CN114869701A - 一种可穿戴柔顺膝关节外骨骼装置 - Google Patents

一种可穿戴柔顺膝关节外骨骼装置 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种可穿戴柔顺膝关节外骨骼装置，包括有：大腿支撑架，其上设有大腿绑缚机构；膝关节仿生机构，设于所述大腿支撑架下端，用于辅助患者行走；小腿支撑架，设于所述膝关节仿生机构下端，其上设有小腿绑缚机构；传动机构，设于所述膝关节仿生机构所述小腿支撑架之间，用于带动所述小腿支撑架跟随所述膝关节仿生机构运动；缓冲机构，设于所述传动机构内，其两端分别与所述大腿支撑架滑动连接和所述小腿支撑架弹性连接，用于缓冲所述大腿支撑架、膝关节仿生机构、小腿支撑架以及传动机构助力时产生的冲击力。本申请通过大腿绑缚机构和小腿绑缚机构将装置穿戴在患者上，结构轻便，可靠，紧凑，适合膝关节功能障碍患者日常穿戴使用。

Description

一种可穿戴柔顺膝关节外骨骼装置
【技术领域】
本申请涉及下肢康复助行设备技术领域，尤其涉及一种可穿戴柔顺膝关节外骨骼装置。
【背景技术】
随着社会的发展，膝关节功能障碍病人逐渐得到了社会的关注，他们对康复助行设备的需求越发迫切。膝关节是人体中最脆弱、最容易受伤的关节，膝关节康复训练机械装置作为高端装备制造领域中用于治疗并解决膝关节功能障碍患者日常活动的机械设备，在这种环境下迅速发展。目前市场上的仿生膝关节外骨骼体积大，重量高，结构可靠性差，舒适性差。
【发明内容】
本申请的目的在于提供一种可穿戴柔顺膝关节外骨骼装置，能够模拟人体膝关节瞬时旋转中心的实际运动轨迹，且能自适应不同人体特征，辅助病人更加舒适的行走。
本申请是通过以下技术方案实现的：
一种可穿戴柔顺膝关节外骨骼装置，包括有：
大腿支撑架，其上设有大腿绑缚机构；
膝关节仿生机构，设于所述大腿支撑架下端，用于辅助患者行走；
小腿支撑架，设于所述膝关节仿生机构下方，其上设有小腿绑缚机构；
传动机构，设于所述膝关节仿生机构与所述小腿支撑架之间，用于带动所述小腿支撑架跟随所述膝关节仿生机构运动；
缓冲机构，设于所述传动机构内，其两端分别与所述大腿支撑架滑动连接和所述小腿支撑架弹性连接，用于缓冲所述大腿支撑架、膝关节仿生机构、小腿支撑架以及传动机构助力时产生的冲击力。
如上所述的一种可穿戴柔顺膝关节外骨骼装置，所述膝关节仿生机构包括转动设于所述大腿支撑架下端并与所述传动机构连接的传动齿轮组、以及设于所述大腿支撑架上与人体膝关节瞬时旋转中心的运动轨迹重合的弧形滑槽，所述缓冲机构上设有与该弧形滑槽配合的滑动柱，所述滑动柱插入该弧形滑槽内滑动，模拟人体膝关节瞬时旋转中心的运动。
所述膝关节仿生机构还包括有设于所述大腿支撑架上用于驱动该传动齿轮组转动的驱动组。
如上所述的一种可穿戴柔顺膝关节外骨骼装置，所述传动齿轮组包括转动设于所述大腿支撑架上的传动件、以及安装设于该传动件上的主动齿轮，所述大腿支撑架上还设有与该主动齿轮啮合的从动齿轮，所述从动齿轮与所述传动机构连接。
如上所述的一种可穿戴柔顺膝关节外骨骼装置，所述驱动组包括设于所述大腿支撑架上远离所述传动齿轮组一侧的电机支架、以及设于该电机支架上的驱动电机，所述驱动电机的输出端与所述传动件连接。
如上所述的一种可穿戴柔顺膝关节外骨骼装置，所述传动机构包括与所述膝关节仿生机构连接的传动上壳、以及与该传动上件固定连接的传动下壳，所述传动上壳与传动下壳之间形成有用于容纳所述小腿支撑架和所述缓冲机构的缓冲空间。
如上所述的一种可穿戴柔顺膝关节外骨骼装置，所述缓冲机构包括滑动设于所述大腿支撑架上的滑动导杆、以及一端连接设于所述滑动导杆下端的弹性元件，所述弹性元件的另一端与所述小腿支撑架连接。
如上所述的一种可穿戴柔顺膝关节外骨骼装置，所述滑动导杆包括导杆中端滑块、以及凸设于该导杆中端滑块上侧的细杆和凸设于该导杆中端滑块下侧的圆柱，所述弹性元件上端与所述圆柱连接。
如上所述的一种可穿戴柔顺膝关节外骨骼装置，所述传动上壳上设有用于容纳所述细杆的容置槽A，所述小腿支撑架上设有用于容纳所述导杆中端滑块和圆柱的容置槽B。
