专利名称：下肢高位截瘫者用电动步行机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种下肢高位截瘫者用电动步行机，属康复机械领域。
目前，有一种下肢高位截瘫病人用的行走支架，见美国专利4，557，257。这种行走支架的动力是压缩空气，由腰身固持器、大腿固持器和膝关节固持器等组成，髋关节由汽缸驱动。使用时，患者利用支架承受体重，手扶小车以保持身体平衡，汽源放于小车上，由患者控制，驱动左右髋关节汽缸，达到行走的目的。这种行走支架的缺点是患者行走时膝关节僵直，整个腿的活动度有限，因此被动训练效果差，不利于患者康复。而且走起来不够平稳，美观，又因为与小车在一起，行走范围就受到限制。整个系统的造价也较昂贵。
本发明的目的是设计一种新的步行机，以电力为能源，整个步行机设计为一体，使患者身着步行机后能够借助手杖站立并行走，扩大行走活动的范围。双腿的髋、膝关节具有较大的活动度，使患者行走时受到被动训练，促进肌肉活动和血液循环，有利于患者康复。步行机的行走步态类似于健康人的小步行走，既平稳又美观，有利于患者心理的康复。在非行走状态时，步行机的髋、膝关节可以解脱为自由铰链，以适应患者的各种坐卧姿势。
本发明的内容是整个步行机由能源部分、支承部分、机械动力和运动机构部分以及控制部分组成。以高能蓄电池组为能源，支承部分分为身体支承、大腿支承、小腿支承和脚的支承，机械动力和运动机构部分为电动机、减速器、髋关节四杆运动机构，膝关节一级四杆机构，膝关节齿轮换向机构、膝关节驱动机构、髋关节释放机构以及膝关节释放机构。控制部分为角位移传感器、控制器以及控制钮。患者身体的左、右和腿的内、外侧分别装有左右相对称的运动机构，图中只画出了患者左腿外侧和右腿内侧的步行机部分。
图1步行机的总体结构图。
图2步行机支撑系统示意图。
图3步行机运动机构示意图。
图4关节释放机构顶视图。
图5关节释放机构侧视图。
图6关节释放机构的释放状态示意图。
图7控制系统逻辑图。
下面结合附图，详细介绍本发明内容。
图1是步行电动机的总体结构图。图中，1是身体支承，2是大腿支承，3是控制钮，4是小腿支撑，5是脚支撑，6是手杖，7是控制器，8是高能蓄电池组，9是髋关节四杆机构，10是髋关节释放机构，11是减速器，12是膝关节一级四杆机构，13是膝关节齿轮换向变速机构，14是电动机，15是角位移传感器，16是膝关节释放机构，17是膝关节二级四杆机构。
本发明的工作原理及工作过程将结合附图描述如下各部作用及相互关系支承系统参见图2上身支承部分胸紧固带24，腰紧固带28，臀紧固带31是用弹性板带制成的，它们用铆钉与按患者体形制作的腰身接受腔25铆接在一起。利用紧固带端部的锁扣23、26、30可以将接受腔25与患者的上身相对固定。由于接受腔25在腰部是收腰的，因而它可以接受患者上身的大部分重力。在腰身接受腔25的下部还有一对吊带29，它们分别从患者的左右大腿根部绕过，另一端固定在接受腔25的壁板上。吊带29承受另一部分患者的上身体重，并将这部分重力传到接受腔25上。与接受腔25铆接的横带24、28、31又与接受腔25一起与左右两侧的身体支承杆27铆接，从而将患者上身的体重通过上身支承杆27传递到左右的髋关节32上。髋关节32是用滚动轴承与大腿支承杆33铰接的，因而在允许相对转动的前提下将上身的重力传递到大腿支承杆33上。
大腿支承部分按患者腿形制作的大腿接受腔35与弹性金属板制的大腿紧固带34铆接在一起，利用尼龙搭扣可以将大腿接受腔35与紧固带34一起抱紧在患者的大腿上。接受腔35和紧固带34又在两侧分别与大腿支承杆33及付支承杆36铆接，这样接受腔35起到将大腿支承杆33和付支承杆36与患者大腿相对固定，并接受大腿的重力的作用。支承杆33和付支承杆36分别通过主膝关节铰链38和付膝关节铰链37与小腿主、付支承杆18和40铰连，在允许转动的前提下，可以将大腿支承杆33、36上的重力传递到小腿支承杆18和40上。
小腿支承部分按患者腿形制作的小腿接受腔19与弹性金属板制成的小腿紧固带39相铆接，利用尼龙搭扣可以将接受腔19与紧固带39一道抱紧在患者的小腿上。接受腔19和紧固带39又在两侧分别与小腿支承杆18和40铆接，这样接受腔19起到将小腿与支承杆18和小腿付支承杆40分别通过脚两侧的螺栓组41同弹性U形板21相联接，从而将小腿主付支承杆18和40上的各种力传递到患者脚穿的特制皮鞋22上。
