膝关节运动助力外骨骼装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了膝关节运动助力外骨骼装置，包括大腿支杆和小腿支杆，中间转轴机构包括转动连接的大腿连接盘和小腿连接盘，大腿连接盘和小腿连接盘上分别设有第一限位槽和第二限位槽，第一限位槽和第二限位槽在初始状态下部分重叠，且在小腿支杆和大腿支杆相对转动过程中，第一限位槽和第二限位槽的重叠范围逐渐加大，还包括储能机构，储能机构包括弹簧和曲柄滑块机构，曲柄滑块机构包括曲柄、连杆和滑块，弹簧的一端固定连接在大腿支杆上，弹簧的另一端始终与滑块相抵，曲柄上还设有限位凸起。本方案实现了在平路行走时减少对人体行走膝关节弯曲时的额外负荷，而只在登山、爬楼梯等大角度运动时才提供被动式助力的目的。

An exoskeleton assisted device for knee joint movement

【技术实现步骤摘要】
膝关节运动助力外骨骼装置
本专利技术涉及可穿戴装备
，具体涉及一种膝关节运动助力外骨骼装置。
技术介绍
膝关节是人体承受力最大的关节，在登山、上下楼梯等大角度、高强度的运动中膝关节承受的力很大，爬楼梯会对膝关节造成一定伤害，例如搬运大物件上下楼梯，会对膝关节造成较大的压力；人们在持续一段时间的运动后，体力下降，出现肌肉酸痛和运动疲劳，运动的灵活性和协调性大大降低，下肢膝关节表现尤为明显，因此迫切需要一种高效的膝关节运动助力机构。膝关节运动助力外骨骼，顾名思义是穿戴于膝关节外部，并为其提供助力的仿生机械装置。另外，外骨骼还有支撑身体重量，保护身体器官，进行运动辅助和环境感知等作用。当前膝关节助力装置分为主动式和被动式两种，主动式助力装置主要有液压驱动和电机驱动，液压驱动的助力装置多应用在负重助力领域，在大腿和小腿之间安装液压缸，通过液压系统切换油路，实现对外骨骼机器人膝关节的支撑和放松，液压驱动具有功率密度高、动态响应快的优势，但也存在液压伺服系统控制复杂的问题；电机驱动的助力装置主要应用于康复医疗及助残领域，有采用电机加减速器直接作用于膝关节上的形式，也有通过电机带动连接在大腿和小腿之间的滚轴丝杠的形式，电机驱动便于控制，但电机的功率密度低，适用于下肢有运动障碍的康复领域。相较于被动式外骨骼，主动式外骨骼需要能源供给和运动控制，系统复杂、成本高、可靠性低。公开号为CN109176478A的专利技术专利申请文件中公开了一种膝关节被动助力装置，包括大腿支架和小腿支架，大腿支架和小腿支架通过转轴连接，转轴固定设于小腿支架的上端，大腿支架的外侧设有弹簧，弹簧的一端与大腿支架的上部固定连接，另一端通过钢丝绳与设置于转轴的圆盘结构连接；小腿支架摆动带动转轴转动，转轴带动圆盘结构转动使钢丝绳拉伸弹簧。但是上述申请文件中的助力装置在实际使用中却存在下面的问题：人体在行走时，小腿相对大腿产生相对转动，小腿支架随着小腿一起转动，进而带动转轴转动，屈膝时，转轴转动使得钢丝绳对弹簧进行拉伸，伸膝时，弹簧复位给转轴提供助力，这样对人体运动全过程进行蓄能助力，也使得人体在平路上行走不需要助力仍然会对弹簧进行拉伸，从而增加人体平路行走时的负荷和不舒适感。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述不足，本专利技术要解决的技术问题是：如何提供一种在平路行走时不会增加人体行走负荷，而只在登山、上下楼梯等大角度运动时才提供助力的被动式膝关节运动助力外骨骼装置。为了解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：膝关节运动助力外骨骼装置，包括大腿支杆和小腿支杆，所述大腿支杆和所述小腿支杆通过中间转轴机构进行转动连接，所述中间转轴机构包括同轴转动连接的大腿连接盘和小腿连接盘，所述大腿连接盘用于与所述大腿支杆固定连接，所述小腿连接盘用于与所述小腿支杆固定连接，所述大腿连接盘和所述小腿连接盘上距离所述转动连接处距离相等的位置分别设有弧形状的第一限位槽和第二限位槽，所述第一限位槽对应圆弧的圆心角度数大于所述第二限位槽对应圆弧的圆心角度数，所述第一限位槽和所述第二限位槽在初始状态下部分重叠，且在所述小腿支杆和所述大腿支杆相对转动过程中，所述第一限位槽和所述第二限位槽的重叠范围逐渐加大，还包括储能机构，所述储能机构包括初始状态下处于自由状态的弹簧和曲柄滑块机构，所述曲柄滑块机构包括曲柄、连杆和滑块，所述曲柄与所述大腿连接盘平行设置，所述曲柄的一端连接在所述大腿连接盘和所述小腿连接盘的转动连接处，所述曲柄的另一端与所述连杆连接，所述曲柄上还设有朝向所述大腿连接盘方向延伸的限位凸起，所述限位凸起伸入到所述第一限位槽和所述第二限位槽内并能够沿所述第一限位槽和所述第二限位槽滑动，所述大腿支杆上设有安装管，所述弹簧套设在所述安装管上，所述弹簧靠近所述曲柄的一端固定连接在所述大腿支杆上，所述弹簧的另一端与所述滑块相抵，所述连杆与所述曲柄连接的另一端与所述滑块连接，所述曲柄转动时能够通过所述连杆带动所述滑块向所述大腿连接盘的方向移动并对所述弹簧进行压缩。