CN112621729A - 一种基于能量回收的膝关节助力装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于能量回收的膝关节助力装置，由压簧组件，旋转压杆，一对伞齿轮，大腿板，小腿板，穿戴部分，中间板，发电电机，编码器，微控制器，电子开关等组成。本发明用于行走过程中的能量捕获和辅助运动。小腿板带动旋转压杆旋转，进而挤压压簧，受力变形的压簧带动中间板旋转，带动伞齿轮旋转，进而带动电机旋转。本发明通过编码器、微控制器识别人体运动状态，并由此控制电子开关的开合来控制作为负载的电池的充电电路的通断，从而在膝关节做负功时产生不同的电机和压簧的反力矩，帮助膝关节减速，从而减少人的代谢消耗，同时以电能的形式回收部分能量，储存到电池中。

Description

一种基于能量回收的膝关节助力装置

技术领域

本发明涉及可再生能源领域，具体涉及一种基于能量回收的膝关节助力装置。

背景技术

随着对人体结构的深入研究，在现代化，科技化的背景，越来越多的科学家执着于借助外部机械及能源提高或恢复人体的运动机能。步行是人体日常重复性很高的动作。人体在正常行走时做着重复性的膝关节加减速运动，在加减速过程中都是消耗身体能量的，减速过程中的能量如果能有效利用起来，不仅可以用于降低人体的运动代谢与疲劳，辅助行走，同时也可为穿戴设备提供续航保证。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于能量回收的膝关节助力装置，它根据膝关节的角度，控制电机状态结合压簧组件辅助膝关节的运动，回收行走过程中的动能并转化为电能，同时部分代替膝关节做功，降低膝关节的运动代谢与疲劳。

为了实现本发明目的，本发明提供的一种基于能量回收的膝关节助力装置，包括可固定在大腿上的大腿板、可固定在小腿上的小腿板、位于大腿板和小腿板之间的中间板、旋转压杆、压簧组件、电机组件、编码器、微控制器、电子开关和电源模块，

大腿板、中间板、小腿板和旋转压杆同轴设置，旋转压杆的中心轴穿过中间板、大腿板并与小腿板镶嵌固定；

压簧组件包括压簧和压片，压簧组件固定设置在中间板上，且压簧部件的压片可与旋转压杆接触，当旋转压杆旋转而挤压压片时将带动中间板旋转；

电机组件与中间板固定连接，且与电源模块电连接；

编码器与旋转压杆固定连接以读取旋转压杆的角度值；

编码器与微控制器通信连接，电子开关与微控制器信号连接，用于控制电机组件的充放电。

进一步地，还包括两个穿戴组件，大腿板和小腿板均分别通过一穿戴组件固定在大腿和小腿上。

进一步地，每个穿戴组件均包括热塑板和弹性绑带，热塑板与大腿板或小腿板固定连接，热塑板为环状，弹性绑带固定在热塑板上以将穿戴组件固定在大腿或小腿上。

进一步地，每个穿戴组件还包括海绵垫，海绵垫固定在热塑板的内侧。

进一步地，还包括柔性连接件，在大腿板和热塑板之间、小腿板和热塑板之间均固定设置有柔性连接件。

进一步地，柔性连接件由TPU材料制成。

进一步地，压簧组件有多个，均匀固定在中间板上。

进一步地，压簧组件还包括压簧壳、压簧轴、压簧调整螺钉、压簧调整垫片和压簧轴固定螺钉，压簧壳固定在中间板上，压簧调整螺钉与压簧壳螺纹连接且可穿入压簧壳内，压簧调整垫片位于压簧壳内且可与穿入压簧壳的压簧调整螺钉接触，压簧位于压簧壳内且位于压簧调整垫片的外侧，压簧轴位于压簧内，压片位于压簧外侧，压簧轴固定螺钉将压片固定在压簧轴上。

