[發明專利]一種基于氣動肌肉的膝關節外骨骼助力機構

有效

• 申請號: 201410633708.0
• 申請日: 2014-11-12
• 公開（公告）號: CN104398323A
• 公開（公告）日: 2015-03-11
• 發明（設計）人: 徐飛;張晗;洪琳
• 申請（專利權）人: 南京工程學院
• 主分類號: A61F2/60
• 分類號: A61F2/60;A61F2/64
• 代理公司: 南京縱橫知識產權代理有限公司 32224
• 代理人: 董建林;劉艷艷

技術領域

本發明涉及一種基于氣動肌肉的膝關節外骨骼助力機構，屬于仿生機器人技術領域。

背景技術

外骨骼技術已經有二十多年的歷史。通過仿生學原理，旨在設計一種能夠增強人體能力的機電一體化裝置，可穿戴在操作人員體外，提供諸如動力、支撐、保護等功能。

外骨骼常見的驅動有電機、液壓、氣動等形式。電機驅動的功率/質量比較小，滿足條件后質量及電機的體積都比較大。液壓驅動存在泄露、系統成本高、可靠性差。氣壓驅動雖然存在許多優點，但功率/體積質量有限，無法滿足外骨骼對驅動器簡單輕便的要求。同時氣動伺服系統也存在空氣壓縮性、弱阻尼特性、閥口流動的強非線性以及低剛度性等弱點。

近年來一類基于生物肌肉運動原理而設計開發出來的驅動器—氣動人工肌肉（簡稱PMA）。因其較好的柔性以及良好的功率/體積和輸出/自重比使外骨骼助力機構輕便化的設計成為可能。

發明內容

目的：為了克服現有技術的不足，本發明提供一種基于氣動肌肉的膝關節外骨骼助力機構，為適合相關人員穿戴的膝關節外骨骼機構，該機構能夠實現助力功能，方便、輕巧，易于控制。?

技術方案：為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：

一種基于氣動肌肉的膝關節外骨骼助力機構，其特征在于：包括大腿支架、兩個結構相同的腿部部件；腿部部件的上端分別連接在大腿支架上，所述腿部部件包括從上至下依次連接的大腿、膝關節和小腿；大腿下端與小腿的上端通過膝關節進行轉動連接；

所述大腿包括通軸和兩個氣動肌肉組件，所述膝關節包括轉輪和連接軸；通軸上端固定在大腿支架的底端；通軸下端設置連接軸，連接軸上套設轉輪，小腿的上端套設在連接軸上并與轉輪固定連接，轉輪通過兩個氣動肌肉組件和索繩來帶動轉動；兩個氣動肌肉組件的上端分別與大腿支架底端固定連接，下端分別與索繩的兩端連接，索繩中間部位繞轉輪纏繞帶動轉輪轉動進而帶動小腿轉動。

所述的一種基于氣動肌肉的膝關節外骨骼助力機構，其特征在于：所述氣動肌肉組件，包括：第一螺紋桿、氣動肌肉、快擰插頭、徑向連接件、第二螺紋桿、雙耳環；其中第一螺紋桿、氣動肌肉、徑向連接件、第二螺紋桿、雙耳環依次連接，第一螺紋桿上端與大腿支架連接；雙耳環上連接索繩且索繩纏繞在轉輪上；氣動肌肉的上端設有進出氣口，與氣源相連通，下端封閉，快擰插頭通過徑向連接件與氣動肌肉內部相連通。

所述的一種基于氣動肌肉的膝關節外骨骼助力機構，其特征在于：所述膝關節，還包括深溝球軸承、軸承套筒和旋轉編碼器；連接軸與通軸兩側分別固定連接；轉輪徑向通過深溝球軸承套設在連接軸上能夠繞連接軸轉動，轉輪軸向通過軸承套筒與通軸一側固定；旋轉編碼器與轉輪固定在一起實現同步轉動。

所述的一種基于氣動肌肉的膝關節外骨骼助力機構，其特征在于：所述小腿通過螺栓與膝關節上的轉輪相連。

所述的一種基于氣動肌肉的膝關節外骨骼助力機構，其特征在于：所述小腿為鏤空鋁板結構，設有綁帶可有效固定。

所述的一種基于氣動肌肉的膝關節外骨骼助力機構，其特征在于：所述通軸包括兩塊平行設置的豎板和橫板，兩豎板上端分別垂直固定連接在橫板上，下端分別與連接軸垂直相連。

作為優選方案，所述的一種基于氣動肌肉的膝關節外骨骼助力機構，其特征在于：通軸上端通過螺栓固定在大腿支架的底端；連接軸通過螺栓與通軸兩側分別固定連接。

有益效果：本發明提供的一種基于氣動肌肉的膝關節外骨骼助力機構，基于生物肌肉運動原理而設計開發出來的驅動器—氣動人工肌肉（簡稱PMA），具有較好的柔性以及良好的功率/體積和輸出/自重比，使外骨骼助力機構輕便化的設計成為可能；穿戴者穿戴好氣動肌肉驅動的膝關節外骨骼助力機構后，借助氣動肌肉產生的拉力鍛煉膝關節，可以有效減輕醫護人員的勞動強度，滿足人們日益增加的對醫療護理的需求。

附圖說明

圖1和圖2為本發明的結構示意圖；

圖3為本發明中氣動肌肉組件的結構圖；

圖4為本發明中膝關節的結構圖；

圖5為本發明中氣動肌肉的氣動控制系統原理圖。

圖中：?大腿支架1、通軸2、氣動肌肉組件3、小腿4、轉輪5、連接軸6、深溝球軸承7、軸承套筒8、豎板9、橫板10、索繩11、氣源20、氣動三聯件21、安全閥22、兩位五通電磁閥23、比例減壓閥24、壓力傳感器25；氣動肌肉30、第一螺紋桿31、徑向連接件32、第二螺紋桿33、雙耳環34、快擰插頭35。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。