CN110812128A - 套索人工肌肉驱动式膝关节外骨骼装置 - Google Patents

套索人工肌肉驱动式膝关节外骨骼装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种套索人工肌肉驱动式膝关节外骨骼装置，包括外骨骼固定架***、受力转动关节***、以及套索传动***。该装置用一个可控绳索夹头及套索传动***来模拟生物肌肉的运动形式，当要驱动外骨骼运动时，一端的绳索夹头通过电磁信号控制夹紧绳索，作为动力源的电机通电后转动，将动力通过夹头传递到绳索再传递给末端转动关节，实现了类似肌肉受刺激后主动收缩的功能。为了更好的模拟人的肌肉形式，机构中加入了串并联弹簧，模拟肌腱以及肌肉本身的弹性，有效减少了驱动过程中产生的振动和冲击。实现了一种更安全，柔顺的驱动，让外骨骼的穿戴者感到更舒适；结构更小巧轻便，电机可放置于远离膝关节的背部，更降低了膝关节的负重。

Description

套索人工肌肉驱动式膝关节外骨骼装置
技术领域
本发明涉及医疗康复助力器械应用领域，尤其涉及一种套索人工肌肉驱动式的膝关节外骨骼装置。
背景技术
当今社会，有很多人因为疾病或者是伤残导致四肢受损，从而丧失基本的行动能力，甚至是瘫痪。为了帮助这些患者更好地生活，一种能辅助伤残患者日常行动的康复助力外骨骼装置成为医疗保健领域的研究热点。现有的外骨骼装置一般分为两种形式，第一种是通过气动肌肉驱动外骨骼进行助力，另一种是电机作为力源，驱动关节转动。气动肌肉虽然更类似于人体肌肉的工作方式，通过膨胀收缩产生拉力，但是气动装置本身控制精度较差，噪声大，并且要随身携带一个气泵，使用起来很不方便。另一种电机驱动的形式，一般带动齿轮齿条或者是带轮的形式，这种形式的外骨骼传动机构较为固定，占用空间大，比较笨重。而且在在这种情况下，当穿戴者想自由活动时，由于传动装置的作用会反向带动电机旋转，产生较大的阻力。
发明内容
发明目的：本发明提供了一种套索人工肌肉驱动式膝关节外骨骼装置，该装置解决了现有的外骨骼装置控制精度较差、噪声大、使用不方便的问题；同时，解决了占用空间大、比较笨重且阻力较大的问题。
技术方案：本发明的套索人工肌肉驱动式膝关节外骨骼装置，包括外骨骼固定架***、受力转动关节***、以及套索传动***。
所述外骨骼固定架***包括分别固定于大腿和小腿上的大腿固定架和小腿固定架，所述大腿固定架和小腿固定架分别包括用于固定腿部两侧的两大腿固定板和两小腿固定板，且其中一侧的大腿固定板和小腿固定板通过转动机构连接。
所述受力转动关节***连接于另一侧的大腿固定板和小腿固定板之间，包括能够在力的作用下使小腿固定架带动小腿活动的受力转动机构。
所述套索传动***包括与大腿固定架连接并向受力转动机构传输动力的绳索传动机构、以及驱动绳索传动机构的驱动装置，其中，所述绳索传动机构包括与受力转动机构连接并向其传输动力的端头绳索、与驱动装置连接并接收其动力的夹头绳索、以及能够供夹头绳索和端头绳索穿设或缠绕并供两者之间传输动力的绳索固定机构。
所述转动机构包括与其中一侧的大腿固定板连接的小轴承槽、与对应同侧的小腿固定板连接的小轴承端盖、其外圈与小轴承槽内圈套接配合的小轴承、以及与小轴承内圈套接配合的小转轴，且小转轴通过小腿固定架上开设的圆孔与小轴承盖连接。
所述受力转动机构包括与另一侧的大腿固定板连接的大轴承槽、与对应同侧的小腿固定板连接的端头绳索固定组件、其外圈与大轴承槽套接配合的大轴承、以及与大轴承内圈套接配合的大转轴，且大转轴与端头绳索固定组件套接并通过大轴端盖固定连接。
所述端头绳索固定组件包括两合并、并与所述大转轴套接的U型槽绳索圆盘，且其中一U型槽绳索圆盘与小腿固定板连接，两所述U型槽绳索圆盘外缘均开设有U型槽，且两所述U型槽内均设有绳索头挡块，并能够分别固定端头绳索的两端。
U型槽绳索圆盘可分开成左右两半，在其圆周上分布有两个沟槽，绳索头挡块嵌在其中，并通过螺栓紧固，U型槽绳索圆盘右半与小腿固定架通过螺栓固连。
