CN108852746A - 一种柔性膝关节外骨骼 - Google Patents

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。柔性驱动模块由液压驱动杆和弹性关节构成，其中弹性关节由步进电机、滑动轴、机架、前弹簧、滑动蜗杆、涡轮、后弹簧、端盖和大腿骨架构成；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

一种柔性膝关节外骨骼

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多级助力的混合柔性驱动的外骨骼，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。柔性驱动模块由液压驱动杆和弹性关节构成，其中弹性关节由步进电机、滑动轴、机架、前弹簧、滑动蜗杆、涡轮、后弹簧、端盖和大腿骨架构成，滑动轴、前弹簧、滑动蜗杆、涡轮、后弹簧均位于机架内部，步进电机连接滑动轴，滑动轴外表面具有花键，滑动蜗杆通过花键滑动装配在滑动轴上，并与涡轮啮合产生扭矩，滑动蜗杆两端安装有前弹簧和后弹簧，所述前弹簧和后弹簧均用螺母固定，涡轮通过两侧的端盖利用滚珠夹紧安装在机架上，大腿骨架通过头部的夹紧机构固定在涡轮的输出轴两端。步进电机驱动滑动轴转动带动滑动蜗杆转动，进而驱动涡轮产生转矩驱动大腿骨架。柔性驱动模块是由液压驱动杆和弹性关节构成混合驱动模式，液压驱动杆为非自锁液压杆，即内部的液压油可自由流入和流出。在液压油没有压力时可作为一个流体阻尼器仰制弹性关节驱动过程中的机械振动。液压驱动杆和弹性关节在驱动过程中可相互配合实现关节的柔性输出。

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)利用液压驱动杆和弹性关节构成混合驱动模式，弹性关节利用弹簧蓄能，液压驱动杆为非自锁液压杆，即内部的液压油可自由流入和流出，在液压油没有压力时可作为一个流体阻尼器抑制弹性关节驱动过程中的机械振动和外界冲击载荷给机械系统带来的影响。液压驱动杆和弹性关节在驱动过程中可相互配合实现关节的柔性输出。

(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本发明总体结构布局示意图；

图2本发明柔性驱动模块示意图；

图3本发明涡轮、蜗杆配合示意图；

图4本发明滑动蜗杆及滑动轴结构示意图；

图5本发明踝关节旋转驱动补偿模块驱动结构示意图；

图6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弹性关节、4液压驱动杆、5步进电机、6机架、7前弹簧、8滑动蜗杆、9涡轮、10后弹簧、11端盖、12大腿骨架、13滑动轴、14直线油缸、15小腿骨架、16滑动销、17滑动轴承、18铰链一、19铰链二、20铰链三、21支撑器、22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。

本发明所提供的一种柔性膝关节外骨骼结构如附图1所示，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，构成了具有柔性驱动和位移补偿功能的膝关节外骨骼。接下结合实施例分别对两个模块及其功能进行详细的说明：

如图2所示，柔性驱动模块模块1主体由液压驱动杆4和弹性关节3构成。其中弹性关节3由步进电机5、滑动轴13、机架6、前弹簧7、滑动蜗杆8、涡轮9、后弹簧10、端盖11和大腿骨架12构成。滑动轴13、前弹簧7、滑动蜗杆8、涡轮9、后弹簧10均位于机架6内部，步进电机5连接滑动轴13，滑动轴13外表面具有花键，滑动蜗杆8通过花键滑动装配在滑动轴13上，并与涡轮9啮合产生扭矩，滑动蜗杆8两端安装有前弹簧7和后弹簧10，所述前弹簧7和后弹簧10均用螺母固定，涡轮9通过两侧的端盖11利用滚珠夹紧安装在机架6上，大腿骨架12通过头部的夹紧机构固定在涡轮9的输出轴两端。

柔性驱动模块1是由液压驱动杆4和弹性关节3构成混合驱动模式，液压驱动杆4为非自锁液压杆，即内部的液压油可自由流入和流出。在液压油没有压力时可作为一个流体阻尼器仰制弹性关节驱动过程中的机械振动。液压驱动杆4和弹性关节3在驱动过程中可相互配合实现关节的柔性输出。

图3和图4是柔性驱动模快1的驱动原理，弹性关节3是通过电机5驱动装配在机架6内部的滑动蜗杆8和涡轮9机构驱动产生扭矩的。其中滑动蜗杆8通过滑动的花键装配在滑动轴13上，可沿着滑动轴13轴向滑动；在滑动蜗杆8的两端安装了前弹簧7和后弹簧10并通过螺母固定。滑动蜗杆8与同样装配在机架6内部的涡轮9啮合形成完整的传动机构。蜗轮9通过两侧的端盖11通过滚珠夹紧安装在机架6上。大腿骨架12通过头部的夹紧机构固定在涡轮9的输出轴两端。如图2所示，步进电机5驱动滑动轴13转动带动滑动蜗杆8转动，进而驱动涡轮9产生转矩驱动大腿骨架12。

