CN109927016A - 一种具有变轴线膝关节的下肢外骨骼 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有变轴线膝关节的下肢外骨骼，包括背包模块、左部和右部；所述左部和右部结构相同，对称地安装在背包模块下部；所述左部包括髋关节模块、大腿模块、膝关节模块、小腿模块、踝关节模块、脚部模块、后部连杆和储能模块；所述膝关节模块包括膝关节上连杆、膝关节后连杆、膝关节下连杆、膝关节左摇杆和膝关节右摇杆。本外骨骼选用变轴线膝关节作为膝关节模块，既满足人体膝关节单自由度要求，又可以通过膝关节模块的结构设计和尺寸参数优化，实现了瞬时转动中心可变，膝关节下连杆相对于膝关节上连杆的瞬心轨迹与人体膝关节理论瞬心轨迹接近，提高了外骨骼与人腿的协调性。

Description

一种具有变轴线膝关节的下肢外骨骼

技术领域

本发明涉及机械工程领域，具体是一种具有变轴线膝关节的下肢外骨骼。

背景技术

近年来，越来越多的人体辅助外骨骼设备开始应用于军事领域和民用领域。在军事领域，士兵在单兵作战时需要背负包裹，包括防弹衣、步枪弹药、通讯器材等，同时又要面对复杂地形，因此，为了提高士兵负载、增加士兵行走持续时间，辅助负重外骨骼越来越受到重视。在民用领域，集装箱、叉车和吊车极大地减轻了物流行业的劳动强度。但是并不是所有情况下都能运用这种大型设备，大型设备在使用过程中需要合理规划场地以及与之相配套的物料***。从成本投入与产出方面，低重量廉价物料的搬运采用大型的物料***是资源的浪费，如袋装粮食重量在100kg以下，但是人体搬运很费力。故无论是民用领域还是军事领域，外骨骼都可以辅助人体负重。

膝关节由股骨内外侧髁、胫骨平台、髌骨、前后交叉的ACL韧带和PCL韧带组成，是人体最大、最复杂的关节。股端和胫骨上端接触面形状不规则，在屈伸活动中，两表面间既有滚动又有滑动。膝关节水平转动轴曲率中心即瞬时转动中心(Instant Centre ofRotation，ICR)是可变的，其移动轨迹为J型曲线。

膝关节部件作为下肢外骨骼的核心部件，其研究较为广泛。由于人体膝关节瞬心轨迹具有可变性这一特点，单轴膝关节固定的转动中心即定轴线膝关节必然使外骨骼与人腿协调性较差，膝关节部件运动轨迹与人体膝关节运动轨迹的相似性直接影响外骨骼与人体的相容性，因此，需要对膝关节机构及其运动轨迹进行改进。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种具有变轴线膝关节的下肢外骨骼。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种具有变轴线膝关节的下肢外骨骼，其特征在于该外骨骼包括背包模块、左部和右部；所述左部和右部结构相同，对称地安装在背包模块下部；背包模块上固定有肩部绑带和腰部绑带；

所述左部包括髋关节模块、大腿模块、膝关节模块、小腿模块、踝关节模块、脚部模块、后部连杆和储能模块；所述膝关节模块包括膝关节上连杆、膝关节后连杆、膝关节下连杆、膝关节左摇杆和膝关节右摇杆；

所述髋关节模块的一端与背包模块以转动副的形式连接，另一端与大腿模块的一端以转动副的形式连接；大腿模块的另一端与膝关节上连杆的一端固定连接；大腿模块上固定有大腿绑带；膝关节上连杆的另一端分别与膝关节左摇杆的一端和膝关节右摇杆的一端以转动副的形式连接；膝关节下连杆的一端与小腿模块的一端固定连接，另一端分别与膝关节左摇杆的另一端和膝关节右摇杆的另一端以转动副的形式连接；小腿模块的另一端与踝关节模块的一端以转动副的形式连接；小腿模块上固定有小腿绑带；踝关节模块的另一端与脚部模块固定连接；脚部模块固定有脚部绑带；后部连杆的一端与背包模块以转动副的形式连接，另一端分别与储能模块的一端和膝关节后连杆的一端以转动副的形式连接；膝关节后连杆的另一端与膝关节左摇杆以转动副的形式连接；储能模块的另一端与脚部模块固定连接。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

