CN109176475B - 一种膝关节液压被动助力装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种膝关节液压被动助力装置，属于可穿戴设备技术领域，解决了现有膝关节助力装置的结构复杂、不便控制以及在站立时助力不足的问题。该助力装置，采用液压被动助力形式，包括通过转轴连接的大腿支架和小腿支架，还设有液压缸，活塞杆能够在小腿支架的带动下在液压缸的缸筒内运动；液压缸与油箱通过油路连接，油路上设有用于连通或断开油路的电磁阀；油箱内设有油箱活塞和储能件，储能件通过释放能量推动油箱活塞向油路供油，液压油回流至储油室并反向推动油箱活塞使储能件进行储能。本发明的助力装置结构简单、便于控制、重量轻、助力效果好，能够有效降低人体膝关节疲劳程度。

Description

一种膝关节液压被动助力装置

技术领域

本发明涉及可穿戴设备技术领域，尤其涉及一种膝关节液压被动助力装置。

背景技术

膝关节是人体运动中一个十分重要的关节，在行走过程中膝关节输出扭矩可达250Nm，功率可达120W，因此在外骨骼机器人、康复医疗、助残等领域，膝关节助力装置已被广泛研究。

当前膝关节助力装置分为主动式和被动式两种，主动式助力装置的驱动形式通常为电机直驱或液压驱动。其中，电机驱动的助力装置主要应用于康复医疗及助残领域，有采用电机带减速器直接作用于膝关节上的形式，也有通过电机带动连接在大腿和小腿之间的滚轴丝杠的形式，电机驱动的助力装置便于控制，但电机的功率密度低，运动速度比较慢，只适用于下肢有运动障碍的康复领域；液压驱动的助力装置主要应用在外骨骼机器人领域，在大腿和小腿之间安装液压缸，通过液压系统切换油路，实现对外骨骼机器人膝关节的支撑和放松，液压驱动的助力装置具有功率密度高、动态响应快的优势，但也存在液压伺服系统不易于控制的问题。被动式助力装置通常为弹簧等储能元件，在不需要助力时弹簧通过人体运动储能，在需要助力时弹簧释放能量为人体助力，采用弹簧为储能元件的被动助力装置具有无须控制、响应迅速等优势，但是无法在人站立时提供足够高的锁紧支撑力，且对弹簧刚度要求较高，现有弹簧难以提供足够大的锁紧支撑力，助力效果差。

针对现有膝关节助力装置的结构复杂、不便控制以及在站立时助力不足的问题，本发明提出一种无需外接液压油源就能实现液压被动式控制的膝关节助力装置。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种膝关节液压被动助力装置，用以解决现有膝关节助力装置的结构复杂、不便控制以及在站立时助力不足的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种膝关节液压被动助力装置，包括通过转轴连接的大腿支架和小腿支架，还设有液压缸，液压缸的一端通过连接件与大腿支架铰接，液压缸的另一端通过液压缸的活塞杆与小腿支架铰接，活塞杆能够在小腿支架的带动下在液压缸的缸筒内运动；液压缸通过油路与油箱连接，油路上设有用于连通或断开油路的电磁阀。

进一步地，油箱内设有油箱活塞，油箱活塞将油箱分隔成储油室和储能室，储油室用于储存液压油并与油路连接；储能室内设有储能件，储能件通过释放能量推动油箱活塞向油路供油，液压油回流至储油室并反向推动油箱活塞使储能件进行储能。

