一种柔性可穿戴式膝关节保护外骨骼及行走助力系统技术方案

本发明专利技术公开了一种外骨骼，特别是一种柔性可穿戴式膝关节保护外骨骼，包括柔性关节，柔性关节在行走运动支撑期内外环支撑体相对，关节表现为刚性，提供支持力并减小膝关节内力，保护膝关节。摆动期内外环支撑体错开，受到较小的载荷后，内环支撑体挤压外环柔性体，能够在较大范围内产生形变，膝关节转动时外骨骼关节瞬时转轴跟随人体关节对中，不会对膝关节造成额外载荷。同时，本发明专利技术中还涉及一种柔性可穿戴式膝关节保护外骨骼的行走助力系统。本发明专利技术解决了“提供一种同时具有刚性和柔性的外骨骼膝关节”的技术问题，在行走运动时，在外骨骼膝关节提供体重支撑时表现为刚性，减小膝关节负载，在人体关节摆动时表现为柔性，具有膝关节保护功能。

【技术实现步骤摘要】
一种柔性可穿戴式膝关节保护外骨骼及行走助力系统
本专利技术涉及一种外骨骼，特别是一种柔性可穿戴式膝关节保护外骨骼；同时，本专利技术中还涉及一种柔性可穿戴式膝关节保护外骨骼的行走助力系统。
技术介绍
EksoBionics研发了一种用于步态训练的医疗外骨骼Ekso，可以针对不同患病程度的偏瘫和瘫痪患者进行治疗[1]。Cyberdyne公司研发了HybridAssistiveLimb（混合辅助肢体，HAL），设备基于肌电信号，感知人体的运动意图，从而为残疾人提供行走助力[2]。苏黎世联邦理工学院开发了外骨骼系统Lokomat[3][4]，系统由减重支撑系统、机械腿、医用跑步台等部分组成，采用悬吊式的减重方法。哈佛大学的ChoeD.等开发了一种柔性外套[5]，该设备应用于军事和医疗领域，在穿戴者行走或奔跑时提供助力。专利技术专利方面，迈宝智能科技（苏州）有限公司于2020年公开的专利申请号为CN110900569A的中国专利技术专利申请文件中提供了一种刚柔混合外骨骼[6]，利用凸轮结构设计柔性的膝关节，其可随着人体的动作发生弯曲。该专利技术能够提供可靠的支撑和助力。但该设备关节基于设计的曲线进行固定的运动，不能适应不同穿戴者的关节差异，柔性实用性不强。长春工业大学于2020年公开的专利申请号为CN111015725A的中国专利技术专利申请文件中提供了一种柔性仿生人工膝关节[7]，其瞬心轨迹与人体膝盖的瞬心轨迹相似，可以模拟膝关节的弯曲与直立。但该设计针对不同使用者需要调整，且没有配套的实现助行等功能的致动机构。苏州迈澜医疗科技有限公司于2019年公开的专利申请号为CN110353809A的中国专利技术专利申请文件中提供了一种柔性关节[8]，关节在两端受力后能产生相对确定的并可预期的弯折路径，并通过弧形的连接筋而在预定的方向上弯曲，从而获得可预期的弯曲姿态。该关节可以实现不同的弯曲，但不能提供轴向的支持力，在加入助行机构后人体关节受到压力反而增大。山东大学于2020年公开的专利申请号为CN110861074A的中国专利技术专利申请文件中提供了一种绳驱动柔性外骨骼助力机器人[9]，设计较为成熟，但没有结合外骨骼设备，增大膝关节内力是不希望产生的结果。学术研究方面，浙江大学王东海基于SIMP方法研制的柔顺膝关节能在行走运动支撑期表现刚性，摆动期表现为柔性[10]，但外骨骼关节受到不对心的载荷时的应力表现不好，同时设计的外骨骼体积较大。哈佛大学ChoeD等设计的柔性外套基于牵引绳实现助行与行走跟随功能[5]，但该设备没有刚性结构，增大了膝关节内力，使膝关节更易受损。总结上述现有技术，目前存在的问题如下：（1）当前的刚性下肢外骨骼采用支撑式结构支持体重负载，外骨骼通过杆组将人体重力传导至地面。但当其运动关节为刚性结构时，若外骨骼转轴和人体关节的瞬时旋转中心没有严格对中，甚至仅存在微小的误差，就会在人体关节上产生明显的额外载荷，增加关节受损与患病的风险。可以通过设计可调节式机构，增加关节自由度，设计柔性关节，设置多转轴解耦等方法，解决人机关节旋转轴不对中的问题。然而，上述增加机构自由度的冗余系统复杂度增加，给控制系统的设计带来困难；同时，由于存在冗余自由度，外骨骼很难实现支持体重、减轻膝关节内力的作用。（2）一部分悬吊式外骨骼结构不需要精确定位的球铰作为关节旋转中心，因此，不需要高精度地拟合人体关节的运动。但由于该类通过线绳驱动，只能提供拉力，尽管能实现运动助力，但会增大关节内力，增加使用者罹患关节炎的风险。（3）大多数现有的成熟外骨骼设计与产品体积与质量较大，只能临床使用，使用范围局限于室内的医院与康复机构中，使用者活动范围受限。（4）完成上述设备的穿戴需要耗费较长的时间，甚至需要他人的辅助；穿戴体积较大的外骨骼，会暗示使用者具有运动能力缺陷，使用者可能会遭受隐性的歧视。因此需要设计一种体积较小，穿戴性好，结构紧凑，便于携带的外骨骼设备。另外，膝关节是人体最易受损的关节，调查表明，慢性膝关节疾病的发病率随年龄升高。我国40-49岁人群膝关节炎发病率为27%，50-59岁人群发病率为62%[11]；60岁以上人群约50%出现膝关节炎的影像学表现，>1/3的人存在膝关节炎症状；75岁以上人群约有80%出现临床症状[12]。减少膝关节载荷是防治膝关节病变的重要方法，对膝关节保护的需求推动了膝关节外骨骼的研发与应用。