可穿戴式腰椎成角度牵引外骨骼的器械的制作方法

1.本实用新型属于可穿戴式腰椎成角度牵引外骨骼的设备，特别是一种可穿戴式腰椎成角度牵引外骨骼的器械。


背景技术：

2.目前认为腰椎间盘载荷失衡是导致其产生病变的主要原因，牵引作为一种物理治疗手段可显著减轻神经根所受机械压迫，纠正椎间盘载荷失衡，缓解椎旁肌痉挛，降低椎间盘突出程度。
3.腰椎牵引装置作为一种物理治疗仪器在预防和治疗腰椎间盘突出症、脊柱侧凸、慢性非特异性下腰痛等方面具有广泛应用。现存的腰椎牵引装置多为床式、座椅式、悬带式，体积与重量较大且无法随身携带，在牵引治疗过程中各节段腰椎间盘的牵引角度也无法调整。目前医院进行牵引治疗的患者依从性普遍较低，居家自主牵引治疗的患者其疗效也很难得到保证。与此同时，随着我国老龄化问题的加重，我们急需一类康复理疗设备，用以预防和治疗由于腰椎承压载荷失衡而引发的各类疾病。可居家自主使用的特点宏观来看能大幅减轻医院作业治疗的压力，外骨骼式设计则使装置同时具有成角度牵引各级腰椎、辅助行走、保护与支持人体躯干等功能。患者穿戴后在一定程度上可维持或提高其下肢运动功能，在预防失能与疾病的康复治疗领域具有广泛应用前景。
4.现阶段的脊柱牵引设备按不同作用部位可分为颈椎牵引设备和腰椎牵引设备，腰椎牵引设备主要呈现出腰椎牵引床、腰椎牵引座椅、腰椎牵引架等形态，现存腰椎牵引装置的种类繁多但大多存在体积庞大、无法携带、操作繁琐等短板。选择在医院进行治疗的患者往往需要定期前往治疗中心进行牵引治疗，且治疗过程较为枯燥，长期以往患者难免依从性下降，致使治疗效果大打折扣。选择居家牵引治疗的患者则面临着牵引设备相对缺乏、徒手牵引操作复杂、当前居家牵引治疗设备其牵引力度与角度无法精确控制等难题。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于提供一种可穿戴式腰椎成角度牵引外骨骼的器械，其结构合理，采用可穿戴式设计，便携性更高，具有牵引治疗、辅助行走、支持与保护人体躯干等功能，健康的个体也能穿戴此装备以预防脊柱载荷失衡所诱发的一系列疾病，可以实现牵引力数值可视与牵引力超限自动报警。
6.本实用新型的目的是这样实现的：一种可穿戴式腰椎成角度牵引外骨骼的器械, 由牵引力调节装置、牵引衣装置和下肢外骨骼辅助行走装置组成，牵引力调节装置的结构为在外壳内设置着具有棘轮机构的复合铰盘，其驱动齿轮传动的齿轮皮带连接着牵引带，牵引带连接着牵引衣装置的前、后吊带，牵引衣装置的结构为与人体后背曲线相适应的弹性背板，其正面上部的两侧分别设置着向前伸出的腋下支撑悬臂梁，在弹性背板上端设置着支承座，在支承座上设置的两根支撑柱与牵引力调节装置的外壳相连接，前、后吊带与弹性背板相连接的腋下绑带、胸部绑带以及腰部绑带构成牵引衣，弹性背板下部通过设置的
对称连接螺栓与下肢骨骼辅助行走装置的臀部横梁相连接，臀部横梁的两端连接着左、右腿辅助下肢，在辅助下肢的可调节踏板上设置着压力传感器，在辅助下肢的上端设置着液晶显示屏和蜂鸣器。
7.本实用新型采用可穿戴式设计，便携性更高，具有牵引治疗、辅助行走、支持与保护人体躯干等功能，健康的个体也能穿戴此装备以预防脊柱载荷失衡所诱发的一系列疾病，能够实现牵引力数值可视与牵引力超限自动报警。
