CN106691784A - 可穿戴型膝部外骨骼助力装置 - Google Patents

可穿戴型膝部外骨骼助力装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种腿部助力外骨骼助力装置，涉及了大腿支撑部件、小腿支撑部件、四连杆机构以及直线步进马达。在使用时，所述腿部助力外骨骼助力装置被穿着于人体大腿外侧，通过粘扣连接的方式固定在使用者的腿部，并且引进了一个极限自锁角度，以限制活动角度。该发明与现有的产品相比较，技术以及生产工艺更简洁，具有更大的民用价值。

Description

可穿戴型膝部外骨骼助力装置
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，具体而言，涉及一种可穿戴型膝部外骨骼助力装置。
背景技术
现有的外骨骼可以通俗的理解为可穿戴机械设备，它具有机械肢体和关节结构，肢体由金属材料制造并由机械关节连接，各机械肢体受安装在关节处的电机或液压装置驱动，从而达到助力效果。现有的机械外骨骼由于是刚性结构，且和佩戴者紧密贴合，所以运动方式必须和人的运动方式相同，是一种对人机互动要求非常高的设备。要实现在控制系统和动力系统上流畅助力所面临的技术难题很复杂，因此机械外骨骼属于高成本的高科技产品，民用价值较低。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种可穿戴型膝部外骨骼助力装置，它能够弥补由于生理机能衰退而引起的力量薄弱和关节力矩不足，从而辅助使用者完成动作。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提出的一种可穿戴型膝部外骨骼助力装置，包括大腿支撑件、小腿支撑件、四连杆机构以及直线步进马达；在使用时，所述膝部外骨骼助力装置被穿着于使用者大腿外侧，通过粘扣连接的方式固定在使用者腿部；
所述大腿支撑部件由大腿支撑件、大腿支撑件硬质材料以及大腿支撑件碳素纤维层，大腿支撑件的内侧设置有大腿支撑件硬质材料和大腿支撑件碳素纤维层，大腿支撑件的外侧通过第一轴与直线步进电机相连接；大腿支撑件尾部开孔，大腿支撑件尾部与小腿支撑件头部相铰接，形成一个四连杆机构；
所述小腿支撑部件由小腿支撑件、小腿支撑件硬质材料以及小腿支撑件碳素纤维层，小腿支撑件的内侧设置有小腿支撑件硬质材料和小腿支撑件碳素纤维层，小腿支撑件的外侧通过第二轴与直线步进电机相连接；小腿支撑件的层部与第一可调节长度装置进行固接；
所述大腿支撑件硬质材料上设有第二粘扣连接装置，所述大腿支撑部件通过第二粘扣连接装置固定在大腿外侧；
所述小腿支撑件硬质材料上设有第一粘扣连接装置，所述小腿支撑部件通过第一粘扣连接装置固定在小腿外侧。
本发明中，所述四连杆机构是由大腿支撑件尾部开有的两个孔与小腿支撑件头部开有的两个孔，通过一条长连杆与一条短连杆采用销轴连接而成，为了减小销轴与孔之间的摩擦，在孔间装配了滚珠轴承。
本发明中，所述第二可调节长度装置为开孔的杆件，可以套在小腿支撑部件的外部，根据使用者的身高，可以调整不同的长度，并通过插销进行固定。
本发明中，所述四连杆机构外部包裹有透明保护罩，一方面对使用者的膝盖进行保护，另一方面也是保护助力装置的长久使用。
本发明中，所述第二可调节长度装置由固定件和活动件组成，所述固定件与小腿部分进行固接；活动件可调节长度，通过双头螺栓进行固定。
本发明中，所述第二可调节长度装置下部通过轴销与踏板相连接，使得脚踝处可以旋转。
