CN105853145A - 一种可实现履步功能的腿部机械机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可实现履步功能的腿部机械机构,旨在实现依靠一些列机械传动完成腿部机械对人体履步过程的模拟仿真,包括大腿机械杆件,小腿机械杆件,足部支撑架,圆柱凸轮机构,齿轮机构,滑块摇杆机构。其技术方案的要点是,通过齿轮机构控制大腿机械杆件的转动,同时通过圆柱凸轮机构和滑块摇杆机构控制小腿机械杆件与大腿机械杆件之间角度的变化,最终实现腿部机械对人体履步过程的模拟仿真。本机构仅使用一个电机实现了腿部机械对人体履步过程的模拟仿真,机构稳定,控制方便,配合性好。
Description
技术领域
本发明涉及腿部支撑机构领域,具体是一种可实现履步功能的腿部机械机构。
背景技术
对于一些老年人或经历意外事故导致下肢运动有障碍的人,希望能够通过一种全自动机构的辅助,,这种机构需要能够模拟人体正常的步态过程,带动人体下肢运动,进行下肢康复训练。
目前国内外已经有该类机构,国外的该类产品虽然技术成熟,但是价格昂贵,在国内的实用性不高。国内有多所大学也已经研制出不同的下肢康复机构,但基本上着重于控制,成本昂贵,或者对于人体正常步态模拟过程有严重失真。
发明内容 本发明的目的是提供一种可实现履步功能的腿部机械机构,实现仅通过一对电机就可以实现腿部机械机构对人体步态过程的模拟仿真,辅助下肢运动障碍人士进行康复训练的目的。
为了达到上述目的,本发明所采用的技术方案为:
一种可实现履步功能的腿部机械机构,其特征在于:包括一对对称夹持在人体大腿部分的大腿机械杆件,大腿机械杆件上端分别延伸至对应人体髋部位置,每个大腿机械杆件外侧上部分别开有矩形槽,矩形槽长边平行于大腿机械杆件延伸方向,矩形槽内固定有与矩形槽长边平行的圆柱形导轨,圆柱形导轨上滑动安装有滑块,滑块上转动连接有连杆,每个大腿机械杆件外侧位于矩形槽上端上方分别通过支撑架转动安装有转轴,所述转轴轴向与大腿机械杆件延伸方向平行,转轴上同轴固定有圆柱凸轮,所述滑块上还转动连接有凸轮从动杆,且凸轮从动杆杆端通过曲面接触与圆柱凸轮连接;
每个大腿机械杆件上端内侧分别通过垂直于大腿机械杆件的髋骨转轴同轴转动安装有不完全大齿轮、不完全小齿轮,每个大腿机械杆件内侧对应圆柱凸轮上端上方位置分别通过垂直于大腿机械杆件的主动转轴同轴转动安装有完全大齿轮、完全小齿轮,其中完全大齿轮与不完全大齿轮传动啮合,完全小齿轮与不完全小齿轮之间通过惰齿轮传动啮合,主动转轴一端穿出至大腿机械杆件外侧,且主动转轴穿出端在大腿机械杆件外侧同轴固定有锥齿轮,所述圆柱凸轮上端加工成锥齿轮,且圆柱凸轮上端锥齿轮与主动转轴上锥齿轮之间垂直传动啮合;
还包括一对对称夹持在人体小腿部分的小腿机械杆件,每个小腿机械杆件分别由开有凸形槽的杆件和设有多个通孔的多孔杆件构成,其中开有凸形槽的杆件中其凸形槽沿杆件延伸方向设置,开有凸形槽的杆件上端一一对应与大腿机械杆件下端转动连接,开有凸形槽的杆件后侧上部分别设有连接台,每个大腿机械杆件中滑块上的连杆下端分别转动连接在对应的小腿机械杆件中连接台上,所述多孔杆件中多个通孔沿多孔杆件延伸方向一字排列,多孔杆件一一对应滑动安装在开有凸形槽的杆件的凸形槽内,且多孔杆件与对应的开有凸形槽的杆件之间通过螺栓固定连接,通过改变通孔的对应位置可改变小腿机械杆件的长度,可适应不同腿长的使用者,小腿机械杆件内侧对称安装开有通孔的软夹板,软夹板与开有凸形槽的杆件通过松紧螺栓固定链接,转动螺母可调节对称软夹板之间的距离,实现固定人体小腿的作用,多孔杆件下端之间转动连接有足部支撑架。
