本发明公开了一种膝关节辅助康复训练外骨骼,包括大腿支架、膝关节绑缚机构、膝关节回转机构以及自锁装置,所述膝关节绑缚机构包括大腿绑缚机构、小腿绑缚机构,所述大腿支架一端连接大腿绑缚机构,大腿支架另一端连接膝关节回转机构,所述膝关节回转机构包括小腿连接板、大腿连接板,其中,小腿连接板、大腿连接板转动连接,小腿连接板远离大腿支架的一端连接小腿绑缚机构,所述自锁装置与大腿连接板配合。本发明结构简单、设计巧妙,成本低,系统稳定可靠,可以弥补国内脊髓损伤患者步行康复训练医疗设备的空缺,具有极大的社会和经济价值。
1.一种膝关节辅助康复训练外骨骼,其特征在于,包括大腿支架(14)、膝关节绑缚机构、膝关节回转机构(2)以及自锁装置(3),
所述大腿支架(14)一端连接大腿绑缚机构,大腿支架(14)另一端连接膝关节回转机构
所述膝关节回转机构(2)包括小腿连接板(21)、大腿连接板(24),其中,小腿连接板
(21)、大腿连接板(24)转动连接,小腿连接板(21)远离大腿支架(14)的一端连接小腿绑缚机构,
2.根据权利要求1所述的膝关节辅助康复训练外骨骼,其特征在于,所述大腿绑缚机构包括大腿护架(11)和绑带(13),大腿护架(11)与大腿支架(14)连接,大腿护架(11)和绑带
(13)配合用于绑缚大腿,小腿绑缚机构包括小腿护架(12)和绑带(13),小腿护架(12)与小腿连接板(21)连接,小腿护架(12)和绑带(13)配合用于绑缚小腿。
3.根据权利要求1所述的膝关节辅助康复训练外骨骼,其特征在于,所述膝关节回转机构(2)还包括角度微调装置(23),用于调节外骨骼与穿戴者之间的贴合度。
4.根据权利要求3所述的膝关节辅助康复训练外骨骼,其特征在于,所述角度微调装置
(23)包括调节螺栓(234)、微调组件Ⅰ(235)、微调组件Ⅱ(233)和微调基座(231)、弹性销
(232),所述微调基座(231)与大腿支架(14)固定连接,所述微调组件Ⅰ(235)为外螺纹杆件,与所述调节螺栓(234)键连接,安装于所述微调基座(231)内,所述微调组件Ⅱ(233),一端齿牙穿插于所述微调组件Ⅰ(235)螺纹之间,另一端与所述大腿连接板(24)键连接,所述微调基座(231)上有圆台,微调基座(231)、微调组件Ⅱ(233)与所述大腿连接板(24)通过弹性销(232)转动连接。
5.根据权利要求1所述的膝关节辅助康复训练外骨骼,其特征在于,所述小腿连接板
(21)上有轴承安装轴和限位块,通过轴承安装轴上的角接触球轴承(22)将小腿连接板(21)与所述大腿连接板(24)转动连接,对应的所述大腿连接板(24)开有限位槽,限位块与限位槽配合。
6.根据权利要求1所述的膝关节辅助康复训练外骨骼,其特征在于,所述自锁装置(3)包括电磁致动器(32)、锲形块(31)、电磁基座(33)以及电磁安装盖(34),所述电磁致动器
(32)为推拉电磁铁,所述锲形块(31)与所述电磁致动器(32)固连,在所述大腿连接板(24)的锲形槽内作直线往复运动,所述电磁基座(33)固连于所述小腿护架(12),用以支撑所述电磁致动器(32),所述电磁安装盖(34)与所述小腿连接板(21)固连。
7.根据权利要求1所述的膝关节辅助康复训练外骨骼,其特征在于,还包括智能控制系统,智能控制系统包括传感系统、控制系统、供电系统以及用于通信的蓝牙无线通信模块,其中所述传感系统包括放置于所述膝关节回转机构(2)上用来检测运动姿态的IMU传感器和检测膝关节屈伸角度的角度传感器(42)以及放置在鞋底(41)用来判断穿戴者步态相的微动开关(411),所述角度传感器(42)通过安装端盖(43)与所述大腿连接板(24)固连。
[0001]本发明涉及一种膝关节辅助康复训练外骨骼,属于医疗康复器械设备领域。。
