CN108652916A - 一种膝关节外骨骼 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种医疗器械或机器人工业，具体涉及一种辅助用户行走的柔性膝关节外骨骼,主体分为柔性驱动模块和踝关节旋转驱动补偿模块，两模块共用一个机架，构成了具有柔性驱动和位移补偿功能的膝关节外骨骼，可以实现膝关节柔性驱动、小腿骨架位移补偿、踝关节旋转补偿的功能。柔性驱动模块由驱动关节和柔性油缸构成，柔性油缸包括活塞式主油缸和其侧面的副缓冲油缸；踝关节旋转驱动补偿模块由机架、直线油缸、推力杆、小腿骨架、滑动销、滑动轴承、铰链一、铰链二、铰链三、支撑器和推力杆构成。

Description

一种膝关节外骨骼
技术领域
本发明涉及一种医疗器械或机器人工业，具体涉及一种辅助用户行走的柔性膝关节外骨骼。
背景技术
人类依靠自身身体条件所能承受负重很有限，并且在有较大负重的同时要能够比较灵活的行动显得尤为困难，在外加助力的帮助下，这种情况可以得到很大程度的改善。外骨骼系统是一个极好的选择。在医疗方面，鉴于我国人口老年化趋势明显，同时也有相当数量的伤残人士。他们的行动能力受到了极大限制，外骨骼系统无疑可以解决这个问题；其能发挥机械能量动力的优势，辅助人类完成自身无法完成的任务。为人类提供了身体支撑、保护、助力。外骨骼机器人发展迅速，很多康复医疗外骨骼机器人已经在商业化发展，但外骨骼技术要在工业、民用、医疗上取得广泛使用，需要解决很多技术难题，如外骨骼的大腿部件和小腿部件相对弯曲时，小腿部件会产生侧向人体的转矩，若小腿部件长度无法改变，则必须有一个力平衡掉转矩；膝关节部位的驱动方式问题；踝关节的旋转补偿问题等。如何让外骨骼系统与人体完美协调统一、控制柔顺以及穿戴方便，将是未来外骨骼机器人发展需要克服的难题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种减震性能优越的柔性驱动的外骨骼，以实现膝关节柔性驱动、小腿骨架位移补偿、踝关节旋转补偿的功能。
本发明采用的技术方案是：主体分为柔性驱动模块和踝关节旋转驱动补偿模块；两模块共用一个机架，构成了具有柔性驱动和位移补偿功能的膝关节外骨骼。柔性驱动模块由驱动关节和柔性油缸构成，其中所述柔性油缸包括活塞式主油缸和其侧面的副缓冲油缸，所述活塞式主油缸内具有活塞，活塞将主油缸内分为空间一和空间二两部分，空间一连接有主油路孔一，空间二连接有主油路孔二；所述副缓冲油缸由副缓冲油缸缸体、弹簧一、弹簧二、圆柱滑块、螺纹密封销、副油路孔一和副油路孔二构成，所述圆柱滑块将副缓冲油缸缸体内分为空间三和空间四两部分，空间三内安装有弹簧一，并通过副油路孔一与所述空间一连通，空间四内安装有弹簧二，并通过副油路孔二与所述空间二连通，所述螺纹密封销安装在副缓冲油缸缸体的端部。
所述驱动关节由机架、齿条驱动杆、齿轮、端盖和大腿骨架构成，所述齿条驱动杆一端伸入活塞式主油缸与活塞连接在一起，另一端伸出活塞式主油缸并与齿轮配合驱动，所述端盖安装在齿轮两侧并将齿轮利用滚珠夹紧在机架上，大腿骨架通过头部的夹紧机构固定在齿轮两侧。
柔性驱动模块的驱动原理；驱动关节是通过柔性油缸驱动装配在机架内部的齿条驱动杆和齿轮构成的传动机构或者蜗杆和涡轮构成的传动机构产生扭矩的。大腿骨架通过头部的夹紧机构固定在齿轮的输出轴两端。柔性油缸驱动齿条驱动杆带动齿轮转动，使其产生转矩驱动大腿骨架。