所述的一种可实现履步功能的腿部机械机构,其特征在于:所述圆柱凸轮上锥齿轮与主动转轴上锥齿轮之间传动比为1:2,圆柱凸轮表面导轨轨迹根据人体步态过程中大小腿之间的角度变化经计算加工而得,表面导轨为半球形槽,所述凸轮从动杆与凸轮接触端为半球形。
所述的一种可实现履步功能的腿部机械机构,其特征在于:所述滑块在矩形槽内滑动时,连杆一端随着滑块移动,连杆另一端带动小腿机械杆件转动,从而改变大腿机械杆件与小腿机械杆件之间的角度α,滑块在矩形槽内移动的极限距离对应α变化180度~135度。
所述的一种可实现履步功能的腿部机械机构,其特征在于:所述主动转轴转动两周完成一个履步周期,主动转轴转动第一周,完全大齿轮与不完全大齿轮有齿段啮合,传动比为4:1,带动髋骨转轴转动,不完全小齿轮此时在无齿段,仅随髋骨转轴同步转动,主动转轴转动第二周,完全小齿轮通过惰齿轮与不完全小齿轮有齿段啮合,传动比为4:1,带动髋骨转轴反向转动,不完全大齿轮此时在无齿段,仅随髋骨转轴转动,所述大腿机械杆件与髋骨转轴同步转动,实现了一个履步周期中大腿机械杆件的摆动。
所述的一种可实现履步功能的腿部机械机构,其特征在于:在一个履步周期内,α初始为180度,当主动转轴转动第一周,大腿机械杆件向前摆动,同时圆柱凸轮转动,凸轮从动杆带动滑块在矩形槽内移动,同时滑块带动连杆,使小腿机械杆件转动,α变化为135度,当主动转轴转动第二周,大腿机械杆件向后摆动,同时圆柱凸轮转动,使α再次变回180度,完成一个履步周期。
本发明的优点在于,仅通过一对电机实现了腿部机械机构对人体步态过程的模拟仿真,控制简单方便,极大的降低了下肢康复机构的成本,同时本发明机械结构简单,运行稳定,保证使用者的安全性。
附图说明
图1为本发明的整体效果图
图2为本发明大腿杆件细节图
图3为本发明齿轮机构隔离工作图
图4为本发明开有凸形槽的杆件机构示意图
图5为本发明整体机构运动简图
图6为本发明齿轮机构运动简图。
具体实施方式
参见图1-图6所示,一种可实现履步功能的腿部机械机构,包括一对对称夹持在人体大腿部分的大腿机械杆件1,大腿机械杆件1上端分别延伸至对应人体髋部位置,每个大腿机械杆件1外侧上部分别开有矩形槽,矩形槽长边平行于大腿机械杆件1延伸方向,矩形槽内固定有与矩形槽长边平行的圆柱形导轨,圆柱形导轨上滑动安装有滑块4,滑块4上转动连接有连杆5,每个大腿机械杆件1外侧位于矩形槽上端上方分别通过支撑架转动安装有转轴,转轴轴向与大腿机械杆件1延伸方向平行,转轴上同轴固定有圆柱凸轮2,滑块4上还转动连接有凸轮从动杆3,且凸轮从动杆3杆端通过曲面接触与圆柱凸轮2连接;
