一种支撑相承重自锁的下肢康复装置

技术领域

本发明涉及康复训练装置技术领域，具体涉及一种用于膝关节步行功能康复训练的康复装置。

背景技术

下肢关节退化是一种常见的退行性疾病，多发于高龄人群和下肢关节长期机械应力分布失衡或负载过度的部分职业人群。下肢关节退化的患者存在膝关节疼痛僵硬，上、下楼困难，下楼时膝关节发软、易摔倒，蹲起时疼痛、僵硬，关节酸痛胀痛，跛行等症状，下肢关节退化对患者的正常生活有较大影响。

下肢关节退化可通过下肢康复训练缓解，目前，康复训练一般以穿戴式的下肢康复装置辅助进行。现有的下肢康复装置中，膝关节一般以电机驱动，以期为腿部摆动阶段提供助力。但在使用者处于支撑相时，膝关节需要提供很大的力矩来保证穿戴者的平衡性，因此电机需要具有一定的功率且需持续保持工作状态来配合使用者的行走动作。但大功率的电机重量较重，不利于穿戴装置的重量控制，其持续工作的工作形势也导致其能源利用率不够理想。

通过现有技术检索，存在以下已知的技术方案：

现有技术1：

申请号：201210357822.6，申请日：20120925，公开(公告)日：20130320，公开了一种具有承重自锁功能的主动式膝关节结构，主要包括，与大腿和小腿固定的连杆绷带、膝关节连接机构及限位机构、小腿连接结构、电机及谐波减速器、自锁弹片、油压缓冲器、自恢复扭簧，该结构既能够通过锁死机构保证站立阶段穿戴者的平衡性，又能够在摆动阶段对穿戴者产生助力的作用，既提高了能源的使用效率，又增强了患者穿戴者对不同地形的适应性。

该现有技术利用油压缓冲器和钢丝绳的配合，在人体直立时，自锁弹片锁死，从而达到承重自锁。但其只能保证人体在直立状态下的自锁，而且人体站立状态因人而异，每个人处于直立状态下时自锁位置可能不同，该专利无法较好地区别适应个体需要。

现有技术2：

申请号：201721069337.3，申请日：20170824，公开(公告)日：20190219，公开了一种具有自锁功能的下肢康复装置，包括上部连接件、下部连接件、驱动部件、蜗杆与蜗轮，驱动部件与上部连接件固接，下部连接件通过一转轴相对上部连接件转动；蜗轮与转轴固接，驱动部件包括一驱动轴，蜗杆与驱动轴固接，并与蜗轮啮合；当驱动轴转动时，下部连接件相对上部连接件绕转轴转动；当驱动轴停止转动时，下部连接件依靠蜗杆、蜗轮的自锁相对上部连接件锁定在当前状态。本实用新型通过蜗轮-蜗杆传动装置的自锁特性实现康复设备的自锁，结构简单，无需设置微动开关或者特别开发的限位机构，也不需要设置复杂的电控系统，有助于降低成本。

该现有技术采用蜗轮蜗杆实现单向自锁功能，但蜗轮蜗杆造价较高，加工制造、装配和维修较难。

通过以上的检索发现，以上技术方案没有影响本发明的新颖性；并且以上专利文件的相互组合没有破坏本发明的创造性。

发明内容

本发明正是为了避免上述现有技术所存在的不足之处，提供了一种支撑相承重自锁的下肢康复装置。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：一种支撑相承重自锁的下肢康复装置，包括由上至下依次设置的腰胯部结构、大腿结构、膝关节机构、小腿结构和鞋体，连接板连接固定于护腰外侧，其底部转动连接髋关节板，构成所述腰胯部结构；所述连接板上安装连接有用于固定钢丝绳及调节所述钢丝绳放出长度的钢丝绳调节机构；

