CN110623817A - 一种无动力髋关节储能助行外骨骼 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无动力髋关节储能助行外骨骼，包括小腿托、小支腿、膝关节、大支腿、支腿组件、骨盆支架组件和背板组件，小支腿固定在小腿托上，小支腿通过膝关节与大支腿连接，大支腿上端与支腿组件连接，支腿组件上端与骨盆托组件铰接，骨盆托组件与背板组件固定连接，支腿组件上设置储能元件。本发明在连接骨盆托和大支腿的髋关节端盖中设置储能元件，通过调节储能元件预紧力储存具有不同损伤情况的患者的骨盆和髋关节伸展产生的能量，在屈曲运动时释放，降低患者重心前移的能量消耗。

Description

一种无动力髋关节储能助行外骨骼

技术领域

本发明涉及一种人工骨骼，尤其涉及一种无动力髋关节储能助行外骨骼。

背景技术

助行外骨骼起源于军事领域，用于增强士兵行走和负重能力，后来逐渐转为民用，目的在于辅助截瘫患者重建行走功能、为下肢运动功能减弱的老年人提供行走助力。截瘫患者丧失了站立及行走功能，出现肌肉萎缩、痉挛、骨质疏松等并发症，而行走功能是维持肌肉、骨骼与心肺功能的基本条件。因此，通过外骨骼帮助患者重新实现站立和行走对其身心康复和预防并发症均有重要意义。

目前，临床上被广泛使用的无动力式外骨骼主要包括膝-踝-足矫形器(Kneeankle foot orthosis，KAFO)、内侧连接式矫形器(Medial linkage orthosis，MLO)和往复式步行矫形器(Reciprocating gait orthosis，RGO)及其改良形式。

KAFO由小腿托、小腿支条、大腿托、大腿支条和膝关节锁组成。膝关节锁连接大腿和小腿支条，行走时处于锁定状态，防止因膝关节屈曲而导致患者摔倒等意外的发生。KAFO的设计理念非常简单，即行走时增加人体下肢关节刚度，为其提供外部支撑。由于左右两侧结构独立，且无骨盆和髋关节支撑结构的约束，因此行走时患者先将重心侧向转移到起支撑作用一侧的下肢上，通过拐杖或助行架保持身体平衡，然后利用躯干肌群(和残存的屈髋肌群)“甩”出对侧处于摆动前期的下肢。

MLO是在KAFO基础上采用不同形式的铰链(如：人字铰链、带有滚动轴承的弧形滑动铰链、齿轮铰链等)将左右侧在大腿内侧根部连接起来，形成Walkabout、Moorong MLO和Araz MLO等具有交互形式的无动力外骨骼，目的在于将行走过程中支撑一侧下肢蹬地时髋关节产生的力矩传递到对侧髋关节，帮助对侧髋关节完成屈曲运动。然而，临床研究表明：相比KAFO，通过铰链传递髋关节力矩的方式并没有帮助患者降低行走时的能量消耗。

20世纪60年代，Motloch提出利用躯干伸展驱动下肢移动的概念。基于此概念，先后形成了LSU-RGO、改良式往复式截瘫矫形器(Advanced reciprocating gait orthosis，ARGO)和等中心复式截瘫矫形器(Isocentric reciprocating gait orthosis，IRGO)，利用钢索或摇杆连接左右侧髋关节。行走时患者首先将身体重心转移至支撑一侧的下肢上，然后伸展躯干使同侧髋关节做过伸运动，通过钢索或摇杆带动对侧髋关节做屈曲运动，实现了利用躯干在矢状面的伸展形成交互行走的目的。上述三种往复式无动力外骨骼将患者的行走运动限制在矢状面。相比KAFO，这三种无动力外骨骼仅提高了使用患者的损伤平面，并未降低具有相似损伤情况的患者行走时的能量消耗。

此后，仿生储能式的截瘫助行外骨骼问世，该外骨骼利用储能元件模拟人体髂腰肌储存截瘫患者行走过程中髋关节伸展产生的能量，在屈曲运动中释放，帮助患者完成摆腿动作。相比KAFO和RGO，仿生储能式的截瘫助行外骨骼在一定程度上降低了患者行走能量消耗，但该外骨骼仅回收了患者矢状面的能量，忽视了冠状面人体重心转移过程中能量再利用问题。