如上所述的一种可穿戴柔顺膝关节外骨骼装置，所述大腿绑缚机构包括设于所述大腿支撑架上的大腿绑缚件固定块，所述大腿绑缚件固定块上固定设有大腿绑缚件，所述小腿绑缚机构包括设于所述小腿支撑架上的小腿绑缚件固定块，所述小腿绑缚件固定块上固定设有小腿绑缚件。
与现有技术相比，本申请有如下优点：
1、通过大腿绑缚机构和小腿绑缚机构将装置穿戴在患者上，结构轻便，可靠，紧凑，适合膝关节功能障碍患者日常穿戴使用。
2、通过设置有人体膝关节仿生机构，可以保证在行走过程中人机膝关节的实时对齐，提高人体穿戴外骨骼装置行走的柔顺性。
3、通过设置有缓冲机构，代偿部分膝关节韧带的稳定作用，同时能够缓冲由于穿戴外骨骼装置产生的冲击。
【附图说明】
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例一种可穿戴柔顺膝关节外骨骼装置的结构示意图。
图2为本申请实施例一种可穿戴柔顺膝关节外骨骼装置的结构分解图之一。
图3为本申请实施例一种可穿戴柔顺膝关节外骨骼装置的结构分解图之二。
图4为本申请实施例图1中A方向的部分结构剖视图。
【具体实施方式】
为了使本申请所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
如图1至图4所示，本申请实施例提出一种可穿戴柔顺膝关节外骨骼装置，包括有：
大腿支撑架1，其上设有大腿绑缚机构10；
膝关节仿生机构2，设于所述大腿支撑架1下端，用于辅助患者行走；
小腿支撑架3，设于所述膝关节仿生机构2下方，其上设有小腿绑缚机构30；
传动机构4，设于所述膝关节仿生机构2与所述小腿支撑架3之间，用于带动所述小腿支撑架3跟随所述膝关节仿生机构2运动；
缓冲机构5，设于所述传动机构4内，其两端分别与所述大腿支撑架1滑动连接和所述小腿支撑架3弹性连接，用于缓冲所述大腿支撑架1、膝关节仿生机构2、小腿支撑架3以及传动机构4助力时产生的冲击力。
通过大腿绑缚机构10和小腿绑缚机构30将装置穿戴在患者上，结构轻便，可靠，紧凑，适合膝关节功能障碍患者日常穿戴使用；通过设置有人体膝关节仿生机构2，提高人体穿戴外骨骼装置行走的柔顺性；通过设置有缓冲机构5，代偿部分膝关节韧带的稳定作用，同时能够缓冲由于穿戴外骨骼装置产生的冲击。
进一步地，所述膝关节仿生机构2包括转动设于所述大腿支撑架1下端并与所述传动机构4连接的传动齿轮组21、以及设于所述大腿支撑架1上与人体膝关节瞬时旋转中心的运动轨迹重合的弧形滑槽23，所述缓冲机构5上设有与该弧形滑槽23配合的滑动柱514，该滑动柱514能沿该弧形滑槽23滑动。根据人体膝关节瞬时旋转中心的运动轨迹设计了所述弧形滑槽23，可以缓解人机关节不对齐的问题，能很好地保证人与膝关节外骨骼装置关节在运动过程中的对齐。如图2-3所示，本实施例中，装置的膝关节运动范围为-5°～90°，可以满足穿戴者的日常行走要求。
更进一步地，所述膝关节仿生机构2还包括有设于所述大腿支撑架1上用于驱动该传动齿轮组21转动的驱动组22。
具体地，所述传动齿轮组21包括转动设于所述大腿支撑架1上的传动件211、以及安装设于该传动件211上的主动齿轮212，所述大腿支撑架1上还设有与该主动齿轮212啮合的从动齿轮213，所述从动齿轮213与所述传动机构4连接。根据人体解剖学的特点，将膝关节处小腿相对于大腿的旋转中心的位置进行偏移，使用了偏置的所述传动齿轮组21来实现。可以保证行走过程中装置与人体腿部运动的柔顺跟随，从而达到舒适的穿戴体验，同时避免了传统单铰链结构可能对穿戴者造成二次伤害的情况。
本实施例中，所述传动件211与所述主动齿轮212通过顶丝紧固，所述大腿支撑架1上还设有圆轴12，所述从动齿轮213通过卡簧7固定在所述圆轴12上，且能绕该圆轴12自由转动，所述卡簧7可限制所述从动齿轮213的轴向窜动。
具体地，所述驱动组22包括设于所述大腿支撑架1上远离所述传动齿轮组21一侧的电机支架221、以及设于该电机支架221上的驱动电机222，所述驱动电机222的输出端与所述传动件211连接。该驱动电机222为伺服电机。
