可穿戴式准被动踝关节外骨骼康复装置.pdf

本发明公开了一种可穿戴式准被动踝关节外骨骼康复装置。现有的辅助康复行走的踝关节外骨骼系统通常是主动驱动系统，存在对于人体的强制作用，安全性差，并且耗能较大，没有充分利用人体重力势能。本发明包括拉伸弹簧连接机构、扭转弹簧、扭矩补偿机构、导轨滑块传动机构和电控制动系统；伸弹簧连接机构与扭转弹簧组合实现行走时踝关节的扭矩变化，电控制动系统、扭矩补偿机构和导轨滑块传动机构实现扭矩的非线性补偿，从而模拟健康人行走时踝关节的扭矩大小。本发明在保证患者安全的前提下，使得患有足内翻、足下垂等下肢功能障碍患者能够穿着本发明进行康复行走。

权利要求书1.  可穿戴式准被动踝关节外骨骼康复装置，包括拉伸弹簧连接机构、扭转弹簧、扭矩补偿机构、导轨滑块传动机构和电控制动系统，其特征在于： 所述的拉伸弹簧连接机构包括足型底板、凸字型立板、长主轴、短主轴、传动长轴、上固定板、下固定板、小腿绑定块、挂钩固定板、螺纹挂钩、拉伸弹簧、安装立板和安装底板；所述的足型底板对称固定有两块凸字型立板，安装底板固定在外侧的凸字型立板底部，安装立板与安装底板固定；所述长主轴的两端通过轴承分别支承在外侧的凸字型立板和安装立板上，短主轴通过轴承支承在内侧的凸字型立板上；长主轴和短主轴均固定有传动长轴；所述的上固定板和下固定板固定，并夹紧两根传动长轴；上固定板开设有固定带安装槽；小腿固定块与上固定板胶合；所述下固定板的多个挂钩滑槽处均通过螺母连接有螺纹挂钩；所述的挂钩固定板开设有调节槽和挂钩滑槽；多块挂钩固定板间距设置，且均在调节槽处与足型底板通过螺栓固定；挂钩固定板的数量与下固定板的挂钩滑槽的数量相等；每块挂钩固定板的挂钩滑槽处均通过螺母连接有螺纹挂钩；下固定板上的螺纹挂钩与对应一块挂钩固定板上的螺纹挂钩通过拉伸弹簧连接；所述扭转弹簧的两端分别与安装立板和外侧的传动长轴连接； 所述的扭矩补偿机构包括碟片、碟片固定盘和夹器装配体；所述的碟片固定盘与长主轴同轴设置，并通过螺栓固定；所述的碟片与碟片固定盘固定；所述的夹器装配体与安装立板固定，碟片嵌入夹器装配体的两片碟刹片之间； 所述的导轨滑块传动机构包括直线步进电机、导轨一、滑块一、导轨二、滑块二、导轨三、滑块三、导轨一固定板、导轨三固定板、长连杆和短连杆；所述的电控制动系统控制直线步进电机；所述的直线步进电机固定在外侧的安装立板上，其输出轴与滑块一通过螺栓固定；所述的导轨一固定在导轨一固定板上，并与滑块一构成滑动副；导轨一固定板的两端分别与外侧的凸字型立板和安装立板固定；所述的导轨二固定在外侧的凸字型立板上，并与滑块二构成滑动副；所述的导轨三固定板与安装底板固定，导轨三固定在导轨三固定板上，并与滑块三构成滑动副；滑块三与夹器装配体的滑动轴固定；所述长连杆的两端分别与滑块一和滑块二铰接，短连杆的两端分别与滑块二和滑块三铰接。 2.  根据权利要求1所述的可穿戴式准被动踝关节外骨骼康复装置，其特征在于：所述的碟片呈扇环形，对应的圆心角为120°，圆心与固定盘的圆心重合。 3.  根据权利要求1所述的可穿戴式准被动踝关节外骨骼康复装置，其特征在于：所述的夹器装配体采用YUS碟刹自行车碟刹器，型号为ANS-02。

说明书可穿戴式准被动踝关节外骨骼康复装置
技术领域