KAFO和MLO系列外骨骼在设计上缺少髋关节和骨盆支撑结构，对于丧失支配髋关节屈肌能力或支配能力较弱的患者，行走时仅借助躯干、骨盆等运动产生的惯性，通过内在体节间的作用力与反作用力传递到髋关节完成屈髋摆腿动作极为困难。RGO(包括ARGO和IRGO)的骨盆和髋关节支撑结构将患者的运动限制在了矢状面。从运动学和动力学的角度对RGO行走机理进行研究发现：绝大部分患者使用RGO行走时躯干始终保持前倾姿态，这种状态下髋关节作用力使躯干产生屈曲力矩，阻碍单支撑期患者躯干伸展带动髋关节屈曲从而摆动下肢，因此在使用RGO行走过程中需要消耗较多的能量，对患者的心肺功能要求较高。仿生储能式的截瘫助行外骨骼则存在对使用者能量利用不够充分的问题，对冠状面能量欠缺再利用。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有临床上所广泛使用的无动力截瘫助行外骨骼KAFO、MLO和RGO存在的不足，针对腰部有一定控制能力的截瘫患者，设计一种将行走过程中患者重心转移时骨盆和髋关节在矢状面和冠状面运动产生的能量分别回收和再利用的无动力储能外骨骼，降低患者利用无动力截瘫助行外骨骼行走时的体能消耗。

本发明的技术方案为：一种无动力髋关节储能助行外骨骼，包括小腿托、小支腿、膝关节、大支腿、支腿组件、骨盆支架组件和背板组件，小支腿固定在小腿托上，小支腿通过膝关节与大支腿连接，大支腿上端与支腿组件连接，支腿组件上端与骨盆托组件铰接，骨盆托组件与背板组件固定连接，支腿组件上设置储能元件。

支腿组件的储能元件为横向自适应螺杆和压簧，横向自适应螺杆螺接在支腿组件上，压簧设置在支腿组件与横向自适应螺杆之间并套在自适应螺杆上。调节横向自适应螺杆改变压簧预紧力，将使用者重心转移过程中骨盆和髋关节在冠状面运动产生的能量储存在与横向自适应螺杆相连接的压簧中，在摆动期释放能量，提高摆动腿足部的离地间隙。

支腿组件包括外铰链支架、内铰链支架，外铰链支架和内铰链支架通过铰链轴连接。

横向自适应螺杆螺接在外铰链支架上。

骨盆托组件上设置储能元件，储能元件包括扭簧一和扭簧二，扭簧一和扭簧二一端固定在骨盆托组件上，外骨骼处于行走状态时，扭簧一和扭簧二绕骨盆托组件的中心产生形变。行走状态，扭簧一和扭簧二绕中心轴产生形变，储存使用者骨盆和髋关节伸展产生的能量，在屈曲运动时释放，实现无动力髋关节储能助行外骨骼矢状面能量储存与释放功能。

骨盆托组件包括转盘、中心轴、骨盆托、2个螺杆、2个螺杆座、2个螺母座，转盘套在中心轴上，中心轴固定在骨盆托上，骨盆托与背板组件固定；内铰链支架穿过中心轴，2个螺杆座分别固定在内铰链支架上，，2个螺杆分别***上述螺杆座，螺杆下端分别与螺母座栓接，2个螺母座不与内铰链支架固定。

转盘上固定一扭簧挡块，扭簧一和扭簧二一端固定在扭簧挡块上，另一端分别固定在2个螺母座上。

外铰链支架与转盘通过大支腿锁连接，大支腿锁解锁时外铰链架与转盘可分别绕中心轴转动，大支腿锁锁定时外铰链支架与转盘锁定同时绕中心轴转动。

大支腿锁包括大支腿锁固定件、大支腿锁轴、手柄和大支腿锁位置转换件，大支腿锁固定件与内铰链支架通过螺纹固定连接，手柄与大支腿锁轴固定连接，大支腿锁位置转换件与大支腿轴固定连接，大支腿锁固定件上设置有凹槽，大支腿锁位置转换件设置有与凹槽匹配的凸起。行走时，旋转手柄90°带动大支腿锁位置转换件转动，位置转换件凸起处嵌入固定件凹槽处，使大支腿锁轴沿外骨骼左右方向人体内侧移动，此时内铰链架与转盘锁定；由行走转为坐姿状态时，反方向旋转手柄90°带动大支腿锁位置转换件反向转动，位置转换件凸起处从固定件凹槽处滑出，使大支腿锁轴沿外骨骼左右方面向人体外侧移动，此时外铰链支架与转盘脱开。