每个大腿机械杆件1上端内侧分别通过垂直于大腿机械杆件1的髋骨转轴18同轴转动安装有不完全大齿轮17、不完全小齿轮16,每个大腿机械杆件1内侧对应圆柱凸轮2上端上方位置分别通过垂直于大腿机械杆件1的主动转轴19同轴转动安装有完全大齿轮13、完全小齿轮14,其中完全大齿轮13与不完全大齿轮传动17啮合,完全小齿轮14与不完全小齿轮16之间通过惰齿轮15传动啮合,主动转轴19一端穿出至大腿机械杆件1外侧,且主动转轴19穿出端在大腿机械杆件1外侧同轴固定有锥齿轮12,圆柱凸轮2上端加工成锥齿轮11,且圆柱凸轮2上端锥齿轮11与主动转轴19上锥齿轮12之间垂直传动啮合;
还包括一对对称夹持在人体小腿部分的小腿机械杆件[A1] ,每个小腿机械杆件10分别由开有凸形槽的杆件6和设有多个通孔的多孔杆件7构成,其中开有凸形槽的杆件6中其凸形槽沿杆件延伸方向设置,开有凸形槽的杆件6上端一一对应与大腿机械杆件1下端转动连接,开有凸形槽的杆件6后侧上部分别设有连接台,每个大腿机械杆件1中滑块4上的连杆5下端分别转动连接在对应的小腿机械杆件10中连接台上,多孔杆件7中多个通孔沿多孔杆件延伸方向一字排列,多孔杆件7一一对应滑动安装在开有凸形槽的杆件6的凸形槽内,且多孔杆件7与对应的开有凸形槽的杆件6之间通过螺栓固定连接,通过改变通孔的对应位置可改变小腿机械杆件的长度,可适应不同腿长的使用者,小腿机械杆件内侧对称安装开有通孔的软夹板10,软夹板与开有凸形槽的杆件通过松紧螺栓固定链接,转动螺母可调节对称软夹板10之间的距离,实现固定人体小腿的作用,多孔杆件7下端之间转动连接有足部支撑架8,足部支撑架8上设有绑带9。
圆柱凸轮上锥齿轮与主动转轴上锥齿轮之间传动比为1:2,圆柱凸轮表面导轨轨迹根据人体步态过程中大小腿之间的角度变化经计算加工而得,表面导轨为半球形槽,所述凸轮从动杆与凸轮接触端为半球形。
滑块4在矩形槽内滑动时,连杆5一端随着滑块移动,连杆5另一端带动小腿机械杆件10转动,从而改变大腿机械杆件1与小腿机械杆件10之间的角度α,滑块4在矩形槽内移动的极限距离对应α变化180度~135度。
主动转轴19转动两周完成一个履步周期,主动转轴19转动第一周,完全大齿轮13与不完全大齿轮17有齿段啮合,传动比为4:1,带动髋骨转轴18转动,不完全小齿轮16此时在无齿段,仅随髋骨转轴18同步转动,主动转轴19转动第二周,完全小齿轮14通过惰齿轮15与不完全小齿轮16有齿段啮合,传动比为4:1,带动髋骨转轴18反向转动,不完全大齿轮17此时在无齿段,仅随髋骨转轴18转动,大腿机械杆件1与髋骨转轴18同步转动,实现了一个履步周期中大腿机械杆件1的摆动。
在一个履步周期内,α初始为180度,当主动转轴19转动第一周,大腿机械杆件1向前摆动,同时圆柱凸轮2转动,凸轮从动杆3带动滑块4在矩形槽内移动,同时滑块4带动连杆5,使小腿机械杆件10转动,α变化为135度,当主动转轴19转动第二周,大腿机械杆件1向后摆动,同时圆柱凸轮2转动,使α再次变回180度,完成一个履步周期。
Claims (5)
1.一种可实现履步功能的腿部机械机构,其特征在于:包括一对对称夹持在人体大腿部分的大腿机械杆件,大腿机械杆件上端分别延伸至对应人体髋部位置,每个大腿机械杆件外侧上部分别开有矩形槽,矩形槽长边平行于大腿机械杆件延伸方向,矩形槽内固定有与矩形槽长边平行的圆柱形导轨,圆柱形导轨上滑动安装有滑块,滑块上转动连接有连杆,每个大腿机械杆件外侧位于矩形槽上端上方分别通过支撑架转动安装有转轴,所述转轴轴向与大腿机械杆件延伸方向平行,转轴上同轴固定有圆柱凸轮,所述滑块上还转动连接有凸轮从动杆,且凸轮从动杆杆端通过曲面接触与圆柱凸轮连接;
