一种被动膝关节外骨骼的制作方法

本实用新型属于外骨骼机器人领域，具体涉及到一种被动膝关节外骨骼。

背景技术：

膝关节外骨骼具有增强正常人运动时的负载能力、防止肌肉疲劳等方面的作用，也可以辅助下肢受损人群的正常行走，防止膝关节炎等疾病的恶化。尽管已有很多不同的膝关节外骨骼被开发出来，但是上述的根本目标仍没有被很好地实现，阻碍了膝关节外骨骼的产业化。现有的膝关节外骨骼按照能量来源可以分为主动和被动式两类。

主动外骨骼的研发涉及能源、驱动、传感、机构设计、控制算法等方面，这类外骨骼的优点是可以通过改变控制律让外骨骼生成任意形式的辅助力矩，但是也具有很多缺陷，包含成本高，重量大，使用时间短，受限于电池技术。

人体膝关节在行走和下蹲过程中体现出分段线性变刚度的特性，目前仍没有被动膝关节外骨骼能实现这种特性。特别地，现有的设计无法做到在重力支撑状态下提供变刚度助力，而对摆腿状态没有任何阻碍。故，需要一种新的技术方案以解决上述问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于针对现有技术存在的不足，提供符合人工力学与人体行为习惯更加贴合的外骨骼辅助装置。

为达到上述目的，本实用新型采用了下列技术方案：

一种被动膝关节外骨骼，包括膝关节组件、踝关节组件和穿戴于腰间的腰带，所述膝关节组件与踝关节组件通过转轴相连接，所述腰带上设有两个吊带，两个所述吊带分别与两个对称的大腿杆的上端设有的吊带槽相固定连接，

所述膝关节组件包括大腿凸轮、大腿杆和小腿杆，所述大腿杆的下端、大腿凸轮的圆心处和小腿杆的上端均设有大小相同的通孔，依次通过膝关节转轴活动连接实现一定弧度内的旋转运动，所述大腿凸轮的环形边缘设有限位槽。

优选地，所述大腿杆的中端还设有大腿支撑板和大腿绑带。

优选地，所述小腿杆还设有小腿杆支撑板和移动限位孔，所述小腿杆的一侧连接阻尼器，所述阻尼器包括推杆和硬质弹簧，所述推杆的上端设有滑块，与所述小腿杆内侧开设的滑槽相适配使得推杆实现上下往复运动；所述硬质弹簧的顶端还设有球体的凸块。

优选地，所述凸块设置在所述大腿凸轮的限位槽内且紧邻所述限位槽的边缘轨迹移动。

优选地，所述推杆的下端与脚踏板通过踝关节转轴相连接。

优选地，所述硬质弹簧的凸块到小腿杆的距离与凸轮偏心距相等，阻尼器的相对运动方向与硬质弹簧的伸缩方向相同。

有益效果：与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：

（1）通过腰带和两侧的吊带，将整个膝关节外骨骼悬挂在人体的腰上，防止由于重力作用造成外骨骼滑落。大腿绑带穿过大腿杆，将其绑在人体大腿外侧，小腿绑带穿过小腿杆，将其绑在人体小腿外侧，两个绑带将外骨骼的力矩传递至人体上

（2）人体膝关节在撑地行走和下蹲的过程中类似一个分段线性弹簧，起到支撑人体的作用。

（3）被动膝关节外骨骼成本低，无需能源、驱动、传感和控制，重量轻，无需能源和电子部分，没有使用时间限制，无需能源。

（4）外骨骼的助力可以通过机构综合和优化，模拟出人体膝关节的生物力学特性，实现最佳助力效果。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为本实用新型的大腿杆的组件结构图；

图3为本实用新型的小腿杆的组件结构图

图4为本实用新型的凸轮轮廓曲线图；

图5为本实用新型的撑地过程中凸轮机构的运动轨迹图；

图6为本实用新型的摆腿过程中凸轮机构的运动轨迹图。

其中，1、腰带；2、吊带；3、大腿绑带；301、吊带槽；302、大腿支撑板；4、大腿杆；5、大腿凸轮；6、弹簧；7、小腿绑带；8、阻尼器；9、踝关节转轴；10、脚踏板；11、膝关节转轴；12、小腿杆；1201、小腿杆支撑板；1202、移动限位孔；13、推杆。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本实用新型作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本实用新型的限定。

