CN107928995A - 一种基于扭簧离合器的下肢外骨骼膝关节 - Google Patents

一种基于扭簧离合器的下肢外骨骼膝关节 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于扭簧离合器的下肢外骨骼膝关节，该膝关节包括编码器轴以及沿编码器轴轴向依次套设在编码器轴上的股骨连杆、胫骨连杆、胫骨轴、股骨轴，股骨连杆通过编码器轴与股骨轴固定连接，胫骨连杆与胫骨轴固定连接，胫骨连杆上设有直线驱动器，胫骨轴及股骨轴上套设有扭转弹簧，该扭转弹簧的一端与股骨轴固定连接，另一端与直线驱动器传动连接。与现有技术相比，本发明利用扭簧离合器的工作原理，实现在站立相时的可靠锁合及摆动相时的自由转动，相对于传统的下肢外骨骼膝关节，本发明能可靠实现步态相位切换，且不需要电机驱动，结构简单，成本低。

Description

一种基于扭簧离合器的下肢外骨骼膝关节
技术领域
本发明属于人体仿生外骨骼技术领域，涉及一种基于扭簧离合器的下肢外骨骼膝关节。
背景技术
下肢外骨骼可应用于老年人、残疾人及相关疾病患者的辅助行走、助力及康复训练，是目前机器人领域研究的热点之一。膝关节对下肢外骨骼的功能实现至关重要，膝关节能将人体步态分成支撑相和摆动相，并能在两个功能相位之间柔顺切换并自锁。在支撑相，下肢外骨骼膝关节和人体关节共同承受人体重力，人体部分重力通过膝关节外骨骼传递到地面；在摆动相，下肢外骨骼膝关节能够自由屈曲，不干扰人体的正常步态。下肢外骨骼膝关节有很多种，根据稳定阻尼产生方式的不同，可分为承重自锁膝关节、连杆机构膝关节和强阻尼膝关节。其中，承重自锁膝关节是利用人体的重量提供站立状态下的稳定自锁，如德国ottobock公司的3R80膝关节；连杆机构膝关节是利用连杆机构本身的特性来保证站立状态的稳定性，如中德林的TGK-4P00膝关节；强阻尼膝关节是通过外部力的手段保证站立状态下的稳定性，如美国英中耐的Adaptive Knee。
申请公布号为CN105012056A的中国发明专利公开了一种具有仿生膝关节的下肢外骨骼结构体，其中的膝关节包括电机、电机座、滑套、丝杆套、丝杆等，该膝关节在虚拟点处具有平动和转动两个自由度，但该膝关节仍然需要依靠电机进行驱动。申请公布号为CN105643598A的中国发明专利公开了一种基于套索驱动的节能半被动下肢外骨骼，其中的膝关节采用板簧支撑机构，可以实现机构缓冲的目的，但其结构过于复杂。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于扭簧离合器的下肢外骨骼膝关节。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于扭簧离合器的下肢外骨骼膝关节，该膝关节包括编码器轴以及沿编码器轴轴向依次套设在编码器轴上的股骨连杆、胫骨连杆、胫骨轴、股骨轴，所述的股骨连杆通过编码器轴与股骨轴固定连接，所述的胫骨连杆与胫骨轴固定连接，所述的胫骨连杆上设有直线驱动器，所述的胫骨轴及股骨轴上套设有扭转弹簧，该扭转弹簧的一端与股骨轴固定连接，另一端与直线驱动器传动连接。
作为优选的技术方案，所述的扭转弹簧的另一端与直线驱动器的推杆固定连接。通过推杆的伸缩，带动扭转弹簧相应运动。
进一步地，所述的胫骨轴的外径与股骨轴的外径相等，所述的扭转弹簧同时套设在胫骨轴及股骨轴上。
作为优选的技术方案，所述的扭转弹簧的内径略小于股骨轴及胫骨轴的外径，进行过盈配合，且装配完成后股骨轴与胫骨轴之间沿轴向留有适当间隙。过大的间隙会导致扭转弹簧收缩并卡在间隙中，并会对扭转弹簧造成永久性损坏。
扭转弹簧缠绕方向与膝关节屈曲方向相反。通过合理设置扭转弹簧的位置，可以使下肢外骨骼完全伸展时，扭转弹簧由于下肢的伸展运动使其自身内径变小，使扭转弹簧与股骨轴、胫骨轴之间的摩擦力增大，从而使股骨轴与胫骨轴之间无法继续进行相对转动，膝关节锁合；在膝关节做屈曲运动时，由于膝关节运动方向与扭转弹簧缠绕方向相反，因此扭转弹簧与股骨轴、胫骨轴之间的摩擦力减小，股骨轴、胫骨轴与扭转弹簧之间可相对滑动，从而实现膝关节的解锁。
进一步地，所述的股骨连杆上开设有多边形孔，所述的编码器轴的一端设有与多边形孔相适配的多边形卡板，所述的编码器轴通过多边形卡板与股骨连杆固定连接。多边形孔可选为四边形、五边形、六边形等。
