CN104887363A - 一种可自动补偿长度的外骨骼膝关节 - Google Patents

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Cheng Hong
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Abstract

本发明公开了一种可自动补偿长度的外骨骼膝关节，它包括大腿以及动力部分固定支架（1）、动力元件（2）、膝关节补偿结构（3）和小腿以及动力部分固定支架（4），膝关节补偿结构（3）分别与大腿以及动力部分固定支架（1）和小腿以及动力部分固定支架连接（4），且大腿以及动力部分固定支架（1）和小腿以及动力部分固定支架（4）之间通过动力元件（2）连接。本发明的有益效果是：创新性的改变了我国传统外骨骼膝关节的设计方法，使得外骨骼膝关节的设计更加合理；解决了人体膝关节运动过程中膝关节骨头滑移所产生的长度变化，使得外骨骼与人体之间的交互更加合理，穿戴着感觉更加舒适。

Description

一种可自动补偿长度的外骨骼膝关节
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，特别是一种可自动补偿长度的外骨骼膝关节。
背景技术
近年来，我国的可穿戴外骨骼机器人（外骨骼）在国外一些产品的刺激下有了长足的发展，各大高校几乎都有所涉及，也取得了非常不错的成果，但是在人机交互方面的研究还是有一定的欠缺。而外骨骼与人体的交互非常紧密并且频繁，这就使得可穿戴外骨骼机器人的人机交互研究刻不容缓。现在国内的外骨骼机器人主要还是以实现功能为主要的研究目标，膝关节一般都直接采用普通旋转副的形式，例如南京工程学院的专利《一种基于气动肌肉的膝关节外骨骼助力机构》（申请号：201420671314.X），采用两根汽缸作为动力源，直接驱动膝关节处的圆盘（膝关节）转动，但事实上人体的膝关节运动并不是简单的旋转副的形式。如图1为opensim中的一个人体骨骼图，从图中不难发现膝关节骨头的大腿部分的形状是不规则的，也可以明显地看到，人体站立状态和半蹲状态的膝关节骨头旋转点是不一样的，或者说人体腿部从伸直状态到弯曲状态膝关节骨头发生了滑移，膝关节的旋转中心发生了转变，从图中1我们可以明显地看出OA的距离小于OB的距离。如果不考虑这个距离的变化，外骨骼的膝关节旋转中心和人体的膝关节旋转中心将会不重合，这将会导致外骨骼与人体变得很差，更有甚者会导致应力集中，大大的影响了外骨骼舒适性，并且现行的外骨骼机器人几乎全部忽视了这个问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种可自动补偿长度的外骨骼膝关节。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种可自动补偿长度的外骨骼膝关节，它包括大腿以及动力部分固定支架、动力元件、膝关节补偿结构和小腿以及动力部分固定支架，所述的膝关节补偿结构分别与大腿以及动力部分固定支架和小腿以及动力部分固定支架连接，且大腿以及动力部分固定支架和小腿以及动力部分固定支架之间通过动力元件连接，所述的膝关节补偿结构包括销钉头、销钉、补偿滑轨和固定滑块组成，所述的补偿滑轨位于固定滑块内，且通过销钉头与销钉的连接使固定滑轨可在补偿滑轨内滑动。
所述的大腿以及动力部分固定支架包括大腿连杆、法兰和电机，所述的大腿连杆与补偿滑轨连接，所述的法兰安装在大腿连杆上，且动力元件的一端通过一销轴安装在法兰上，所述的电机连接有一联轴器，联轴器与销轴连接，且电机只能通过联轴器使销轴顺时针转动。
所述的小腿以及动力部分固定支架与大腿以及动力部分固定支架结构相同，且其小腿连杆与固定滑块连接。
所述的动力元件为液压缸或气压缸或直线电机。
本发明具有以下优点：本发明的创新性的改变了我国传统外骨骼膝关节的设计方法，使得外骨骼膝关节的设计更加合理；解决了人体膝关节运动过程中膝关节骨头滑移所产生的长度变化，使得外骨骼与人体之间的交互更加合理，穿戴着感觉更加舒适；而且结构简单，非常容易加工，大大的减少了加工周期。
附图说明
图1 为图1为opensim中的一个人体骨骼图；
图2 为图2为本发明专利所涉及的外骨骼膝关节的原理图；
图3 为图3为本发明所涉及的外骨骼膝关节的总体图；
图4 为图4为大腿以及动力部分固定支架的细节展示；
图5是膝关节补偿结构的爆炸图；
图6为补偿结构运动到两个极限时的示意图
图中，1-大腿以及动力部分固定支架，2-动力元件，3-膝关节补偿结构，4-小腿以及动力部分固定支架，5-大腿连杆，6-法兰，7-销轴，8-销钉，9-联轴器，10-电机，11-销钉头，12-补偿滑轨，13-固定滑块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：
如图2所示，OA作为补偿膝关节的长度，当膝关节弯曲到最大值的时候补偿长度达到最大值；当膝关节伸直的时候，将补偿长度变为0，即将A点收缩到O点，如图3和图6所示，一种可自动补偿长度的外骨骼膝关节，它包括大腿以及动力部分固定支架1、动力元件2、膝关节补偿结构3和小腿以及动力部分固定支架4，所述的膝关节补偿结构3分别与大腿以及动力部分固定支架1和小腿以及动力部分固定支架连接4，且大腿以及动力部分固定支架1和小腿以及动力部分固定支架4之间通过动力元件2连接，如图5所示，所述的膝关节补偿结构3包括销钉头11、销钉8、补偿滑轨12和固定滑块13组成，所述的补偿滑轨12位于固定滑块13内，且通过销钉头11与销钉8的连接使固定滑轨13可在补偿滑轨12内滑动。
在本实施例中，如图4所示，所述的大腿以及动力部分固定支架1包括大腿连杆5、法兰6和电机10，所述的大腿连杆5与补偿滑轨12连接，所述的法兰6安装在大腿连杆5上，且动力元件2的一端通过一销轴7安装在法兰5上，所述的电机10连接有一联轴器9，联轴器9与销轴7连接，且电机10只能通过联轴器9使销轴7顺时针转动。
所述的小腿以及动力部分固定支架4与大腿以及动力部分固定支架1结构相同，且其小腿连杆14与固定滑块13连接。
所述的动力元件2为液压缸或气压缸或直线电机。

