一种基于步态规律间歇支撑的膝关节损伤防护外骨骼装置

1.本发明涉及外骨骼技术领域，特别涉及一种基于步态规律间歇支撑的膝关节损伤防护外骨骼装置。


背景技术：

2.作为承载身体运动冲击的主要关节，膝关节疾病的发病率也是人体全部关节中最高的。除了韧带损伤、髌骨骨折、半月板损伤等急性膝关节疾病，如膝关节骨性关节炎以及膝部滑囊炎等慢性膝关节疾病发病率也在逐渐升高，据调查，我国膝关节骨性关节炎的发病率为8.3％，其中65岁以上的老人发病率为80％。慢性膝关节疾病致使患者膝关节活动时肿胀疼痛，过度运动以及在湿冷天气时症状加重,严重影响患者的正常生活。
3.慢性膝关节疾病的发病与膝关节长时间持续性受力过度有关，利用外部设备减少膝关节受力不仅可以在预防膝关节慢性病起到重要作用，而且可在手术以及药物治疗的过程中起到康复辅助作用。


技术实现要素：

4.本发明的目的是旨在提供一种基于步态规律间歇支撑的膝关节损伤防护外骨骼装置，将膝关节承受的冲击承于并联在膝关节外侧的外骨骼并传递到小腿，减小膝关节内力，起到防治慢性膝关节疾病的作用。根据人体运动规律，膝关节只在支撑期会承受来自人体自身重量的冲击，而在摆动期不会受到该力的冲击，因此为实现外骨骼在支撑期起到保护作用而在摆动期不影响人体运动的要求，本发明提出了一种可以根据步态规律间歇起支撑起作用的间歇机构。本发明通过如下技术方案来解决：
5.本发明提供了一种基于步态规律间歇支撑的膝关节损伤防护外骨骼装置，从上到下依次包括：
6.大腿绑缚机构，用于该发明与人体的大腿连接，保证该发明能够稳定可靠起到作用；
7.膝关节损伤防护装置，安装在所述大腿绑缚机构上，并联在膝关节外侧，起到传递冲击的作用，以此来减小膝关节受力，起到保护膝关节的作用。
8.小腿绑缚机构，用于该发明与人体的小腿连接，保证该发明能够稳定可靠起到作用。
9.作为进一步的技术方案，所述膝关节损伤防护装置包括大腿连接板、承力弹簧、锁止勾、中滑块、下滑块、曲柄、凸轮、小腿连接板、连杆、锁止勾释放杆、锁止弹簧以及滑块和滑轨。大腿连接板3-1、中滑块3-4与下滑块3-5通过螺栓与滑块3-12连接，滑块3-12通过滑轨3-13固定在膝关节损伤防护装置的外壳上。承力弹簧3-2的外径卡在大腿连接板3-1下侧的孔中，内径安装在中滑块3-4的凸台上，承力弹簧3-2固定在大腿连接板3-1、中滑块3-4之间，承力弹簧3-2由大腿连接板3-1和中滑块3-4进行压缩。曲柄3-6与凸轮3-7通过轴连接的方式与小腿连接板3-8固定在一起，小腿连接板3-8能够带动曲柄3-6与凸轮3-7围绕着轴转
动。连杆3-9两端分别用销钉与下滑块3-5与曲柄3-6连接在一起。锁止勾3-3通过轴肩螺栓与膝关节损伤防护装置的外壳连接，使用轴肩螺栓保证锁止勾3-3能够旋转。膝关节损伤防护装置的外壳上设有导向孔，锁止勾释放杆3-10通过导向孔滑动安装在膝关节损伤防护装置的外壳上，锁止勾3-3中设有锁止弹簧3-11，通过锁止勾释放杆3-10与锁止勾3-3的配合保证锁止勾释放杆3-10只有竖直运动一个自由度。锁止勾释放杆3-10与凸轮3-7的表面相接触，由凸轮3-7的转程控制锁止勾释放杆3-10的伸缩；大腿连接板3-1通过卡扣与大腿绑缚1连接，小腿连接板3-8通过卡扣与小腿绑缚3连接，组成整套的基于步态规律间歇支撑的膝关节损伤防护外骨骼装置。
10.大腿连接板通过滑块可以上下移动，但是在人穿着以后由于大腿绑缚机构是固定的，因此大腿连接板也是固定不动。类似于大腿连接板，中滑块与下滑块同样也是通过滑块与滑轨连接，可以上下移动。小腿连接板与小腿绑缚机构连接。在人体行走时，小腿摆动带动连接板摆动，以此来带动凸轮与曲柄转动，连杆带动下滑块向上运动，推动中滑块向上运动来压缩承力弹簧，形成承力链来分担膝关节的受力，达到保护膝关节的作用。
11.为了达到根据步态规律起支撑作用的目的，小腿在支撑期往后摆动大约30
°
时，下滑块与中滑块向上运动到最高点。中滑块在最高点会被锁止勾固定，不会随着小腿的继续摆动向下运动，这就保证了在摆动期承力弹簧产生的力不会作用于膝盖。到了摆动期小腿达到最大运动角度60度左右时，凸轮转动带动锁止勾释放杆向上运动，锁止勾释放杆的上端作用于锁止勾，会将锁止勾打开，以此释放中滑块，在下一个支撑期，中滑块恢复原本的职能，以此往复。
12.本发明还提供了一种基于步态规律间歇支撑的膝关节损伤防护外骨骼装置的工作方法，包括以下步骤：
13.步骤1：将一种基于步态规律间歇支撑的膝关节损伤防护外骨骼装置通过大腿绑缚机构和小腿绑缚机构牢靠的绑缚在人的下肢上，保证膝关节损伤防护装置中凸轮的旋转中心与人体膝关节对准。
14.步骤2：人体运动在支撑期开始到支撑期结束，小腿向后摆动30度，此时曲柄带动连杆推动下滑块向上运动，推动中滑块到达可运动的最高点，锁止勾将中滑块固定。
