帶有反向可驅動的踝關節助力裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種帶有反向可驅動的踝關節助力裝置，其結構是：由適應步態的助力機構、反向可驅動機構和步態檢測機構組成；所述助力機構由安裝在腳部的擺動軸（8），通過尼龍帶（10）綁在擺動軸（8）上部的電機（1）、滾珠絲桿（2）和可移動導桿（6）及其下部連接的具有拉動腳后跟給踝關節助力功能的鋼絲繩（7）組成；所述反向可驅動機構主要由相互配合的彈簧（3）、滾珠絲桿（２）和鋼絲繩（7）組成，所述滾珠絲桿（2）的螺桿的位置被上下方的端蓋（12）固定，該螺桿的外側通過端蓋（12）固定安裝一組導桿（11），該導桿上裝有彈簧壓板（5），彈簧壓板（5）上的滾珠絲桿螺母（4）可沿滾珠絲桿（2）的螺桿上下移動；所述步態檢測機構由安裝在足底處的壓力傳感器組成，其包括安裝在足跟處的足跟壓力傳感器和安裝在足尖處的足尖壓力傳感器。所述助力機構的電機（1）根據步態檢測機構傳過來的足底壓力變化的信號進行轉動，以主動適應人體的步態情況對踝關節進行助力，該電機又驅動反向可驅動機構動作，實現不阻礙腳部的自由活動，同時對于正常行走有障礙的患者起到幫助。本實用新型既可以主動適應人體的步態情況對踝關節進行助力，又反向可驅動不阻礙腳部的自由活動，對于正常行走有障礙的患者起到幫助作用。
【專利說明】帶有反向可驅動的踝關節助力裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種穿戴式踝關節外骨骼，尤其設計一種帶有反向可驅動的踝關節助力裝置。
【背景技術】
[0002]近年來，由于事故和老齡化造成的下肢殘疾的人數呈逐年增長趨勢。殘疾人的身心健康和康復工作都受到了廣泛的關注，針對獨立行走有障礙患者而言，傳統的助力工具均為被動式的康復設備，病人使用不夠方便，而且安裝或穿戴繁瑣，有時還需他人的幫助，給患者造成很多不便。外骨骼假肢突破了傳統康復工具的思路，將主動控制與助力技術相結合，佩戴于患者身上進行助力工作和康復訓練。而且研究結果顯示，人體腳踝的一項主要職能是為身體前進提供足夠的能量。傳統踝關節輔助裝置僅是對人體踝關節生理結構的模擬，缺點是不能按照人體行走的過程對步態進行調整，其機械性能在不同的步行速度和地形固定不變，而且傳統的踝關節輔助裝置由于缺少反向可驅動功能，當腳部自由活動的時候，會對腳部的活動進行限制，結果會造成在患者腳部活動的時候，由于輔助裝置與人體不協調匹配，反而會對腳部活動產生阻礙。因此，設計出一種可以實現反向可驅動且可隨步態自行調整的助力外骨骼很有現實意義。
[0003]中國專利(200410053695.5)介紹了一種可穿戴式的下肢步行外骨骼，該裝置由腰部支撐、髖部四桿結構、膝蓋四桿結構、腳踝四桿結構和足底支撐依次串聯構成，由液壓缸驅動機構運動，判斷步態信息的傳感器安裝在液壓缸處。由于使用液壓缸，需要有液壓源的提供，機構定位精度不高，傳感器安裝在腿部，加大了腿部機械結構的復雜性，而且由于反向不可驅動，使得腳部的自行活動受到的裝置本身限制。
[0004]中國專利(200810034002.7)介紹了一種并聯式多自由度價值外骨骼踝關節，該裝置由足底支撐板和仿人腿外套組成，具有三個自由度，機構高度可調。由于三個自由度都是主動動作，故需配備三個主動導桿，導致裝置的機構復雜，控制較為繁瑣。
