本发明专利技术公开了一种自适应膝关节外骨骼装置，该装置包括与人体大腿相适应的大腿支件、与人体小腿相适应的小腿支件以及设置在大腿支件与小腿支件之间的膝关节主体；所述膝关节主体包括用于与人体膝关节转动中心自适应的五杆机构、用于驱动五杆机构进行自适应工作的膝关节驱动器和用于分承重力的变刚度驱动器。本装置采用五杆机构和变刚度驱动器的组合，同人左右腿配合，在人行走、下蹲、起立三种动作中，控制膝关节驱动器和变刚度驱动器的输出，以适应这三种状态下的膝关节运动状态，以达到助力效果。当膝关节处于支撑相状态时，变刚度驱动器输出力最大，以达到最大程度的助力效果。果。
【技术实现步骤摘要】
自适应膝关节外骨骼装置
[0001]本专利技术涉及一种自适应膝关节外骨骼装置。
技术介绍
[0002]作为承载身体运动冲击的主要关节，膝关节疾病的发病率也是人体全部关节中最高的，除了韧带损伤、髌骨骨折、半月板损伤等急性膝关节疾病，膝关节骨性关节炎以及膝部滑囊炎等慢性膝关节疾病发病率也在逐渐升高。我国膝关节骨性关节炎的发病率为8.3％，其中65岁以上的老人发病率为80％。另一方面，随着社会的日益发展，交通事故、坠落受伤等因素导致的下肢运动障碍患者人数也日益增多，膝关节疾病致使患者膝关节活动时肿胀疼痛，过度运动以及在湿冷天气时症状加重，严重影响患者的正常生活。与此同时，居民肥胖率也在不断攀升，在 2019年全球体重偏胖的人口占总人口比例已超过50％。以上原因均导致膝关节疾病患病率逐渐上升，给患者生活造成不便，所以开发一套助力外骨骼膝关节对有效防治膝关节疾病极具现实意义。
[0003]膝关节是人体最易受损的关节，利用外部设备减少膝关节受力不仅可以在预防膝关节慢性病起到重要作用，而且可在手术以及药物治疗的过程中起到康复辅助作用，为此设计了一款外骨骼膝关节——自适应外骨骼膝关节。该外骨骼膝关节可将人体的一部分体重分承于外骨骼，减小膝关节内力，起到防治慢性膝关节疾病的作用，能够实现站立、行走、上下楼等不同姿态。
[0004]Mehmet Alper Ergin等设计了一3
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RRP平行膝关节机构，该机构使人体膝关节和外骨骼膝关节的运动在下肢屈伸过程中紧密匹配，该机构的主要缺点是其尺寸大小，缺乏与下肢其他部位外骨骼设计的协调性，Andre Wilkening等提出了一种柔顺可弯曲的外骨骼驱动器，该驱动器没有固定的机械轴，具有多中心运动能力，但是这种驱动器分担载荷的能力有限，且控制困难。以色列埃尔格医学技术有限公司研发了助行外骨骼机器人Rewalk，其膝关节和髋关节均采用电机驱动，采用预设步态辅助患者行走，但是结构尺寸较大，膝关节处采用单自由度铰链，与人体膝关节适应性差。
技术实现思路
[0005]本专利技术的目的是提供一种自适应膝关节外骨骼装置，以解决现有膝关节外骨骼装置与人体膝关节适应性差且分担载荷能力有限的问题。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种自适应膝关节外骨骼装置，包括与人体大腿相适应的大腿支件、与人体小腿相适应的小腿支件以及设置在大腿支件与小腿支件之间的膝关节主体；所述膝关节主体包括用于与人体膝关节转动中心自适应的五杆机构、用于驱动五杆机构进行自适应工作的膝关节驱动器和用于分承重力的变刚度驱动器。
[0007]进一步地，所述膝关节驱动器固定在所述大腿支件上；所述五杆机构包括首尾铰接的一个驱动杆和三个从动杆，两个所述从动杆之间的铰接点与小腿支件铰接，所述驱动杆远离小腿支件的一端与膝关节驱动器的输出端固定连接。
[0008]进一步地，所述变刚度驱动器的一端通过大腿臂与所述大腿支件连接，所述变刚度驱动器的另一端通过小腿臂与所述小腿支件连接；所述变刚度驱动器分别与大腿臂和小腿臂可转动连接。
[0009]进一步地，所述大腿臂与变刚度驱动器连接的一端设有呈偏心圆弧型的第一接头，所述小腿臂与变刚度驱动器连接的一端设有呈圆弧型的第二接头，所述变刚度驱动器包括一端与大腿臂端部的圆心连接的上导向杆，一端与小腿臂的圆心连接的下导向杆，下导向杆的另一端由上导向杆的另一端延伸入上导向杆内；所述上导向杆与大腿臂连接的一端设有与所述第一接头适形配合的上滑片，所述下导向杆与小腿臂连接的一端设有与所述第二接头适形配合的下滑片；所述上滑片与下滑片之间设有调节上导向杆与下导向杆之间的支撑刚度的弹性调节机构。
[0010]进一步地，所述下滑片远离第二接头的一端设有套设在所述下导向杆的外侧的套筒，所述套筒远离下滑片的一端设有向外突出的凸缘，所述套筒上设有与所述套筒适形配合的环形驱动器滑块；所述弹性调节机构包括套设在下导向杆和套筒外的偏置弹簧，所述偏置弹簧的一端与所述上滑片固定连接，上滑片偏置弹簧的另一端与所述驱动器滑块连接；所述驱动器滑块与凸缘之间连接有形状记忆合金丝。
