CN118288266B - 人体膝关节助力外骨骼装置 - Google Patents

Abstract

人体膝关节助力外骨骼装置，涉及膝关节助力技术领域，包括两个左右相对的外骨骼组件，每个所述外骨骼组件还包括助力组件，所述助力组件用于提供人体膝关节屈伸的动力，所述助力组件包括两个开口相对的圆盘，两个所述圆盘之间共同转动连接有转轴，所述转轴上同轴设有固定盘，所述固定盘外表面上周向间隔设有多个缓冲板，所述固定盘上转动连接有助力盘，每个所述缓冲板均与所述助力盘滑动连接；测量组件，所述测量组件位于两个所述助力组件之间，所述测量组件用于测量两腿之间的纵向距离；本发明能够有效的提高对人体膝关节助力的效果。

Description

人体膝关节助力外骨骼装置

技术领域

本发明涉及膝关节助力器械技术领域，特别是一种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。

申请号为CN202210595791.1的中国专利公开了一种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。虽然此发明能够通过卷簧收集人体行走踢腿过程中的机械能，在人体屈膝的过程中释放进行助力屈膝，但是在人体踢腿过程中需要克服卷簧的收卷力，才能进行机械能的收集，促使踢腿过程中需要克服很多的力，当人体膝关节处摆腿动作受限时，此时便不能进行助力，且在站立时没有对其进行支撑，容易增大膝关节处的不适感，且没有对迈出步伐的距离测量，不利于对人体膝关节处提供合适的助力。

因此，需要发明一种人体膝关节助力外骨骼装置解决上述问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种人体膝关节助力外骨骼装置，可以有效的解决了背景技术中膝关节的助力行走的力度和支撑的技术问题。

其解决的技术方案是，本发明包括两个左右相对的外骨骼组件，每个所述外骨骼组件还包括：

助力组件，所述助力组件用于提供人体膝关节屈伸的动力，所述助力组件包括两个开口相对的圆盘，两个所述圆盘之间共同转动连接有转轴，所述转轴上同轴设有固定盘，所述固定盘外表面上周向间隔设有多个缓冲板，所述固定盘上转动连接有助力盘，每个所述缓冲板均与所述助力盘滑动连接；

测量组件，所述测量组件位于两个所述助力组件之间，所述测量组件用于测量两腿之间的纵向距离；

约束组件，所述助力组件设置在两个所述约束组件之间，所述约束组件用于将所述助力组件约束在人体膝关节处；

调节组件，所述调节组件设置在所述助力组件的外侧，所述调节组件用于对所述助力组件和所述约束组件之间的角度的调节。

优选的，所述助力组件还包括位于两个所述圆盘之间的电机，所述电机的输出端与所述转轴同轴固定连接，所述助力盘的内缘面上周向间隔开设有多个与所述缓冲板一一对应的缓冲槽，每个所述缓冲板均位于其对应侧的缓冲槽内，每个所述缓冲板的一端和所述缓冲槽之间均通过主缓冲弹簧连接，每个所述缓冲板的另一端和所述缓冲槽之间均通过副缓冲弹簧连接。

优选的，所述测量组件包括位于一侧的所述助力组件内的拉绳位移传感器，所述拉绳位移传感器内缠绕有拉绳，所述拉绳的自由端伸入另一侧的所述助力组件内且与所述转轴连接。

优选的，所述约束组件包括大腿固定板和小腿固定板，所述大腿固定板的下端与所述助力盘的上端铰接连接，所述小腿固定板的上端与所述助力盘一侧的所述圆盘的下端铰接连接，所述小腿固定板和大腿固定板纵向两端分别设有束带。

优选的，所述调节组件包括竖向延伸的支撑杆，所述支撑杆的一端与所述大腿固定板外侧铰接连接，所述助力盘另一侧的所述圆盘的外侧设有定位柱，所述支撑杆的另一端与所述定位柱转动连接，所述支撑杆和所述定位柱之间设有锁止结构。