本发明中，当使用者完全站直后，小腿支撑件的顶部与四连杆机构的保护罩会发生干涉，从而约束了旋转的角度，以起到保护使用者的目的。
本发明中，所述的执行机构为直线步进马达，电机的伸长还是缩短可以采用传感器来控制，亦或是采用大数据出来。而选用的执行机构需要传输的力的大小，最好是在400N以上，以确保能使一个正常体重的人从坐的状态运动到站的状态。
本发明中，所述的大腿支撑部件按照附注的图纸设计，其中，部件外侧的轴需与所选用的电机配合，而内侧安装碳素纤维材料，以保证与用户的柔和接触，来满足更好的体验。而外侧的两个矩形孔则是用来安装粘扣连接的装置，来确保大腿支撑的固定。
本发明中，所述的小腿支撑部件按照附注的图纸设计，其中，部件外侧的轴需与所选用的电机配合，而内侧安装碳素纤维材料，以保证与用户的柔和接触，来满足更好的体验。而外侧的两个矩形孔则是用来安装粘扣连接的装置，来确保小腿支撑的固定。
大腿支撑部件的尾部，与小腿支撑部件的头部分别开有2个孔，并通过两根连杆，销轴与锁紧装置，构成一个四连杆机构以模拟正常人的膝部动作。在销孔之间安装有滚珠轴承来减小转动时候带来的摩擦。
四连杆机构被安装于一个透明的保护罩中，一方面为了避免机械运行过程中坚硬的机械结构对人体膝关节造成不必要的损伤，另一方面，对四轴连杆膝关节也是一种保护。
小腿支撑部件顶部通过一个突出结构的植入，引进了一个极限自锁角度。当使用者完全站直后，小腿支撑部件的顶部与四连杆机构的保护罩会发生干涉，从而约束了旋转的角度，以起到保护用户的目的。
在膝部外骨骼小腿支撑的末端，该膝部外骨骼采用了一个连接地面的脚踏板。脚踏板与外骨骼之间通过旋转铰链连接，用以模拟脚踝处的旋转运动。通过这个脚踏板，外骨骼上产生的竖直方向驱动力可以直接传递到地面，从而减小膝部外骨骼的驱动装置对小腿粘扣处的过度施压。
本发明的有益效果在于：本发明为了实现产品的兼容性，即对不同身形、身材、身高用户在腿形、腿长上的可适应性、可调节性，该膝部外骨骼在小腿支撑的末端与脚踏板中间连接处引入了一个长度调节系统，这个调节系统由离散长度调节系统和连续长度调节系统组成：离散调节系统可以初步粗略地调节使用者大致需要的小腿支撑长度，再通过进一步的连续调节系统，精确地达到使用者的使用要求。
附图说明
图1是本发明实施例提供的膝部外骨骼助力装置的机械结构设计总图的爆炸图。
图2是本发明实施例提供的膝部外骨骼助力装置的机械结构设计大腿支撑件的结构尺寸图纸。其中：(ａ)为正视图，(ｂ)为轴承孔的局部放大图，(ｃ)为左视图，(ｄ)为连接部分局部放大图。
图3是本发明实施例提供的膝部外骨骼助力装置的机械结构设计小腿支撑件的结构尺寸图纸。其中：(ａ)为三维图，(ｂ)为轴承孔的局部放大图，(ｃ)为左视图，(ｄ)为连接部分局部放大图。
图4是本发明实施例提供的膝部外骨骼助力装置的机械结构设计四杆机构保护罩的结构尺寸图纸。其中：(ａ)为右视图，(ｂ)为正视图，(ｃ)为上视图，(ｄ)为俯视图，（ｅ）为左视图，(ｆ)为三维图。
图5是本发明的结构图示。
图中标号：１为小腿支撑件；２为大腿支撑件；３为短连杆；４、５、６分别为第一、第二、第三长连杆；7为滚珠轴承；8、９分别为第一、第二销螺栓；9；10、11、12分别为第一、第二、第三连接销；14为垫圈；15为脚踏板；16为销；18为直线步进马达；21为小腿支撑件硬质材料；23为大腿支撑件硬质材料；24为小腿支撑件碳素纤维；25为大腿支撑件碳素纤维；26为第一保护罩；27为第二保护罩；28为锁销；29为第一粘扣连接装置；30为第二粘扣连接装置；31为双头螺栓；32为第一可调节长度装置；33为第二可调节长度装置。