脚支承部分患者的脚穿在特制的皮鞋22中，鞋的底部衬有弹性薄钢板，钢板同U形板21在鞋跟部铆接。U型板在上部用皮带20束紧在鞋22上。从而将U形板上的各种力传到患者脚下。
手杖部分手杖6可以是双腋下拐，也可以是单手杖。这主要由患者的臂力及操作步行机的熟练程度决定。实验表明，经过训练的手臂强健的患者可以使用单手杖保持身体在站立和行走中的平衡。对于一般患者，应当使用双手杖。
在行走中，双腿是交替运动的，因而除20%的时间双腿同时承重外，其余时间是单腿支承的，当然，手杖也承受部分患者体重。
能源本发明使用高能的可充电蓄电池组作为电源。电池组分装在三个挂在腰带28上的皮包内。
运动机构部分参见图3。
左右腿各有一个原动机，就是电动机14，它们的旋转运动通过减速器11将速度降到患者步行所要求的圆频率，并将电动机14的转矩放大。减速器11的输出轴直接与髋、膝关节驱动机构的共同曲柄48联接，将动力送往两个驱动机构。
髋关节四杆运动机构部分髋关节四杆运动机构是一个曲柄四杆机构，它的曲柄是48。连杆由46，44两个半连杆组成，在工作时，用释放机构10把它们刚性联接在一起。摇杆由铰座42和与它铆接的上身支承27组成。大腿支承杆33和机座50构成机构的机架。曲柄、连杆、摇杆及机架间分别用装有轴承的铰链47、43及32联接。在工作时，曲柄48以逆时针方向转动，于是机构使大腿支承33以铰链32为轴绕身体支承27摆动。由于机构的各参数是按人体慢小步行走规律设计的，因而机构驱动患者的大腿按人类行走时的大腿运动规律向前迈动。当患者休息时，释放机构10可以使上、下半连杆44和46自由弯曲，于是髋关节32成为自由关节。
膝关节驱动机构该机构是由三个机构串联而成的，它们是膝关节一级四杆机构9，膝关节齿轮变速换向机构13和二级四杆机构17。
四杆机构9由曲柄48，连杆51，摇杆53和机架50组成。“四杆”间分别是用装有轴承的铰链47、52和55联接。机构13是一个齿轮机构，由扇型齿轮(同时又是机构9的摇杆)53和小齿轮(同时也是机构17的曲柄)56组成。两个齿轮的轴利用轴承铰链54和55安装在机座50上。机构17的曲柄为56，连杆由两个半连杆58和60组成，同髋关节驱动机构类似，在工作时用释放机构16把它们刚性地联接在一起。摇杆由可转动铰链座49及与它焊接在一起的小腿主支承杆18构成，机架则是机座50和与它钢性联接的大腿主支承33构成。“四杆”间以轴承铰链54，57，61和38铰接。来自曲柄48的动力经过机构9转换后，在摇杆53上输出，与53同体的扇齿轮与小齿轮56啮合，转换后在与56同体的二级曲柄上输入到机构17，机构17的运动输出到二级摇杆49上，于是驱动小腿主支承杆18绕膝关节铰链38摆动。由于整个膝关节驱动机构的各参数是按人体慢小步行走规律与髋关节驱动机构各参数同时优化设计的，因而膝关节的运动也是符合人体步行膝关节迈进运动规律的。
以上两个驱动机构，由于共用曲柄48，因而是一个自由度双关节的联动，从而保证行走的可靠性，及双腿的活动度。
关节释放机构参见图4、图5、图6。
由于膝关节驱动机构的释放机构16与髋关节驱动机构的释放机构10在原理和结构上是一样的，因而这里以髋关节驱动机构的释放机构为例描述。释放机构由上半连杆44，下半连杆46，滑套62，铰链63，限位钉45构成。图四和图五分别是释放机构在工作状态时的顶视图和侧视图。在图示状态时，虽然两半连杆44和46间是以可转动铰链63联接的，但由于滑套62将两半连杆44和46及铰链63一同套住，使得上半连杆44不能绕下半连杆46转动，两者成为一个刚体。当患者休息时，将滑套62滑到图六位置，两半连杆可以相互转动，连杆的有效长度成为任意，于是在髋关节32处，上身支承杆27可以相对于大腿支承杆33自由转动。限位钉45的作用是在患者运动时，滑套62靠重力下落，靠在限位钉45上以保证滑套62处于适当的锁定位置。