优选的，所述锁止结构包括与所述支撑杆滑动连接的锁止块，所述锁止块的上端与所述支撑杆之间通过压簧连接，所述定位柱上横向开设有开口朝上的锁止槽，所述锁止槽内滑动连接有制动块，所述锁止块的下端伸入所述锁止槽内且与所述制动块的上端接触。

优选的，靠近所述支撑杆的所述圆盘内设有调节盒，所述调节盒内滑动连接有L型的推杆。

优选的，所述推杆靠近所述调节盒的一端设有约束环，所述拉绳依次伸出所述调节盒和所述约束环，所述推杆远离所述调节盒的一端设有解锁杆，所述解锁杆的自由端与所述制动块固定连接。

优选的，所述解锁杆远离所述调节盒的一侧和所述圆盘之间通过弹性件连接。

优选的，所述制动块和锁止块的相对面均为方向一致的楔形面。

本发明的有益效果：

1、通过电机经转轴带动助力盘顺逆转动，从而在助力盘的作用下助力人体膝关节的屈膝和伸直动作，便于助力人体行走，且在缓冲板、缓冲槽和弹簧的作用下，能够在屈膝和伸直动作中起到一定的缓冲效果，能够有效的提高辅助行走时安全性，减少了对膝关节处的损害，进一步了提高了对人体膝关节处助力的效果。

2、通过助力盘助力行走的过程中，使得拉绳位移传感器内的拉绳被拉出，能够根据拉绳被拉出的长度了解迈出步伐的距离，从而便于对膝关节助力行走的力度进行分析，便于采用合适的力度对人体膝关节助力行走，进一步提高了对人体膝关节助力行走的效果。

3、通过锁止机构能够在膝关节处于伸直站立状态时，对支撑杆的转动进行自动锁止，使得人体站立时能够通过支撑杆对人体膝关节处进行支撑，从而减少了膝关节处受到的重力，减少了膝关节处的磨损，提高了膝关节助行时的稳定性，进一步提高了膝关节助力的效果。

附图说明

图1是本发明的轴测图。

图2是本发明中助力组件的结构轴测图。

图3是本发明中助力组件的结构爆炸示意图。

图4是本发明中助力盘的全剖左视图。

图5是本发明图4中A的放大图。

图6是本发明中转轴处的结构示意图。

图7是本发明中锁止结构的爆炸示意图。

图8是本发明中缓冲板处的结构示意图。

图9是本发明中助力组件的全剖俯视图。

图10是本发明图9中B的放大图。

图11是本发明中调节组件的全剖主视图。

图12是本发明中测量组件的结构图。

附图标记为：1、外骨骼组件；2、助力组件；201、圆盘；202、转轴；203、固定盘；204、缓冲板；205、助力盘；206、电机；207、缓冲槽；208、主缓冲弹簧；209、副缓冲弹簧；3、测量组件；301、拉绳位移传感器；302、拉绳；4、约束组件；401、大腿固定板；402、小腿固定板；403、束带；5、调节组件；501、支撑杆；502、定位柱；6、锁止结构；601、锁止块；602、压簧；603、锁止槽；604、制动块；7、调节盒；8、推杆；9、约束环；10、解锁杆；11、弹性件。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

目前在对人体进行膝关节助力行走时，往往需要佩戴助力外骨骼装置辅助行走，然而目前一般都是采用卷簧或扭簧来收集踢腿的机械能，随后释放来助力人体膝关节的屈膝，但是在人体踢腿过程中需要克服卷簧或扭簧的收卷力，才能进行机械能的收集，且当人体膝关节处摆腿动作受限时，此时便不能进行助力，且在站立时没有对其进行支撑，容易增大膝关节处的不适感，不利于对人体膝关节提供助力，从而不利于提供行走助力，为解决上述问题特发明此实施例。

