CN102973337A - 一种具有承重自锁功能的主动式膝关节结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有承重自锁功能的主动式膝关节结构，主要包括，与大腿和小腿固定的连杆绷带、膝关节连接机构及限位机构、小腿连接结构、电机及谐波减速器、自锁弹片、油压缓冲器、自恢复扭簧，该结构既能够通过锁死机构保证站立阶段穿戴者的平衡性，又能够在摆动阶段对穿戴者产生助力的作用，既提高了能源的使用效率，又增强了患者穿戴者对不同地形的适应性。

Description

一种具有承重自锁功能的主动式膝关节结构
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，涉及一种具有承重自锁功能的主动式膝关节结构。
背景技术
在现有的假肢和矫形器技术中，许多的膝踝假肢和矫形器都有承重自锁的功能，能保证患者在进入站立阶段时保持一定的稳定性。膝踝假肢中主要通过调节气压缸的阻尼系数来调整，而在矫形器中为了轻便易穿戴的效果，则采用的是机械锁的方式。但是这些结构的缺点在于，在穿戴者进入摆动阶段时，不能提供主动摆动的助力效果，而是只能通过训练利用大腿的摆动来带动膝关节的运动，对患者行走和不同地形的适应性带来很大的影响。
在现有的外骨骼机器人技术中，大多数膝关节都是带有驱动结构的，驱动方式主要有液压缸和电机驱动两种方式。不管是在军事应用的负重外骨骼，还是医疗康复应用的外骨骼机器人中，进入站立阶段后，膝关节需要提供很大的力矩来保证穿戴者的平衡性，这样就需要消耗更多的能源来达到负重或者康复行走的效果。而对于穿戴式的外骨骼机器人来说，能源问题恰恰是一个不可小视的问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种具有承重自锁功能的主动式膝关节结构，既能够通过锁死机构保证站立阶段穿戴者的平衡性，又能够在摆动阶段对穿戴者产生助力的作用，既提高了能源的使用效率，又增强了患者穿戴者对不同地形的适应性。
其技术方案如下：
一种具有承重自锁功能的主动式膝关节结构，主要包括，大腿连杆、小腿连杆、与大腿和小腿固定的连杆绷带、膝关节连接机构及限位机构、小腿连接结构、电机及谐波减速器、自锁弹片、自锁弹片卡死结构、油压缓冲器、自恢复扭簧：
膝关节连接机构及限位机构和大腿连杆固联在一起；
小腿连接机构通过花键连接的方式和膝关节连接机构连接；
膝关节连接机构分为内侧和外侧两个面，内侧面分为两层，靠近穿戴者的一层上有弧形槽，远离穿戴者的一层上有自锁弹片卡死结构；外侧面连接电机及谐波减速器；
限位机构出小腿连接机构靠近穿戴者的一面上有凸出的圆柱型机构和膝关节连接结构内侧的弧形槽组成；圆柱型机构上装有自锁弹片的下端装有自恢复扭簧，自恢复扭簧的一端固定在自锁弹片上，另一端固定在小腿连接结构的下方圆台上，自锁弹片的左下端与钢丝绳的一端固联，钢丝绳的另一端与小腿连杆进行固联，小腿连接机构的下方圆台与油压缓冲器的顶杆通过连接机构进行固联，油压缓冲器出顶杆和底座两部分构成，油压缓冲器的底座上有调节油压缓冲阻尼系数的旋钮，油压缓冲器的底座通过外螺纹的方式与小腿连杆进行固联。
本发明的有益效果：本发明具有承重自锁功能的主动式膝关节结构，既能够通过锁死机构保证站立阶段穿戴者的平衡性，又能够在摆动阶段对穿戴者产生助力的作用，既提高了能源的使用效率，又增强了患者穿戴者对不同地形的适应性。当穿戴者进入摆动阶段时，出于穿戴者小腿的重力作用，作用于小腿连杆，导致与小腿连杆固联的油压缓冲器受到重力作用而有了一小段位移，此位移距离可以通过调节油压缓冲器的阻尼系数来进行调整。固联于小腿连杆的钢丝绳拉动自锁弹片，自锁弹片通过压缩装在其下方的自恢复扭簧，绕小腿连接机构上的圆柱型机构转动一个角度，使得膝关节进入自由活动状态。此时，电机开始工作，通过谐波减速器的减速效果，提供力矩以驱动膝关节进行运动，达到助力的效果。当穿戴者进入站立阶段时，由于受到脚底反作用力的作用，钢丝绳上的力自动释放，使得在摆动阶段受到压缩的自恢复扭簧进入自恢复状态。自恢复扭簧储存的扭矩使得自锁弹片绕小腿连接机构上的圆柱型机构转动一个角度，与膝关节连接机构内侧面远离穿戴者的一层配合，使膝关节进入锁死状态。此时，电机停止工作，所有的负重及瞬时冲击力通过膝关节传至油压缓冲器，在通过油压缓冲器进行缓冲之后传至地面，节省了站立阶段电机工作所需的能源消耗，也在受到冲击较大的情况下起到了保护电机及穿戴者的作用。
