CN203524950U - 带有反向可驱动的踝关节助力装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种带有反向可驱动的踝关节助力装置，其结构是：由适应步态的助力机构、反向可驱动机构和步态检测机构组成；所述助力机构由安装在脚部的摆动轴（8），通过尼龙带（10）绑在摆动轴（8）上部的电机（1）、滚珠丝杆（2）和可移动导杆（6）及其下部连接的具有拉动脚后跟给踝关节助力功能的钢丝绳（7）组成；所述反向可驱动机构主要由相互配合的弹簧（3）、滚珠丝杆（２）和钢丝绳（7）组成，所述滚珠丝杆（2）的螺杆的位置被上下方的端盖（12）固定，该螺杆的外侧通过端盖（12）固定安装一组导杆（11），该导杆上装有弹簧压板（5），弹簧压板（5）上的滚珠丝杆螺母（4）可沿滚珠丝杆（2）的螺杆上下移动；所述步态检测机构由安装在足底处的压力传感器组成，其包括安装在足跟处的足跟压力传感器和安装在足尖处的足尖压力传感器。所述助力机构的电机（1）根据步态检测机构传过来的足底压力变化的信号进行转动，以主动适应人体的步态情况对踝关节进行助力，该电机又驱动反向可驱动机构动作，实现不阻碍脚部的自由活动，同时对于正常行走有障碍的患者起到帮助。本实用新型既可以主动适应人体的步态情况对踝关节进行助力，又反向可驱动不阻碍脚部的自由活动，对于正常行走有障碍的患者起到帮助作用。

Description

带有反向可驱动的踝关节助力装置

技术领域

本实用新型涉及一种穿戴式踝关节外骨骼，尤其设计一种带有反向可驱动的踝关节助力装置。

背景技术

近年来，由于事故和老龄化造成的下肢残疾的人数呈逐年增长趋势。残疾人的身心健康和康复工作都受到了广泛的关注，针对独立行走有障碍患者而言，传统的助力工具均为被动式的康复设备，病人使用不够方便，而且安装或穿戴繁琐，有时还需他人的帮助，给患者造成很多不便。外骨骼假肢突破了传统康复工具的思路，将主动控制与助力技术相结合，佩戴于患者身上进行助力工作和康复训练。而且研究结果显示，人体脚踝的一项主要职能是为身体前进提供足够的能量。传统踝关节辅助装置仅是对人体踝关节生理结构的模拟，缺点是不能按照人体行走的过程对步态进行调整，其机械性能在不同的步行速度和地形固定不变，而且传统的踝关节辅助装置由于缺少反向可驱动功能，当脚部自由活动的时候，会对脚部的活动进行限制，结果会造成在患者脚部活动的时候，由于辅助装置与人体不协调匹配，反而会对脚部活动产生阻碍。因此，设计出一种可以实现反向可驱动且可随步态自行调整的助力外骨骼很有现实意义。

中国专利（200410053695.5）介绍了一种可穿戴式的下肢步行外骨骼，该装置由腰部支撑、髋部四杆结构、膝盖四杆结构、脚踝四杆结构和足底支撑依次串联构成，由液压缸驱动机构运动，判断步态信息的传感器安装在液压缸处。由于使用液压缸，需要有液压源的提供，机构定位精度不高，传感器安装在腿部，加大了腿部机械结构的复杂性，而且由于反向不可驱动，使得脚部的自行活动受到的装置本身限制。

中国专利（200810034002.7）介绍了一种并联式多自由度价值外骨骼踝关节，该装置由足底支撑板和仿人腿外套组成，具有三个自由度，机构高度可调。由于三个自由度都是主动动作，故需配备三个主动导杆，导致装置的机构复杂，控制较为繁琐。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，通过提供一种结构简单易于实现的带有反向可驱动的踝关节助力装置，并且简化步态传感器的安装方式及装置结构，以克服上述先有技术存在的问题。

本实用新型解决其技术问题采用的技术方案是：由适应步态的助力机构、反向可驱动机构和步态检测机构组成，所述助力机构的电机根据步态检测机构传过来的足底压力变化的信号进行转动，以主动适应人体的步态情况对踝关节进行助力，该电机又驱动反向可驱动机构动作，实现不阻碍脚部的自由活动，同时对于正常行走有障碍的患者起到帮助。

所述助力机构可以由安装在脚部的摆动轴，通过尼龙带绑在摆动轴上部的电机、滚珠丝杆和可移动导杆及其下部连接的具有拉动脚后跟给踝关节助力功能的钢丝绳组成；电机通过同步带与滚珠丝杆的上端相连。

所述反向可驱动机构可以主要由相互配合的弹簧、滚珠丝杆和钢丝绳组成，所述滚珠丝杆的螺杆的位置被上下方的端盖固定，该螺杆的外侧通过端盖固定安装一组导杆，该导杆上装有弹簧压板，弹簧压板上的滚珠丝杆螺母可沿滚珠丝杆的杆体上下移动。