实施例1

如图1-图8所示，包括两个左右相对的外骨骼组件1，每个外骨骼组件1还包括助力组件2，助力组件2用于提供人体膝关节屈伸的动力，助力组件2包括两个开口相对的圆盘201，两个圆盘201之间共同转动连接有转轴202，转轴202上同轴设有固定盘203，固定盘203外表面上周向间隔设有多个缓冲板204，固定盘203上转动连接有助力盘205，每个缓冲板204均与助力盘205滑动连接；助力组件2还包括位于两个圆盘201之间的电机206，电机206的输出端与转轴202同轴固定连接，助力盘205的内缘面上周向间隔开设有多个与缓冲板204一一对应的缓冲槽207，每个缓冲板204均位于其对应侧的缓冲槽207内，每个缓冲板204的一端和缓冲槽207之间均通过主缓冲弹簧208连接，每个缓冲板204的另一端和缓冲槽207之间均通过副缓冲弹簧209连接；约束组件4包括大腿固定板401和小腿固定板402，大腿固定板401的下端与助力盘205的上端铰接连接，小腿固定板402的上端与助力盘205一侧的圆盘201的下端铰接连接，小腿固定板402和大腿固定板401纵向两端分别设有束带403。

通过束带403将大腿固定板401和小腿固定板402约束在下肢对应侧的位置后，助力组件2被约束在人体膝关节的一侧，使得外骨骼组件1整体约束在人体的腿部，随之启动电机206，电机206通过转轴202和固定盘203带动一侧的助力盘205沿两个圆盘201顺时针摆动，使得助力盘205经圆盘201、小腿固定板402和大腿固定板401带动一侧的腿部向前迈步，使得小腿固定板402经圆盘201带动人体膝关节向后摆动，且转轴202带动固定盘203上的缓冲板204沿缓冲槽207滑动，缓冲板204挤压主缓冲弹簧208，在缓冲板204沿缓冲槽207滑动且与缓冲槽207的端面接触的过程中，缓冲板204经主缓冲弹簧208带动助力盘205缓慢转动助力，能够在踢腿屈膝的过程中起到缓冲作用，便于更好的助力行走；缓冲板204与缓冲槽207端面接触后，助力盘205助力踢腿时进行屈膝动作，在脚部落地的过程中，电机206反转经转轴202和助力盘205助力人体膝关节由弯曲状态转变为竖直状态，完成迈步动作。

随之另一侧的电机206通过转轴202和固定盘203带动另一侧的助力盘205沿两个圆盘201顺时针摆动，使得助力盘205经圆盘201、小腿固定板402和大腿固定板401带动另一侧的腿部向前迈步，使得小腿固定板402经圆盘201带动人体膝关节向后摆动，且转轴202带动固定盘203上的缓冲板204沿缓冲槽207滑动，缓冲板204挤压副缓冲弹簧209，在缓冲板204沿缓冲槽207滑动且与缓冲槽207的端面接触的过程中，缓冲板204经副缓冲弹簧209带动助力盘205缓慢转动助力，能够在踢腿屈膝的过程中起到缓冲作用，便于更好的助力行走；缓冲板204与缓冲槽207端面接触后，助力盘205助力踢腿时进行屈膝动作，在脚部落地的过程中，电机206反转经转轴202和助力盘205助力人体膝关节由弯曲状态转变为竖直状态，完成辅助行走动作。

通过电机206经转轴202带动助力盘205顺逆转动，从而在助力盘205的作用下助力人体膝关节的屈膝和伸直动作，便于助力人体行走，且在缓冲板204、缓冲槽207、主缓冲弹簧208和副缓冲弹簧209的作用下，能够在屈膝和伸直动作中起到一定的缓冲效果，能够有效的提高辅助行走时安全性，减少了对膝关节处的损害，进一步了提高了对人体膝关节处助力的效果。

实施例2

在电机206通过转轴202和助力盘205辅助人体膝关节进行行走摆动，辅助人体助力行走时，往往无法测量人体两腿步伐之间的纵向距离，不利于把控助力行走时的力度，从而起不到好的助力效果，不利于减轻人体膝关节处的负担，因此基于上述实施例的基础上进一步的改进。

如图1和图12所示，测量组件3，测量组件3位于两个助力组件2之间，测量组件3用于测量两腿之间的距离；测量组件3包括位于一侧的助力组件2内的拉绳位移传感器301，拉绳位移传感器301内缠绕有拉绳302，拉绳302的自由端伸入另一侧的助力组件2内且与转轴202连接。

