CN114905492A - 人体膝关节助力外骨骼装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了人体膝关节助力外骨骼装置，包括柔性连接件、刚性连接件和棘轮棘爪离合器；两个柔性连接件弧度平面设置有穿透孔，穿透孔与刚性连接件平面上的螺钉孔相连接，与大腿小腿分别固定；两个刚性连接件分别与大腿离合器和小腿卷簧部分通过螺钉连接固定；离合器内部连接有棘爪和带有一定角度齿牙的棘轮。其安装于人体膝关节处，在人体行走过程中，通过卷簧收集人体行走踢腿过程中的机械能，于人体屈膝的过程释放，助力人体行走。本发明结构简单，使用便捷；能够穿戴于人体，在行走过程中进行助力，减少膝关节磨损及人体能量消耗，提高人体行走耐久性和负重能力，同时增加工作效率。
Description
技术领域
本发明属于人体运动助力装置技术领域，具体涉及人体膝关节助力外骨骼装置。
背景技术
下肢外骨骼基于仿生学原理，通过模拟人体骨骼而设计，可穿戴在人体身上，通过机械装置和机械能量的结合提高人体行走耐久性和负重能力。在医疗康复领域，外骨骼可辅助下肢损伤患者进行康复训练或老年人等下肢肢体力量不足人群进行行走助力；在民用助力领域，外骨骼机器人可以广泛应用于登山、消防、航天探索、外卖、等需要人体负重的工作环境中，减少人体负重提高工作效率；在军事领域，外骨骼可以使士兵轻松携带更多的武器装备，增强士兵的行军能力，有效提高单兵作战能力。因此，设计一款人体膝关节助力外骨骼装置，以人体运动时产生的机械能为收集对象，对装置机构、储能机构、以及收集能量方式进行创新设计，将在民用军用领域提供可行性方案，具有重要的理论和工程应用价值。
发明内容
本发明的目的是提供人体膝关节助力外骨骼装置，有利于提高人体行走耐久性和负重能力，同时增加工作效率。
本发明所采用的技术方案是，包括大腿处柔性连接件和小腿处柔性连接件，大腿处柔性连接件和小腿处柔性连接件卡接，大腿处柔性连接件表面螺钉连接有大腿处刚性连接件，小腿处柔性连接件表面螺钉连接有小腿处刚性连接件，大腿处刚性连接件和小腿处刚性连接件的相互靠近的一端均垂直固接有圆柱支撑件，大腿处刚性连接件表面的圆柱支撑件螺钉连接有膝关节刚性连接板b，小腿处刚性连接件表面的圆柱支撑件螺钉连接有膝关节刚性连接板a，膝关节刚性连接板a和膝关节刚性连接板b之间通过圆弧抵接，膝关节刚性连接板a和膝关节刚性连接板b平行于大腿处柔性连接件和小腿处柔性连接件，大腿处柔性连接件和小腿处柔性连接件的卡接处与膝关节刚性连接板a之间设有膝关节卷簧盒盖子和膝关节卷簧盒，膝关节卷簧盒盖子和膝关节卷簧盒固接，膝关节卷簧盒盖子和膝关节卷簧盒通过膝关节转动轴与膝关节刚性连接板a轴连接，大腿处刚性连接件远离小腿处刚性连接件处固接有离合器。
本发明的特点还在于，
离合器包括离合器底壳，离合器底壳与大腿处刚性连接件固接且互相平行，离合器底壳沿着远离大腿处刚性连接件的方向依次设有背板和大腿处卷簧盒，背板与离合器底壳固接，背板设置有环形滑动槽与大腿处卷簧盒固接，背板和大腿处卷簧盒固接处设有离合器转动轴，离合器转动轴垂直背板，沿着离合器转动轴的延伸方向依次套接有大腿处卷簧盒盖子、拨盘、棘爪和棘轮，大腿处卷簧盒中部设置为凹陷环，凹陷环表面环绕有无弹力电缆绳，无弹力电缆绳两端分别与大腿处卷簧盒盖子和膝关节卷簧盒盖子固接，凹陷环和无弹力电缆绳之间通过顶丝固定，大腿处卷簧盒和大腿处卷簧盒盖子固接，大腿处卷簧盒盖子表面与拨盘抵接，拨盘表面与棘爪抵接，拨盘和棘爪与离合器转动轴之间通过销紧固连接，棘轮与棘爪彼此啮合。
