下肢骨关节病患者穿戴式助行器的制造方法
【专利摘要】下肢骨关节病患者穿戴式助行器由支撑机构及关节铰链转动助力系统组成，其中支撑机构包括依次连接的上身支撑件、大腿支持机构、小腿支持机构、脚部支持机构及关节铰链转动扭簧控制系统。关节铰链转动助力系统包括双层支撑鞋底和腿部滑轮-钢丝绳系统。支撑机构可分担关节受力，而关节铰链转动助力系统辅助自身肌肉带动关节转动，把脚踏地面的力转化为膝、髋部纵向运动所需力矩。针对骨关节病患者特点进行设计，穿戴于人体，成本低、简单轻便，患者活动自由。利用下肢骨关节病患者穿戴式助行器分担原本由下肢关节所承受的大部分人体重量、缓解疼痛的同时，还可以锻练肌肉，防止长期缺少运动导致的肌肉萎缩。
【专利说明】下肢骨关节病患者穿戴式助行器
【技术领域】
[0001]本发明涉及下肢骨关节病患者穿戴式助行器。
【背景技术】
[0002]下肢骨关节病患者由于关节软骨病变，在行走中关节受力会导致疼痛及病情加重，膝关节病患者的关节长期不对称磨损还将导致X型腿及O型腿。虽然很多国家都在研制穿戴式外骨骼，并关注智能控制，但都技术过于复杂、成本过高，难以推广，国际上还没有使用方便、人类智能控制的理想的穿戴式外骨骼。目前，国内外下肢骨关节病患者使用的仍为手推式助行器或各类拐杖，不仅分担的载荷较小难以达到理想的效果，而且由于上肢长期受力过大可能导致新的病变。
【发明内容】
[0003]临床观察表明，多数骨关节病人虽然关节软骨病变，但控制关节活动的肌肉组织工作正常。下肢骨关节病患者穿戴式助行器是针对骨关节病人特点进行设计，直接穿戴于人体，仅釆用机械装置分担关节受力，而关节的转动仍靠自身肌肉带动。这种设计思路与通常外骨骼的设计思路不同，最主要的目的不是省力，而是减少关节负担。下肢骨关节病患者穿戴式助行器釆用杆、铰链、扭簧及紧固带等组成支撑机构，辅之以关节铰链转动助力系统。支撑机构可分担关节受力，而钢丝绳及滑轮等组成的关节铰链转动助力系统辅助自身肌肉带动关节转动，把脚踏地面的力转化为膝、髋部纵向运动所需力矩。可分担原本由下肢关节所承受人体重量的50%以上，从而在一定程度上达到消除或减轻疼痛、缓解病情及防止X型腿及O型腿的作用。患者长期缺少运动会导致肌肉萎缩，加重骨关节病。利用下肢骨关节病患者穿戴式助行器分担原本由下肢关节所承受的大部分人体重量、缓解患者疼痛的同时，还可以锻炼肌肉，防止肌肉萎缩，可谓一举两得。老年人往往伴有骨质疏松，要尽量使各部位分担载荷，所以本设计方案通过腋下、臀下、紧固带等多部位支撑，载荷分布较为均匀，也较为舒适。患者根据自身具体情况，可以双侧或单侧使用本助行器；可以选择同时使用腋下支撑件和臀部弹性软座，也可以只选其一；可以选择是否安装关节铰链转动助力系统。总之，本发明思路独特、针对性强，具有简单轻便、成本较低、自由度高的特点。
