本發(fā)明屬于膝關(guān)節(jié)輔助器械和柔性行走輔助裝備領(lǐng)域，特別涉及一種適用于下肢運(yùn)動(dòng)能力下降或者下肢運(yùn)動(dòng)部分失能人群的便攜式柔性行走輔助裝備。

背景技術(shù)：

由于生理機(jī)能的衰退，人在從中年到老年的衰老過(guò)程中，存在著站立及行走晃動(dòng)不穩(wěn)、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)幅度減小以及韌帶彈性和絕對(duì)肌力下降等現(xiàn)象。研究表明，摔倒是造成75歲以上老年人突發(fā)性死亡的首要原因。這當(dāng)中很大一部分原因是同膝關(guān)節(jié)生理退化與損傷有關(guān)。由此給老年人生活帶來(lái)了極大的不便，生活質(zhì)量得不到保證，嚴(yán)重?fù)p害身心健康。而在我國(guó)，針對(duì)老年人的輔助器械的開(kāi)發(fā)與研究還較落后，不能滿足市場(chǎng)的需求，開(kāi)發(fā)與老年人相適應(yīng)的各類輔助器械，滿足老年人的生理與心理需求是勢(shì)在必行的課題。

目前國(guó)內(nèi)外成熟的輔助行走產(chǎn)品主要有：拐杖、助步架、無(wú)動(dòng)力輪椅等。此類輔助器產(chǎn)品雖然能夠起到幫助老年人或者下肢部分失能患者保持行動(dòng)平衡或代步移動(dòng)的作用，但由于其沒(méi)有動(dòng)力，需要借助上肢的力量，會(huì)使人感到行走費(fèi)力。此外，外骨骼機(jī)器人也是目前行走輔助研究的熱點(diǎn)，但是其體積和重量較大，剛性機(jī)構(gòu)慣性大，舒適性較差，目前尚未實(shí)際應(yīng)用到下肢運(yùn)動(dòng)能力下降或者下肢運(yùn)動(dòng)部分失能人群的日常行走中。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供了一種適用于下肢運(yùn)動(dòng)能力下降或者下肢運(yùn)動(dòng)部分失能人群的便攜式柔性行走輔助裝備。

柔性行走輔助裝備是以人的自重為裝備的驅(qū)動(dòng)力，不需要其他外部能量輸 入；裝備采用氣囊增壓與扭力彈簧蓄能相結(jié)合的方式，在人行走過(guò)程中提供作用于輔助膝關(guān)節(jié)彎曲和伸展的轉(zhuǎn)矩。具體的，在人行走過(guò)程中，依靠自重雙腳交替踩腳下氣壓形成機(jī)構(gòu)，氣壓形成機(jī)構(gòu)中的氣囊組件與膝關(guān)節(jié)柔性執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣囊形成氣壓閉合回路，使膝關(guān)節(jié)柔性執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣囊壓強(qiáng)快速增大或減小，膝關(guān)節(jié)柔性執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣囊和扭力彈簧配合形成一對(duì)作用力與反作用，產(chǎn)生輔助膝蓋彎曲、伸展的轉(zhuǎn)矩，達(dá)到輔助老年人和下肢部分失能患者行走的目的，并且可以幫助老年人和下肢部分失能患者改善肌肉活力，提高他們的自理能力和健康狀況。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

一種便攜式柔性行走輔助裝備，包括：

膝關(guān)節(jié)柔性執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是裝備作用于左腿和右腿膝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)矩柔性執(zhí)行部件，在跨步過(guò)程中為膝關(guān)節(jié)提供輔助伸展和彎曲的轉(zhuǎn)矩；

氣壓形成機(jī)構(gòu)，是用于為膝關(guān)節(jié)柔性執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供正壓和負(fù)壓的氣壓動(dòng)力源；

柔性固定帶，以及柔性固定材料，用于將膝關(guān)節(jié)柔性執(zhí)行機(jī)構(gòu)固定在大腿、膝關(guān)節(jié)和小腿相應(yīng)的位置。

氣管，是氣壓形成機(jī)構(gòu)與膝關(guān)節(jié)柔性執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間氣壓輸送通道。

其中，在人行走過(guò)程中，所述氣壓形成機(jī)構(gòu)使膝關(guān)節(jié)柔性執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣囊壓強(qiáng)快速增大或減小，膝關(guān)節(jié)柔性執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生輔助膝蓋彎曲、伸展的轉(zhuǎn)矩。

