一種用于截癱康復訓練的足底輪式驅動交替行走外骨骼裝置的制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種截癱康復外骨骼裝置，該裝置包括外骨骼和肘拐，其中外骨骼主要包括電源及控制電路模塊和足底驅動模塊，肘拐主要包括肘拐遙控器和肘拐管身。本發明的外骨骼裝置采用足底輪式驅動，行走過程中雙腳始終不離地，克服了關節驅動型外骨骼步態中的擺動相問題；輔以帶有遙控器的肘拐輔助平衡，通過控制左右手按壓按鍵的幅度及按壓時間，實時掌控行走時的步長、步頻、步速等步態參數。本發明的外骨骼裝置以較為精簡的結構實現截癱康復的直立和交替行走兩項要求。
【專利說明】
一種用于截癱康復訓練的足底輪式驅動交替行走外骨骼裝置
技術領域
[0001]本發明涉及醫療器械技術領域，特別地，涉及動力下肢醫療外骨骼技術。
【背景技術】
[0002]近年來，外骨骼技術在截癱助行康復中的應用逐漸成熟。其中最具代表性的是商業化較為成功的ReWa I k外骨骼，不但獲得FDA認證并且已成功上市。與ReWa I k結構相似的動力下肢外骨骼還有Ekso及Indego等。雖然此類外骨骼驅動單元略有差異，但共同點為嵌入有可感知人體運動意圖的控制傳感器，并且通過拐杖輔助平衡。
[0003]雖然以ReWalk為代表的移動穿戴式外骨骼可以幫助截癱患者行走，但此類關節驅動型外骨骼在行走時較難實現外骨骼下肢運動角和人體下肢力線的完全重合，這對患者正常行走步態會有潛在影響。此外由于此類關節驅動型外骨骼的控制系統復雜，使用者需要經過前期練習和醫師指導才能獨立使用，存在一定學習成本和使用難度。有研究者指出醫療器械中復雜的控制系統并非有益，因為只有使用者最清楚自身的運動意圖，任何傳感器都有無法100%感知使用者的意圖，一旦傳感器預判出現錯誤將會帶來嚴重后果。此外，系統越復雜其穩定性越差、出錯率越高。康復醫療器械對系統穩定性有著更為嚴苛的要求，不允許因為系統問題而對使用者造成二次傷害。
【發明內容】
[0004]移動穿戴式截癱康復器械應滿足的兩項最基本的要求是直立和交替行走。為克服現有截癱康復外骨骼控制系統復雜、能耗高、人機步態協調性不佳及產品昂貴的問題，在分析了目前穿戴式外骨骼的優缺點后，本發明提出了可以同時滿足以上兩項要求的一種簡單可靠的截癱康復訓練外骨骼裝置。該外骨骼裝置采用足底輪式驅動，在肘拐手柄處裝有可分別控制左右腳運動的按鍵，使用融合有遙控器的肘拐輔助平衡，可實現直立和交替行走的截癱康復外骨骼裝置。
[0005]為了實現此目的，本發明采取的技術方案為如下:
[0006]一種用于截癱康復訓練的足底輪式驅動交替行走外骨骼裝置，包括外骨骼和肘拐，所述外骨骼包括電源及控制電路模塊、髖關節、電線、腿部固定板及綁帶、膝關節鎖、長度調整螺釘、足底驅動模塊，所述足底驅動模塊包括踝關節支架、足部擋板、底板、驅動輪和從動輪;所述肘拐包括肘拐遙控器和肘拐管身，所述肘拐遙控器安裝在肘拐管身上，包括遙控器手柄主體、電路板和按鍵。電源及控制電路模塊包括鋰離子電池組、電機控制器和無線信號接收器，電線包括三相無刷電機線和霍爾線，用于將電源和控制電路模塊的電能和控制信號傳遞到足底驅動模塊以帶動人體前行，腿部固定板和綁帶位于股骨和脛骨處，負責固定使用者的下肢。
[0007]足部擋板包括2個前足部擋板、后外側足部擋板和后內側足部擋板，底板較長的兩個邊上分別設置有2個與足部擋板相配合的凹槽，2個前足部擋板對稱設置在底板的2個凹槽內，后外側足部擋板和后內側足部擋板對稱設置在底板的另外2個凹槽內。
