一种无动力可穿戴式辅助行走助力机构的制作方法

本发明属于膝关节辅助器械和行走辅助装备领域，特别涉及一种无动力可穿戴式辅助行走助力机构。

背景技术：

步行是老年人日常生活自理能力的基础，它能改善老年人的健康水平。然而，随着年龄的增长，老年人的步行能力会逐渐下降，腿脚不便的老年人需要人的搀扶或者助行装置才能行走。另外，轻度中风患者也会造成下肢运动能力的部分失能，影响患者的行动能力。日常的可穿戴步行辅助可以帮助老年人和下肢部分失能患者改善运动机能，提高他们的自理能力和健康状况，并且对预防退行性改变具有重要的康复医学意义。以改善和提高运动能力下降的老年人和下肢部分失能的中风等脑疾病患者的行走能力为目标，要求行走助力机构体积小、重量轻，简单实用，舒适度高。

目前成熟的行走助力产品主要有：拐杖、助步架、无动力轮椅等。此类行走助力产品虽然能够起到帮助老年人或者下肢部分失能患者保持行动平衡或代步移动的作用，但由于其没有动力，需要借助上肢的力量，会使人感到行走费力。此外，外骨骼机器人也是目前行走助力研究的热点，但是其体积和重量较大，刚性机构惯性大，舒适性较差，目前尚未实际应用到老年人或者下肢部分失能患者的日常行走中。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述现有技术的缺陷，提供了一种无动力可穿戴式辅助行走助力机构。无动力可穿戴式辅助行走助力机构作用于下肢膝关节部位， 以人体自重为驱动力，不需要其他外部动力和能量输入。无动力可穿戴式辅助行走助力机构，利用人体自重作用于安装在左、右脚的驱动力形成组件，为作用于膝关节的助力执行组件提供驱动力，膝关节助力执行组件中的曲柄滑块与拉力弹簧储能相结合形成一对作用力与反作用，在人行走过程中按照步伐的节奏交替产生辅助膝关节弯曲和伸展的转矩，达到辅助下肢运动能力下降人群和下肢部分失能患者行走的目的，并且可以帮助下肢运动能力下降人群和下肢部分失能患者改善肌肉活力，提高他们的自理能力和健康状况。

为了实现上述目的本发明采取的技术方案是：

一种无动力可穿戴式辅助行走助力机构，包括：

膝关节助力执行组件，通过柔性固定带固定在左腿和右腿膝关节对应位置，在行走过程中为左腿和右腿膝关节提供辅助伸展和弯曲的转矩。

驱动力形成组件，是为左腿和右腿膝关节助力执行组件提供驱动力。

以及

鲍登绳，采用具有较强的弹性和韧性的65Mn材料，是驱动力形成组件与膝关节助力执行组件之间拉力传递的媒介。

鲍登绳套管，是鲍登绳的位移通道和保护套管。

柔性固定带，将膝关节助力执行组件在膝关节相应位置进行固定，主要起到位置和松紧可调节、柔性固定的功用。

优选地，所述柔性固定带采用柔韧性较好的自粘布和弹力带制成，通过铆钉固定在膝关节助力执行组件的大腿固定板、小腿固定板上。

优选地，驱动力形成组件包括固定支架、鲍登绳压板、复合基板、鲍登绳套管、鲍登绳、转轴、弹性固定带以及紧固件等。其中，固定支架为比刚度较 高的硬铝合金材料，主要起到支撑和固定的作用。固定支架通过螺钉紧固件固定在复合基板的上方，鲍登绳压板通过转轴安装在固定支架上，可以绕转轴在一定角度内转动。基于杠杆原理，作用于的鲍登绳压板的人体自重转化为对鲍登绳的拉力，为膝关节助力执行组件提供拉力作用。其中，弹性固定带，采用柔韧性较好的尼龙A材料制成，通过铆钉固定在驱动力形成组件的复合基板上。用户可以直接将驱动力形成组件穿在脚下，通过弹性固定带系紧固定。