进一步地，所述的股骨轴上开设有扇形孔，所述的编码器轴的一端设有与扇形孔相适配的扇形柱体，所述的编码器轴通过扇形柱体与股骨轴固定连接。扇形柱体的端面呈扇形。扇形柱体及多边形卡板分别位于编码器轴的两端。
作为优选的技术方案，所述的扇形孔的圆心角为200-250°(优选为225°)。
进一步地，所述的股骨轴上套设有扭簧卡箍，所述的扭转弹簧的一端通过扭簧卡箍与股骨轴固定连接。
进一步地，所述的编码器轴的中心处开设有中心孔，该中心孔内设有磁编码器读数头，所述的胫骨连杆上设有磁钢安装支架，该磁钢安装支架上设有与磁编码器读数头相适配的磁钢。当股骨连杆与胫骨连杆相对转动时，磁钢相对磁编码器读数头的位置发生改变，磁编码器读数头便可根据磁钢的位置改变情况识别出股骨连杆与胫骨连杆的相对转动角度。
进一步地，所述的股骨连杆与胫骨连杆之间设有推力轴承。
进一步地，所述的股骨连杆上开设有与推力轴承相适配的股骨连杆轴承槽，所述的胫骨连杆上开设有与推力轴承相适配的胫骨连杆轴承槽，所述的推力轴承位于股骨连杆轴承槽及胫骨连杆轴承槽内。
进一步地，所述的编码器轴与胫骨连杆之间设有滑动轴承。推力轴承及滑动轴承能够减小各零件之间的摩擦力。
进一步地，该膝关节还包括与股骨连杆固定连接的外壳。
本发明的工作原理为：由摆动相转动至站立相时，扭转弹簧内径变小，从而使扭转弹簧完全与股骨轴、胫骨轴贴紧，胫骨连杆的运动完全传递到股骨连杆，实现膝关节的锁合；由站立相转动至摆动相时，扭转弹簧内径变大，扭转弹簧与股骨轴、胫骨轴之间的摩擦力不足以传递运动，股骨轴与胫骨轴解锁，膝关节能自由摆动。当膝关节需要在任意位置锁定时，直线驱动器的推杆向扭转弹簧的缠绕方向带动扭转弹簧运动，使扭转弹簧内径变小，对股骨轴、胫骨轴进行锁紧；当膝关节需要在任意位置解锁时，直线驱动器的推杆向与扭转弹簧缠绕方向相反的方向推动扭转弹簧，从而使膝关节解锁。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：
1)本发明利用扭簧离合器的工作原理，实现在站立相时的可靠锁合及摆动相时的自由转动，相对于传统的下肢外骨骼膝关节，本发明能可靠实现步态相位切换，且不需要电机驱动，结构简单，成本低；
2)在膝关节屈曲或伸展的过程中，扭转弹簧施加在胫骨轴、股骨轴上的法向载荷发生变化，使胫骨轴和股骨轴能自动按照下肢行走步态的需求解锁或锁合，从而实现下肢外骨骼步态的切换；
3)本发明能够在一定程度上模拟正常人体膝关节在行走过程中的运动变化，且具有较轻的重量和较高的适应性，提供了更高的自由度和可操作性。
附图说明
图1为本发明的剖视结构示意图；
图2为本发明的三维分解结构示意图；
图3为本发明中股骨连杆的结构示意图；
图4为本发明中编码器轴的结构示意图；
图5为本发明中股骨轴的结构示意图；
图6为本发明中胫骨连杆的结构示意图；
图7为本发明在伸展状态下的结构示意图；
图8为本发明在屈曲状态下的结构示意图；
图中标记说明：
1—扭簧卡箍、2—股骨轴、3—外壳、4—扭转弹簧、5—胫骨轴、6—直线驱动器、7—编码器轴、8—胫骨连杆、9—滑动轴承、10—推力轴承、11—股骨连杆、12—磁编码器读数头、13—磁钢、14—磁钢安装支架、15—多边形孔、16—多边形卡板、17—扇形孔、18—扇形柱体、19—中心孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例：
如图1、图2所示的一种基于扭簧离合器的下肢外骨骼膝关节，该膝关节包括编码器轴7以及沿编码器轴7轴向依次套设在编码器轴7上的股骨连杆11、胫骨连杆8、胫骨轴5、股骨轴2，股骨连杆11通过编码器轴7与股骨轴2固定连接，胫骨连杆8与胫骨轴5固定连接，胫骨连杆8上设有直线驱动器6，胫骨轴5及股骨轴2上套设有扭转弹簧4，该扭转弹簧4的一端与股骨轴2固定连接，另一端与直线驱动器6传动连接。胫骨轴5的外径与股骨轴2的外径相等，扭转弹簧4同时套设在胫骨轴5及股骨轴2上。
如图3所示，股骨连杆11上开设有多边形孔15。如图4所示，编码器轴7的一端设有与多边形孔15相适配的多边形卡板16，编码器轴7通过多边形卡板16与股骨连杆11固定连接。
如图5所示，股骨轴2上开设有扇形孔17，编码器轴7的一端设有与扇形孔17相适配的扇形柱体18，编码器轴7通过扇形柱体18与股骨轴2固定连接。
