CN107397653A - 一种基于套索传动的柔性膝关节助力康复装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于套索传动的柔性膝关节助力康复装置，该助力康复装置包括腰部定位组件、套索传动组件、大腿绑腿组件、柔性阻尼组件、小腿绑腿组件、脚部定位组件以及背包组件，小腿绑腿组件包括套索执行子组件，其上固定传感器子组件，套索驱动组件固连在背包组件上；套索传动组件分别与套索驱动组件和膝关节执行子组件连接。本发明的基于套索传动的柔性膝关节助力康复装置该装置结构简单轻巧，采用尼龙织布以及聚酯纤维材料进行结构设计，实现结构上的柔性以及传动的柔性，控制安全简单，有助于实现医疗康复装置的安全便携。

Description

一种基于套索传动的柔性膝关节助力康复装置
技术领域
本发明涉及一种康复装置，具体涉及一种膝关节助力康复装置。
背景技术
下肢助力康复器械是一种可穿戴于患者外侧的机械***，它通过特定的驱动器，辅以姿态传感器，实现助力、助行和辅助康复治疗的功能。
随着年龄的增长，人的关节和肌肉会不断地退化，并且磨损逐渐累积加剧，或者由于疾病以及后天意外事故导致的物理损伤，从而导致行动不便。医学理论和临床医学证明，这类患者除了早期的手术治疗和药物治疗外，正确、科学的康复训练对于肢体运动的恢复和提高起到了非常重要的作用，所以肢体康复器械逐渐成了研究的热点，国内外学者对于肢体康复器械特别是下肢康复器械的研发做了大量的工作，并且取得了很大的进展。
膝关节作为人体运动的重要关节,在运动过程中出现损伤的概率较大，最终丧失劳动与生活能力。膝关节助力康复装置可以帮助患者在步行或者上楼梯过程中，提供一定的辅助力量，从而减小人体关节本身的压力，起到一定增大肌肉力的效果。并且该装置采用柔性材料进行结构设计，大大减小刚性结构带来的束缚，减小了装置的重量，从而减小康复装置给患者带来的额外的负重。结构的柔性以及套索传动的柔性，在提高安全性的同时，又给患者提供更大的自由空间。由于刚性结构质量大，惯性大，对患者的约束性强，安全性低等问题，迫切需要结构轻巧，穿戴方便，控制安全简单，便于生产和大范围推广的膝关节助力康复装置，本发明即是为此目的而设计。
发明内容
技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于套索传动的柔性膝关节助力康复装置，该装置的传动以及执行机构的设计均采用柔性尼龙布，结构简单轻巧，穿戴方便，控制安全简单，便于生产和大范围推广。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明实施例采用的技术方案是：
一种基于套索传动的柔性膝关节助力康复装置，包括通过涤纶织带连接的腰部定位组件、大腿绑腿组件、背包组件以及小腿绑腿组件和脚部定位组件，所述大腿绑腿组件通过柔性阻尼组件连接于小腿绑腿组件，所述背包组件包括套索传动组件和驱动组件，所述小腿绑腿组件包括套索执行子组件和传感器子组件，所述套索传动组件分别与驱动组件和小腿绑腿组件连接，所述驱动组件固连在背包组件中。
优选的，所述腰部定位组件包括腰部绑带、插扣和连接带，连接带通过车缝线与腰部绑带固连，腰部绑带的上端固连两个插扣，用来与背包组件相连接，下端固连两个插扣，用来定位大腿绑腿组件，左右两端的插扣相互配合将腰部绑带固定于人体腰部。
优选的，所述套索传动组件包括套索和套管，并且通过套索固定结构以及套索驱动轮将小腿绑腿组件和背包组件连接，套索固定结构通过紧固件与小腿绑腿组件的插扣固连。