进一步地，储能件为压缩弹簧，压缩弹簧的自由长度与油箱活塞的厚度之和大于油箱的长度。

进一步地，油箱活塞的两侧均设有用于限制油箱活塞运动范围的限位环，限位环设于油箱的内壁。

进一步地，油箱的内壁间隔设有多个用于容纳限位环的限位槽。

进一步地，压缩弹簧的一端可拆卸连接于油箱活塞，另一端抵靠于位于油箱侧壁的箱门。

进一步地，油箱活塞设有环槽，环槽内安装有格莱圈和导向带。

进一步地，连接件为长度可调节的连杆。

进一步地，连杆包括内连杆和外连杆，内连杆能够伸入外连杆的空腔内并通过锁紧件固定。

进一步地，膝关节液压被动助力装置还设有用于将大腿支架和小腿支架固定于穿戴者腿部的紧固装置。

本发明有益效果如下：

a)本发明提供的膝关节液压被动助力装置，采用液压被动助力形式，油箱内设有储能件，储能件能够增大油箱供油压力，通过液压传动，在人体行走的摇摆状态时，液压缸处于自由状态，方便人体运动，提高了摇摆状态时小腿的灵活性；在人体站立状态时，液压阀锁止液压缸为人体提供足够大的锁紧支撑力，在行走时储能元件和液压缸配合为使用者的膝关节提供助力，在摇摆状态刚度低，在支撑状态刚度高，显著降低膝关节疲劳和损伤，本发明的助力装置的结构简单，不仅功率密度高、响应速度快，而且易于控制。

b)本发明提供的膝关节液压被动助力装置，油箱内设置储能件的结构设计，助力过程无需外部能量输入，也无需额外设置能量供给装置，简化了助力装置的结构，降低了助力装置的重量，提高了助力装置的轻便性与场景应用的广泛性。

c)本发明提供的膝关节液压被动助力装置，连接件设置为长度可调节的连杆的助力装置能够根据穿戴者腿部结构特征调整连杆长度，从而满足不同腿部结构的穿戴者，提高了助力装置的通用性。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为实施例中膝关节被动助力装置的结构示意图；

图2为实施例中小腿摆动时助力装置工作状态示意图。

附图标记：

1、大腿支架；2、小腿支架；3、液压缸；31、液压缸无杆腔；32、活塞杆；4、电磁阀；5、油箱；6、油箱活塞；7、储能件；8、连接件。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明的一个具体实施例，公开了一种膝关节液压被动助力装置，如图1所示，包括通过转轴连接的大腿支架1和小腿支架2，还设有液压缸3，液压缸3的一端通过连接件8与大腿支架1铰接，液压缸3另一端通过液压缸3的活塞杆32与小腿支架2铰接，活塞杆32能够在小腿支架2的带动下在液压缸的缸筒内运动；液压缸3通过油路与油箱连接，油路上设有用于连通或断开油路的电磁阀4；油箱5内设有油箱活塞6，油箱活塞6将油箱5分隔成储油室和储能室，储油室用于储存液压油并与油路连接；储能室内设有储能件，储能件7通过释放能量推动油箱活塞6向油路供油，液压油回流至储油室并反向推动油箱活塞6使储能件进行储能。

实施时，将膝关节液压被动助力装置的小腿支架2和大腿支架1通过紧固装置分别与穿戴者的小腿和大腿紧固，此时穿戴者腿部为直立状态，大腿支架1与小腿支架2呈180°夹角，液压缸无杆腔31达到最长，且电磁阀4为关闭状态；当人体运动处于初始摇摆状态时，如图2所示，活塞杆32在小腿支架2的带动下在液压缸3的缸筒内运动，小腿支架2和大腿支架1之间角度变小，电磁阀4由控制器控制得电打开，液压缸无杆腔31通过油路与油箱5连通，液压油流入油箱5中，液压缸无杆腔31缩短，液压油推动油箱活塞6使储能件7储能，在此过程中穿戴者的膝关节处于活动状态，穿戴者人力驱动液压缸压缩，实现小腿的弯曲；当人体行走到达中段摆动和摆动交替状态时，电磁阀4由控制器控制失电闭合，液压缸无杆腔31与油箱5单向连通，穿戴者摆腿使液压缸无杆腔31从油箱5吸油，同时储能件7释放能量推动油箱5的油箱活塞6使液压油进入液压缸无杆腔31，无杆腔31变长，大腿支架1与小腿支架2之间角度增大；当人体行走处于站立状态或当小腿支架2受到外力压缩时，电磁阀4由控制器控制失电闭合，液压缸无杆腔31内的液压油被电磁阀4锁止，液压缸3无法收缩，为穿戴者膝关节提供足够大的支撑力。

