用于下肢外骨骼机器人的膝关节结构制造技术

本发明专利技术涉及一种用于下肢外骨骼机器人的膝关节结构，小腿组件与大腿组件之间通过四连杆膝关节连接，并且小腿组件与大腿组件之间还安装有气弹簧，气弹簧的一端连接在大腿组件上，另一端与固定在小腿组件上的气弹簧滑槽机构滑动连接，利用气弹簧实现站立到坐下、坐下到站立姿态变换时的助力。当使用者正常行走时，因膝关节弯曲造成的气弹簧滑移不会到达气弹簧滑槽机构的底部，气弹簧无压缩受力，不影响正常行走；当使用者进行从站立到坐下、坐下到站立姿态的变换时，因膝关节弯曲造成的气弹簧滑移可到达气弹簧滑槽机构的底部，造成气弹簧压缩受力，存储能量，从而在站立到坐下、坐下到站立姿态变换时提供助力。

Knee joint structure for lower limb exoskeleton robot

The invention relates to a method for knee joint structure of the lower extremity exoskeleton, calf and thigh components between components are connected by four connecting rods and the knee, leg and thigh between components is also provided with a gas spring component, one end of the gas spring connected to the thigh component, the other end is connected with the fixed leg component gas spring chute the mechanism of sliding by gas spring, standing to sit down, sit down to the standing posture transform power. When users walk normally, because of knee bending will not cause the gas spring slip to gas spring chute mechanism at the bottom of the gas spring compression force, does not affect the normal walking; when the user from the stand to sit down, sit down to standing posture change, because of knee bending caused by the slip of gas spring can reach gas spring chute mechanism at the bottom, causing gas spring compression force, energy storage, in order to stand to sit down, sit down to standing posture transformation to provide help.

【技术实现步骤摘要】
用于下肢外骨骼机器人的膝关节结构
本专利技术涉及一种用于下肢外骨骼机器人的膝关节结构，尤其是一种用于膝关节站立到坐下、坐下到站立姿态变换起助力作用而不影响正常步态的膝关节非驱动式助力结构,属于机器人

