一种下肢外骨骼结构

1.本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种下肢外骨骼结构。


背景技术：

2.随着科学技术的进步以及人类生活水平的不断提高，社会和政府对有关民生的康复医疗设备的研究及其发展状况的关注度逐渐增加。近年来，中风偏瘫者、下肢运动功能受损人士或残障人士对人体助力设备或医疗康复训练设备的需求显著增加。下肢外骨骼康复训练设备可帮助中风偏瘫者或运动功能受损者重获行走能力，提升生活质量。此外，下肢外骨骼在辅助慢跑运动等方面也备受青睐，拥有广大受众。
3.众所周知，下肢外骨骼设备的使用者均为因各种原因而运动须受辅助者，因此佩戴者不宜承受过重负担，应避免导致肩部疲劳而影响运动，减轻佩戴者负担具有必要性。然而，如今的下肢外骨骼设备减轻佩戴者负担的偏重点都在尽可能减小背包重量，使设备能够负载的元件数量受限，从而导致了现如今的外骨骼功能较为单一，无法多元化，因此有必要探索另外的方法来达到减负效果。


技术实现要素：

4.针对上述存在的问题，本发明公开了一种下肢外骨骼结构，以解决现有的下肢外骨骼设备减轻使用者负担与实现功能多元化矛盾的问题。
5.一种下肢外骨骼结构，包括下肢外骨骼本体、位于所述下肢外骨骼本体之上的背包和设置于所述下肢外骨骼本体和所述背包之间的外骨骼腰带；
6.所述背包上设置有两个背带，所述下肢外骨骼本体具有两个大腿外骨骼，且每个所述背带上均设置一弹性v形架，所述弹性v形架包括上臂和与所述上臂通过铰接轴铰接的下臂，且所述上臂和所述下臂之间连接有弹性件，所述弹性v形架的上臂顶端和所述铰接轴均固定在所述背带上；
7.每个所述大腿外骨骼和与所述大腿外骨骼位于同侧的所述弹性v形架的上臂顶端之间均连接有一牵引绳；
8.其中，当所述大腿外骨骼直立时，所述弹性v形架在所述牵引绳的牵引下处于压缩状态，所述弹性件收缩储能；当所述大腿外骨骼向上弯曲时，所述弹性件释放能量，所述弹性v形架处于伸展状态。
9.在其中的一些实施例中，所述牵引绳的中部设置有滚轮结构，且所述滚轮结构位于所述外骨骼腰带之上；
10.所述滚轮结构包括分别可转动地设置于所述牵引绳两侧的两个夹持滚轮和与两个所述夹持滚轮连接的动力装置，且所述动力装置带动两个夹持滚轮转动以向所述牵引绳提供动力或阻力，所述v形架的下臂底端固定连接在一所述夹持滚轮上。
11.在其中的一些实施例中，所述牵引绳包括位于两端的绳子和位于中部的所述橡胶片，两个所述夹持滚轮分别设置于所述橡胶片的两侧。
12.在其中的一些实施例中，所述橡胶片上设置有第一纹理，所述夹持滚轮上设置有与所述第一纹理相适配的第二纹理。
13.在其中的一些实施例中，还包括处理器；
14.所述牵引绳的两端均设置有拉力传感器，且所述拉力传感器和所述动力装置均与所述处理器通信连接。
15.在其中的一些实施例中，所述拉力传感器和所述动力装置均通过数据线与所述处理器通信连接。
16.在其中的一些实施例中，所述处理器设置于所述背包上。
17.在其中的一些实施例中，所述外骨骼腰带上设置有两个定滑轮，且两个所述牵引绳分别绕过两个所述定滑轮设置以使得位于所述滚轮结构和所述外骨骼腰带之间的牵引绳大致呈竖直状态。
18.在其中的一些实施例中，所述弹性件为弹簧。
19.在其中的一些实施例中，所述弹性v型架的顶部固定设置有卡扣，所述牵引绳的顶端通过所述卡扣固定在所述弹性v型架上。
20.上述发明至少具有如下优点或者有益效果之一：
