一種穿戴式仿人步態(tài)下肢康復(fù)助行裝置的制作方法

本發(fā)明涉及康復(fù)助行器械技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說是一種穿戴式仿人步態(tài)下肢康復(fù)助行裝置。

背景技術(shù)：

據(jù)相關(guān)調(diào)查，我國每年有近十萬新增肢體殘疾脊髓損傷患者，并且隨著老齡化的嚴(yán)重，老年人身體和各種生理功能下降，中風(fēng)偏癱以及交通事故中造成的下肢損傷導(dǎo)致病人身心都受到嚴(yán)重?fù)p傷，對家人及社會構(gòu)成嚴(yán)重的負(fù)擔(dān)，下肢康復(fù)裝置是一種具有廣泛應(yīng)用價值的康復(fù)器械。

康復(fù)助行裝置或康復(fù)機器人是現(xiàn)代科技進步與人體康復(fù)醫(yī)療需求相結(jié)合的產(chǎn)品，屬于醫(yī)療機器人的范疇，其主要功能是幫助患者完成各種運動功能的恢復(fù)訓(xùn)練，如行走訓(xùn)練，肌肉恢復(fù)訓(xùn)練等。

傳統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練有賴于治療師一對一的徒手操作，治療師的勞動強度大?，F(xiàn)階段，世界上約有十家實驗室從事可穿戴型助行器的研究，如日本筑波大學(xué)的hal，能夠高度控制人體運動正常步態(tài)。但是這些助行裝置往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制系統(tǒng)造價昂貴，導(dǎo)致價格極高。

專利號為201310419611.5，名稱為“仿人步態(tài)下肢康復(fù)助行器械”的專利文件中公開的技術(shù)方案，使用連桿機構(gòu)模擬人正常行走的運動規(guī)律，其結(jié)構(gòu)簡單，但不具有柔度，沖擊力較大，調(diào)節(jié)不方便，不能很好地配合使用者的形體。專利號201310689890.7，名稱為一種“穿戴式下肢康復(fù)訓(xùn)練裝置”的專利文件中，通過兩組連桿機構(gòu)分別帶動膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)運動，結(jié)構(gòu)也比較簡單，但同樣不具有柔性，并且需要多個電機，膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)配合不能夠保證。兩者都不能對單獨關(guān)節(jié)進行康復(fù)訓(xùn)練。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、控制方便的穿戴式仿人步態(tài)下肢康復(fù)助行裝置，用一種仿人步態(tài)的運動方式帶動患者進行正常人行走，使其驅(qū)動具有柔性，具有與肢體運動的協(xié)調(diào)性，減少沖擊，并且能很好地配合使用者的形體，實現(xiàn)康復(fù)訓(xùn)練。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種穿戴式仿人步態(tài)下肢康復(fù)助行裝置，由左右對稱的梯形支架構(gòu)成支撐框架，在所述支撐框架上左右對稱設(shè)置有下肢機構(gòu)，所述下肢機構(gòu)包括：

腰部，在其頂部固定設(shè)置驅(qū)動模塊，其底部與大腿桿的上端通過水平銷鉸接相連，形成髖關(guān)節(jié)；

大腿桿，其下端與小腿桿的上端通過水平銷鉸接相連，形成膝關(guān)節(jié)，所述大腿桿的內(nèi)側(cè)設(shè)有用于固定大腿的大腿固定環(huán)；

小腿桿，其下端與腳部鉸接相連，形成踝關(guān)節(jié)，其內(nèi)側(cè)設(shè)有用于固定小腿的小腿固定環(huán)；

驅(qū)動模塊，通過多路輸出帶動多條柔索，各柔索在驅(qū)動模塊的驅(qū)動下一一對應(yīng)地對雙側(cè)大腿桿、小腿桿以及腳部進行牽動，實現(xiàn)大腿桿、小腿桿及腳部的運動。

優(yōu)選的，所述驅(qū)動模塊是通過電機驅(qū)動主動鏈輪，所述主動鏈輪通過傳動鏈驅(qū)動被動鏈輪進行轉(zhuǎn)動，以所述被動鏈輪的輪軸為輸出軸，在所述輸出軸的兩軸端通過多路曲柄連桿機構(gòu)一一對應(yīng)驅(qū)動所述各條柔索。