需要设计一种外骨骼结构，能够显著减轻人体日常活动中对膝关节的载荷，为使用者日常生活带来便利。参考文献[1]Eksoroboticexoskeleton.[EB/OL].http://www.eksobionics.com/ekso,2020-01-03.[2]TaketomiT,SankaiY.StairascentassistanceforcerebralpalsywithrobotsuitHAL.[C]IEEE/SICEInt.Symp.Syst.Integr.,Fukuoka,Japan,2012,pp.331–336.[3]BiddissE,ChauT.Upper-limbprosthetics:Criticalfactorsindeviceabandonment.[J]AmericanJournalofPhysicalMedicineandRehabilitation,2007,12(86),977–87.[4]ColomboG,JoreyM,SchreierR.Treadmilltrainingofparaplegicpatientsusingaroboticorthosis.[J].JournalofRehabilitationResearchandDevelopment,2000,37(6):693-700.[5]ChoeD,KimJ,LeeG,etal.Autonomoussoftexosuitwithhipextensionassistanceforovergroundwalkingandjogging.[C].InternationalSymposiumonWearableRoboticsandRehabilitation,Nov.2017.[6]魏巍,林西川,张海峰.刚柔混合外骨骼[P].中国:CN110900569A,2020-03-24.[7]张炜,刘琳,孙建伟,姜惠敏.一种柔性仿生人工膝关节[P].中国:CN111015725A,2020-04-17.[8]周啸波,蓝青.柔性关节[P].中国:CN111015725A,2019-10-22.[9]杜付鑫,张钢,苑宇龙等[P].中国:CN110861074A,2020-03-06.[10]王东海.基于行走步态的被动式重力支撑柔性下肢外骨骼系统[D].博士,浙江大学,2016.[11]李晓声,王家让.膝关节骨性关节炎的诊断与治疗概况[J].中国医师进修杂志,2004,27(10):10-11.[12]何志勇,吴海山,狄正林等.全膝置换术治疗晚本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性可穿戴式膝关节保护外骨骼，其特征在于：/n包括一个柔性关节、一个大腿连接板、一个前侧大腿固定环、一个后侧大腿固定环、一个大腿滑轮轴承、一个大腿滑轮轴承盖板、一个小腿连接板、一个前侧小腿固定环、一个后侧小腿固定环、一个小腿滑轮轴承以及一个小腿滑轮轴承盖板；/n其中，所述柔性关节包括：/n一个柔性关节外环，其包括一个环体，位于环体外侧的一个第一连接部，所述第一连接部的一侧端部径直延伸至环体的外侧面上，以及位于环体内侧，且对称布置的一对第一支撑体，一对第一支撑体的一侧端部均径直延伸至环体的内表面上，其另一侧端部则共同在环体的中心形成一个圆形支撑部，所述环体上设有一对贯穿环体的前、后表面，且对称布置在第一连接部两侧的导向孔，一对导向孔均沿环体的圆周方向延伸；/n一个柔性关节内环，其包括一个椭圆体，以及位于椭圆体的椭圆截面的长轴两侧，且对称布置的一对第二支撑体，一对第二支撑体的内表面均固定至椭圆体上，并共同形成一个环形支撑部；/n第一柔性关节盖板，其包括第一盘体以及位于第一盘体外侧的第二连接部，所述第二连接部的一侧端部径直延伸至第一盘体的外侧面上；第一柔性关节盖板位于柔性关节内环的外侧，且柔性关节内环的椭圆体固定至第一盘体的内表面上；/n以及，第二柔性关节盖板，其包括第二盘体以及位于第二盘体外侧的第三连接部，所述第三连接部的一侧端部径直延伸至第二盘体的外侧面上；/n其中，柔性关节内环衬套至柔性关节外环的圆形支撑部；/n第一柔性关节盖板与第二柔性关节盖板通过一对螺栓紧固组件固定，一对螺栓紧固组件与柔性关节外环上的一对导向孔逐一对应，每个螺栓紧固组件均独立轴向贯穿其对应的导向孔，并沿导向孔往复移动；第二柔性关节盖板的第三连接部固定至第一柔性关节盖板的第二连接部上；/n大腿连接板安装至柔性关节外环的第一连接部上，前侧大腿固定环、后侧大腿固定环以及大腿连接板共同形成大腿佩戴部，前侧大腿固定环和后侧大腿固定环的一侧端部均安装至大腿固定板上，另一侧端部则相互重叠，并通过一个第一锁紧结构固定，大腿滑轮轴承和大腿滑轮轴承盖板均位于大腿连接板的外侧，大腿滑轮轴承盖板罩住大腿滑轮轴承，并均安装至大腿连接板上；/n小腿连接板安装至第一柔性关节盖板的第二连接部上，前侧小腿固定环、后侧小腿固定环以及小腿连接板共同形成小腿佩戴部，前侧小腿固定环和后侧小腿固定环的一侧端部均安装至小腿固定板上，另一侧端部则相互重叠，并通过一个第二锁紧结构固定，小腿滑轮轴承和小腿滑轮轴承盖板均位于小腿连接板的外侧，小腿滑轮轴承盖板罩住小腿滑轮轴承，并均安装至小腿连接板上。/n...