21.本发明提供了一种下肢外骨骼结构，该下肢外骨骼结构在大腿外骨骼直立时牵引绳绷紧，拉动弹性v形架压缩，向前拉扯背带，使后背摩擦力增大，从而减小肩部所受压力负担；在大腿外骨骼弯曲时，弹性v形架伸展辅助施加力量，背带复原，肩部支持力成为承载背包的主要力；该下肢外骨骼结构能够使得佩戴者在行走时肩背交替受力，避免了佩戴者肩部长时间遭受压迫，从而在相同负重下，大幅降低了佩戴者的负担，减少了佩戴者穿戴该下肢外骨骼结构行走的疲劳；另外在佩戴者承受相近的负担的情况下，能够允许更多负重，从而为下肢外骨骼结构功能多元化提供了更多的可能。
附图说明
22.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更加明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未可以按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
23.图1为本发明实施例中大腿外骨骼弯曲时下肢外骨骼结构的结构示意图；
24.图2为本发明实施例中牵引绳和弹性v形架的结构及位置关系示意图；
25.图3为本发明实施例中大腿外骨骼直立时弹性v形架、背包和背带的位置关系图；
26.图4为本发明实施例中大腿外骨骼弯曲时弹性v形架、背包和背带的位置关系图。
具体实施方式
27.下面结合附图和具体的实施例对本发明进行进一步的说明，但是不作为本发明的限定。
28.如图1～4所示，本发明公开了一种下肢外骨骼结构，包括下肢外骨骼本体、位于下肢外骨骼本体之上的背包2和设置于下肢外骨骼本体和背包2之间的外骨骼腰带4；该背包2上设置有两个背带3，该下肢外骨骼本体具有两个大腿外骨骼1，且每个背带上均设置一弹性v形架6(具体的，上述弹性v形架6固定于背带3的中下部)，该弹性v形架6包括上臂61和与
上臂61通过铰接轴 62铰接的下臂63，且上臂61和下臂63之间连接有弹性件64(上述弹性件64 可为弹簧)，该弹性v形架6的上臂61顶端和铰接轴62均固定在背带3上(具体的，上臂61顶端固定在背带3的中部，铰接轴62固定在背带3的下部，且铰接轴62的固定方式不会影响到上臂61和下臂63的铰接)；上述每个大腿外骨骼1和与大腿外骨骼1位于同侧的弹性v形架6的上臂61顶端之间均连接有一牵引绳5。使用时，该下肢外骨骼结构通过牵引绳5牵引，使弹性v形架6 随下肢外骨骼运动被动形变，交替发生压缩与伸展；具体的，如图3所示，当大腿外骨骼1直立时(即佩戴者正常站立时)，弹性v形架6在牵引绳5的牵引下处于压缩状态，弹性件64收缩处于储能状态；弹性v形架6上臂61向前拉扯背带3使背包2与佩戴者后背紧贴，增大背包2与佩戴者二者间的压力，进而增大二者间的摩擦力，降低了佩戴者肩膀承受的负担；当大腿外骨骼1向上弯曲时(即佩戴者发生抬腿动作时)，弹性件64释放能量，弹性v形架6处于伸展状态，从而帮助外骨骼实现屈曲，同时背包2背带3复原，由肩膀受力；当腿部伸直落地时(腿部由屈曲转向伸直状态时)，拉动牵引绳5使弹性v形架6发生压缩形变，弹性v形架6回复压缩状态，弹性件64压缩储能，使v 形架两臂夹角减小，上端前伸，牵动背带3向前拉扯，增大背部压力及摩擦力，此时背部压力及摩擦力成为承载背包2的主要力，减小了肩部所受压力；同时另一条腿准备抬起，大腿外骨骼1由伸直转向屈曲状态，牵引绳5放松使弹性v 形架6发生伸展形变，弹性件64释放能量，帮助腿部向上抬起，当穿戴者抬腿至最高位置时，弹性件恢复原长，背带复原，此时肩部支持力成为承载背包2 的主要力。