優(yōu)選的，所述多路曲柄連桿機構(gòu)是在所述輸出軸的兩軸端設(shè)置連接板形成一對曲柄，在所述曲柄的另一端鉸接連接有圓盤，在所述圓盤上分布有四路連桿機構(gòu)，所述四路連桿機構(gòu)分別是：

第一連桿機構(gòu)，通過第一連桿鉸接第一滑塊，所述第一滑塊連接第一柔索，所述第一柔索通過滑輪將動力傳遞至所述髖關(guān)節(jié)；

第二連桿機構(gòu)，通過第二連桿鉸接第二滑塊，所述第二滑塊連接第二柔索，所述第二柔索通過滑輪將動力傳遞至所述膝關(guān)節(jié)；

第三連桿機構(gòu)，通過第三連桿鉸接第三滑塊，所述第三滑塊連接第三柔索，所述第三柔索通過滑輪將動力傳遞至所述踝關(guān)節(jié)；

第四連桿機構(gòu)，通過第四連桿鉸接第四滑塊，所述第四滑塊連接第四柔索，所述第四柔索通過滑輪將動力傳遞至所述膝關(guān)節(jié)。

優(yōu)選的，所述圓盤上還設(shè)有約束機構(gòu)，所述約束機構(gòu)是由所述圓盤外緣一處向外凸出形成約束桿，在約束桿的另一端鉸接有約束滑塊，通過所述約束滑塊沿導(dǎo)桿作往復(fù)直線運動實現(xiàn)對所述圓盤運動的約束。

優(yōu)選的，所述大腿桿上靠近所述髖關(guān)節(jié)位置處設(shè)有兩個髖關(guān)節(jié)止點，所述第一柔索與所述髖關(guān)節(jié)止點相連。

優(yōu)選的，所述小腿桿上靠近所述膝關(guān)節(jié)位置處設(shè)有四個膝關(guān)節(jié)止點，所述第二柔索、第四柔索分別與所述各膝關(guān)節(jié)止點相連。

優(yōu)選的，所述腳部設(shè)有兩個踝關(guān)節(jié)止點，所述第三柔索與所述踝關(guān)節(jié)止點相連。

與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在：

1、本發(fā)明是用一種仿人步態(tài)的運動方式帶動患者進行康復(fù)訓(xùn)練，通過驅(qū)動模塊多路輸出帶動多條柔索，各柔索在驅(qū)動模塊的驅(qū)動下一一對應(yīng)地對雙側(cè)大腿桿、小腿桿以及腳部進行牽動，采用具有一定柔性的柔索的長度變化模仿人體正常行走一個周期內(nèi)下肢各肌肉的長度變化，使其與使用者肢體運動的協(xié)調(diào)性更好，能夠減少沖擊；

2、本發(fā)明的行走和固定兩種形式可轉(zhuǎn)換，不僅能夠進行整個下肢的步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練，還可以對單個關(guān)節(jié)進行康復(fù)訓(xùn)練，便于使用者根據(jù)自身情況靈活使用，應(yīng)對多種不同的康復(fù)訓(xùn)練需求；

3、本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，成本低，易于控制，操作方便，只需要使用兩個減速電機驅(qū)動兩側(cè)下肢機構(gòu)運動，能耗較低。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2a為本發(fā)明中驅(qū)動模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2b為本發(fā)明中驅(qū)動模塊另一視角的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3a為本發(fā)明中驅(qū)動模塊的原理示意圖一；

圖3b為本發(fā)明中驅(qū)動模塊的原理示意圖二；

圖4a為本發(fā)明中下肢機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4b為本發(fā)明中下肢機構(gòu)另一視角的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明中被動鏈輪輸出軸兩軸端的一對曲柄的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6a為本發(fā)明中柔索與滑塊連接結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6b為本發(fā)明中柔索與滑塊連接結(jié)構(gòu)的分解示意圖；

