CN106691786B - 一种基于连续可变串联柔性驱动的穿戴式动力膝关节 - Google Patents

一种基于连续可变串联柔性驱动的穿戴式动力膝关节 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于连续可变串联柔性驱动的穿戴式动力膝关节，其特征在于：包括上支板和下支板；在所述上支板上设置有推杆驱动机构，所述推杆驱动机构的输出端为输出直线运动的推杆，所述推杆的端部与横连杆紧固连接，所述横连杆两端分别通过连杆机构与下支板连接；所述下支板与所述连杆机构连接的部位为弹性片，所述弹性片与所述下支板连接为一体，两个所述弹性片对称分布在所述下支板的中轴线的两侧；在所述上支板的下端固定设置有第一齿轮，在所述下支板的上端固定设置有第二齿轮，所述第二齿轮与所述第一齿轮啮合。

Description

一种基于连续可变串联柔性驱动的穿戴式动力膝关节
技术领域
本发明涉及一种动力膝关节，特别是一种基于连续可变串联柔性驱动的穿戴式动力膝关节。
背景技术
针对膝关节的辅助康复装置，一般可以分为穿戴式和非穿戴式,动力驱动和非动力驱动。穿戴式辅助康复装置是指穿戴于人体大小腿外的器具，其将关节的伸展和屈曲限制在合适的角度范围内，或者将膝关节维持在某一角度，以促进膝关节功能早期得到康复。目前穿戴式非动力辅助康复装置结构比较简单，一般起支撑、稳定患者受损膝关节的作用，使用起来也相对简单。动力辅助膝关节康复装置很多都是非穿戴式。这种辅助康复装置相比于穿戴式的功能要强大，它可以增加患者肌力和膝关节的灵活性以及改善患者对肌肉的控制能力，但是该类装置比较庞大，一般集中在康复医疗中心，所以患者只能到康复中心进行康复，这对有行动障碍的患者来说也是非常不便的。国外也有一部分可穿戴式的动力膝关节辅助康复装置，它可以主动提供助力给膝关节，但是价格贵，重量大。
对于动力关节的驱动装置，一般可以分为直接驱动旋转和连杆驱动。直接驱动的问题是空间布局限制多，电机扭转扭矩不足，自锁性能不好。连杆驱动能够有更多的空间选择，并且能够在特定角度提供较大的扭矩，容易实现机构本身的自锁，但是很多连杆驱动装置的问题是尺寸较大，重量较重。
近年来，基于生物学和生理学方面的研究表明，筋腱组织等柔性储能机构对人体行走的稳定性和能量效率具有极为重要的作用。而现有的装置都是刚性的驱动关节转动，而不能像人的膝关节那样具有柔性。柔性的关节在运动过程中，交替地进行储存能量与释放能量，以将动能、重力势能和弹性势能进行转换，这样不但提高了人行走时能量的利用效率，还改善了对行走环境的适应性，因此驱动关节转动时应当是具有柔性的。而对于膝关节不同的角度位置，需要提供不同的刚性和柔性。
综上所述，亟需一种可穿戴的轻巧、方便且能提供柔性的膝关节辅助康复装置。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种驱动扭矩大、穿戴轻巧且能够提供柔性的基于连续可变串联柔性驱动的穿戴式动力膝关节。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于连续可变串联柔性驱动的穿戴式动力膝关节，其特征在于：包括上支板和下支板；在所述上支板上设置有推杆驱动机构，所述推杆驱动机构的输出端为输出直线运动的推杆，所述推杆的端部与横连杆紧固连接，所述横连杆两端分别通过连杆机构与下支板连接；所述下支板与所述连杆机构连接的部位为弹性片，所述弹性片与所述下支板连接为一体，两个所述弹性片对称分布在所述下支板的中轴线的两侧；在所述上支板的下端固定设置有第一齿轮，在所述下支板的上端固定设置有第二齿轮，所述第二齿轮与所述第一齿轮啮合。
所述推杆驱动机构包括支座、电机、滚珠丝杠副和所述推杆；所述支座与所述上支板紧固连接，所述电机紧固连接在所述支座上，所述电机的输出端连接所述滚珠丝杠副，所述滚珠丝杠副的丝杠母与所述推杆紧固连接。
所述推杆驱动机构气缸或液压缸。
