本發明屬于膝關節輔助器械和行走輔助裝備領域，特別涉及一種無動力可穿戴式輔助行走助力機構。

背景技術：

步行是老年人日常生活自理能力的基礎，它能改善老年人的健康水平。然而，隨著年齡的增長，老年人的步行能力會逐漸下降，腿腳不便的老年人需要人的攙扶或者助行裝置才能行走。另外，輕度中風患者也會造成下肢運動能力的部分失能，影響患者的行動能力。日常的可穿戴步行輔助可以幫助老年人和下肢部分失能患者改善運動機能，提高他們的自理能力和健康狀況，并且對預防退行性改變具有重要的康復醫學意義。以改善和提高運動能力下降的老年人和下肢部分失能的中風等腦疾病患者的行走能力為目標，要求行走助力機構體積小、重量輕，簡單實用，舒適度高。

目前成熟的行走助力產品主要有：拐杖、助步架、無動力輪椅等。此類行走助力產品雖然能夠起到幫助老年人或者下肢部分失能患者保持行動平衡或代步移動的作用，但由于其沒有動力，需要借助上肢的力量，會使人感到行走費力。此外，外骨骼機器人也是目前行走助力研究的熱點，但是其體積和重量較大，剛性機構慣性大，舒適性較差，目前尚未實際應用到老年人或者下肢部分失能患者的日常行走中。

技術實現要素：

本發明的目的是針對上述現有技術的缺陷，提供了一種無動力可穿戴式輔助行走助力機構。無動力可穿戴式輔助行走助力機構作用于下肢膝關節部位， 以人體自重為驅動力，不需要其他外部動力和能量輸入。無動力可穿戴式輔助行走助力機構，利用人體自重作用于安裝在左、右腳的驅動力形成組件，為作用于膝關節的助力執行組件提供驅動力，膝關節助力執行組件中的曲柄滑塊與拉力彈簧儲能相結合形成一對作用力與反作用，在人行走過程中按照步伐的節奏交替產生輔助膝關節彎曲和伸展的轉矩，達到輔助下肢運動能力下降人群和下肢部分失能患者行走的目的，并且可以幫助下肢運動能力下降人群和下肢部分失能患者改善肌肉活力，提高他們的自理能力和健康狀況。

為了實現上述目的本發明采取的技術方案是：

一種無動力可穿戴式輔助行走助力機構，包括：

膝關節助力執行組件，通過柔性固定帶固定在左腿和右腿膝關節對應位置，在行走過程中為左腿和右腿膝關節提供輔助伸展和彎曲的轉矩。

驅動力形成組件，是為左腿和右腿膝關節助力執行組件提供驅動力。

以及

鮑登繩，采用具有較強的彈性和韌性的65Mn材料，是驅動力形成組件與膝關節助力執行組件之間拉力傳遞的媒介。

鮑登繩套管，是鮑登繩的位移通道和保護套管。

柔性固定帶，將膝關節助力執行組件在膝關節相應位置進行固定，主要起到位置和松緊可調節、柔性固定的功用。

優選地，所述柔性固定帶采用柔韌性較好的自粘布和彈力帶制成，通過鉚釘固定在膝關節助力執行組件的大腿固定板、小腿固定板上。

優選地，驅動力形成組件包括固定支架、鮑登繩壓板、復合基板、鮑登繩套管、鮑登繩、轉軸、彈性固定帶以及緊固件等。其中，固定支架為比剛度較 高的硬鋁合金材料，主要起到支撐和固定的作用。固定支架通過螺釘緊固件固定在復合基板的上方，鮑登繩壓板通過轉軸安裝在固定支架上，可以繞轉軸在一定角度內轉動。基于杠桿原理，作用于的鮑登繩壓板的人體自重轉化為對鮑登繩的拉力，為膝關節助力執行組件提供拉力作用。其中，彈性固定帶，采用柔韌性較好的尼龍A材料制成，通過鉚釘固定在驅動力形成組件的復合基板上。用戶可以直接將驅動力形成組件穿在腳下，通過彈性固定帶系緊固定。

