CN101647736A

CN101647736A - 并联式外骨骼膝关节

Info

Publication number: CN101647736A
Application number: CN200910307368A
Authority: CN
Inventors: 印松; 殷跃红; 郭朝
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2009-09-21
Filing date: 2009-09-21
Publication date: 2010-02-17

Abstract

本发明涉及的是一种康复工程技术领域的并联式外骨骼膝关节。包括：第一大腿支撑架、第二大腿支撑架、第一连接板、第二连接板、大腿外套和小腿外套，其中：第一大腿支撑架与第一连接板固定连接，第二大腿支撑架与第二连接板固定连接，大腿外套固定于第一大腿支撑架和第二大腿支撑架上，小腿外套位于大腿外套的下方，还包括：第一运动支链和第二运动支链，其中：第一运动支链上设有第一连杆，第二运动支链上设有第二连杆，第一连杆与第二连杆通过转动副活动连接，第一连接板和第二连接板的两端分别固定于第一运动支链和第二运动支链上，小腿外套与转动副固定连接。本发明刚性好，承载能力高，仿生性高，能够满足具有不同膝关节尺寸的用户的需求。

Description

并联式外骨骼膝关节

技术领域

本发明涉及的是一种康复工程技术领域的膝关节，具体是一种并联式外骨骼膝关节。

背景技术

每年世界上都有大量的人因为事故或疾病等原因导致身体残疾或瘫痪，失去正常的行动能力。临床医学经验表明，正确、科学的康复训练对肢体运动功能恢复和提高能够起到非常重要的作用。目前，肢体康复训练主要是通过专业护理人员人工模拟患者肢体的关节运动实现，这种方法对专业护理人员的素质要求较高，专业护理人员的劳动强度较大，医疗费用高，灵活性较差。为了解决这一问题，各种主动式康复设备被设计开发出来，外骨骼助走机器人是其中最具代表性的一种，它直接与患者肢体相连，具有便携性、灵活性、自主性等优点。

从运动学上看，组成膝关节的股骨和胫骨的两接触表面间既有滚动又有滑动，因此膝关节的运动形式为平面上的复杂运动。目前的人体下肢外骨骼助走机器人多数采用串联机构构成膝关节，其主要形式是转动铰链，这种形式的外骨骼膝关节机构不能反映人体膝关节的真实运动情况，仿生性和舒适性较差，为了提高仿生性，外骨骼膝关节的另一种重要形式是采用多连杆机构。

经对现有相关技术文献的索发现，中国专利申请号为：200410053695.6，名称为：可穿戴式的下肢步行外骨骼。该项技术由腰部支撑、髋部四杆机构、膝盖四杆机构、脚踝四杆机构和足底支撑依次串连构成，其骨骼虽然能够辅助或增强人的步行能力，但其具有明显的不足和缺陷：一旦确定了连杆机构的尺寸，其运动轨迹也就确定了，对于不同的使用者，需要进行定制；而且其骨骼部件腰部支撑、髋部四杆机构、膝盖四杆机构、脚踩四杆机构结构比较复杂。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述缺点，提供一种并联式外骨骼膝关节，既能满足膝关节平面运动的需要，又能适应用户膝关节尺寸的变化，提供主动驱动帮助患者进行膝关节康复训练。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：大腿外套、小腿外套、第一连接板、第二连接板、第一大腿支撑架、第二大腿支撑架，第一运动支链和第二运动支链，其中：第一大腿支撑架与第一连接板固定连接，第二大腿支撑架与第二连接板固定连接，大腿外套固定于第一大腿支撑架和第二大腿支撑架上，小腿外套位于大腿外套的下方，第一运动支链平行于第二运动支链，第一运动支链上设有第一连杆，第二运动支链上设有第二连杆，第一连杆与第二连杆通过转动副活动连接，第一连接板的两端分别固定于第一运动支链和第二运动支链上，第二连接板的两端分别固定于第一运动支链和第二运动支链上，小腿外套与转动副固定连接。

