CN109176478A - 一种膝关节被动助力装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种膝关节被动助力装置,属于可穿戴设备技术领域,解决了现有助力装置结构复杂、需要外部能量输入、助力效果差的问题。该膝关节被动助力装置,包括大腿支架和小腿支架,大腿支架和小腿支架通过转轴连接,大腿支架的外侧设有弹簧,弹簧的一端与大腿支架的上部固定连接,另一端通过钢丝绳与设置于转轴的圆盘结构连接;小腿支架摆动带动转轴转动,转轴带动圆盘结构转动使使钢丝绳拉伸弹簧。实现了提供一种结构简单、无需外部能量输入的膝关节被动助力装置,能够有效降低膝关节疲劳和损伤。
Description
技术领域
本发明涉及可穿戴设备技术领域,尤其涉及一种膝关节被动助力装置。
背景技术
膝关节是人体运动中一个十分重要的关节,在行走过程中膝关节输出扭矩可达250Nm,功率可达120W,因此在外骨骼机器人、康复医疗、助残等领域,膝关节助力装置已被广泛研究。
当前膝关节助力装置分为主动式和被动式两种,主动式助力装置又分为液压驱动和电机驱动,液压驱动的助力装置主要应用在外骨骼机器人领域,在大腿和小腿之间安装液压缸,通过液压***切换油路,实现对外骨骼机器人膝关节的支撑和放松,液压驱动的助力装置具有功率密度高、动态响应快的优势,但也存在液压伺服***不易于控制的问题;电机驱动的助力装置主要应用于康复医疗及助残领域,有采用电机带减速器直接作用于膝关节上的形式,也有通过电机带动连接在大腿和小腿之间的滚轴丝杠的形式,电机驱动的助力装置便于控制,但电机的功率密度低,运动速度比较慢,只适用于下肢有运动障碍的康复领域。
针对目前膝关节助力装置的不足之处,本发明提出一种通过弹簧储能、结构简单、无需外部能量输入的膝关节被动助力装置,旨在能够为使用者的膝关节提供助力,降低膝关节疲劳和损伤。
发明内容
鉴于上述的分析,本发明旨在提供一种膝关节被动助力装置,用以解决现有助力装置结构复杂、需要外部能量输入、助力效果差的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的:
一种膝关节被动助力装置,包括大腿支架和小腿支架,大腿支架和小腿支架通过转轴连接,转轴固定设于小腿支架的上端,大腿支架的外侧设有弹簧,弹簧的一端与大腿支架的上部固定连接,另一端通过钢丝绳与设置于转轴的圆盘结构连接;小腿支架摆动带动转轴转动,转轴带动圆盘结构转动使钢丝绳拉伸弹簧。其中,助力装置提供的助力F的表达式为:
F=RK sin a,
式中,R-圆盘结构的半径,m;F-助力大小,N;K-弹簧刚度,N/m;α-人体膝关节运动角度。
进一步地,圆盘结构的外圆周设有卡扣件,钢丝绳通过卡扣件与圆盘结构连接。
进一步地,卡扣件的数量有多个,且沿外圆周均匀设置。
进一步地,钢丝绳间隔设有多个凸起,凸起与卡扣件配合将钢丝绳与圆盘结构固定。
进一步地,圆盘结构的外圆周设有用于钢丝绳缠绕的导引槽,导引槽的横截面为圆弧形。
进一步地,导引槽经过喷丸处理。
进一步地,转轴设有转动角度限定件,转动角度限定件用于将大腿支架与小腿支架的运动角度限定在0-180°之间。
进一步地,穿戴者直立状态时,弹簧处于自由状态且钢丝绳绷直。
进一步地,弹簧设置于弹簧室中,弹簧室固定设置于大腿支架外侧;弹簧室的长度大于弹簧的自由长度,且小于弹簧的极限拉伸长度。
本发明有益效果如下:
(1)本发明提供的膝关节被动助力装置,利用弹簧作为储能元件,将弹簧3设置在大腿支架上,而不是将弹簧安装在小腿支架上,提高了助力装置在穿戴者身上的重心,能够降低穿戴者的下肢疲劳度,因为负载越靠近人体上方对人体而言越省力,符合人体动力学原理。
(2)本发明提供的膝关节被动助力装置,将钢丝绳固定在圆盘结构上,而不是直接固定到转轴上,因而避免了钢丝绳与转轴发生干涉,并且,钢丝绳也没有通过支点固定连接到小腿支架上,克服了钢丝绳绕支点滑动容易磨损断裂、转动阻力大、力传递效率低、助力效果差的缺陷。将钢丝绳固定在圆盘上的助力装置,结构简单,设计构思巧妙,能够使膝关节转动更加灵活,力传递效率更高,助力效果更好。
本发明中,上述各技术方案之间还可以相互组合,以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述,并且,部分优点可从说明书中变得显而易见,或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的,而并不认为是对本发明的限制,在整个附图中,相同的参考符号表示相同的部件。
图1为实施例中膝关节被动助力装置的正视剖面图;
图2为实施例中膝关节被动助力装置的侧视剖面图;
图3为实施例中人体行走步态图;
图4为实施例中小腿摆动时助力装置的工作状态正视剖面图;
图5为实施例中小腿摆动时助力装置的工作状态侧视剖面图;
图6为图1中具有导滑轮组件的膝关节被动助力装置的正视剖面图。
附图标记:
1、大腿支架;2、小腿支架;3、弹簧;4、钢丝绳;5、转轴;6、圆盘结构。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例,其中,附图构成本申请一部分,并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理,并非用于限定本发明的范围。为了便于说明,作如下约定:穿戴者直立状态时,大腿支架1和小腿支架2之间的夹角为180°,大腿支架1和小腿支架2之间的转动角度为0°,也即人体膝关节运动角度α为0°。
本发明的一个具体实施例,如图1至图4所示,膝关节被动助力装置包括大腿支架1和小腿支架2,大腿支架1和小腿支架2通过转轴5连接,大腿支架1的外侧设有弹簧3,弹簧3的一端与大腿支架1的上部固定连接,另一端通过钢丝绳4与设置于转轴5的圆盘结构6连接;小腿支架2摆动带动转轴5转动,转轴5带动圆盘结构6转动使钢丝绳4拉伸弹簧3储能。圆盘结构6的直径与结构装置的助力大小、弹簧3的刚度及人体膝关节运动角度相关,助力装置提供的助力大小的表达式为:
F=RK sin a,
式中,R-圆盘结构的半径,m;F-助力大小,N;K-弹簧刚度,N/m;α-人体膝关节运动角度。
实施时,选用长度适合的弹簧3及钢丝绳4,保证在穿戴者直立状态时,弹簧处于自由状态且钢丝绳4绷直,将小腿支架2和大腿支架1通过紧固装置分别与穿戴者的小腿和大腿紧固。图3示出了人体行走步态膝关节变化图,当处于初始摇摆状态时,如图4、图5,穿戴者大腿和小腿分别带动大腿支架1和小腿支架2,使大腿支架1和小腿支架2之间的夹角变小,大腿支架1和小腿支架2之间的转动角度变大,膝关节处于活动状态,小腿支架2绕转轴5转动带动圆盘结构6转动,从而使固定在圆盘结构上的钢丝绳4缠绕在圆盘结构6上,进而带动钢丝绳4将弹簧3拉长进行储能,此时弹簧3呈伸长状态;当人体行走到达中段摆动和摆动交替状态时,穿戴者膝关节运动角度也即大腿支架1与小腿支架2之间的转动角度达到最大值,并即将变小,弹簧3由伸长状态开始回复,带动钢丝绳4在圆盘结构6上反绕,拉动小腿支架2,使小腿支架2和大腿支架1的夹角变大,大腿支架1与小腿支架2的转动角度变小,为穿戴者小腿伸直提供助力,直至人体行走至站立状态过程中,弹簧3恢复至原始状态,为人体小腿伸直及膝关节支撑提供助力。