8.主要功能：牵引力度可调节、对腋下神经压迫小、腰椎成角度牵引、辅助行走、支持与保护躯干、牵引力度可视化、具有牵引力超过自身最大承受极限自动报警功能等。在确定装置功能与技术特征后进行总体设计。
9.本实用新型主要包括牵引力调节装置、牵引衣装置、下肢外骨骼辅助行走装置、牵引力可视化及安全报警。
10.腋下支撑悬臂梁外形为半圆柱体，其内层采用abs材料制作，硬质材料支撑可将人体部分重力均匀分散到两侧腋下矢状轴上，避免腋下局部压力过大而产生的不适感。因人体腋下神经丰富，并且在长时间悬吊过程中承担较大压力，故选用柔软舒适的tpr材料包覆，能起到减少人体不适感与防止腋下支柱滑脱的作用。
11.牵引带与腋下支撑悬臂梁通过绑缚连接，悬臂梁与高强丙纶带连接处设计有凹槽，以防止高强丙纶带在牵引时滑动。
12.牵引力调节装置主要由：调节装置外壳、防形变套壳、转向托辊、复合绞盘、齿轮皮带收纳辊、复位杆构成。
13.调节装置外壳采用低碳钢作为骨架、聚氨酯材料作为蒙皮、聚氨基甲酸酯发泡体作为填充物。低碳钢骨架可以为复合绞盘提供足够的支撑，将高强丙纶带导轮、复合绞盘、高强丙纶带收纳辊受到的拉力传递给头枕杆，同时也能将调节装置内的硬质部件封闭在头枕内。为避免长时间悬吊导致头枕与悬吊带接触部分产生塌陷，故此在头枕顶部添加abs材质防形变套壳。套壳较短不与人体头部产生接触，不同身高使用者可通过调节头枕金属杆伸缩长度来避免使用过程中人体头部与防形变套壳接触所产生不适感。考虑到外骨骼在使用过程中可能会发生碰撞，尤其是意外滑倒时人体头部后方易先着地，此时头枕对人体头颈部将产生巨大作用力，因此在聚氨酯蒙皮内填充大量聚氨基甲酸酯发泡体用以吸收碰撞时产生的能量，保护人体头部的同时增加头枕整体柔软度，提高舒适感。
14.转向托辊选用圆柱轴芯不锈钢材质托辊，其中轴芯与低碳钢外壳相连，具有质量轻盈且摩擦阻力小的特点。托辊能够支撑高强丙纶带的拉力，同时改变高强丙纶带的拉力方向，将高强丙纶带的拉力传递给复合绞盘。
15.复合绞盘是由绞盘托辊、绞盘壳、防滑旋钮、齿轮、齿轮皮带、棘轮、止回棘爪、止回棘爪轴、止回棘爪座、复位弹簧构成。其中绞盘托辊选用圆柱轴芯不锈钢材质托辊；绞盘壳、齿轮、棘轮、止回棘爪、止回棘爪轴、止回棘爪座、选择低碳钢材料加工制作；齿轮皮带选用聚氨酯钢丝齿轮带；防滑旋钮采用abs材料制作，外层涂有防滑硅胶；复位弹簧选择304不锈钢压簧。绞盘托辊轴芯与绞盘壳、调节装置外壳相连，齿轮、棘轮、防滑旋钮则固定于绞盘托辊的滚筒上。高强丙纶带与齿轮皮带在转向托辊处相连，随后齿轮皮带与齿轮相咬合，终点固定于齿轮皮带收纳辊。当使用者穿戴好牵引衣装置后，可通过防滑旋钮自主调节牵引力度大小。选择好合适的牵引力度后棘轮与止回棘爪将绞盘托辊的滚筒固定于当前位置，齿
轮与齿轮皮带咬合，实现牵引位的固定。当使用者不需要牵引时，单手即可拉动复位拉杆实现装置复位。此时复位弹簧收缩，止回棘爪与棘轮分离，绞盘托辊的滚筒可顺时针转动，齿轮皮带松弛，牵引带进而松弛，牵引力消失。