【技术特征摘要】
1.一种柔性可穿戴式膝关节保护外骨骼，其特征在于：
包括一个柔性关节、一个大腿连接板、一个前侧大腿固定环、一个后侧大腿固定环、一个大腿滑轮轴承、一个大腿滑轮轴承盖板、一个小腿连接板、一个前侧小腿固定环、一个后侧小腿固定环、一个小腿滑轮轴承以及一个小腿滑轮轴承盖板；
其中，所述柔性关节包括：
一个柔性关节外环，其包括一个环体，位于环体外侧的一个第一连接部，所述第一连接部的一侧端部径直延伸至环体的外侧面上，以及位于环体内侧，且对称布置的一对第一支撑体，一对第一支撑体的一侧端部均径直延伸至环体的内表面上，其另一侧端部则共同在环体的中心形成一个圆形支撑部，所述环体上设有一对贯穿环体的前、后表面，且对称布置在第一连接部两侧的导向孔，一对导向孔均沿环体的圆周方向延伸；
一个柔性关节内环，其包括一个椭圆体，以及位于椭圆体的椭圆截面的长轴两侧，且对称布置的一对第二支撑体，一对第二支撑体的内表面均固定至椭圆体上，并共同形成一个环形支撑部；
第一柔性关节盖板，其包括第一盘体以及位于第一盘体外侧的第二连接部，所述第二连接部的一侧端部径直延伸至第一盘体的外侧面上；第一柔性关节盖板位于柔性关节内环的外侧，且柔性关节内环的椭圆体固定至第一盘体的内表面上；
以及，第二柔性关节盖板，其包括第二盘体以及位于第二盘体外侧的第三连接部，所述第三连接部的一侧端部径直延伸至第二盘体的外侧面上；
其中，柔性关节内环衬套至柔性关节外环的圆形支撑部；
第一柔性关节盖板与第二柔性关节盖板通过一对螺栓紧固组件固定，一对螺栓紧固组件与柔性关节外环上的一对导向孔逐一对应，每个螺栓紧固组件均独立轴向贯穿其对应的导向孔，并沿导向孔往复移动；第二柔性关节盖板的第三连接部固定至第一柔性关节盖板的第二连接部上；
大腿连接板安装至柔性关节外环的第一连接部上，前侧大腿固定环、后侧大腿固定环以及大腿连接板共同形成大腿佩戴部，前侧大腿固定环和后侧大腿固定环的一侧端部均安装至大腿固定板上，另一侧端部则相互重叠，并通过一个第一锁紧结构固定，大腿滑轮轴承和大腿滑轮轴承盖板均位于大腿连接板的外侧，大腿滑轮轴承盖板罩住大腿滑轮轴承，并均安装至大腿连接板上；
小腿连接板安装至第一柔性关节盖板的第二连接部上，前侧小腿固定环、后侧小腿固定环以及小腿连接板共同形成小腿佩戴部，前侧小腿固定环和后侧小腿固定环的一侧端部均安装至小腿固定板上，另一侧端部则相互重叠，并通过一个第二锁紧结构固定，小腿滑轮轴承和小腿滑轮轴承盖板均位于小腿连接板的外侧，小腿滑轮轴承盖板罩住小腿滑轮轴承，并均安装至小腿连接板上。


2.根据权利要求1所述的一种柔性可穿戴式膝关节保护外骨骼，其特征是所述前侧大腿固定环和后侧大腿固定环相固定的第一锁紧结构，其包括：前侧大腿固定环上开设的若干个通孔，若干个通孔沿前侧大腿固定环的长度方向径直延伸，并间隔布置，后侧大腿固定环上开设的一个沉头通孔，沉头通孔与任意一个通孔相对应，以及一个螺栓紧固组件，螺栓紧...

【专利技术属性】
技术研发人员：王俊贤，姜阳，黄浩然，方卓婷，秦超，
申请(专利权)人：浙大宁波理工学院，
类型：发明
国别省市：浙江;33