与现有技术相比,本实施例提供的膝关节被动助力装置,利用弹簧3作为储能元件,将钢丝绳4固定在圆盘结构6上,当运动到初始摇摆状态时,腿部弯曲摆动,膝关节转动角度变大,弹簧3被拉长进行储能;当人体行走到达中段摆动和摆动交替状态时,至人体行走至站立状态过程中,弹簧3在恢复力的作用下复原释放能量,为膝关节提供支撑力,此助力装置,采用被动助力形式,结构简单,重量轻,无需外接动力源,通过人体行走步态自动切换弹簧3的能量储能和释放,适应不同的运动步态,能够有效降低人体膝关节疲劳程度,起到保护膝关节和助力的效果。
本实施例中,圆盘结构6的外圆周设有卡扣件,钢丝绳4通过卡扣件与圆盘结构6连接,优选地,钢丝绳4与卡扣件可拆卸连接,便于更换钢丝绳4,以及调整钢丝绳4的长度。进一步优选地,卡扣件的数量有多个,且均匀设置于圆盘结构6的外圆周,例如,以圆盘结构6的中心为原点,圆心角每隔15°设置一个卡扣件,钢丝绳4能够通过卡扣件固定在圆盘结构6外圆周的不同位置,因而能够调节弹簧3和圆盘结构6连接的有效钢丝绳4长度,保证穿戴者直立状态时,弹簧3处于自由状态且钢丝绳4绷直,从而适应不同腿长人群,应用更加广泛。
为了便于固定钢丝绳4,钢丝绳4间隔设有多个凸起,凸起与卡扣件配合将钢丝绳4与圆盘结构6固定,因此可以选择钢丝绳4上不同位置的凸起与卡扣件配合将钢丝绳4与圆盘结构6固定,使调节钢丝绳4的长度更加便捷。
考虑到钢丝绳4为易耗部件,在圆盘结构6的外圆周设有用于钢丝绳4缠绕的导引槽,导引槽的横截面为圆弧形,钢丝绳4能够置于圆弧形导引槽,使钢丝绳4缠绕在特定的轨道,避免钢丝绳4因缠绕位置变化影响助力效果。
为了提升助力装置的使用寿命,圆盘结构6的外圆周,尤其导引槽经过喷丸处理,能够增大与钢丝绳4之间的摩擦力,避免钢丝绳4与圆盘结构6的外圆周发生滑动进而影响助力效果,还能提高圆盘结构6的外圆周或导引槽的抗疲劳强度,提高其使用寿命。
考虑到助力装置的安全性,小腿支架2只能向身后弯曲,若在特殊情况下反向弯曲,则会对膝盖造成伤害,因此,本实施例中的助力装置,在转轴5设有转动角度限定件,转动角度限定件用于将大腿支架1与小腿支架2的运动角度α限定在0-180°之间,即人体直立状态时,大腿支架1和小腿支架2之间的转动角度α为0°,大腿支架1与小腿支架2之间的最大转动角度为极限运动角度,为180°,有效地避免了小腿支架2反向弯曲现象的发生,提高了助力装置的安全性。
本实施例中,穿戴者直立状态时,弹簧3处于自由状态且钢丝绳4绷直,为了防止弹簧3摆动影响助力效果,弹簧3设置于弹簧室中,弹簧室固定设置于大腿支架1外侧,弹簧室的下表面设有允许钢丝绳4通过的开口,弹簧室的长度大于弹簧3的自由长度,且小于弹簧3的极限拉伸长度,从而避免小腿用力过度将弹簧3拉断,对穿戴者造成伤害。优选地,弹簧室为轻质空心管,空心管的内壁光滑,空心管的内径与弹簧3的直径相同,降低助力装置的重力,减缓穿戴者腿部疲劳感。