[0004]下肢骨关节病患者穿戴式助行器包括支撑机构及关节铰链转动助力系统，其中支撑机构由依次连接的上身支撑件、大腿支持机构、小腿支持机构、脚部支持机构及关节铰链转动扭簧控制系统各部分组成。上身支撑件包括腋下支架及夹于腋下的软垫，侧腰支架、腰部紧固带及臀部弹性软座。大腿支持机构包括大腿支撑杆、两个方向髋部铰链及与大腿支撑杆连接的弹性紧固带，髋部关节铰链转动的主要方向分别对应大腿向身体外侧、前方向的转动，通过铰链一侧凸起限制反方向转动角度。大腿支撑杆一边通过髋部铰链与髋部支架相连，另一边与膝部铰链相连。小腿支持机构包括带长度精确调节器的小腿支撑杆、膝部单向铰链及与小腿支撑杆连接的弹性紧固带。膝部铰链的弯曲方向与人体关节一样仅可以单方向转动，通过铰链一侧凸起限制其只能单方向转动。小腿支撑杆一边通过膝部单向铰链与大腿支撑杆相连，另一边通过踝部铰链连接脚部支持机构。脚部支持结构包括含单向踝部铰链的踝部支撑杆、支撑鞋底及绑带，踝部支撑杆一侧通过踝部铰链与小腿支撑杆相连，另一侧与支撑鞋底牢固连接。踝部铰链弯曲方向对应脚背绷直，通过铰链一侧凸起限制反方向转动角度，用绑带将鞋底与鞋固定。长度精确调节器的原理是:与长度精确调节器螺母连接的两侧杆之螺纹方向相反，所以朝一个方向旋转长度精确调节器可使杆总长度增长，而反向旋转则使杆缩短。连接在支撑杆上的紧固带与腿部绑定时需要尽量保证支撑杆与腿部的连接效果，可以用高弹性护腿或绑带，也可以用特制紧身裤。
[0005]关节铰链转动扭簧控制系统包括对膝部关节转动进行控制的扭簧、对髋部关节横、纵方向转动进行控制的扭簧、对踝部关节转动进行控制的扭簧。膝部关节铰链与人体关节一样仅可以单方向转动，采用扭簧对转动进行控制。髋部关节铰链转动方向分别对应大腿向身体侧向、前后向的转动，分别采用扭簧控制转动。还有对踝部关节铰链转动进行控制的扭簧。扭簧都带有锁扣，扣上则扭簧处于工作状态，松开关节自由活动。患者直立时扭簧处于变形、受力很小的状态，走路或上楼梯时，抬腿扭簧蓄力，腿受力伸直过程中扭簧可提供力偶，在紧固带的共同作用下，使助行器有适当刚度，以实现分担载荷的效果。扭簧刚度应根据体重合理选择。此外，患者坐下时需要将扭簧松开，以便关节铰链自由弯曲。这种设计简单可靠，可以起到锻炼肌肉的效果，但做腿部弯曲角度较大的动作会感到比较费力。
[0006]关节铰链转动助力系统是采用钢丝绳及滑轮系统把脚踏地面的力转化为膝、髋部纵向运动所需力矩。鉴于日常活动中髋部关节铰链横向转动及踝部转动角度较小，仍采用扭簧控制转动即可，关节铰链转动助力系统主要帮助髋部关节铰链纵向转动及膝部关节铰链转动，因此可以松开这两处的扭簧，或使用刚度较小的扭簧。关节铰链转动助力系统包括双层支撑鞋底和腿部滑轮-钢丝绳系统。
[0007]腿部滑轮-钢丝绳系统包括腿部钢丝绳、髋部关节纵向关节铰链部位突起处的滑轮、膝部关节铰链部位突起处的滑轮与钢丝绳长度调节器。腿部钢丝绳穿过中空的踝部支撑杆、小腿支撑杆及大腿支撑杆，绕过髋部关节铰链处突出部位上的滑轮与膝部关节铰链处突出部位上的滑轮，最后通过钢丝绳长度调节器与侧腰支架相连。钢丝绳长度调节器一端与侧腰支撑件通过螺纹连接，另一端与腿部钢丝绳连接，通过旋转带动钢丝绳升降达到微调钢丝绳长度的目的。当腿部钢丝绳拉紧，弯曲的钢丝绳造成的挤压力可产生使腿伸直的力。