本发明属于人机交互技术领域，具体涉及一种可穿戴式准被动踝关节外 骨骼康复装置。
背景技术
足下垂、足内翻、足外旋是瘫痪、下肢功能障碍以及长期卧床不能活动 患者的常见并发症，由于患者下肢长期不能活动引起肌肉、肌腱和结缔组织 被动和主动特性的改变，包括肌肉纤维类型交叉桥结缔组织的改变，肌小节 的丧失、水分的丧失、胶原沉积和粘滞性的改变，造成肌肉僵硬、肌肉出现 废用性肌萎缩。如果小腿三头肌持续痉挛得不到牵伸而导致跟腱挛缩，将使 得可逆性足下垂转变为不可逆性足下垂。
现有的辅助康复行走的踝关节外骨骼系统通常是主动驱动系统，通过电 机、液压、气动等带动关节活动。但是主动机构存在对于人体的强制作用， 安全性差，并且耗能较大，没有充分利用人体重力势能。
发明内容
本发明目的是针对现有技术的不足，提供一种可穿戴式准被动踝关节外 骨骼康复装置，在保证患者安全的前提下，使得患有足内翻、足下垂等下肢 功能障碍患者能够穿着本发明进行康复行走。
本发明包括拉伸弹簧连接机构、扭转弹簧、扭矩补偿机构、导轨滑块传 动机构和电控制动系统。
所述的拉伸弹簧连接机构包括足型底板、凸字型立板、长主轴、短主轴、 传动长轴、上固定板、下固定板、小腿绑定块、挂钩固定板、螺纹挂钩、拉 伸弹簧、安装立板和安装底板。所述的足型底板对称固定有两块凸字型立板， 安装底板固定在外侧的凸字型立板底部，安装立板与安装底板固定；所述长 主轴的两端通过轴承分别支承在外侧的凸字型立板和安装立板上，短主轴通 过轴承支承在内侧的凸字型立板上；长主轴和短主轴均固定有传动长轴；所 述的上固定板和下固定板固定，并夹紧两根传动长轴；上固定板开设有固定 带安装槽；小腿固定块与上固定板胶合；所述下固定板的多个挂钩滑槽处均 通过螺母连接有螺纹挂钩；所述的挂钩固定板开设有调节槽和挂钩滑槽；多 块挂钩固定板间距设置，且均在调节槽处与足型底板通过螺栓固定；挂钩固 定板的数量与下固定板的挂钩滑槽的数量相等；每块挂钩固定板的挂钩滑槽 处均通过螺母连接有螺纹挂钩；下固定板上的螺纹挂钩与对应一块挂钩固定 板上的螺纹挂钩通过拉伸弹簧连接；所述扭转弹簧的两端分别与安装立板和 外侧的传动长轴连接。
所述的扭矩补偿机构包括碟片、碟片固定盘和夹器装配体；所述的碟片 固定盘与长主轴同轴设置，并通过螺栓固定；所述的碟片与碟片固定盘固定； 所述的夹器装配体与安装立板固定，碟片嵌入夹器装配体的两片碟刹片之间。
所述的导轨滑块传动机构包括直线步进电机、导轨一、滑块一、导轨二、 滑块二、导轨三、滑块三、导轨一固定板、导轨三固定板、长连杆和短连杆。 所述的电控制动系统控制直线步进电机；所述的直线步进电机固定在外侧的 安装立板上，其输出轴与滑块一通过螺栓固定；所述的导轨一固定在导轨一 固定板上，并与滑块一构成滑动副；导轨一固定板的两端分别与外侧的凸字 型立板和安装立板固定；所述的导轨二固定在外侧的凸字型立板上，并与滑 块二构成滑动副；所述的导轨三固定板与安装底板固定，导轨三固定在导轨 三固定板上，并与滑块三构成滑动副；滑块三与夹器装配体的滑动轴固定； 所述长连杆的两端分别与滑块一和滑块二铰接，短连杆的两端分别与滑块二 和滑块三铰接。
所述的碟片呈扇环形，对应的圆心角为120°，圆心与固定盘的圆心重合。
所述的夹器装配体采用YUS碟刹自行车碟刹器，型号为ANS-02。
本发明的有益效果：