考虑到钢丝绳4拉伸弹簧3的过程中,弹簧3会对弹簧室的侧壁有压力,一方面会增大弹簧3与弹簧室之间的摩擦力,增加穿戴者疲劳感,另一方面会对弹簧3和弹簧室有一定的磨损,降低了助力装置的使用寿命。因此,本实施例中,弹簧室的侧壁下部固定设有导滑轮组件,如图6所示,导滑轮组件包括连接杆,连接杆的一端固定设于弹簧室侧壁,另一端设有滑轮,钢丝绳4绕过滑轮与圆盘结构6连接,钢丝绳4与滑轮的接触点位于弹簧3的纵向中心线上。优选地,滑轮的外圆周设置限位轨道,钢丝绳4在限位轨道上滑动。此结构的助力装置,通过设置导滑轮组件,延长了弹簧3及弹簧室的使用寿命,降低了穿戴者的疲劳感,显著提升了力传递效率。
本实施例中,将弹簧3设置在大腿支架1上,而不是将弹簧安装在小腿支架2上,提高了助力装置在穿戴者身上的重心,能够降低穿戴者的下肢疲劳度,因为负载越靠近人体上方对人体而言越省力,符合人体动力学原理;并且,钢丝绳4与能够转动的圆盘结构6连接,而不是直接固定到转轴5上,因而能够避免钢丝绳4与转轴5发生干涉,另一方面,钢丝绳4也没有通过支点固定连接到小腿支架2上,克服了钢丝绳4绕支点滑动容易磨损断裂、转动阻力大、力传递效率低、助力效果差的缺陷,本实施例的助力装置,将钢丝绳4固定在圆盘上,设计构思巧妙,结构简单,膝关节转动更加灵活,力传递效率更高,助力效果更好。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种膝关节被动助力装置,包括大腿支架和小腿支架,所述大腿支架和小腿支架通过转轴连接,所述转轴固定设于所述小腿支架的上端,其特征在于,所述大腿支架的外侧设有弹簧,所述弹簧的一端与大腿支架的上部固定连接,另一端通过钢丝绳与设置于转轴的圆盘结构连接;
所述小腿支架摆动带动所述转轴转动,所述转轴带动所述圆盘结构转动使所述钢丝绳拉伸所述弹簧。
2.根据权利要求1所述的膝关节被动助力装置,其特征在于,所述助力装置提供的助力F的表达式为:
F=RKsina,
式中,R-圆盘结构的半径,m;F-助力大小,N;K-弹簧刚度,N/m;α-人体膝关节运动角度。
3.根据权利要求1所述的膝关节被动助力装置,其特征在于,所述圆盘结构的外圆周设有卡扣件,所述钢丝绳通过所述卡扣件与所述圆盘结构连接。
4.根据权利要求3所述的膝关节被动助力装置,其特征在于,所述卡扣件的数量有多个,且沿所述外圆周均匀设置。
5.根据权利要求3所述的膝关节被动助力装置,其特征在于,所述钢丝绳间隔设有多个凸起,所述凸起与所述卡扣件配合将钢丝绳与所述圆盘结构固定。
6.根据权利要求1所述的膝关节被动助力装置,其特征在于,所述圆盘结构的外圆周设有用于钢丝绳缠绕的导引槽,所述导引槽的横截面为圆弧形。
7.根据权利要求6所述的膝关节被动助力装置,其特征在于,所述导引槽经过喷丸处理。
8.根据权利要求1所述的膝关节被动助力装置,其特征在于,所述转轴设有转动角度限定件,所述转动角度限定件用于将大腿支架与小腿支架的运动角度限定在0-180°之间。
9.根据权利要求1所述的膝关节被动助力装置,其特征在于,穿戴者直立状态时,所述弹簧处于自由状态且所述钢丝绳绷直。
10.根据权利要求1-9所述的膝关节被动助力装置,其特征在于,所述弹簧设置于弹簧室中,所述弹簧室固定设置于所述大腿支架外侧;
所述弹簧室的长度大于弹簧的自由长度,且小于所述弹簧的极限拉伸长度。
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GR01 | Patent grant | ||
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