一种带有智能张紧功能的自适应变刚度体外膝关节装置制造方法及图纸

一种带有智能张紧功能的自适应变刚度体外膝关节装置，涉及外骨骼助力机器人领域。包括将大腿调节固定组件通过绑带进行定位固定的腰部固定组件；大腿调节固定组件和小腿调节固定组件之间设有膝关节组件；膝关节组件通过变刚度调节支撑杆结构与小腿调节固定连接。本发明专利技术的优点是：本发明专利技术能够在步态周期的不同阶段对膝关节外骨骼赋予不同的承载刚度，随着步态而自动张紧的人机物理接触能够实现外骨骼的有效承载功能的同时，使穿戴者受益于穿戴的舒适性，且整体系统具有工作安全可靠、绿色环保、能量‑质量比系数、能量‑体积比系数、最大力矩‑质量比系数与力矩‑体积比系数高等优点，系统轻巧，能够适应穿戴者长久舒适穿戴而不伤害下肢的需求。

An adaptive variable stiffness external knee joint device with intelligent tension function

【技术实现步骤摘要】
一种带有智能张紧功能的自适应变刚度体外膝关节装置
本专利技术专利涉及外骨骼助力机器人领域，具体是一种带有智能张紧功能的变刚度下肢膝关节外骨骼。技术背景膝关节(包括股—髌骨关节与股—胫骨关节)是人体内最大、最复杂的关节，同时也是最易损伤的关节之一，是全身发病率最高的关节，膝关节骨关节炎的发病与膝关节的长时间过度受力有很大关系。因此，减小膝关节的运动负载，使之保持在合理的受力范围是除药物治疗以外预防、治疗膝关节骨关节炎的一大重要手段。下肢膝关节外骨骼可以给穿戴的人提供支撑和保护可以有效地减少膝关节的负载，但整体而言，现阶段的下肢外骨骼普遍存在尺寸偏大、不易长久穿戴、易于人体运动接触干涉等问题。
技术实现思路
针对上述现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种装备外形小巧、结构紧凑、极高的性价比、工作安全可靠的变刚度下肢膝关节外骨骼，旨在有效缓冲和传递股骨与胫骨间的负荷，进而缓解膝关节内部半月板软骨等的压力。机械支撑系统具有智能张弛功能而不影响系统运动与承载性能，同时实现可舒适长久穿戴。下肢膝关节外骨骼膝关节部分能够在步态周期的不同阶段具有不同的刚度，实现承载功能的同时，又不影响膝关节在摆动相时的灵活性，且整体系统具有工作安全可靠(电控-机械比例得当)、绿色环保、能量-质量比系数、能量-体积比系数、最大力矩-质量比系数与力矩-体积比系数高等优点，系统轻巧，能够适应穿戴者长久舒适穿戴而不伤害下肢的需求。为实现上述目的，本专利技术专利提供如下技术方案：一种带有智能张紧功能的自适应变刚度体外膝关节装置，由包括腰部固定组件、智能张紧物理交互装置、膝关节组件、变刚度调节支撑杆结构、小腿调节固定组件。所述腰部固定组件主要部分绑束于跨部，用于固定大腿调节固定组件的位置；大腿调节固定组件通过分力环筋与膝关节组件中的股骨块的螺纹连接形成与膝关节组件的固连；所述膝关节组件采用四连杆机构，其中后杆采用气动弹簧；所述变刚度调节支撑杆机构中的转动推杆与膝关节组件中的前杆通过螺钉连接。所述腰部固定组件由侧腰板、腰部固定带A、腰部固定带B、腰部锁扣、腰腿连接带A、腰腿连接锁扣、腰腿连接带B七部分构成。其中侧腰板左端连接腰部固定带A，右端连接腰部固定带B，下端与腰腿连接带连接；腰腿连接带下端与腰腿连接锁扣连接，腰腿连接锁扣下部与腰腿连接带B上部连接。所述智能张紧物理交互装置由大腿加强环板A、大腿加强环板B、左副环板、右副环板、连接铰链、上左张紧带、上右张紧带、上张紧带锁扣、自动张紧模块、分力环筋组成，其中自动张紧模块由张紧盒、张紧电机、蜗杆、涡轮、张紧杆、张紧线、控制电路、电池组成。