1、通过拉伸弹簧、扭转弹簧与电控制动系统组合，使得穿戴本发明患者 可在肌肉萎缩、踝关节无法施力的条件下正常行走。
2、不同于以往踝关节康复系统的电机驱动或欠驱动设计，本系统为准备 动机构，目的使患者在行走过程中获得缓冲，增强舒适性，减少意外发生的 可能；并且利用储能装置储存能量，节约能耗。
3、有效避免主动驱动外骨骼机构对于人体的强制驱动作用，减少患者受 伤的可能，使用本发明的患者在行走中更加自由。
4、适应性强，储能原件(拉伸弹簧)易更换，能够适应不同体重、不同 步速、不同恢复阶段人群的恢复性训练和行走辅助。
5、尝试拓展适用对象，满足非患者降低踝关节疲劳的需求。
附图说明
图1为本发明的整体结构装配立体图；
图2-1为本发明中拉伸弹簧连接机构的前部立体图；
图2-2为本发明中拉伸弹簧连接机构的背部立体图；
图3为本发明中扭转弹簧的装配立体图；
图4-1为本发明中碟片的装配立体图；
图4-2为本发明中夹器装配体的装配立体图；
图5-1为本发明中导轨滑块传动机构的一个装配立体图；
图5-2为本发明中导轨滑块传动机构的另一个装配立体图。
图中：1、凸字型立板，2、长主轴，3、短主轴，4、传动长轴，5、上固 定板，6、下固定板，7、小腿绑定块，8、挂钩固定板，9、螺纹挂钩，10、 拉伸弹簧，11、足型底板，12、安装立板，13、扭转弹簧，14、碟片，15、 碟片固定盘，16、夹器装配体，17、直线步进电机，18、安装底板，19、导 轨一，20、滑块一，21、导轨二，22、滑块二，23、导轨三，24、滑块三， 25、导轨一固定板，26、导轨三固定板，27、长连杆，28，短连杆。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，可穿戴式准被动踝关节外骨骼康复装置，包括拉伸弹簧连 接机构、扭转弹簧13、扭矩补偿机构、导轨滑块传动机构和电控制动系统； 伸弹簧连接机构与扭转弹簧13组合实现行走时踝关节的扭矩变化，电控制动 系统、扭矩补偿机构和导轨滑块传动机构实现扭矩的非线性补偿，从而模拟 健康人行走时踝关节的扭矩大小。
如图2-1、2-2和3所示，拉伸弹簧连接机构包括足型底板11、凸字型立 板1、长主轴2、短主轴3、传动长轴4、上固定板5、下固定板6、小腿绑定 块7、挂钩固定板8、螺纹挂钩9、拉伸弹簧10、安装立板12和安装底板18。 足型底板11通过螺栓对称固定有两块凸字型立板1，安装底板18通过螺栓固 定在外侧的凸字型立板1底部，安装立板12与安装底板18通过螺栓固定； 长主轴2的两端通过轴承分别支承在外侧的凸字型立板1和安装立板12上， 短主轴3通过轴承支承在内侧的凸字型立板1上；长主轴2和短主轴3均固 定有传动长轴4；上固定板5和下固定板6通过螺栓固定，并夹紧两根传动长 轴4；上固定板5开设有固定带安装槽，使小腿固定带穿过；小腿固定块7与 上固定板5胶合；下固定板6的三个挂钩滑槽处均通过螺母连接有螺纹挂钩9； 挂钩固定板8开设有调节槽和挂钩滑槽；三块挂钩固定板8间距设置，且均 在调节槽处与足型底板11通过螺栓固定；三块挂钩固定板8的挂钩滑槽处均 通过螺母连接有螺纹挂钩9；下固定板6上的螺纹挂钩9与对应一块挂钩固定 板8上的螺纹挂钩9通过拉伸弹簧10连接；下固定板6的挂钩滑槽、挂钩固 定板8的调节槽和挂钩滑槽使得拉伸弹簧10位置可调；扭转弹簧13的两端 分别与安装立板12和外侧的传动长轴4连接。