具体实施方式
为了更清楚的说明本发明实施案例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
实施例１：
图2中大腿支撑部件的总体尺寸为长为55.6cm，宽为21.5cm，高为382.5cm。图3中小腿支撑部件的总体尺寸为长16.5cm，宽为58cm，高为482.8cm。图4中保护罩的总体尺寸为直径130cm，宽为38cm，厚2cm。其中大腿支撑件的尾部，与小腿支撑部件的头部分别开有2个孔，并通过两根连杆，销轴与锁紧装置，构成一个四连杆机构以模拟正常人的膝部动作。在销孔之间安装有滚珠轴承来减小转动时候带来的摩擦。出于安全性能的考虑，该膝部外骨骼的四轴连杆膝关节部分被包裹在一个透明的保护罩中。该膝部外骨骼的主要动力源是一个直线步进马达，通过螺钉固定在大腿支撑部分硬质材料上。脚踏板与外骨骼之间通过旋转铰链连接，用以模拟脚踝处的旋转运动。
参照图1，描述了本发明可穿戴型膝部外骨骼助力装置的三维立体爆炸图。该膝部外骨骼助力装置主要包括小腿支撑件1，大腿支撑件2，短连杆3、第一长连杆4、第二长连杆5、第三长连杆6，动力部分直线步进马达18，第一粘扣连接装置29、第二粘扣连接装置30，及脚踏板30。小腿支撑件1和大腿支撑件2通过四连杆机构进行连接，在运动过程中，通过短连杆3、第一长连杆4、第二长连杆5、第三长连杆6来模拟大腿和小腿的协调运动。在大、小腿支撑件内侧分别布置有大腿支撑件硬质材料13、小腿支撑件硬质材料21以及用于保证与用户的柔和接触，来满足更好的体验而安装的大腿支撑件碳素纤维材料24、小腿支撑件碳素纤维材料25。在大腿支撑件2的外侧还安装有直线步进马达18，起助力作用。在小腿可调节长度部分下端通过旋转铰链将脚踏板16与外骨骼之间进行连接。用户可以直接将整个装置通过第一粘扣连接装置29、第二粘扣连接装置30将其穿戴在需助力的腿上。在使用时，所述膝部外骨骼的机械结构被穿着于人体大腿外侧，通过粘扣连接的方式固定在使用者腿部。
所述的大腿支撑部件包括部件内侧的硬质材料以及碳素纤维，外侧需设计一根轴与直线步进电机相连接。而在大腿支撑部件的尾部需开两个孔，与小腿支撑部件相铰接形成一个四连杆机构。
所述的小腿支撑部件包括部件内侧的硬质材料以及碳素纤维，外侧需设计一根轴与直线步进电机相连接。而在小腿支撑部件的头部需开两个孔，与大腿支撑部件相铰接形成一个四连杆机构。而在小腿支撑部件的尾部需开一定数量的孔，与可调节长度的部件进行固接。
所述的四连杆机构是由大腿支撑部件尾部的两个孔与小腿支撑部件头部的两个孔，通过一条长连杆与一条短连杆连接而成，为了减小销轴与孔之间的摩擦，在孔间装配了滚珠轴承。
所述的大腿支撑部件通过粘扣连接的方式固定在大腿外侧。
所述的小腿支撑部件通过粘扣连接的方式固定在小腿外侧。
所述的可调节长度的部件为开孔的杆件，可以套在小腿支撑部件的外部，根据用户的身高，可以调整不同的长度，并通过插销进行固定。
所述四连杆机构被包裹在一个透明的保护罩中，一方面对使用者的膝盖进行保护，另一方面也是保护机构的长久使用。
所述的可调节长度的部件分为两部分，上部与小腿部分进行固接；而这两部分的可调节长度，通过双头螺栓进行固定。
所述的可调节长度的部件下部通过与脚部的轴销与踏板相连接，使得脚踝处可以旋转。
当使用者完全站直后，小腿支撑部件的顶部与四连杆机构的保护罩会发生干涉，从而约束了旋转的角度，以起到保护用户的目的。
根据用户腿形长度的需求，可以在小腿可调节长度部分下部进行长度调节，并过可调节长度部分的销28固定。