[0002]随着医疗技术的不断创新与发展,康复医疗已然在加快患者康复进程和改善临床整体疗效中发挥出显著的作用。生活中,由交通事故、运动损伤、重物砸伤等暴力性伤害造成的脊髓损伤,往往会导致患者损伤节段以下肢体感知、运动等功能障碍,严重影响患者的生活质量。脊髓损伤患者在后期进行步行康复训练时,由于对下肢肌肉的控制力减弱甚至丧失,无法在行走摆腿触地时自我锁定膝关节,容易失稳摔倒造成二次伤害,需要医护人员在步行支撑相时用手或绑带绑在患者膝关节处帮助患者锁定膝关节,完成步行康复训练。由于康复治疗师的极度匮乏,存在患者步行康复训练周期长,单位时间内训练频率少,从而不利于患者的康复进程的问题。为了协助医护人员帮助脊髓损伤患者更好地完成下肢的步行康复训练过程,一种用于脊髓损伤患者的膝关节自锁系统被迫切需要。
[0003]外骨骼机器人作为一类可以使康复训练定量化、长效化、规范化的新型康复设备,它可以提供有效的运动功能辅助,促进患者受损神经和肌肉的功能重塑,量化评估康复过程并反馈康复进度。相对于传统的康复治疗手段,外骨骼机器人康复训练具有可长时间往复运动,控制精度高等特点,可促进康复训练模式由治疗师‑患者单向灌输式转变为人机交互式。
[0004]另外,传统的膝关节护膝和外骨骼机器人设计之初,于步行康复训练阶段,基本上未考虑到脊髓损伤患者康复进程的现实需求。其中膝关节矫形器只是对膝关节起到稳定和支撑,抑制保护的作用,缺少智能化,不适用于脊髓损伤患者的步行康复训练,传统的末端驱动式下肢康复机器人由于其不能很好的对关节提供支撑和保护,会导致关节向任意方向运动,存在过度伸展的风险,而基于连续被动运动理念设计的CPM康复设备,机器带动患者进行训练,缺乏主观能动性,康复训练效果差,下肢康复机器人过于笨重且穿戴舒适性差,脊髓损伤患者多不愿意使用,对于膝关节康复外骨骼,日前基本未考虑到相关实际需求。
[0005] 所以发明一种满足脊髓损伤患者步行康复训练现实需求,能协助患者智能化锁定、放松膝关节的康复训练外骨骼是目前急需解决的问题。
[0006] 本发明提供了一种膝关节辅助康复训练外骨骼,以用于通过合理的构成及连接构建用于辅助膝关节康复的训练外骨骼,以协助康复治疗师帮助脊髓损伤患者智能锁定与放松膝关节,完成步行康复治疗过程。
[0007] 本发明的技术方案是,一种膝关节辅助康复训练外骨骼,包括大腿支架14、膝关节绑缚机构、膝关节回转机构2以及自锁装置3,
[0009] 所述大腿支架14一端连接大腿绑缚机构,大腿支架14另一端连接膝关节回转机构
[0010] 所述膝关节回转机构2包括小腿连接板21、大腿连接板24,其中,小腿连接板21、大腿连接板24转动连接,小腿连接板21远离大腿支架14的一端连接小腿绑缚机构,
[0012] 所述大腿绑缚机构包括大腿护架11和绑带13,大腿护架11与大腿支架14连接,大腿护架11和绑带13配合用于绑缚大腿,小腿绑缚机构包括小腿护架12和绑带13,小腿护架12与小腿连接板21连接,小腿护架12和绑带13配合用于绑缚小腿。
[0013] 所述膝关节回转机构2还包括角度微调装置23,用于调节外骨骼与穿戴者之间的贴合度。
[0014] 所述角度微调装置23包括调节螺栓234、微调组件Ⅰ235、微调组件Ⅱ233和微调基座231、弹性销232,所述微调基座231与大腿支架14固定连接,所述微调组件Ⅰ235为外螺纹杆件,与所述调节螺栓234键连接,安装于所述微调基座231内,所述微调组件Ⅱ233,一端齿牙穿插于所述微调组件Ⅰ235螺纹之间,另一端与所述大腿连接板24键连接,所述微调基座231上有圆台,微调基座231、微调组件Ⅱ233与所述大腿连接板24通过弹性销232转动连接。
[0015] 所述小腿连接板21上有轴承安装轴和限位块,通过轴承安装轴上的角接触球轴承22将小腿连接板21与所述大腿连接板24转动连接,对应的所述大腿连接板24开有限位槽,限位块与限位槽配合。
