[發(fā)明專利]一種膝關(guān)節(jié)被動助力裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811286180.9
• 申請日: 2018-10-31
• 公開（公告）號: CN109176478B
• 公開（公告）日: 2020-07-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 杜曉東;王道臣;吳慶勛;崔翔
• 申請（專利權(quán)）人: 北京機械設(shè)備研究所
• 主分類號: B25J9/00
• 分類號: B25J9/00;B25J9/10
• 代理公司: 北京天達知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11386
• 代理人: 侯永帥;田英楠

本發(fā)明涉及一種膝關(guān)節(jié)被動助力裝置，屬于可穿戴設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，解決了現(xiàn)有助力裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、需要外部能量輸入、助力效果差的問題。該膝關(guān)節(jié)被動助力裝置，包括大腿支架和小腿支架，大腿支架和小腿支架通過轉(zhuǎn)軸連接，大腿支架的外側(cè)設(shè)有彈簧，彈簧的一端與大腿支架的上部固定連接，另一端通過鋼絲繩與設(shè)置于轉(zhuǎn)軸的圓盤結(jié)構(gòu)連接；小腿支架擺動帶動轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)軸帶動圓盤結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動使使鋼絲繩拉伸彈簧。實現(xiàn)了提供一種結(jié)構(gòu)簡單、無需外部能量輸入的膝關(guān)節(jié)被動助力裝置，能夠有效降低膝關(guān)節(jié)疲勞和損傷。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及可穿戴設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種膝關(guān)節(jié)被動助力裝置。

背景技術(shù)

膝關(guān)節(jié)是人體運動中一個十分重要的關(guān)節(jié)，在行走過程中膝關(guān)節(jié)輸出扭矩可達250Nm，功率可達120W，因此在外骨骼機器人、康復(fù)醫(yī)療、助殘等領(lǐng)域，膝關(guān)節(jié)助力裝置已被廣泛研究。

當(dāng)前膝關(guān)節(jié)助力裝置分為主動式和被動式兩種，主動式助力裝置又分為液壓驅(qū)動和電機驅(qū)動，液壓驅(qū)動的助力裝置主要應(yīng)用在外骨骼機器人領(lǐng)域，在大腿和小腿之間安裝液壓缸，通過液壓系統(tǒng)切換油路，實現(xiàn)對外骨骼機器人膝關(guān)節(jié)的支撐和放松，液壓驅(qū)動的助力裝置具有功率密度高、動態(tài)響應(yīng)快的優(yōu)勢，但也存在液壓伺服系統(tǒng)不易于控制的問題；電機驅(qū)動的助力裝置主要應(yīng)用于康復(fù)醫(yī)療及助殘領(lǐng)域，有采用電機帶減速器直接作用于膝關(guān)節(jié)上的形式，也有通過電機帶動連接在大腿和小腿之間的滾軸絲杠的形式，電機驅(qū)動的助力裝置便于控制，但電機的功率密度低，運動速度比較慢，只適用于下肢有運動障礙的康復(fù)領(lǐng)域。

針對目前膝關(guān)節(jié)助力裝置的不足之處，本發(fā)明提出一種通過彈簧儲能、結(jié)構(gòu)簡單、無需外部能量輸入的膝關(guān)節(jié)被動助力裝置，旨在能夠為使用者的膝關(guān)節(jié)提供助力，降低膝關(guān)節(jié)疲勞和損傷。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于上述的分析，本發(fā)明旨在提供一種膝關(guān)節(jié)被動助力裝置，用以解決現(xiàn)有助力裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、需要外部能量輸入、助力效果差的問題。

本發(fā)明的目的主要是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種膝關(guān)節(jié)被動助力裝置，包括大腿支架和小腿支架，大腿支架和小腿支架通過轉(zhuǎn)軸連接，轉(zhuǎn)軸固定設(shè)于小腿支架的上端，大腿支架的外側(cè)設(shè)有彈簧，彈簧的一端與大腿支架的上部固定連接，另一端通過鋼絲繩與設(shè)置于轉(zhuǎn)軸的圓盤結(jié)構(gòu)連接；小腿支架擺動帶動轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)軸帶動圓盤結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動使鋼絲繩拉伸彈簧。其中，助力裝置提供的助力F的表達式為：

F＝RK sin a，

式中，R-圓盤結(jié)構(gòu)的半徑，m；F-助力大小，N；K-彈簧剛度，N/m；α-人體膝關(guān)節(jié)運動角度。

進一步地，圓盤結(jié)構(gòu)的外圓周設(shè)有卡扣件，鋼絲繩通過卡扣件與圓盤結(jié)構(gòu)連接。

進一步地，卡扣件的數(shù)量有多個，且沿外圓周均勻設(shè)置。

進一步地，鋼絲繩間隔設(shè)有多個凸起，凸起與卡扣件配合將鋼絲繩與圓盤結(jié)構(gòu)固定。

進一步地，圓盤結(jié)構(gòu)的外圓周設(shè)有用于鋼絲繩纏繞的導(dǎo)引槽，導(dǎo)引槽的橫截面為圓弧形。

進一步地，導(dǎo)引槽經(jīng)過噴丸處理。

進一步地，轉(zhuǎn)軸設(shè)有轉(zhuǎn)動角度限定件，轉(zhuǎn)動角度限定件用于將大腿支架與小腿支架的運動角度限定在0-180°之間。

進一步地，穿戴者直立狀態(tài)時，彈簧處于自由狀態(tài)且鋼絲繩繃直。

進一步地，彈簧設(shè)置于彈簧室中，彈簧室固定設(shè)置于大腿支架外側(cè)；彈簧室的長度大于彈簧的自由長度，且小于彈簧的極限拉伸長度。

本發(fā)明有益效果如下：

(1)本發(fā)明提供的膝關(guān)節(jié)被動助力裝置，利用彈簧作為儲能元件，將彈簧3設(shè)置在大腿支架上，而不是將彈簧安裝在小腿支架上，提高了助力裝置在穿戴者身上的重心，能夠降低穿戴者的下肢疲勞度，因為負(fù)載越靠近人體上方對人體而言越省力，符合人體動力學(xué)原理。