技术介绍
外骨骼是一种结合了人工智能和机械动力装置的机器人；穿戴在操作者外部，融合了控制、传感和人机结合等技术，提供支撑、运动、防护等功能的机械装置，在军事、生活、医疗等方面具有广泛的应用前景。人体下肢外骨骼机器人是一种可以让人穿戴的人机一体化机械装置，能够提供对人体柔软内部器官进行构型，建筑和保护的外部结构。它的优越性在于能将支撑、运动、防护三项功能紧密结合。对于助老助残或者康复领域，外骨骼的主要目的是辅助人体自身肌肉的运动，已达到帮助截瘫患者和老年人进行肌肉康复训练的效果。当前下肢外骨骼的研究大都集中于各关节电机主动驱动，而电机的尺寸、重量、电池连续使用时间极大地限制了下肢外骨骼的发展。申请号201610948436.2提出了一种下肢外骨骼助力结构，在髋关节、膝关节、踝关节处分别使用液压泵驱动，虽然可达到较多的驱动自由度，但是整个下肢外骨骼的重量及操作的困难程度大大增加。申请号201410735565.4提出了一种用于辅助行走的下肢外骨骼机器人结构，在髋关节和膝关节处安装驱动器，膝关节的助力采用电机助力，此膝关节结构无法调整人体行走时的转动瞬心，且增加了外骨骼总体重量和电能的消耗。申请号201410353073.9提出了一种单驱动联动式下肢助力外骨骼结构，虽然也采用单电机控制，但是其腰部模块的大腿驱动链轮结构笨重，体积过大，且不能给使用者提供坐下、站立的助力。人体正常行走时，膝关节的转动中心是动态变化的，当前电机驱动式、及液压驱动式下肢外骨骼膝关节均不能模拟膝关节的此种变化；而人体姿态（坐下-站立、站立-坐下）的变换通过驱动式结构实现使得电机耗电增加、驱动结构复杂。
技术实现思路
针对以上问题，本专利技术提出一种符合人体行走时膝关节转动中心变化规律的、且在人体姿态（站立-坐下、坐下-站立）变化时起到助力作用的非驱动式膝关节结构。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种用于下肢外骨骼机器人的膝关节结构，包括小腿组件、大腿组件，所述小腿组件与大腿组件之间通过四连杆膝关节连接，使下肢助力外骨骼的速度瞬心和使用者膝关节的速度瞬心变化一致，实现更加自然的步态，并且小腿组件与大腿组件之间还安装有气弹簧，所述气弹簧的一端连接在大腿组件上，另一端与固定在小腿组件上的气弹簧滑槽机构滑动连接，利用气弹簧实现站立到坐下、坐下到站立姿态变换时的助力。所述气弹簧上设有气弹簧锁定机构，当使用者完全坐下时，气弹簧锁定机构中的销钉会在弹簧的作用下插入气弹簧中预先加工的凹槽中，从而将气弹簧锁定，当使用者从坐下到站立的进行姿态变换时，压回气弹簧锁定机构中的销钉实现解锁。所述四连杆膝关节上安装有助力板簧，用于使用者的正常行走、站立到坐下、坐下到站立的姿态变换的助力。当使用者从站立到坐下进行姿态变换时，所述大腿组件相对于小腿组件向下弯曲，当置于气弹簧滑槽机构中的气弹簧一端滑动到气弹簧滑槽机构底部，大腿组件继续往下弯曲时，所述气弹簧受力压缩，给坐下提供支撑助力，防止使用者突然坐下。本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：1、膝关节处不采用驱动式助力结构，无需电机、液压泵等即可实现助力。2、利用气弹簧实现站立到坐下、坐下到站立姿态变换时的助力，但不影响使用者的正常行走。3、大腿组件和小腿组件之间采用四连杆膝关节，使下肢助力外骨骼的速度瞬心和使用者膝关节的速度瞬心变化一致。4、四连杆膝关节上加有板簧，为使用者的正常行走、站立到坐下、坐下到站立的姿态变换提供助力。附图说明图1是用于下肢外骨骼机器人的膝关节结构主视图；图2是用于下肢外骨骼机器人的膝关节结构在站立、行走、坐下时的变化视图；图3是用于下肢外骨骼机器人的膝关节结构坐下视图；图4是坐下时气弹簧锁定机构局部视图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术进行详细的描述。如图1到图4所示，本专利技术提供一种用于下肢外骨骼机器人的膝关节结构，包括脚板1、小腿组件2、气弹簧滑槽机构3、气弹簧4、助力板簧5、四连杆膝关节6、气弹簧锁定机构7、大腿组件8、髋关节驱动电机9。小腿组件2与大腿组件8之间通过四连杆膝关节6连接，并且小腿组件2与大腿组件8之间还安装有气弹簧4，气弹簧4的一端连接在大腿组件8上，另一端与固定在小腿组件2上的气弹簧滑槽机构3滑动连接，利用气弹簧4实现站立到坐下、坐下到站立姿态变换时的助力。气弹簧4上设有气弹簧锁定机构7。四连杆膝关节6上安装有助力板簧5，当使用者正常行走时，由于大腿组件8和小腿组件2之间采用四连杆膝关节6连接，在支撑相，膝关节转动中心在对线力线的后方，地面反力在膝关节处形成逆时针力矩，阻止膝关节屈曲，保持站立稳定。当开始屈曲时，转动中心立即移动到力线前方，从而很容易进入摆动相。所以可以使下肢助行外骨骼膝关节的速度瞬心和使用者膝关节的速度瞬心变化一致，以此实现更加自然的步态，并且在四连杆膝关节6上加有助力板簧5，在行走时也进行助力。由于气弹簧4的下端可以在固定于小腿组件2上的气弹簧滑槽机构3中滑动，且正常行走时最大滑动距离不会到达气弹簧滑槽机构3的底部，因此气弹簧不会受力压缩，不影响正常步态。当使用者从站立到坐下进行姿态变换时，大腿组件8相对于小腿组件2向下弯曲，由于气弹簧4的一端固定在大腿组件8上，所以另一端可以在固定于小腿组件2上的气弹簧滑槽机构3中滑动，当滑动到气弹簧滑槽机构3底部时，大腿组件8还会继续往下弯曲，此时气弹簧4会受力压缩，也既给坐下提供支撑助力，防止使用者突然坐下。当使用者完全坐下时，气弹簧锁定机构7中的销钉会在弹簧的作用下插入气弹簧4中预先加工的凹槽中，从而将气弹簧4锁定，从而完成站立到坐下姿态的变换。当使用者从坐下到站立的进行姿态变换时，大腿组件8相对于小腿组件2之间的夹角增大，即气弹簧需要在滑槽机构中向上进行移动，此时使用者手拉外物得到一个比较大的促进站立的力，从而压回气弹簧锁定机构7中的销钉实现解锁，气弹簧4释放坐下时因压缩储存的能量，从而给使用者站立提供助力。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于下肢外骨骼机器人的膝关节结构，包括小腿组件（2）、大腿组件（8），其特征在于：所述小腿组件（2）与大腿组件（8）之间通过四连杆膝关节（6）连接，使下肢助力外骨骼的速度瞬心和使用者膝关节的速度瞬心变化一致，实现更加自然的步态，并且小腿组件（2）与大腿组件（8）之间还安装有气弹簧（4），所述气弹簧（4）的一端连接在大腿组件（8）上，另一端与固定在小腿组件（2）上的气弹簧滑槽机构（3）滑动连接，利用气弹簧（4）实现站立到坐下、坐下到站立姿态变换时的助力。

【技术特征摘要】
1.一种用于下肢外骨骼机器人的膝关节结构，包括小腿组件（2）、大腿组件（8），其特征在于：所述小腿组件（2）与大腿组件（8）之间通过四连杆膝关节（6）连接，使下肢助力外骨骼的速度瞬心和使用者膝关节的速度瞬心变化一致，实现更加自然的步态，并且小腿组件（2）与大腿组件（8）之间还安装有气弹簧（4），所述气弹簧（4）的一端连接在大腿组件（8）上，另一端与固定在小腿组件（2）上的气弹簧滑槽机构（3）滑动连接，利用气弹簧（4）实现站立到坐下、坐下到站立姿态变换时的助力。2.根据权利要求1所述的用于下肢外骨骼机器人的膝关节结构，其特征在于：所述气弹簧（4）上设有气弹簧锁定机构（7），当使用者完全坐下时，气弹簧锁定机构（7）中的销钉会在弹簧的作用下插入气...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹武警，魏小东，余灵，谢巧莲，喻洪流，胡冰山，孟青云，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海,31