下面结合图5和图6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6、直线油缸14、小腿骨架15、滑动销16、滑动轴承17、铰链一18、铰链二19、铰链三20、支撑器21和推力杆22构成。踝关节旋转驱动补偿模块2的驱动元件为直线油缸14装配在小腿骨架的内部，其末端通过铰链二19固定在机架6上；在驱动过程中直线油缸14的推力杆22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21分别通过铰链铰链一和铰链三20分别与机架6和滑动轴承17连接。其中滑动轴承17分为上下两半，通过四个螺栓连接安装在小腿骨架15的环形滑槽内对其形成了滑动轴承约束机构。在推力杆22只能沿其轴向方向伸缩运动过程中可驱动小腿骨架15绕其轴线做旋转运动实现对踝关节旋转助力。

结合附图6，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14通过头部的推力杆22头部螺旋齿与小腿骨架内部的螺旋槽配合，驱动小腿骨架15旋转，实现踝关节的内翻和外翻动作；小腿骨架15，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14推力杆22头部的螺旋齿通过小腿骨架15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15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一18(A)、铰链二19(B)和铰链三20(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一18和铰链二19间的距离实现，直线油缸14的尾部设置了滑动销16与小腿骨架上15的曲线滑槽配合形成了凸轮机构，利用直线油缸14与小腿骨架15的相对旋转调整迫使滑动销16在小腿骨架上15的曲线滑槽内滑动调节铰链一18和铰链二19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，此时涡轮9与膝关节的运动轴重合。在起蹲运动过程中通过控制步进电机5驱动滑动轴13转动，带动滑动蜗杆8转动，进而驱动涡轮9产生转矩。在启动步进电机的初始阶段由于滑动蜗杆8的转动将产生沿着滑动轴13轴线方向的作用力，使安装在滑动蜗杆8两端的弹簧(前弹簧7和后弹簧10)压缩，在遇到冲击载荷是可起到柔性缓冲作用，将能量储存在弹簧内部。

液压驱动杆4与弹性关节3内涡轮蜗杆驱动机构共同构成了柔性驱动模块1的并联驱动系统，液压驱动杆4与弹性关节3在控制系统的介入下可根据膝关节运动特点相互配合完成助力；同时液压驱动杆4相当与一个流体阻尼器，可通过控制器内部流体压力实现变阻尼，在助力的同时也为弹性关节3的驱动提供阻尼，抑制弹性关节3的振动。使储存在前弹簧7和后弹簧10内的能量在驱动过程中可平稳释放，使驱动系统更加舒适和节能化。

(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14推力杆22头部的螺旋齿通过小腿骨架15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15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一18(A)、铰链二19(B)和铰链三20(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一18和铰链二19间的距离实现，直线油缸14的尾部设置了滑动销16与小腿骨架上15的曲线滑槽配合形成了凸轮机构，利用直线油缸14与小腿骨架15的相对旋转调整迫使滑动销16在小腿骨架上15的曲线滑槽内滑动调节铰链一18和铰链二19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)

1.一种柔性膝关节外骨骼，其特征在于，具有柔性驱动模块，所述柔性驱动模块由液压驱动杆和弹性关节构成，其中弹性关节由步进电机、滑动轴、机架、前弹簧、滑动蜗杆、涡轮、后弹簧、端盖和大腿骨架构成，滑动轴、前弹簧、滑动蜗杆、涡轮、后弹簧均位于机架内部，步进电机连接滑动轴，滑动轴外表面具有花键，滑动蜗杆通过花键滑动装配在滑动轴上，并与涡轮啮合产生扭矩，滑动蜗杆两端安装有前弹簧和后弹簧，所述前弹簧和后弹簧均用螺母固定，涡轮通过两侧的端盖利用滚珠夹紧安装在机架上，大腿骨架通过头部的夹紧机构固定在涡轮的输出轴两端。

2.根据权利要求1所述的柔性膝关节外骨骼，其特征在于，还具有踝关节旋转驱动补偿模块，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，推力杆的头部通过螺旋齿与小腿骨架内部的螺旋槽啮合；小腿骨架外部具有环形滑槽，所述滑动轴承安装在小腿骨架的环形滑槽内；所述支撑器分别通过铰链一和铰链三与机架和滑动轴承连接；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。