[發(fā)明專利]一種外骨骼用三自由度柔性踝關(guān)節(jié)裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510082305.6
• 申請日: 2015-02-15
• 公開（公告）號: CN104644381A
• 公開（公告）日: 2015-05-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王成軍;陳金燕;李龍;劉志衛(wèi);章天雨;沈豫浙;鄭艷
• 申請（專利權(quán)）人: 安徽理工大學(xué);王成軍
• 主分類號: A61H3/00
• 分類號: A61H3/00
• 代理公司: 無
• 代理人: 無

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于外骨骼設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及一種具有一個平移兩個轉(zhuǎn)動共三個運(yùn)動自由度的外骨骼用柔性踝關(guān)節(jié)裝置。

背景技術(shù)

踝關(guān)節(jié)扭傷在全身關(guān)節(jié)扭傷中發(fā)病率最高，極易造成韌帶拉傷甚至撕裂，傷后治療及康復(fù)過程難度較大，且由于關(guān)節(jié)內(nèi)軟組織損傷，部分傷者的行走疼痛癥狀長期不愈可達(dá)數(shù)十年，容易復(fù)發(fā)造成陳舊性扭傷，從而引起肌肉痙攣及神經(jīng)末梢的炎性應(yīng)激反應(yīng)，嚴(yán)重者造成腓腸肌、比目魚肌等驅(qū)動踝關(guān)節(jié)產(chǎn)生跖屈的主要肌群的不可逆損傷，影響響應(yīng)時間、收縮量及收縮強(qiáng)度等，最終形成踝關(guān)節(jié)功能性穩(wěn)定障礙。腳踝也是人類保持各種執(zhí)行動作的關(guān)鍵部位，也是較敏感易扭傷的地方，在軍事和醫(yī)療等領(lǐng)域需要外骨骼裝置對腳踝加以保護(hù)或康復(fù)治療。機(jī)械外骨骼是一種結(jié)合了人的智能和機(jī)器人機(jī)械能量的人機(jī)結(jié)合可穿戴裝備。機(jī)械外骨骼技術(shù)在許多領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用前景。在軍事領(lǐng)域，腳踝外骨骼能夠提高士兵的彈跳力、負(fù)載、機(jī)動等能力，腳踝外骨骼是在戰(zhàn)斗中保護(hù)士兵、減少傷亡率、增加士兵的作戰(zhàn)執(zhí)行力的有效保障；在高危險高強(qiáng)度作業(yè)領(lǐng)域，如搶救、救災(zāi)、火災(zāi)等現(xiàn)場作業(yè)時，車輛又無法使用的情況下，腳踝外骨骼能夠有效的增加作業(yè)人員負(fù)重能力，是作業(yè)人員及時有效的完成救護(hù)工作的有效保障；在醫(yī)療領(lǐng)域，機(jī)械外骨骼可以用于輔助殘疾人、老年人及下肢肌無力和下肢截癱患者行走，也可以幫助他們進(jìn)行強(qiáng)迫性康復(fù)運(yùn)動等，具有很好的發(fā)展前景。

此外，下肢助力外骨骼作為一種負(fù)重行走的助力器械，可以幫助救援人員背負(fù)更多的救生器材等物資在普通運(yùn)輸工具無法行進(jìn)的地震、泥石流等災(zāi)害現(xiàn)場進(jìn)行作業(yè)；在地形復(fù)雜的作戰(zhàn)區(qū)域，可以幫助戰(zhàn)士攜帶更多的武器裝備做長距離的行軍。而對人體下肢動力學(xué)特性的研究發(fā)現(xiàn)，在下肢各關(guān)節(jié)中，踝關(guān)節(jié)在腳跟觸地緩沖階段、跖屈蹬地前行階段均具有重要的作用，同時，由于膝關(guān)節(jié)基本不具備額狀面內(nèi)的自由度，故而行走平衡性的保持由髖關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)在額狀面內(nèi)的側(cè)向轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)，因此，有必要研究滿足這些要求的外骨骼的踝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)。