所述膝关节机构包括电机固定盘、连接固定于所述电机固定盘上的电机及谐波减速器、与所述电机及谐波减速器的输出端连接的输出盘和自锁机构；

所述自锁结构包括沿所述输出盘边沿周向均布设置的各输出盘卡齿、底部设有卡盘卡齿的卡盘和两端分别与所述固定盘或所述大腿结构底端连接固定以及与所述卡盘连接固定的扭簧，所述电机固定盘与所述大腿结构的底端连接固定，所述输出盘与所述小腿结构的顶端连接固定；所述卡盘位于所述输出盘上方，其于靠近膝盖前方的一端与所述大腿结构转动连接，并于远离膝盖前方的一端与所述钢丝绳连接固定，所述卡盘卡齿和所述输出盘卡齿啮合；

所述扭簧与所述卡盘的连接点和所述钢丝绳与所述卡盘的连接点分别位于所述卡盘与所述大腿结构连接点的两侧；所述大腿结构顶端与所述髋关节板转动连接，所述小腿结构底端通过弹簧连接鞋体；

所述护腰穿戴于使用者腰部，所述大腿结构和所述小腿结构分别与使用者的大腿和小腿穿戴固定，所述鞋体穿戴于使用者足部。

进一步的，所述钢丝绳调节机构包括贴合设置的固定底盘和丝绳固定盘以及拉簧，所述固定底盘上设有呈多棱柱结构的限位部，所述丝绳固定盘上对应所述限位部开设限位槽，所述拉簧两端分别与所述限位部的顶端及所述限位槽的底端连接固定，所述限位部配合卡设于所述限位槽内；所述钢丝绳的顶端与所述丝绳固定盘连接固定并绕设于所述丝绳固定盘上。

进一步的，所述拉簧外部设有连接固定于所述限位槽内的拉簧柱。

进一步的，所述限位部呈正三棱柱结构。

进一步的，所述鞋体底部设有压力垫。

进一步的，所述大腿结构包括顶端和底端分别与所述连接板和所述电机固定盘连接固定的大腿支架、设于所述大腿支架上的大腿护具及设于所述大腿护具上的大腿绑带，所述大腿护具穿戴于使用者大腿上，并通过所述大腿绑带绑扎固定。

进一步的，所述小腿结构包括与顶端与所述输出盘连接固定的小腿支架、设于所述小腿支架上的小腿护具和设于所述小腿护具上的小腿绑带，所述小腿护具穿戴于使用者小腿上，并通过所述小腿绑带绑扎固定。

进一步的，所述髋关节板与所述连接板通过铰链转动连接。

进一步的，所述固定板的边沿于所述小腿结构两侧各设一个光电传感器。

进一步的，两个所述光电传感器中的一个于所述小腿结构处于直立位置时紧靠所述小腿结构前方，两个所述光电传感器之间的夹角为120°。

本发明提供了一种支撑相承重自锁的下肢康复装置，具有以下有益效果：

1、本发明既可通过钢丝绳带动卡盘转动并拉紧使卡盘的卡盘卡齿与输出盘卡齿啮合，实现使用者处于支撑相时且电机不工作的情况下膝关节机构的结构自锁，也可利用使用者预摆动期的大腿上抬动作放松钢丝绳，使卡盘在扭簧弹力作用下转动，脱离与输出盘的结构自锁，以电机供能提供膝关节动作助力，锁定状态可靠稳定，安全性高，整体能耗低；

2、本发明的钢丝绳预张紧状态可调整为完全锁定、完全放松或自适应状态，完全锁定状态可适应工作需要长期站立的使用人群的需要，康复装置承担支撑相时的倾倒力矩；完全放松状态可适应静坐或坐立训练的使用人群的需要，康复装置不影响膝关节的自由屈伸；自适应状态可适应行走训练的使用人群的需要，行走步态中支撑相自锁，预摆动相自动解锁；