(1)本外骨骼选用变轴线膝关节作为膝关节模块，既满足人体膝关节单自由度要求，又可以通过膝关节模块的结构设计和尺寸参数优化，实现了瞬时转动中心可变，实现瞬心轨迹为J型曲线，膝关节下连杆相对于膝关节上连杆的瞬心轨迹与人体膝关节理论瞬心轨迹接近，提高了外骨骼与人腿的协调性。同时该膝关节模块结构简单，方便调整和拆卸。

(2)储能模块在摆动相变为支撑相时，储存弹性势能；在支撑相变为摆动相时，释放储存的弹性势能，减少抬腿过程中人体需要提供的能量，在无外部驱动情况下即可正常使用，适应人体步态，并同时减少人体骨骼受力及各关节负载转矩，达到辅助人体负重的作用。

(3)该外骨骼为闭链机构，承载能力大、结构简单、稳定可控。

附图说明

图1为本发明一种实施例的整体结构等轴测示意图；

图2为本发明一种实施例的整体结构左视示意图；

图3为本发明一种实施例的膝关节模块的等轴测示意图；

图4为本发明一种实施例的膝关节模块瞬心轨迹与人体膝关节理论瞬心轨迹的对比图。

图中：1、背包模块；2、髋关节模块；3、大腿模块；4、膝关节模块；5、小腿模块；6、踝关节模块；7、脚部模块；8、后部连杆；9、储能模块；10、肩部绑带；11、大腿绑带连接件；12、小腿绑带连接件；13、脚部绑带连接孔；14、腰部绑带连接孔；41、膝关节上连杆；42、膝关节后连杆；43、膝关节下连杆；44、膝关节左摇杆；45、膝关节右摇杆；

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供了一种具有变轴线膝关节的下肢外骨骼(简称外骨骼，参见图1-3)，其特征在于该外骨骼包括背包模块1、左部和右部；所述左部和右部完全相同，对称地安装在背包模块1下部；背包模块1上固定有肩部绑带10，用于固定人体肩部；背包模块1上固定有腰部绑带；

所述左部包括髋关节模块2、大腿模块3、膝关节模块4、小腿模块5、踝关节模块6、脚部模块7、后部连杆8和储能模块9；所述膝关节模块4包括膝关节上连杆41、膝关节后连杆42、膝关节下连杆43、膝关节左摇杆44和膝关节右摇杆45；

所述髋关节模块2的一端与背包模块1以转动副的形式连接(转动副是轴和轴套或者轴和轴承配合，本实施例均选用轴与轴套配合，具体是髋关节模块2端部的孔与轴套外表面过盈配合，轴套的内表面与轴间隙配合，轴与背包模块1端部的孔过盈配合，实现髋关节模块2与背包模块1的相对转动；或者是背包模块1端部的孔与轴套外表面过盈配合，轴套的内表面与轴间隙配合，轴与髋关节模块2端部的孔过盈配合，实现髋关节模块2与背包模块1的相对转动)，另一端与大腿模块3的一端以转动副的形式连接；大腿模块3的另一端与膝关节上连杆41的一端固定连接；大腿模块3上固定有大腿绑带；膝关节上连杆41的另一端分别与膝关节左摇杆44的一端和膝关节右摇杆45的一端以转动副的形式连接；膝关节下连杆43的一端与小腿模块5的一端固定连接，另一端分别与膝关节左摇杆44的另一端和膝关节右摇杆45的另一端以转动副的形式连接；小腿模块5的另一端与踝关节模块6的一端以转动副的形式连接；小腿模块5上固定有小腿绑带；踝关节模块6的另一端与脚部模块7固定连接；脚部模块7固定有脚部绑带；后部连杆8的一端与背包模块1以转动副的形式连接，另一端分别与储能模块9的一端和膝关节后连杆42的一端以转动副的形式连接；膝关节后连杆42的另一端与膝关节左摇杆44的中部以转动副的形式连接；储能模块9的另一端与脚部模块7固定连接。