15.步骤3：人体运动在摆动期开始到摆动期结束，小腿向后摆动60度，此时凸轮转动推动锁止勾释放杆到达最高点推开锁止勾。释放中滑块，回到步骤1原始状态。以此往复。
16.与现有技术相比较，本发明的基于步态规律间歇支撑的膝关节损伤防护外骨骼装置，采用并联分力的方式减小膝关节在支撑期所受的冲击，减小作用在膝关节的内力，降低膝关节所受的伤害。
17.为适应人体的步态运动规律，采用间歇机构来完成支撑期形成传力链，在摆动期解开传力链。这样实现了摆动期不影响人体运动，在支撑期传力减小膝关节内力保护膝关节的功能。
18.综上，基于步态规律间歇支撑的膝关节损伤防护外骨骼装置在支撑期形成并联在膝关节外侧传力链，将人体上肢原本作用在膝关节上的内力分担到膝关节外侧传力链与膝关节，这样减小了膝关节内力起到了保护膝关节的作用。在摆动期传力链解开，不会有力作用在膝关节。这样在摆动期不会影响人体正常的运动。
附图说明
19.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的限定。还应当理解，这些附图是为了简化和清楚而示出的，并且不一定按比例绘制。现在将通过使用附图以附加的特征和细节来描述和解释本发明，其中：
20.图1为本发明实施例中装置的整体图；
21.图2为发明实施例中膝关节损伤防护装置；
22.图3为发明实施例中膝关节损伤防护装置(除去保护外壳外壳)；
23.图4为发明实施例中中滑块的结构示意图；
24.图5为发明实施例中膝关节凸轮与曲柄组合的结构示意图；
25.图6为发明实施例中装置整体运动根据步态不同运动状态示意图；a为初始状态运动状态示意图；b为支撑期结束时运动状态示意图；c为摆动期结束时运动状态示意图。
26.图中：1、大腿绑缚机构，2、膝关节损伤防护装置，3、膝关节损伤防护装置(除去保护外壳外壳)：3-1、大腿连接板；3-2、承力弹簧；3-3、锁止勾；3-4、中滑块；3-5、下滑块；3-6、曲柄；3-7、凸轮；3-8、小腿连接板；3-9、连杆；3-10、锁止勾释放杆；3-11、锁止弹簧；3-12、滑块；3-13、滑轨。
具体实施方式
27.下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
28.实施例一
29.如图1所示，本实施例提供了一种基于步态规律间歇支撑的膝关节损伤防护外骨骼装置，包括：
30.大腿绑缚机构1，作为与人体大腿连接的部分，保证整体机构功能的可靠性与稳定性。
31.膝关节损伤防护装置2，作为整套装置的核心部分，包括实现摆动期与支撑期分不同功能的间歇机构以及保证实现传力链形成的曲柄滑块机构。
32.小腿绑缚机构3，作为与人体小腿连接的部分，保证整体机构功能的可靠性与稳定性。
33.如图初始状态运动状态示意图6中的a所示，此时为支撑期开始时装置在腿部的状态。此时承力弹簧3-2处于原始状态，没有被压缩，因此承力弹簧3-2不具备传力的作用。此时中滑块3-4与下滑块3-5接触。
34.图6中，当步态周期开始，支撑期开始到支撑期结束，本发明状态从初始状态运动状态示意图a逐渐来到支撑期结束时运动状态示意图b。在这个过程中曲柄3-7绕着旋转中心顺时针转动，带动连杆3-10运动。下滑块3-5逐渐向上运动，推动中滑块3-4向上压缩承力弹簧3-2。在支撑过程中大腿绑缚机构1、大腿连接板3-1、承力弹簧3-2、中滑块3-4、下滑块3-5、连杆3-10、曲柄3-6、小腿连接板3-8、连杆3-9形成传力链，与人体大腿-膝盖-小腿传力链并联共同分担人体上肢在支撑期对膝关节产生的冲击，从而减小膝关节内力，起到保护膝关节的作用。与此同时，中滑块3-4在达到最高点是与锁止勾3-3配合，在最高点锁止。
35.图6中，在支撑期结束即摆动期开始到摆动期结束，本发明的运动状态从摆动期结束时运动状态示意图b逐渐到摆动期结束时运动状态示意图c。这个过程中锁止勾3-3一直锁止，中滑块3-4一直处于最高点，而下滑块3-5一直不与中滑块3-4接触，因此本发明在支撑期形成的传力链断开，在摆动期不影响正常的人体运动。当来到摆动期小腿最大弯角60
°
时，凸轮3-7到达最大转角，锁止勾释放杆3-10到达最高点作用于锁止勾3-3，打开锁止勾3-3。中滑块3-4在承力弹簧3-2的作用下向下移动，与下滑块3-4接触。重新来到摆动期开始，以此往复。
36.本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，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作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