进一步地，电机组件包括电机、减速箱、小伞齿轮和大伞齿轮，减速箱通过电机安装座固定在大腿板上，且减速箱与电机的输出轴固定连接，小伞齿轮固定在减速箱的输出轴上，大伞齿轮固定在中间板上，且大伞齿轮的轴线和小伞齿轮的轴线呈90度。

进一步地，在电机安装座和大腿板之间还固定设置有电机座安装垫块。通过设置电机座安装垫块，可以调整小伞齿轮的装配位置，保证安装精度。

相对现有的技术，本发明至少具有以下有益效果：

本发明通过设置微控制器和电子开关来识别人体运动状态，从而控制负载电源模块的接入时机，使得本发明可以准确地在膝关节做负功时收集能量，在膝关节做正功时释放能量，完美代替部分肌肉的功能。由此导致的结果是增大发电功率的同时，进一步减少行走的生物能。

附图说明

图1是本发明装置的安装示意图。

图2是本发明实施例中膝关节助力装置的结构示意图。

图3是本发明实施例中膝关节助力装置的分解结构图。

图4是本发明实施例中压簧组件的分解结构图。

图5是本发明实施例中穿戴的结构示意图。

图6是本发明实施例图5中A处的局部放大示意图。

图7是本发明实施例中电子感知控制***的原理框图。

图中所示：

1-人体；2-大腿板；3-中间板；4-小腿板；5-旋转压杆；6-电机座安装垫块；7-大伞齿轮；8-小伞齿轮；9-电机安装座；10-电机；11-减速箱；12-柔性连接件；13-大伞齿轮安装座；14-压簧壳；15-压簧轴；16-压片；17-压簧调整螺钉；18-齿轮固定螺钉；19-齿轮安装座固定螺钉；20-旋转压杆固定螺钉；21-轴承；22-法兰轴承；23-止推轴承；24-止推垫片；25-螺母；26-电机座固定螺栓；27-压簧轴固定螺钉；28-压簧；29-压簧调整垫片；30-海绵垫；31-热塑板；32-弹性绑带；33-柔性连接件；34-穿戴固定螺钉；35-编码器联轴器；36-编码器安装座；37-编码器；38-编码器固定件；39-联轴器固定螺钉；40-编码器座固定螺钉；41-编码器固定板安装螺钉；42-微控制器；43-电子开关；45-电源模块。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。

请参阅图1-图7，本实施例提供的一种基于能量回收的膝关节助力装置包括大腿板2、中间板3、小腿板4、旋转压杆5、电机组件、两个穿戴组件、多个压簧组件、编码器37、微控制器42、电子开关43和电源模块45。

大腿板2和小腿板4可分别通过一穿戴组件分别固定在大腿和小腿上。如图5所示，每个穿戴组件均包括热塑板31、海绵垫30和弹性绑带32，热塑板31为环状结构，围绕肢体，贴合腿部形状，海绵垫30固定在热塑板31的内侧作为腿部与热塑板31之间的中间夹层，使得穿戴起来更加舒适，弹性绑带32固定在热塑板31上以将热塑板31固定在腿部，使得使得穿戴更贴合更舒适。

大腿板2和小腿板4分别与相对的穿戴组件上的热塑板31固定连接。本实施例中，在热塑板31和大腿板2/小腿板4之间还通过穿戴固定螺钉34固定设置有柔性连接件12，柔性连接件12与大腿板2/小腿板4接触面为平面，与热塑板31接触面为圆弧面，柔性连接件12能轻微变形以更能紧密地贴合人体，降低穿戴的不适感。本实施例中，柔性连接件12由TPU材料材料制成。

如图3所示，中间板3、旋转压杆5、大腿板2和小腿板4同轴布置，旋转压杆5通过镶嵌的方式和小腿板4固定连接，旋转压杆5的中心轴依次穿过中间板3，大腿板2，旋转压杆5的中心轴与中间板3通过轴承21连接，与大腿板2通过轴承23连接，即旋转压杆可绕中间板3，大腿板2旋转。小腿板4和大腿板2之间布置止推轴承对23，保证转动的平滑。膝关节转动时，小腿板4带动旋转压杆5绕中间板3旋转，同时挤压压簧组件，由于压簧组件固定在中间板3，故中间板3被带动旋转。

