CN101234044A - 假肢外骨骼膝关节 - Google Patents

Abstract

一种康复工程技术领域中的假肢外骨骼膝关节，包括：伺服电机、传动机构、四连杆机构，四连杆机构包括大腿外骨骼、小腿外骨骼、后连杆、蜗轮，传动机构包括主动齿轮、从动齿轮和蜗杆，大腿外骨骼包括两块板，伺服电机固定大腿外骨骼内外两板中间，主动齿轮和伺服电机的输出轴固接，并和从动齿轮啮合，从动齿轮安装在蜗杆的轴端，蜗杆固定于大腿外骨骼的两块板之间，蜗杆与蜗轮相啮合，蜗轮的另一端和小腿外骨骼通过轴承连接，蜗轮的转动中心通过蜗轮的支撑轴和大腿外骨骼连接，后连杆和大腿外骨骼、小腿外骨骼的支撑轴连接。本发明装置结构紧凑，整个传动系统全部置于两腿外骨骼内侧，可以保护患者不受机械结构的影响。

Description

假肢外骨骼膝关节

技术领域

本发明为一种康复工程技术领域中的假肢关节，具体是一种假肢外骨骼膝关节。

背景技术

现代社会由于交通事故、体育事故、工伤、战争等意外事故和人口老龄化造成的肢体残疾人的数量呈逐年增长趋势，目前对病人进行康复训练的医疗设备的类型已有很多种。针对下肢残疾和瘫痪病人，传统的康复工具有拐杖、轮椅和假肢，这三种类型均为被动式的康复设备，病人使用不够方便，有时还需其他人帮助，假肢也得到了应用，但是在病人身上安装假肢首先需要截肢，许多患者从心理上难以接收。外骨骼假肢突破了传统康复工具的一般思路，将机器人主动控制技术和假肢“助走”技术相结合，通过设计灵巧的外骨骼假肢，佩戴于肢体残疾人身上进行关节康复训练。

膝关节是人体内最大的也是最复杂的一个关节，它有两个关节结构，含有胫股关节和髌股关节，膝关节承受人体很大的力。膝关节的活动角度较大，胫股关节在矢状面运动范围可从0°～140°，在正常行走和上下楼梯的动作中，运动范围在0°～70°内，人体的膝关节在屈曲过程中并不是绕一个固定轴转动，其瞬时转动中心是一条曲线，人在正常行走时，作用于膝关节上的力约为体重的3倍，而当膝关节弯曲情况下站立或漫步上楼时，需承受3～5倍体重。

传统的外骨骼膝关节采用单轴转动方式，不能实时改变转动中心，很难保证患者在支撑期的稳定性和摆动期的灵活性，达不到良好步态训练的要求，对患者康复产生不利影响。同时传统的外骨骼膝关节一般不具有自锁功能，承受的负载较小，因此设计一种可变瞬时转动中心、能输出较大力矩的智能型外骨骼膝关节具有广阔的应用背景。

经对现有技术文件的检索发现，中国专利公开号CN1586434，专利名称为“一种可穿戴式的下肢步行外骨骼”，其外骨骼膝关节由四杆机构构成，包括摆杆，横截面呈∏型的支撑杆以及液压缸，支撑杆的上端向后凸出，摆杆具有互成直角的端接点，其中一端与支撑杆的地段铰接构成上下旋转的旋转副，另一端和液压缸得以段铰接，液压缸的另一端与支撑杆上端向后的凸出处铰接，髋部四杆机构的支撑杆置于膝盖四杆机构的支撑杆的凹槽中通过定位销相连，膝盖四杆机构的液压缸与髋部四杆机构的液压缸分别在膝盖四杆机构的支撑杆的前、后侧。通过液压缸驱动膝关节单轴转动，液压缸驱动存在定位精度不高的缺点，美国专利(US2007056592-A1)也是一种下肢外骨骼假肢，通过连接外骨骼大腿和小腿的液压缸来驱动膝关节转动，采用单轴转动方式，存在稳定性控制的问题。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提出了一种假肢外骨骼膝关节，并使其通过蜗轮蜗杆机构驱动平面四连杆机构，实现膝关节的主动活动，并在极限位置安装限位器，保证外骨骼膝关节在安全的范围内活动。

本发明是通过如下技术措施实现的，本发明包括：伺服电机、四连杆机构和传动机构，四连杆机构包括大腿外骨骼、小腿外骨骼、后连杆、蜗轮，传动机构包括主动齿轮、从动齿轮和蜗杆，大腿外骨骼包括两块板，伺服电机固定大腿外骨骼内外两板中间，主动齿轮和伺服电机的输出轴固接，并和从动齿轮啮合，从动齿轮安装在蜗杆的轴端，蜗杆固定于大腿外骨骼的两块板之间，蜗杆与蜗轮相啮合，蜗轮的另一端和小腿外骨骼通过轴承连接，蜗轮的转动中心通过蜗轮的支撑轴和大腿外骨骼连接，后连杆和大腿外骨骼、小腿外骨骼的支撑轴连接。