Claims (4)

1.一种可自动补偿长度的外骨骼膝关节，其特征在于：它包括大腿以及动力部分固定支架（1）、动力元件（2）、膝关节补偿结构（3）和小腿以及动力部分固定支架（4），所述的膝关节补偿结构（3）分别与大腿以及动力部分固定支架（1）和小腿以及动力部分固定支架连接（4），且大腿以及动力部分固定支架（1）和小腿以及动力部分固定支架（4）之间通过动力元件（2）连接，所述的膝关节补偿结构（3）包括销钉头（11）、销钉（8）、补偿滑轨（12）和固定滑块（13）组成，所述的补偿滑轨（12）位于固定滑块（13）内，且通过销钉头（11）与销钉（8）的连接使固定滑轨（13）可在补偿滑轨（12）内滑动。
2.根据权利要求1所述的一种可自动补偿长度的外骨骼膝关节，其特征在于：所述的大腿以及动力部分固定支架（1）包括大腿连杆（5）、法兰（6）和电机（10），所述的大腿连杆（5）与补偿滑轨（12）连接，所述的法兰（6）安装在大腿连杆（5）上，且动力元件（2）的一端通过一销轴（7）安装在法兰（5）上，所述的电机（10）连接有一联轴器（9），联轴器（9）与销轴（7）连接，且电机（10）只能通过联轴器（9）使销轴（7）顺时针转动。
3.根据权利要求2所述的一种可自动补偿长度的外骨骼膝关节，其特征在于：所述的小腿以及动力部分固定支架（4）与大腿以及动力部分固定支架（1）结构相同，且其小腿连杆（14）与固定滑块（13）连接。
4.根据权利要求1所述的一种可自动补偿长度的外骨骼膝关节，其特征在于：所述的动力元件（2）为液压缸或气压缸或直线电机。
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