在本方案中，初始状态为：人体处于直立状态，大腿支杆和小腿支杆之间的夹角为180°，小腿支杆相对大腿支杆转动的角度为0°，也即人体膝关节运动角度为0°。这样，本方案的外骨骼装置在使用时，将大腿支杆连接在大腿上，小腿支杆连接在小腿上，在初始状态下，弹簧处于自由状态，第一限位槽和第二限位槽部分重叠，且限位凸起伸入到第一限位槽和第二限位槽重叠的位置。当人体行走时，小腿摆动膝关节屈曲，将带动小腿支杆绕大腿支杆转动，此时小腿支杆带动小腿连接盘绕大腿连接盘转动，小腿连接盘上的第二限位槽相对于大腿连接盘上的第一限位槽转动使得第二限位槽和第一限位槽之间重叠的范围加大，由于第一限位槽对应圆弧的圆心角度数大于第二限位槽对应圆弧的圆心角度数，因此第二限位槽与第一限位槽之间重叠的范围将逐渐加大到第二限位槽完全与第一限位槽重叠，在第二限位槽与第一限位槽完全重叠之前，伸入到第一限位槽和第二限位槽重叠位置的限位凸起的位置将保持不变，即此时的曲柄滑块机构将处于静止状态，滑块不会对弹簧进行压缩，储能机构不工作；当第二限位槽与第一限位槽完全重叠后，小腿继续摆动带动小腿连接盘绕大腿连接盘转动，此时在第二限位槽对限位凸起的作用下，第二限位槽将带动限位凸起一起绕转动连接处转动，限位凸起转动的同时再带动曲柄转动，曲柄转动进一步带动滑块移动对弹簧进行压缩储能，当人体小腿回摆膝关节伸展时，小腿连接盘绕大腿连接盘回转，曲柄回转带动滑块回移，滑块回移再带动弹簧复位，弹簧复位过程中释放能量为膝关节运动助力。当人体在平路上行走时，小腿摆动的角度小，使得此时小腿连接盘绕大腿连接盘转动的角度较小，第二限位槽相对于第一限位槽转动过的角度也小，即第二限位槽始终在与第一限位槽完全重合前的位置转动，从而保证人体在平路行走时，储能机构始终处于不工作的状态，使得该装置不会对人体在平路上的行走带来阻力，即不会增加人体在平路上行走的负荷。当人体在进行登山、爬楼梯等大角度运动时，当小腿弯曲膝关节做屈曲运动时，小腿摆动的角度大，使得此时小腿连接盘绕大腿连接盘转动的角度较大，第二限位槽与第一限位槽完全重叠后继续转动，第二限位槽继续转动的同时通过限位凸起带动曲柄转动，进而使得弹簧压缩进行储能，当小腿回摆膝关节做伸展运动时，弹簧复位释放储存的能量为人体的运动助力。因此本方案实现了在平路行走时不增加人体行走负荷，而只在登山、爬楼梯等大角度运动时才提供助力的目的。同时本方案采用曲柄滑块机构来带动弹簧变形储能，与传统采用钢丝绳带动弹簧变形储能的方式相比，本方案的曲柄滑块机构性能更加的可靠，使用寿命长，便于安装维护。优选的，所述曲柄的支点到所述曲柄与所述连杆连接点的方向为所述曲柄的长度方向，所述连杆与所述曲柄的连接点到所述连杆与所述滑块的连接点的方向为所述连杆的长度方向，所述连杆的长度大于所述曲柄的长度。这样，当小腿回摆膝关节做伸展运动时，弹簧复位产生的弹力经连杆传递到曲柄，传递到曲柄上的垂直分力即为对人体运动的助力；在弹簧弹力的传递过程中，连杆和曲柄本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.膝关节运动助力外骨骼装置，包括大腿支杆和小腿支杆，其特征在于，所述大腿支杆和所述小腿支杆通过中间转轴机构进行转动连接，所述中间转轴机构包括同轴转动连接的大腿连接盘和小腿连接盘，所述大腿连接盘用于与所述大腿支杆固定连接，所述小腿连接盘用于与所述小腿支杆固定连接，所述大腿连接盘和所述小腿连接盘上距离所述转动连接处距离相等的位置分别设有弧形状的第一限位槽和第二限位槽，所述第一限位槽对应圆弧的圆心角度数大于所述第二限位槽对应圆弧的圆心角度数，所述第一限位槽和所述第二限位槽在初始状态下部分重叠，且在所述小腿支杆和所述大腿支杆相对转动过程中，所述第一限位槽和所述第二限位槽的重叠范围逐渐加大，还包括储能机构，所述储能机构包括初始状态下处于自由状态的弹簧和曲柄滑块机构，所述曲柄滑块机构包括曲柄、连杆和滑块，所述曲柄与所述大腿连接盘平行设置，所述曲柄的一端连接在所述大腿连接盘和所述小腿连接盘的转动连接处，所述曲柄的另一端与所述连杆连接，所述曲柄上还设有朝向所述大腿连接盘方向延伸的限位凸起，所述限位凸起伸入到所述第一限位槽和所述第二限位槽内并能够沿所述第一限位槽和所述第二限位槽滑动，所述大腿支杆上设有安装管，所述弹簧套设在所述安装管上，所述弹簧靠近所述曲柄的一端固定连接在所述大腿支杆上，所述弹簧的另一端与所述滑块相抵，所述连杆与所述曲柄连接的另一端与所述滑块连接，所述曲柄转动时能够通过所述连杆带动所述滑块向所述大腿连接盘的方向移动并对所述弹簧进行压缩。/n...