柔性油缸分为主油缸和安装在主油缸侧面的副缓冲油缸组成，实现了柔性油缸推力的柔性输出。柔性油缸在驱动过程中液压油由主油路孔一和主油路孔二流入或流出推动齿条驱动杆末端的活塞，实现对齿条驱动杆的直线驱动；在驱动过程中如主油路内部发生较强的压力波动时，对应的主油缸内部的液压油将由副油路孔一或副油路孔二进入副缓冲油缸内推动圆柱滑块压缩弹簧一和弹簧二；将能量储存在弹簧一和弹簧二内，随后再平稳释放作功。由于液压油在流过副油路孔一或副油路孔二是具有阻尼效果，合理的设置副油路孔一或副油路孔二的大小可有效抑制缓冲油缸内部弹性系统的振动，同时改善柔性油缸的整体输出特性。此外，副油路孔一和副油路孔二的设置位置离开副缓冲油缸端头一段距离，当圆柱滑块滑动至副油路孔一或副油路孔二时将关闭副油路，被封闭的液压油不能被继续压缩，从而保护弹簧弹簧一和弹簧二不被过度压缩导致失效。
所述踝关节旋转驱动补偿模块由机架、直线油缸、推力杆、小腿骨架、滑动销、滑动轴承、铰链一、铰链二、铰链三、支撑器和推力杆构成，其中直线油缸作为踝关节旋转驱动补偿模块的驱动元件装配在小腿骨架内部，其末端通过铰链二固定在机架上，直线油缸连接推力杆，在驱动过程中直线油缸的推力杆只能沿其轴向方向伸缩运动，不能旋转，推力杆的头部通过螺旋齿与小腿骨架内部的螺旋槽啮合；所述支撑器分别通过铰链一和铰链三分别与机架和滑动轴承连接；小腿骨架外部具有环形滑槽，所述滑动轴承分为两半，通过四个螺栓连接安装在小腿骨架的环形滑槽内，环形滑槽形成了滑动轴承的约束机构；小腿骨架上还设有弧形滑槽，所述滑动销设置在直线油缸的尾部，与所述弧形滑槽配合形成凸轮机构。
踝关节旋转驱动补偿模块运动补偿原理如下：由于踝关节与膝关节在运动过程中具有联动关系，为降低膝关节和踝关节子模块之间的运动干涉，且踝关节能够以小腿为轴的旋转动作(距下关节内翻30°，外翻35°)，本发明以踝关节旋转驱动补偿模块的形式集成在了膝关节模块内。在踝关节需要以小腿为轴的旋转动作时，直线油缸通过头部的推力杆头部螺旋齿与小腿骨架内部的螺旋槽配合，驱动小腿骨架旋转，实现踝关节的内翻和外翻动作；小腿骨架在踝关节和膝关节间起支撑作用。
当踝关节进行内翻或外翻动作时。首先，由直线油缸推力杆头部的螺旋齿通过小腿骨架内置的螺旋槽驱动其转动；由于外骨骼位于人体外侧，所以小腿骨架末端有向人体内侧的微小运动。为了在距下关节内翻或外翻的动作过程中降低运动干涉，外骨骼必须通过膝关节铰链的微动和改变铰链一(设为点A)、铰链二(设为点B)和铰链三(设为点C)构成的夹角∠ABC大小进行补偿。其中膝关节的微动由柔性驱动模块实现；而∠ABC角的补偿则由通过调节三个铰链构成的三角形机构中铰链一和铰链二间的距离实现，直线油缸的尾部设置了滑动销与小腿骨架上的曲线滑槽配合形成了凸轮机构，利用直线油缸与小腿骨架的相对旋转调整迫使滑动销在小腿骨架上的曲线滑槽内滑动调节铰链一和铰链二间的距离，进行补偿调节。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)在常规液压油缸驱动方式的基础上，在主油缸侧面设置副缓冲油缸，当膝关节外骨骼内部油路大幅度波动时，液压油可进入副缓冲油缸并通过压缩圆柱滑块将能量蓄积在弹簧中，油压波动消失时再缓慢释放能量，可以起到节能效果同时又防止油压波动通过活塞传递给膝关节外骨骼，以免造成剧烈震动。