所述的第一运动支链包括：外框架、滚珠丝杠、滚珠螺母座、滚珠螺母、左导向杆、右导向杆、连接座、第一轴承、第二轴承、第一轴承支撑座和第二轴承支撑座、丝杠同步带轮、电机同步带轮、同步齿形带和伺服电机，其中：滚珠丝杠的上端固定于第一轴承内部，下端固定于第二轴承内部，第一轴承与第一轴承支撑座固定连接，第二轴承与第二轴承支撑座固定连接，第一轴承支撑座固定于外框架的上端，第二轴承支撑座固定于外框架的下端，连接座固定于外框架的中部，滚珠螺母座固定于滚珠螺母的顶端，并与第一连杆通过转动副活动连接，滚珠丝杠套接于滚珠螺母座和滚珠螺母的内部，并与滚珠螺母座和滚珠螺母活动连接，左导向杆和右导向杆的上端套接于连接座内部并与连接座固定连接，左导向杆和右导向杆的下端套接于第二轴承支撑座内部并与第二轴承支撑座固定连接，滚珠螺母座套接于左导向杆和右导向杆的外部，并与左导向杆和右导向杆活动连接，伺服电机的输出轴与电机同步带轮固定连接，滚动丝杠与丝杠同步带轮固定连接，电机同步带轮与丝杠同步带轮通过同步齿形带活动连接。

所述的第二运动支链与第一运动支链结构相同。

本发明是一种平面二自由度的并联机构，其中：外框架、伺服电机、第一轴承支撑座、第二轴承支撑座、连接座、左导向杆、右导向杆、第一连接板、第二连接板、第一大腿支撑架、第二大腿支撑架和大腿外套构成该并联机构的静平台，滚动螺母、滚动螺母座、第一连杆、第二连杆和小腿外套构成该并联机构的动平台，工作时，对于第一运动支链，由伺服电机通过电机同步带轮和丝杠同步带轮带动滚珠丝杠转动，实现滚珠螺母和滚珠螺母座沿着滚珠丝杠上下移动，并带动第一连杆产生平面运动，第二运动支链和第一运动支链的工作过程相同，在第一运动支链和第二运动支链的运动配合下，能够实现并联机构动平台相对于静平台位置的控制，即能够实现小腿相对大腿位置的控制。

本发明具有两个平面移动自由度，可以实现膝关节的平面运动，同时本发明所采用的并联机构的运动空间是一个区域，位于该区域内的轨迹都可通过并联机构的运动控制来实现，因此能够满足不同膝关节尺寸用户的需求，此外，所采用的并联机构具有高刚性和高承载能力的特点，且其驱动方式与人体肌肉牵引相仿，具有高仿生性。本发明采用并联式结构，刚性好，承载能力高，能够有效地减轻受损关节的负担；能够模拟膝关节复杂的平面运动，仿生性高；能够满足具有不同膝关节尺寸用户的需求，通用性高。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

其中：(a)是本发明的正视图，(b)是本发明的后斜视图；

图2是第一运动支链的结构示意图；

图3是平面二自由度并联机构原理图；

图4是本发明的设置示意图。

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：第一大腿支撑架1、第二大腿支撑架2、第一连接板3、第二连接板4、大腿外套5和小腿外套6，其中：第一大腿支撑架1与第一连接板3固定连接，第二大腿支撑架2与第二连接板4固定连接，大腿外套5固定于第一大腿支撑架1和第二大腿支撑架2上，小腿外套6位于大腿外套5的下方，还包括：第一运动支链7和第二运动支链8，其中：第一运动支链7平行于第二运动支链8，第一运动支链7上设有第一连杆9，第二运动支链8上设有第二连杆10，第一连杆9与第二连杆10通过转动副11活动连接，第一连接板3的两端分别固定于第一运动支链7和第二运动支链8上，第二连接板4的两端分别固定于第一运动支链7和第二运动支链8上，小腿外套6与转动副11固定连接。

如图2所示，所述的第一运动支链7包括：外框架12、滚珠丝杠13、滚珠螺母座14、滚珠螺母15、左导向杆16、右导向杆17、连接座18、第一轴承19、第二轴承20、第一轴承支撑座21和第二轴承支撑座22、丝杠同步带轮23、电机同步带轮24、同步齿形带25和伺服电机26，其中：滚珠丝杠13的上端固定于第一轴承19内部，下端固定于第二轴承20内部，第一轴承19与第一轴承支撑座21固定连接，第二轴承20与第二轴承支撑座22固定连接，第一轴承支撑座21固定于外框架12的上端，第二轴承支撑座22固定于外框架12的下端，连接座18固定于外框架12的中部，滚珠螺母座14固定于滚珠螺母15的顶端，并与第一连杆9通过转动副活动连接，滚珠丝杠13套接于滚珠螺母座14和滚珠螺母15的内部，并与滚珠螺母座14和滚珠螺母15活动连接，左导向杆16和右导向杆17的上端套接于连接座18内部并与连接座18固定连接，左导向杆16和右导向杆17的下端套接于第二轴承支撑座22内部并与第二轴承支撑座22固定连接，滚珠螺母座套14接于左导向杆16和右导向杆17的外部，并与左导向杆16和右导向杆17活动连接，伺服电机26的输出轴与电机同步带轮24固定连接，滚动丝杠13与丝杠同步带轮23固定连接，电机同步带轮24与丝杠同步带轮23通过同步齿形带25活动连接。