優選地，所述膝關節助力執行組件包括大腿固定板、小腿固定板，鮑登繩固定套管、鮑登繩、連桿、滑塊、導軌、彈簧、彈簧固定基座、鮑登繩固定件以及緊固件等組成。其中，小腿固定板、連桿、導軌和滑塊構成曲柄滑塊結構形式，小腿固定板和滑塊通過連桿連接，形成兩個轉動副，鮑登繩的拉力和拉力彈簧拉力形成驅滑塊在導軌做直線往復運動的一對作用力和反作用力，滑塊的直線往復運動通過連桿轉化為小腿固定板相對于大腿固定板在設計角度范圍的轉動，在行走過程中為小腿提供伸展和彎曲的輔助轉矩。

優選地，根所述的小腿固定板相對于大腿固定板在設計角度范圍，小腿固定板相對于大腿固定板在120°～180°內旋轉。其中，120°為人在跨步過程中小腿和大腿之間通常所需的最小角度，即抬腿時膝關節最小角度；180°為正常人直立或者小腿繃直發力時膝關節所成的極限角度。所述轉角范圍可以根據用戶的實際行走步態參數做相應調節，最小可達到30°，最大可達200°。

優選地，所述無動力可穿戴式輔助行走助力機構，其左腳穿戴的驅動力形成組件主要為左腿膝關節助力執行組件提供使膝關節伸展的驅動力，左腿膝關節助力執行組件中的拉力彈簧在左腳驅動力形成組件提供拉力時起到蓄能的作用，并在左腳驅動力形成組件無拉力作用時拉力彈簧的回復力為左腿膝關節助力執行組件提供使膝關節彎曲的驅動力。同樣，右腳穿戴的驅動力形成組件主 要為右腿膝關節助力執行組件提供使膝關節伸展的驅動力，右腿膝關節助力執行組件中的拉力彈簧在右腳驅動力形成組件提供拉力時起到蓄能的作用，并在右腳驅動力形成組件無拉力作用時拉力彈簧的回復力為右左腿膝關節助力執行組件提供使膝關節彎曲的驅動力。

優選地，所述大腿固定板、小腿固定板采用高強度碳纖維材料制成，也可采用比剛度較高的鎂鋁合金金、硬鋁合金等材料，起力的傳導和支撐的作用。

優選地，所述裝備適用于下肢運動能力下降人群，如老年人、輕度下肢失能的腦中風疾病患者，也適用于正常人群。

本發明優異的效果是：

1)相比現有技術，本發明無動力可穿戴式輔助行走助力機構，具有不需要外界動力和能量輸入的特點：裝備采用人的自重作為機構的驅動力，不需要電流、氣泵等形式的外帶能源，突破了目前一般行走助力機構，如外骨骼機器人對外帶能源的依賴，直接減小了機構的體積和質量，使機構更加地便攜。

2)相比現有技術，膝關節助力執行組件中的曲柄滑塊和儲能彈簧結合的形式，二者形成一對作用力和反作用力，二者在人邁步過程中相互補償，形成提供膝關節轉矩的閉合回路，機構慣性小，克服了一般腿部助力機構或者外骨骼機器人等剛性機構慣性大，容易造成人膝關節損傷，舒適性差等缺點，顯著提高了裝備的安全性和舒適性。

因此，本發明以人的自重為機構的驅動力，不需要其他外部動力和能量輸入，體積小、重量輕、便攜性好。另外,本發明機構慣性小，舒適性好，不僅可以達到輔助下肢運動能力下降人群和下肢部分失能患者行走的目的，并且可以幫助老年人和下肢部分失能患者改善肌肉活力，提高他們的自理能力和健康狀況。

附圖說明

圖1是本發明所述機構主要組成圖。

圖2是本發明所述驅動力形成組件組成圖。

圖3是本發明所述驅動力形成組件不受力時狀態圖。

圖4是本發明所述膝關節助力執行組件組成圖。

圖5是本發明所述膝關節柔性執行機構中扭力彈簧的安裝圖。

其中各附圖標記含義如下：

1.驅動力形成組件；2.膝關節助力執行組件；3.柔性固定帶；4.鮑登繩及其套管。

101.固定支架；102.鮑登繩壓板；103.復合基板；104.鮑登繩套管；105.鮑登繩；106.轉軸；107.彈性固定帶；108.緊固件

201.大腿固定板；202.小腿固定板；203.外罩；204.轉軸；205.導軌；206.滑塊；207.彈簧固定基座；208.拉力彈簧；209.鮑登繩固定件；210.連桿；211.鮑登繩套管固定基座；212.緊固件。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施案例對本發明作進一步說明，但不作為對本發明的限定。