(2)直线油缸推力杆头部的螺旋齿与小腿骨架内置的螺旋槽配合，使小腿骨架可绕其轴心旋转，实现踝关节旋转运动补偿，同时利用滑动销和弧形滑槽形成的凸轮机构限制小腿骨架的轴向运动范围，实现小腿骨架轴向上微小位移需求。
附图说明
图1本发明总体机构布局示意图。
图2本发明柔性驱动模块结构示意图。
图3、图4是本发明柔性驱动模块驱动原理示意图。
图5本发明踝关节旋转驱动补偿模块驱动原理示意图。
图中：1柔性驱动模块、2踝关节旋转驱动补偿模块、3柔性油缸、4驱动关节、5机架、6齿条驱动杆、7齿轮、8端盖、9大腿骨架、10主油路孔一、11副油路孔一、12副油路孔二、13主油路孔二、14弹簧一、15圆柱滑块、16弹簧二、17螺纹密封销、18直线油缸、 19小腿骨架、20滑动销、21滑动轴承、22铰链一、23铰链二、24铰链三、25支撑器、26 推力杆。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方法，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
参阅附图，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的位置限定用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
本发明所提供的柔性膝关节外骨骼结构如附图1所示，主体分为柔性驱动模块1块和踝关节旋转驱动补偿模块2；两模块共用一个机架5，构成了具有柔性驱动和位移补偿功能的膝关节外骨骼。接下来分别对两个模块及其功能进行详细的说明：
结合附图2和图3，说明柔性驱动模块1的功用；此模块主体由驱动关节4和柔性油缸3构成。其中所述柔性油缸3包括活塞式主油缸和其侧面的副缓冲油缸，所述活塞式主油缸内具有活塞，活塞将主油缸内分为空间一和空间二两部分，空间一连接有主油路孔一10，空间二连接有主油路孔二13；所述副缓冲油缸由副缓冲油缸缸体、弹簧一14、弹簧二16、圆柱滑块15、螺纹密封销17、副油路孔一11和副油路孔二12构成，所述圆柱滑块15将副缓冲油缸缸体内分为空间三和空间四两部分，空间三内安装有弹簧一14，并通过副油路孔一 11与所述空间一连通，空间四内安装有弹簧二16，并通过副油路孔二12与所述空间二连通，所述螺纹密封销17安装在副缓冲油缸缸体的远离机架5的一端，用于对副缓冲油缸缸体进行密封。
所述驱动关节4由机架5、齿条驱动杆6、齿轮7、端盖8和大腿骨架9构成，所述齿条驱动杆6一端伸入活塞式主油缸与活塞连接在一起，另一端伸出活塞式主油缸并与齿轮 7配合形成齿条齿轮驱动，所述端盖8安装在齿轮7两侧并将齿轮7夹紧在机架上，为了使齿轮7绕其中轴转动方便，端盖中心与中轴配合部位可以设置滚珠方便转动。大腿骨架9通过头部的夹紧机构固定在齿轮7两侧。
结合附图3和图4，说明柔性驱动模快1的驱动原理；驱动关节4是通过柔性油缸3驱动装配在机架5内部的齿条驱动杆6和齿轮7构成的传动机构产生扭矩的。大腿骨架9通过头部的夹紧机构固定在齿轮7的输出轴两端。如图3所示，柔性油缸3驱动齿条杆6动带动齿轮7转动，使其产生转矩驱动大腿骨架9。