小腿可调节长度的部件下端通过与脚部的轴销15与踏板16相连接，使得脚踝处可以旋转。脚踏板16与地面接触，使得外骨骼上产生的竖直方向驱动力可以直接传递到地面，从而减小膝部外骨骼的驱动装置对小腿粘扣处的过度施压。
小腿支撑部件顶部通过一个突出结构的植入，引进了一个极限自锁角度。当使用者完全站直后，小腿支撑部件的顶部与四连杆机构的保护罩会发生干涉，从而约束了旋转的角度，以起到保护用户的目的。
本发明的工作过程如下：
当用户在使用本装置时，首先直接将整个装置通过粘扣连接装置29、30将其穿戴在需助力的腿上，同时根据腿形长度的需求，对小腿可调节长度部分下部进行长度调节，通过可调节长度部分的销28固定。在运动过程时，大腿支撑件2的外侧的直线步进电动机18，可以起到起助力作用，短连杆3、第一长连杆4、第二长连杆5、第三长连杆6通过模拟大腿和小腿的协调运动来协助用户运动。此时在大、小腿支撑件内侧分别布置的大腿支撑件硬质材料13、小腿支撑件硬质材料21、大腿支撑件碳素纤维材料24、小腿支撑件碳素纤维材料25可以保证与用户的柔和接触。

Claims (7)

1.一种可穿戴型膝部外骨骼助力装置，其特征在于：包括大腿支撑件、小腿支撑件、四连杆机构以及直线步进马达；在使用时，所述膝部外骨骼助力装置被穿着于使用者大腿外侧，通过粘扣连接的方式固定在使用者腿部；
所述大腿支撑部件由大腿支撑件、大腿支撑件硬质材料以及大腿支撑件碳素纤维层，大腿支撑件的内侧设置有大腿支撑件硬质材料和大腿支撑件碳素纤维层，大腿支撑件的外侧通过第一轴与直线步进电机相连接；大腿支撑件尾部开孔，大腿支撑件尾部与小腿支撑件头部相铰接，形成一个四连杆机构；
所述小腿支撑部件由小腿支撑件、小腿支撑件硬质材料以及小腿支撑件碳素纤维层，小腿支撑件的内侧设置有小腿支撑件硬质材料和小腿支撑件碳素纤维层，小腿支撑件的外侧通过第二轴与直线步进电机相连接；小腿支撑件的层部与第一可调节长度装置进行固接；
所述大腿支撑件硬质材料上设有第二粘扣连接装置，所述大腿支撑部件通过第二粘扣连接装置固定在大腿外侧；
所述小腿支撑件硬质材料上设有第一粘扣连接装置，所述小腿支撑部件通过第一粘扣连接装置固定在小腿外侧。
2.根据权利要求1所述的可穿戴型膝部外骨骼助力装置，其特征在于：所述四连杆机构是由大腿支撑件尾部开有的两个孔与小腿支撑件头部开有的两个孔，通过一条长连杆与一条短连杆采用销轴连接而成，为了减小销轴与孔之间的摩擦，在孔间装配了滚珠轴承。
3.根据权利要求１所述的可穿戴型膝部外骨骼助力装置，其特征在于：所述第二可调节长度装置为开孔的杆件，可以套在小腿支撑部件的外部，根据使用者的身高，可以调整不同的长度，并通过插销进行固定。
4.根据权利要求１所述的可穿戴型膝部外骨骼助力装置，其特征在于：所述四连杆机构外部包裹有透明保护罩，一方面对使用者的膝盖进行保护，另一方面也是保护助力装置的长久使用。
5.根据权利要求１所述的可穿戴型膝部外骨骼助力装置，其特征在于：所述第二可调节长度装置由固定件和活动件组成，所述固定件与小腿部分进行固接；活动件可调节长度，通过双头螺栓进行固定。
6.根据权利要求１所述的可穿戴型膝部外骨骼助力装置，其特征在于：所述第二可调节长度装置下部通过轴销与踏板相连接，使得脚踝处可以旋转。
7.根据权利要求1所述的可穿戴型膝部外骨骼助力装置，其特征在于：当使用者完全站直后，小腿支撑件的顶部与四连杆机构的保护罩会发生干涉，从而约束了旋转的角度，以起到保护使用者的目的。
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