所述的弹簧可以套装在可移动导杆的上端，位于弹簧压板和端盖之间，弹簧单侧被端盖固定，只可被压缩不可被拉伸；在弹簧处可以装有位移传感器，其输出的信号被电机的控制器接收。

所述的可移动导杆，其下端可以与钢丝绳相连；可移动导杆贯穿弹簧压板，由滚珠丝杆的螺母控制该可移动导杆向上的移动。

所述步态检测机构可以由安装在足底处的压力传感器组成，其包括安装在足跟处的足跟压力传感器和安装在足尖处的足尖压力传感器。

所述足跟压力传感器和足尖压力传感器均可以采用空气压力传感器。

本实用新型与现有技术相比主要有以下的优点：

1.由于踝关节受力是单向的，故只需要一组弹簧，既可以节省材料又可以达到使用目的。

2.对踝关节的拉动采用钢丝绳，钢丝绳的运动是单向的，钢丝绳无需拉动的时候为松弛状态，不需要外力的提供，相比导杆较为省力。

3.在弹簧处添加位移传感器，当脚部反向转动的时候，位移传感器传递弹簧被压缩的信号，电机控制器控制电机反转，使得弹簧的压缩状态得以释放，相比于传统的助力装置，可以实现脚部自由的转动。

4.足底安装有足尖和足跟压力传感器，可以直接通过压力传感器的输入判定人体的步态，省去了安装在腿部的传感器，可以节省腿部的机械结构。

总之，本实用新型与现有的踝关节助力方案相比，除了反向可驱动功能外还具有结构简单，控制精度高，易于穿戴的优点。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型的脚部背屈动作，弹簧被压缩的示意图。

图3是本实用新型的电机反转控制压板下降的示意图。

图4是本实用新型的弹簧压缩状态被释放，脚部可进行自由活动的示意图。

图5是人体的整个步态过程示意图。

图中：1.电机；2.滚珠丝杆；3.弹簧；4.滚珠丝杆螺母；5.弹簧压板；6.可移动导杆；7.钢丝绳；8.摆动轴；9.同步带；10.尼龙带；11.导杆；12.端盖。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本实用新型作进一步说明，但并不局限于下面所述内容。

本实用新型设计的一种带有反向可驱动的踝关节助力装置，其结构如图1所示，由适应步态的助力机构、反向可驱动机构和步态检测机构组成，其中：助力机构的电机根据步态检测机构传过来的足底压力变化的信号进行转动，以主动适应人体的步态情况对踝关节进行助力，又驱动反向可驱动机构动作，实现不阻碍脚部的自由活动，同时对于正常行走有障碍的患者起到帮助的目的。

所述助力机构由安装在脚部的摆动轴8、通过尼龙带10绑在摆动轴8上部的电机1、滚珠丝杆2和可移动导杆6及其下部连接的钢丝绳7组成。电机1通过同步带9与滚珠丝杆2的上端相连，以控制滚珠丝杆的转动。

所述反向可驱动机构由相互配合的弹簧3、安装在弹簧3处的弹簧位移传感器、滚珠丝杆2和钢丝绳7组成。其中滚珠丝杆2的螺杆的位置被上下方的端盖12固定，该螺杆的外侧通过端盖12固定安装一组导杆11，该导杆上装有弹簧压板5，弹簧压板5上的滚珠丝杆螺母4可沿滚珠丝杆2的杆体上下移动。

所述的弹簧3套装在可移动导杆6的上端，位于弹簧压板5和端盖12之间，弹簧3单侧被端盖12固定，只可被压缩不可被拉伸。在弹簧3处装有位移传感器，其输出的信号被电机1的控制器接收。

所述的可移动导杆6，其下端与钢丝绳7相连，该钢丝绳有拉动脚后跟给踝关节助力的功能。该可移动导杆6贯穿弹簧压板5，由滚珠丝杆的螺母4控制其向上的移动。

所述钢丝绳7的受力方向为单向，非背屈动作时钢丝绳7处于松弛状态；当脚部的背屈动作使得钢丝绳7变得紧绷后，该钢丝绳拉动其连接的可移动导杆6压缩弹簧3，弹簧3的压缩状态被位移传感器检测到后电机即反转，释放弹簧3的压缩状态和钢丝绳7的紧绷状态。

所述的摆动轴8可针对步态随小腿摆动，因电机1和导杆11分别通过尼龙带10绑在摆动轴8的上部，从而实现本装置跟随小腿的摆动。

所述步态检测机构由安装在足底处的压力传感器组成，其包括安装在足跟处的足跟压力传感器和安装在足尖处的足尖压力传感器（图5），它们可以采用空气压力传感器。所述压力传感器将检测到的足尖和足跟底部的压力信号的变化来对人体所处的步态做出判断，此步态信号输出给电机1的控制器，该控制器根据步态信号对电机1进行控制。