结合附图4，柔性油缸3是通过在主油缸侧面设置了副缓冲油缸的方式，实现了柔性油缸3推力的柔性输出。柔性油缸3在驱动过程中液压油由主油路孔一10和主油路孔二13流入或流出推动齿条杆6末端的活塞，实现对齿条杆6的直线驱动；在驱动过程中如主油路内部发生较强的压力波动时，对应的主油缸内部的液压油将由副油路孔一11或副油路孔二12进入副缓冲油缸内推动圆柱滑块15压缩弹簧一14和弹簧二16；将能量储存在弹簧一14和弹簧二16内，随后再平稳释放作功。由于液压油在流过副油路孔一11或副油路孔二12是具有阻尼效果，合理的设置副油路孔一11或副油路孔二12的大小可有效仰制缓冲油缸内部弹性系统的振动，同时改善柔性油缸3的整体输出特性。此外，当圆柱滑块15滑动至副油路孔一11或副油路孔二12时将关闭副油路保护弹簧弹簧一14和弹簧二16不被过度压缩导致失效。
下面结合图5说明踝关节旋转驱动补偿模块2的结构构成及工作原理：踝关节旋转驱动补偿模块2由机架5、直线油缸18、小腿骨架19、滑动销20、滑动轴承21、铰链一22、铰链二23、铰链三24、支撑器25和推力杆26构成。踝关节旋转驱动补偿模块2的驱动元件为直线油缸18装配在小腿骨架19的内部，其末端通过铰链二23固定在机架5上；在驱动过程中直线油缸18的推力杆26只能沿其轴向方向伸缩运动，不能旋转，其头部通过螺旋齿与小腿骨架内部的螺旋槽啮合；支撑器25分别通过铰链铰链一22和铰链三24分别与机架5和滑动轴承21连接。其中滑动轴承21分为上下两半，通过四个螺栓连接安装在小腿骨架19的环形滑槽内对其形成了滑动轴承21约束机构，使滑动轴承21可在环形滑槽内做旋转运动。在推力杆26只能沿其轴向方向伸缩运动过程中可驱动小腿骨架19绕其轴线做旋转运动实现对踝关节旋转助力。
下面说明踝关节旋转驱动补偿模块2运动补偿原理；由于踝关节与膝关节在运动过程中具有联动关系，为降低膝关节和踝关节子模块之间的运动干涉，且踝关节能够以小腿为轴的旋转动作(距下关节内翻30°，外翻35°)，本发明以踝关节旋转驱动补偿模块2的形式集成在了膝关节模块内。在踝关节需要以小腿为轴的旋转动作时，直线油缸18通过头部的推力杆26头部螺旋齿与小腿骨架19内部的螺旋槽配合，驱动小腿骨架19旋转，实现踝关节的内翻和外翻动作；小腿骨架19，在踝关节和膝关节间起支撑作用。
当踝关节进行内翻或外翻动作时。首先，由直线油缸18推力杆26头部的螺旋齿通过小腿骨架19内置的螺旋槽驱动其转动；由于外骨骼位于人体外侧，所以小腿骨架19末端有向人体内侧的微小运动。为了在距下关节内翻或外翻的动作过程中降低运动干涉，外骨骼必须通过膝关节铰链的微动和改变铰链一22(A)、铰链二23(B)和铰链三24(C)构成的夹角∠ABC大小进行补偿。其中膝关节的微动由柔性驱动模块1实现；而∠ABC角的补偿则由通过调节三个铰链构成的三角形机构中铰链一22和铰链二23间的距离实现，直线油缸18的尾部设置了滑动销20与小腿骨架上19的曲线滑槽配合形成了凸轮机构，利用直线油缸18与小腿骨架19的相对旋转调整迫使滑动销20在小腿骨架上19的曲线滑槽内滑动调节铰链一22和铰链二23间的距离，进行补偿调节。
现通过人体的几个基本动作说明本发明的工作原理：
(1)起蹲运动，在起蹲运动过程中膝关节要承受较大载荷，本发明通过弹性连接绑带 (附图中未出现)安装在人体的腿部，此时齿轮7与膝关节的运动轴重合。在起蹲运动过程中通过控制柔性油缸3驱动齿条驱动杆6运动，进而齿轮7产生转矩。在驱动过程中如主油路内部发生较强的压力波动时，对应的主油缸内部的液压油将由副油路孔一11或副油路孔二 12进入副缓冲油缸内推动圆柱滑块15压缩弹簧一14和弹簧二16；将能量储存在弹簧一14 和弹簧二16内，随后再平稳释放作功。由于液压油在流过副油路孔一11或副油路孔二12是具有阻尼效果，合理的设置副油路孔一11或副油路孔二12的大小可有效仰制缓冲油缸内部弹性系统的振动，同时改善柔性油缸3的整体输出特性。