大腿加强环板A下端与连接铰链一端通过螺钉连接，大腿加强环板B与连接铰链另一端通过螺钉连接；大腿加强环板A和大腿加强环板B的左右分别与左副环板和右副环板通过连接铰链连接，其中连接铰链与以上环板均以螺钉连接；张紧盒和左副环板通过螺钉连接；电池与左副环板通过胶水固定；张紧线一端固定并缠绕于张紧杆上，另一端与上左张紧带的右端固定；分力环筋与大腿加强环板B通过焊接固连。所述膝关节组件由股骨块、前杆、后杆、胫骨块组成，其中前杆的上端和下端分别与股骨块和胫骨块通过螺栓形成转动副；后杆的上端与下端分别与股骨块和胫骨块通过螺栓形成转动副；股骨块与分力环筋通过螺纹连接。所述变刚度调节支撑杆结构由弹簧托盘、弹簧、转动推杆、刹车块、支撑触发杆组成，其中触发杆由触发内杆上、触发内杆下、内杆、外杆、支撑弹簧、外杆盖组成。其中刹车块与触发内杆上通过螺栓连接；转动推杆与前杆通过螺钉连接。所述小腿调节固定组件由小腿加强环板、下左张紧带、下右张紧带、下张紧带锁扣下连接块组成，其中下连接块与小腿加强环板通过螺钉连接。优选地，大腿加强环板A、大腿加强环板B、小腿加强环板内侧均装有不同的数量的柔性均力垫，柔性均力垫通过化学制剂或螺纹连接的方式与加强环板连接，且采用气垫或橡胶块。优选地，刹车块通过上下移动贴紧或远离弹簧托盘，控制弹簧托盘的旋转与否。优选地，张紧电机能够带动张紧杆旋转并卷动张紧线从而使上左张紧带张紧或放松。优选地，所述上左张紧带、上右张紧带、下左张紧带、下右张紧带为尼龙材料；张紧线采用高强度复合材料。优选地，后杆采用气动弹簧。本专利技术的有益效果是：本专利技术采用了四连杆机构作为人体膝关节外骨骼膝盖部分运动副，能够比普通转动副更加匹配人体膝关节的运动曲线，使穿戴者膝盖活动更加自如。且本专利技术能够在步态周期的不同阶段对膝关节外骨骼赋予不同的刚度，随着步态而自动张紧的人机物理接触能够使穿戴者穿戴更加舒适，且整体结构符合轻量化的要求，能够适应穿戴者长期穿戴的需求。附图说明图1是本专利技术的整体结构示意图；图2是图1中腰部固定组件的结构示意图；图3是图1中智能张紧物理交互装置的结构示意图；图4是活动铰链示意图；其中图4a是图4b中A的局部放大图；图5是图3中自动张紧模块局部结构示意图；图6是图1中膝关节组件以及变刚度调节支撑杆结构分解示意图；图7是图1中小腿调节固定组件的结构示意图；图8是图6中支撑触发杆的分解示意图以及局部剖面示意图；图中：1、腰部固定组件；2、智能张紧物理交互装置；3、膝关节组件；4、变刚度调节支撑杆结构；5、小腿调节固定组件；1-1、侧腰板；1-2、腰部固定带A；1-3、腰部固定带B；1-4、腰部锁扣；1-5、腰腿连接带A；1-6、腰腿连接锁扣；1-7、腰腿连接带B；2-1、大腿加强环板A；2-2、大腿加强环板B；2-3、左副环板；2-4、右副环板；2-5、连接铰链；2-6、上左张紧带；2-7、上右张紧带；2-8、上张紧带锁扣；2-9、自动张紧模块；2-10、分力环筋；2-9-1、张紧盒；2-9-2、张紧电机；2-9-3、蜗杆；2-9-4、涡轮；2-9-5、张紧杆；2-9-6、张紧线；2-9-7、控制电路；2-9-8、电池；3-1、股骨块；3-2、前杆；3-3、后杆；3-4、胫骨块；4-1、弹簧托盘；4-2、弹簧；4-3、转动推杆；4-4、刹车块；4-5、支撑触发杆；4-5-1、触发内杆上；4-5-2、触发内杆下；4-5-3、内杆；4-5-4、外杆；4-5-6、支撑弹簧；4-5-7、外杆盖；5-1、小腿加强环板；5-2、下左张紧带；5-3、下右张紧带；5-4、下张紧带锁扣；5-5、下连接块。具体实施方式下面将结合本专利技术专利实施例中的附图，对本专利技术专利实施例当中的技术方案进行清楚、完整地描述，需要说明的是，本说明书所附图中示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本专利技术专利可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本专利技术专利所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本专利技术专利所揭示的