[0016] 所述自锁装置3包括电磁致动器32、锲形块31、电磁基座33以及电磁安装盖34,所述电磁致动器32为推拉电磁铁,所述锲形块31与所述电磁致动器32固连,在所述大腿连接板24的锲形槽内作直线往复运动,所述电磁基座33固连于所述小腿护架12,用以支撑所述电磁致动器32,所述电磁安装盖34与所述小腿连接板21固连。
[0017] 还包括智能控制系统,智能控制系统包括传感系统、控制系统、供电系统以及用于通信的蓝牙无线通信模块,其中所述传感系统包括放置于所述膝关节回转机构2上用来检测运动姿态的IMU传感器和检测膝关节屈伸角度的角度传感器42以及放置在鞋底41用来判断穿戴者步态相的微动开关411 ,所述角度传感器42通过安装端盖43与所述大腿连接板24固连。
[0019] 1、本发明替代康复治疗师完成一部分重复性的工作,节省人力资源,将康复治疗师从繁重、重复的训练工作中解放出来,使专业人员更加关注于治疗方案的改进,一定程度上弥补巨大的康复治疗师缺口,同时也为远程康复治疗及集中化康复医疗提供可能。
[0020] 2、膝关节辅助康复训练外骨骼的出现,增加了患者步行康复训练的频率,缩短了康复周期,有效提高了患者步行康复训练的效率。
[0021] 3、本发明结构简单、设计巧妙,成本低,系统稳定可靠,可以弥补国内脊髓损伤患者步行康复训练医疗设备的空缺,具有极大的社会和经济价值。
[0026] 图5是本发明中大腿连接板与角度微调装置、自锁装置的装配图,
[0032] 图中各标号为, 11‑大腿护架,12‑小腿护架,13‑绑带,14‑大腿支架,2‑膝关节回转机构,21‑小腿连接板,22‑角接触球轴承,23‑角度微调装置,231‑微调基座,232‑弹性销,233‑微调组件Ⅱ,234‑调节螺栓,235‑微调组件Ⅰ,24‑大腿连接板,25‑轴肩端盖,26‑轴承端盖,3‑自锁装置,31‑锲形块,32‑电磁致动器,33‑电磁基座,34‑电磁安装盖,35‑压缩弹簧,41‑鞋底,411‑微动开关,42‑角度传感器,43‑安装端盖。
[0033] 下面结合附图和实施例,对发明做进一步的说明,但本发明的内容并不限于所述范围。
[0034] 实施例1 ,如图1‑10所示,一种膝关节辅助康复训练外骨骼,包括大腿支架14、膝关节绑缚机构、膝关节回转机构2以及自锁装置3,所述膝关节绑缚机构包括大腿绑缚机构、小腿绑缚机构,所述大腿支架14一端连接大腿绑缚机构,大腿支架14另一端连接膝关节回转机构2,所述膝关节回转机构2包括小腿连接板21、大腿连接板24,其中,小腿连接板21、大腿连接板24转动连接,小腿连接板21远离大腿支架14的一端连接小腿绑缚机构,所述自锁装置3与大腿连接板24配合。
[0035] 可选地,所述大腿绑缚机构包括大腿护架11和绑带13,大腿护架11与大腿支架14连接,大腿护架11和绑带13配合用于绑缚大腿,小腿绑缚机构包括小腿护架12和绑带13,小腿护架12与小腿连接板21连接,小腿护架12和绑带13配合用于绑缚小腿。
[0036] 具体而言,所述大腿护架11内侧有一与大腿支架14形状相似的凹槽,通过螺栓与大腿支架14固定连接,所述小腿支架12内侧有一凹槽,用以与小腿连接板21通过螺栓固定相连,小腿支架12外侧有一平面,用以安装自锁装置3,通过绑带13将设备绑缚于穿戴者的下肢,所述大小腿护架均为弧形结构且有不规则的穿孔,内侧均可以用魔术贴固定有相适应的柔性护垫。
[0037] 可选地,所述膝关节回转机构2还包括角度微调装置23,用于调节外骨骼与穿戴者之间的贴合度。
[0038] 可选地,所述角度微调装置23包括调节螺栓234、微调组件Ⅰ235、微调组件Ⅱ233和微调基座231、弹性销232,所述微调基座231与大腿支架14固定连接,所述微调组件Ⅰ235为外螺纹杆件,与所述调节螺栓234键连接,安装于所述微调基座231内,所述微调组件Ⅱ233为齿轮形结构,一端齿牙穿插于所述微调组件Ⅰ235螺纹之间,另一端与所述大腿连接板24键连接,所述微调基座231上有圆台,用以限制所述角度微调装置23的角度调节范围,微调基座231、微调组件Ⅱ233与所述大腿连接板24通过弹性销232转动连接,调节螺栓234、弹性销232的轴线方向垂直,所述角度微调装置23通过手动转动所述调节螺栓232带动所述微调
