CN104398323A - 一种基于气动肌肉的膝关节外骨骼助力机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于气动肌肉的膝关节外骨骼助力机构，包括大腿支架、两个结构相同的腿部部件；腿部部件的上端分别连接在大腿支架上，腿部部件包括从上至下依次连接的大腿、膝关节和小腿；大腿下端与小腿的上端通过膝关节进行转动连接；大腿包括通轴和两个气动肌肉组件，膝关节包括转轮和连接轴；通轴上端固定在大腿支架的底端；通轴下端设置连接轴，连接轴上套设转轮，小腿的上端套设在连接轴上并与转轮固定连接，转轮通过两个气动肌肉组件和索绳来带动转动。借助气动肌肉产生的作用力，对膝关节转轮产生辅助力矩，实现助力功能，借助气动肌肉产生的拉力锻炼膝关节，可以有效减轻医护人员的劳动强度。

Description

一种基于气动肌肉的膝关节外骨骼助力机构

技术领域

本发明涉及一种基于气动肌肉的膝关节外骨骼助力机构，属于仿生机器人技术领域。

背景技术

外骨骼技术已经有二十多年的历史。通过仿生学原理，旨在设计一种能够增强人体能力的机电一体化装置，可穿戴在操作人员体外，提供诸如动力、支撑、保护等功能。

外骨骼常见的驱动有电机、液压、气动等形式。电机驱动的功率/质量比较小，满足条件后质量及电机的体积都比较大。液压驱动存在泄露、系统成本高、可靠性差。气压驱动虽然存在许多优点，但功率/体积质量有限，无法满足外骨骼对驱动器简单轻便的要求。同时气动伺服系统也存在空气压缩性、弱阻尼特性、阀口流动的强非线性以及低刚度性等弱点。

近年来一类基于生物肌肉运动原理而设计开发出来的驱动器—气动人工肌肉（简称PMA）。因其较好的柔性以及良好的功率/体积和输出/自重比使外骨骼助力机构轻便化的设计成为可能。

发明内容

目的：为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于气动肌肉的膝关节外骨骼助力机构，为适合相关人员穿戴的膝关节外骨骼机构，该机构能够实现助力功能，方便、轻巧，易于控制。 

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于气动肌肉的膝关节外骨骼助力机构，其特征在于：包括大腿支架、两个结构相同的腿部部件；腿部部件的上端分别连接在大腿支架上，所述腿部部件包括从上至下依次连接的大腿、膝关节和小腿；大腿下端与小腿的上端通过膝关节进行转动连接；

所述大腿包括通轴和两个气动肌肉组件，所述膝关节包括转轮和连接轴；通轴上端固定在大腿支架的底端；通轴下端设置连接轴，连接轴上套设转轮，小腿的上端套设在连接轴上并与转轮固定连接，转轮通过两个气动肌肉组件和索绳来带动转动；两个气动肌肉组件的上端分别与大腿支架底端固定连接，下端分别与索绳的两端连接，索绳中间部位绕转轮缠绕带动转轮转动进而带动小腿转动。

所述的一种基于气动肌肉的膝关节外骨骼助力机构，其特征在于：所述气动肌肉组件，包括：第一螺纹杆、气动肌肉、快拧插头、径向连接件、第二螺纹杆、双耳环；其中第一螺纹杆、气动肌肉、径向连接件、第二螺纹杆、双耳环依次连接，第一螺纹杆上端与大腿支架连接；双耳环上连接索绳且索绳缠绕在转轮上；气动肌肉的上端设有进出气口，与气源相连通，下端封闭，快拧插头通过径向连接件与气动肌肉内部相连通。

所述的一种基于气动肌肉的膝关节外骨骼助力机构，其特征在于：所述膝关节，还包括深沟球轴承、轴承套筒和旋转编码器；连接轴与通轴两侧分别固定连接；转轮径向通过深沟球轴承套设在连接轴上能够绕连接轴转动，转轮轴向通过轴承套筒与通轴一侧固定；旋转编码器与转轮固定在一起实现同步转动。