转盘与骨盆托通过骨盆锁连接，骨盆锁固定在骨盆托上，站立时骨盆锁将转盘和骨盆托固定，转盘不再转动；行走时，骨盆锁解锁，转盘与骨盆托分离，转盘可转动。

骨盆锁包括骨盆锁扳手、骨盆锁轴、骨盆锁底板和骨盆锁外壳，骨盆锁扳手套在骨盆锁轴上，带动骨盆锁轴前后滑动，骨盆锁底板通过螺钉固定在骨盆托上，骨盆锁外壳固定在骨盆锁底板上。骨盆锁扳手可沿骨盆锁轴方向前后移动，向身体前侧移动为锁定状态，向身体后侧移动为解锁状态。站立时可锁定骨盆锁使转盘不再转动。

骨盆托组件还包括端盖，端盖固定在内铰链支架外侧。

端盖通过螺钉固定在内铰链支架上。

端盖上有2个螺杆调节孔，2个螺杆调节孔分别正对2个螺杆。通过改锥从端盖上螺杆调节孔处旋转螺杆，可调节扭簧一、扭簧二的预紧力。

背板组件包括板一、板二和板三，板一和板二结构相同分别固定在左右骨盆托上，板三固定连接板一和板二，板一、板二的端部及板三上有多排定位孔，螺栓穿过板一、板二和板三上的定位孔固定连接板一、板二和板三。通过三块板上的定位孔，根据使用者的腰部宽度调整到合适位置。

膝关节结构与现有的无动力外骨骼技术中的膝关节相同，在此不再赘述。

如上文所述，为了充分利用截瘫患者行走过程中骨盆和髋关节在矢状面伸展产生的能量，本发明在连接骨盆托和大支腿的髋关节端盖中设置储能元件，通过调节储能元件预紧力储存具有不同损伤情况的患者的骨盆和髋关节伸展产生的能量，在屈曲运动时释放，降低患者重心前移的能量消耗；为了充分利用截瘫患者行走过程中骨盆和髋关节在冠状面运动产生的能量，本发明在支腿组件下部设置储能元件，通过储能元件的形变储存患者支撑期重心在左右腿转移过程中产生的能量，在摆动期释放能量，提高摆动腿足部的离地间隙，降低行走时能量消耗。

附图说明

图1是无动力髋关节储能助行外骨骼轴测图；

图2是无动力髋关节储能助行外骨骼髋关节站立状态轴测图；

图3是无动力髋关节储能助行外骨骼髋关节站立状态内部结构轴测图；

图4是无动力髋关节储能助行外骨骼髋关节坐姿状态侧视图；

图5是无动力髋关节储能助行外骨骼骨盆锁轴测图；

图6是无动力髋关节储能助行外骨骼大支腿锁轴测图。

图7是无动力髋关节储能助行外骨骼内外铰链支架轴测图

附图标记说明：

1小腿托 2小支腿 3膝关节

4大支腿 5支腿组件 6骨盆托组件

7背板组件

51横向自适应螺杆 52压簧

61端盖 62转盘 63A外铰链支架 63B内铰链支架

64铰链轴

65骨盆锁 65A骨盆锁扳手 65B骨盆锁轴 65C骨盆锁底板

65D骨盆锁外壳

66大支腿锁 67中心轴 68锁紧螺母

69A螺杆座一 69B螺杆座二

610A螺杆一 610B螺杆二

611A扭簧一 611B扭簧二

612A螺母座一 612B螺母座二

613扭簧挡块 614骨盆托 615定位孔 616螺杆调节孔

661压簧 662大支腿锁固定件 663大支腿锁位置转换件

664大支腿锁轴 665手柄

71板一 72板二 73板三 74孔

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细的说明。

本发明的核心构思在于，为了充分利用截瘫患者行走过程中骨盆和髋关节在矢状面伸展过程中产生的能量，本发明通过在连接骨盆托和大支腿的髋关节端盖中设置储能元件，通过调节储能元件预紧力储存具有不同损伤情况的患者的骨盆和髋关节伸展产生的能量，在屈曲运动时释放，降低患者重心前移的能量消耗。

本发明的核心构思在于，为了充分利用截瘫患者行走过程中骨盆和髋关节在冠状面运动产生的能量，本发明在支腿组件下部设置储能元件，通过储能元件的形变储存患者支撑期重心在左右腿转移过程中产生的能量，在摆动期释放能量，提高摆动腿足部的离地间隙，降低行走时能量消耗。