所述电机1的控制器是现有技术，主要由DSP控制器对电机1进行控制。该控制器将采集到来自足跟压力传感器、足尖压力传感器和弹簧位移传感器的信号进行处理，根据人体运动步态对电机1进行转速和转动方向的控制，实现对本装置的精确控制并与人体步态相互协调配合。

本实用新型可实现反向可驱动动作，其过程如图2-图4所示，包括：

第1步，参阅图2，当脚部试图背屈动作的时候，踝关节拉动钢丝绳7，从而带动导杆11下移，此时滚珠丝杆2不进行动作；

第2步，参阅图3，导杆11下移使得夹在导杆11和弹簧压板5之间的弹簧3被压缩，弹簧3的压缩状态被安装在其上面的位移传感器所检测到，据此电机1的控制器控制电机反转，通过同步带9带动滚珠丝杆2反转，使套装在该丝杆上的滚珠丝杆螺母4上的弹簧压板5下移；

第3步，参阅图4，弹簧压板5下移使得弹簧3的压缩状态被释放，钢丝绳7由紧绷的状态变为松弛，脚部的移动不再受到钢丝绳7的限制。

本实用新型根据人体行走的步态自行调节状态和位置实现助力的目的，具体是：当人体处于跖屈驱动相时，配合人体的运动，电机正转并通过滚珠丝杆给予踝关节一个向上的力；当处于摆动相和跖屈控制相时，电机反转使得装置返回助力前状态，并在背屈控制相时电机停转保持在当前状态。对于人体行走的步态过程，参阅图5，本实用新型按照以下步骤来进行工作：

第1步，当人在行走过程中处在足跟提起到足尖抬起这一阶段，即跖屈驱动相PP，足跟压力传感器和足尖压力传感器的信号相继消失，根据此信号由电机1的控制器控制电机1正转，使得通过同步带9连接的滚珠丝杆2的滚珠丝杆螺母4上移，通过导杆11拉动连接在脚踝处的钢丝绳7，给予踝关节一个向上的力；

第2步，当足尖完全抬起时，即摆动相SW和跖屈控制相CP，此时踝关节不再需要一个向上的力，处于摆动相的脚底两个传感器都没有信号，据此电机控制器控制电机反转，使滚珠丝杆螺母下移返回至未助力前的状态；

第3步，当脚部完成摆动重新接触地面这一阶段，即背屈控制相CD，两个压力传感器均得到来自足底的压力信号，此时电机停止反转，为下一次的足跟提起是给踝关节助力做准备。

经过上述步骤，实现针对整个步态过程中踝关节的助力。

Claims (5)

1.一种带有反向可驱动的踝关节助力装置，其特征是由适应步态的助力机构、反向可驱动机构和步态检测机构组成；所述助力机构由安装在脚部的摆动轴（8），通过尼龙带（10）绑在摆动轴（8）上部的电机（1）、滚珠丝杆（2）和可移动导杆（6）及其下部连接的具有拉动脚后跟给踝关节助力功能的钢丝绳（7）组成；所述反向可驱动机构主要由相互配合的弹簧（3）、滚珠丝杆（２）和钢丝绳（7）组成，所述滚珠丝杆（2）的螺杆的位置被上下方的端盖（12）固定，该螺杆的外侧通过端盖（12）固定安装一组导杆（11），该导杆上装有弹簧压板（5），弹簧压板（5）上的滚珠丝杆螺母（4）可沿滚珠丝杆（2）的螺杆上下移动；所述步态检测机构由安装在足底处的压力传感器组成，其包括安装在足跟处的足跟压力传感器和安装在足尖处的足尖压力传感器。

2.根据权利要求1所述的带有反向可驱动的踝关节助力装置，其特征是所述的电机（1）通过同步带（9）与滚珠丝杆（2）的上端相连。

3.根据权利要求1所述的带有反向可驱动的踝关节助力装置，其特征是所述的弹簧（3）套装在可移动导杆（6）的上端，位于弹簧压板（5）和端盖（12）之间，弹簧（3）单侧被端盖（12）固定，只可被压缩不可被拉伸；在弹簧（3）处装有位移传感器，其输出的信号被电机（1）的控制器接收。

4.根据权利要求3所述的带有反向可驱动的踝关节助力装置，其特征是所述的可移动导杆（6），其下端与钢丝绳（7）相连；可移动导杆（6）贯穿弹簧压板（5），由滚珠丝杆的螺母（4）控制该可移动导杆向上的移动。

5.根据权利要求1所述的带有反向可驱动的踝关节助力装置，其特征是所述足跟压力传感器和足尖压力传感器均采用空气压力传感器。

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