一种步行辅助装置的制作方法

本实用新型涉及人体步行辅助设备技术领域，尤其涉及一种步行辅助装置。

背景技术：

步行辅助装置为穿戴在人体外侧，辅助人体步行机能康复、增强人体下肢肌肉耐力的机械装置或机电系统。髋关节助力是对脊髓损伤、脑卒中等诱发的偏瘫步态进行运动康复治疗的最有效方式之一，此外，人体髋关节缺少踝关节所富集的肌肉-韧带组织，不利于运动能量的有效吸收利用，采用髋关节助力的步行辅助装置相对于踝关节助力的步行辅助装置具有更显著的辅助效率。当前步行辅助装置的髋关节设计多采用旋转电机或液压缸、气缸、人工肌肉等主动驱动方式，系统复杂、重量大、穿戴舒适性差、成本高，不利于大批量推广应用。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种髋关节储能的被动式的步行辅助装置，旨在解决现有主动式髋关节助力步行辅助装置系统复杂、重量大、穿戴舒适性差和成本高等问题。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：一种步行辅助装置，包括通过活动部分绕固定部分旋转实现储能的髋关节储能机构、用于将髋关节储能机构的固定部分绑束在使用者的腰部、使得髋关节储能机构的转动中心与髋关节转动中心重合的穿戴组件、将髋关节储能机构活动部分与膝关节旋转组件连接的摆动连接件，所述膝关节旋转组件上设有方便其固定在小腿上的小腿穿戴组件，所述膝关节旋转组件的转动中心与膝关节转动中心重合。

作为步行辅助装置的一种实施方式，所述髋关节储能机构包括安装在腰部穿戴组件上的凸轮、与摆动连接件连接的摆盘机架和推杆机构，所述凸轮通过转轴安装在摆盘机架内，所述摆盘机架可相对凸轮绕转轴旋转，所述凸轮的回转中心轴线与使用者髋关节转动中心轴线重合，所述摆盘机架上固定有与其联动的推杆机构，所述推杆机构包括活动端和与活动端连接、通过活动端的压缩或拉伸运动实现储能的储能机构，所述推杆机构的活动端与凸轮的廓线接触，使得所述推杆机构朝凸轮推程方向旋转时，所述推杆机构的活动端沿凸轮廓线移动实现压缩或拉伸，从而实现储能机构的储能，在这种实施方式中，步行辅助装置的凸轮为固定件，摆盘机架通过转轴绕凸轮旋转，实现储能机构的蓄能。

作为步行辅助装置的另一种实施方式，所述髋关节储能机构包括安装在腰部穿戴组件上的摆盘机架、与摆动连接件连接的凸轮和推杆机构，所述凸轮通过转轴安装在摆盘机架内，所述凸轮可相对摆盘机架旋转，所述凸轮的回转中心轴线与使用者髋关节转动中心轴线重合，所述摆盘机架上固定有与其联动的推杆机构，所述推杆机构包括活动端和与活动端连接、通过活动端的压缩或拉伸运动实现储能的储能机构，所述推杆机构的活动端与凸轮的廓线接触，使得所述推杆机构朝凸轮推程方向旋转时，所述推杆机构的活动端沿凸轮廓线移动实现压缩或拉伸，从而实现储能机构的储能。在这种实施方式中，步行辅助装置的摆盘机架为固定件，凸轮通过转轴绕摆盘机架旋转，实现储能机构的蓄能。

进一步的，所述储能机构为弹簧弹性势能储能机构。

进一步的，所述储能机构包括安装在摆盘机架的导槽结构内的弹簧导杆、弹簧和弹簧预紧旋钮，所述弹簧的一端与弹簧导杆连接，另一端与弹簧预紧旋钮连接，所述弹簧预紧旋钮依次将弹簧导杆、弹簧固定在所述摆盘机架的导槽结构内，所述弹簧导杆上安装有可自由滚动的滚轮，所述滚轮与凸轮的廓线接触。