所述的第二运动支链8与第一运动支链7结构相同。

如图3所示，在平面二自由度并联机构中，滑块27和滑块28与静平台通过移动副连接，连杆29的上端与滑块27在B1点通过第一转动副相连，连杆30的上端与滑块28在B2点通过第二转动副相连，连杆29的下端与连杆30的下端在C点通过第三转动副相连。在滑块27和滑块28的驱动下，连杆29和连杆30带动C点在机构所在平面实现沿x轴和y轴的移动。

如图4所示，将并联机构的静平台与人体大腿相连，在第一运动支链7和第二运动支链8的带动下，与小腿固定连接的C点可沿膝关节做屈伸运动时的轨迹运动，从而实现机构对膝关节运动的模拟。

本实施例的外骨骼膝关节通过采用平面二自由度并联式结构，能够有效地减轻人体受损关节的负担，具有高刚性、高承载能力等特点；从仿生角度看，并联结构式的外骨骼关节能够逼真模拟人体多块肌肉、肌腱共同作用牵引骨骼产生的运动，仿生性高；此外，并联机构的运动空间是一个区域，位于该区域内的轨迹都可通过并联机构的运动控制来实现，因此能够满足不同膝关节尺寸用户的需求。

Claims

1.一种并联式外骨骼膝关节，其特征在于，包括：大腿外套、小腿外套、第一连接板、第二连接板、第一大腿支撑架、第二大腿支撑架，第一运动支链和第二运动支链，其中：第一大腿支撑架与第一连接板固定连接，第二大腿支撑架与第二连接板固定连接，大腿外套固定于第一大腿支撑架和第二大腿支撑架上，小腿外套位于大腿外套的下方，第一运动支链平行于第二运动支链，第一运动支链上设有第一连杆，第二运动支链上设有第二连杆，第一连杆与第二连杆通过转动副活动连接，第一连接板的两端分别固定于第一运动支链和第二运动支链上，第二连接板的两端分别固定于第一运动支链和第二运动支链上，小腿外套与转动副固定连接。

2.根据权利要求1所述的并联式外骨骼膝关节，其特征是，所述的第一运动支链包括：外框架、滚珠丝杠、滚珠螺母座、滚珠螺母、左导向杆、右导向杆、连接座、第一轴承、第二轴承、第一轴承支撑座和第二轴承支撑座、丝杠同步带轮、电机同步带轮、同步齿形带和伺服电机，其中：滚珠丝杠的上端固定于第一轴承内部，下端固定于第二轴承内部，第一轴承与第一轴承支撑座固定连接，第二轴承与第二轴承支撑座固定连接，第一轴承支撑座固定于外框架的上端，第二轴承支撑座固定于外框架的下端，连接座固定于外框架的中部，滚珠螺母座固定于滚珠螺母的顶端，并与第一连杆通过转动副活动连接，滚珠丝杠套接于滚珠螺母座和滚珠螺母的内部，并与滚珠螺母座和滚珠螺母活动连接，左导向杆和右导向杆的上端套接于连接座内部并与连接座固定连接，左导向杆和右导向杆的下端套接于第二轴承支撑座内部并与第二轴承支撑座固定连接，滚珠螺母座套接于左导向杆和右导向杆的外部，并与左导向杆和右导向杆活动连接，伺服电机的输出轴与电机同步带轮固定连接，滚动丝杠与丝杠同步带轮固定连接，电机同步带轮与丝杠同步带轮通过同步齿形带活动连接。

3.根据权利要求1所述的并联式外骨骼膝关节，其特征是，所述的第二运动支链与第一运动支链结构相同。