[0008]足底驅動模塊還包括薄型推力軸承、六角大螺釘和異型螺母，通過內六角大螺釘和異型螺母將薄型推力軸承與踝關節支架和后外側足部擋板連接在一起。
[0009]踝關節支架上設置有限位孔槽，限位螺釘固接在后外側足部擋板上，一端深入到限位孔槽內進行踝關節轉角限位。
[0010]所述遙控器手柄主體采用一體成型結構，整體上呈手柄狀，下部設置成中空用于放置電路板，遙控器手柄主體還設置有按鍵行程限位臺；所述電路板采用可充電電池供電，通過藍牙進行無線信號傳輸，電路板還設置有調速搖桿;所述按鍵上設置有斜槽、按鍵彈簧卡臺和按鍵滑臺。
[0011 ]所述按鍵彈簧卡臺設置成與按鍵行程限位臺的位置相對應，按鍵上設置有彈簧，其一端套入按鍵彈簧卡臺，另一端置于按鍵行程限位臺上。
[0012]按鍵按下時，調速搖桿滑入按鍵的斜槽內，由此可將調速搖桿的撥動調速轉變為按鍵的直線調速，通過控制按下按鍵的幅度進行調速。
[0013]通過采用本發明的外骨骼裝置，能夠實現以下的技術效果:
[0014]使用時膝關節鎖定，使用者雙腿跟隨外骨骼作直立交替行走，由于不存在行走過程中的膝關節彎曲，因而外骨骼下肢與人體下肢力線完全重合，步態一致性好，絕大部分能量用來完成水平前進，因而對能耗及電機驅動扭矩的要求都較小；
[0015]采用機械限位設計，可使踝關節前后轉角都被限制在15度，以免按鍵按壓不當或者電路故障問題對使用者造成傷害；
[0016]采用足底輪式驅動模式，行走過程中雙腳始終不離地，解決了關節驅動型外骨骼步態中的擺動相問題，當無線信號接收模塊接收到PWM信號時控制電路驅動電機前行，無PffM信號時控制電路自動使電機進入剎車狀態，以此保證輪式驅動的安全控制；
[0017]通過控制左右手按壓按鍵的幅度及按壓時間，使用者可完全實時掌控行走時的步長、步頻、步速等步態參數提高了使用者對步態的實時干預能力。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發明的截癱康復訓練外骨骼裝置的示意圖(足部綁帶未示出)；
[0019]圖2是本發明的截癱康復訓練外骨骼裝置的足底驅動模塊的示意圖；
[0020]圖3是本發明的截癱康復訓練外骨骼裝置的肘拐遙控器的結構圖(下殼未示出)。
[0021]圖中1-電源及控制電路模塊，2-髖關節，3-電線，4-腿部固定板及綁帶，5-膝關節鎖，6-長度調整螺釘，7-足底驅動模塊，8-肘拐遙控器，9-肘拐管身，10-踝關節支架，11-內六角大螺釘，12-薄型推力軸承，13-異形螺母，14-限位孔槽，15-后外側足部擋板，16-限位螺釘，17-背板，18-后內側足部擋板，19-底板，20-前足部擋板，21-驅動輪，22-從動輪，23-遙控器手柄主體，24-電路板，25-搖桿，26-按鍵，27-按鍵行程限位臺，28-按鍵彈簧卡臺，29-按鍵滑臺。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖，對本發明作詳細說明。
[0023]如圖1所示，本發明的外骨骼裝置主要包括外骨骼和肘拐，其中，
[0024]外骨骼包括電源及控制電路模塊1、髖關節2、電線3、腿部固定板及綁帶4、膝關節鎖5、長度調整螺釘6、足底驅動模塊7。
[0025]電源及控制電路模塊I主要包括鋰離子電池組、電機控制器和無線信號接收器。
[0026]電線3主要包括三相無刷電機線和霍爾線，負責將電源和控制電路模塊I的電能和控制信號傳遞到足底驅動模塊7以帶動人體前行。
[0027]腿部固定板和綁帶4位于股骨和脛骨處，負責固定使用者的下肢。