背包模块1用于放置需要携带的重物；腰部绑带通过腰部绑带连接孔14和螺钉固定在背包模块1上，用于固定人体腰部；

大腿模块3是可伸缩的结构，可采用两块连接板通过腰形孔连接实现长度可调以适应使用者的大腿长度；大腿绑带通过大腿绑带连接件11和螺钉固定在大腿模块3上，用于固定人体大腿；

膝关节模块4构成双摇杆结构，膝关节下连杆43相对于膝关节上连杆41的瞬心轨迹即为小腿模块5相对于大腿模块3的瞬心轨迹，小腿模块5相对于大腿模块3的瞬心轨迹与人体理想瞬心轨迹接近。图4中，虚线为本发明膝关节模块4的瞬心轨迹，直线为人体膝关节理论瞬心轨迹。由图4可以看出，本发明的膝关节模块4的瞬心轨迹与人体膝关节理论瞬心轨迹拟合良好，提高了外骨骼与人腿的协调性。

对膝关节上连杆41、膝关节后连杆42、膝关节下连杆43、膝关节左摇杆44和膝关节右摇杆45的杆长进行了优化，具体是：

1、建立外骨骼数学模型，计算变轴线膝关节的瞬心轨迹与膝关节上连杆41、膝关节后连杆42、膝关节下连杆43、膝关节左摇杆44和膝关节右摇杆45的杆长参数的函数关系式；

2、进行坐标系转化，将绝对坐标系内的函数关系式转化到局部坐标系；

3、以人体膝关节理论瞬心轨迹和计算轨迹的坐标平方差之和为目标函数，以站立稳定性条件、双摇杆运动学条件、仿生性条件和传动角约束为约束条件，以杆长参数为变量进行优化，计算出目标函数最小时的杆长参数。

(1)站立稳定性条件：下肢外骨骼需满足以下条件：支撑腿位于支撑相，需要稳定性；摆动腿位于摆动相，需要屈伸功能。因此，变轴线膝关节的瞬心需要在人体膝关节处于全伸展位时比人体膝关节的生理解剖轴高并且位于髋踝线之后的位置上，以此来提高膝关节的稳定性。通过参考中华人民共和国国家技术监督局.GB/T 10000-1998中国成年人人体尺寸参数，得到胫骨点高数据为444mm，约束小腿杆长度；

(2)双摇杆运动学条件：双摇杆运动学特性为：①最短杆的对面杆为机架且最短杆与最长杆的长度之和≤另外两杆的长度之和；②最短杆与最长杆的长度之和＞另外两杆的长度之和。

(3)仿生性条件：在人体穿戴外骨骼运动过程中，外骨骼膝关节的瞬心应始终不越出相当于正常人腿的膝关节空间(矢状面内)，因此结合人体膝关节结构尺寸通过约束双摇杆机构和大腿杆的杆长来满足这一条件。

(4)传动角约束：在机构运动时，传动角的大小是变化的，但是为了保证机构良好的传动性，必须规定最小传动角的下限。一般机械许用传动角通常取40°，高速大功率机械取50°，低功率机械可取低于40°。本外骨骼无驱动，且速度低，故许用传动角取30°。

小腿模块5是可伸缩的结构，可采用两块连接板通过腰形孔连接实现长度可调以适应使用者的小腿长度；小腿绑带通过小腿绑带连接件12和螺钉固定在小腿模块5上，用于固定人体小腿；

脚部绑带通过脚部绑带连接孔13和螺钉固定在脚部模块7上，用于固定人体脚部。

后部连杆8是可伸缩的结构，可采用两块连接板通过腰形孔连接实现长度可调。

在行走过程中，由摆动相变为支撑相时，储能模块9将人体和背包模块1中的重物的重力势能转化为弹性势能储存；到下一个步态由支撑相变为摆动相时，储能模块9释放储存的弹性势能，减少抬腿过程中人体需要提供的能量，达到辅助人体负重的作用。储能模块9为带有预紧力的变刚度弹簧。

本发明的工作原理和工作流程是：

开始穿戴，调整大腿模块3的长度，与使用者大腿长度配合；调整小腿模块5的长度，与使用者小腿长度配合；使用者的脚底放在脚部模块7上，脚部绑带连接孔13上安装脚部绑带与使用者的脚部固定；大腿绑带连接件11上安装大腿绑带与使用者的大腿固定，小腿绑带连接件12上安装小腿绑带与使用者的小腿固定；肩部绑带10背于使用者双肩，腰部绑带连接孔14上安装腰部绑带与使用者的腰部固定，实现髋关节模块2对应人体的髋关节，膝关节模块4对应人体的膝关节，踝关节模块6对应人体的踝关节，保证外骨骼相对人体的正确位置。