本实施例中，所述传动齿轮组21外侧还设有保护壳24，所述驱动组22外侧还设有电机外壳25，所述电机外壳25外部设置有散热孔251，具有良好的散热功能，保证装置长时间使用。
进一步地，所述传动机构4包括与所述膝关节仿生机构2连接的传动上壳41、以及与该传动上件41固定连接的传动下壳42，所述传动上壳41与传动下壳42之间形成有用于容纳所述小腿支撑架3和所述缓冲机构5的缓冲空间43。所述小腿支撑架3可在该缓冲空间43内沿该传动上件41高度方向自由滑动。
进一步地，所述缓冲机构5包括滑动设于所述大腿支撑架1上的滑动导杆51、以及一端连接设于所述滑动导杆51下端的弹性元件52，所述弹性元件52的另一端与所述小腿支撑架3连接，具体地，所述弹性元件52为缓冲弹簧。
进一步地，所述滑动导杆51包括导杆中端滑块511、以及凸设于该导杆中端滑块511上侧的细杆512和凸设于该导杆中端滑块511下侧的圆柱513，所述弹性元件52上端与所述圆柱513连接，同时该圆柱513可以起到导向作用，防止所述弹性元件52在运动过程中不期望的形变。本实施例中，所述滑动柱514设于所述细杆512上。
具体地，所述传动上壳41上设有用于容纳所述细杆512的容置槽A61，该细杆512可在所述容置槽A61内自由滑动，所述容置槽A61并能限制所述滑动导杆51的其余自由度，所述小腿支撑架3上设有用于容纳所述导杆中端滑块511和圆柱513的容置槽B62，该导杆中端滑块511可在所述容置槽B62内自由滑动，所述弹性元件52随所述滑动导杆51一起在所述容置槽B62内滑动。
进一步地，所述大腿绑缚机构10包括设于所述大腿支撑架1上的大腿绑缚件固定块101，所述大腿绑缚件固定块101上固定设有大腿绑缚件102，所述小腿绑缚机构30包括设于所述小腿支撑架3上的小腿绑缚件固定块301，所述小腿绑缚件固定块301上固定设有小腿绑缚件302。具体地，所述大腿绑缚件固定块101可沿所述大腿支撑架1长度方向移动调节，可根据患者具体情况自由调节大腿绑缚件固定块101与大腿支撑架1之间的距离，方便实用。
为更好地理解本实施例的技术方案，其工作原理阐述如下：
穿戴：根据患者膝关节的位置，调节所述大腿绑缚件固定块101到适合的位置，并通过所述大腿绑缚件102和所述小腿绑缚件302将装置紧固在大腿和小腿上。
辅助行走：在人体穿戴行走时，所述驱动电机222启动，并通过所述传动件211，将转动传递给所述主动齿轮212，所述主动齿轮212带动所述从动齿轮213转动，从而带动所述小腿支撑架3、所述传动机构4以及所述缓冲机构5一起转动，之后通过所述小腿绑缚件102辅助小腿运动；同时在转动过程中所述滑动导杆51上设置的所述滑动柱514沿着所述大腿支撑架1上设置的所述弧形滑槽23滑动，并通过所述弹性元件52将径向位移传递给所述小腿支撑架3，形成被动自由度，带动所述小腿支撑架3跟随人体关节运动，同时由于所述小腿支撑架3可以相对所述滑动导杆51自由运动，所设计的可穿戴柔性膝关节外骨骼装置可以自适应满足不同人体的运动特征，还可以在运动过程中补偿膝关节功能障碍患者部分韧带的稳定作用，保证了穿戴行走的柔顺性与舒适性。
应当理解的是，本申请中采用术语“第一”、“第二”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语，这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，“第一”信息也可以被称为“第二”信息，类似的，“第二”信息也可以被称为“第一”信息。此外，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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。