[0028]如圖2所示，足底驅動模塊7主要包括踝關節支架10、足部擋板、底板19、驅動輪21和從動輪22。
[0029]踝關節支架10上設置9個M5螺釘孔，間距10mm，可調整80mm的長度。
[0030]薄型推力軸承12設置為內外側各一套，通過內六角大螺釘11和異型螺母13將兩套軸承12與踝關節支架10和后外側足部擋板15連接在一起，裝配好后踝關節支架10可自由轉動。為防止踝關節轉角過大對使用者造成傷害，在踝關節支架10上加工有限位孔槽14，限位螺釘16固接在后外側足部擋板15上，一端深入到限位孔槽14內進行踝關節轉角限位。人體正常步態擺動初期踝關節跖屈10-20°而支撐期背屈15°。為保證安全，踝關節限位槽以踝關節支架垂直軸為中心各偏15°，踝關節支架最大可在前后15°范圍內轉動。
[0031]底板19呈水平方向設置，其中較長的兩個邊上分別設置有2個與足部擋板相配合的凹槽。
[0032]足部擋板采用一體化設計，整體呈豎直方向設置，包括2個前足部擋板20、后外側足部擋板15和后內側足部擋板18，各個足部擋板的上部大致呈方形，下部大致呈三角形。
[0033]2個前足部擋板對稱設置在底板19的2個凹槽內，后外側足部擋板15和后內側足部擋板18對稱設置在底板19的另外2個凹槽內；足部擋板均通過螺釘與底板19固接。
[0034]2個前足部擋板的下端分別設置有與從動輪22配合的有型孔，后外側足部擋板15和后內側足部擋板18分別設置有與驅動輪21配合的有型孔。
[0035]后外側足部擋板15和后內側足部擋板18上部均設置有斜孔槽，足部綁帶一端固定在后外側足部擋板15的斜孔槽內，另一端穿過后內側足部擋板15的斜孔槽后利用魔術扣粘住。
[0036]前足部擋板20上部均設置有平孔槽，采用與后足部擋板同樣的足部綁帶固定方法。
[0037]前后足部擋板及背板17與足部綁帶一起，可實現足部的完全固定。
[0038]驅動輪21采用小直徑輪轂電機做主動驅動，從動輪22采用同樣尺寸無動力輪，兩輪都包有耐磨橡膠。
[0039]此外，足底驅動模塊7上還有足部固定帶(為便于展示說明未示出)。
[0040]如圖1所示，肘拐包括肘拐遙控器8和肘拐管身9。
[0041]如圖3所示，肘拐遙控器8安裝在肘拐管身9上，主要包括遙控器手柄主體23、電路板24和按鍵26。
[0042]遙控器手柄主體23采用一體成型結構，整體上呈手柄狀，下部設置成中空用于放置電路板24，遙控器手柄主體23還設置有按鍵行程限位臺27。
[0043]電路板24采用可充電電池供電，通過藍牙進行無線信號傳輸。電路板24設置有長度為20mm的調速搖桿25。
[0044]按鍵26上設置有斜角為30度的斜槽、按鍵彈簧卡臺28和按鍵滑臺29。
[0045]按鍵彈簧卡臺28設置成與按鍵行程限位臺27的位置相對應。按鍵26上還設置有彈簧(未示出)，其一端套入按鍵彈簧卡臺28，另一端置于按鍵行程限位臺27上。
[0046]當按鍵26按下時，調速搖桿25滑入按鍵26的斜槽內，由此可將調速搖桿25的撥動調速轉變為按鍵26的直線調速，使用者可通過控制按下按鍵的幅度進行調速，按鍵回復零位時自動進入剎車狀態。
[0047]外骨骼工作時，髖關節2和踝關節可自由轉動，當膝關節鎖5鎖定時膝關節無法發生轉動，當膝關節鎖5打開時膝關節可以發生轉動供使用者坐下。
[0048]外骨骼脛骨部分長度可根據使用者身高，通過外骨骼長度調整螺釘6進行調節。
[0049]外骨骼由肘拐遙控器8進行獨立運動控制，其中右側肘拐控制外骨骼左腿，左側肘拐控制右腿，通過依次按壓遙控按鍵實現交替行走。