组件Ⅰ235转动,从而带动所述微调组件Ⅱ233小角度范围内转动,以调节整体结构与穿戴者下肢之间的贴合度。进一步地,大腿支架14与角度微调装置23的微调基座231通过螺栓固定连接(或者,大腿支架14与大腿连接板24的基座通过螺栓固定连接,如图10所示结构) 。
[0039] 可选地,所述小腿连接板21上有阶梯型的轴承安装轴和圆柱形限位块,通过轴承安装轴上的角接触球轴承22将小腿连接板21与所述大腿连接板24转动连接,对应的所述大腿连接板24开有弧形限位槽,圆柱形限位块与弧形限位槽配合,用以机械限制大小腿在75°,180°范围内转动,所述轴肩挡圈25利用螺栓固连于所述小腿连接板21的轴承安装轴,用以轴向固定所述大小腿连接板,所述轴承端盖26通过螺栓与所述大腿连接板24固定连接。
[0040] 可选地,所述自锁装置3包括电磁致动器32、锲形块31、电磁基座33以及电磁安装盖34,所述电磁致动器32为推拉电磁铁,所述锲形块31与所述电磁致动器32固连,在所述大腿连接板24的锲形槽内作直线往复运动,所述电磁基座33固连于所述小腿护架12,用以支撑所述电磁致动器32,所述电磁安装盖34通过螺栓与所述小腿连接板21固连。
[0041] 进一步地,可以设置所述电磁致动器32可以为推拉电磁铁,所述锲形块31铆接于所述电磁致动器32,在所述大腿连接板24的锲形槽内作直线] 可选地,还包括智能控制系统,智能控制系统包括传感系统、控制系统、供电系统以及用于通信的蓝牙无线通信模块,其中所述传感系统包括放置于所述膝关节回转机构2上用来检测运动姿态的IMU传感器和检测膝关节屈伸角度的角度传感器42以及放置在鞋底41用来判断穿戴者步态相的微动开关411 ,所述角度传感器42通过安装端盖43与所述大腿连接板24固连,所述控制系统和供电系统外置以减轻整机的重量。可以采用STM32F103C8T6作为控制系统主控芯片。
[0043] 本发明的工作原理为,将膝关节辅助康复训练外骨骼用绑带13绑在腿上,调节角度微调装置23,找到设备与穿戴者大小腿之间最适宜的贴合度,融合IMU传感器、角度传感器42和脚底微动开关411接收到的传感信息,对穿戴者的步态进行检测与判断,当识别到穿戴者进入摆动相前夕,控制系统通过蓝牙无线通信模块远程控制自锁装置3的电磁致动器32通电拉动锲形块31向远离锲形槽的方向机械放松膝关节,直至检测到摆动腿触地瞬间,控制电磁致动器32断电,锲形块31在电磁致动器32的压缩弹簧35作用下复位,从而完成膝关节机械锁定。
[0044] 其中,步态指走路时所表现的姿态以及走路所有的动作,支撑相指足跟着地到支撑腿足址离地的时间。约占步态周期的60,,摆动相指足底离地摆动的时间,约占整个步态周期的40,。
[0045] 本发明通过设计角度微调装置连接大腿支架14和大腿连接板24,可以使整个结构更贴合穿戴者下肢,解决穿戴易脱落问题,自锁装置3采用电磁铁锲块锲槽的结构,通过与大腿连接板24的配合可实现系统的机械锁定与放松,通过智能控制系统中的传感系统对穿戴者的行走运动状态进行一个检测,从而控制自锁装置协助脊髓损伤患者智能机械锁定与放松膝关节,完成步行康复训练过程。本发明能够有效减轻相关康复治疗师工作负担,加快患者康复进程,结构简单成本低。
[0046] 上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明,但是本发明并不限于上述实施方式,在本领域普通技术人员所具备的知识范围内,还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。