3、本发明的电机无需输出人体处于支撑相时保持人体平衡的力矩，重量轻、成本低，利于康复装置结构的轻量化，同时利于其制造成本的控制；

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明钢丝绳调节机构的爆炸结构图；

图3为使用者穿戴本发明时膝关节机构的结构示意图。

图中：

1、钢丝绳调节机构，11、固定底盘，111、限位部，12、拉簧支柱，13、拉簧，14、丝绳固定盘，141、限位槽；2、腰胯部结构，21、护腰，22、连接板，23、髋关节板，24、铰链；3、大腿结构，31、大腿支架，32、大腿护具，33、大腿绑带；4、膝关节机构，41、电机固定盘，42、电机及谐波减速器，43、输出盘，44、自锁结构，441、输出盘卡齿，442、卡盘，443、扭簧，444、卡盘卡齿；5、小腿结构，51、小腿支架，52、小腿护具，53、小腿绑带；6、鞋体，61、弹簧；7、钢丝绳。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1～图3所示，其结构关系为：包括由上至下依次设置的腰胯部结构2、大腿结构3、膝关节机构4、小腿结构5和鞋体6，连接板22连接固定于护腰21外侧，其底部转动连接髋关节板23，构成腰胯部结构2，连接板22与髋关节板23的转动连接用于支持髋关节的内展和外展运动；连接板22上安装连接有用于固定钢丝绳7及调节钢丝绳7放出长度的钢丝绳调节机构1；

膝关节机构4包括电机固定盘41、连接固定于电机固定盘41上的电机及谐波减速器42、与电机及谐波减速器42的输出端连接的输出盘43和自锁机构44；

自锁结构44包括沿输出盘43边沿周向均布设置的各输出盘卡齿441、底部设有卡盘卡齿444的卡盘442和两端分别与固定盘41或大腿结构3底端连接固定以及与卡盘442连接固定的扭簧443，电机固定盘41与大腿结构3的底端连接固定，输出盘43与小腿结构5的顶端连接固定；卡盘442位于输出盘43上方，其于靠近膝盖前方的一端与大腿结构3转动连接，并于远离膝盖前方的一端与钢丝绳7连接固定，卡盘卡齿444和输出盘卡齿441啮合；

使用者处于支撑相时，钢丝绳7张紧，克服扭簧443的弹力，使卡盘442左端向上转动，右端向下转动，进而使卡盘442与输出盘43通过卡盘卡齿444和输出盘卡齿441的啮合相对锁定，从而实现使用者支撑相膝关节的自锁；

使用者体态进入腿部预摆动相时，使用者大腿上抬，使钢丝绳7放松，使卡盘442在扭簧443弹力的作用下左端向下转动，右端向上转动，进而使卡盘卡齿444脱离与输出盘卡齿441的啮合，解除卡盘442与输出盘43的相对锁定；

扭簧443与卡盘442的连接点和钢丝绳7与卡盘442的连接点分别位于卡盘442与大腿结构3连接点的两侧；大腿结构3顶端与髋关节板23转动连接，用于支持髋关节的屈伸动作；

小腿结构5底端通过弹簧61连接鞋体6，小腿结构5通过弹簧61与鞋体6的连接具有弹簧61沿自身轴向拉伸、缩短及弹簧61两端与小腿结构5或鞋体6相对转动的自由度，用于支持踝关节的背屈、跖屈和内翻、外翻运动，同时还具有一定的缓冲作用。

护腰21穿戴于使用者腰部，大腿结构3和小腿结构5分别与使用者的大腿和小腿穿戴固定，鞋体6穿戴于使用者足部。

优选的，钢丝绳调节机构1包括贴合设置的固定底盘11和丝绳固定盘14以及拉簧13，固定底盘11上设有呈多棱柱结构的限位部111，丝绳固定盘14上对应限位部111开设限位槽141，拉簧13两端分别与限位部111的顶端及限位槽141的底端连接固定，限位部111配合卡设于限位槽141内；钢丝绳7的顶端与丝绳固定盘14连接固定并绕设于丝绳固定盘14上；

实际使用时，可通过钢丝绳调节机构1根据个体差异对钢丝绳7的放出长度进行调节，即调节钢丝绳7的预张紧状态，具体过程为：沿丝绳固定盘14轴向对其施加向外的拉力，克服拉簧13的弹力使限位部111由限位槽141内脱出，随后以限位部111自然数倍数个转动步距的角度转动限位部111以增加或减少钢丝绳7绕设于丝绳固定盘14上的长度，进而使钢丝绳7放出的长度适应个体差异的需要，随后，再将限位部111配合卡设于限位槽141内固定即可。