技术实现思路
得能涵盖的范围内。如图1～2所示，本实施例包括腰部固定组件1、智能张紧物理交互装置2、膝关节组件3、变刚度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种带有智能张紧功能的自适应变刚度体外膝关节装置，其特征在于：由腰部固定组件(1)、智能张紧物理交互装置(2)、膝关节组件(3)、变刚度调节支撑杆结构(4)、小腿调节固定组件(5)五大部分组成；/n所述腰部固定组件(1)由侧腰板(1-1)、腰部固定带A(1-2)、腰部固定带B(1-3)、腰部锁扣(1-4)、腰腿连接带A(1-5)、腰腿连接锁扣(1-6)、腰腿连接带B(1-7)七部分构成，其中侧腰板(1-1)左端连接腰部固定带A(1-2)，右端连接腰部固定带B(1-3)，下端与腰腿连接带(1-5)连接；腰腿连接带(1-5)下端与腰腿连接锁扣(1-6)连接，腰腿连接锁扣(1-6)下部与腰腿连接带B(1-7)上部连接。/n所述智能张紧物理交互装置(2)由大腿加强环板A(2-1)、大腿加强环板B(2-2)、左副环板(2-3)、右副环板(2-4)、连接铰链(2-5)、上左张紧带(2-6)、上右张紧带(2-7)、上张紧带锁扣(2-8)、自动张紧模块(2-9)、分力环筋(2-10)组成，其中自动张紧模块(2-9)由张紧盒(2-9-1)、张紧电机(2-9-2)、蜗杆(2-9-3)、涡轮(2-9-4)、张紧杆(2-9-5)、张紧线(2-9-6)、控制电路(2-9-7)、电池(2-9-8)组成，大腿加强环板A(2-1)下端与连接铰链(2-5)一端通过螺钉连接，大腿加强环板B(2-2)与连接铰链(2-5)另一端通过螺钉连接；大腿加强环板A(2-1)和大腿加强环板B(2-2)的左右分别与左副环板(2-3)和右副环板(2-4)通过连接铰链(2-5)连接，其中连接铰链与以上环板均以螺钉连接；张紧盒(2-9-1)和左副环板(2-3)通过螺钉连接；电池(2-9-8)与左副环板(2-3)通过胶水固定；张紧线(2-9-6)一端固定并缠绕于张紧杆(2-9-5)上，另一端与上左张紧带(2-6)的右端固定；分力环筋(2-10)与大腿加强环板B(2-2)通过焊接固连；所述电池(2-9-8)与张紧电机(2-9-2)、控制电路(2-9-7)、电池(2-9-8)均通过信号线连接；/n所述膝关节组件(3)由股骨块(3-1)、前杆(3-2)、后杆(3-3)、胫骨块(3-4)组成，其中前杆(3-2)的上端和下端分别与股骨块(3-1)和胫骨块(3-4)通过螺栓形成转动副；后杆(3-3)的上端与下端分别与股骨块(3-1)和胫骨块(3-4)通过螺栓形成转动副；股骨块(3-1)与分力环筋(2-10)通过螺纹连接；/n所述变刚度调节支撑杆结构(4)由弹簧托盘(4-1)、弹簧(4-2)、转动推杆(4-3)、刹车块(4-4)、支撑触发杆(4-5)组成，其中触发杆(4-5)由触发内杆上(4-5-1)、触发内杆下(4-5-2)、内杆(4-5-3)、外杆(4-5-4)、支撑弹簧(4-5-6)、外杆盖(4-5-7)组成，其中刹车块(4-4)与触发内杆上(4-5-1)通过螺栓连接；转动推杆(4-3)与前杆(3-2)通过螺钉连接；/n所述小腿调节固定组件(5)由小腿加强环板(5-1)、下左张紧带(5-2)、下右张紧带(5-3)、下张紧带锁扣(5-4)、下连接块(5-5)组成，其中下连接块(5-5)与小腿加强环板(5-1)通过螺钉连接。/n...