与现有技术相比，本实施例提供的膝关节液压被动助力装置，采用液压缸3为执行元件，油箱5内设有储能件7，通过储能件7增加油箱供油压力，减少小腿的疲劳感；通过液压传动，适应人体行走步态，当人体运动到摇摆状态时，液压缸3与油箱5连通，液压缸3处于自由状态，方便人体运动，腿部弯曲摆动，膝关节角度变小，液压缸无杆腔31缩短，当运动到支撑状态时，通过电磁阀4锁止液压缸3，液压缸无杆腔31随人体运动伸长且无法回复，从而为膝关节提供足够大的支撑力，实现了膝关节在行走过程中弯曲的回复和伸直的助力，在摇摆状态刚度低，在支撑状态刚度高，能够有效降低人体膝关节疲劳程度，起到保护膝关节和助力的效果，本实施例的助力装置结构简单，不仅功率密度高、响应速度快，而且易于控制。

本实施例中，安装于油箱5内储能件7能够通过释放能量推动油箱活塞6促进油箱5内的液压油流入液压缸3内，减少穿戴者小腿疲劳感，通过穿戴者小腿运动液压缸3内的液压油回流至油箱5，反向推动油箱活塞6，油箱活塞6作用在储能件7上使储能件7储存能量，能实现上述功能的储能释能结构均能作为本实施例中的储能件7，优选地，储能件7为压缩弹簧，压缩弹簧的自由长度与油箱活塞6的厚度之和大于油箱5的长度，从而保证压缩弹簧安装在油箱5内的初始状态下具有一定能量。采用油箱5内设置储能件7的助力装置，无需外接液压油源，大大简化了助力装置的结构，降低了助力装置的重量，提高了助力装置的轻便性与场景应用的广泛性。

考虑到液压缸活塞杆32伸缩距离直接影响大腿支架1和小腿支架2的夹角，而大腿支架1和小腿支架2的夹角不能大于180°，否则会使穿戴者膝盖造成非正常弯曲而造成伤害，因此需要保证当液压缸无杆腔31的最大长度时，大腿支架1和小腿支架2位于一条直线上。为了解决上述问题，可以采取以下三种方案：方案一，油箱活塞6的两侧均设有用于限制油箱活塞6运动范围的限位环，限位环设于油箱5的内壁，具体的，根据液压缸3、油箱5以及大腿支架1和小腿支架2的结构分析，计算液压缸3能够伸缩的最大长度，进而设置限位环在油箱5中的位置，将油箱活塞6的运动限定在一定范围内，从而限定了油箱5能够供入液压缸3内液压油体积，保证液压缸3的伸缩长度在安全范围内；方案二，在连接大腿支架1和小腿支架2的转轴上设置止转定位结构，止转定位结构限定大腿支架1和小腿支架2的转动角度不超过180°，从而保证了助力装置的安全性；方案三，在液压缸3的有杆腔的内壁设置有限位件，限位件的设置位置能够保证穿戴者在直立状态时，液压缸3的无杆腔31达到最大长度，此时大腿支架1和小腿支架2位于一条直线，从而避免因活塞杆32过度伸长导致穿戴者腿部受伤的现象发生，提高了助力装置的安全性。当然，本实施例中的液压缸活塞杆32与小腿支架2也可以通过连杆连接，但与小腿支架2连接的连杆短于与大腿支架1连接的连杆。

为了提高油箱的通用性，油箱5的内壁间隔设有多个用于容纳限位环的限位槽，根据穿戴者需要选择设置限位环的具体位置，而不必更换其他型号油箱，此结构的油箱能够匹配多种型号的液压缸3和不同型号的助力装置，具有广泛的应用性。

考虑到储能件7有一定的使用寿命，在油箱5远离压力油的侧壁设置箱门，将储能件7设置为拆卸结构，优选地，压缩弹簧的一端可拆卸连接于油箱活塞6，另一端抵靠于位于油箱5侧壁的箱门，此时油箱活塞6一侧为液压油，另一侧通大气，通过压缩弹簧增加油箱5的供油压力，当储能件7达到使用寿命时打开箱门进行更换，提高了维修更换便捷性。

为了防止油箱5漏油，油箱活塞6设有环槽，环槽内安装有格莱圈71和导向带72，增加了油箱活塞6与油箱5之间的密封性能，保证了液压压力的稳定性，从而提高了助力效果和助力稳定性。