所述绳索固定机构包括两套管固定架、两绳索套管以及U型的关节导管，套管固定架与大腿固定架通过螺栓固定。
其中，两绳索套管分别穿插于其中一套管固定架上，且U型的关节导管两端分别穿插于另一套管固定架上。
所述夹头绳索穿过其中一绳索套管、之后穿过关节导管、再逆向穿过另一个绳索套管，且夹头绳索的两端与驱动装置连接。
所述端头绳索设有两根，两所述端头绳索的其中一端分别卡接于另一套管固定架上、另一端分别与U型槽绳索圆盘的绳索头挡块固定连接。
为方便控制夹头绳索是否接受驱动装置的拉力并传输给端头绳索，两所述导管固定架之间设有两导轨，两导轨上分别穿设有绳索夹头，所述绳索夹头的套筒内设有用于夹头绳索穿过并夹紧或松开夹头绳索的夹头，且所述绳索夹头套筒内与夹头之间设有夹头绳索受力后能够被压缩的串联弹簧。
绳索夹头开有导向孔，并能够通过导向孔***导轨中，且能够沿着导轨直线滑动。
所述夹头绳索穿过其中一绳索套管后穿过其中一绳索夹头、之后穿过关节导管、再逆向穿过另一绳索夹头、最后穿过另一绳索套管。
两所述端头绳索的其中一端分别穿过两绳索夹头并卡住、另一端分别与两U型槽绳索圆盘的两绳索头挡块固定连接。所述端头绳索带头子的一端从绳索夹头的末端穿过，另一端穿过U型槽绳索圆盘上的绳索头挡块，并用钢绳卡头压实。绳索夹头受到的拉力可通过端头绳索传递到受力转动关节***，从而带动小腿外骨骼转动。
夹头受到的拉力可通过该弹簧传递到夹头套筒底部的端头绳索，该弹簧起到了肌肉中的串联弹性的作用，可使得整个机构更加柔顺，安全，穿着更舒适。
其中，所述绳索夹头中夹紧或松开夹头绳索由电磁控制，通过楔形结构的夹头将穿过其中的绳索夹紧，以此对关节输出力矩。
绳索夹头可电磁控制松紧，夹紧夹头绳索后可提供拉力。当夹头都松开时，驱动装置只会带动夹头绳索沿着绳索套管及关节导管来回空转，不产生拉力，穿戴者可自由活动，不会因为反向拖动电机而对人腿***产生阻力。
为了更进一步实现模拟肌肉受力的真实性，所述绳索传动机构还包括并联弹簧机构，所述并联弹簧机构包括两分别套设于两导轨上并位于绳索夹头下方的并联弹簧，两所述并联弹簧能够在绳索夹头受力时压缩。绳索夹头受力时能够压缩在其之下的并联弹簧，用于模拟另一侧肌肉的并联弹性。
为了更贴合人体结构，且更稳固，两所述大腿固定板和两小腿固定板之间均设有连接弯板。
所述驱动装置包括电机、以及与电机输出端连接的圆盘，且所述夹头绳索的两端与圆盘缠绕连接。
所述装置还包括编码器，将编码器伸进大转轴的沉孔中，并将编码器D型轴末端插进大轴承槽中的D型孔中。
外骨骼固定架可以使用铝合金材料，也可以是碳纤维板，既要保证强度，也要足够轻便；串连弹簧和并联弹簧都是线性弹簧；套索传动***中的绳索可以是钢丝绳，也可是弯曲性能较好的镍钛合金丝。
夹头绳索的末端连接电机转盘，当需要驱动小腿抬起时，人工肌肉前束对应的绳索夹头夹紧，电机正转，带动转盘以及与其相连的下肢外骨骼向前转动，当需要小腿向后弯时，后侧绳索夹头夹紧，前束松开，电机反转，即可实现。当穿戴者不再需要助力，希望穿戴者外骨骼自由行走时，只需要将两个绳索夹头都松开即可。
有益效果：1、本发明使用铝合金或者碳纤维板作为固定支架的材料，使用套索传动***作为膝关节外骨骼的传动***，使得整个结构更加小巧，轻便，减轻了穿戴者的负重；2、套索传动可以远距离施加驱动力，并且对传动路径基本没有太大限制，使得外骨骼的驱动电机可以放在远离膝关节的下背部，进一步减轻了腿部的载荷，灵活的传动路径使得绳所套管可随意弯折，大大节省了空间；3、通过电磁可控夹紧头对夹头绳索的夹紧与松开，模拟生物肌肉在激励和放松状态下的出力方式，结构中的串并联弹簧起到了生物肌肉中弹性元的作用，使得整个外骨骼的驱动方式更像是生物肌肉，让穿戴者感觉发力方式更加舒适和人性化；4、机构中的绳索以及串并联弹簧保证了该机构在传动过程中，对冲击与振动的有效吸收，并且对突然的加速力进行缓冲，可以防止驱动力过大导致的对人体的伤害；5、套索夹头的存在使得该外骨骼可以工作在两种工作状态，当工作在肌肉收缩状态时，一端夹头夹紧，电机驱动关节转动，而穿戴者需要***时，只需要将夹头都松开即可，响应快速，柔顺舒适，这样就不会像电机带动固定传动***的那种外骨骼，人要运动反而会带动电机反向转动，给人产生很大的阻力。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的分解结构示意图；