当助力盘205带动一侧的腿部向前迈步时，使得两个助力盘205之间的纵向距离增大，此时拉绳位移传感器301受力并将其内部的拉绳302拉出，此时拉绳位移传感器301将拉绳302拉出的长度进行分析和处理，从而判断出迈出步伐之间的纵向距离，当助力盘205带动另一侧的腿部向前迈步后，在拉绳位移传感器301的自身作用下，将拉绳302自行收卷至其内部，此时完成对两腿之间的纵向距离的测量。

通过助力盘205助力行走的过程中，使得拉绳位移传感器301内的拉绳302被拉出，能够根据拉绳302被拉出的长度了解迈出步伐的距离，从而便于对膝关节助力行走的力度进行分析，便于采用合适的力度对人体膝关节助力行走，进一步提高了对人体膝关节助力行走的效果。

实施例3

在通过电机206控制助力组件2带动人体膝关节摆动助力行走的过程中，当人体的膝关节处于竖直的状态时，没有对膝关节处于竖直状态进行支撑，站立时容易导致膝关节处持续受到自身的重力压迫，不仅容易增大膝关节处的负担，也容易造成膝关节的损伤，因此基于上述实施例的基础上进一步的改进。

如图9-图11所示，调节组件5包括竖向延伸的支撑杆501，支撑杆501的一端与大腿固定板401外侧铰接连接，助力盘205另一侧的圆盘201的外侧设有定位柱502，支撑杆501的另一端与定位柱502转动连接，支撑杆501和定位柱502之间设有锁止结构6；锁止结构6包括与支撑杆501滑动连接的锁止块601，锁止块601的上端与支撑杆501之间通过压簧602连接，定位柱502上横向开设有开口朝上的锁止槽603，锁止槽603内滑动连接有制动块604，锁止块601的下端伸入锁止槽603内且与制动块604的上端接触；靠近支撑杆501的圆盘201内设有调节盒7，调节盒7内滑动连接有L型的推杆8，推杆8靠近调节盒7的一端设有约束环9，拉绳302依次伸出调节盒7和约束环9，推杆8远离调节盒7的一端设有解锁杆10，解锁杆10的自由端与制动块604固定连接；解锁杆10远离调节盒7的一侧和圆盘201之间通过弹性件11连接。

在助力盘205助力人体膝关节运动的过程中，拉绳位移传感器301上的拉绳302位于调节盒7内的一段逐渐被拉直，使得拉绳302经约束环9带动推杆8沿调节盒7滑动，弹性件11被压缩，推杆8经解锁杆10带动制动块604沿锁止槽603滑动，且制动块604和锁止块601的相对面均为方向一致的楔形面，使得制动块604推动锁止块601沿支撑杆501向上滑动，压簧602被压缩，锁止块601不再插入锁止槽603内，此时解除了对支撑杆501摆动的锁止，且在助力盘205助力人体膝关节屈膝的过程中，使得支撑杆501随着助力盘205一起摆动；当人体膝关节处于伸直站立状态时，在弹性件11的作用下，弹性件11带动推杆8沿调节盒7滑动至初始位置，使得推杆8经约束环9带动调节盒7内的拉绳302弯曲，推杆8经解锁杆10带动制动块604沿锁止槽603滑动至初始状态，此时锁止块601位于锁止槽603的正上方，在压簧602的作用下，压簧602带动锁止块601伸入锁止槽603内，对支撑杆501的摆动锁止，此时在支撑杆501的作用下，能够对人体膝关节处支撑，减少了膝关节处所受的重力，进一步提高了膝关节助力的效果。

通过锁止结构6能够在膝关节处于伸直站立状态时，能够对支撑杆501的转动进行自动锁止，使得人体站立时能够通过支撑杆501对人体膝关节处进行支撑，从而减少了膝关节处受到的重力，减少了膝关节处的磨损，提高了膝关节助行时的稳定性，进一步提高了膝关节助力的效果。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.人体膝关节助力外骨骼装置，其特征在于，包括两个左右相对的外骨骼组件（1），每个所述外骨骼组件（1）还包括：