如上所述是结合具体内容提供的一种或多种实施方式，并不认定本申请的具体实施只局限于这些说明。凡与本申请的方法、结构等近似、雷同，或是对于本申请构思前提下做出若干技术推演，或替换都应当视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种可穿戴柔顺膝关节外骨骼装置，其特征在于，包括有：
大腿支撑架(1)，其上设有大腿绑缚机构(10)；
膝关节仿生机构(2)，设于所述大腿支撑架(1)下端，用于辅助患者行走；
小腿支撑架(3)，设于所述膝关节仿生机构(2)下端，其上设有小腿绑缚机构(30)；
传动机构(4)，设于所述膝关节仿生机构(2)与所述小腿支撑架(3)之间，用于带动所述小腿支撑架(3)跟随所述膝关节仿生机构(2)运动；
缓冲机构(5)，设于所述传动机构(4)内，其两端分别与所述大腿支撑架(1)滑动连接和所述小腿支撑架(3)弹性连接，用于缓冲所述大腿支撑架(1)、膝关节仿生机构(2)、小腿支撑架(3)以及传动机构(4)助力时产生的冲击力。
2.根据权利要求1所述的一种可穿戴柔顺膝关节外骨骼装置，其特征在于，所述膝关节仿生机构(2)包括转动设于所述大腿支撑架(1)下端并与所述传动机构(4)连接的传动齿轮组(21)、以及设于所述大腿支撑架(1)上与人体膝关节瞬时旋转中心的运动轨迹重合的弧形滑槽(23)，所述缓冲机构(5)上设有与该弧形滑槽(23)配合的滑动柱(514)。
3.根据权利要求2所述的一种可穿戴柔顺膝关节外骨骼装置，其特征在于，所述膝关节仿生机构(2)还包括有设于所述大腿支撑架(1)上用于驱动该传动齿轮组(21)转动的驱动组(22)。
4.根据权利要求3所述的一种可穿戴柔顺膝关节外骨骼装置，其特征在于，所述传动齿轮组(21)包括转动设于所述大腿支撑架(1)上的传动件(211)、以及安装设于该传动件(211)上的主动齿轮(212)，所述大腿支撑架(1)上还设有与该主动齿轮(212)啮合的从动齿轮(213)，所述从动齿轮(213)与所述传动机构(4)连接。
5.根据权利要求4所述的一种可穿戴柔顺膝关节外骨骼装置，其特征在于，所述驱动组(22)包括设于所述大腿支撑架(1)上远离所述传动齿轮组(21)一侧的电机支架(221)、以及设于该电机支架(221)上的驱动电机(222)，所述驱动电机(222)的输出端与所述传动件(211)连接。
6.根据权利要求1所述的一种可穿戴柔顺膝关节外骨骼装置，其特征在于，所述传动机构(4)包括与所述膝关节仿生机构(2)连接的传动上壳(41)、以及与该传动上件(41)固定连接的传动下壳(42)，所述传动上壳(41)与传动下壳(42)之间形成有用于容纳所述小腿支撑架(3)和所述缓冲机构(5)的缓冲空间(43)。
7.根据权利要求6所述的一种可穿戴柔顺膝关节外骨骼装置，其特征在于，所述缓冲机构(5)包括滑动设于所述大腿支撑架(1)上的滑动导杆(51)、以及上端连接设于所述滑动导杆(51)下端的弹性元件(52)，所述弹性元件(52)下端与所述小腿支撑架(3)连接。
8.根据权利要求7所述的一种可穿戴柔顺膝关节外骨骼装置，其特征在于，所述滑动导杆(51)包括导杆中端滑块(511)、以及凸设于该导杆中端滑块(511)上侧的细杆(512)和凸设于该导杆中端滑块(511)下侧的圆柱(513)，所述弹性元件(52)上端与所述圆柱(513)连接。
9.根据权利要求8所述的一种可穿戴柔顺膝关节外骨骼装置，其特征在于，所述传动上壳(41)上设有用于容纳所述细杆(512)的容置槽A(61)，所述小腿支撑架(3)上设有用于容纳所述导杆中端滑块(511)和圆柱(513)的容置槽B(62)。
10.根据权利要求1所述的一种可穿戴柔顺膝关节外骨骼装置，其特征在于，所述大腿绑缚机构(10)包括设于所述大腿支撑架(1)上的大腿绑缚件固定块(101)，所述大腿绑缚件固定块(101)上固定设有大腿绑缚件(102)，所述小腿绑缚机构(30)包括设于所述小腿支撑架(3)上的小腿绑缚件固定块(301)，所述小腿固定块(301)上固定设有小腿绑缚件(302)。
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