如图4所示，压簧组件包括压簧壳14、压簧轴15、压片16、压簧调整螺钉17、压簧28、压簧调整垫片29和压簧轴固定螺钉27。压簧壳14固定在中间板3上，压簧调整螺钉17与压簧壳14通过螺纹连接，且压簧调整螺钉17穿过壳壁与位于压簧壳14内的压簧调整垫片29的一侧接触，压簧28位于压簧调整垫片29的另一侧，压簧轴15位于压簧28内，压片16位于压簧28的外侧，压簧轴固定螺钉27将压片16和压簧轴15固定连接并将压簧轴15限制于压簧壳14中，形成直线滑动副，推动压片16可以压缩压簧。通过调整压簧调整螺钉17可以调整压簧28长度，施加预紧力。压簧壳14通过镶嵌的方式固定于中间板3。本实施例中设置有4个压簧组件，对称安装在中间板3上。每个压簧组件的压片16朝向旋转压杆5设置并可与旋转压杆5接触。旋转压杆5旋转时，其圆弧外形边缘与压片16接触，从而将旋转力矩转为压簧的压缩力。

电机组件包括电机座安装垫块6、电机安装座9、与电源模块电连接的电机10、减速箱9、小伞齿轮8和大伞齿轮7，大腿板2通过螺栓螺母和电机座安装垫块6、电机安装座9固定连接，电机安装座9与电机减速箱11固定连接，电机10与减速箱9通过嵌合固定连接，小伞齿轮8通过D形孔，利用紧定螺钉和电机减速箱输出轴固定连接，大伞齿轮安装座13与中间板3固定连接，大伞齿轮7通过螺钉与大伞齿轮安装座13固定连接。小伞齿轮8和大伞齿轮7之间的安装角度为90度。中间板3旋转时，带动大伞齿轮7旋转，从而带动小伞齿轮8旋转，最终驱动竖直安装的电机10旋转。另外，通过改变电机座安装垫块6的大小和位置可调整电机输出轴和大腿板2的相对位置，从而调整小伞齿轮8的装配位置，保证安装精度。

编码器37安装于编码器安装座上36，编码器安装座36通过螺栓螺母固定于编码器固定件38，编码器固定件38和电机安装座9固定连接。编码器输出轴和编码器联轴器35的一端连接，编码器联轴器35另一端通过螺钉和旋转压杆5固定连接。编码器37读取旋转压杆5的角度值，即为膝关节运动角度值。且编码器37与微控制器42通信连接，电子开关43与微控制器42信号连接，用于控制电机组件的充放电。

编码器37用以检测膝关节的关节角的变化，在膝关节做负功时，使微控制器42控制电子开关闭合，电源模块45充电电路导通。此时电机10产生反力矩，电机10发电，电能通过充电电路储存在电源模块45之中。电机10产生的反力矩代替肌肉产生力矩，生物能消耗下降。此时，在和电机10串联的压簧组件会发生形变，部分能量则储存在压簧组件的弹性势能中。储存在压簧组件的弹性势能将在膝关节做正功时释放，辅助膝关节做正功，此时电机受压簧力运动发电，电能通过发电电路同样储存在电源模块45之中。

可以根据实际需求，控制电机10的工作模式。当不需要电能回收时，当编码器37检测膝关节处于负功状态时，微控制器42控制电机10锁死，让压簧单独起作用，作用力矩仅为压簧28压缩产生的力矩。目的是用压簧组件的弹性势能的弹力代替膝关节做负功。由于此时不发电，储存在压簧组件的弹性势能比发电时大，在之后膝关节做正功时压簧组件将释放更多的能量，辅助膝关节做正功，降低生物能消耗。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于能量回收的膝关节助力装置，其特征在于：包括可固定在大腿上的大腿板(2)、可固定在小腿上的小腿板(4)、位于大腿板(2)和小腿板(4)之间的中间板(3)、旋转压杆(5)、压簧组件、电机组件、编码器(37)、微控制器(42)、电子开关(43)和电源模块(45)，