圖7a為本發(fā)明中髖關(guān)節(jié)止點與腰部之間柔索段在一個步態(tài)周期內(nèi)的長度變化曲線圖；

圖7b為本發(fā)明中第一滑塊的運動路徑曲線圖。

圖中標(biāo)記：1梯形支架；2腰部；3大腿桿；4小腿桿；5腳部；6大腿固定環(huán)；7小腿固定環(huán)；8驅(qū)動模塊；9背靠板；10蓋板；11扶手；12電機；13主動鏈輪；14傳動鏈；15被動鏈輪；16輸出軸；17連接板；18曲柄；19圓盤；20第一連桿；21第一滑塊；22第一柔索；23第二連桿；24第二滑塊；25第二柔索；26第三連桿；27第三滑塊；28第三柔索；29第四連桿；30第四滑塊；31第四柔索；32約束桿；33約束滑塊；34導(dǎo)桿；35連接套筒；36連接柱；37固定銷；38髖關(guān)節(jié)止點；39膝關(guān)節(jié)止點；40踝關(guān)節(jié)止點；41腳；42鞋；43螺柱；44導(dǎo)向滑輪；45髖關(guān)節(jié)滑輪；46膝關(guān)節(jié)滑輪；47腰部滑輪；48大腿滑輪；49小腿滑輪；50驅(qū)動模塊框架。

具體實施方式

實施例：

參見圖1，本實施例的穿戴式仿人步態(tài)下肢康復(fù)助行裝置是由左右對稱的梯形支架1構(gòu)成支撐框架，在支撐框架上左右對稱設(shè)置有下肢機構(gòu)，下肢機構(gòu)包括：腰部2，在其頂部固定設(shè)置驅(qū)動模塊8，其底部與大腿桿3的上端通過水平銷鉸接相連，形成髖關(guān)節(jié)；大腿桿3，其下端與小腿桿4的上端通過水平銷鉸接相連，形成膝關(guān)節(jié)，大腿桿3的內(nèi)側(cè)設(shè)有用于固定大腿的大腿固定環(huán)6；小腿桿4，其下端與腳部5鉸接相連，形成踝關(guān)節(jié)，其內(nèi)側(cè)設(shè)有用于固定小腿的小腿固定環(huán)7；驅(qū)動模塊8，通過多路輸出帶動多條柔索，各柔索在驅(qū)動模塊8的驅(qū)動下一一對應(yīng)地對雙側(cè)大腿桿3、小腿桿4以及腳部5進行牽動，實現(xiàn)大腿桿3、小腿桿4及腳部5的運動。

此外，支撐框架上位于兩側(cè)驅(qū)動模塊8的后部之間設(shè)置有背靠板9，其底部設(shè)有萬向輪，上端內(nèi)側(cè)固設(shè)有驅(qū)動模塊框架50，驅(qū)動模塊8設(shè)置在驅(qū)動模塊框架50中。驅(qū)動模塊框架50的頂部設(shè)有蓋板10，蓋板10上設(shè)有扶手11，方便使用者手扶，驅(qū)動模塊框架50的底部與腰部2的頂部固定相連。

參見圖2及圖3，驅(qū)動模塊8是通過電機12驅(qū)動主動鏈輪13，主動鏈輪13通過傳動鏈14驅(qū)動被動鏈輪15進行轉(zhuǎn)動，以被動鏈輪15的輪軸為輸出軸16，在輸出軸16的兩軸端通過多路曲柄連桿機構(gòu)一一對應(yīng)驅(qū)動各條柔索。

具體的，多路曲柄連桿機構(gòu)是在輸出軸16的兩軸端設(shè)置連接板17形成一對曲柄18，在曲柄18的另一端鉸接連接有圓盤19，在圓盤19上分布有四路連桿機構(gòu)，四路連桿機構(gòu)分別是：

第一連桿機構(gòu)，通過第一連桿20鉸接第一滑塊21，第一滑塊21連接第一柔索22，第一柔索22通過滑輪將動力傳遞至髖關(guān)節(jié)；

第二連桿機構(gòu)，通過第二連桿23鉸接第二滑塊24，第二滑塊24連接第二柔索25，第二柔索25通過滑輪將動力傳遞至膝關(guān)節(jié)；

第三連桿機構(gòu)，通過第三連桿26鉸接第三滑塊27，第三滑塊27連接第三柔索28，第三柔索28通過滑輪將動力傳遞至踝關(guān)節(jié)；

第四連桿機構(gòu)，通過第四連桿29鉸接第四滑塊30，第四滑塊30連接第四柔索31，第四柔索31通過滑輪將動力傳遞至膝關(guān)節(jié)。

圓盤19上還設(shè)有約束機構(gòu)，約束機構(gòu)是由圓盤19外緣一處向外凸出形成約束桿32，在約束桿32的另一端鉸接有約束滑塊33，通過約束滑塊33沿導(dǎo)桿34作往復(fù)直線運動實現(xiàn)對圓盤19運動的約束。