[0008]双层支撑鞋底由脚前半部分的鞋底、后半部分支撑板、二力杆件、铰链、鞋内钢丝绳、轮子、轮轴、滑轮、弹簧及限位器组成。上部铰链固定在支撑板上，下部轮子可沿鞋底运动，鞋内钢丝绳绕在轮轴上。轮轴的活动范围被限位装置所限制。脚下受力时，鞋跟高度变小，轮轴间距加大，鞋内钢丝绳拉紧，而脚下不受力时，由于弹簧的作用，鞋跟高度恢复。鞋内钢丝绳绕在轮轴上的圈数多则钢丝绳的拉力较小，助力效果小，圈数少则钢丝绳的拉力大，助力效果大，但鞋底高度随腿部屈伸变化稍大，可依患者实际情况选择。后半部分支撑板内层采用金属片加固，不易变形，便于传力，而鞋底后半部分支撑板外层及鞋底前半部分都采用橡胶材料，受力时会适当变形，同时穿着也较为舒适。踝部支撑杆一端与支撑板牢固连接，另一端与小腿支撑杆通过踝部单向铰链加扭簧连接。鞋内钢丝绳绕在轮轴上，并通过滑轮变换方向后穿过中空的踝部支撑杆与腿部钢丝绳相连。
[0009]鞋底受力时，鞋跟高度变小，轮轴间距加大，钢丝绳拉紧产生的挤压力带动膝部与髋部关节铰链转动，使腿伸直，而鞋底不受力时，由于弹簧的作用，鞋跟高度恢复。这种设计的优点就是省力，脚下受力时钢丝绳拉紧可提供腿伸直的力偶，使助行器有适当刚度，而坐下后只要令脚跟不受力，腿的弯曲程度对应钢丝绳所需长度有少许变化，仅使鞋跟高度有少许变化，对关节活动影响不大。
[0010]下肢骨关节病患者穿戴式助行器采用模块式设计理念，可视病情自由组合。既可以双侧使用，也可以单侧使用。可以选择是否装关节铰链转动助力系统，例如，难以适应穿着厚底鞋、肌肉力量较好的患者就可以不装。可以选择是否安装臀部软座或腋下支撑件等。
[0011]
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为下肢骨关节病患者穿戴式助行器支撑机构示意图。图2为下肢骨关节病患者穿戴式助行器关节铰链转动助力系统示意图。图3为双层支撑鞋底示意图。
[0013]
【具体实施方式】
[0014]下肢骨关节病患者穿戴式助行器包括支撑机构及关节铰链转动助力系统，其中支撑机构由依次连接的上身支撑件、大腿支持机构、小腿支持机构、脚部支持机构及关节铰链转动扭簧控制系统各部分组成(图1)。上身支撑件包括带长度精确调节器2的支架3及夹于腋下的软垫1，侧腰支架4、腰部紧固带5及臀部弹性软座6。大腿支持机构包括带长度精确调节器11的大腿支撑杆12、两个方向的髋部铰链7、9及与大腿支撑杆连接的弹性紧固带，髋部关节铰链7与9转动的主要方向分别对应大腿向身体外侧、前方向的转动，通过铰链一侧凸起限制反方向转动角度。大腿支撑杆12 —边通过双向髋部铰链7、9与髋部支架4相连，另一边与膝部铰链13相连。小腿支持机构包括带长度精确调节器16的小腿支撑杆15、膝部单向铰链13及与小腿支撑杆连接的弹性紧固带。膝部铰链13的弯曲方向与人体关节一样仅可以单方向转动，通过铰链一侧凸起限制其只能单方向转动。小腿支撑杆15一边通过膝部单向铰链13与大腿支撑杆12相连，另一边通过踝部铰链18连接脚部支持机构。脚部支持结构包括含单向踝部铰链18的踝部支撑杆20、支撑鞋底17及绑带，踝部支撑杆20 —侧通过踝部铰链18与小腿支撑杆相连，另一侧与支撑鞋底17牢固连接。踝部铰链18弯曲方向对应脚背绷直，通过铰链一侧凸起限制反方向转动角度，用绑带将鞋底17与鞋固定。长度精确调节器2、11、16的原理是:与长度精确调节器螺母连接的两侧杆之螺纹方向相反，所以朝一个方向旋转长度精确调节器可使杆总长度增长，而反向旋转则使杆缩短。连接在支撑杆上的紧固带与腿部绑定时需要尽量保证支撑杆与腿部的连接效果，可以用高弹性护腿或绑带，也可以用特制紧身裤。