大腿板(2)、中间板(3)、小腿板(4)和旋转压杆(5)同轴设置，旋转压杆(5)的中心轴穿过中间板(3)、大腿板(2)并与小腿板(4)镶嵌固定；

压簧组件包括压簧(28)和压片(16)，压簧组件固定设置在中间板(3)上，且压簧部件的压片(16)可与旋转压杆(5)接触，当旋转压杆(5)旋转而挤压压片(16)时将带动中间板(3)旋转；

电机组件与中间板(3)固定连接，且与电源模块(45)电连接；

编码器(37)与旋转压杆(5)固定连接以读取旋转压杆(5)的角度值；

编码器(37)与微控制器(42)通信连接，电子开关(43)与微控制器(42)信号连接，用于控制电机组件的充放电。

2.根据权利要求1所述的一种基于能量回收的膝关节助力装置，其特征在于：还包括两个穿戴组件，大腿板(2)和小腿板(4)均分别通过一穿戴组件固定在大腿和小腿上。

3.根据权利要求2所述的一种基于能量回收的膝关节助力装置，其特征在于：每个穿戴组件均包括热塑板(31)和弹性绑带(32)，热塑板(31)与大腿板(2)或小腿板(4)固定连接，热塑板(31)为环状，弹性绑带(32)固定在热塑板(31)上以将穿戴组件固定在大腿或小腿上。

4.根据权利要求3所述的一种基于能量回收的膝关节助力装置，其特征在于：每个穿戴组件还包括海绵垫(30)，海绵垫(30)固定在热塑板(31)的内侧。

5.根据权利要求3所述的一种基于能量回收的膝关节助力装置，其特征在于：还包括柔性连接件(12)，在大腿板(2)和热塑板(31)之间、小腿板(4)和热塑板(31)之间均固定设置有柔性连接件(12)。

6.根据权利要求5所述的一种基于能量回收的膝关节助力装置，其特征在于：柔性连接件(12)由TPU材料制成。

7.根据权利要求1所述的一种基于能量回收的膝关节助力装置，其特征在于：压簧组件有多个，均匀固定在中间板(3)上。

8.根据权利要求1所述的一种基于能量回收的膝关节助力装置，其特征在于：压簧组件还包括压簧壳(14)、压簧轴(15)、压簧调整螺钉(17)、压簧调整垫片(29)和压簧轴固定螺钉(27)，压簧壳(14)固定在中间板(3)上，压簧调整螺钉(17)与压簧壳(14)螺纹连接且可穿入压簧壳(14)内，压簧调整垫片(29)位于压簧壳(14)内且可与穿入压簧壳(14)的压簧调整螺钉(17)接触，压簧(28)位于压簧壳(14)内且位于压簧调整垫片(29)的外侧，压簧轴(15)位于压簧(28)内，压片(16)位于压簧(28)外侧，压簧轴固定螺钉(27)将压片(16)固定在压簧轴(15)上。

9.根据权利要求1-8任一所述的一种基于能量回收的膝关节助力装置，其特征在于：电机组件包括电机(10)、减速箱(11)、小伞齿轮(8)和大伞齿轮(7)，减速箱(11)通过电机安装座(9)固定在大腿板(2)上，且减速箱(11)与电机(10)的输出轴固定连接，小伞齿轮(8)固定在减速箱(11)的输出轴上，大伞齿轮(7)固定在中间板(3)上，且大伞齿轮(7)的轴线和小伞齿轮(8)的轴线呈90度。

10.根据权利要求9所述的一种基于能量回收的膝关节助力装置，其特征在于：在电机安装座(9)和大腿板(2)之间还固定设置有电机座安装垫块(6)。

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