如图4-1和4-2所示，扭矩补偿机构包括碟片14、碟片固定盘15和夹器 装配体16；碟片固定盘15与长主轴2同轴设置，并通过螺栓固定；碟片14 与碟片固定盘15通过螺栓固定；碟片14呈扇环形，对应的圆心角为120°， 圆心与固定盘15的圆心重合；夹器装配体16与安装立板12通过螺栓固定， 碟片14嵌入夹器装配体16的两片碟刹片之间；夹器装配体16采用YUS碟刹 自行车碟刹器，型号为ANS-02。
如图5-1和5-2所示，导轨滑块传动机构包括直线步进电机17、导轨一 19、滑块一20、导轨二21、滑块二22、导轨三23、滑块三24、导轨一固定 板25、导轨三固定板26、长连杆27和短连杆28。电控制动系统控制直线步 进电机17；直线步进电机17通过螺栓固定在外侧的安装立板12上，其输出 轴与滑块一20通过螺栓固定；导轨一19通过螺栓固定在导轨一固定板25上， 并与滑块一20构成滑动副；导轨一固定板25的两端通过螺栓分别与外侧的 凸字型立板1和安装立板12固定；导轨二21通过螺栓固定在外侧的凸字型 立板1上，并与滑块二22构成滑动副；导轨三固定板26通过螺栓与安装底 板18固定，导轨三23通过螺栓固定在导轨三固定板26上，并与滑块三24 构成滑动副；滑块三24与夹器装配体16的滑动轴固定；长连杆27的两端分 别与滑块一20和滑块二22铰接，短连杆28的两端分别与滑块二22和滑块 三24铰接。
该可穿戴式准被动踝关节外骨骼康复装置的工作原理：
健康人的步态行走周期中，踝关节的扭矩-角度函数关系是循环曲线。该 可穿戴式准被动踝关节外骨骼康复装置通过伸弹簧连接机构与扭转弹簧13组 合产生分段线性的扭矩-角度函数关系，并通过电控制动系统、扭矩补偿机构 和导轨滑块传动机构补偿扭矩的非线性偏差，使得患者在踝关节不施力的条 件下，获得与健康人相同的扭矩-角度关系，从而在步态周期中模拟健康人踝 关节的运动。踝关节趾屈的过程中，扭转弹簧13和拉伸弹簧10分段作用， 储存能量，电控制动系统以长主轴2(模拟踝关节)的角度为输入量，产生对 长主轴2扭矩的非线性补偿；踝关节背屈的过程中，电控制动系统不工作， 扭转弹簧13和拉伸弹簧10释放能量。
电控制动系统控制直线步进电机，直线步进电机的运动通过导轨滑块传 动机构传递，压紧或放松夹器装配体16的滑动轴，以控制夹器装配体对于碟 片14的压力，进而控制扭矩补偿机构对长主轴2产生非线性扭矩补偿。以患 者体重60kg、步速1.070m/s为例，对长主轴2扭矩的非线性补偿函数为：
N = ( 0.0282 x 3 - 0.3454 x 2 + 3.8764 x + 8.2972 ) - ( 2.747 x + 7.774 ) ( 0 < x < 10 ) ( 0.0282 x 3 - 0.3454 x 2 + 3.8764 x + 8.2972 ) - ( 8.882 x - 53.576 ) ( 10 ≤ x ≤ 15 ) ]]>
式中，N为对长主轴2补偿输出的非线性扭矩，x为长主轴2的转角；初始状 态下，小腿与足型底板11垂直，x＝0；踝关节趾屈时x>0，踝关节背屈时x<0； x<0时，无需非线性扭矩补偿，非线性扭矩N＝0。