實用新型內容
[0005]本實用新型的目的在于，通過提供一種結構簡單易于實現的帶有反向可驅動的踝關節助力裝置，并且簡化步態傳感器的安裝方式及裝置結構，以克服上述先有技術存在的問題。
[0006]本實用新型解決其技術問題采用的技術方案是:由適應步態的助力機構、反向可驅動機構和步態檢測機構組成，所述助力機構的電機根據步態檢測機構傳過來的足底壓力變化的信號進行轉動，以主動適應人體的步態情況對踝關節進行助力，該電機又驅動反向可驅動機構動作，實現不阻礙腳部的自由活動，同時對于正常行走有障礙的患者起到幫助。
[0007]所述助力機構可以由安裝在腳部的擺動軸，通過尼龍帶綁在擺動軸上部的電機、滾珠絲桿和可移動導桿及其下部連接的具有拉動腳后跟給踝關節助力功能的鋼絲繩組成；電機通過同步帶與滾珠絲桿的上端相連。[0008]所述反向可驅動機構可以主要由相互配合的彈簧、滾珠絲桿和鋼絲繩組成，所述滾珠絲桿的螺桿的位置被上下方的端蓋固定，該螺桿的外側通過端蓋固定安裝一組導桿，該導桿上裝有彈簧壓板，彈簧壓板上的滾珠絲桿螺母可沿滾珠絲桿的桿體上下移動。
[0009]所述的彈簧可以套裝在可移動導桿的上端，位于彈簧壓板和端蓋之間，彈簧單側被端蓋固定，只可被壓縮不可被拉伸；在彈簧處可以裝有位移傳感器，其輸出的信號被電機的控制器接收。
[0010]所述的可移動導桿，其下端可以與鋼絲繩相連；可移動導桿貫穿彈簧壓板，由滾珠絲桿的螺母控制該可移動導桿向上的移動。
[0011]所述步態檢測機構可以由安裝在足底處的壓力傳感器組成，其包括安裝在足跟處的足跟壓力傳感器和安裝在足尖處的足尖壓力傳感器。
[0012]所述足跟壓力傳感器和足尖壓力傳感器均可以采用空氣壓力傳感器。
[0013]本實用新型與現有技術相比主要有以下的優點:
[0014]1.由于踝關節受力是單向的，故只需要一組彈簧，既可以節省材料又可以達到使用目的。
[0015]2.對踝關節的拉動采用鋼絲繩，鋼絲繩的運動是單向的，鋼絲繩無需拉動的時候為松弛狀態，不需要外力的提供，相比導桿較為省力。
[0016]3.在彈簧處添加位移傳感器，當腳部反向轉動的時候，位移傳感器傳遞彈簧被壓縮的信號，電機控制器控制電機反轉，使得彈簧的壓縮狀態得以釋放，相比于傳統的助力裝置，可以實現腳部自由的轉動。
[0017]4.足底安裝有足尖和足跟壓力傳感器，可以直接通過壓力傳感器的輸入判定人體的步態，省去了安裝在腿部的傳感器，可以節省腿部的機械結構。
[0018]總之，本實用新型與現有的踝關節助力方案相比，除了反向可驅動功能外還具有結構簡單，控制精度高，易于穿戴的優點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本實用新型的結構示意圖。
[0020]圖2是本實用新型的腳部背屈動作，彈簧被壓縮的示意圖。
[0021]圖3是本實用新型的電機反轉控制壓板下降的示意圖。
[0022]圖4是本實用新型的彈簧壓縮狀態被釋放，腳部可進行自由活動的示意圖。
[0023]圖5是人體的整個步態過程示意圖。
[0024]圖中:1.電機；2.滾珠絲桿；3.彈簧；4.滾珠絲桿螺母；5.彈簧壓板；6.可移動導桿；7.鋼絲繩；8.擺動軸；9.同步帶；10.尼龍帶；11.導桿；12.端蓋。
【具體實施方式】