優(yōu)選地，所述膝關(guān)節(jié)柔性執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括氣囊、大腿固定板、小腿固定板、扭力彈簧保護(hù)蓋、扭力彈簧壓板、緊固件、扭力彈簧、轉(zhuǎn)軸、軸承以及扭力彈簧固定件。

優(yōu)選地，所述氣囊使用時(shí)對(duì)應(yīng)膝蓋側(cè)，隨著腳下氣壓形成機(jī)構(gòu)對(duì)所述氣囊輸入正壓增大，所述氣囊壓強(qiáng)逐漸增大，并可以克服所述扭力彈簧的彈力，由無(wú)壓力、無(wú)固定角度狀態(tài)變成180°的固定角度，并具有較強(qiáng)的壓力，為膝關(guān)節(jié)提供伸展的轉(zhuǎn)矩，即輔助膝關(guān)節(jié)繃直，此時(shí)扭力彈簧的扭轉(zhuǎn)力最大；當(dāng)所述氣壓形成機(jī)構(gòu)對(duì)所述氣囊沒(méi)有壓力輸入作用，所述扭力彈簧受扭轉(zhuǎn)力的作用逐漸恢復(fù)到自由位置，為膝關(guān)節(jié)提供跨步彎曲的轉(zhuǎn)矩，并且受彈簧扭轉(zhuǎn)力作用，氣囊內(nèi)的氣壓逐漸降低，氣囊內(nèi)的氣體開(kāi)始回流到氣壓形成機(jī)構(gòu)。

優(yōu)選地，所述的氣囊采用TPU高強(qiáng)度復(fù)合布，經(jīng)熱粘合焊接定型工藝制成橫截面為四邊形的柱型結(jié)構(gòu)形式。

優(yōu)選地，所述大腿固定板、小腿固定板采用高強(qiáng)度碳纖維材料制成，也可采用比剛度較高的鎂鋁合金金、硬鋁合金等材料，分別通過(guò)鉚釘固定在所述氣囊邊緣的TPU高強(qiáng)度復(fù)合布安裝面上。

優(yōu)選地，所述氣壓形成機(jī)構(gòu)包括氣囊組件、壓板、復(fù)合基板、鉸鏈、防滑橡膠墊、橡膠墊、光桿、壓縮彈簧、防脫螺母以及彈性固定帶。

優(yōu)選地，所述氣壓形成機(jī)構(gòu)為所述膝關(guān)節(jié)柔性執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供正壓和負(fù)壓的氣壓動(dòng)力源；

在人跨步時(shí)，當(dāng)落地腳踏在氣壓形成機(jī)構(gòu)上，腳下氣壓形成機(jī)構(gòu)的壓板受人的自重作用沿復(fù)合基板上的光桿向下運(yùn)動(dòng)壓縮氣囊組件，氣囊組件中氣體被擠壓進(jìn)入該側(cè)腿的膝關(guān)節(jié)柔性執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的氣囊中，氣囊壓力不斷增大，形成使膝關(guān)節(jié)伸展的轉(zhuǎn)矩，輔助小腿完成伸直的動(dòng)作；

當(dāng)腳抬起時(shí)，由于不受體重的作用，氣壓形成機(jī)構(gòu)的壓板在壓縮彈簧的回復(fù)力作用下向上反彈，氣囊由于無(wú)壓力作用，加上膝關(guān)節(jié)柔性執(zhí)行機(jī)構(gòu)中扭力彈簧扭轉(zhuǎn)力作用，被壓縮到膝關(guān)節(jié)柔性執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣囊的氣體將迅速回流到氣壓 形成機(jī)構(gòu)的氣囊中，實(shí)現(xiàn)兩者氣壓的平衡，形成使膝關(guān)節(jié)彎曲的轉(zhuǎn)矩，輔助小腿完成彎曲和邁步的動(dòng)作。