棘爪表面沿着离合器转动轴的延伸方向还抵接有转动轴支座，转动轴支座呈矩形块状且平行于背板，转动轴支座与离合器转动轴套接。
转动轴支座与离合器转动轴内嵌小轴承实现过盈配合。
背板表面边缘沿着离合器转动轴延伸方向还固接有底板，转动轴支座与底板垂直固接。
底板靠近转动轴支座的一面固接有棘爪定位构件，棘爪定位构件和棘爪支座垂直，棘爪定位构件和棘爪支座之间固接有顶柱，棘爪侧壁固接有弹簧，弹簧与棘爪定位构件卡接。
底板表面靠近大腿处卷簧盒开有磁眼。
膝关节转动轴与刚性连接板通过顶丝连接固定。
本发明的有益效果是：
本发明人体膝关节助力外骨骼装置，安装于人体膝关节处，在人体行走过程中，通过卷簧与棘轮棘爪装置，收集人体行走过程中的机械能，助力人体行走，提高人体能量的利用率，降低人体能量消耗，有效提高人体行走耐久性和负重能力；装置的结构简单，使用便捷，实用性强。
附图说明
图1是本发明人体膝关节助力外骨骼装置的结构示意图；
图2是本发明人体膝关节助力外骨骼装置中离合器的安装结构示意图；
图3是本发明人体膝关节助力外骨骼装置中膝关节处安装结构示意图；
图4是本发明人体膝关节助力外骨骼装置中棘轮的结构示意图；
图5是本发明人体膝关节助力外骨骼装置中棘爪的结构示意图；
图6为本发明人体膝关节助力外骨骼装置的使用状态图。
图中，1.大腿处柔性连接件，2.小腿处柔性连接件，3.小腿处刚性连接件，4.膝关节刚性连接板a，5.膝关节刚性连接板b，6.大腿处刚性连接件，7.离合器，8.离合器底壳，9.大腿处卷簧盒，10.大腿处卷簧盒盖子，11.棘轮，12.离合器转动轴，13.转动轴支座，14.棘爪定位构件，15.底板，16.磁眼，17.顶柱，18.棘爪，19.拨盘，20.无弹力电缆绳，21.背板，22.膝关节转动轴，23.圆柱支撑件，24.膝关节卷簧盒盖子，25.膝关节卷簧盒，26.销，27.棘爪支座。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1和图3所示，本发明人体膝关节助力外骨骼装置，包括大腿处柔性连接件1和小腿处柔性连接件2，大腿处柔性连接件1和小腿处柔性连接件2卡接，大腿处柔性连接件1和小腿处柔性连接件2的卡接处与膝关节刚性连接板a4之间设有膝关节卷簧盒盖子24和膝关节卷簧盒25，卷簧盒25内设有卷簧，膝关节卷簧盒盖子24和膝关节卷簧盒25固接，膝关节卷簧盒盖子24和膝关节卷簧盒25通过膝关节转动轴22与膝关节刚性连接板a4轴连接，大腿处柔性连接件1表面螺钉连接有大腿处刚性连接件6，小腿处柔性连接件2表面螺钉连接有小腿处刚性连接件3，大腿处刚性连接件6远离小腿处刚性连接件3处固接有离合器7，大腿处刚性连接件6和小腿处刚性连接件3的相互靠近的一端均垂直固接有圆柱支撑件23进行支撑作用，大腿处刚性连接件6表面的圆柱支撑件23螺钉连接有膝关节刚性连接板b5，小腿处刚性连接件3表面的圆柱支撑件23螺钉连接有膝关节刚性连接板a4，膝关节刚性连接板a4和膝关节刚性连接板b5之间通过圆弧抵接。