优选地，所述膝关节助力执行组件包括大腿固定板、小腿固定板，鲍登绳固定套管、鲍登绳、连杆、滑块、导轨、弹簧、弹簧固定基座、鲍登绳固定件以及紧固件等组成。其中，小腿固定板、连杆、导轨和滑块构成曲柄滑块结构形式，小腿固定板和滑块通过连杆连接，形成两个转动副，鲍登绳的拉力和拉力弹簧拉力形成驱滑块在导轨做直线往复运动的一对作用力和反作用力，滑块的直线往复运动通过连杆转化为小腿固定板相对于大腿固定板在设计角度范围的转动，在行走过程中为小腿提供伸展和弯曲的辅助转矩。

优选地，根所述的小腿固定板相对于大腿固定板在设计角度范围，小腿固定板相对于大腿固定板在120°～180°内旋转。其中，120°为人在跨步过程中小腿和大腿之间通常所需的最小角度，即抬腿时膝关节最小角度；180°为正常人直立或者小腿绷直发力时膝关节所成的极限角度。所述转角范围可以根据用户的实际行走步态参数做相应调节，最小可达到30°，最大可达200°。

优选地，所述无动力可穿戴式辅助行走助力机构，其左脚穿戴的驱动力形成组件主要为左腿膝关节助力执行组件提供使膝关节伸展的驱动力，左腿膝关节助力执行组件中的拉力弹簧在左脚驱动力形成组件提供拉力时起到蓄能的作用，并在左脚驱动力形成组件无拉力作用时拉力弹簧的回复力为左腿膝关节助力执行组件提供使膝关节弯曲的驱动力。同样，右脚穿戴的驱动力形成组件主 要为右腿膝关节助力执行组件提供使膝关节伸展的驱动力，右腿膝关节助力执行组件中的拉力弹簧在右脚驱动力形成组件提供拉力时起到蓄能的作用，并在右脚驱动力形成组件无拉力作用时拉力弹簧的回复力为右左腿膝关节助力执行组件提供使膝关节弯曲的驱动力。

优选地，所述大腿固定板、小腿固定板采用高强度碳纤维材料制成，也可采用比刚度较高的镁铝合金金、硬铝合金等材料，起力的传导和支撑的作用。

优选地，所述装备适用于下肢运动能力下降人群，如老年人、轻度下肢失能的脑中风疾病患者，也适用于正常人群。

本发明优异的效果是：

1)相比现有技术，本发明无动力可穿戴式辅助行走助力机构，具有不需要外界动力和能量输入的特点：装备采用人的自重作为机构的驱动力，不需要电流、气泵等形式的外带能源，突破了目前一般行走助力机构，如外骨骼机器人对外带能源的依赖，直接减小了机构的体积和质量，使机构更加地便携。

2)相比现有技术，膝关节助力执行组件中的曲柄滑块和储能弹簧结合的形式，二者形成一对作用力和反作用力，二者在人迈步过程中相互补偿，形成提供膝关节转矩的闭合回路，机构惯性小，克服了一般腿部助力机构或者外骨骼机器人等刚性机构惯性大，容易造成人膝关节损伤，舒适性差等缺点，显著提高了装备的安全性和舒适性。

因此，本发明以人的自重为机构的驱动力，不需要其他外部动力和能量输入，体积小、重量轻、便携性好。另外,本发明机构惯性小，舒适性好，不仅可以达到辅助下肢运动能力下降人群和下肢部分失能患者行走的目的，并且可以帮助老年人和下肢部分失能患者改善肌肉活力，提高他们的自理能力和健康状况。

附图说明

图1是本发明所述机构主要组成图。

图2是本发明所述驱动力形成组件组成图。

图3是本发明所述驱动力形成组件不受力时状态图。

图4是本发明所述膝关节助力执行组件组成图。

图5是本发明所述膝关节柔性执行机构中扭力弹簧的安装图。

其中各附图标记含义如下：

1.驱动力形成组件；2.膝关节助力执行组件；3.柔性固定带；4.鲍登绳及其套管。

101.固定支架；102.鲍登绳压板；103.复合基板；104.鲍登绳套管；105.鲍登绳；106.转轴；107.弹性固定带；108.紧固件

201.大腿固定板；202.小腿固定板；203.外罩；204.转轴；205.导轨；206.滑块；207.弹簧固定基座；208.拉力弹簧；209.鲍登绳固定件；210.连杆；211.鲍登绳套管固定基座；212.紧固件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施案例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。