[0050]另外，肘拐管身9長度同樣可以根據使用者身高進行調節。
[0051]盡管上述通過舉例說明，已經描述了本發明最佳的【具體實施方式】，本發明的保護范圍并不僅限于上述說明，本領域一般技術人員可以理解的是，在不背離本發明所教導的實質和精髓的前提下，任何修改和變化都落入本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種用于截癱康復訓練的足底輪式驅動交替行走外骨骼裝置，包括外骨骼和肘拐，其特征在于:所述外骨骼包括電源及控制電路模塊(1)、髖關節(2)、電線(3)、腿部固定板及綁帶(4)、膝關節鎖(5)、長度調整螺釘(6)、足底驅動模塊(7)所述足底驅動模塊(7)包括踝關節支架(10)、足部擋板、底板(19)、驅動輪(21)和從動輪(22);所述肘拐包括肘拐遙控器(8)和肘拐管身(9)，所述肘拐遙控器(8)安裝在肘拐管身(9)上，包括遙控器手柄主體(23)、電路板(24)和按鍵(26)。2.根據權利要求1所述的外骨骼裝置，其特征在于:所述電源及控制電路模塊(I)包括鋰離子電池組、電機控制器和無線信號接收器，電線(3)包括三相無刷電機線和霍爾線，用于將電源和控制電路模塊(I)的電能和控制信號傳遞到足底驅動模塊(7)以帶動人體前行，腿部固定板和綁帶(4)位于股骨和脛骨處，負責固定使用者的下肢。3.根據權利要求1所述的外骨骼裝置，其特征在于:所述足部擋板包括2個前足部擋板(20)、后外側足部擋板(15)和后內側足部擋板(18)，底板(19)較長的兩個邊上分別設置有2個與足部擋板相配合的凹槽，2個前足部擋板對稱設置在底板(19)的2個凹槽內，后外側足部擋板(15)和后內側足部擋板(18)對稱設置在底板(19)的另外2個凹槽內。4.根據權利要求1所述的外骨骼裝置，其特征在于:所述足底驅動模塊(7)還包括薄型推力軸承(12)、六角大螺釘(11)和異型螺母(13)，通過內六角大螺釘(11)和異型螺母(13)將薄型推力軸承(12)與踝關節支架(10)和后外側足部擋板(15)連接在一起。5.根據權利要求4所述的外骨骼裝置，其特征在于:所述踝關節支架(10)上設置有限位孔槽(14)，限位螺釘(16)固接在后外側足部擋板(15)上，一端深入到限位孔槽(14)內進行踝關節轉角限位。6.根據權利要求1所述的外骨骼裝置，其特征在于:所述遙控器手柄主體(23)采用一體成型結構，整體上呈手柄狀，下部設置成中空用于放置電路板(24)，遙控器手柄主體(23)還設置有按鍵行程限位臺(27);所述電路板(24)采用可充電電池供電，通過藍牙進行無線信號傳輸，電路板(24)還設置有調速搖桿(25);所述按鍵(26)上設置有斜槽、按鍵彈簧卡臺(28)和按鍵滑臺(29)。7.根據權利要求6所述的外骨骼裝置，其特征在于:所述按鍵彈簧卡臺(28)設置成與按鍵行程限位臺(27)的位置相對應，按鍵(26)上設置有彈簧，其一端套入按鍵彈簧卡臺(28)，另一端置于按鍵行程限位臺(27)上。8.根據權利要求7所述的外骨骼裝置，其特征在于:按鍵(26)按下時，調速搖桿(25)滑入按鍵(26)的斜槽內，由此將調速搖桿(25)的撥動調速轉變為按鍵(26)的直線調速，通過控制按下按鍵(26)的幅度進行調速。
【文檔編號】A61H1/02GK106038178SQ201610529902
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月6日
【發明人】季林紅, 馬青川
【申請人】清華大學