16.齿轮皮带收纳辊由收纳轮轴、滚筒、加长弹簧构成。加长弹簧一端连接轴，另一端连接滚筒内侧，其主要功能是旋转自动收纳松弛的皮带齿轮。当滚筒旋转时，加长弹簧将滚筒转动的力量储存为弹性势能，在齿轮皮带松弛时将松弛部分卷在滚筒表面，防止齿轮皮带卡入其他传动机构中。
17.复位杆由d型把手、金属杆构成。金属杆底端与止回棘爪通过轴承相连，当复位杆向上拉动时，复位弹簧缩短，止回棘爪与棘轮断开连接，防滑旋钮、棘轮、齿轮可同步做顺时针旋转。此时齿轮皮带松弛，牵引力降低，完成装置复位。
18.牵引衣装置由高强丙纶带、可调节卡扣、腋下支撑悬臂梁组成。高强丙纶具有强度高、耐磨性强、比重轻、对化学药品稳定性好等特点，能够在悬吊人体时承受较大重量，故此选用高强丙纶材料加工制作牵引衣装置。此外，在牵引衣装置与人体腰部接触处，增加了高强丙纶带的宽度，旨在减少牵引过程中高强丙纶带对腰局部产生的压强。可调节卡扣选择聚碳酸酯材料设计制作，尾部设有可调节环扣与abs收末带，高强丙纶带可穿过环扣进行长度调节，当完成长度调节后，过长的部分可穿过收末带固定。因不同使用者的身体形态指标不同、同一使用者佩戴部位不同等因素，故采用长度可调节式扣带，以更好的贴合人体。腋下支撑悬臂梁外形为半圆柱体，其内层采用abs材料制作，硬质材料支撑可将人体部分重力均匀分散到两侧腋下矢状轴上，避免腋下局部压力过大而产生的不适感。因人体腋下神经丰富，并且在长时间悬吊过程中承担较大压力，故选用柔软舒适的tpr材料包覆，能起到减少人体不适感与防止腋下支柱滑脱的作用。
19.牵引力调节装置由弹性背板、调节螺丝、调节螺母、支撑柱、承压钢条、腰部横梁隼接头组成。根据人体工程学及脊柱各节段的生物力学特征可知人体腰椎间盘l5/s1、l4/l5、l3/l4、l2/l3、l1/l2对应的最优牵引角度分别为斜向上10
°
、15
°
、20
°
、23
°
、25
°
，故在弹性背板后方架设调节机构用以调整人体脊椎与装置的贴合度。患者可根据说明书所推荐最优牵引角度旋紧或旋松调节螺丝以实现牵引角度自主调节。可调节弹性背版采用碳纤维材料加工制作，其正面覆有弹性编织材料，顶端设有一对支撑柱，用于铆接牵引力调节装置。弹性背板后部设有调节机构，其中调节螺母与弹性背版相粘接，调节螺丝穿过调节螺母后将承压钢条顶在弹性背板内部，用户可根据自身需求调整颈、腰部调节螺丝用以改变弹性背版正面曲度，以契合人体脊柱或改变对脊柱各节段的牵引角度。由于承压钢条刚性较大，故可确保弹性背板在调节螺丝所处的横断面内各点支撑力相同。腰部横梁隼接头采用低碳钢材料加工制作，用于隼接腰部横梁。
20.下肢外骨骼辅助行走装置由腰部横梁、髋关节、大腿连杆、膝关节、小腿连杆、踝关节、可调节踏板、绑缚机构组成，该装置中腰部横梁采用铝合金材料加工制作，上部设有隼眼，用于隼接牵引角度调节装置。横梁中部采用可伸缩设计，使用者可根据自身髋部大小来调整腰部横梁长度。依据人体工程学相关数据设计牵引外骨骼各可调节部件调整范围。研究所设计的外骨骼共具有8个被动驱动关节，其中髋关节4个，膝关节2个，踝关节2个。当人体运动时带动关节旋转，外骨骼跟随人体运动，能与人体保持较好的一致性。大腿连杆与小腿连杆采用可调节设计，下端套筒外部设有环形喉箍，当使用者需要调节大腿连杆或小腿