[0025]下面結合實施例和附圖對本實用新型作進一步說明，但并不局限于下面所述內容。
[0026]本實用新型設計的一種帶有反向可驅動的踝關節助力裝置，其結構如圖1所示，由適應步態的助力機構、反向可驅動機構和步態檢測機構組成，其中:助力機構的電機根據步態檢測機構傳過來的足底壓力變化的信號進行轉動，以主動適應人體的步態情況對踝關節進行助力，又驅動反向可驅動機構動作，實現不阻礙腳部的自由活動，同時對于正常行走有障礙的患者起到幫助的目的。
[0027]所述助力機構由安裝在腳部的擺動軸8、通過尼龍帶10綁在擺動軸8上部的電機
1、滾珠絲桿2和可移動導桿6及其下部連接的鋼絲繩7組成。電機I通過同步帶9與滾珠絲桿2的上端相連，以控制滾珠絲桿的轉動。
[0028]所述反向可驅動機構由相互配合的彈簧3、安裝在彈簧3處的彈簧位移傳感器、滾珠絲桿2和鋼絲繩7組成。其中滾珠絲桿2的螺桿的位置被上下方的端蓋12固定，該螺桿的外側通過端蓋12固定安裝一組導桿11，該導桿上裝有彈簧壓板5，彈簧壓板5上的滾珠絲桿螺母4可沿滾珠絲桿2的桿體上下移動。
[0029]所述的彈簧3套裝在可移動導桿6的上端，位于彈簧壓板5和端蓋12之間，彈簧3單側被端蓋12固定，只可被壓縮不可被拉伸。在彈簧3處裝有位移傳感器，其輸出的信號被電機I的控制器接收。
[0030]所述的可移動導桿6，其下端與鋼絲繩7相連，該鋼絲繩有拉動腳后跟給踝關節助力的功能。該可移動導桿6貫穿彈簧壓板5，由滾珠絲桿的螺母4控制其向上的移動。
[0031]所述鋼絲繩7的受力方向為單向，非背屈動作時鋼絲繩7處于松弛狀態；當腳部的背屈動作使得鋼絲繩7變得緊繃后，該鋼絲繩拉動其連接的可移動導桿6壓縮彈簧3，彈簧3的壓縮狀態被位移傳感器檢測到后電機即反轉，釋放彈簧3的壓縮狀態和鋼絲繩7的緊繃狀態。
[0032]所述的擺動軸8可針對步態隨小腿擺動，因電機I和導桿11分別通過尼龍帶10綁在擺動軸8的上部，從而實現本裝置跟隨小腿的擺動。
[0033]所述步態檢測機構由安裝在足底處的壓力傳感器組成，其包括安裝在足跟處的足跟壓力傳感器和安裝在足尖處的足尖壓力傳感器(圖5)，它們可以采用空氣壓力傳感器。所述壓力傳感器將檢測到的足尖和足跟底部的壓力信號的變化來對人體所處的步態做出判斷，此步態信號輸出給電機I的控制器，該控制器根據步態信號對電機I進行控制。
[0034]所述電機I的控制器是現有技術，主要由DSP控制器對電機I進行控制。該控制器將采集到來自足跟壓力傳感器、足尖壓力傳感器和彈簧位移傳感器的信號進行處理，根據人體運動步態對電機I進行轉速和轉動方向的控制，實現對本裝置的精確控制并與人體步態相互協調配合。
[0035]本實用新型可實現反向可驅動動作，其過程如圖2-圖4所示，包括:
[0036]第I步，參閱圖2，當腳部試圖背屈動作的時候，踝關節拉動鋼絲繩7，從而帶動導桿11下移，此時滾珠絲桿2不進行動作；
[0037]第2步，參閱圖3，導桿11下移使得夾在導桿11和彈簧壓板5之間的彈簧3被壓縮，彈簧3的壓縮狀態被安裝在其上面的位移傳感器所檢測到，據此電機I的控制器控制電機反轉，通過同步帶9帶動滾珠絲桿2反轉，使套裝在該絲桿上的滾珠絲桿螺母4上的彈簧壓板5下移；
[0038]第3步，參閱圖4，彈簧壓板5下移使得彈簧3的壓縮狀態被釋放，鋼絲繩7由緊繃的狀態變為松弛，腳部的移動不再受到鋼絲繩7的限制。