如图2、图4和图5所示，离合器7包括离合器底壳8，离合器底壳8与大腿处刚性连接件6固接且互相平行，离合器底壳8沿着远离大腿处刚性连接件6的方向依次设有背板21和大腿处卷簧盒9，背板21与离合器底壳8固接，背板21设置有环形滑动槽与大腿处卷簧盒9固接，背板21和大腿处卷簧盒9固接处设有离合器转动轴12进行力的传导，离合器转动轴12垂直背板21，沿着离合器转动轴12的延伸方向依次套接有大腿处卷簧盒盖子10、拨盘19、棘爪18和棘轮11，大腿处卷簧盒9中部设置为凹陷环，凹陷环表面环绕有无弹力电缆绳20进行扭矩传导，无弹力电缆绳20两端分别与大腿处卷簧盒盖子10和膝关节卷簧盒盖子24固接，凹陷环和无弹力电缆绳20之间通过顶丝固定，大腿处卷簧盒9和大腿处卷簧盒盖子10固接，限制卷簧位置避免卷簧移位，大腿处卷簧盒盖子10表面与有拨盘19抵接，拨盘19表面与棘爪18抵接，拨盘19和棘爪18与离合器转动轴12之间通过销26紧固连接，棘轮11与棘爪18彼此啮合保持初始工作状态，拨盘19与棘轮11同步运动限定棘爪18转动位置。
背板21表面边缘沿着离合器转动轴12延伸方向还固接有底板15，转动轴支座13与底板15垂直固接，限定离合器转动轴12位置。
棘爪18表面沿着离合器转动轴12的延伸方向还抵接有转动轴支座13，转动轴支座13呈矩形块状且平行于背板21，转动轴支座13与离合器转动轴12套接。
底板15靠近转动轴支座13的一面固接有棘爪定位构件14，棘爪定位构件14和棘爪支座27垂直，棘爪定位构件14和棘爪支座27之间固接有顶柱17，棘爪18侧壁固接有弹簧，弹簧与棘爪定位构件14卡接，棘爪定位构件14内部通孔设置有弹簧与圆柱形凸头顶柱17进行活动调节，行棘爪18的限位。
转动轴支座13与离合器转动轴12内嵌小轴承实现过盈配合。
底板15表面靠近大腿处卷簧盒9开有磁眼16，限定无弹力电缆绳20传导路径。
膝关节转动轴22与刚性连接板4通过顶丝连接固定。
本发明的工作原理如下：
如图6所示，本发明的人体膝关节助力外骨骼装置上部通过大腿处刚性连接件6与大腿处柔性连接件1配合相连，下部通过小腿处刚性连接件3与小腿处柔性连接件2配合相连后通过螺钉连接等与佩戴于大小腿上，实现机械能与弹性势能的相互转换，实现人体助力过程。
将人体从屈膝状态到腿伸直的踢腿过程定位前半周期，将人体从腿伸直状态到屈膝的抬腿过程定位后半周期。
当人体处于前半周期状态时，大腿处与膝关节处卷簧处于预紧状态，随着踢腿动作开始变化，膝关节角度变大，此时，固定在大腿和小腿上的卷簧作用，棘轮11棘爪18逆时针转动接触使人体在自然状态下避免卷簧因预紧力产生的阻力；在当人体处于后半周期状态时，棘轮11棘爪18顺时针转动，在人体屈膝抬腿过程中进行助力。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.人体膝关节助力外骨骼装置，其特征在于，包括大腿处柔性连接件(1)和小腿处柔性连接件(2)，所述大腿处柔性连接件(1)和小腿处柔性连接件(2)卡接，所述大腿处柔性连接件(1)表面螺钉连接有大腿处刚性连接件(6)，所述小腿处柔性连接件(2)表面螺钉连接有小腿处刚性连接件(3)，所述大腿处刚性连接件(6)和所述小腿处刚性连接件(3)的相互靠近的一端均垂直固接有圆柱支撑件(23)，所述大腿处刚性连接件(6)表面的圆柱支撑件(23)螺钉连接有膝关节刚性连接板b(5)，所述小腿处刚性连接件(3)表面的圆柱支撑件(23)螺钉连接有膝关节刚性连接板a(4)，所述膝关节刚性连接板a(4)