如图1所示，一种无动力可穿戴式辅助行走助力机构,以人体自重为驱动力，不需要其他外部动力和能量输入。所述机构主要由驱动力形成组件1、膝关节助力执行组件2、柔性固定带3、鲍登绳及其套管4等组成。驱动力形成组件1分 别紧固在左、右脚下，膝关节助力执行组件2通过柔性固定带3在大腿、小腿以及膝关节相应位置进行固定，左脚下的驱动力形成组件1与左腿的膝关节助力执行组件2之间通过鲍登绳传递拉力；同样，右脚下的驱动力形成组件1与右腿的膝关节助力执行组件2之间通过鲍登绳及其套管4中的鲍登绳传递拉力。在行走过程中，无动力可穿戴式辅助行走助力机构利用人体自重，左、右脚交替踩压脚下的驱动力形成组件1，为作用于膝关节助力执行组件2提供驱动力(拉力)，产生辅助膝关节弯曲、伸展的转矩，实现跨步过程中的行走助力。

图2和图3为驱动力形成组件1的组成图，也是驱动力形成组件1的两种极限状态，其中图2为驱动力形成组件1不受力情况下的状态，即人在跨步过程中抬脚离地时的状态；而图3为驱动力形成组件1受力情况下的状态，即人在跨步过程中脚踩驱动力形成组件1时的状态。驱动力形成组件1主要由固定支架101、鲍登绳压板102、复合基板103、鲍登绳套管104、鲍登绳105、转轴106、弹性固定带107、紧固件108等零部件组成。其中，复合基板103由高强度碳纤维材料制成，底面有防滑条纹，起到防滑的功能。固定支架101为比刚度较高的硬铝合金材料，主要起到支撑和固定的作用。固定支架101通过螺钉紧固件108固定在复合基板103凹槽内，鲍登绳压板102通过转轴106安装在固定支架101上，可以绕转轴106在设计角度内转动。

鲍登绳套管104一端固定在驱动力形成组件1固定支架101的限位孔中，另一端固定在膝关节助力执行组件2中的鲍登绳套管固定基座211上。鲍登绳105通过鲍登绳套管104一端固定在鲍登绳压板102的卡口上，另一端通过鲍登绳固定件209固定在膝关节助力执行组件2的滑块206上。此外，弹性固定带107由柔韧性较好的尼龙A材料制成，通过铆钉固定在复合基板103上，用于所述无动力可穿戴式辅助行走助力机构使用时固定鞋与驱动力形成组件1。在人行 走过程中，当脚着地时，驱动力形成组件1接触地面，即图2的状态，鲍登绳压板102受力绕固定支架101上的转轴106转动，鲍登绳压板102的转矩转化为鲍登绳105的拉力，为膝关节助力执行组件2提供拉力。当脚抬起时，驱动力形成组件1离开地面，鲍登绳压板不受人体自重作用，即图3状态，受膝关节助力执行组件2中拉力弹簧208的拉力作用鲍登绳105被逐渐拉回到鲍登绳套管104中，鲍登绳压板102绕固定支架101上的转轴106反向转动在固定支架101的限位台处达到极限位置，此时鲍登绳压板102又达到力平衡状态。

图4为膝关节助力执行组件2外形图，图5膝关节助力执行组件主要零部件组成及内部安装关系。如图2-3所示，所述膝关节助力执行组件2主要由大腿固定板201、小腿固定板202、外罩203、转轴204、导轨205、滑块206、弹簧固定基座207、拉力弹簧208、鲍登绳固定件209、连杆210、鲍登绳套管固定基座211以及紧固件212等组成。膝关节助力执行组件2通过柔性固定带3在大腿、小腿以及膝关节相应位置进行固定。其中，大腿固定板201、小腿固定板202采用高强度碳纤维材料制成，起力的传导和支撑的作用。柔性固定带3用柔韧性较好的尼龙A材料，通过铆钉固定在膝关节助力执行组件的大腿固定板201、小腿固定板202上。小腿固定板202安装在大腿固定板201的转轴204上，可以绕转轴204在120°～180°内旋转。其中，120°为人在跨步过程中小腿和大腿之间通常所需的最小角度，即抬腿时膝关节最小角度；180°为正常人直立或者小腿绷直发力时膝关节所成的极限角度。所述膝关节助力执行组件2的小腿固定板202与大腿固定板201所能达到的转角范围可以根据用户的实际行走步态参数做相应调节，最小可达到30°，最大可达200°。