29.该下肢外骨骼结构通过弹性v形架6交替发生压缩与伸展，使得佩戴者肩背交替受力，避免了佩戴者肩部长时间遭受压迫，由于下肢外骨骼结构的佩戴者多为运动须受辅助者，肩背交替受力的模式在相同负重下，能够大幅降低佩戴者的负担，减少佩戴者穿戴该下肢外骨骼结构行走的疲劳；另外在承受相近的负担的情况下，能够允许更多负重，从而为下肢外骨骼结构功能多元化提供了更多的可能。
30.在本发明的一个优选的实施例中，上述牵引绳5包括位于两端的绳子52和位于中部的橡胶片51，且该橡胶片51具有用于增大橡胶片51表面摩擦力的第一纹理，上述橡胶片51上设置有滚轮结构，且该滚轮结构位于外骨骼腰带4之上，该滚轮结构包括分别可转动地设置于橡胶片51两侧的两个夹持滚轮12和与两个夹持滚轮12连接的动力装置10，该夹持滚轮12上设置有与第一纹理相适配的第二纹理(即夹持滚轮12的轮周上具有能与橡胶片51的第一纹理紧密贴合的第二纹理，该第一纹理和第二纹理可以是花纹)，且该动力装置10带动两个夹持滚轮12转动以向牵引绳5提供动力或阻力，该弹性v形架6的下臂 63底端固定连接在一夹持滚轮12上。具体的，上述橡胶片51和位于橡胶片51 上下的绳子52稳固结合，形成一体，且上述橡胶片51为牵引绳5的中间受力点。
31.在本发明的一个优选的实施例中，上述下肢外骨骼结构还包括设置在背包2 上的处理器8；该牵引绳5的两端均设置有拉力传感器(图中未示出)，且该拉力传感器和动力装置10均与处理器8通信连接，具体的，上述拉力传感器和动力装置10均通过数据线9与处理器8通信连接。使用时，上述拉力传感器用于监测牵引绳5的两端的受力情况(具体的，拉力传感器用于检测牵引绳5的两端的拉力差异)并将数据传输至处理器8，上述处理器8可集中处理来自拉力传感器的数据，并将分析结果所得到的指令(对动力装置10应提供拉力或阻力的指令)传递给动力装置10，该动力装置10接收指令并依据指令及佩戴者的运动周期控制两个夹持滚轮12的转动方向及转动周期来平衡牵引绳5两端的受力变化(具体表现为向
牵引绳5提供动力或阻力)。
32.更具体地，关于提供动力与阻力的判定，首先在弹性v形架6形变过程中对牵引绳5的拉力范围内取定一临界值，当弹性v形架6对牵引绳5的拉力小于该临界值时，滚轮结构作为牵引绳5中间受力点提供与弹性v形架6上端拉力同方向的力，其力的大小补全弹性v形架6上端拉力与临界值的差值；当弹性v形架6对牵引绳5的拉力大于该临界值时，滚轮结构作为牵引绳中间受力点提供与弹性v形架6上端拉力反方向的力，其力的大小平衡弹性v形架6上端拉力超出临界值的差值。结果表现为，牵引绳5对大腿外骨骼的拉力稳定在临界值左右。
33.在本发明的一个优选的实施例中，上述外骨骼腰带4上设置有两个定滑轮7，且两个牵引绳5分别绕过两个定滑轮7设置以使得位于滚轮结构和外骨骼腰带4 之间的牵引绳5大致呈竖直状态。
34.具体的，上述牵引绳5的一端通过固定装置固定在外骨骼大腿中间部分(该固定装置可以为螺栓或者卡扣等)，该牵引绳5的另一端经过外骨骼腰带4上的定滑轮7改变方向(通过定滑轮7后该牵引绳5改变为竖直方向)，再向上穿过两个夹持滚轮12之间，之后连接在弹性v形架6的上臂61上，该牵引绳 5的橡胶部分夹持在上述弹性v形架6下端的两个夹持滚轮12之间可防止牵引绳5滑动。上述弹性v形架6在牵引绳5的牵引下压缩使背带3形变，上述滚轮结构为牵引绳5的中间受力点，弹性v形架6的顶端为牵引绳5的上端受力点，上述牵引绳5与大腿外骨骼1连接的一端为该牵引绳5的下端受力点。上述弹性v形架6在牵引绳5拉力作用下随大腿外骨骼1屈、伸分别产生伸展形变和压缩形变，在压缩状态下向前拉扯背包2背带，同时弹簧储存一定能量用于外骨骼下一次屈曲。