和膝关节刚性连接板b(5)之间通过圆弧抵接，所述膝关节刚性连接板a(4)和膝关节刚性连接板b(5)平行于大腿处柔性连接件(1)和小腿处柔性连接件(2)，所述大腿处柔性连接件(1)和小腿处柔性连接件(2)的卡接处与膝关节刚性连接板a(4)之间设有膝关节卷簧盒盖子(24)和膝关节卷簧盒(25)，所述膝关节卷簧盒盖子(24)和膝关节卷簧盒(25)固接，所述膝关节卷簧盒盖子(24)和膝关节卷簧盒(25)通过膝关节转动轴(22)与膝关节刚性连接板a(4)轴连接，所述大腿处刚性连接件(6)远离小腿处刚性连接件(3)处固接有离合器(7)。
2.根据权利要求1所述的人体膝关节助力外骨骼装置，其特征在于，所述离合器(7)包括离合器底壳(8)，所述离合器底壳(8)与所述大腿处刚性连接件(6)固接且互相平行，所述离合器底壳(8)沿着远离大腿处刚性连接件(6)的方向依次设有背板(21)和大腿处卷簧盒(9)，所述背板(21)与所述离合器底壳(8)固接，所述背板(21)设置有环形滑动槽与大腿处卷簧盒(9)固接，所述背板(21)和大腿处卷簧盒(9)固接处设有离合器转动轴(12)，所述离合器转动轴(12)垂直所述背板(21)，沿着离合器转动轴(12)的延伸方向依次套接有大腿处卷簧盒盖子(10)、拨盘(19)、棘爪(18)和棘轮(11)，所述大腿处卷簧盒(9)中部设置为凹陷环，所述凹陷环表面环绕有无弹力电缆绳(20)，所述无弹力电缆绳(20)两端分别与大腿处卷簧盒盖子(10)和膝关节卷簧盒盖子(24)固接，所述凹陷环和无弹力电缆绳(20)之间通过顶丝固定，所述大腿处卷簧盒(9)和大腿处卷簧盒盖子(10)固接，所述大腿处卷簧盒盖子(10)表面与拨盘(19)抵接，所述拨盘(19)表面与棘爪(18)抵接，所述拨盘(19)和棘爪(18)与离合器转动轴(12)之间通过销(26)紧固连接，所述棘轮(11)与棘爪(18)彼此啮合。
3.根据权利要求2所述的人体膝关节助力外骨骼装置，其特征在于，所述棘爪(18)表面沿着所述离合器转动轴(12)的延伸方向还抵接有转动轴支座(13)，所述转动轴支座(13)呈矩形块状且平行于背板(21)，所述转动轴支座(13)与离合器转动轴(12)套接。
4.根据权利要求3所述的人体膝关节助力外骨骼装置，其特征在于，所述转动轴支座(13)与离合器转动轴(12)内嵌小轴承实现过盈配合。
5.根据权利要求3所述的人体膝关节助力外骨骼装置，其特征在于，所述背板(21)表面边缘沿着离合器转动轴(12)延伸方向还固接有底板(15)，所述转动轴支座(13)与底板(15)垂直固接。
6.根据权利要求5所述的人体膝关节助力外骨骼装置，其特征在于，所述底板(15)靠近转动轴支座(13)的一面固接有棘爪定位构件(14)，所述棘爪定位构件(14)和棘爪支座(27)垂直，所述棘爪定位构件(14)和棘爪支座(27)之间固接有顶柱(17)，所述棘爪(18)侧壁固接有弹簧，所述弹簧与棘爪定位构件(14)卡接。
7.根据权利要求5所述的人体膝关节助力外骨骼装置，其特征在于，所述底板(15)表面靠近所述大腿处卷簧盒(9)开有磁眼(16)。
8.根据权利要求1所述的人体膝关节助力外骨骼装置，其特征在于，所述膝关节转动轴(22)与刚性连接板(4)通过顶丝连接固定。
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