所述的一种基于气动肌肉的膝关节外骨骼助力机构，其特征在于：所述小腿通过螺栓与膝关节上的转轮相连。

所述的一种基于气动肌肉的膝关节外骨骼助力机构，其特征在于：所述小腿为镂空铝板结构，设有绑带可有效固定。

所述的一种基于气动肌肉的膝关节外骨骼助力机构，其特征在于：所述通轴包括两块平行设置的竖板和横板，两竖板上端分别垂直固定连接在横板上，下端分别与连接轴垂直相连。

作为优选方案，所述的一种基于气动肌肉的膝关节外骨骼助力机构，其特征在于：通轴上端通过螺栓固定在大腿支架的底端；连接轴通过螺栓与通轴两侧分别固定连接。

有益效果：本发明提供的一种基于气动肌肉的膝关节外骨骼助力机构，基于生物肌肉运动原理而设计开发出来的驱动器—气动人工肌肉（简称PMA），具有较好的柔性以及良好的功率/体积和输出/自重比，使外骨骼助力机构轻便化的设计成为可能；穿戴者穿戴好气动肌肉驱动的膝关节外骨骼助力机构后，借助气动肌肉产生的拉力锻炼膝关节，可以有效减轻医护人员的劳动强度，满足人们日益增加的对医疗护理的需求。

附图说明

图1和图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明中气动肌肉组件的结构图；

图4为本发明中膝关节的结构图；

图5为本发明中气动肌肉的气动控制系统原理图。

图中： 大腿支架1、通轴2、气动肌肉组件3、小腿4、转轮5、连接轴6、深沟球轴承7、轴承套筒8、竖板9、横板10、索绳11、气源20、气动三联件21、安全阀22、两位五通电磁阀23、比例减压阀24、压力传感器25；气动肌肉30、第一螺纹杆31、径向连接件32、第二螺纹杆33、双耳环34、快拧插头35。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1至图4所示，为一种基于气动肌肉的膝关节外骨骼助力机构，包括大腿支架1、两个结构相同的腿部部件；腿部部件的上端分别连接在大腿支架1上，腿部部件包括从上至下依次连接的大腿、膝关节和小腿4；大腿下端与小腿4的上端通过膝关节进行转动连接；

所述大腿包括通轴2和两个气动肌肉组件3，所述膝关节包括转轮5和连接轴6；通轴2上端通过螺栓固定在大腿支架1的底端；通轴2下端设置连接轴6，连接轴6上套设转轮5，小腿4的上端套设在连接轴6上并与转轮5固定连接，转轮5通过两个气动肌肉组件3和索绳来带动转动；两个气动肌肉组件3的上端分别与大腿支架1底端固定连接，下端分别与索绳11的两端连接，索绳中间部位绕转轮5缠绕带动转轮5转动进而带动小腿4转动。气动肌肉组件3的下端引出一根索绳，索绳的缠绕在转轮5上，缠绕几圈后与另一根气动肌肉组件3的下端连接，气动肌肉的收缩运动可带动转轮的转动，从而带动小腿转动。

如图2所示，所述通轴2包括两块平行设置的竖板9和横板10，两竖板9上端分别垂直固定连接在横板10上，下端分别与连接轴垂直相连。作为优选，竖板9为铝板材质。

如图3所示，所述气动肌肉组件3，包括：第一螺纹杆31、气动肌肉30、径向连接件32、第二螺纹杆33、双耳环34、快拧插头35；其中第一螺纹杆31、气动肌肉30、径向连接件32、第二螺纹杆33、双耳环34依次连接，第一螺纹杆31上端与大腿支架1固定连接；双耳环34上连接索绳且索绳缠绕在转轮5上；气动肌肉30的上端设有进出气口，与气源20及气动控制系统相连，下端封闭，快拧插头35通过径向连接件32与气动肌肉30内部相连通。当气动肌肉30通过插入快拧插头35的气管充气后，在一定的压力范围内会发生收缩，从而产生拉力；气体排除后，又恢复到原长；两根气动肌肉交替作用，循环往复，实现摆动。

如图4所示，所述膝关节，还包括深沟球轴承7、轴承套筒8和旋转编码器（图中未标出）；连接轴6通过螺栓与通轴2两侧分别固定连接；转轮5径向通过深沟球轴承7套设在连接轴6上能够绕连接轴转动，转轮5轴向通过轴承套筒8与通轴2一侧固定；旋转编码器与转轮固定在一起实现同步转动。