本发明的核心构思还在于，为易于患者独立完成外骨骼穿戴，本发明采用左右分体式设计，通过背板组件在患者后腰部连接固定。

参考图1所示，无动力髋关节储能助行外骨骼实施例的轴测图。无动力髋关节储能助行外骨骼由固定截瘫患者足、踝和小腿的小腿托1，经由小支腿2、膝关节3、大支腿4、支腿组件5、骨盆支架组件6与背板组件7相连。小支腿2通过铆接固定在小腿托1上，小支腿2通过膝关节3与大支腿4连接，大支腿4上端与支腿组件5通过螺栓连接，支腿组件5上端与骨盆托组件6铰接，支腿组件5可绕髋关节旋转，骨盆托组件6与背板组件7通过螺栓固定连接。其中小支腿2和大支腿4起到支撑和连接作用，在坐姿时膝关节3和部分髋关节组件6打开，膝关节3和髋关节组件6屈曲，在站立或者行走时膝关节3和部分髋关节组件6锁紧，膝关节站立时依靠重力可自动锁定，站立到坐姿转换时手动解锁，膝关节锁采用与传统RGO、KAFO等无动力外骨骼相同的结构，膝关节3不能屈曲。

参考图2所示，无动力髋关节储能助行外骨骼站立状态的骨盆托组件6和支腿组件5实施例的轴测图。骨盆锁65与骨盆托614通过骨盆锁底板65C固定连接，无动力髋关节储能助行外骨骼站立状态使骨盆锁65将骨盆托614与转盘62锁定。中心轴67与人体大转子同轴，骨盆托组件6和支腿组件5绕中心轴67旋转。锁紧螺母67将端盖61固定于骨盆托组件6外侧，起封装作用，提高外骨骼使用安全性。初次使用时，用改锥透过端盖61上的螺杆调节孔616调节螺杆一610A和螺杆二610B，以使用者感受到通过骨盆和髋关节带动大支腿4摆动时有适度弹力为准，调节横向自适应螺杆51改变压簧52预紧力，遵循预紧力由大到小的原则，以使用者重心在冠状面左右侧转移过程中感受到适度弹力为准。行走状态，大支腿锁66解锁，外铰链支架63A绕铰链轴64轻微转动，将使用者重心转移过程中骨盆和髋关节在冠状面运动产生的能量储存在与横向自适应螺杆51相连接的压簧52中，在摆动期释放能量，提高摆动腿足部的离地间隙，降低行走时能量消耗。

参考图3所示，无动力髋关节储能助行外骨骼站立状态的骨盆托组件6内部结构实施例的轴测图。螺杆座一69A和螺杆座二69B分别***内铰链支架63B并通过螺丝固定，螺杆一610A***螺杆座一69A，螺杆二610B***螺杆座二69B，螺杆一610A下端与螺母座一612A栓接，螺杆二610B与螺母座二612B栓接，螺母座一612A和螺母座二612B未固定在内铰链支架63B上。扭簧一611A和扭簧二611B的一端分别固定于螺母座一612A和螺母座二612B，另一端同时固定于扭簧挡块613。行走状态，扭簧一611A和扭簧二611B绕中心轴68产生形变，储存使用者骨盆和髋关节伸展产生的能量，在屈曲运动时释放，实现无动力髋关节储能助行外骨骼矢状面能量储存与释放功能。如图7所示，支腿组件包括外铰链支架63A、内铰链支架63B，外铰链支架63A和内铰链支架63B通过铰链轴64连接，铰链轴64直接或通过螺钉固定在内铰链支架63B，外铰链支架63A套在铰链轴64上，外铰链支架63A、内铰链支架63B具有同轴的轴孔。上述外铰链支架63A绕铰链轴64轻微转动，实现上述无动力髋关节储能助行外骨骼冠状面能量储存与释放功能。

参考图4和图5所示，骨盆锁65包括骨盆锁扳手65A、骨盆锁轴65B和骨盆锁底板65C，当由站立状态转为坐姿状态，将骨盆锁扳手65A向上推，骨盆锁轴65B从转盘62和骨盆托614间定位孔615中脱出，骨盆锁65打开，转盘62与骨盆托614脱开，支腿组件5与骨盆托614可绕中心轴68自由转动，无动力髋关节储能助行外骨骼实现站立到坐姿转换。

参考图6所示的大支腿锁66，包括大支腿锁固定件662、大支腿锁位置转换件663、大支腿锁轴664、压簧661和手柄665，大支腿锁固定，662与外铰链支架63A通过螺纹固定连接，手柄665与大支腿锁轴664通过螺钉固定连接，大支腿锁位置转换件663通过螺钉与大支腿轴664固定连接，大支腿锁固定件662上设置有凹槽，大支腿锁位置转换件663设置有与凹槽匹配的凸起，当大支腿锁66锁定时，大支腿锁轴664穿过外铰链支架63A和转盘62将外铰链支架63A和转盘62固定，当大支腿锁66解锁时，大支腿锁轴664从转盘62上脱出，外铰链支架63A和转盘62分离。大支腿锁轴664上套有压簧661，大支腿锁解锁时，压簧661固定大支腿锁轴，防止其沿轴向移动，保持解锁状态。