本实施例中，连接件8具有一定长度，将连接件8设置为具有一定长度的连杆能够保证在穿戴者直立状态时，液压缸活塞杆32所在直线与大腿支架1和小腿支架2所在直线具有一定的角度，此时液压缸活塞杆32作用在小腿支架上的力具水平方向和竖直方向上的力，液压缸3能够正常伸缩，助力装置才能够正常工作，若液压缸活塞杆32与大腿支架1和小腿支架2在同一直线上，则液压缸3无法伸缩，大腿支架1和小腿支架2也不能围绕转轴转动。

为了进一步提高助力装置的通用性，连接件8设置为长度可调节的连杆，具体的，长度可调节的连杆包括内连杆和外连杆，内连杆能够伸入外连杆的空腔内并通过锁紧件固定，优选地，锁紧件为螺栓或螺钉，内连杆和外连杆设置相应的螺孔，此结构的助力装置能够满足不同腿部结构的穿戴者，提高了助力装置的通用性。

本实施例中，助力装置还设有用于将大腿支架1和小腿支架2固定于穿戴者腿部的紧固装置，优选地，紧固装置为弹性粘结带，利用弹性粘结带将大腿支架1和小腿支架2与穿戴者腿部捆绑固定。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种膝关节液压被动助力装置，其特征在于，由通过转轴连接的大腿支架和小腿支架、液压缸、连接件、电磁阀、油路和油箱组成，所述液压缸的一端通过连接件与所述大腿支架铰接，所述液压缸的另一端通过液压缸的活塞杆与所述小腿支架铰接，所述活塞杆能够在所述小腿支架的带动下在所述液压缸的缸筒内运动；

所述液压缸通过油路与油箱连接，所述油路上设有用于连通或断开油路的电磁阀；

液压缸通过一个油路与油箱连通；

所述油箱内设有油箱活塞，所述油箱活塞将所述油箱分隔成储油室和储能室，所述储油室用于储存液压油并与油路连接；

所述储能室内设有储能件，所述储能件通过释放能量推动油箱活塞向油路供油，液压油回流至所述储油室并反向推动油箱活塞使所述储能件进行储能；

所述连接件为长度可调节的连杆；

所述连杆包括内连杆和外连杆，所述内连杆能够伸入所述外连杆的空腔内并通过锁紧件固定；

当人体运动处于初始摇摆状态时，液压缸无杆腔通过油路与油箱连通，液压油流入油箱中，液压缸无杆腔缩短，液压油推动油箱活塞使储能件储能，在此过程中穿戴者的膝关节处于活动状态，穿戴者人力驱动液压缸压缩；

当人体行走到达中段摆动和摆动交替状态时，液压缸无杆腔与油箱单向连通，穿戴者摆腿使液压缸无杆腔从油箱吸油，同时储能件释放能量推动油箱的油箱活塞使液压油进入液压缸无杆腔，无杆腔变长；

当人体行走处于站立状态或当小腿支架受到外力压缩时，液压缸无杆腔内的液压油被电磁阀锁止，液压缸无法收缩。

2.根据权利要求1所述的膝关节液压被动助力装置，其特征在于，所述储能件为压缩弹簧，所述压缩弹簧的自由长度与所述油箱活塞的厚度之和大于所述油箱的长度。

3.根据权利要求2所述的膝关节液压被动助力装置，其特征在于，所述油箱活塞的两侧均设有用于限制所述油箱活塞运动范围的限位环，所述限位环设于所述油箱的内壁。

4.根据权利要求3所述的膝关节液压被动助力装置，其特征在于，所述油箱的内壁间隔设有多个用于容纳所述限位环的限位槽。

5.根据权利要求2所述的膝关节液压被动助力装置，其特征在于，所述压缩弹簧的一端可拆卸连接于所述油箱活塞，另一端抵靠于位于所述油箱侧壁的箱门。

6.根据权利要求1所述的膝关节液压被动助力装置，其特征在于，所述油箱活塞设有环槽，所述环槽内安装有格莱圈和导向带。

7.根据权利要求1至6任一所述的膝关节液压被动助力装置，其特征在于，还设有用于将所述大腿支架和所述小腿支架固定于穿戴者腿部的紧固装置。

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