实施例

如图1-6所示，本实施例提供了一种被动膝关节外骨骼，包括膝关节组件、踝关节组件和穿戴于腰间的腰带1，所述膝关节组件与踝关节组件通过转轴相连接，所述腰带1上设有两个吊带2，两个所述吊带2分别与两个对称的大腿杆4的上端设有的吊带槽301相固定连接，所述膝关节组件包括大腿凸轮5、大腿杆4和小腿杆12，所述大腿杆4的下端、大腿凸轮5的圆心处和小腿杆12的上端均设有大小相同的通孔，依次通过膝关节转轴11活动连接实现一定弧度内的旋转运动，所述大腿凸轮5的环形边缘设有限位槽。所述大腿杆4的中端还设有大腿支撑板302和大腿绑带3。所述小腿杆12还设有小腿杆支撑板1201和移动限位孔1202，所述小腿杆12的一侧连接阻尼器8，所述阻尼器8包括推杆13和硬质弹簧6，所述推杆13的上端设有滑块，与所述小腿杆12内侧开设的滑槽相适配使得推杆13实现上下往复运动；所述硬质弹簧6的顶端还设有球体的凸块。

所述凸块设置在所述大腿凸轮的限位槽内且紧邻所述限位槽的边缘轨迹移动。所述推杆13的下端与脚踏板10通过踝关节转轴9相连接。

所述膝关节组件的刚度变化系数为

其中，是膝关节外骨骼的刚度，θ是膝关节转角，μ是助力比例，根据需要设定。

所述的大腿凸轮（5）的运动轨迹满足下述条件，其中，根据弹簧压缩量δ，弹簧刚度和凸轮偏心距e。

当偏心距一定的情况下，弹簧压缩量的运动轨迹如下：

由给定弹簧刚度k和偏心距的定值时，大腿凸轮（5）的轮廓参数δ1、δ2和δ3。

所述弹簧6和阻尼器8，所述弹簧6的凸块到小腿杆的距离与凸轮偏心距相等，阻尼器的相对运动方向与弹簧的伸缩方向相同。

工作原理：

1）膝关节组件的变刚度：

小腿杆可以绕大腿杆绕转轴转动，大腿杆下端设计有一个凸轮，凸轮的推杆上串联一个弹簧，推杆与小腿杆之间用一个阻尼器连接。

当小腿杆绕着大腿杆摆动时，凸轮机构的推杆上弹簧压缩和回弹，产生随着摆动角度变化的力矩，具有变刚度的特征，具有人体膝关节的生物力学特性。

2）设计踝关节组件：

在撑地状态下，脚踏板受到地面的支撑力，撑住了凸轮机构的推杆，保持推杆与凸轮的接触，使凸轮机构产生作用。

在摆腿状态下，脚踏板受到重力作用与人的脚底分离，从而使得凸轮推杆与凸轮分离，凸轮机构不产生作用，使人可以自然摆腿。推杆与小腿杆之间的阻尼器使得推杆与凸轮分离和接触的过程平缓，没有冲击。

3）设计穿戴：

通过腰带和两侧的吊带，将整个膝关节外骨骼悬挂在人体的腰上，防止由于重力作用造成外骨骼滑落。大腿绑带穿过大腿杆，将其绑在人体大腿外侧，小腿绑带穿过小腿杆，将其绑在人体小腿外侧，两个绑带将外骨骼的力矩传递至人体上。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

起点商标作为专业知识产权交易平台，可以帮助大家解决很多问题，如果大家想要了解更多知产交易信息请点击 【在线咨询】或添加微信 【19522093243】与客服一对一沟通，为大家解决相关问题。

此文章来源于网络,如有侵权,请联系删除