附图说明请提供
图1为本发明具有承重自锁功能的主动式膝关节结构的整体示意图；
图2为本发明具有承重自锁功能的主动式膝关节结构的膝关节部分外侧剖视图；
图3为本发明具有承重自锁功能的主动式膝关节结构的膝关节部分内侧剖视图；
图4为本发明具有承重自锁功能的主动式膝关节结构的小腿连杆部分剖视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
参见图1，一种具有承重自锁功能的主动式膝关节结构，整体结构通过大腿和小腿的连杆及连杆绷带1、7与人体固联在一起，膝关节连接机构及限位机构3和大腿连杆2固联在一起。小腿连接机构通过花键9连接的方式和膝关节连接机构连接，两者可以相对转动，转动轴上装有受力轴承。
膝关节连接机构分为内侧和外侧两个面，内侧为靠近穿戴者的面，内侧面的主要功能是完成机械结构的限位和与自锁弹片15的结合，使膝关节具有承重自锁功能；内侧面分为两层，靠近穿戴者的一层上有弧形槽8，用于机械限位，远离穿戴者的一层上有自锁弹片卡死结构13，能使自锁弹片15在受力的情况下锁死膝关节；外侧面连接电机及谐波减速器4，使膝关节能够主动驱动达到助力效果。
限位机构由小腿连接机构靠近穿戴者的一面上有凸出的圆柱型机构14和膝关节连接结构内侧的弧形槽8组成；圆柱型机构14上装有自锁弹片15，自锁弹片15与圆柱型机构14可以相对转动。同时自锁弹片15和膝关节连接结构内侧面远离穿戴者的一层通过不同的配合，可以锁死和解锁膝关节的运动限制。自锁弹片15的下端装有自恢复扭簧16，自恢复扭簧16的一端固定在自锁弹片15上，另一端固定在小腿连接结构10的下方圆台上，自锁弹片15的左下端与钢丝绳11的一端固联，钢丝绳11的另一端与小腿连杆6进行固联。小腿连接机构的下方圆台与油压缓冲器5的顶杆12通过连接机构进行固联，油压缓冲器5出顶杆12和底座17两部分构成，顶杆12和底座17可以相对滑动。油压缓冲器5在受到冲击力时能够起到缓冲的作用，同时也能-小段相对位移来改变自锁弹片15的状态。油压缓冲器5的底座17上有调节油压缓冲阻尼系数的旋钮，通过调节油压缓冲器5的阻尼系数适应不同的负重以及不同的穿戴者。油压缓冲器5的底座17通过外螺纹的方式与小腿连杆6进行固联。
以上所述，仅为本发明最佳实施方式，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种具有承重自锁功能的主动式膝关节结构，其特征在于，主要包括，与大腿和小腿固定的连杆绷带、膝关节连接机构及限位机构、小腿连接结构、电机及谐波减速器、自锁弹片、油压缓冲器、自恢复扭簧：
膝关节连接机构及限位机构和大腿连杆固联在一起；
小腿连接机构通过花键连接的方式和膝关节连接机构连接；
膝关节连接机构分为内侧和外侧两个面，内侧面分为两层，靠近穿戴者的一层上有弧形槽，远离穿戴者的一层上有自锁弹片卡死结构；外侧面连接电机及谐波减速器；
限位机构由小腿连接机构靠近穿戴者的一面上有凸出的圆柱型机构和膝关节连接结构内侧的弧形槽组成；圆柱型机构上装有自锁弹片的下端装有自恢复扭簧，自恢复扭簧的一端固定在自锁弹片上，另一端固定在小腿连接结构的下方圆台上，自锁弹片的左下端与钢丝绳的一端固联，钢丝绳的另一端与小腿连杆进行固联，小腿连接机构的下方圆台与油压缓冲器的顶杆通过连接机构进行固联，油压缓冲器由顶杆和底座两部分构成，油压缓冲器的底座上有调节油压缓冲阻尼系数的旋钮，油压缓冲器的底座通过外螺纹的方式与小腿连杆进行固联。
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