所述后连杆通过对开式结构和大腿外骨骼、小腿外骨骼上的支撑轴连接。

所述大腿外骨骼，其两块板之间设有限位器，该限位器用于判断蜗轮的位置，从而判断小腿外骨骼是否达到极限位置。

所述主动齿轮和伺服电机采用键连接形式。

所述主动齿轮和从动齿轮构成第一级减速器。

所述蜗杆与蜗轮构成第二级减速器。

本发明工作时，伺服电机转动带动主动齿轮转动，通过齿轮传动，带动从动齿轮转动，从而带动蜗杆转动，再经蜗杆和蜗轮的第二级传动，带动蜗轮转动，从而带动膝关节四杆机构中蜗轮所在的一杆转动，带动小腿外骨骼转动，最终使膝关节转动，工作时后连杆也将随之转动。由于采用了四连杆机构，大小腿间的相对转动中心能根据转动角度的大小而发生改变，因此可拟和人体膝关节转动中心的实际情况。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明中大腿外骨骼、小腿外骨骼、后连杆和蜗轮构成一典型四连杆机构。同时减速传动系统全部置于两腿外骨骼内侧，这样布置结构紧凑，可以保护患者不受机械结构的影响。电机的输出力矩通过主动齿轮、从动齿轮，蜗轮、蜗杆两级减速，将力矩增大后传递给小腿外骨骼，实现力矩的稳定传输。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明两种工作状态示意图

其中：图(a)为垂直状态图，图(b)为向后弯曲状态图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：伺服电机6、四连杆机构和传动机构，四连杆机构包括大腿外骨骼4、小腿外骨骼5、后连杆9和蜗轮8，传动机构包括主动齿轮1、从动齿轮2和蜗杆7，大腿外骨骼4包括两块板，伺服电机6固定于大腿外骨骼4内外两板中间，主动齿轮1和伺服电机6的输出轴固接，并和从动齿轮2啮合，从动齿轮2安装在蜗杆7的轴端，蜗杆7固定于大腿外骨骼4的两块板之间，蜗杆7与蜗轮8相啮合，蜗轮8的另一端和小腿外骨骼5通过轴承连接，蜗轮8的转动中心通过蜗轮8的支撑轴和大腿外骨骼4连接，后连杆9和大腿外骨骼4、小腿外骨骼5的支撑轴连接，起固定作用。

所述伺服电机6固定在电机座10上，电机座10设置于大腿外骨骼4内外两板中间。

所述后连杆9通过对开式结构和大腿外骨骼4、小腿外骨骼5上的支撑轴连接。

所述大腿外骨骼4，其两块板之间设有限位器3，该限位器3用于判断蜗轮8的位置，从而判断小腿外骨骼5是否达到极限位置。

所述主动齿轮1和伺服电机6采用键连接形式。

所述主动齿轮1和从动齿轮2构成第一级减速器。

所述蜗杆7与蜗轮8构成第二级减速。

本实施例工作时，伺服电机6转动带动主动齿轮1转动，通过齿轮传动，带动从动齿轮2转动，主动齿轮1和从动齿轮2作为第一级减速器，对电机进行减速，并带动蜗杆7转动，再经蜗杆7和蜗轮8的第二级减速，带动蜗轮8转动，从而带动膝关节四杆机构中蜗轮8所在的一杆转动，带动小腿外骨骼5转动，最终使膝关节转动，工作时后连杆9也将随之转动，实现大腿外骨骼与小腿外骨骼的相对活动。在大腿外骨骼和小腿外骨骼上分别带有绑带，将人腿固定在外骨骼膝关节上，由外骨骼膝关节带动人体下肢活动，达到物理康复的目的。

由于采用了四连杆机构，大小腿间的相对转动中心能根据转动角度的大小而发生改变，因此可拟和人体膝关节转动中心的实际情况。如图2(a)、(b)所示，小腿外骨骼5处于垂直和向后弯曲两种极限状态，限位器3判断小腿外骨骼5是否达到极限位置，判断后停止电机转动，保护康复训练中的患者。

本实施例利用连杆机构的结构简单、制造容易和可控制性强的优点，采用优化后的四连杆机构拟合人体膝关节的变动转动中心，使外骨骼膝关节的转动中心与人体一致，实现患者在进行康复训练时支撑期稳定性的目的；同时在机构设计中采用蜗轮蜗杆减速系统，一方面通过齿轮和蜗轮蜗杆两级减速，能传递较大的力和力矩，机构的总体尺寸得到简化，满足膝关节承受力大的要求，另一方面在步态行走的单腿支撑期间，通过蜗轮蜗杆的自锁性替代电机的反向制动，增加了电机寿命。

Claims (4)

1、一种假肢外骨骼膝关节，包括：伺服电机、传动机构、四连杆机构，其特征在于，所述的四连杆机构包括大腿外骨骼、小腿外骨骼、后连杆、蜗轮，传动机构包括主动齿轮、从动齿轮和蜗杆，大腿外骨骼包括两块板，伺服电机固定大腿外骨骼内外两板中间，主动齿轮和伺服电机的输出轴固接，并和从动齿轮啮合，从动齿轮安装在蜗杆的轴端，蜗杆固定于大腿外骨骼的两块板之间，蜗杆与蜗轮相啮合，蜗轮的另一端和小腿外骨骼通过轴承连接，蜗轮的转动中心通过蜗轮的支撑轴和大腿外骨骼连接，后连杆和大腿外骨骼、小腿外骨骼的支撑轴连接。

2、根据权利要求1所述的假肢外骨骼膝关节，其特征是，所述后连杆通过对开式结构和大腿外骨骼、小腿外骨骼上的支撑轴连接。

3、根据权利要求1所述的假肢外骨骼膝关节，其特征是，所述大腿外骨骼，其两块板之间设有限位器。

4、根据权利要求1所述的假肢外骨骼膝关节，其特征是，所述主动齿轮和伺服电机之间为键连接。

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