每个大腿机械杆件上端内侧分别通过垂直于大腿机械杆件的髋骨转轴同轴转动安装有不完全大齿轮、不完全小齿轮,每个大腿机械杆件内侧对应圆柱凸轮上端上方位置分别通过垂直于大腿机械杆件的主动转轴同轴转动安装有完全大齿轮、完全小齿轮,其中完全大齿轮与不完全大齿轮传动啮合,完全小齿轮与不完全小齿轮之间通过惰齿轮传动啮合,主动转轴一端穿出至大腿机械杆件外侧,且主动转轴穿出端在大腿机械杆件外侧同轴固定有锥齿轮,所述圆柱凸轮上端加工成锥齿轮,且圆柱凸轮上端锥齿轮与主动转轴上锥齿轮之间垂直传动啮合;
还包括一对对称夹持在人体小腿部分的小腿机械杆件,每个小腿机械杆件分别由开有凸形槽的杆件和设有多个通孔的多孔杆件构成,其中开有凸形槽的杆件中其凸形槽沿杆件延伸方向设置,开有凸形槽的杆件上端一一对应与大腿机械杆件下端转动连接,开有凸形槽的杆件后侧上部分别设有连接台,每个大腿机械杆件中滑块上的连杆下端分别转动连接在对应的小腿机械杆件中连接台上,所述多孔杆件中多个通孔沿多孔杆件延伸方向一字排列,多孔杆件一一对应滑动安装在开有凸形槽的杆件的凸形槽内,且多孔杆件与对应的开有凸形槽的杆件之间通过螺栓固定连接,通过改变通孔的对应位置可改变小腿机械杆件的长度,可适应不同腿长的使用者,小腿机械杆件内侧对称安装开有通孔的软夹板,软夹板与开有凸形槽的杆件通过松紧螺栓固定链接,转动螺母可调节对称软夹板之间的距离,实现固定人体小腿的作用,多孔杆件下端之间转动连接有足部支撑架。
2.根据权利要求1所述的一种可实现履步功能的腿部机械机构,其特征在于:所述圆柱凸轮上锥齿轮与主动转轴上锥齿轮之间传动比为1:2,圆柱凸轮表面导轨轨迹根据人体步态过程中大小腿之间的角度变化经计算加工而得,表面导轨为半球形槽,所述凸轮从动杆与凸轮接触端为半球形。
3.根据权利要求1所述的一种可实现履步功能的腿部机械机构,其特征在于:所述滑块在矩形槽内滑动时,连杆一端随着滑块移动,连杆另一端带动小腿机械杆件转动,从而改变大腿机械杆件与小腿机械杆件之间的角度α,滑块在矩形槽内移动的极限距离对应α变化180度~135度。
4.根据权利要求1所述的一种可实现履步功能的腿部机械机构,其特征在于:所述主动转轴转动两周完成一个履步周期,主动转轴转动第一周,完全大齿轮与不完全大齿轮有齿段啮合,传动比为4:1,带动髋骨转轴转动,不完全小齿轮此时在无齿段,仅随髋骨转轴同步转动,主动转轴转动第二周,完全小齿轮通过惰齿轮与不完全小齿轮有齿段啮合,传动比为4:1,带动髋骨转轴反向转动,不完全大齿轮此时在无齿段,仅随髋骨转轴转动,所述大腿机械杆件与髋骨转轴同步转动,实现了一个履步周期中大腿机械杆件的摆动。
5.根据权利要求3或4所述的一种可实现履步功能的腿部机械机构,其特征在于:在一个履步周期内,α初始为180度,当主动转轴转动第一周,大腿机械杆件向前摆动,同时圆柱凸轮转动,凸轮从动杆带动滑块在矩形槽内移动,同时滑块带动连杆,使小腿机械杆件转动,α变化为135度,当主动转轴转动第二周,大腿机械杆件向后摆动,同时圆柱凸轮转动,使α再次变回180度,完成一个履步周期。
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