前侧的一段丝体于所述钢丝外鞘管的前侧管体穿出所述腰带本体，并挂扣在所述前侧连接件上，所述钢丝后侧的一段丝体于所述钢丝外鞘管的后侧管体穿出所述腰带本体，并挂扣在所述后侧连接件上；

其中，所述大腿绑带设置有两个，且两个大腿绑带分别与腰带本体通过一根钢丝连接。

2.根据权利要求1所述的一种动态腰带，其特征在于：两个所述大腿绑带相对于所述腰带本体的矢状面呈左右两侧对称布置，所述前侧连接件和所述后侧连接件相对于所述大腿绑带的冠状面呈前后两侧对称布置。

3.根据权利要求2所述的一种动态腰带，其特征在于：所述钢丝外鞘管在对应所述大腿绑带位置的管壁上，于前侧分别开设有第一穿入孔和第一穿出孔，并于后侧开设有第二穿入孔和第二穿出孔，所述第一穿入孔和第二穿出孔相对于所述大腿绑带的冠状面呈前后两侧对称布置，所述第一穿出孔和第二穿入孔相对于所述大腿绑带的冠状面呈前后两侧对称布置，所述钢丝的一端于所述第一穿入孔穿入所述钢丝外鞘管内，并沿所述钢丝外鞘管的内部管路环绕自第二穿出孔穿出，经所述后侧连接件后自第二穿入孔穿入所述钢丝外鞘管内，并沿所述钢丝外鞘管的内部管路环绕自第一穿出孔穿出，经所述前侧连接件后与所述钢丝的另一端在所述穿戴组件的前侧连接，并构成闭合的钢丝环路。

4.根据权利要求1或3所述的一种动态腰带，其特征在于：所述前侧连接件和所述后侧连接件上均形成有供所述钢丝横向穿过的通道。

5.根据权利要求3所述的一种动态腰带，其特征在于：所述腰带本体包括一体成型的外侧带面和内侧带面，所述外侧带面和内侧带面之间形成有封闭的空隙，所述钢丝外鞘管嵌装在外侧带面和内侧带面之间的空隙处，并在所述腰带本体的外侧带面上，对应于第一穿入孔、第一穿出孔、第二穿入孔以及第二穿出孔的位置分别开设有连通空隙的通孔。

6.根据权利要求3所述的一种动态腰带，其特征在于：所述钢丝的两端通过绳带束紧扣相连。

7.根据权利要求3所述的一种动态腰带，其特征在于：所述腰带本体的两端于所述腰带本体的前侧通过日字扣连接。

8.一种动态补偿方法，采用权利要求1-7任意一项所述的动态腰带，其特征在于，所述动态补偿方法包括：

根据穿戴者髋关节前屈的状态，所述大腿绑带的前侧连接件与腰带本体前侧的带体间距减小，所述大腿绑带的后侧连接件与腰带本体后侧的带体间距增大，使大腿绑带运动方向、前侧连接件运动方向、钢丝的环路运动方向、后侧连接件运动方向沿顺时针构成穿戴者身体前后两侧钢丝环路裸露部分的动态长度补偿；

根据穿戴者髋关节后伸的状态，所述大腿绑带的前侧连接件与腰带本体前侧的带体间距增大，所述大腿绑带的后侧连接件与腰带本体后侧的带体间距减小，使大腿绑带运动方向、前侧连接件运动方向、钢丝的环路运动方向、后侧连接件运动方向沿逆时针构成穿戴者身体前后两侧钢丝环路裸露部分的动态长度补偿。

9.一种制备方法，根据权利要求1-7任意一项所述的动态腰带，其特征在于，所述制备方法包括：

预设动态腰带的穿戴状态，以腰带本体下沿与大腿绑带上沿的共切圆为基准圆，根据髋关节的运动状态，分别从穿戴组件的左侧、右侧、前侧以及后侧建立动态腰带的平面几何动态模型；

根据建立的四组平面几何动态模型，通过平面几何公式换算，得到髋关节运动至任意角度时大腿绑带的下滑距离与钢丝环路周长的数学关系；

实测穿戴者的相关身体尺寸，根据得到的数学关系，确定钢丝环路的周长与布置方式，并指导动态腰带的制备过程。

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