穿戴完成之后，目前处于站立姿态，储能模块9将人体和背包模块1中的重物的重力势能转化为弹性势能储存。使用者开始行走，依靠人体提供转矩，以先迈左腿为例，左脚抬起，由支撑相变为摆动相，同时储能模块9释放弹性势能，由大腿绑带11和小腿绑带12分别带动大腿模块3和小腿模块5开始运动，大腿模块3带动膝关节上连杆41运动，小腿模块5带动膝关节下连杆43运动。膝关节上连杆41与膝关节下连杆43同时运动，带动膝关节左摇杆44与膝关节右摇杆45运动，膝关节左摇杆44带动膝关节后连杆42运动，膝关节后连杆42带动后部连杆8与储能元件9共同运动。左脚落地，由摆动相变为支撑相，储能模块9储存弹性势能，实现左腿向前迈步。右腿同理，实现整个外骨骼带动人体前进的运动。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (8)

1.一种具有变轴线膝关节的下肢外骨骼，其特征在于该外骨骼包括背包模块、左部和右部；所述左部和右部结构相同，对称地安装在背包模块下部；背包模块上固定有肩部绑带和腰部绑带；

所述左部包括髋关节模块、大腿模块、膝关节模块、小腿模块、踝关节模块、脚部模块、后部连杆和储能模块；所述膝关节模块包括膝关节上连杆、膝关节后连杆、膝关节下连杆、膝关节左摇杆和膝关节右摇杆；

所述髋关节模块的一端与背包模块以转动副的形式连接，另一端与大腿模块的一端以转动副的形式连接；大腿模块的另一端与膝关节上连杆的一端固定连接；大腿模块上固定有大腿绑带；膝关节上连杆的另一端分别与膝关节左摇杆的一端和膝关节右摇杆的一端以转动副的形式连接；膝关节下连杆的一端与小腿模块的一端固定连接，另一端分别与膝关节左摇杆的另一端和膝关节右摇杆的另一端以转动副的形式连接；小腿模块的另一端与踝关节模块的一端以转动副的形式连接；小腿模块上固定有小腿绑带；踝关节模块的另一端与脚部模块固定连接；脚部模块固定有脚部绑带；后部连杆的一端与背包模块以转动副的形式连接，另一端分别与储能模块的一端和膝关节后连杆的一端以转动副的形式连接；膝关节后连杆的另一端与膝关节左摇杆以转动副的形式连接；储能模块的另一端与脚部模块固定连接。

2.根据权利要求1所述的具有变轴线膝关节的下肢外骨骼，其特征在于腰部绑带通过腰部绑带连接孔固定在背包模块上。

3.根据权利要求1所述的具有变轴线膝关节的下肢外骨骼，其特征在于大腿模块是可伸缩的结构，可采用两块连接板通过腰形孔连接实现长度可调以适应使用者的大腿长度；小腿模块是可伸缩的结构，可采用两块连接板通过腰形孔连接实现长度可调以适应使用者的小腿长度。

4.根据权利要求1所述的具有变轴线膝关节的下肢外骨骼，其特征在于小腿绑带通过小腿绑带连接件固定在小腿模块上，用于固定人体小腿。

5.根据权利要求1所述的具有变轴线膝关节的下肢外骨骼，其特征在于大腿绑带通过大腿绑带连接件固定在大腿模块上，用于固定人体大腿。

6.根据权利要求1所述的具有变轴线膝关节的下肢外骨骼，其特征在于脚部绑带通过脚部绑带连接孔固定在脚部模块上，用于固定人体脚部。

7.根据权利要求1所述的具有变轴线膝关节的下肢外骨骼，其特征在于后部连杆是可伸缩的结构，可采用两块连接板通过腰形孔连接实现长度可调。

8.根据权利要求1所述的具有变轴线膝关节的下肢外骨骼，其特征在于储能模块为带有预紧力的变刚度弹簧。