助力组件（2），所述助力组件（2）用于提供人体膝关节屈伸的动力，所述助力组件（2）包括两个开口相对的圆盘（201），两个所述圆盘（201）之间共同转动连接有转轴（202），所述转轴（202）上同轴设有固定盘（203），所述固定盘（203）外表面上周向间隔设有多个缓冲板（204），所述固定盘（203）上转动连接有助力盘（205），每个所述缓冲板（204）均与所述助力盘（205）滑动连接；

测量组件（3），所述测量组件（3）位于两个所述助力组件（2）之间，所述测量组件（3）用于测量两腿之间的纵向距离；

约束组件（4），所述助力组件（2）设置在两个所述约束组件（4）之间，所述约束组件（4）用于将所述助力组件（2）约束在人体膝关节处；

调节组件（5），所述调节组件（5）设置在所述助力组件（2）的外侧，所述调节组件（5）用于对所述助力组件（2）和所述约束组件（4）之间的角度的调节；

所述约束组件（4）包括大腿固定板（401）和小腿固定板（402），所述大腿固定板（401）的下端与所述助力盘（205）的上端铰接连接，所述小腿固定板（402）的上端与所述助力盘（205）一侧的所述圆盘（201）的下端铰接连接，所述小腿固定板（402）和大腿固定板（401）的纵向两端分别设有束带（403）；

所述调节组件（5）包括竖向延伸的支撑杆（501），所述支撑杆（501）的一端与所述大腿固定板（401）外侧铰接连接，所述助力盘（205）另一侧的所述圆盘（201）的外侧设有定位柱（502），所述支撑杆（501）的另一端与所述定位柱（502）转动连接，所述支撑杆（501）和所述定位柱（502）之间设有锁止结构（6）；

所述锁止结构（6）包括与所述支撑杆（501）滑动连接的锁止块（601），所述锁止块（601）的上端与所述支撑杆（501）之间通过压簧（602）连接，所述定位柱（502）上横向开设有开口朝上的锁止槽（603），所述锁止槽（603）内滑动连接有制动块（604），所述锁止块（601）的下端伸入所述锁止槽（603）内且与所述制动块（604）的上端接触。

2.根据权利要求1中所述的人体膝关节助力外骨骼装置，其特征在于，所述助力组件（2）还包括位于两个所述圆盘（201）之间的电机（206），所述电机（206）的输出端与所述转轴（202）同轴固定连接，所述助力盘（205）的内缘面上周向间隔开设有多个与所述缓冲板（204）一一对应的缓冲槽（207），每个所述缓冲板（204）均位于其对应侧的缓冲槽（207）内，每个所述缓冲板（204）的一端和所述缓冲槽（207）之间均通过主缓冲弹簧（208）连接，每个所述缓冲板（204）的另一端和所述缓冲槽（207）之间均通过副缓冲弹簧（209）连接。

3.根据权利要求1中所述的人体膝关节助力外骨骼装置，其特征在于，所述测量组件（3）包括位于一侧的所述助力组件（2）内的拉绳位移传感器（301），所述拉绳位移传感器（301）内缠绕有拉绳（302），所述拉绳（302）的自由端伸入另一侧的所述助力组件（2）内且与所述转轴（202）连接。

4.根据权利要求3中所述的人体膝关节助力外骨骼装置，其特征在于，靠近所述支撑杆（501）的所述圆盘（201）内设有调节盒（7），所述调节盒（7）内滑动连接有L型的推杆（8）。

5.根据权利要求4中所述的人体膝关节助力外骨骼装置，其特征在于，所述推杆（8）靠近所述调节盒（7）的一端设有约束环（9），所述拉绳（302）依次伸出所述调节盒（7）和所述约束环（9），所述推杆（8）远离所述调节盒（7）的一端设有解锁杆（10），所述解锁杆（10）的自由端与所述制动块（604）固定连接。

6.根据权利要求5中所述的人体膝关节助力外骨骼装置，其特征在于，所述解锁杆（10）远离所述调节盒（7）的一侧和所述圆盘（201）之间通过弹性件（11）连接。

7.根据权利要求1中所述的人体膝关节助力外骨骼装置，其特征在于，所述制动块（604）和锁止块（601）的相对面均为方向一致的楔形面。