参考图1，背板组件7包括板一71、板二72和板三73，板一71和板二72结构相同分别固定在左右骨盆托614上，板三73固定连接板一71和板二72。板一71、板二72的端部及板三73上有多排孔74，螺栓穿过板一71、板二72和板三73上的孔74固定连接板一、板二和板三。通过三块板上的孔，根据使用者的腰部宽度调整到合适位置。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (11)

1.一种无动力髋关节储能助行外骨骼，其特征在于，包括小腿托、小支腿、膝关节、大支腿、支腿组件、骨盆支架组件和背板组件，小支腿固定在小腿托上，小支腿通过膝关节与大支腿连接，大支腿上端与支腿组件连接，支腿组件上端与骨盆托组件铰接，骨盆托组件与背板组件固定连接，支腿组件上设置储能元件。

2.根据权利要求1所述的无动力髋关节储能助行外骨骼，其特征在于，支腿组件的储能元件为横向自适应螺杆和压簧，横向自适应螺杆螺接在支腿组件上，压簧设置在支腿组件与横向自适应螺杆之间并套在自适应螺杆上。

3.根据权利要求2所述的无动力髋关节储能助行外骨骼，其特征在于，支腿组件包括外铰链支架、内铰链支架，外铰链支架和内铰链支架通过铰链轴连接。

4.根据权利要求1所述的无动力髋关节储能助行外骨骼，其特征在于，骨盆托组件上设置储能元件，储能元件包括扭簧一和扭簧二，扭簧一和扭簧二一端固定在骨盆托组件上，外骨骼处于行走状态时，扭簧一和扭簧二绕骨盆托组件的中心产生形变。

5.根据权利要求4所述的无动力髋关节储能助行外骨骼，其特征在于，骨盆托组件包括转盘、中心轴、骨盆托、2个螺杆、2个螺杆座、2个螺母座，转盘套在中心轴上，中心轴固定在骨盆托上，骨盆托与背板组件固定；内铰链支架穿过中心轴，2个螺杆座分别固定在内铰链支架上，2个螺杆分别***上述螺杆座，螺杆下端分别与螺母座栓接，2个螺母座不与内铰链支架固定。

6.根据权利要求5所述的无动力髋关节储能助行外骨骼，其特征在于，转盘上固定一扭簧挡块，扭簧一和扭簧二一端固定在扭簧挡块上，另一端分别固定在2个螺母座上。

7.根据权利要求3所述的无动力髋关节储能助行外骨骼，其特征在于，外铰链支架与转盘通过大支腿锁连接，大支腿锁解锁时外铰链架与转盘可分别绕中心轴转动，大支腿锁锁定时外铰链支架与转盘锁定同时绕中心轴转动。

8.根据权利要求7所述的无动力髋关节储能助行外骨骼，其特征在于，大支腿锁包括大支腿锁固定件、大支腿锁轴、手柄和大支腿锁位置转换件，大支腿锁固定件与内铰链支架通过螺纹固定连接，手柄与大支腿锁轴固定连接，大支腿锁位置转换件与大支腿轴固定连接，大支腿锁固定件上设置有凹槽，大支腿锁位置转换件设置有与凹槽匹配的凸起。

9.根据权利要求7所述的无动力髋关节储能助行外骨骼，其特征在于，转盘与骨盆托通过骨盆锁连接，骨盆锁固定在骨盆托上，站立时骨盆锁将转盘和骨盆托固定，转盘不再转动；行走时，骨盆锁解锁，转盘与骨盆托分离，转盘可转动。

10.根据权利要求1所述的无动力髋关节储能助行外骨骼，其特征在于，骨盆锁包括骨盆锁扳手、骨盆锁轴、骨盆锁底板和骨盆锁外壳，骨盆锁扳手套在骨盆锁轴上，带动骨盆锁轴前后滑动，骨盆锁底板通过螺钉固定在骨盆托上，骨盆锁外壳固定在骨盆锁底板上。

11.根据权利要求1所述的无动力髋关节储能助行外骨骼，其特征在于，背板组件包括板一、板二和板三，板一和板二结构相同分别固定在左右骨盆托上，板三固定连接板一和板二，板一、板二的端部及板三上有多排孔，螺栓穿过板一、板二和板三上的孔固定连接板一、板二和板三。