可見，無論是作為一種能夠?qū)︴钻P(guān)節(jié)扭傷者進(jìn)行行走輔助的康復(fù)器械，還是作為用于武裝行軍、災(zāi)害救援的下肢外骨骼的重要組成部分或者專用的踝關(guān)節(jié)外骨骼，外骨骼踝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的研究都具有極大的實(shí)用價值和研究意義。

在外骨骼踝關(guān)節(jié)的機(jī)構(gòu)設(shè)計中，首先必須保證自由度的設(shè)置滿足人體在正常行走過程中的踝關(guān)節(jié)運(yùn)動規(guī)律，以使得使用者的行走運(yùn)動不受外骨骼踝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)自由度的限制。而目前市場上廣泛存在的踝關(guān)節(jié)的康復(fù)設(shè)備、矯形器或外骨骼都是使踝關(guān)節(jié)進(jìn)行跖屈/背屈的單一運(yùn)動，而依據(jù)人體生物解剖學(xué)，踝關(guān)節(jié)在做跖屈/背屈運(yùn)動時，并不是單自由度的運(yùn)動，而是會耦合著其它五個自由度(內(nèi)/外翻、內(nèi)/外旋、三個直線位移)的運(yùn)動。其中最主要的是同時伴隨著在冠狀面的內(nèi)/外翻運(yùn)動(7°)、沿矢狀軸的直線運(yùn)動(12mm)和水平面的內(nèi)/外旋運(yùn)動(7.6°)。另外，如果強(qiáng)制做單一方向運(yùn)動的話，也是對踝關(guān)節(jié)的再次損傷，而且舒適性、安全性、適應(yīng)性及康復(fù)效果都很差。

腳踝外骨骼無論是提高穿戴者機(jī)動能力、負(fù)重能力，還是輔助老年人行走或輔助醫(yī)療康復(fù)訓(xùn)練功能，均要求腳踝外骨骼有一定的輔助支撐作用，更需具有類似人體骨骼的自由度。而現(xiàn)有的腳踝外骨骼大部分都是腳踝助行器外骨骼或輔助康復(fù)訓(xùn)練的外骨骼。公開號為CN200410053695.6和CN200420081797.4的發(fā)明公開了兩種醫(yī)療器械領(lǐng)域的下肢步行外骨骼，該發(fā)明可在一定程度上減輕步行者疲勞，增強(qiáng)人體攜帶重物運(yùn)動的能力，作為下肢截肢病人或者肌肉萎縮病人的助行器。但該發(fā)明結(jié)構(gòu)體積大，步行時難以克服行走時來自地面的沖擊，且穿戴著的腳踝的運(yùn)動自由度有限，長期穿戴會給穿戴者帶來一定的不舒適感和疲勞感，同時由于它的功能單一使該發(fā)明應(yīng)用領(lǐng)域有限。公開號為CN200910111110.4的發(fā)明公布了兩自由度康復(fù)器，該發(fā)明實(shí)現(xiàn)了腳踝的內(nèi)翻/外翻動和外展/內(nèi)收動作。該發(fā)明雖然實(shí)現(xiàn)了腳踝的兩個自由度動作，但仍不能克服行走時來自地面的沖擊，其外展/內(nèi)翻這一動作實(shí)施時可控性不便，控制不好更容易崴腳，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜實(shí)施不夠便捷，應(yīng)用領(lǐng)域也僅限于醫(yī)療器械。申請?zhí)枮?01410208291.3的中國專利公開了一種康復(fù)訓(xùn)練用的多自由度的踝關(guān)節(jié)動力外骨骼，可以自適應(yīng)踝關(guān)節(jié)的內(nèi)/外翻、內(nèi)/外旋和沿矢狀軸前后移動的三類耦合運(yùn)動。但該技術(shù)方案僅適合于康復(fù)運(yùn)動中的被動訓(xùn)練用，不適合于穿戴使用。

目前，總體上對腳踝外骨骼方面的研究不是很多，且大部分腳踝外骨骼僅應(yīng)用在醫(yī)療輔助腳踝康復(fù)領(lǐng)域，在其它領(lǐng)域的研究甚少，迫切需要自由度多、穩(wěn)定性高、穿著舒適、應(yīng)用廣泛的腳踝外骨骼裝置。

發(fā)明內(nèi)容