本實施例中，在驅(qū)動模塊框架50內(nèi)壁上對應(yīng)上述約束機構(gòu)及各連桿機構(gòu)分別設(shè)有相應(yīng)的導(dǎo)桿34，在電機12的驅(qū)動下，被動鏈輪15輸出軸16兩軸端的一對曲柄18帶動約束機構(gòu)及各連桿機構(gòu)的滑塊沿相應(yīng)的導(dǎo)桿34做往復(fù)直線運動，通過滑塊的往復(fù)直線運動，使各柔索一一對應(yīng)地對雙側(cè)大腿桿3、小腿桿4以及腳部5進行牽動，通過柔索的長度變化模仿人體正常行走一個周期內(nèi)下肢各肌肉的長度變化，使本發(fā)明的康復(fù)助行裝置與使用者肢體運動的協(xié)調(diào)性更好。

此外，根據(jù)人體正常行走一個周期內(nèi)下肢由四組八條肌肉驅(qū)動的原理，本發(fā)明中單側(cè)驅(qū)動模塊8的一對曲柄18通過其兩端鉸接的圓盤19分別實現(xiàn)四條柔索的長度變化，實現(xiàn)一個電機12驅(qū)動八條柔索同時工作，降低了整套裝置的能耗，同時優(yōu)化結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)更簡單、成本降低，操作方便、易于控制。且上述各連桿機構(gòu)的尺寸大小，是以人體正常行走一個周期內(nèi)下肢四組肌肉長度變化規(guī)律作為依據(jù)進行設(shè)計，使其輸出的八條柔索滿足人體正常行走一個周期內(nèi)的關(guān)節(jié)角度變化曲線。

初始狀態(tài)下，兩側(cè)驅(qū)動模塊8中曲柄18的初始位置相差一個相位值。其中，曲柄18的結(jié)構(gòu)如圖5所示，被動鏈輪15的輸出軸16兩軸端的連接板17之間具有一定的夾角，本實施例中，兩端連接板17之間具有20°的夾角，通過設(shè)置該夾角，使曲柄兩端圓盤上的連桿機構(gòu)對應(yīng)滑塊的起始位置不同，從而使得兩端滑塊對應(yīng)帶動的柔索長度變化更接近下肢四組肌肉的長度變化規(guī)律。

作為一個優(yōu)選的方案，本實施例中，各柔索與對應(yīng)滑塊之間可拆卸連接。如圖6所示，柔索與滑塊的具體連接結(jié)構(gòu)為：在滑塊上設(shè)置連接套筒35，連接套筒35內(nèi)設(shè)有連接柱36，連接柱36與連接套筒35之間通過固定銷37固定連接，連接柱36頂部具有圓環(huán)，用于連接柔索。需要說明的是，上述連接結(jié)構(gòu)是本發(fā)明其中一種可選的技術(shù)方案，本領(lǐng)域技術(shù)人員在具體應(yīng)用時不局限于該技術(shù)方案，也可采用其他連接方式實現(xiàn)柔索與對應(yīng)滑塊之間的可拆卸連接，如卡接、螺接等。

當(dāng)使用者想對單個關(guān)節(jié)進行針對性的康復(fù)訓(xùn)練時，例如只想訓(xùn)練小腿，這時將與大腿桿3及腳部5對應(yīng)的柔索相連的連接柱36上的固定銷37拔出，將連接柱36從滑塊上的連接套筒35中取出，即可實現(xiàn)大腿桿3及腳部5的柔索與對應(yīng)滑塊的分離。通過上述操作使本發(fā)明的康復(fù)助行裝置，行走和固定兩種形式可轉(zhuǎn)換，不僅能夠進行整個下肢的步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練，還可以對單個關(guān)節(jié)進行康復(fù)訓(xùn)練，便于使用者根據(jù)自身情況靈活使用，應(yīng)對多種不同的康復(fù)訓(xùn)練需求。