连杆时可拧松卡箍固定螺丝，调节大腿连杆或小腿连杆深入套筒内的长度，以适应不同体型的使用者穿戴。可调节踏板也采用可收缩设计，其上部设有三条长度可调的高强丙纶材质足部绑缚带，用于固定人体脚掌。踏板底部加设橡胶层，橡胶层底部采用防滑纹路设计，旨在增大外骨骼与地面间的摩擦力，提升行走运动其稳定性。下肢外骨骼辅助行走装置中的绑缚机构共包含10条高强丙纶带，其中髋关节下端处2个，膝关节下端处2个，足部6个。
21.牵引力可视化及安全报警装置由主控制器、压力数据采集部件、液晶显示部件、蜂鸣报警部件以及电源组成。此装置采用at89c51单片机作为主控制器。该芯片具有高效低耗、无方向寄存器、外围电路简单等优点。压力数据采集部件包含电阻应变片压力传感器与hx711芯片，其中hx711芯片具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点，能够较好地满足a/d数据转换的需要。压力传感器置于外骨骼双脚踏板上层平面内，可将人体双足承担的重量数值实时输送给单片机进行运算，随后单片机将此数值与设备开机时不添加牵引力的人体重量数据进行比对，将差值数据传输给液晶显示屏以实现牵引力可视化。液晶显示部件选用lcd1602a液晶显示屏，考虑到其显示内容多样，驱动也较为方便，是一种应用广泛的字符型液晶显示模块，故采用此显示器来实时反馈外骨骼对人体牵引力度的数值。蜂鸣器选择无源蜂鸣器，其具有内部无震荡源，声音频率可控等优点，可通过脉冲宽度调制（pulse width modulation,pwm）波驱动。当牵引力超过预设值时蜂鸣器工作报警，此时需要调节牵引力调节装置中的防滑旋钮以降低外骨骼对人体产生的牵引力，反之蜂鸣器不工作。电源选用3.7 v 锂电池，搭配tps60110升压电路可输出
±
5 v双电源，可稳定维持单片机正常工作。
22.（1）首次提出可穿戴式腰椎成角度牵引外骨骼的概念；
23.（2）现存的牵引治疗装置大多只具有牵引治疗的功能，而本研究所设计的装置同时具有牵引治疗、辅助行走、支持与保护人体躯干等功能，健康的个体也能穿戴此装备以预防脊柱载荷失衡所诱发的一系列疾病；
24.（3）现存的牵引设备体积都较大，无法随身携带，而本设备采用可穿戴式设计，便携性更高；
25.（4）外骨骼式设计具有更好的跟随性，装置可紧密贴合人体，在不影响日常活动的状态下实现多重姿态的牵引；
26.（5）现存的自主牵引设备普遍不具有人机交互模块，而本装置设计有牵引力可视化模块与安全报警模块，能够实现牵引力数值可视与牵引力超限自动报警；
27.（6）传统牵引设备多为固定式设计，使用者在牵引过程中被绑缚而无法正常行动，长久以往易导致患者依从性下降，而本装置可跟随人体进行日常活动，不必在治疗中长时间维持一种体态，解除了以往牵引治疗对患者时间、身体活动的限制。
28.本实用新型结构合理，采用可穿戴式设计，便携性更高，具有牵引治疗、辅助行走、支持与保护人体躯干等功能，健康的个体也能穿戴此装备以预防脊柱载荷失衡所诱发的一系列疾病，实现了牵引力数值可视与牵引力超限自动报警。
附图说明
29.下面将结合附图对本实用新型做进一步的描述，图1为本实用新型主视结构示意图，图2为图1右视结构示意图，图3为牵引力调节装置放大结构示意图，图4为牵引力调节装