进一步的，所述弹簧预紧旋钮通过螺纹连接方式安装在摆盘机架上。

进一步的，所述滚轮的中心设置在弹簧导杆的中心轴上。

进一步的，所述滚轮的中心与弹簧导杆的中心轴设有一个偏离值。

进一步的，所述滚轮通过滚轮轴安装在弹簧导杆的侧面。

进一步的，所述凸轮的侧面设有凸轮槽，所述滚轮安装在所述凸轮槽内，所述凸轮槽构成凸轮的内轮廓线。

进一步的，所述凸轮在推程极限位置设有限位凸台。

进一步的，所述凸轮上安装有角度传感器，所述角度传感器为磁电式角度传感器、光电式角度传感器或可变电阻式角度传感器。

进一步的，所述摆盘机架的外侧设有通过电池供电的发光环。

进一步的，所述摆动连接件上端可拆卸地连接在摆盘机架上，所述膝关节旋转组件可拆卸地连接在摆动连接件下端。

作为腰部穿戴组件的一种实施方式，所述腰部穿戴组件包括腰部保持架、腰部绑束带、调节带和下摆支架，所述腰部保持架上设有通过魔术贴或连接卡扣将腰部保持架绑束在人体腰部的腰部绑束带，所述腰部保持架和下摆支架通过转轴转动连接，所述转轴中心轴线沿使用者前进方向延伸，所述下摆支架与髋关节储能机构的固定部分连接。

进一步的，所述腰部绑束带与下摆支架之间还设有将下摆支架上的髋关节储能机构贴合人体的调节带，所述调节带通过魔术贴或连接卡扣调节长短。

进一步的，所述腰部保持架和下摆支架采用金属或具有一定刚性强度的复合材料制作。

进一步的，所述腰部保持架和下摆支架的内部与人体贴合处设有缓冲材料层。

作为摆动连接件的一种实施方式，所述摆动连接件为长度可调节的无级调节连杆。

作为膝关节旋转组件的一种实施方式，所述膝关节旋转组件包括与摆动连接件连接的上转臂和与小腿穿戴组件连接的下转臂，所述上转臂与下转臂转动连接。

进一步的，所述上转臂与下转臂的旋转轴中心保持在使用者膝盖骨中心上方1～4cm处。

作为小腿穿戴组件的一种实施方式，所述小腿穿戴组件包括腿部贴合部和通过魔术贴或连接卡扣调节长短的腿部绑束带。

进一步的，所述腿部贴合部和腿部绑束带的内部与人体贴合处设有缓冲材料层。

本实用新型的优点在于利用髋关节凸轮-弹簧推杆机构储存下肢支撑相运动耗散的机械能，并将存储的能量重新分配施加给后续摆动相运动，实现髋关节运动助力，相对于主动式步行辅助装置具有无动力、结构简易、穿戴舒适性好和低成本等优势，适用于偏瘫、术后患者康复治疗，老龄、体弱人群和户外运动爱好者步行助力。

综上所述，本实用新型提出一种步行辅助装置，其主要能源来自于对人体“浪费能量”的回收利用，通过储存下肢支撑相运动耗散的机械能，并将存储的能量重新分配施加给后续摆动相运动，如此循环，实现髋关节运动助力，具有无动力、结构简易、穿戴舒适性好和低成本等优点，适用于偏瘫、术后患者康复治疗，老龄、体弱人群和户外运动爱好者步行助力。

附图说明

图1为本实用新型的立体结构示意图。

图2为本实用新型穿戴在身上的结构示意图。

图3为本实用新型髋关节储能机构实施例1的爆炸图。

图4(a)为实施例1的剖视图。

图4(b)为图4(a)A-A面的剖视图。

图5为本实用新型髋关节储能机构实施例2的爆炸图。

图6(a)为实施例2的剖视图。

图6(b)为图6(a)A-A面的剖视图。

图7为本实用新型髋关节储能机构实施例3的爆炸图。

图8(a)为实施例3的剖视图。

图8(b)为图8(a)A-A面的剖视图。

图9为本实用新型髋关节储能机构实施例4的爆炸图。

图10(a)为实施例4的剖视图。

图10(b)为图10(a)A-A面的剖视图。

附图中，1、腰部穿戴组件，2、髋关节储能机构，3、摆动连接件，4、膝关节旋转组件，5、小腿穿戴组件，6、使用者，11、腰部保持架，12、控制器，13、腰部绑束带，14、调节带，15、转轴，16、下摆支架，21、凸轮，22、摆盘机架，23、推杆机构，24、角度传感器，25发光环，211、凸轮槽，231、滚轮，232、滚轮轴，233、弹簧导杆，234、弹簧，235弹簧预紧旋钮，241、磁铁，242、电磁感应器，243、传感器固定支架，41、上转臂，42、下转臂，51、贴合部，52、腿部绑束带。

