CN105856196A - 一种膝关节外骨骼助力装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种膝关节外骨骼助力装置，包括小腿杆件、凸轮机构、锁定机构、大腿杆件以及液压机构，所述小腿杆件与凸轮机构的一端转动连接，所述锁定机构套设于大腿杆件上，所述凸轮机构的另一端位于锁定机构与大腿杆件之间且与大腿杆件滑动连接，所述液压机构的两端分别与小腿杆件、大腿杆件铰接。本发明提供的膝关节外骨骼助力装置，通过在大腿杆件和小腿杆件之间设置凸轮机构，是外骨骼运动与人体腿部运动更加接近，减少两者之间的干涉成都。通过在大腿杆件和凸轮机构之间设置锁定机构，可以方便根据实际需求调整外骨骼腿杆尺寸。

Description

一种膝关节外骨骼助力装置

技术领域

本发明属于外骨骼结构设计技术领域，具体涉及一种膝关节外骨骼助力装置。

背景技术

当前下肢外骨骼助力机器人大多数采用半拟人化的结构设计，例如针对人体的膝关节运动采用简化的定轴转动副，实际上人体膝关节运动是胫骨和大腿骨在韧带和肌肉带动下，两者相对滑动与转动，因而是变轴转动的；另一方面，理想的外骨骼关节与人体关节两者的转动中心是对齐的，但由于个人关节尺寸存在差异，因而希望设计的外骨骼关节尺寸能够调整，传统的调整机构大多通过螺母锁定，属于有级可调，且需要工具，操作麻烦。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，提供一种结构简单、操作简便的膝关节外骨骼助力装置。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种膝关节外骨骼助力装置，包括小腿杆件、凸轮机构、锁定机构、大腿杆件以及液压机构，所述小腿杆件与凸轮机构的一端转动连接，所述锁定机构套设于大腿杆件上用于锁定凸轮机构和大腿杆件之间的相对位置，，所述凸轮机构的另一端位于锁定机构与大腿杆件之间且与大腿杆件滑动连接，所述液压机构的两端分别与小腿杆件、大腿杆件铰接。

优选地，所述凸轮机构包括一体成型的凸轮本体、底座及固定板，所述固定板和凸轮本体位于底座两侧，所述固定板与大腿杆件滑动连接，所述凸轮本体转动中心处固定设有长杆二，所述长杆二的两端与小腿杆件转动连接，所述凸轮本体上位于长杆二外缘处还设有弧形通槽，所述弧形通槽内放置有长杆一，所述长杆一两端与小腿杆件固定连接。

优选地，所述长杆一上套设有轴承一。

优选地，所述小腿杆件与凸轮机构的连接端为中间凹陷两侧凸起结构，所述两侧凸起上由上至下设有通槽和通孔，所述长杆一两端穿设于通孔中并与通孔固定连接，所述长杆二的两端穿设于通孔中并与通孔转动连接。

优选地，所述锁定机构包括未闭合的环形本体，所述环形本体未闭合处的两端分别设有端座一和端座二，所述端座一上设有可转动的压盖，所述端座一和端座二之间穿设有可上下移动的锁芯组件，所述锁芯组件一端与压盖连接，所述压盖下压后另一端可扣住端座二的底面，同时带动锁芯组件下移时环形本体收缩从而锁紧凸轮机构和大腿杆件。

优选地，所述锁芯组件包括若干个拉杆以及套设于拉杆上的弹簧，所述弹簧一端与长杆固定连接，所述端座一设有凹槽二，所述凹槽二左右两侧壁之间设有可上下移动的长杆三，所述若干个拉杆均匀挂设于长杆三上，弹簧位于长杆三与凹槽底面之间，所述压盖端部穿设于长杆三上，并与长杆三转动连接。

优选地，所述固定板外表面设有若干个凹槽一。

优选地，所述液压机构包括相互连接的液压缸和液压杆，所述液压缸的末端与大腿杆件铰接，所述液压杆的末端与小腿杆件铰接。

优选地，所述大腿杆件外表面设有滑槽，所述固定板与滑槽滑动连接。

本发明的有益效果是：本发明提供的膝关节外骨骼助力装置，通过在大腿杆件和小腿杆件之间设置凸轮机构，使大腿杆件和小腿杆件实现更贴近人体实际的转动。通过在大腿杆件和凸轮机构之间设置锁定机构，可以方便根据实际需求调整外骨骼腿杆尺寸。