优选的，所述大腿绑腿组件包括尼龙插扣、尼龙帆布、层压帆布带、魔术贴、弹性绳、车缝线、绳扣和海绵夹层垫，所述尼龙卡扣通过涤纶织带将大腿绑腿组件与腰部定位组件连接，并且通过柔性阻尼组件将大腿绑腿组件与小腿绑腿组件连接，层压帆布带在大腿绑腿组件按照与人腿轴线成45°～70°的方向布置，车缝线将尼龙帆布与用来传递作用力的层压帆布带固连，套索传动组件穿过魔术贴，将套索限定与人腿轴线相互平行。
优选的，所述柔性阻尼组件包括尼龙插扣、高弹性聚酯纤维织带和硅胶防滑条，所述尼龙插扣将大腿绑腿组件与小腿绑腿组件连接，硅胶防滑条与高弹性聚酯纤维织带固连。
优选的，所述小腿绑腿组件包括海绵夹层垫、尼龙插扣、尼龙帆布、层压帆布带、车缝线、套索固定块、魔术贴、弹性绳和绳扣，位于小腿绑腿组件上侧的尼龙卡扣通过被动柔性组件将大腿绑腿组件与小腿绑腿组件连接，通过套索传动组件将小腿绑腿组件中的套索固定块与驱动组件连接，层压帆布带在小腿绑腿组件按照与人腿轴线成45°～70°的方向布置，车缝线将尼龙帆布与层压帆布带固连，位于小腿绑腿组件下侧的尼龙卡扣将小腿绑腿组件与脚部定位组件连接。
优选的，所述脚部定位组件包括魔术贴、高弹性聚酯纤维织带和尼龙插扣，所述魔术贴相互粘合将脚部定位组件固定于人体脚部，尼龙插扣将脚部定位组件与小腿绑腿组件连接。
优选的，所述背包组件包括尼龙插扣、涤纶织带、树脂外壳和铝合金底板，尼龙插扣将背包组件与大腿绑腿组件连接，铝合金底板与背包固连，并通过螺栓固连于驱动组件。
优选的，所述驱动组件包括套索驱动轮、电机支架、直流无刷电机减速器、可调套索预紧架和固定底板，所述直流无刷电机减速器的输出轴与套索驱动轮的输入键孔传动连接，直流无刷电机减速器通过电机支架固定连接在固定底板上，固定地板与背包组件中的铝合金底板通过螺栓固连，套索的一端通过预紧螺栓与套索驱动轮固连，穿过可调套索预紧架，另一端与小腿绑腿组件固连。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)该装置基本采用布艺材料进行设计，结构的柔性大，整体质量和惯量小，目前外骨骼机器人及下肢康复装置采用刚性连杆结构，装置整体质量大，惯量大，功耗大，本发明能够实现执行组件与传动组件的全柔性，提高整个***的安全性能，降低功耗；
(2)结构简单轻巧，本发明中，由于采用布艺材料，并且大部分采用尼龙插扣相互连接，装拆方便，并且结构与人体有较好的贴合性，舒适度较高，采用本发明中，由于套索本身细长、柔软的特性，使得本发明的传递路径非常灵活，进而使得本发明具有传递路径灵活、尺寸小、机构简洁轻巧等优点；
(4)穿戴简单，便于生产和大范围推广，本发明中，采用特定的材料进行设计，成本较低，大大减小传统结构带来的弊端，套索传动可以实现远距离小尺寸的传递动力，它可以有效地降低本发明的复杂程度，使得本发明结构简单，重量轻，适合患者穿戴，同时套索传动的加工成本小，适合于工业生产和大范围民用。
附图说明
图1是本发明的结构及其穿戴状态示意图；
图2是本发明中腰部定位组件的示意图；
图3是本发明中大腿绑腿组件的正视图；
图4是本发明中大腿绑腿组件的后视图；
图5是本发明中柔性阻尼组件的示意图；
图6是本发明中小腿绑腿组件的正视图；
图7是本发明中小腿绑腿组件的后视图；
图8是本发明中脚部定位组件的示意图；
图9是本发明中背包组件的示意图；
图10是本发明中铝合金底板的示意图；
图11是本发明中驱动组件的示意图；
图12是本发明中套索固定结构的示意图。