具体实施方式

为了更好地理解本实用新型，下面结合附图及实施实例，对实用新型作进一步详细说明，但本实用新型的实施方式不仅限于此，本实用新型的保护范围也涉及本领域技术人员根据本实用新型构思所能够想到的等同技术手段。

实施例1：

如图1至图4所示的步行辅助装置，包括以下内容：

(1)本装置包括腰部穿戴组件1、髋关节储能机构2、摆动连接件3、膝关节旋转组件4和小腿穿戴组件5。其中，腰部穿戴组件1用于将髋关节储能机构2绑束在使用者6的腰部，见图1和2，包括腰部保持架11、控制器12、腰部绑束带13、调节带14、转轴15和下摆支架16，髋关节储能机构2固连在腰部穿戴组件1上，包括凸轮21、摆盘机架22、推杆机构23、角度传感器24和发光环25，推杆机构23包括滚轮231、滚轮轴232、弹簧导杆233、弹簧234和弹簧预紧旋钮235，角度传感器24包括磁铁241、电磁感应器242和传感器固定支架243，发光环25嵌入摆盘机架22外端面，摆动连接件3上端可拆卸地连接在髋关节储能机构2中摆盘机架22上，膝关节旋转组件4可拆卸地连接在摆动连接件3下端，包括共回转中心的上转臂41和下转臂42，小腿穿戴组件5用于将其固连的膝关节旋转组件4绑束在使用者6的小腿上，见图1和图2，包括腿部贴合部51和腿部绑束带52。

(2)如图1所示，腰部穿戴组件1中腰部保持架11和下摆支架16通过转轴15转动连接，转轴15中心轴线沿使用者前进方向延伸，与下摆支架16固连的髋关节储能机构2能够绕转轴15中心轴线左右转动，以适应不同体型穿戴者。控制器12固连在腰部保持架11外侧，控制器12内包括MCU处理器、SD卡、加速度计、陀螺仪和为控制器、角度传感器以及发光环供电的锂电池。腰部绑束带13与腰部保持架11固连，通过魔术贴或连接卡扣将腰部保持架11绑束在人体腰部。调节带14两端分别与腰部绑束带13和下摆支架16固连，通过魔术贴或连接卡扣调节长短使得与下摆支架16固连的髋关节储能机构2完全贴合人体。在本实施例中，腰部保持架11、下摆支架16采用金属或具有一定刚性强度的复合材料制作，内部与人体贴合处可固连低反弹海绵缓冲材料，腰部绑束带13采用具有柔弹性的纤维织物或皮革制作。

(3)如图1、3所示，髋关节储能机构2中凸轮21与腰部穿戴组件1中下摆支架16固连，并与摆盘机架22同轴转动连接。推杆机构23中滚轮231通过同轴滚轮轴232可转动连接在弹簧导杆233上(本例中的滚轮231与弹簧导杆233有两种安装方式，第一种安装方式连接时，滚轮231的旋转中心设置在弹簧导杆233的中心轴上，第二种安装方式连接时，滚轮231的旋转中心与弹簧导杆233的中心轴设置一个偏离值，比如：滚轮231通过滚轮轴232安装在弹簧导杆233的侧面)，弹簧导杆233、弹簧234和弹簧预紧旋钮235从内到外依次同轴安装在摆盘机架22的导槽结构内，滚轮231在弹簧力作用下通过力封闭方式与凸轮21保持接触而不脱开。角度传感器24中磁铁241固连在摆盘机架22中心轴上，可随摆盘机架22绕凸轮21中心轴线旋转，电磁感应器242通过传感器固定支架243固连在凸轮21上，磁铁241与电磁感应器242间距离小于3mm。在本实施例中，髋关节储能机构2采用对心直动从动件盘形外凸轮机构布置方式，即凸轮机构偏距为0，见图4(a)、图4(b)，其中，弹簧导杆233上导向轴与摆盘机架22导槽结构内键槽同轴配合，保证凸轮21与滚轮231的回转轴线平行，弹簧234两端分别沉入弹簧导杆233和弹簧预紧旋钮235内孔保证弹簧始终沿摆盘机架22的导槽结构轴线方向伸缩运动，弹簧预紧旋钮235与摆盘机架22通过螺纹旋合，旋转调节弹簧预紧旋钮235沿摆盘机架22上导槽结构轴线方向的相对位置，可获得不同的弹簧预紧力，以适应不同的助力需求。