股骨轴2上套设有扭簧卡箍1，扭转弹簧4的一端通过扭簧卡箍1与股骨轴2固定连接。编码器轴7的中心处开设有中心孔19，该中心孔19内设有磁编码器读数头12，胫骨连杆8上设有磁钢安装支架14，该磁钢安装支架14上设有与磁编码器读数头12相适配的磁钢13。
股骨连杆11与胫骨连杆8之间设有推力轴承10。股骨连杆11上开设有与推力轴承10相适配的股骨连杆轴承槽，如图6所示，胫骨连杆8上开设有与推力轴承10相适配的胫骨连杆轴承槽，推力轴承10位于股骨连杆轴承槽及胫骨连杆轴承槽内。
编码器轴7与胫骨连杆8之间设有滑动轴承9。该膝关节还包括与股骨连杆11固定连接的外壳3。
如图7所示，在完全伸展时，由于伸展运动方向与扭转弹簧4缠绕方向相同，扭转弹簧4上的切向力引起扭转弹簧4沿径向收缩，扭转弹簧4与股骨轴2、胫骨轴5之间的摩擦力增大，从而使股骨轴2与胫骨轴5之间无相对转动，膝关节锁合。
如图8所示，在屈曲时，由于膝关节运动方向与扭转弹簧4缠绕方向相反，因此扭转弹簧4与股骨轴2、胫骨轴5之间的摩擦力减小，股骨轴2、胫骨轴5与扭转弹簧4相对滑动，从而实现膝关节的解锁，此时胫骨连杆8和股骨连杆11可相对摆动。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于扭簧离合器的下肢外骨骼膝关节，其特征在于，该膝关节包括编码器轴(7)以及沿编码器轴(7)轴向依次套设在编码器轴(7)上的股骨连杆(11)、胫骨连杆(8)、胫骨轴(5)、股骨轴(2)，所述的股骨连杆(11)通过编码器轴(7)与股骨轴(2)固定连接，所述的胫骨连杆(8)与胫骨轴(5)固定连接，所述的胫骨连杆(8)上设有直线驱动器(6)，所述的胫骨轴(5)及股骨轴(2)上套设有扭转弹簧(4)，该扭转弹簧(4)的一端与股骨轴(2)固定连接，另一端与直线驱动器(6)传动连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于扭簧离合器的下肢外骨骼膝关节，其特征在于，所述的胫骨轴(5)的外径与股骨轴(2)的外径相等，所述的扭转弹簧(4)同时套设在胫骨轴(5)及股骨轴(2)上。
3.根据权利要求1所述的一种基于扭簧离合器的下肢外骨骼膝关节，其特征在于，所述的股骨连杆(11)上开设有多边形孔(15)，所述的编码器轴(7)的一端设有与多边形孔(15)相适配的多边形卡板(16)，所述的编码器轴(7)通过多边形卡板(16)与股骨连杆(11)固定连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于扭簧离合器的下肢外骨骼膝关节，其特征在于，所述的股骨轴(2)上开设有扇形孔(17)，所述的编码器轴(7)的一端设有与扇形孔(17)相适配的扇形柱体(18)，所述的编码器轴(7)通过扇形柱体(18)与股骨轴(2)固定连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于扭簧离合器的下肢外骨骼膝关节，其特征在于，所述的股骨轴(2)上套设有扭簧卡箍(1)，所述的扭转弹簧(4)的一端通过扭簧卡箍(1)与股骨轴(2)固定连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于扭簧离合器的下肢外骨骼膝关节，其特征在于，所述的编码器轴(7)的中心处开设有中心孔(19)，该中心孔(19)内设有磁编码器读数头(12)，所述的胫骨连杆(8)上设有磁钢安装支架(14)，该磁钢安装支架(14)上设有与磁编码器读数头(12)相适配的磁钢(13)。
7.根据权利要求1所述的一种基于扭簧离合器的下肢外骨骼膝关节，其特征在于，所述的股骨连杆(11)与胫骨连杆(8)之间设有推力轴承(10)。
8.根据权利要求7所述的一种基于扭簧离合器的下肢外骨骼膝关节，其特征在于，所述的股骨连杆(11)上开设有与推力轴承(10)相适配的股骨连杆轴承槽，所述的胫骨连杆(8)上开设有与推力轴承(10)相适配的胫骨连杆轴承槽，所述的推力轴承(10)位于股骨连杆轴承槽及胫骨连杆轴承槽内。
9.根据权利要求1所述的一种基于扭簧离合器的下肢外骨骼膝关节，其特征在于，所述的编码器轴(7)与胫骨连杆(8)之间设有滑动轴承(9)。
10.根据权利要求1所述的一种基于扭簧离合器的下肢外骨骼膝关节，其特征在于，该膝关节还包括与股骨连杆(11)固定连接的外壳(3)。
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