步行机的控制逻辑如图七。8是电源。64和65分别是左右腿的调速电位器，66是同步开关，它们都按装在患者的手杖6上。67是控制器，它根据来自控制扭64，65及66的信号，参考来自相敏放大单元的信号，决定对左、右两个电动机69和70的供电电压。步行机的运动方式有两种，其一是双腿同频联动。这时同步控制钮66接通。双腿的运动将保持180度相位差的同频运动.步频可以由左腿控制电位器64控制。同频步行的原理如下，左右角位移传感器71和72分别测取左右腿曲柄的角位移ψL和ψR，并将它们转化为对应的电压信号uL＝UsinψL和uL＝UsinψR，信号UL经过反相器73后成为-UsinψL。两个信号再经过比较器74后成为相敏放大器的输入信号U相入＝usinψR+usinψL＝u(sinψR+sinψL)，而相敏放大单元的输出信号为U相出＝ku(sinψL+sinψR)，可以看出，只有当ψL-180°-ψR＝0时，U相入才为零。当ψL-180°-ψR＞0时，表明左电动机69的转速较右电动机70的快，控制单元67将提高右电动机的供电电压，反之，控制器将降低右电动机的电位，以提高其转速，从而使左右电动机69和70保持相位差为180度的同频联动。同频联动主要用于步行机的步行状态。
其二是单腿控制。断开联动控制钮66，步行机的控制器67处于单腿控制方式，利用左、右腿控制电位器64和65可以分别启动或停止左、右腿电动机69和70，并进行调速。单腿运动方式主要用于患者调整姿态的动作。
患者使用步行机时的安装过程弹性的身体接受腔25的前部是开口的，患者的身体可以从开口处进入，将吊带29挂好后，用紧固横带24，28和31可以将患者的身体束紧，并用锁扣23，26和30锁好。弹性的大腿接受35和大腿横带34也是前面开口的患者的大腿从开口进入，而后用接受腔35上的尼龙搭扣及横带34上的皮带锁紧。弹性的小腿接受腔19和小腿横带39后部开口，小腿从后面进入后用尼龙搭扣及皮带锁紧。患者的脚要在大腿和小腿固定前穿进鞋子22中，并用带子20系牢。注意，为穿着方便，释放机构应当释放。
权利要求
1.一种下肢高位截瘫者用的电动步行机，其特征在于所述的步行机由能源、支承部分、机械动力和运动机构部分及控制部分组成，所述的能源是高能蓄电池组，所述的支承部分为身体支撑、大腿支撑、小腿支承、脚支承以及手杖，所述的机械动力和运动机构部分为电动机、减速器、髋关节四杆运动机构，膝关节一级四杆机构，膝关节齿轮换向机构、膝关节二级四杆机构、髋关节释放机构以及膝关节释放机构，所述的控制部分为角位移传感器、控制器以及控制钮。
2.一种如权利要求1所述的电动步行机，其特征在于其中所述的身体支承由腰身接收腔、胸紧固带及锁扣、腰身紧固带及锁扣、臀紧固带及锁扣、身体支承杆和吊带组成，所述的大腿支承由大腿接收腔、大腿紧固带、大腿支承杆和大腿付支承杆组成，所述的小腿支承由小腿接收腔、小腿紧固带、小腿支承杆和小腿付支承杆组成，所述的脚支承由U形板和特制皮鞋组成。
3.一种如权利要求1所述的电动步行机，其特征在于其中所述的髋关节四杆驱动机构由曲柄及两个半连杆组成，所述的膝关节一级四杆机构由曲柄、连杆、摇杆和机架组成，所述的膝关节齿轮换向机构由扇形齿轮和小齿轮组成，所述的膝关节二级四杆机构由曲柄和连杆组成，所述的髋关节、膝关节释放机构由上半连杆、下半连杆、滑套、铰链和限位钉组成。
4.一种如权利要求1所述的电动步行机，其特征在于其中所述的控制部分由电源、调速电位器、同步开关、控制器、控制钮、电动机、角位移传感器、反相器和比较器组成。
全文摘要
本发明涉及一种下肢高位截瘫者用的电动步行机，属康复机械领域。这种步行机以电力为能源，整个步行机设计为一体，使患者身着步行机后能够借助手杖站立并行走。步行机主要由电源、支承部分、机械动力和运动机构部分以及控制部分组成。患者双腿的髋、膝关节具有较大的活动度，使患者行走时受到被迫训练，促进肌肉活动和血液循环，有利于患者康复。步行机的行走步态类似于健康人的小步行走，既平稳又美观，有利于患者心理的康复。在非行走状态时，步行机的髋、膝关节可以解脱为自由铰链，以适应患者的各种坐卧姿势。
文档编号A61H3/00GK1057581SQ9010449
公开日1992年1月8日 申请日期1990年6月21日 优先权日1990年6月21日
发明者周文, 张济川, 金德闻 申请人:清华大学