如图5所示，导轨205和弹簧固定基座207通过紧固件固定在大腿固定板201上，滑块206安装在导轨205上，可以在导轨额定行程内滑动。鲍登绳105 通过鲍登绳套管104固定在鲍登绳套管固定基座211上，鲍登绳套管固定基座211同时具有对小腿固定板202的限位功能。鲍登绳固定件209通过紧固件212固定在滑块206上，鲍登绳105一端固定在鲍登绳固定件209上，作为滑块206在导轨205做往复直线运动的主要拉力源。拉力弹簧208一端安装于滑块206上，另一端固定于弹簧固定基座207上，小腿固定板202和滑块206通过连杆210连接，形成两个转动副，这样鲍登绳105的拉力和拉力弹簧208的拉力形成驱滑块206在导轨205做直线往复运动的一对作用力和反作用力，最终滑块206的直线往复运动通过连杆210转化为小腿固定板202相对于大腿固定板201的转动，为小腿提供伸展和弯曲的辅助转矩。

下文以在人行走过程中，右腿首先跨步为例对装备进行做具体实施介绍。人由双脚站立状态迈步，当右腿开始抬起，右脚穿戴的驱动力形成组件1的鲍登绳压板102不受人自重作用，由于鲍登绳105一端作用力突然消失，右腿膝关节助力执行组件2上的拉力弹簧208由于平衡力消失，开始收缩，带动膝关节助力执行组件2的滑块206向拉力弹簧208固定端的弹簧固定基座207方向做直线运动，滑块206的直线运动通过连杆210转化为膝关节助力执行组件2小腿固定板202顺时针的转动，即为右腿小腿提供弯曲的转矩，辅助右腿跨步。当右脚着地时，右脚踩压的脚下的驱动力形成组件1的鲍登绳压板102，鲍登绳105受鲍登绳压板102作用力，进而带动右腿膝关节助力执行组件1的滑块206沿导轨向转轴204方向作直线运动，滑块206的直线运动通过连杆210转化成小腿固定板202绕转轴逆时针的转动为小腿提供伸展的转矩，直到小腿固定板达到大腿固定板的鲍登绳套管固定基座211这个限位位置，右腿绷直。

随后，左脚迈步，同样左脚驱动力形成组件1的鲍登绳压板102不受人自重作用，由于鲍登绳105一端作用力突然消失，左腿膝关节助力执行组件2上 的拉力弹簧208由于平衡力消失，开始收缩，带动膝关节助力执行组件2的滑块206向固定端的弹簧固定基座207方向做直线运动，滑块206的直线运动通过连杆210转化为膝关节助力执行组件2上的小腿固定板202逆时针的转动，即为左腿小腿提供弯曲的转矩，辅助左腿跨步。随后左脚着地，左脚踩压的脚下的驱动力形成组件1的鲍登绳压板102，鲍登绳105受鲍登绳压板102作用力，进而带动左腿膝关节助力执行组件2的滑块206沿导轨向转轴204作直线运动，滑块206的直线运动通过连杆210转化成小腿固定板202绕转轴204逆时针的转动，为小腿提供伸展的转矩，直到小腿固定板202达到大腿固定板201的鲍登绳套管固定基座211这个限位位置，左腿绷直，随后右腿开始跨步，开始下一个跨步周期。

以上即为人在一个跨步周期过程中，无动力可穿戴式辅助行走助力机构的作用机理。本发明不仅可以具有辅助下肢运动能力下降人群和下肢部分失能患者行走的功能，并且可以帮助下肢运动能力下降人群和下肢部分失能患者改善肌肉活力，提高他们的自理能力和健康状况。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。