图3为本发明中绳索夹头整体外形结构示意图。
图4为套索人工肌肉的作用原理示意图；
图5为本发明中大转轴的结构图。
具体实施方式
参见图1至图5，本发明一实施例所述的套索人工肌肉驱动式外骨骼装置，包括外骨骼固定架***1、受力转动关节***2、以及套索传动***3。
外骨骼固定架***1包括大腿固定架11、小腿固定架12、小轴端盖13、小轴承14、小转轴15、小轴承槽16。
受力转动关节***2包括大轴承槽21、大轴承22、大转轴23、U型槽绳索圆盘左半24、绳索头挡块25、U型槽圆盘右半26、大轴承端盖27、编码器28。
套索传动***5包括并联弹簧3、绳索夹头4、绳索套管51、套管固定架52、导轨53、夹头绳索54、关节导管55、端头绳索56、绳索夹头4套筒内的夹头41、以及绳索夹头4套筒内与夹头连接的串联弹簧42。
首先将小转轴15与小轴承14内圈配合之后将小轴承14外圈配合进小轴承槽16中，之后将大腿固定架11与小轴承槽16、小腿固定架12与小轴承端盖13各自通过螺钉固连，再将小转轴15露出小轴承14外端部分伸进小腿固定架12的圆孔中，用螺栓将小转轴15与小轴端盖13连接。
将大轴承22内圈与大转轴23配合之后，其外圈配合进大轴承槽21，之后将大轴承槽21与大腿固定架11通过螺钉固连。将绳索头挡块25嵌进U型槽圆盘左半24的挡块沟槽中，之后与U型槽圆盘右半26合并，将U型槽圆盘整体套在大转轴23上，盖上大轴端盖27，通过螺栓将他们固连在一起。将编码器28伸进大转轴23的沉孔中，并将编码器28D型轴末端插进大轴承槽21中的D型孔中。编码器28与大转轴23的安装孔通过螺栓固连。最后通过U型槽圆盘右半26上的螺纹孔将其与小腿固定架12连接。
将两根导轨53插上并联弹簧3以及绳索夹头4的导向孔，再插进两个套管固定架52的孔中，之后将其作为一个整体通过螺钉固连在大腿固定架11上。将两根绳索套管51插进上面的套管固定架52上，将一根短套管掰成U型作为关节导管55插进下面的套管固定架52上。将一根夹头绳索54穿进一端绳索套管51后穿过绳索夹头4，之后穿过关节导管55，再逆向穿过另一个绳索夹头4，之后穿回至驱动端。将绳索驱动端连接至电机转盘6。
将端头绳索56从绳索夹头4底部穿出，末端***U型槽绳索圆盘中的绳索头挡块25中，露出的部分通过钢绳卡头压紧。另一根端头绳索56以同样的方式安装在另一边，这样就将绳索夹头4的末端与受力转动关节***2相连，输入的拉力也能通过夹头传递到受力转动关节***2。
本发明的工作原理如下：
穿戴者通过绑带将大腿和小腿外骨骼固定支架分别绑到大小腿上。当需要驱动小腿抬起时，通过电磁控制使前束人工肌肉的绳索夹头4夹紧夹头绳索54，驱动电机正转，之后电机带动夹头绳索54并带动夹紧绳索的夹头41运动，之后绳索夹头4将力通过端头绳索56传递到受力转动关节***2，如此便可以驱动小腿向前转动，此时绳索夹头4内部的串联弹簧42收到压缩，相当于肌肉收缩时肌腱体现出来的串联弹性，另一端的并联弹簧3收到压缩，相当于，拮抗肌肉范松时体现出来的肌肉并联弹性。当需要反转时，夹紧后束的绳索夹头，松开前束的绳索夹头，电机6反转。肌肉运动时串并联弹簧以及套索传动***能让整个机构显得更柔顺和安全，并且能够吸收突然的冲击，让穿戴者感到舒适。
当穿戴者希望***时，松开绳索夹头，便可以脱离电机的束缚，相当于带着转动关节空转，只受到下肢外骨骼的轻微负载，这也是此外骨骼机构的一大特色。