優(yōu)選地，所述的氣囊組件包括楔形橡膠內(nèi)膽和尼龍保護(hù)套。

優(yōu)選地，所述的壓縮彈簧、兩端有螺紋的光桿以及防脫螺母構(gòu)成彈簧組件；復(fù)合基板和壓板在后端通過(guò)彈簧組件限位，主要作用是使壓板沿著固定在復(fù)合基板上的光桿做固定軌跡的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并且能夠在氣壓形成機(jī)構(gòu)受踩壓時(shí)將人的一部分重力勢(shì)能存儲(chǔ)為彈性勢(shì)能，并在氣壓形成機(jī)構(gòu)不受外力時(shí)將存儲(chǔ)的彈性勢(shì)能釋放，將氣壓形成機(jī)構(gòu)的壓板和復(fù)合基板彈開(kāi)，促進(jìn)氣壓形成機(jī)構(gòu)的氣囊氣壓回流。

優(yōu)選地，所述的彈性固定帶采用尼龍材料制成，通過(guò)鉚釘固定在所述氣壓形成機(jī)構(gòu)的壓板上。

優(yōu)選地，所述的氣管采用PVC軟管或者硅膠管。

本發(fā)明優(yōu)異的效果是：

1)相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明便攜式柔性行走輔助裝備具有不需要外界能量輸入的特點(diǎn)：裝備采用人的自重作為裝備的驅(qū)動(dòng)力，不需要其他外帶能源，如：電流、氣泵等形式的能量輸入，突破了目前一般輔助行走裝備，如外骨骼機(jī)器人對(duì)外帶能源的依賴，直接減小了裝備的體積和質(zhì)量，使裝備更加地便攜。

2)相比現(xiàn)有技術(shù)，裝備執(zhí)行部分采用氣囊氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)和扭力彈簧相結(jié)合的柔性驅(qū)動(dòng)方式，氣囊氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)力與扭力彈簧彈力形成一對(duì)作用力和反作用力，二者在人邁步過(guò)程中相互補(bǔ)償，形成提供輔助膝關(guān)節(jié)伸展和彎曲的轉(zhuǎn)矩。

3)相比現(xiàn)有技術(shù)，本裝備采用氣動(dòng)和扭力彈簧彈性相結(jié)合的驅(qū)動(dòng)方式，結(jié)構(gòu)慣性小，克服了一般腿部助力裝備或者外骨骼機(jī)器人等剛性機(jī)構(gòu)慣性大，容 易造成人膝關(guān)節(jié)損傷，舒適性差等缺點(diǎn)，提高了裝備的安全性和舒適性。

因此，本發(fā)明以人的自重為裝備的驅(qū)動(dòng)力，不需要其他外部能量輸入，克服了目前一般輔助行走裝備對(duì)外帶能源的依賴，直接減小了裝備的體積和質(zhì)量，提高了裝備的便攜性。另外,本發(fā)明在人行走過(guò)程中，由于氣壓形成機(jī)構(gòu)的氣囊組件與膝關(guān)節(jié)柔性執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣囊形成閉合回路，依靠自重雙腳交替壓縮腳底氣壓形成機(jī)構(gòu)的氣囊組件，使膝關(guān)節(jié)柔性執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣囊壓強(qiáng)快速增大或減小，膝關(guān)節(jié)柔性執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的氣囊氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)和扭力彈簧配合形成一對(duì)作用力與反作用，產(chǎn)生輔助膝關(guān)節(jié)彎曲、伸展的轉(zhuǎn)矩，達(dá)到輔助老年人和下肢部分失能患者行走的目的，并且可以幫助老年人和下肢部分失能患者改善肌肉活力，提高他們的自理能力和健康狀況。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的便攜式柔性行走輔助裝備的組成圖。

圖2是圖1中的膝關(guān)節(jié)柔性執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成圖。

圖3是圖1中的膝關(guān)節(jié)柔性執(zhí)行機(jī)構(gòu)中扭力彈簧的安裝圖。

圖4是圖1中的氣壓形成機(jī)構(gòu)組成圖。

其中各附圖標(biāo)記含義如下：

1.膝關(guān)節(jié)柔性執(zhí)行機(jī)構(gòu)；2.氣壓形成機(jī)構(gòu)；3.柔性固定帶；4.氣管；

101.氣囊；102.大腿固定板；103.小腿固定板；104.扭力彈簧保護(hù)蓋；105.扭力彈簧壓板；106.緊固件；107.扭力彈簧；108.轉(zhuǎn)軸；109.軸承；110.扭力彈簧固定件；

201.氣囊組件；202.壓板；203.復(fù)合基板；204.鉸鏈；205.防滑橡膠墊；206.橡膠墊；207.光桿；208.壓縮彈簧；209.防脫螺母；210.彈性固定帶。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施案例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不作為對(duì)本發(fā)明的限定。