【技术特征摘要】
1.膝关节运动助力外骨骼装置，包括大腿支杆和小腿支杆，其特征在于，所述大腿支杆和所述小腿支杆通过中间转轴机构进行转动连接，所述中间转轴机构包括同轴转动连接的大腿连接盘和小腿连接盘，所述大腿连接盘用于与所述大腿支杆固定连接，所述小腿连接盘用于与所述小腿支杆固定连接，所述大腿连接盘和所述小腿连接盘上距离所述转动连接处距离相等的位置分别设有弧形状的第一限位槽和第二限位槽，所述第一限位槽对应圆弧的圆心角度数大于所述第二限位槽对应圆弧的圆心角度数，所述第一限位槽和所述第二限位槽在初始状态下部分重叠，且在所述小腿支杆和所述大腿支杆相对转动过程中，所述第一限位槽和所述第二限位槽的重叠范围逐渐加大，还包括储能机构，所述储能机构包括初始状态下处于自由状态的弹簧和曲柄滑块机构，所述曲柄滑块机构包括曲柄、连杆和滑块，所述曲柄与所述大腿连接盘平行设置，所述曲柄的一端连接在所述大腿连接盘和所述小腿连接盘的转动连接处，所述曲柄的另一端与所述连杆连接，所述曲柄上还设有朝向所述大腿连接盘方向延伸的限位凸起，所述限位凸起伸入到所述第一限位槽和所述第二限位槽内并能够沿所述第一限位槽和所述第二限位槽滑动，所述大腿支杆上设有安装管，所述弹簧套设在所述安装管上，所述弹簧靠近所述曲柄的一端固定连接在所述大腿支杆上，所述弹簧的另一端与所述滑块相抵，所述连杆与所述曲柄连接的另一端与所述滑块连接，所述曲柄转动时能够通过所述连杆带动所述滑块向所述大腿连接盘的方向移动并对所述弹簧进行压缩。


2.根据权利要求1所述的膝关节运动助力外骨骼装置，其特征在于，所述曲柄的支点到所述曲柄与所述连杆连接点的方向为所述曲柄的长度方向，所述连杆与所述曲柄的连接点到所述连杆与所述滑块的连接点的方向为所述连杆的长度方向，所述连杆的长度大于所述曲柄的长度。


3.根据权利要求1所述的膝关节运动助力外骨骼装置，其特征在于，所述限位凸起的两侧在初始状态下分别与所述第二限位槽弧形方向的一侧和所述第一限位槽弧形方向的一侧相抵。
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【专利技术属性】
技术研发人员：黎波，
申请(专利权)人：重庆理工大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50