如圖1所示，一種無動力可穿戴式輔助行走助力機構,以人體自重為驅動力，不需要其他外部動力和能量輸入。所述機構主要由驅動力形成組件1、膝關節助力執行組件2、柔性固定帶3、鮑登繩及其套管4等組成。驅動力形成組件1分 別緊固在左、右腳下，膝關節助力執行組件2通過柔性固定帶3在大腿、小腿以及膝關節相應位置進行固定，左腳下的驅動力形成組件1與左腿的膝關節助力執行組件2之間通過鮑登繩傳遞拉力；同樣，右腳下的驅動力形成組件1與右腿的膝關節助力執行組件2之間通過鮑登繩及其套管4中的鮑登繩傳遞拉力。在行走過程中，無動力可穿戴式輔助行走助力機構利用人體自重，左、右腳交替踩壓腳下的驅動力形成組件1，為作用于膝關節助力執行組件2提供驅動力(拉力)，產生輔助膝關節彎曲、伸展的轉矩，實現跨步過程中的行走助力。

圖2和圖3為驅動力形成組件1的組成圖，也是驅動力形成組件1的兩種極限狀態，其中圖2為驅動力形成組件1不受力情況下的狀態，即人在跨步過程中抬腳離地時的狀態；而圖3為驅動力形成組件1受力情況下的狀態，即人在跨步過程中腳踩驅動力形成組件1時的狀態。驅動力形成組件1主要由固定支架101、鮑登繩壓板102、復合基板103、鮑登繩套管104、鮑登繩105、轉軸106、彈性固定帶107、緊固件108等零部件組成。其中，復合基板103由高強度碳纖維材料制成，底面有防滑條紋，起到防滑的功能。固定支架101為比剛度較高的硬鋁合金材料，主要起到支撐和固定的作用。固定支架101通過螺釘緊固件108固定在復合基板103凹槽內，鮑登繩壓板102通過轉軸106安裝在固定支架101上，可以繞轉軸106在設計角度內轉動。

鮑登繩套管104一端固定在驅動力形成組件1固定支架101的限位孔中，另一端固定在膝關節助力執行組件2中的鮑登繩套管固定基座211上。鮑登繩105通過鮑登繩套管104一端固定在鮑登繩壓板102的卡口上，另一端通過鮑登繩固定件209固定在膝關節助力執行組件2的滑塊206上。此外，彈性固定帶107由柔韌性較好的尼龍A材料制成，通過鉚釘固定在復合基板103上，用于所述無動力可穿戴式輔助行走助力機構使用時固定鞋與驅動力形成組件1。在人行 走過程中，當腳著地時，驅動力形成組件1接觸地面，即圖2的狀態，鮑登繩壓板102受力繞固定支架101上的轉軸106轉動，鮑登繩壓板102的轉矩轉化為鮑登繩105的拉力，為膝關節助力執行組件2提供拉力。當腳抬起時，驅動力形成組件1離開地面，鮑登繩壓板不受人體自重作用，即圖3狀態，受膝關節助力執行組件2中拉力彈簧208的拉力作用鮑登繩105被逐漸拉回到鮑登繩套管104中，鮑登繩壓板102繞固定支架101上的轉軸106反向轉動在固定支架101的限位臺處達到極限位置，此時鮑登繩壓板102又達到力平衡狀態。

圖4為膝關節助力執行組件2外形圖，圖5膝關節助力執行組件主要零部件組成及內部安裝關系。如圖2-3所示，所述膝關節助力執行組件2主要由大腿固定板201、小腿固定板202、外罩203、轉軸204、導軌205、滑塊206、彈簧固定基座207、拉力彈簧208、鮑登繩固定件209、連桿210、鮑登繩套管固定基座211以及緊固件212等組成。膝關節助力執行組件2通過柔性固定帶3在大腿、小腿以及膝關節相應位置進行固定。其中，大腿固定板201、小腿固定板202采用高強度碳纖維材料制成，起力的傳導和支撐的作用。柔性固定帶3用柔韌性較好的尼龍A材料，通過鉚釘固定在膝關節助力執行組件的大腿固定板201、小腿固定板202上。小腿固定板202安裝在大腿固定板201的轉軸204上，可以繞轉軸204在120°～180°內旋轉。其中，120°為人在跨步過程中小腿和大腿之間通常所需的最小角度，即抬腿時膝關節最小角度；180°為正常人直立或者小腿繃直發力時膝關節所成的極限角度。所述膝關節助力執行組件2的小腿固定板202與大腿固定板201所能達到的轉角范圍可以根據用戶的實際行走步態參數做相應調節，最小可達到30°，最大可達200°。