如圖1所示，適用于下肢運(yùn)動(dòng)能力下降人群的便攜式柔性行走輔助裝備，該裝備主要由膝關(guān)節(jié)柔性執(zhí)行機(jī)構(gòu)1、氣壓形成機(jī)構(gòu)2、柔性固定帶3以及氣管4等組成。

如圖2-3所示，膝關(guān)節(jié)柔性執(zhí)行機(jī)構(gòu)中包括氣囊101、大腿固定板102、小腿固定板103、扭力彈簧保護(hù)蓋104、扭力彈簧壓板105、緊固件106、扭力彈簧107、轉(zhuǎn)軸108、軸承109以及扭力彈簧固定件110等。

大腿固定板102和小腿固定板103通過(guò)轉(zhuǎn)軸108和軸承109連接，大腿固定板102上有對(duì)小腿固定板103的可調(diào)節(jié)限位臺(tái)，可根據(jù)用戶跨步過(guò)程中膝關(guān)節(jié)伸展和彎曲的最大和最小角度進(jìn)行調(diào)整，并通過(guò)螺釘緊固件固定，從而實(shí)現(xiàn)小腿固定板103繞轉(zhuǎn)軸在固定角度范圍內(nèi)的旋轉(zhuǎn)。扭力彈簧107安裝在轉(zhuǎn)軸上108，并通過(guò)扭力彈簧壓板105、扭力彈簧固定件110以及緊固件106等分別固定在大腿固定板102和小腿固定板103上，然后外部有扭力彈簧保護(hù)蓋104進(jìn)行封閉保護(hù)。大腿固定板102、小腿固定板103采用高強(qiáng)度碳纖維材料制成，也可采用比剛度較高的鎂鋁合金金、硬鋁合金等材料，分別通過(guò)鉚釘固定在所述氣囊101邊緣的TPU高強(qiáng)度復(fù)合布安裝面上。

所述氣囊101采用TPU高強(qiáng)度復(fù)合布，經(jīng)熱粘合焊接定型工藝制成橫截面為四邊形的柱型結(jié)構(gòu)形式，充氣后有固定角度，并具有較強(qiáng)的壓力。所述氣囊101使用時(shí)氣囊101對(duì)應(yīng)膝蓋側(cè)，對(duì)應(yīng)的，大腿固定板102和小腿固定板103在膝關(guān)節(jié)窩側(cè)。膝關(guān)節(jié)柔性執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是依靠氣囊101氣壓與扭力彈簧107扭轉(zhuǎn)力實(shí)現(xiàn)輔助膝關(guān)節(jié)伸展和彎曲的。具體說(shuō)，氣囊101與扭力彈簧107形成一 對(duì)作用力和反作用力，當(dāng)氣囊101內(nèi)的氣壓不斷增大時(shí)，可以克服扭力彈簧107的扭轉(zhuǎn)力，由無(wú)壓力、無(wú)固定角度狀態(tài)逐漸變成180°，也即為膝關(guān)節(jié)提供伸展的轉(zhuǎn)矩，即輔助膝關(guān)節(jié)繃直，此時(shí)扭力彈簧的扭轉(zhuǎn)力最大。當(dāng)氣囊內(nèi)壓強(qiáng)逐漸變小時(shí)，膝關(guān)節(jié)柔性執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要受扭力彈簧107作用，扭力彈簧受扭轉(zhuǎn)力的作用逐漸恢復(fù)到自由位置，為膝關(guān)節(jié)提供跨步彎曲的轉(zhuǎn)矩。