置与牵引衣装置的侧视结构示意图，图5为下肢外骨骼辅助行走装置结构示意图，图6为弹簧背板的结构示意图。
具体实施方式
30.一种可穿戴式腰椎成角度牵引外骨骼的器械，如图1、图2、图3、图4、图5、图6 所示，由牵引力调节装置、牵引衣装置和下肢外骨骼辅助行走装置组成，牵引力调节装置的结构为在外壳1内设置着具有棘轮机构的复合铰盘，其驱动齿轮29传动的齿轮皮带27连接着牵引带7，牵引带7连接着牵引衣装置的前、后吊带8、4，牵引衣装置的结构为与人体后背曲线相适应的弹性背板5，其正面上部的两侧分别设置着向前伸出的腋下支撑悬臂梁9，在弹性背板5上端设置着支承座3，在支承座3上设置的两根支撑柱2与牵引力调节装置的外壳1相连接，前、后吊带8、4与弹性背板5相连接的腋下绑带10、胸部绑带11以及腰部绑带13构成牵引衣，弹性背板5下部通过设置的对称连接螺栓24与下肢骨骼辅助行走装置的臀部横梁16相连接，臀部横梁16的两端连接着左、右腿辅助下肢，在辅助下肢的可调节踏板21上设置着压力传感器35，在辅助下肢的上端设置着液晶显示屏36和蜂鸣器。复合铰盘的结构为在齿轮轴30上安装着齿轮29、棘轮机构和防滑旋钮31，齿轮皮带收纳辊28连接的齿轮皮带27通过齿轮29，经转向托辊34，从外壳1后部伸出向上，再沿外壳1向下连接着两条对称的后吊带4，在后吊带4的上部连接着前吊带8。在外壳1顶部设置着上端具有拉环25的复位杆26其下端与棘轮机构具有复位弹簧的棘爪33相配合，通过复位杆26控制棘爪33与棘轮32离合,外壳1由钢材作为骨架，聚氨酯材料构成蒙皮，泡沫塑料构成填充物。腋下支撑悬臂梁9的横截面形状为半圆形，由abs材质构成，其外部包覆着由tpr材料构成的包覆层。牵引衣的结构为在弹性背板5的两侧从上到下依次连接着呈环箍状的横向腋下绑带10、胸部绑带11和腰部绑带13，在腋下绑带10、胸部绑带11和腰部绑带13上均设置着可调节卡扣12，牵引带7连接的前、后吊带8、4其下端与腋下支撑悬臂梁9相连接，设置的两条对称的纵向吊带分别与腋下绑带10、胸部绑带11和腰部绑带13环箍的前半部相连接，牵引衣由高强度丙纶带构成，其中在腰部绑带13的下面设置着加宽高强度丙纶带14。弹性背板5由碳纤维材料构成，其正面包覆着弹性纤维编织材料层。在弹性背板5后面的上部和腰部分别设置着曲度调节装置，其结构为在弹性背板5的支承座3和腰部横座6上分别固接着螺母39，与螺母39相配合的螺杆40其端部与弹性背板5相对应内置的承压钢条38相配合。辅助下肢的结构为髋关节座15铰接着可调节的大腿连杆17，大腿连杆17下端的膝关节18铰接着可调节的小腿连杆19，小腿连杆19下端的踝关节20铰接着可调节踏板21，在可调节踏板21板面的后部设置着压力传感器35，在髋关节座15的顶面上设置着液晶显示屏36，在大、小腿连杆17、19上分别设置着具有锁扣的绑缚带22，在可调节踏板21上设置着足部绑带调节扣带23。可调节的大、小腿连杆17、19的结构为由插杆和与插杆相配合的套管组成，在套管的上口上设置有环形卡箍37，在卡箍上设置着固定螺栓，拧紧固定螺栓使插杆与套管相互定位。由压力传感器35、液晶显示屏36、蜂鸣器、主控制器和电源通过导线连接构成牵引力可视化及安全报警电路。