图中有：腰部定位组件(1)，腰部绑带(101),插扣(102)，连接带(103)，大腿绑腿组件(3),尼龙插扣(301)，尼龙帆布(302)，层压帆布带(303)，魔术贴(304)，弹性绳(305)，车缝线(306)，绳扣(307)，海绵夹层垫(308),柔性阻尼组件(4),尼龙插扣(401),高弹性聚酯纤维织带(402),硅胶防滑条(403),脚部定位组件(6),魔术贴(601),高弹性聚酯纤维织带(602),尼龙插扣(603),背包组件(7),尼龙插扣(701),涤纶织带(702),树脂外壳(703),铝合金底板(704),驱动组件(8),套索驱动轮(801),电机支架(802),直流无刷电机减速器(803),可调套索预紧架(804),固定底板(805)，套索固定结构(9)。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。
如图1所示，本发明的一种基于套索传动的柔性膝关节助力康复装置，该助力康复装置包括通过涤纶织带连接的腰部定位组件1、大腿绑腿组件3、背包组件7以及小腿绑腿组件5和脚部定位组件6，所述大腿绑腿组件3通过柔性阻尼组件4连接于小腿绑腿组件5，小腿绑腿组件5包括套索执行子组件和传感器子组件，驱动组件8固连在背包组件7中；套索传动组件2分别与背包组件7和小腿绑腿组件5连接，如图2所示，上述柔性膝关节助力康复装置中，腰部定位组件1包括腰部绑带101、插扣102，腰部绑带101的上端固连两个插扣102，用来与背包组件7相连接，下端固连两个插扣102，用来定位大腿绑腿组件3，左右两端的插扣102，相互配合，固定腰部绑带101，如图3、图4和图12所示，上述柔性膝关节助力康复装置中，套索传动组件2包括套索和套管，并且通过套索固定结构9以及套索驱动轮801将小腿绑腿组件5和背包组件7连接，大腿绑腿组件3包括尼龙插扣301、尼龙帆布302、层压帆布带303、魔术贴304、弹性绳305、车缝线306、绳扣307、海绵夹层垫308，尼龙卡扣301通过涤纶织带9将大腿绑腿组件3与腰部定位组件1连接，并且通过柔性阻尼组件4将大腿绑腿组件3与小腿绑腿组件5连接，层压帆布303用来传递主要的作用力，套索传动组件2穿过魔术贴304，将套索限定与人腿轴线相互平行，如图5所示，上述柔性膝关节助力康复装置中，柔性阻尼组件4包括尼龙插扣401、高弹性聚酯纤维织带402和硅胶防滑条403，尼龙插扣401将大腿绑腿组件3与小腿绑腿组件5连接，硅胶防滑条403与高弹性聚酯纤维织带402固连，如图6和图7所示，上述柔性膝关节助力康复装置中，小腿绑腿组件5包括海绵夹层垫501、尼龙插扣502、尼龙帆布503、层压帆布带504、车缝线505、套索固定块506、魔术贴507、弹性绳508、绳扣509，位于小腿绑腿组件5上侧的尼龙卡扣502通过被动柔性组件4将大腿绑腿组件3与小腿绑腿组件5连接，通过套索传动组件2将小腿绑腿组件5中的套索固定块506与驱动子组件8连接，层压帆布带504在小腿绑腿组件5上按照与人腿轴线成60°的方向布置，车缝线505将尼龙帆布503与层压帆布带504固连，位于小腿绑腿组件5下侧的尼龙卡扣502将小腿绑腿组件5与脚部定位组件6连接，如图8所示，上述柔性膝关节助力康复装置中，脚部定位组件6包括魔术贴601、高弹性聚酯纤维织带602、尼龙插扣603，魔术贴601可通过相互粘合将脚部定位组件6固定在脚部，尼龙插扣603将脚部定位组件6与小腿绑腿组件5连接，如图9和图10所示，上述柔性膝关节助力康复装置中，背包组件7包括尼龙插扣701、涤纶织带702、树脂外壳703、铝合金底板704