Claims (10)

1.一种套索人工肌肉驱动式膝关节外骨骼装置，其特征在于：包括外骨骼固定架***、受力转动关节***、以及套索传动***，
-所述外骨骼固定架***包括分别固定于大腿和小腿上的大腿固定架和小腿固定架，所述大腿固定架和小腿固定架分别包括用于固定腿部两侧的两大腿固定板和两小腿固定板，且其中一侧的大腿固定板和小腿固定板通过转动机构连接；
-所述受力转动关节***连接于另一侧的大腿固定板和小腿固定板之间，包括能够在力的作用下使小腿固定架带动小腿活动的受力转动机构；
-所述套索传动***包括与大腿固定架连接并向受力转动机构传输动力的绳索传动机构、以及驱动绳索传动机构的驱动装置，其中，所述绳索传动机构包括与受力转动机构连接并向其传输动力的端头绳索、与驱动装置连接并接收其动力的夹头绳索、以及能够供夹头绳索和端头绳索穿设或缠绕并供两者之间传输动力的绳索固定机构。
2.根据权利要求1所述的套索人工肌肉驱动式膝关节外骨骼装置，其特征在于：所述转动机构包括与其中一侧的大腿固定板连接的小轴承槽、与对应同侧的小腿固定板连接的小轴承端盖、其外圈与小轴承槽内圈套接配合的小轴承、以及与小轴承内圈套接配合的小转轴，且小转轴通过小腿固定架上开设的圆孔与小轴承盖连接。
3.根据权利要求1所述的套索人工肌肉驱动式膝关节外骨骼装置，其特征在于：所述受力转动机构包括与另一侧的大腿固定板连接的大轴承槽、与对应同侧的小腿固定板连接的端头绳索固定组件、其外圈与大轴承槽套接配合的大轴承、以及与大轴承内圈套接配合的大转轴，且大转轴与端头绳索固定组件套接并通过大轴端盖固定连接。
4.根据权利要求3所述的套索人工肌肉驱动式膝关节外骨骼装置，其特征在于：所述端头绳索固定组件包括两合并、并与所述大转轴套接的U型槽绳索圆盘，且其中一U型槽绳索圆盘与小腿固定板连接，两所述U型槽绳索圆盘外缘均开设有U型槽，且两所述U型槽内均设有绳索头挡块，并能够分别固定端头绳索的两端。
5.根据权利要求1所述的套索人工肌肉驱动式膝关节外骨骼装置，其特征在于：所述绳索固定机构包括两套管固定架、两绳索套管以及U型的关节导管，
其中，两绳索套管分别穿插于其中一套管固定架上，且U型的关节导管两端分别穿插于另一套管固定架上，
所述夹头绳索穿过其中一绳索套管、之后穿过关节导管、再逆向穿过另一个绳索套管，且夹头绳索的两端与驱动装置连接，
所述端头绳索设有两根，两所述端头绳索的其中一端分别卡接于另一套管固定架上、另一端分别与U型槽绳索圆盘的绳索头挡块固定连接。
6.根据权利要求5所述的套索人工肌肉驱动式膝关节外骨骼装置，其特征在于：两所述导管固定架之间设有两导轨，两导轨上分别穿设有绳索夹头，所述绳索夹头的套筒内设有用于夹头绳索穿过并夹紧或松开夹头绳索的夹头，且所述绳索夹头套筒内与夹头之间设有夹头绳索受力后能够被压缩的串联弹簧，
所述夹头绳索穿过其中一绳索套管后穿过其中一绳索夹头、之后穿过关节导管、再逆向穿过另一绳索夹头、最后穿过另一绳索套管，
两所述端头绳索的其中一端分别穿过两绳索夹头并卡住、另一端分别与两U型槽绳索圆盘的两绳索头挡块固定连接。
7.根据权利要求6所述的套索人工肌肉驱动式膝关节外骨骼装置，其特征在于：所述绳索夹头中夹紧或松开夹头绳索由电磁控制。
8.根据权利要求1所述的套索人工肌肉驱动式膝关节外骨骼装置，其特征在于：所述绳索传动机构还包括并联弹簧机构，所述并联弹簧机构包括两分别套设于两导轨上并位于绳索夹头下方的并联弹簧，两所述并联弹簧能够在绳索夹头受力时压缩。
9.根据权利要求1所述的套索人工肌肉驱动式膝关节外骨骼装置，其特征在于：两所述大腿固定板和两小腿固定板之间均设有连接弯板。
10.根据权利要求1所述的套索人工肌肉驱动式膝关节外骨骼装置，其特征在于：所述驱动装置包括电机、以及与电机输出端连接的圆盘，且所述夹头绳索的两端与圆盘缠绕连接。
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