[0015]关节铰链转动扭簧控制系统包括对膝部关节转动进行控制的扭簧14、对髋部关节横、纵方向转动进行控制的扭簧8与10、对踝部关节转动进行控制的扭簧19。膝部关节铰链与人体关节一样仅可以单方向转动，采用扭簧14对转动进行控制。髋部关节铰链7与9转动方向分别对应大腿向身体侧向、前后向的转动，分别采用扭簧8与10控制转动。还有对踝部关节铰链18转动进行控制的扭簧19。扭簧都带有锁扣，扣上则扭簧处于工作状态，松开关节自由活动。患者直立时扭簧处于变形、受力很小的状态，走路或上楼梯时，抬腿扭簧10、14蓄力，腿受力伸直过程中扭簧可提供力偶，在紧固带的共同作用下，使助行器有适当刚度，以实现分担载荷的效果。患者作下蹲动作(例如下楼梯或如厕)时，脚下受力，膝盖与胯部会自然弯曲，扭簧10、14帮助肌肉对弯曲程度进行控制。在大腿向身体侧方转动时扭簧8蓄力，而踝部关节铰链18转运动时踝部扭簧19也会蓄力，但一般性的活动中这些扭簧变形较小。扭簧刚度应根据体重合理选择。此外，患者坐下时需要将扭簧松开，以便关节铰链自由弯曲。这种设计简单可靠，可以起到锻炼肌肉的效果，但做腿部弯曲角度较大的动作会感到比较费力。
[0016]关节铰链转动助力系统是采用钢丝绳及滑轮系统把脚踏地面的力转化为膝、髋部纵向运动所需力矩(图2)。鉴于日常活动中髋部关节铰链横向转动及踝部转动角度较小，仍采用扭簧8、19控制转动即可，关节铰链转动助力系统主要帮助髋部关节铰链纵向转动及膝部关节铰链转动，因此可以松开扭簧10、14，或使用刚度较小的扭簧10、14。关节铰链转动助力系统包括双层支撑鞋底23和腿部滑轮-钢丝绳系统。
[0017]腿部滑轮-钢丝绳系统(图2)包括腿部钢丝绳25、髋部关节纵向关节铰链部位突起处的滑轮21、膝部关节铰链部位突起处的滑轮22与钢丝绳长度调节器24。腿部钢丝绳25穿过中空的踝部支撑杆20、小腿支撑杆15及大腿支撑杆12，绕过髋部关节铰链处突出部位上的滑轮21与膝部关节铰链处突出部位上的滑轮22，最后通过钢丝绳长度调节器24与侧腰支架相连。钢丝绳长度调节器24 —端与侧腰支撑件通过螺纹连接，另一端与腿部钢丝绳连接，通过旋转带动钢丝绳升降达到微调钢丝绳长度的目的。当腿部钢丝绳拉紧，弯曲的钢丝绳造成的挤压力可产生使腿伸直的力。
[0018]双层支撑鞋底(图3)由脚前半部分的鞋底40、后半部分支撑板30与32、二力杆件38与39、铰链35、鞋内钢丝绳29、轮子26与27、轮轴28与34、滑轮36与37、弹簧33及限位器31组成。上部铰链35固定在支撑板30上，下部轮子26、27可沿鞋底运动，鞋内钢丝绳29绕在轮轴28、34上。轮轴的活动范围被限位装置31所限制。脚下受力时，鞋跟高度变小，轮轴间距加大，鞋内钢丝绳拉紧，而脚下不受力时，由于弹簧33的作用，鞋跟高度恢复。鞋内钢丝绳29绕在轮轴28、34上的圈数多则钢丝绳的拉力较小，助力效果小，圈数少则钢丝绳的拉力大，助力效果大，但鞋底高度随腿部屈伸变化稍大，可依患者实际情况选择。后半部分支撑板30、32内层采用金属片加固，不易变形，便于传力，而鞋底后半部分支撑板30、32外层及鞋底前半部分40都采用橡胶材料，受力时会适当变形，同时穿着也较为舒适。踝部支撑杆20 —端与支撑板30牢固连接，另一端与小腿支撑杆通过踝部单向铰链加扭簧连接。鞋内钢丝绳29绕在轮轴28、34上，并通过滑轮36、37变换方向后穿过中空的踝部支撑杆20与腿部钢丝绳25相连。