，尼龙插扣701将背包组件7与大腿绑腿组件3连接，铝合金底板704与背包固连，并通过螺栓与电机驱动组件8固连，如图11所示，上述柔性膝关节助力康复装置中，驱动组件8包括套索驱动轮801、电机支架802、直流无刷电机减速器803、可调套索预紧架804和固定底板805，直流无刷电机减速器803的动力输出轴与套索驱动轮801的输入键孔相配合，直流无刷电机减速器803通过电机支架802固定连接在固定底板805上，固定地板805与背包组件7中的铝合金底板704通过螺栓固连，套索的一端通过预紧块与套索驱动轮801固连，穿过可调套索预紧架804，另一端与小腿绑腿组件5固连；
本发明的柔性膝关节助力康复装置中的工作过程是：启动直流无刷电机减速器803，带动套索驱动轮801转动，套索驱动轮801拉动绳索在套索驱动轮801的沟槽内滑动，带动套索固定块506运动，从而使小腿绑腿组件5带动人体小腿绕膝关节转动，具体来说：人体小腿有弯曲伸展的运动意图时通过姿态传感器IMU6050进行检测，传感器检测到人要进行弯曲伸展动作，启动直流无刷电机减速器803顺时针运行，带动套索主动轮801顺时针转动，套索主动轮801拉动绳索在套索主动轮801的沟槽内滑动，从而带动套索固定块506产生运动，进而带动小腿绑腿组件5和人体小腿绕膝关节转动；人体小腿有弯曲伸展运动意图时会产生一定的位移，姿态传感器IMU6050检测到人要进行弯曲伸展动作，启动直流无刷电机减速器803顺时针运行，带动套索主动轮801顺时针转动，套索主动轮801拉动绳索在套索主动轮801的沟槽内滑动，从而带动套索固定块506产生运动，进而带动小腿绑腿组件5和人体小腿绕膝关节转动；
本发明的柔性膝关节助力康复装置，直流无刷电机减速器803带动套索套索主动轮801转动，绳索两端分别与套索主动轮801和套索固定块506连接，驱动力矩通过套索传动子组件传递到小腿绑腿组件5，小腿绑腿组件5与小腿绑在一起，驱动膝关节运动。本发明可以对膝关节磨损或者受伤的患者进行术后膝关节康复训练和行走助力，采用了柔性结构以及可实现远距离传动且机械机构简单。本发明可以实现结构的纯柔性设计，并且驱动组件与膝关节执行子组件的分离，克服了以往关节康复装置各关节的质量和惯量过大的问题，并且结构简单轻巧，控制安全简单，便于生产和大范围推广。

Claims (9)

1.一种基于套索传动的柔性膝关节助力康复装置，其特征在于：包括通过连接织带连接的腰部定位组件(1)、大腿绑腿组件(3)、背包组件(7)以及小腿绑腿组件(5)和脚部定位组件(6)，所述大腿绑腿组件(3)通过柔性阻尼组件(4)连接于小腿绑腿组件(5)，所述背包组件(7)包括套索传动组件(2)和驱动组件(8)，所述小腿绑腿组件(5)包括套索执行子组件和传感器子组件，所述套索传动组件(2)分别与驱动组件(8)和小腿绑腿组件(5)连接，所述驱动组件(8)固连在背包组件(7)中。
2.根据权利要求1所述基于套索传动的膝关节助力康复装置，其特征在于：所述腰部定位组件(1)包括腰部绑带(101)、插扣(102)和连接带(103)，层压帆布带(103)通过车缝线与腰部绑带(101)固连，腰部绑带(101)的上端固连两个尼龙插扣(102)，用来与背包组件(7)相连接，下端固连两个尼龙插扣(102)，用来定位大腿绑腿组件(3)，左右两端的尼龙插扣(102)相互配合将腰部绑带(101)固定于人体腰部。
3.根据权利要求1所述基于套索传动的膝关节助力康复装置，其特征在于：所述套索传动组件(2)包括套索和套管，并且通过套索固定结构(9)以及套索驱动轮(801)将小腿绑腿组件(5)和背包组件(7)连接，套索固定结构(9)通过紧固件与小腿绑腿组件(5)的插扣(502)固连。