附图说明

图1是本发明膝关节外骨骼助力装置结构示意图；

图2是实施例中凸轮机构与小腿杆件爆炸示意图；

图3是实施例锁定机构结构示意图；

图4是实施例锁定机构爆炸示意图。

附图标记说明：1、小腿杆件；2、凸轮机构；3、锁定机构；4、大腿杆件；5、液压缸；6、液压杆；7、凹槽一；8、通槽；9、轴承一；10、长杆一；11、螺母；12、长杆二；13、轴承二；14、端盖；15、弹簧；16、拉杆。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：

如图1所示，本发明的膝关节外骨骼助力装置结构示意图，包括小腿杆件1、凸轮机构2、锁定机构3、大腿杆件4以及液压机构，小腿杆件1与凸轮机构2的一端转动连接，锁定机构3套设于大腿杆件4上用于锁定凸轮机构2和大腿杆件4之间的相对位置，，凸轮机构2的另一端位于锁定机构3与大腿杆件4之间且与大腿杆件4滑动连接，液压机构的两端分别与小腿杆件、大腿杆件铰接。

如图2所示，本发明凸轮机构与小腿杆件爆炸示意图。凸轮机构2包括一体成型的凸轮本体、底座和固定板。凸轮本体和固定板位于底座的两侧。在本实施例中，固定板共有两个，与底座形成中间凹陷两侧凸起的U型结构。固定板外表面设有若干个凹槽一7。凸轮本体与底座形成中间凸起两侧凹陷的T型结构。凸轮本体转动中心处设有圆孔，圆孔中通过过盈配合固定设有长杆二12，长杆二12通过两个螺母进一步固定其与凸轮本体相对位置。为便于装配，两个螺母分别采用六角螺母和圆形螺母。凸轮本体上位于长杆二12外缘处设有弧形通槽，该弧形凹槽轮廓模拟人体膝关节中胫骨和大腿骨滑动轨迹，其轨迹函数可通过分析不同年龄与身高的人群膝关节拟合而得，可使外骨骼运动与人体更加接近，减少两者干涉程度。弧形通槽内穿设有长杆一10，长杆一10可沿弧形凹槽轮廓滚动。为减少长杆一10与弧形凹槽之间的摩擦，延长长杆一10的使用寿命，在长杆一10上套设有轴承一9。小腿杆件1与凸轮机构的连接端处为两侧凸起中间凹陷结构。两侧的凸起上边缘为圆弧形结构。凸起上对应长杆一10处设有通孔，长杆一10两端穿设于通孔中，同时，长杆一10两端设置螺母11，螺母11通孔过盈配。使长杆一10与小腿杆件1固定连接。为便于装配，长杆一10两端的螺母11采用六角螺母和圆形螺母。凸起上对应长杆二12位置处设有通槽8，长杆二12两端穿设于通槽8中，且可在通槽8中转动。通槽8为椭圆形结构，用于限制长杆二12的转动位置。为减少长杆二12与通槽8之间的摩擦，在长杆二12的两端套设轴承二13。值得说明的是，轴承一9和轴承二13并非一定要采用轴承，也可使用其他圆筒型物件套设于长杆一10/长杆二12上以减少摩擦。大腿杆件外表面出设有滑槽，固定杆与滑槽滑动连接。

如图3-4所示，本发明锁定机构结构示意图。锁定机构3包括未闭合的环形本体，未闭合处分别设有端座一和端座二。端座一设有凹槽二。凹槽二的左、右两侧壁上设有长形凹槽，凹槽二的左、右两侧壁之间设有长杆三，长杆三两端位于长形凹槽中，且可沿凹槽上下移动。长杆三上穿设有压盖14，压盖与长杆三转动连接。在端座一和端座而之间设有锁芯组件。在本实施例中，锁芯组件包括若干个拉杆16以及套设于拉杆上的弹簧15，弹簧15一端与长杆固定连接。若干个拉杆16均匀挂设于长杆三上，弹簧15位于长杆三与凹槽底面之间。压盖14可转动端为弧形结构。弹簧15用于增大压力。需要锁定时，压盖14下压，导致弹簧15压缩，因而带动拉杆16拉紧环形本体收缩，达到压紧凸轮机构2与大腿杆件4的作用。在本实施例中，环形本体内表面与凸轮机构2接触部分还设有细小凹槽，增大滑动摩擦力。锁定机构3可采用韧性较大的金属材料构成，与凸轮机构2固定板的凹槽一相贴合，通过预紧压力与大腿杆固定。值得说明的是，锁定机构主要用于凸轮机构与大腿杆件之间的锁紧定位，因而并不限定于本实施例所述的结构，也可采用如扣件式来进行。