如圖5所示，導軌205和彈簧固定基座207通過緊固件固定在大腿固定板201上，滑塊206安裝在導軌205上，可以在導軌額定行程內滑動。鮑登繩105 通過鮑登繩套管104固定在鮑登繩套管固定基座211上，鮑登繩套管固定基座211同時具有對小腿固定板202的限位功能。鮑登繩固定件209通過緊固件212固定在滑塊206上，鮑登繩105一端固定在鮑登繩固定件209上，作為滑塊206在導軌205做往復直線運動的主要拉力源。拉力彈簧208一端安裝于滑塊206上，另一端固定于彈簧固定基座207上，小腿固定板202和滑塊206通過連桿210連接，形成兩個轉動副，這樣鮑登繩105的拉力和拉力彈簧208的拉力形成驅滑塊206在導軌205做直線往復運動的一對作用力和反作用力，最終滑塊206的直線往復運動通過連桿210轉化為小腿固定板202相對于大腿固定板201的轉動，為小腿提供伸展和彎曲的輔助轉矩。

下文以在人行走過程中，右腿首先跨步為例對裝備進行做具體實施介紹。人由雙腳站立狀態邁步，當右腿開始抬起，右腳穿戴的驅動力形成組件1的鮑登繩壓板102不受人自重作用，由于鮑登繩105一端作用力突然消失，右腿膝關節助力執行組件2上的拉力彈簧208由于平衡力消失，開始收縮，帶動膝關節助力執行組件2的滑塊206向拉力彈簧208固定端的彈簧固定基座207方向做直線運動，滑塊206的直線運動通過連桿210轉化為膝關節助力執行組件2小腿固定板202順時針的轉動，即為右腿小腿提供彎曲的轉矩，輔助右腿跨步。當右腳著地時，右腳踩壓的腳下的驅動力形成組件1的鮑登繩壓板102，鮑登繩105受鮑登繩壓板102作用力，進而帶動右腿膝關節助力執行組件1的滑塊206沿導軌向轉軸204方向作直線運動，滑塊206的直線運動通過連桿210轉化成小腿固定板202繞轉軸逆時針的轉動為小腿提供伸展的轉矩，直到小腿固定板達到大腿固定板的鮑登繩套管固定基座211這個限位位置，右腿繃直。

隨后，左腳邁步，同樣左腳驅動力形成組件1的鮑登繩壓板102不受人自重作用，由于鮑登繩105一端作用力突然消失，左腿膝關節助力執行組件2上 的拉力彈簧208由于平衡力消失，開始收縮，帶動膝關節助力執行組件2的滑塊206向固定端的彈簧固定基座207方向做直線運動，滑塊206的直線運動通過連桿210轉化為膝關節助力執行組件2上的小腿固定板202逆時針的轉動，即為左腿小腿提供彎曲的轉矩，輔助左腿跨步。隨后左腳著地，左腳踩壓的腳下的驅動力形成組件1的鮑登繩壓板102，鮑登繩105受鮑登繩壓板102作用力，進而帶動左腿膝關節助力執行組件2的滑塊206沿導軌向轉軸204作直線運動，滑塊206的直線運動通過連桿210轉化成小腿固定板202繞轉軸204逆時針的轉動，為小腿提供伸展的轉矩，直到小腿固定板202達到大腿固定板201的鮑登繩套管固定基座211這個限位位置，左腿繃直，隨后右腿開始跨步，開始下一個跨步周期。

以上即為人在一個跨步周期過程中，無動力可穿戴式輔助行走助力機構的作用機理。本發明不僅可以具有輔助下肢運動能力下降人群和下肢部分失能患者行走的功能，并且可以幫助下肢運動能力下降人群和下肢部分失能患者改善肌肉活力，提高他們的自理能力和健康狀況。

以上所述的實施例，只是本發明較優選的具體實施方式的一種，本領域的技術人員在本發明技術方案范圍內進行的通常變化和替換都應包含在本發明的保護范圍內。