所述连杆机构包括三角连杆，所述三角连杆的第一端设置有长圆孔，所述横连杆的端部可滑动且可转动地设置在所述长圆孔中，所述三角连杆的第二端与所述上支板铰接，所述三角连杆的第三端与连杆的一端铰接，所述连杆的另一端与所述下支板铰接。
所述连杆机构为一根两端分别与所述横连杆、弹性片铰接的连杆。
当所述下支板转动至与所述上支板呈45°角时，所述长圆孔的长轴垂直于所述上支板的长度方向。
所述上支板采用适用于包住人体大腿或小腿的半包围结构，所述下支板采用适用于包住人体小腿或踝关节部位的半包围结构。
所述三角连杆的第二端与所述上支板的连接处设置有轴承，所述三角连杆与所述连杆的连接处设置有轴承，所述连杆与所述下支板的连接处设置有轴承。
所述连杆的端部与所述横连杆的连接处设置有轴承，所述连杆与所述弹性片的连接处设置有轴承。
所述弹性片采用弹簧钢加工而成。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于设置有用于与人的肢体固定的上支板和下支板，上支板上设置有推杆驱动机构，推杆驱动机构的输出端推杆通过横连杆与连杆机构的一端连接，连杆机构的另一端与下支板连接，同时下支板与上支板之间通过一对啮合的齿轮连接，因此，通过推杆的推/拉可以实现下支板向屈曲方向/伸展方向转动，从而实现动力下的膝关节的弯曲/伸展运动。2、本发明由于下支板与连杆连接的部位采用弹性片，弹性片与下支板连接为一体，弹性片在推动小腿运动时，能够起到缓冲和储能作用，实现类似于腿部肌腱的功能，在运动过程中可以交替地进行储存能量与释放能量，以将动能、重力势能和弹性势能进行转换，这样不但能够提高人行走时能量的利用效率，还能够改善对行走环境的适应性。3、本发明在上支板的下端固定设置有第一齿轮，在下支板的上端固定设置有第二齿轮，第二齿轮与第一齿轮啮合，能够产生非圆周的转动，以拟合关节的转动。
附图说明
图1是本发明第一种实施例的结构示意图；
图2是图1中A部分的放大结构示意图；
图3是本发明省略齿轮连接板的第一齿轮、第二齿轮的结构示意图；
图4是本发明第二种实施例的结构示意图；
图5是图4中B部分的放大结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1～5所示，本发明包括上支板1和下支板2，在上支板1上设置有推杆驱动机构3，推杆驱动机构3的输出端为输出直线运动的推杆3-1，推杆3-1的端部与横连杆4紧固连接，横连杆4两端分别通过连杆机构与下支板2连接。下支板2与连杆机构连接的部位为弹性片5，弹性片5与下支板2连接为一体。两个弹性片5对称分布在下支板2的中轴线的两侧。在上支板1的下端固定设置有第一齿轮6，在下支板2的上端固定设置有第二齿轮7，第二齿轮7与第一齿轮6啮合，能够产生非圆周的转动，以拟合膝关节的转动。
上述实施例中，推杆驱动机构3包括支座3-2、电机3-3、滚珠丝杠副3-4和推杆3-1，支座3-2与上支板1紧固连接，电机3-3紧固连接在支座3-2上，电机3-3的输出端连接滚珠丝杠副3-4，滚珠丝杠副3-4的丝杠母3-5与推杆3-1紧固连接。上述推杆驱动机构3也可以采用气缸或液压缸等产生直线运动机构的装置。
上述实施例中，上支板1采用适用于包住人体大腿的半包围结构，下支板2采用适用于包住人体小腿的半包围结构。
上述实施例中，弹性片5采用弹簧钢加工而成，弹簧钢制作成曲线的边缘，曲线的形状取决于对于不同膝关节位置的柔性设定，针对不同角度位置受力方向的不同，受力方向的截面会不同，这时会有不同的弹性。弹性片5在推动小腿运动时，能够起到缓冲和储能作用，实现类似于腿部肌腱的功能。生物学和生理学方面的研究表明，筋腱组织等柔性储能机构对人体行走的稳定性和能量效率具有极为重要的作用，柔性的关节在运动过程中，交替地进行储存能量与释放能量，以将动能、重力势能和弹性势能进行转换，这样不但能够提高人行走时能量的利用效率，还能够改善对行走环境的适应性。
上述实施例中，在第一齿轮6和第二齿轮7的中心分别转动连接有齿轮轴，两齿轮轴之间通过齿轮连接板11连接。