(4)如图4(a)、图4(b)所示，所述髋关节储能机构中凸轮推程运动角不超过90°，近休止角不小于145°，髋关节储能机构2中凸轮21推程运动角为90°，近休止角为230°，并在推程极限位置设置限位凸台，防止步行辅助装置运动范围超出人体伸展和屈曲角度极限。在本实施例中，当穿戴侧下肢处于摆动相末段足跟着地时，此时下肢屈曲角度为30°，步行辅助装置开始吸收下肢由摆动相转入支撑相的耗散机械能，摆盘机架22及其上安装的推杆机构23在摆动连接件3带动下绕凸轮21回转中心转动，此时滚轮231从凸轮21推程段实际廓线的起始点开始沿凸轮推程段转动，即图4(a)中虚线所示位置，滚轮231与凸轮21中心距逐步增大，通过滚轮轴232与滚轮231相连的弹簧导杆233在摆盘机架22的导槽结构内向外侧做直线运动，弹簧受迫压缩，将人体运动机械能部分蓄积为弹簧弹性势能，当穿戴侧下肢处于支撑相末段足尖离地时，此时下肢伸展角度为30°，步行辅助装置开始将吸收的耗散机械能释放给后续的摆动相，滚轮231从图4(a)实线所示位置开始反向运动，中心距逐步减小，弹簧逐步伸长，蓄积的弹簧势能逐步释放转化为辅助的机械能，在凸轮21与滚轮231间作用力的切向分力(垂直于摆盘机架22的导槽结构)作用下，摆盘机架22通过摆动连接件3释放能量产生扭矩协助腿自然摆出。

(5)摆动连接件3上标记有4段3cm间隔等距粗调刻度，每段粗调刻度内细分10段等距微调刻度，结合膝关节旋转组件4用于无级调节连杆有效长度，适应身高150～190cm使用者。

(6)如图2所示，髋关节储能机构2中凸轮21回转中心轴线与使用者6髋关节转动中心轴线重合，所述膝关节旋转组件4中旋转轴中心保持在使用者6膝盖骨中心上方1～4cm处，并处于使用者6小腿正侧面位置，构成绕使用者6髋关节和膝关节的复合摆动助力效果。

(7)如图1和2所示，小腿穿戴组件5中腿部贴合部51与膝关节旋转组件4中下转臂42固连，内部与人体贴合处可固连低反弹海绵缓冲材料，腿部绑束带52两端分别连接在腿部贴合部51两侧，通过魔术贴或连接卡扣调节长短以绑紧使用者6腿部。

(8)腰部穿戴组件1中控制器12内加速度计、陀螺仪检测人体躯干加速度、角度、角速度，髋关节储能机构2中角度传感器24检测人体髋关节角度，通过控制器12内MCU处理器计算，可得到使用者步态特征，并判断使用者意外跌倒事件。

实施例2：

如图5、图6(a)、图6(b)所示，与实施例1不同之处在于，凸轮21为内凸轮，所述凸轮21内设有与内轮廓线相匹配凸轮槽211，所述滚轮231安装在弹簧导杆233的侧面，并且设置在所述凸轮槽内，所述滚轮231在弹簧234弹簧力作用下通过力封闭方式与凸轮21内轮廓线保持接触而不脱开。如图6(a)中虚线所示位置，当穿戴侧下肢处于摆动相末段足跟着地时，此时下肢屈曲角度为30°，步行辅助装置开始吸收下肢由摆动相转入支撑相的耗散机械能，摆盘机架22及其上安装的推杆机构23在摆动连接件3带动下绕凸轮21回转中心转动，此时滚轮231从凸轮21推程段实际廓线的起始点开始沿凸轮推程段转动，滚轮231与凸轮21中心距逐步增大，通过滚轮轴232与滚轮231相连的弹簧导杆233在摆盘机架22的导槽结构内向外侧做直线运动，弹簧受迫拉伸，将人体运动机械能部分蓄积为弹簧弹性势能，当穿戴侧下肢处于支撑相末段足尖离地时，此时下肢伸展角度为30°，步行辅助装置开始将吸收的耗散机械能释放给后续的摆动相，滚轮231从图6(a)实线所示位置开始反向运动，中心距逐步减小，弹簧逐步缩短，蓄积的弹簧势能逐步释放转化为辅助的机械能，在凸轮21与滚轮231间作用力的切向分力(垂直于摆盘机架22的导槽结构)作用下，摆盘机架22通过摆动连接件3释放能量产生扭矩协助腿自然摆出。