如圖4所示，氣壓形成機(jī)構(gòu)2主要包括氣囊組件201、壓板202、復(fù)合基板203、鉸鏈204、防滑橡膠墊205、橡膠墊206、光桿207、壓縮彈簧208、防脫螺母209、彈性固定帶210等。壓板202和復(fù)合基板203采用鉸鏈連接形式。壓板202通過(guò)鉚釘固定在折頁(yè)鉸鏈204一端，壓板202折頁(yè)鉸鏈204之間有橡膠墊206。復(fù)合基板203通過(guò)鉚釘固定在折頁(yè)鉸鏈204的另一端。壓板202與復(fù)合基板203之間是氣囊組件201，氣囊組件201由楔形橡膠內(nèi)膽和尼龍保護(hù)套組成。復(fù)合基板203下部是防滑橡膠墊205，防滑橡膠墊205形成摩擦面與地面直接接觸，起防滑作用。光桿207、壓縮彈簧208以及防脫螺母209構(gòu)成彈簧組件，復(fù)合基板203和壓板202在后端通過(guò)此彈簧組件進(jìn)行限位，主要作用是使壓板202沿著固定在復(fù)合基板203上的光桿207做固定軌跡的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并且能夠在氣壓形成機(jī)構(gòu)2受踩壓時(shí)將人的一部分重力勢(shì)能存儲(chǔ)為彈性勢(shì)能，并在氣壓形成機(jī)構(gòu)2不受外力時(shí)將存儲(chǔ)的彈性勢(shì)能釋放，將氣壓形成機(jī)構(gòu)2的壓板202和復(fù)合基板203彈開(kāi)，促進(jìn)氣壓形成機(jī)構(gòu)2的氣囊組件201氣壓回流。彈性固定帶210鉚接在壓板202上，用戶可以直接將氣壓形成機(jī)構(gòu)2穿在腳下，通過(guò)彈性固定帶210系緊固定。

如圖1-4所示，膝關(guān)節(jié)柔性執(zhí)行機(jī)構(gòu)1通過(guò)柔性固定帶3固定在大腿、小腿和膝關(guān)節(jié)相應(yīng)的位置上；氣壓形成機(jī)構(gòu)2通過(guò)彈性固定帶210系緊固定在腳下。以下在一個(gè)跨步周期內(nèi)對(duì)所述發(fā)明進(jìn)行介紹。當(dāng)右腳落地腳踏在氣壓形成 機(jī)構(gòu)2上，氣壓形成機(jī)構(gòu)2的壓板202受人的自重作用沿復(fù)合基板203上的光桿207向下運(yùn)動(dòng)，并壓縮所述氣囊組件201，所述氣囊組件201中的氣體受壓力作用被擠壓進(jìn)入右腿膝關(guān)節(jié)柔性執(zhí)行機(jī)構(gòu)1的氣囊101中，氣囊101壓力迅速增大，由于所述氣囊101是經(jīng)熱粘合焊接定型工藝制成的特定角度形式，隨著內(nèi)部的氣壓逐漸增大，氣囊101的上下兩部分由無(wú)壓力無(wú)固定角度狀態(tài)變成180°的固定角度，并具有較強(qiáng)的壓力，且能夠克服扭力彈簧107的扭轉(zhuǎn)力矩，提供輔助右腿膝關(guān)節(jié)由彎曲到伸展的轉(zhuǎn)矩，輔助小腿完成伸直的動(dòng)作。隨后，右腳開(kāi)始抬起跨步，由于邁步后右腳不再受體重的壓力作用，所述右腳下氣壓形成機(jī)構(gòu)2的壓板202在壓縮彈簧208的回復(fù)力作用下向上反彈，氣壓形成機(jī)構(gòu)2中氣囊101由于無(wú)壓力作用，扭力彈簧107受自身扭轉(zhuǎn)力的作用有逐漸恢復(fù)到自由位置的趨勢(shì)，受到扭力彈簧107扭轉(zhuǎn)力矩作用，膝關(guān)節(jié)柔性執(zhí)行機(jī)構(gòu)1氣囊101的氣體將迅速回流到腳底氣壓動(dòng)力組件中氣囊，兩者實(shí)現(xiàn)氣壓的平衡；同時(shí)，扭力彈簧107為整個(gè)右腿膝關(guān)節(jié)柔性執(zhí)行機(jī)構(gòu)1提供了作用于右腿小腿的彎曲轉(zhuǎn)矩，輔助小腿完成彎曲和邁步動(dòng)作，然后右腳落地，左腳抬起，左腿膝關(guān)節(jié)柔性執(zhí)行機(jī)構(gòu)1和氣壓形成機(jī)構(gòu)2與右腿膝關(guān)節(jié)柔性執(zhí)行機(jī)構(gòu)1和氣壓形成機(jī)構(gòu)2工作原理一樣，從而實(shí)現(xiàn)在行走過(guò)程中達(dá)到輔助用戶行走的目的，并且可以幫助用戶改善肌肉活力。

以上所述的實(shí)施例，只是本發(fā)明較優(yōu)選的具體實(shí)施方式的一種，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)進(jìn)行的通常變化和替換都應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。