[0039]本實用新型根據人體行走的步態自行調節狀態和位置實現助力的目的，具體是:當人體處于跖屈驅動相時，配合人體的運動，電機正轉并通過滾珠絲桿給予踝關節一個向上的力；當處于擺動相和跖屈控制相時，電機反轉使得裝置返回助力前狀態，并在背屈控制相時電機停轉保持在當前狀態。對于人體行走的步態過程，參閱圖5，本實用新型按照以下步驟來進行工作:
[0040]第I步，當人在行走過程中處在足跟提起到足尖抬起這一階段，即跖屈驅動相PP，足跟壓力傳感器和足尖壓力傳感器的信號相繼消失，根據此信號由電機I的控制器控制電機I正轉，使得通過同步帶9連接的滾珠絲桿2的滾珠絲桿螺母4上移，通過導桿11拉動連接在腳踝處的鋼絲繩7，給予踝關節一個向上的力；
[0041]第2步，當足尖完全抬起時，即擺動相SW和跖屈控制相CP，此時踝關節不再需要一個向上的力，處于擺動相的腳底兩個傳感器都沒有信號，據此電機控制器控制電機反轉，使滾珠絲桿螺母下移返回至未助力前的狀態；
[0042]第3步，當腳部完成擺動重新接觸地面這一階段，即背屈控制相⑶，兩個壓力傳感器均得到來自足底的壓力信號，此時電機停止反轉，為下一次的足跟提起是給踝關節助力做準備。
[0043]經過上述步驟，實現針對整個步態過程中踝關節的助力。
【權利要求】
1.一種帶有反向可驅動的踝關節助力裝置，其特征是由適應步態的助力機構、反向可驅動機構和步態檢測機構組成；所述助力機構由安裝在腳部的擺動軸(8)，通過尼龍帶(10)綁在擺動軸(8)上部的電機(I)、滾珠絲桿(2)和可移動導桿(6)及其下部連接的具有拉動腳后跟給踝關節助力功能的鋼絲繩(7)組成；所述反向可驅動機構主要由相互配合的彈簧(3)、滾珠絲桿(2 )和鋼絲繩(7)組成，所述滾珠絲桿(2)的螺桿的位置被上下方的端蓋(12)固定，該螺桿的外側通過端蓋(12)固定安裝一組導桿(11 )，該導桿上裝有彈簧壓板(5)，彈簧壓板(5)上的滾珠絲桿螺母(4)可沿滾珠絲桿(2)的螺桿上下移動；所述步態檢測機構由安裝在足底處的壓力傳感器組成，其包括安裝在足跟處的足跟壓力傳感器和安裝在足尖處的足尖壓力傳感器。
2.根據權利要求1所述的帶有反向可驅動的踝關節助力裝置，其特征是所述的電機(I)通過同步帶(9)與滾珠絲桿(2)的上端相連。
3.根據權利要求1所述的帶有反向可驅動的踝關節助力裝置，其特征是所述的彈簧(3)套裝在可移動導桿(6)的上端，位于彈簧壓板(5)和端蓋(12)之間，彈簧(3)單側被端蓋(12)固定，只可被壓縮不可被拉伸；在彈簧(3)處裝有位移傳感器，其輸出的信號被電機(O的控制器接收。
4.根據權利要求3所述的帶有反向可驅動的踝關節助力裝置，其特征是所述的可移動導桿(6)，其下端與鋼絲繩(7)相連；可移動導桿(6)貫穿彈簧壓板(5)，由滾珠絲桿的螺母(4)控制該可移動導桿向上的移動。
5.根據權利要求1所述的帶有反向可驅動的踝關節助力裝置，其特征是所述足跟壓力傳感器和足尖壓力傳感器均采用空氣壓力傳感器。
【文檔編號】A61H3/00GK203524950SQ201320436680
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年7月22日 優先權日:2013年7月22日
【發明者】向馗, 陳靜, 趙明宇, 周申培 申請人:武漢理工大學