实施例3：

如图7、图8(a)、图8(b)所示，与实施例1不同之处在于，凸轮21是由圆形的轮体偏心安装构成，此例中，滚轮231的旋转中心安装设置在弹簧导杆233的中心轴上，如图8(a)中虚线所示位置，当穿戴侧下肢处于摆动相末段足跟着地时，此时下肢屈曲角度为30°，步行辅助装置开始吸收下肢由摆动相转入支撑相的耗散机械能，摆盘机架22及其上安装的推杆机构23在摆动连接件3带动下绕凸轮21回转中心转动，此时滚轮231从凸轮21推程段实际廓线的起始点开始沿凸轮推程段转动，滚轮231与凸轮21中心距逐步增大，通过滚轮轴232与滚轮231相连的弹簧导杆233在摆盘机架22的导槽结构内向外侧做直线运动，弹簧受迫压缩，将人体运动机械能部分蓄积为弹簧弹性势能，当穿戴侧下肢处于支撑相末段足尖离地时，此时下肢伸展角度为30°，步行辅助装置开始将吸收的耗散机械能释放给后续的摆动相，滚轮231从图8(a)实线所示位置开始反向运动，中心距逐步减小，弹簧逐步伸长，蓄积的弹簧势能逐步释放转化为辅助的机械能，在凸轮21与滚轮231间作用力的切向分力(垂直于摆盘机架22的导槽结构)作用下，摆盘机架22通过摆动连接件3释放能量产生扭矩协助腿自然摆出。

实施例4：

如图9、图10(a)、图10(b)所示，与实施例1不同之处在于，髋关节储能机构2中摆盘机架22与腰部穿戴组件1中下摆支架16固连，凸轮21与摆动连接件3连接，这样通过凸轮21的旋转，实现髋关节储能机构中凸轮推程运动，凸轮21及其上安装的传感器固定支架243在摆动连接件3带动下绕摆盘机架22回转中心转动。如图10(a)中虚线所示位置，当穿戴侧下肢处于摆动相末段足跟着地时，此时下肢屈曲角度为30°，步行辅助装置开始吸收下肢由摆动相转入支撑相的耗散机械能，此时滚轮231从凸轮21推程段实际廓线的起始点开始沿凸轮推程段转动，滚轮231与凸轮21中心距逐步增大，通过滚轮轴232与滚轮231相连的弹簧导杆233在摆盘机架22的导槽结构内向外侧做直线运动，弹簧受迫压缩，将人体运动机械能部分蓄积为弹簧弹性势能，当穿戴侧下肢处于支撑相末段足尖离地时，此时下肢伸展角度为30°，步行辅助装置开始将吸收的耗散机械能释放给后续的摆动相，滚轮231从图10(a)实线所示位置开始反向运动，中心距逐步减小，弹簧逐步伸长，蓄积的弹簧势能逐步释放转化为辅助的机械能，在凸轮21与滚轮231间作用力的切向分力(垂直于摆盘机架22的导槽结构)作用下，凸轮21通过摆动连接件3释放能量产生扭矩协助腿自然摆出。

此外，需要说明的是，本专利不局限于上述实施方式，只要其零件未说明具体尺寸或形状的，则该零件可以为与其结构相适应的任何尺寸或形状，且不论在其材料构成上作任何变化，凡是采用本实用新型所提供的结构设计，都是本实用新型的一种变形，均应认为在本实用新型保护范围之内。