作为优选方案，所述小腿4，通过螺栓2与膝关节上的转轮5固定连接，小腿4为镂空铝板结构，设有绑带可有效固定。

如图5所示，气动控制系统的气源20为整个气路提供动力。气源与气动三联件21相连，气动三联件21用于保证气路气体的质量，去除空气杂质。安全阀22对气路起到保护作用。两位五通电磁阀23用于控制气路中气体的流向，两位是指该电磁阀有两个工作状态，五通表示有五个通路。气管经过两位五通后与比例减压阀24相连，比例减压阀24用于控制气动肌肉充放气时的压力差恒定，保证系统稳定。压力传感器25与气动肌肉30相连通过采集气动肌肉的数据，适当对气动肌肉30进行调节。

本发明的工作过程如下：

当穿戴者的膝关节需要助力时，穿戴者穿上本发明的膝关节外骨骼助力机构，将人体大小腿分别与通轴2的一侧以及小腿4相连。

当人体小腿开始运动时，通过气源20给系统供气，将两位五通23的一端打开，充气后一根气动肌肉30缩短，另一根气动肌肉保持。从而产生转矩，带动膝关节转轮5向一边转动，与此同时旋转编码器测量到转轮5的转角、压力传感器测量到气动肌肉30的收缩情况，分别通过反馈回路传送给上位机，上位机进行解算后再对膝关节的位姿进行控制。一个周期内两根气动肌肉各缩短一次，带动小腿摆动一次。通过对膝关节的转轮5的调节使小腿摆动的速度与人体小腿摆动的速度相一致，从而减轻穿戴者膝关节的驱动力。

本发明借助气动肌肉30产生的作用力，对膝关节转轮产生辅助力矩，通过反馈实现对小腿摆动的有效控制，实现助力功能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于气动肌肉的膝关节外骨骼助力机构，其特征在于：包括大腿支架、两个结构相同的腿部部件；腿部部件的上端分别连接在大腿支架上，所述腿部部件包括从上至下依次连接的大腿、膝关节和小腿；大腿下端与小腿的上端通过膝关节进行转动连接；

所述大腿包括通轴和两个气动肌肉组件，所述膝关节包括转轮和连接轴；通轴上端固定在大腿支架的底端；通轴下端设置连接轴，连接轴上套设转轮，小腿的上端套设在连接轴上并与转轮固定连接，转轮通过两个气动肌肉组件和索绳来带动转动；两个气动肌肉组件的上端分别与大腿支架底端固定连接，下端分别与索绳的两端连接，索绳中间部位绕转轮缠绕带动转轮转动进而带动小腿转动。

2.根据权利要求1所述的一种基于气动肌肉的膝关节外骨骼助力机构，其特征在于：所述气动肌肉组件，包括：第一螺纹杆、气动肌肉、快拧插头、径向连接件、第二螺纹杆、双耳环；其中第一螺纹杆、气动肌肉、径向连接件、第二螺纹杆、双耳环依次连接，第一螺纹杆上端与大腿支架连接；双耳环上连接索绳且索绳缠绕在转轮上；气动肌肉的上端设有进出气口，与气源相连通，下端封闭，快拧插头通过径向连接件与气动肌肉内部相连通。

3.根据权利要求1所述的一种基于气动肌肉的膝关节外骨骼助力机构，其特征在于：所述膝关节，还包括深沟球轴承、轴承套筒和旋转编码器；连接轴与通轴两侧分别固定连接；转轮径向通过深沟球轴承套设在连接轴上能够绕连接轴转动，转轮轴向通过轴承套筒与通轴一侧固定；旋转编码器与转轮固定在一起实现同步转动。

4.根据权利要求1所述的一种基于气动肌肉的膝关节外骨骼助力机构，其特征在于：所述小腿通过螺栓与膝关节上的转轮相连。

5.根据权利要求1所述的一种基于气动肌肉的膝关节外骨骼助力机构，其特征在于：所述小腿为镂空铝板结构，设有绑带可有效固定。

6.根据权利要求1所述的一种基于气动肌肉的膝关节外骨骼助力机构，其特征在于：所述通轴包括两块平行设置的竖板和横板，两竖板上端分别垂直固定连接在横板上，下端分别与连接轴垂直相连。

7.根据权利要求1所述的一种基于气动肌肉的膝关节外骨骼助力机构，其特征在于：通轴上端通过螺栓固定在大腿支架的底端。

8.根据权利要求1所述的一种基于气动肌肉的膝关节外骨骼助力机构，其特征在于：连接轴通过螺栓与通轴两侧分别固定连接。