【技术特征摘要】
1.一种带有智能张紧功能的自适应变刚度体外膝关节装置，其特征在于：由腰部固定组件(1)、智能张紧物理交互装置(2)、膝关节组件(3)、变刚度调节支撑杆结构(4)、小腿调节固定组件(5)五大部分组成；
所述腰部固定组件(1)由侧腰板(1-1)、腰部固定带A(1-2)、腰部固定带B(1-3)、腰部锁扣(1-4)、腰腿连接带A(1-5)、腰腿连接锁扣(1-6)、腰腿连接带B(1-7)七部分构成，其中侧腰板(1-1)左端连接腰部固定带A(1-2)，右端连接腰部固定带B(1-3)，下端与腰腿连接带(1-5)连接；腰腿连接带(1-5)下端与腰腿连接锁扣(1-6)连接，腰腿连接锁扣(1-6)下部与腰腿连接带B(1-7)上部连接。
所述智能张紧物理交互装置(2)由大腿加强环板A(2-1)、大腿加强环板B(2-2)、左副环板(2-3)、右副环板(2-4)、连接铰链(2-5)、上左张紧带(2-6)、上右张紧带(2-7)、上张紧带锁扣(2-8)、自动张紧模块(2-9)、分力环筋(2-10)组成，其中自动张紧模块(2-9)由张紧盒(2-9-1)、张紧电机(2-9-2)、蜗杆(2-9-3)、涡轮(2-9-4)、张紧杆(2-9-5)、张紧线(2-9-6)、控制电路(2-9-7)、电池(2-9-8)组成，大腿加强环板A(2-1)下端与连接铰链(2-5)一端通过螺钉连接，大腿加强环板B(2-2)与连接铰链(2-5)另一端通过螺钉连接；大腿加强环板A(2-1)和大腿加强环板B(2-2)的左右分别与左副环板(2-3)和右副环板(2-4)通过连接铰链(2-5)连接，其中连接铰链与以上环板均以螺钉连接；张紧盒(2-9-1)和左副环板(2-3)通过螺钉连接；电池(2-9-8)与左副环板(2-3)通过胶水固定；张紧线(2-9-6)一端固定并缠绕于张紧杆(2-9-5)上，另一端与上左张紧带(2-6)的右端固定；分力环筋(2-10)与大腿加强环板B(2-2)通过焊接固连；所述电池(2-9-8)与张紧电机(2-9-2)、控制电路(2-9-7)、电池(2-9-8)均通过信号线连接；
所述膝关节组件(3)由股骨块(3-1)、前杆(3-2)、后杆(3-3)、胫骨块(3-4)组成，其中前杆(3-2)的上端和下端分别与股骨块(3-1)和胫骨块(3-4)...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨玉维，赵瀚，李彬，马雄，赵新华，刘振忠，
申请(专利权)人：天津理工大学，
类型：发明
国别省市：天津;12