上述实施例中，如图1所示，连杆机构包括三角连杆8，三角连杆8的第一端设置有长圆孔，横连杆4的端部可滑动且可转动地设置在长圆孔中，三角连杆8的第二端与上支板1铰接，三角连杆8的第三端与连杆9的一端铰接，连杆9的另一端与下支板2铰接。当下支板转动至与上支板呈45°角时，长圆孔的长轴垂直于上支板的长度方向，这种设置可使推杆3-1不受侧向力，进而实现结构刚性的最小结构。在三角连杆8的第二端与上支板1的连接处、三角连杆8与连杆9的连接处以及连杆9与弹性片5的连接处均设置有轴承(图中未示出)。
连杆机构也可以采用另一不同形式：例如连杆机构采用一根两端分别与横连杆4、弹性片5铰接的连杆10(如图4所示)。在连杆10与横连杆4的连接处以及连杆10与弹性片5的连接处均设置有轴承(图中未示出)。
使用者在穿着本发明进行康复运动时，包括以下几种状态：
1)当屈膝时，推杆驱动机构3的输出端推杆3-1向下运动，推杆3-1通过横连杆4、连杆机构带动下支板2向屈膝方向转动。
2)当伸腿时，推杆驱动机构3的输出端推杆3-1向上运动，推杆3-1通过横连杆4、连杆机构带动下支板2向伸展方向转动。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种基于连续可变串联柔性驱动的穿戴式动力膝关节，其特征在于：包括上支板和下支板；在所述上支板上设置有推杆驱动机构，所述推杆驱动机构的输出端为输出直线运动的推杆，所述推杆的端部与横连杆紧固连接，所述横连杆两端分别通过连杆机构与下支板连接；所述下支板与所述连杆机构连接的部位为弹性片，所述弹性片与所述下支板连接为一体，两个所述弹性片对称分布在所述下支板的中轴线的两侧；在所述上支板的下端固定设置有第一齿轮，在所述下支板的上端固定设置有第二齿轮，所述第二齿轮与所述第一齿轮啮合。
2.如权利要求1所述的一种基于连续可变串联柔性驱动的穿戴式动力膝关节，其特征在于：所述推杆驱动机构包括支座、电机、滚珠丝杠副和所述推杆；所述支座与所述上支板紧固连接，所述电机紧固连接在所述支座上，所述电机的输出端连接所述滚珠丝杠副，所述滚珠丝杠副的丝杠母与所述推杆紧固连接。
3.如权利要求1所述的一种基于连续可变串联柔性驱动的穿戴式动力膝关节，其特征在于：所述推杆驱动机构采用气缸或液压缸。
4.如权利要求1所述的一种基于连续可变串联柔性驱动的穿戴式动力膝关节，其特征在于：所述连杆机构包括三角连杆，所述三角连杆的第一端设置有长圆孔，所述横连杆的端部可滑动且可转动地设置在所述长圆孔中，所述三角连杆的第二端与所述上支板铰接，所述三角连杆的第三端与第一连杆的一端铰接，所述第一连杆的另一端与所述下支板铰接。
5.如权利要求1所述的一种基于连续可变串联柔性驱动的穿戴式动力膝关节，其特征在于：所述连杆机构为一根两端分别与所述横连杆、弹性片铰接的连杆。
6.如权利要求4所述的一种基于连续可变串联柔性驱动的穿戴式动力膝关节，其特征在于：当所述下支板转动至与所述上支板呈45°角时，所述长圆孔的长轴垂直于所述上支板的长度方向。
7.如权利要求1所述的一种基于连续可变串联柔性驱动的穿戴式动力膝关节，其特征在于：所述上支板采用适用于包住人体大腿或小腿的半包围结构，所述下支板采用适用于包住人体小腿或踝关节部位的半包围结构。
8.如权利要求4所述的一种基于连续可变串联柔性驱动的穿戴式动力膝关节，其特征在于：所述三角连杆的第二端与所述上支板的连接处设置有轴承，所述三角连杆与所述第一连杆的连接处设置有轴承，所述第一连杆与所述下支板的连接处设置有轴承。
9.如权利要求5所述的一种基于连续可变串联柔性驱动的穿戴式动力膝关节，其特征在于：所述连杆的端部与所述横连杆的连接处设置有轴承，所述连杆与所述弹性片的连接处设置有轴承。
10.如权利要求1所述的一种基于连续可变串联柔性驱动的穿戴式动力膝关节，其特征在于：所述弹性片采用弹簧钢加工而成。
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