[0019]鞋底受力时，鞋跟高度变小，轮轴间距加大，钢丝绳拉紧产生的挤压力带动膝部与髋部关节铰链转动，使腿伸直，而鞋底不受力时，由于弹簧33的作用，鞋跟高度恢复。这种设计的优点就是省力，脚下受力时钢丝绳拉紧可提供腿伸直的力偶，使助行器有适当刚度，而坐下后只要令脚跟不受力，腿的弯曲程度对应钢丝绳所需长度有少许变化，仅使鞋跟高度有少许变化，对关节活动影响不大。
[0020]下肢骨关节病患者穿戴式助行器采用模块式设计理念，可视病情自由组合。既可以双侧使用，也可以单侧使用。可以选择是否装关节铰链转动助力系统，例如，难以适应穿着厚底鞋、肌肉力量较好的患者就可以不装。可以选择是否安装臀部软座或腋下支撑件等。
[0021]使用时，老年骨关节病患者将穿戴式助行器侧腰支架4紧贴侧腰，将腰部用紧固带5固定，将臀部软座6由胯下穿过并固定于支架4，调紧固带以及臀部软座至长度合适，旋转腋下支撑件长度精确调节器2至长度合适。若只用单侧助行器，可以不连臀部软座。用绑带将鞋底17与鞋固定，将大腿支撑杆12、小腿支撑杆15分别与大腿、小腿用紧固带固定在一起，注意腿伸直时膝部铰链上下支撑杆要在一条直线上，另外紧固带不要过紧，以免影响血液循环。分别旋转长度精确调节器11、16调节大腿支撑杆、小腿支撑杆的长度，越长则助行器承担的身体重量百分比越大，调到感到舒适的长度即可。采用关节铰链转动扭簧控制系统，只需直立位连上转角扭簧8、10、14、19即可。将各处扭簧脱开，关节铰链自由活动，即可坐下。对于关节铰链转动助力系统，可逐一在脚跟不受力情况下尽量伸直腿部，调节钢丝绳与侧腰支架相连处的钢丝绳长度调节器24至松紧合适。
【权利要求】
1.下肢骨关节病患者穿戴式助行器，其特征是包括支撑机构及关节铰链转动助力系统，其中支撑机构由依次连接的上身支撑件、大腿支持机构、小腿支持机构、脚部支持机构及关节铰链转动扭簧控制系统各部分组成；上身支撑件包括腋下支架(3)、夹于腋下的软垫(I)、侧腰支架(4)、腰部紧固带(5)及臀部弹性软座(6);大腿支持机构包括两个方向的髋部单向铰链(7)与(9)、大腿支撑杆(12)及与大腿支撑杆连接的弹性紧固带，通过髋部单向铰链(7)与(9)与侧腰支架(4)相连；小腿支持机构包括膝部单向铰链(13)、小腿支撑杆(15)及与小腿支撑杆连接的弹性紧固带，通过膝部单向铰链(13)与大腿支持机构相连；脚部支持结构包括含单向踝部铰链(18)的踝部支撑杆(20)、支撑鞋底(17)及绑带，踝部支撑杆(20)—侧通过踝部铰链(18)与小腿支撑杆相连，另一侧与支撑鞋底(17)牢固连接；关节铰链转动扭簧控制系统包括对膝部关节转动进行控制的扭簧(14)、对髋部关节横、纵方向转动进行控制的扭簧(8)与(10)、对踝部关节转动进行控制的扭簧