(2)踝关节以小腿为轴的旋转动作(距下关节内翻30°，外翻35°)，当踝关节进行内翻或外翻动作时。首先，由直线油缸18推力杆26头部的螺旋齿通过小腿骨架19内置的螺旋槽驱动其转动；由于外骨骼位于人体外侧，所以小腿骨架19末端有向人体内侧的微小运动。为了在距下关节内翻或外翻的动作过程中降低运动干涉，外骨骼必须通过膝关节铰链的微动和改变铰链一22(A)、铰链二23(B)和铰链三24(C)构成的夹角∠ABC大小进行补偿。其中膝关节的微动由柔性驱动模块1实现；而∠ABC角的补偿则由通过调节三个铰链构成的三角形机构中铰链一22和铰链二23间的距离实现，直线油缸18的尾部设置了滑动销20与小腿骨架上19的曲线滑槽配合形成了凸轮机构，利用直线油缸18与小腿骨架19的相对旋转调整迫使滑动销20在小腿骨架上19的曲线弧形滑槽内滑动调节铰链一22和铰链二23间的距离，进行补偿调节。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (2)

1.一种膝关节外骨骼，其特征在于，具有柔性驱动模块(1)，所述柔性驱动模块(1)由驱动关节(4)和柔性油缸(3)构成，其中所述柔性油缸包括活塞式主油缸和其侧面的副缓冲油缸，所述活塞式主油缸内具有活塞，活塞将主油缸内分为空间一和空间二两部分，空间一连接有主油路孔一(12)，空间二连接有主油路孔二(13)；所述副缓冲油缸由副缓冲油缸缸体、弹簧一(14)、弹簧二(16)、圆柱滑块(15)、螺纹密封销(17)、副油路孔一(11)和副油路孔二(12)构成，所述圆柱滑块(15)将副缓冲油缸缸体内分为空间三和空间四两部分，空间三内安装有弹簧一(14)，并通过副油路孔一(11)与所述空间一连通，空间四内安装有弹簧二(16)，并通过副油路孔二(12)与所述空间二连通，所述螺纹密封销(17)安装在副缓冲油缸缸体的端部；
所述驱动关节(4)由机架(5)、齿条驱动杆(6)、齿轮(7)、端盖(8)和大腿骨架(9)构成，所述齿条驱动杆(6)一端伸入活塞式主油缸与活塞连接在一起，另一端伸出活塞式主油缸并与齿轮(7)配合驱动，所述端盖(8)安装在齿轮(7)两侧并将齿轮(7)利用滚珠夹紧在机架上，大腿骨架(9)通过头部的夹紧机构固定在齿轮(7)两侧。
2.根据权利要求1所述的膝关节外骨骼，其特征在于，还具有踝关节旋转驱动补偿模块(2)，所述踝关节旋转驱动补偿模块(2)由机架(5)、直线油缸(18)、推力杆(26)、小腿骨架(19)、滑动销(20)、滑动轴承(21)、铰链一(22)、铰链二(23)、铰链三(24)、支撑器(25)和推力杆(26)构成，其中直线油缸(18)装配在小腿骨架(19)内部，其末端通过铰链二(23)固定在机架(5)上，直线油缸(18)连接推力杆(26)，推力杆(26)的头部通过螺旋齿与小腿骨架(19)内部的螺旋槽啮合；小腿骨架(19)外部具有环形滑槽，所述滑动轴承(21)安装在小腿骨架(19)外部的环形滑槽内；所述支撑器(25)分别通过铰链一(22)和铰链三(24)与机架(5)和滑动轴承(21)连接；小腿骨架(19)上还设有弧形滑槽，所述滑动销(20)设置在直线油缸(18)的尾部，与所述弧形滑槽配合形成凸轮机构。
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