一种无动力可穿戴式辅助行走助力机构制造技术

本发明专利技术公开了一种无动力可穿戴式辅助行走助力机构，包括驱动力形成组件、膝关节助力执行组件。本发明专利技术的行走助力机构基于杠杆原理和曲柄滑块结构机理，采用左右脚同侧平行驱动输入的工作方式，利用人体自重作用，以鲍登绳为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，左脚的驱动力形成组件为左腿膝关节辅助转矩执行组件提供驱动力，右脚的驱动力形成组件为右腿膝关节辅助转矩执行组件提供驱动力，从而在行走过程中产生辅助左、右腿膝关节弯曲、伸展的转矩，达到辅助行走的目的。本发明专利技术机构惯性小，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，显著提高了机构的安全性和舒适性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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专利技术采取的技术方案是：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。本专利技术优异的效果是：1)相比现有技术，本专利技术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，本专利技术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,本专利技术机构惯性小，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是本专利技术所述机构主要组成图。图2是本专利技术所述驱动力形成组件组成图。图3是本专利技术所述驱动力形成组件不受力时状态图。图4是本专利技术所述膝关节助力执行组件组成图。图5是本专利技术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专利技术作进一步说明，但不作为对本专利技术的限定。如图1所示，一种无动力可穿戴式本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无动力可穿戴式辅助行走助力机构，包括：驱动力形成组件(1)，包括固定支架(101)、鲍登绳压板(102)、复合基板(103)、鲍登绳套管(104)、鲍登绳(105)、第一转轴(106)、弹性固定带(107)以及紧固件(108)；所述固定支架(101)通过所述紧固件(108)固定在所述复合基板(103)凹槽内，所述鲍登绳压板(102)通过所述第一转轴(106)安装在所述固定支架(101)上，可以绕所述第一转轴(106)在设计角度内转动；膝关节助力执行组件(2)，通过柔性固定带(3)固定在左腿和右腿膝关节对应位置，利用所述驱动力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。

【技术特征摘要】
1.一种无动力可穿戴式辅助行走助力机构，包括：驱动力形成组件(1)，包括固定支架(101)、鲍登绳压板(102)、复合基板(103)、鲍登绳套管(104)、鲍登绳(105)、第一转轴(106)、弹性固定带(107)以及紧固件(108)；所述固定支架(101)通过所述紧固件(108)固定在所述复合基板(103)凹槽内，所述鲍登绳压板(102)通过所述第一转轴(106)安装在所述固定支架(101)上，可以绕所述第一转轴(106)在设计角度内转动；膝关节助力执行组件(2)，通过柔性固定带(3)固定在左腿和右腿膝关节对应位置，利用所述驱动力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。2.根据权利要求1所述的可穿戴式辅助行走助力机构，其特征在于，所述膝关节助力执行组件(2)包括大腿固定板(201)、小腿固定板(202)、外罩(203)、第二转轴(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)；所述小腿固定板(202)、连杆(210)、导轨(205)和滑块(206)构成曲柄滑块结构形式，所述小腿固定板(202)和滑块(206)通过连杆(210)连接，形成两个转动副，所述鲍登绳(105)的拉力和所述拉力弹簧(208)拉力形成驱动滑块(206)在导轨(205)做直线往复运动的一对作用力和反作用力，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)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。3.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：张连存，黄强，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11