上述滚轮结构一定程度上固定牵引绳5，防止其滑动，对牵引绳5的上下运动提供一定的辅助力，使整个过程更加流畅。上述定滑轮7 改变牵引绳5的延伸方向，且该定滑轮7位于弹性v形架6下臂63以及滚轮结构的正下方，使从滚轮结构到腰部一段的牵引绳5大致能保持竖直方向，上述滚轮结构受牵引绳5的力方向向下不变，弹性v形架6的铰接轴62以及上臂 61固定在背带上，在弹性v形架6伸展状态下，其角度使弹性v形架6下臂63竖直，铰接轴6262、下臂63和定滑轮7在同一竖直线上，从而可以使下臂 63稳定一点，只有上臂61偏转，从而使得该弹性v形架6更加稳定。
35.在本发明的一个优选的实施例中，上述弹性v型架的顶部通过螺栓固定设置有卡扣11，上述牵引绳5的一端通过卡扣11固定在弹性v型架上，该卡扣 11为位于v形架上端的固定装置，用于固定牵引绳5的上端，为牵引绳5的上端受力点；且该卡扣11可开合，从而使得该牵引绳5的长度可调节。
36.上述下肢外骨骼结构的控制，腿部动作由外骨骼机器人原有程序实现；上述弹簧v形架的功能实现由其在绳索牵拉下被动完成。在开始行进后，牵引绳 5两端的拉力传感器收集两端受力信息，反馈给背包2内的处理器8；处理器8 得到信息做出提供动力或阻力的结论后，通过动力装置10驱动夹持滚轮12向牵引绳5提供辅助力量，使牵引绳5不会出现滑动，同时使整个循环过程更加流畅。
37.上述下肢外骨骼结构的工作原理具体为：通过牵引绳5牵引，使带弹性v 形架6随下肢外骨骼运动被动形变，交替发生压缩与伸展。当正常站立时，弹性v形架6在牵引绳5牵引下处于压缩状态，弹簧收缩处于储能状态，弹性v 形架6的上臂61向前拉扯背包2背带使背包2与后背紧贴，增大二者间的压力，进而增大二者间的摩擦力，降低肩膀承受的负担。当
发生抬腿动作时，v形架伸展释放能量，帮助外骨骼实现屈曲，同时背包2背带复原，由肩膀受力。当腿部伸直落地时，弹性v形架6回复压缩状态，同时另一条腿准备抬起。外骨骼在行进过程中不断重复上述过程。
38.具体的，记n1为肩膀对背包2的支持力，n2为背包2与背部间压力，f 为背部与背包2接触产生的摩擦力(正常佩戴情况下为竖直向上)，μ为摩擦系数，在竖直方向上分析，背包2重力g＝n1+f＝n1+μn2。依前两条所述，n1与n2在外骨骼行进过程中随步态周期循环发生交替大小变化，表现为背包 2重力交替作用于肩部及背部。
39.进一步地，在上述过程中，当腿部进行抬起与下落动作时，位于牵引绳5 两端的拉力传感器将检测牵引绳5上下(以牵引绳5中部固定于滚轮结构中间位置为界)的受力情况，并将数据传输至处理器8处理，处理器8接收信号后做出判断并向动力装置10发出指令，动力装置10控制滚轮向绳子52提供阻力或动力，保证牵引绳5上下运动流畅。
40.本实施例中，上述弹性v形架6常态为伸展状态，当发生压缩折叠时，如图4所示，随∠φ增大，弹性v形架6上臂61对牵引绳5拉力逐渐增大，为防止变化的力对外骨骼结构行进产生较大影响，夹持滚轮12依据指令对绳子52 施加辅助力，使外骨骼受力稳定在较小的变化范围内，降低新增结构对原有装置的干扰。在此需要说明的是，本发明中滚轮结构提供的辅助力仅使牵引绳5 对外骨骼的拉力稳定，并非抵消弹性v形架6产生的力。
41.本领域技术人员应该理解，本领域技术人员在结合现有技术以及上述实施例可以实现变化例，在此不做赘述。这样的变化例并不影响本发明的实质内容，在此不予赘述。
42.以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。