液压机构包括相互连接的液压缸5和液压杆6。液压缸5的末端与大腿杆件4通过销轴连接。液压杆6的末端与小腿杆件1通过销轴连接。液压机构主要用于为小腿杆件1提供动力，完成屈伸动作。

整体而言，本发明提供的膝关节外骨骼助力装置，凸轮机构上开设弧形凹槽，该弧形通槽使外骨骼运动与人体腿杆运动更加接近，减少了两者干涉程度。凸轮机构与大腿杆件滑动连接，即可根据穿戴者的实际情况调整腿杆件的长度，进而再使用锁定机构锁定相对位置，操作简单，实用性好。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种膝关节外骨骼助力装置，其特征在于：包括小腿杆件(1)、凸轮机构(2)、锁定机构(3)、大腿杆件(4)以及液压机构，所述小腿杆件(1)与凸轮机构(2)的一端转动连接，所述锁定机构(3)套设于大腿杆件(4)上用于锁定凸轮机构(2)和大腿杆件(4)之间的相对位置，所述凸轮机构(2)的另一端位于锁定机构(3)与大腿杆件(4)之间且与大腿杆件(4)滑动连接，所述液压机构的两端分别与小腿杆件(1)、大腿杆件(4)铰接。

2.根据权利要求1所述的膝关节外骨骼助力装置，其特征在于：所述凸轮机构(2)包括一体成型的凸轮本体、底座及固定板，所述固定板和凸轮本体位于底座两侧，所述固定板与大腿杆件(4)滑动连接，所述凸轮本体转动中心处固定设有长杆二(12)，所述长杆二(12)的两端与小腿杆件(1)转动连接，所述凸轮本体上位于长杆二(12)外缘处还设有弧形通槽，所述弧形通槽内放置有长杆一(10)，所述长杆一(10)两端与小腿杆件(10)固定连接。

3.根据权利要求2所述的膝关节外骨骼助力装置，其特征在于：所述长杆一(10)上套设有轴承一(9)。

4.根据权利要求2所述的膝关节外骨骼助力装置，其特征在于：所述小腿杆件(1)与凸轮机构的连接端为中间凹陷两侧凸起结构，所述两侧凸起上由上至下设有通槽(8)和通孔，所述长杆一(10)两端穿设于通孔中并与通孔固定连接，所述长杆二(12)的两端穿设于通槽(8)中并与通槽(8)转动连接。

5.根据权利要求1所述的膝关节外骨骼助力装置，其特征在于：所述锁定机构(3)包括未闭合的环形本体，所述环形本体未闭合处的两端分别设有端座一和端座二，所述端座一上设有可转动的压盖(14)，所述端座一和端座二之间穿设有可上下移动的锁芯组件，所述锁芯组件一端与压盖(14)连接，所述压盖(14)下压后另一端可扣住端座二的底面，同时带动锁芯组件下移使环形本体收缩从而锁紧凸轮机构(2)和大腿杆件(4)。

6.根据权利要求5所述的膝关节外骨骼助力装置，其特征在于：所述锁芯组件包括若干个拉杆(16)以及套设于拉杆上的弹簧(15)，所述弹簧(15)一端与长杆固定连接，所述端座一设有凹槽二，所述凹槽二左右两侧壁之间设有可上下移动的长杆三，所述若干个拉杆(16)均匀挂设于长杆三上，弹簧(15)位于长杆三与凹槽底面之间，所述压盖(14)端部穿设于长杆三上，并与长杆三转动连接。

7.根据权利要求2-6任一所述的膝关节外骨骼助力装置，其特征在于：所述固定板外表面设有若干个凹槽一。

8.根据权利要求2-6任一所述的膝关节外骨骼助力装置，其特征在于：所述大腿杆件(4)外表面设有滑槽，所述固定板与滑槽滑动连接。

9.根据权利要求1-6任一所述的膝关节外骨骼助力装置，其特征在于：所述液压机构包括相互连接的液压缸(5)和液压杆(6)，所述液压缸(5)的末端与大腿杆件(4)铰接，所述液压杆(6)的末端与小腿杆件(1)铰接。