參見圖4，大腿桿3上靠近髖關(guān)節(jié)位置處設(shè)有兩個髖關(guān)節(jié)止點38，第一柔索22與髖關(guān)節(jié)止點38相連。小腿桿4上靠近膝關(guān)節(jié)位置處設(shè)有四個膝關(guān)節(jié)止點39，第二柔索25、第四柔索31分別與各膝關(guān)節(jié)止點39相連。腳部5設(shè)有兩個踝關(guān)節(jié)止點40，第三柔索28與踝關(guān)節(jié)止點40相連。

其中，兩個髖關(guān)節(jié)止點38對應(yīng)設(shè)置在大腿桿3的前后側(cè)，四個膝關(guān)節(jié)止點39分別位于小腿桿4的前后及左右側(cè)。

本實施例中，腳部5由外至內(nèi)包括腳41和鞋42，腳41的上端與小腿桿4的下端通過水平銷鉸接，鞋42與腳41之間通過螺柱43相連，可通過螺柱43調(diào)節(jié)鞋42與腳41之間的間距；上述兩個踝關(guān)節(jié)止點40分別位于腳41的左右側(cè)。

此外，在驅(qū)動模塊框架50內(nèi)壁、腰部2、大腿桿3、小腿桿4上分別設(shè)有若干滑輪，具體的，本實施例中，在驅(qū)動模塊框架50內(nèi)壁上對應(yīng)各連桿機構(gòu)分別設(shè)有導(dǎo)向滑輪44，在腰部2左右側(cè)對稱設(shè)有通孔，其中一部分柔索穿過該通孔向下延伸與下肢相連，在腰部2的前后側(cè)分別設(shè)有兩個腰部滑輪47，其余柔索經(jīng)腰部2前后側(cè)的腰部滑輪47導(dǎo)向，將動力傳遞至下肢；在髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)處的水平銷兩端分別設(shè)有一個髖關(guān)節(jié)滑輪45和膝關(guān)節(jié)腿滑輪，大腿桿3的下端部前后側(cè)分別設(shè)有一對大腿滑輪48，小腿桿4的下端部左右側(cè)均設(shè)有一個小腿滑輪49，通過滑輪為各柔索導(dǎo)向進而將動力傳遞至大腿桿3、小腿桿4及腳部5。

以曲柄18一側(cè)圓盤19上的四路連桿機構(gòu)為例，與第一滑塊21相連的第一柔索22經(jīng)導(dǎo)向滑輪44、腰部滑輪47導(dǎo)向，與大腿桿3前側(cè)的髖關(guān)節(jié)止點38相連；與第二滑塊24相連的第二柔索25穿過腰部2通孔向下延伸，經(jīng)導(dǎo)向滑輪44、髖關(guān)節(jié)滑輪45、大腿桿3下端部后側(cè)的大腿滑輪48導(dǎo)向，與小腿桿4右側(cè)的膝關(guān)節(jié)止點39相連；與第三滑塊27相連的第三柔索28經(jīng)導(dǎo)向滑輪44、腰部滑輪47、膝關(guān)節(jié)滑輪46、小腿桿4下端部右側(cè)的小腿滑輪49導(dǎo)向，與腳41上內(nèi)側(cè)的踝關(guān)節(jié)止點40相連；與第四滑塊30相連的第四柔索31經(jīng)導(dǎo)向滑輪44、腰部滑輪47及大腿桿3下端部前側(cè)的大腿滑輪48導(dǎo)向，與小腿桿4前側(cè)的膝關(guān)節(jié)止點39相連。曲柄18另一側(cè)圓盤19上的四路連桿機構(gòu)連接的另四條柔索分別與其余的髖關(guān)節(jié)止點38、膝關(guān)節(jié)止點39及踝關(guān)節(jié)止點40相連，通過驅(qū)動模塊8帶動8條柔索實現(xiàn)對下肢的牽引。

通過實驗得出髖關(guān)節(jié)止點38與腰部2之間的柔索段在一個步態(tài)周期內(nèi)的長度變化曲線圖，如圖7a所示；同時得出了第一滑塊22的運動路徑曲線圖，如圖7b所示。