技术特征：
1.一种基于步态规律间歇支撑的膝关节损伤防护外骨骼装置，其特征在于，包括：大腿绑缚机构，用于与人体的大腿连接；膝关节损伤防护装置，包括大腿连接板、承力弹簧、锁止勾、中滑块、下滑块、曲柄、凸轮、小腿连接板、连杆、锁止勾释放杆、锁止弹簧以及滑块、滑轨；大腿连接板、中滑块与下滑块通过螺栓与滑块连接，滑块通过滑轨固定在膝关节损伤防护装置的外壳上；承力弹簧的外径卡在大腿连接板下侧的孔中，内径安装在中滑块的凸台上，承力弹簧固定在大腿连接板、中滑块之间，承力弹簧由大腿连接板和中滑块进行压缩；曲柄与凸轮通过轴连接的方式与小腿连接板固定在一起，小腿连接板能够带动曲柄与凸轮围绕着轴转动；连杆两端分别用销钉与下滑块与曲柄连接在一起；锁止勾通过轴肩螺栓与膝关节损伤防护装置的外壳连接，使用轴肩螺栓保证锁止勾能够旋转；膝关节损伤防护装置的外壳上设有导向孔，锁止勾释放杆通过导向孔滑动安装在膝关节损伤防护装置的外壳上，锁止勾中设有锁止弹簧，通过锁止勾释放杆与锁止勾的配合保证锁止勾释放杆只有竖直运动一个自由度；锁止勾释放杆与凸轮的表面相接触，由凸轮的转程控制锁止勾释放杆的伸缩；大腿连接板通过卡扣与大腿绑缚连接，小腿连接板通过卡扣与小腿绑缚连接。2.如权利要求1所述一种基于步态规律间歇支撑的膝关节损伤防护外骨骼装置，其特征在于，整套外骨骼装置与大腿-膝盖-小腿人体下肢的传力链形成并联，通过增加传力途径的方式来分担膝关节原本的受力，减小膝关节内力起到保护膝关节的作用。3.如权利要求1所述一种基于步态规律间歇支撑的膝关节损伤防护外骨骼装置，其特征在于，支撑期膝关节承受力的时候，在支撑期分担膝关节内力起到防护膝关节的作用；在摆动期能够保证不对膝关节产生负担，不影响人体的正常运动。4.如权利要求1所述一种基于步态规律间歇支撑的膝关节损伤防护外骨骼装置，其特征在于，根据人体步态规律的膝关节角度，曲柄滑块机构与凸轮机构结合。5.如权利要求1-4任一所述的一种基于步态规律间歇支撑的膝关节损伤防护外骨骼装置，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：将一种基于步态规律间歇支撑的膝关节损伤防护外骨骼装置通过大腿绑缚机构和小腿绑缚机构牢靠的绑缚在人的下肢上，保证膝关节损伤防护装置中凸轮的旋转中心与人体膝关节对准；步骤2：人体运动在支撑期开始到支撑期结束，小腿向后摆动30度，此时曲柄带动连杆推动下滑块向上运动，推动中滑块到达可运动的最高点，锁止勾将中滑块固定；步骤3：人体运动在摆动期开始到摆动期结束，小腿向后摆动60度，此时凸轮转动推动锁止勾释放杆到达最高点推开锁止勾；释放中滑块，回到步骤1原始状态。

技术总结
本发明公开了一种基于步态规律间歇支撑的膝关节损伤防护外骨骼装置，将膝关节承受的冲击承于并联在膝关节外侧的外骨骼并传递到小腿，减小膝关节内力，起到防治慢性膝关节疾病的作用。基于步态规律间歇支撑的膝关节损伤防护外骨骼装置，采用并联分力的方式减小膝关节在支撑期所受的冲击，减小作用在膝关节的内力，降低膝关节所受的伤害。采用间歇机构来完成支撑期形成传力链，在摆动期解开传力链。这样实现了摆动期不影响人体运动，在支撑期传力减小膝关节内力保护膝关节的功能。在摆动期传力链解开，不会有力作用在膝关节。这样在摆动期不会影响人体正常的运动。期不会影响人体正常的运动。期不会影响人体正常的运动。


技术研发人员：马建峰 马卿林
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：2023.04.20
技术公布日：2023/7/20