优选的，拉簧13外部设有连接固定于限位槽141内的拉簧柱12。

优选的，限位部111呈正三棱柱结构，当限位部111设置为三棱柱结构时，限位部111的一个转动步距为60°，则钢丝绳7的一个调节步距为其绕设的丝绳固定盘14周长的1/6。

优选的，鞋体6底部设有压力垫，压力垫可根据鞋体6的压力分布即使用者足底压力分布分析计算，以获取使用者的体态相位。

优选的，大腿结构3包括顶端和底端分别与连接板22和电机固定盘41连接固定的大腿支架31、设于大腿支架31上的大腿护具32及设于大腿护具32上的大腿绑带33，大腿护具32穿戴于使用者大腿上，并通过大腿绑带33绑扎固定。

优选的，小腿结构5包括与顶端与输出盘43连接固定的小腿支架51、设于小腿支架51上的小腿护具52和设于小腿护具52上的小腿绑带53，小腿护具52穿戴于使用者小腿上，并通过小腿绑带53绑扎固定。

优选的，髋关节板23与连接板22通过铰链24转动连接。

优选的，固定板41的边沿于小腿结构5两侧各设一个光电传感器，光电传感器用于限制小腿结构5的转动极限位移，以保证康复装置的使用安全性。

优选的，两个光电传感器中的一个于小腿结构5处于直立位置时紧靠小腿结构5前方，两个光电传感器之间的夹角为120°。

具体使用时，应当根据个体使用需要调节钢丝绳7的放出长度即调节钢丝绳7的预张紧状态，钢丝绳7的预张紧状态可分为以下三种：

1、完全锁定

钢丝绳7的预张紧长度最短，拉力最大，卡盘442的卡盘卡齿444与输出盘43的输出盘卡齿441啮合，使输出盘43处于锁定状态，即使膝关节机构4结构自锁，适用于使用者长期保持站立状态的情况；

2、完全放松

钢丝绳7的预张紧长度最长，无拉力，卡盘442的卡盘卡齿444与输出盘43的输出盘卡齿441在扭簧443弹力的作用下脱离，膝关节机构4运动在电机不工作的情况下完全自由；

3、自适应状态

钢丝绳7的预张紧长度适中；

当使用者处于支撑相时，丝绳固定盘14与使用者膝关节的距离最大，钢丝绳7张紧，卡盘442在钢丝绳7拉力的作用下克服扭簧443的弹力转动，卡盘卡齿444与输出盘43的输出盘卡齿441啮合，膝关节机构4结构自锁；

使用者进入预摆动相时，大腿上抬使丝绳固定盘14与使用者膝关节的距离缩小，钢丝绳7放松，卡盘442在扭簧443弹力的作用下转动，卡盘卡齿444与输出盘43的输出盘卡齿441脱离，解除膝关节机构4的结构自锁，使用者可自行发力或在电机的辅助作用下自由做屈膝动作。

进行康复训练的循环屈伸膝动作时，包括以下过程：

第一步，根据使用者的个体情况，对钢丝绳7的放出长度即预张紧状态进行调节，使钢丝绳7的预张紧状态为自适应状态；

第二步，使用者分别将护腰21穿戴于腰部，大腿护具32穿戴于大腿并以大腿绑带33绑扎固定，小腿护具52穿戴于小腿并以小腿绑带53绑扎固定，鞋体6穿戴于足部；

第三步，使用者处于支撑相时，钢丝绳7张紧并拉紧卡盘442，使膝关节机构4结构自锁；

第四步，使用者进入预摆动相，钢丝绳7放松，卡盘卡齿444在扭簧443作用下与输出盘卡齿441脱离，解除膝关节机构4的结构自锁，使用者可自行发力或在电机的辅助作用下自由做屈膝动作；

第五步，使用者进入摆动相，完成屈膝动作后伸膝，再次进入支撑相，并回到第三步循环进行，直至康复训练结束。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。