(19);关节铰链转动助力系统包括鞋底的双层支撑机构(23)和腿部的滑轮-钢丝绳系统；腿部滑轮-钢丝绳系统包括腿部钢丝绳(25)、髋部关节纵向铰链处突出部位上的滑轮(21)、膝部关节铰链处突出部位上的滑轮(22)与钢丝绳长度调节器(24)，腿部钢丝绳(25)—侧穿过中空的大腿支撑杆及小腿支撑杆，绕过膝部与髋部关节铰链处突出部位上的滑轮与侧腰支撑件相连，另一侧与鞋内钢丝绳(29)相连；鞋底的双层支撑机构(23)由脚前半部分的鞋底(40)、脚后半部分中内层采用金属片加固的支撑板(30)与(32)、二力杆件(38)与(39)、固定在支撑板(30)上的铰链(35)、轮轴(28)与(34)、鞋内钢丝绳(29)、可沿鞋底运动的轮子(26)与(27)，滑轮(36)与(37)、弹簧(33)、及限位器(31)组成。
2.根据权利要求1所述的下肢骨关节病患者穿戴式助行器，其特征是上身支撑件腋下支架带长度精确调节器(2 )，腰部紧固带(5 )及臀部弹性软座(6 )长度也可调。
3.根据权利要求1所述的下肢骨关节病患者穿戴式助行器，其特征是大腿支持机构髋部关节铰链(7)与(9)转动主要方向分别对应大腿向身体外侧、前方向的转动，通过铰链一侧凸起限制反方向转动角度，大腿支撑杆(12)带长度精确调节器(11)。
4.根据权利要求1所述的下肢骨关节病患者穿戴式助行器，其特征是小腿支持机构膝部铰链(14)的单方向弯曲对应膝盖向前弯，通过铰链一侧凸起限制其只能单方向转动，小腿支撑杆(15)带长度精确调节器(16 )。
5.根据权利要求2至4所述的下肢骨关节病患者穿戴式助行器，其特征是长度精确调节器包括螺母与两侧带有方向相反外螺纹的杆，通过旋转螺母精调长度。
6.根据权利要求1所述的下肢骨关节病患者穿戴式助行器，其特征是脚部支持机构单向踝部铰链(18)主要弯曲方向对应小腿与脚背绷直，通过铰链一侧凸起限制反方向转动角度，绑带可将鞋底与鞋固定。
7.根据权利要求1所述的下肢骨关节病患者穿戴式助行器，其特征是关节铰链转动扭簧控制系统中的扭簧带有锁扣，扣上则扭簧处于工作状态，松开关节自由活动，直立时扭簧处于不受力状态。
8.根据权利要求1所述的下肢骨关节病患者穿戴式助行器，其特征是腿部滑轮-钢丝绳系统中髋部关节滑轮(21)、膝部关节滑轮(22)安装在关节铰链部位的突起处，弯曲的钢丝绳造成的挤压力可产生使腿伸直的力，起到助力作用；钢丝绳长度调节器(24) —端与侧腰支撑件通过螺纹连接，另一端与腿部钢丝绳连接，通过旋转带动钢丝绳升降达到微调钢丝绳长度的目的。
9.根据权利要求1所述的下肢骨关节病患者穿戴式助行器，其特征是鞋内钢丝绳(29)绕在轮轴(28、34 )上，并通过滑轮(36、37 )变换方向后穿过中空的踝部支撑杆(20 )与腿部钢丝绳(25)相连，而支撑板(30)与踝部支撑杆(20)下端牢固连接，把脚踏地面的力转化为钢丝绳的拉力。
【文档编号】A61F2/60GK204147143SQ201420462233
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年8月17日 优先权日:2014年8月17日
【发明者】张楷颖 申请人:张楷颖