[0011]进一步地，所述膝关节驱动器与五杆机构连接的一端设有限位器，所述限位器上设有用于限制五杆机构活动范围的限位槽。
[0012]进一步地，所述膝关节驱动器包括安装在所述大腿支件上的电机、通过减速器与所述电机连接的输出法兰，所述输出法兰的输出端与驱动杆连接。
[0013]进一步地，所述电机支架包括通过轴承与所述输出法兰连接的环形架以及与所述环形架连接的连接臂，所述连接臂通过驱动器辅助支撑固定在大腿支件上。
[0014]进一步地，所述驱动器辅助支撑呈“几”字形，包括顶板、两个腹板和分离的下翼缘板，驱动器辅助支撑的两个下翼缘板与大腿支件固定连接，电机支架的连接臂固定在驱动器辅助支撑的顶板上。
[0015]进一步地，所述大腿支件上连接有大腿绑腿，大腿支件通过大腿绑腿固定在人体大腿上；所述小腿支件上连接有小腿绑腿，小腿支件通过小腿绑腿固定在人体小腿上。
[0016]本专利技术的有益效果为：根据人体膝关节工作原理，采用五杆机构取代传统膝关节的单自由度铰链，通过引入冗余自由度实现人体膝关节旋轴轴线的自适应，减小运动过程中外骨骼膝关节与人体之间产生的额外力；通过变刚度驱动器改变膝关节外骨骼装置的刚度，以适应人在不同步态过程中的刚度需求，可在当外骨骼膝关节工作于人体步态中支撑态时，输出力来分承力，弥补冗余自由度带来的外骨骼肢体支撑刚度的减少；本装置采用五杆机构和变刚度驱动器的组合，同人左右腿配合，在人行走、下蹲、起立三种动作中，控制膝关节驱动器和变刚度驱动器的输出，以适应这三种状态下的膝关节运动状态，以达到助力效果。当人处于站立过程中时，变刚度驱动器输出力最大，以达到最大程度的助力效果。
附图说明
[0017]此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
[0018]图1为本专利技术一个实施例的结构示意图；
[0019]图2为本专利技术一个实施例的侧视图；
[0020]图3为本专利技术一个实施例的变刚度驱动器的结构示意图；
[0021]图4为本专利技术一个实施例的变刚度驱动器的剖视图；
[0022]图5为本专利技术一个实施例的膝关节驱动器的结构示意图；
[0023]图6为本专利技术一个实施例的膝关节驱动器的剖视图；
[0024]图7为本专利技术一个实施例的五杆机构的结构示意图。
[0025]其中：1、大腿支件；11、大腿臂；111、第一转轴；2、驱动器辅助支撑；3、膝关节驱动器；31、电机；32、减速器；33、输出法兰；34、限位器；35、电机架；36、轴承；4、五杆机构；41、驱动杆；42、从动杆；5、小腿支撑；51、小腿臂；511、第二转轴；6、小腿绑腿；7、变刚度驱动器；71、上滑片；72本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种自适应膝关节外骨骼装置，其特征在于，包括与人体大腿相适应的大腿支件、与人体小腿相适应的小腿支件以及设置在大腿支件与小腿支件之间的膝关节主体；所述膝关节主体包括用于与人体膝关节转动中心自适应的五杆机构、用于驱动五杆机构进行自适应工作的膝关节驱动器和用于分承重力的变刚度驱动器。2.根据权利要求1所述的自适应膝关节外骨骼装置，其特征在于，所述膝关节驱动器固定在所述大腿支件上；所述五杆机构包括首尾铰接的一个驱动杆和三个从动杆，两个所述从动杆之间的铰接点与小腿支件铰接，所述驱动杆远离小腿支件的一端与膝关节驱动器的输出端固定连接。3.根据权利要求2所述的自适应膝关节外骨骼装置，其特征在于，所述变刚度驱动器的一端通过大腿臂与所述大腿支件连接，所述变刚度驱动器的另一端通过小腿臂与所述小腿支件连接；所述变刚度驱动器分别与大腿臂和小腿臂可转动连接。4.根据权利要求3所述的自适应膝关节外骨骼装置，其特征在于，所述大腿臂与变刚度驱动器连接的一端设有呈偏心圆弧型的第一接头，所述小腿臂与变刚度驱动器连接的一端设有呈圆弧型的第二接头，所述变刚度驱动器包括一端与大腿臂端部的圆心连接的上导向杆，一端与小腿臂的圆心连接的下导向杆，下导向杆的另一端由上导向杆的另一端延伸入上导向杆内；所述上导向杆与大腿臂连接的一端设有与所述第一接头适形配合的上滑片，所述下导向杆与小腿臂连接的一端设有与所述第二接头适形配合的下滑片；所述上滑片与下滑片之间设有调节上导向杆与下导向杆之间的支撑刚度的弹性调节机构。5.根据权利要求4所述的自适应膝关节外骨骼装置，其特征在...
【专利技术属性】
技术研发人员：朱孙科，闵旭，倪颖倩，熊乙锟，
申请(专利权)人：重庆市计量质量检测研究院，
类型：发明
国别省市：
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