4.根据权利要求1所述基于套索传动的膝关节助力康复装置，其特征在于：所述大腿绑腿组件(3)包括尼龙插扣(301)、尼龙帆布(302)、层压帆布带(303)、魔术贴(304)、弹性绳(305)、车缝线(306)、绳扣(307)和海绵夹层垫(308)，所述尼龙卡扣(301)通过涤纶织带将大腿绑腿组件(3)与腰部定位组件(1)连接，并且通过柔性阻尼组件(4)将大腿绑腿组件(3)与小腿绑腿组件(5)连接，层压帆布带(303)在大腿绑腿组件(3)上按照与人腿轴线成45°～70°的方向布置，车缝线(505)将尼龙帆布(302)与用来传递作用力的层压帆布带(303)固连，套索传动组件(2)穿过魔术贴(304)，将套索限定与人腿轴线相互平行。
5.根据权利要求1所述基于套索传动的膝关节助力康复装置，其特征在于：所述柔性阻尼组件(4)包括尼龙插扣(401)、高弹性聚酯纤维织带(402)和硅胶防滑条(403)，所述尼龙插扣(401)将大腿绑腿组件(3)与小腿绑腿组件(5)连接，硅胶防滑条(403)与高弹性聚酯纤维织带(402)固连。
6.根据权利要求1所述基于套索传动的膝关节助力康复装置，其特征在于：所述小腿绑腿组件(5)包括海绵夹层垫(501)、尼龙插扣(502)、尼龙帆布(503)、层压帆布带(504)、车缝线(505)、套索固定块(506)、魔术贴(507)、弹性绳(508)和绳扣(509)，位于小腿绑腿组件(5)上侧的尼龙卡扣(502)通过被动柔性组件(4)将大腿绑腿组件(3)与小腿绑腿组件(5)连接，通过套索传动组件(2)将小腿绑腿组件(5)中的套索固定块(506)与驱动组件(8)连接，层压帆布带(504)在小腿绑腿组件(5)上按照与人腿轴线成45°～70°的方向布置，车缝线(505)将尼龙帆布(503)与层压帆布带(504)固连，位于小腿绑腿组件(5)下侧的尼龙卡扣(502)将小腿绑腿组件(5)与脚部定位组件(6)连接。
7.根据权利要求1所述基于套索传动的膝关节助力康复装置，其特征在于：所述脚部定位组件(6)包括魔术贴(601)、高弹性聚酯纤维织带(602)和尼龙插扣(603)，所述魔术贴(601)相互粘合将脚部定位组件(6)固定于人体脚部，尼龙插扣(603)将脚部定位组件(6)与小腿绑腿组件(5)连接。
8.根据权利要求1所述基于套索传动的膝关节助力康复装置，其特征在于：所述背包组件(7)包括尼龙插扣(701)、涤纶织带(702)、树脂外壳(703)和铝合金底板(704)，尼龙插扣(701)将背包组件(7)与大腿绑腿组件(3)连接，铝合金底板(704)与背包固连，并通过螺栓固连于驱动组件(8)。
9.根据权利要求8所述基于套索传动的膝关节助力康复装置，其特征在于：所述驱动组件(8)包括套索驱动轮(801)、电机支架(802)、直流无刷电机减速器(803)、可调套索预紧架(804)和固定底板(805)，所述直流无刷电机减速器(803)的输出轴与套索驱动轮(801)的输入键孔传动连接，直流无刷电机减速器(803)通过电机支架(802)固定连接在固定底板(805)上，固定地板(805)与背包组件(7)中的铝合金底板(704)通过螺栓固连，套索的一端通过预紧螺栓与套索驱动轮(801)固连，穿过可调套索预紧架(804)，另一端与小腿绑腿组件(5)固连。
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