CN109176478A - 一种膝关节被动助力装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种膝关节被动助力装置，属于可穿戴设备技术领域，解决了现有助力装置结构复杂、需要外部能量输入、助力效果差的问题。该膝关节被动助力装置，包括大腿支架和小腿支架，大腿支架和小腿支架通过转轴连接，大腿支架的外侧设有弹簧，弹簧的一端与大腿支架的上部固定连接，另一端通过钢丝绳与设置于转轴的圆盘结构连接；小腿支架摆动带动转轴转动，转轴带动圆盘结构转动使使钢丝绳拉伸弹簧。实现了提供一种结构简单、无需外部能量输入的膝关节被动助力装置，能够有效降低膝关节疲劳和损伤。

Description

一种膝关节被动助力装置

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，主动式助力装置又分为液压驱动和电机驱动，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；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。

针对目前膝关节助力装置的不足之处，本发明提出一种通过弹簧储能、结构简单、无需外部能量输入的膝关节被动助力装置，旨在能够为使用者的膝关节提供助力，降低膝关节疲劳和损伤。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种膝关节被动助力装置，用以解决现有助力装置结构复杂、需要外部能量输入、助力效果差的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种膝关节被动助力装置，包括大腿支架和小腿支架，大腿支架和小腿支架通过转轴连接，转轴固定设于小腿支架的上端，大腿支架的外侧设有弹簧，弹簧的一端与大腿支架的上部固定连接，另一端通过钢丝绳与设置于转轴的圆盘结构连接；小腿支架摆动带动转轴转动，转轴带动圆盘结构转动使钢丝绳拉伸弹簧。其中，助力装置提供的助力F的表达式为：

F＝RK sin a，

式中，R-圆盘结构的半径，m；F-助力大小，N；K-弹簧刚度，N/m；α-人体膝关节运动角度。

进一步地，圆盘结构的外圆周设有卡扣件，钢丝绳通过卡扣件与圆盘结构连接。

进一步地，卡扣件的数量有多个，且沿外圆周均匀设置。

进一步地，钢丝绳间隔设有多个凸起，凸起与卡扣件配合将钢丝绳与圆盘结构固定。

进一步地，圆盘结构的外圆周设有用于钢丝绳缠绕的导引槽，导引槽的横截面为圆弧形。

进一步地，导引槽经过喷丸处理。

进一步地，转轴设有转动角度限定件，转动角度限定件用于将大腿支架与小腿支架的运动角度限定在0-180°之间。

进一步地，穿戴者直立状态时，弹簧处于自由状态且钢丝绳绷直。

进一步地，弹簧设置于弹簧室中，弹簧室固定设置于大腿支架外侧；弹簧室的长度大于弹簧的自由长度，且小于弹簧的极限拉伸长度。

本发明有益效果如下：

(1)本发明提供的膝关节被动助力装置，利用弹簧作为储能元件，将弹簧3设置在大腿支架上，而不是将弹簧安装在小腿支架上，提高了助力装置在穿戴者身上的重心，能够降低穿戴者的下肢疲劳度，因为负载越靠近人体上方对人体而言越省力，符合人体动力学原理。

(2)本发明提供的膝关节被动助力装置，将钢丝绳固定在圆盘结构上，而不是直接固定到转轴上，因而避免了钢丝绳与转轴发生干涉，并且，钢丝绳也没有通过支点固定连接到小腿支架上，克服了钢丝绳绕支点滑动容易磨损断裂、转动阻力大、力传递效率低、助力效果差的缺陷。将钢丝绳固定在圆盘上的助力装置，结构简单，设计构思巧妙，能够使膝关节转动更加灵活，力传递效率更高，助力效果更好。

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正视剖面图；

图2为实施例中膝关节被动助力装置的侧视剖面图；

图3为实施例中人体行走步态图；

图4为实施例中小腿摆动时助力装置的工作状态正视剖面图；

图5为实施例中小腿摆动时助力装置的工作状态侧视剖面图；

图6为图1中具有导滑轮组件的膝关节被动助力装置的正视剖面图。

附图标记：

1、大腿支架；2、小腿支架；3、弹簧；4、钢丝绳；5、转轴；6、圆盘结构。

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。为了便于说明，作如下约定：穿戴者直立状态时，大腿支架1和小腿支架2之间的夹角为180°，大腿支架1和小腿支架2之间的转动角度为0°，也即人体膝关节运动角度α为0°。

本发明的一个具体实施例，如图1至图4所示，膝关节被动助力装置包括大腿支架1和小腿支架2，大腿支架1和小腿支架2通过转轴5连接，大腿支架1的外侧设有弹簧3，弹簧3的一端与大腿支架1的上部固定连接，另一端通过钢丝绳4与设置于转轴5的圆盘结构6连接；小腿支架2摆动带动转轴5转动，转轴5带动圆盘结构6转动使钢丝绳4拉伸弹簧3储能。圆盘结构6的直径与结构装置的助力大小、弹簧3的刚度及人体膝关节运动角度相关，助力装置提供的助力大小的表达式为：

F＝RK sin a，

式中，R-圆盘结构的半径，m；F-助力大小，N；K-弹簧刚度，N/m；α-人体膝关节运动角度。

实施时，选用长度适合的弹簧3及钢丝绳4，保证在穿戴者直立状态时，弹簧处于自由状态且钢丝绳4绷直，将小腿支架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。图3示出了人体行走步态膝关节变化图，当处于初始摇摆状态时，如图4、图5，穿戴者大腿和小腿分别带动大腿支架1和小腿支架2，使大腿支架1和小腿支架2之间的夹角变小，大腿支架1和小腿支架2之间的转动角度变大，膝关节处于活动状态，小腿支架2绕转轴5转动带动圆盘结构6转动，从而使固定在圆盘结构上的钢丝绳4缠绕在圆盘结构6上，进而带动钢丝绳4将弹簧3拉长进行储能，此时弹簧3呈伸长状态；当人体行走到达中段摆动和摆动交替状态时，穿戴者膝关节运动角度也即大腿支架1与小腿支架2之间的转动角度达到最大值，并即将变小，弹簧3由伸长状态开始回复，带动钢丝绳4在圆盘结构6上反绕，拉动小腿支架2，使小腿支架2和大腿支架1的夹角变大，大腿支架1与小腿支架2的转动角度变小，为穿戴者小腿伸直提供助力，直至人体行走至站立状态过程中，弹簧3恢复至原始状态，为人体小腿伸直及膝关节支撑提供助力。

与现有技术相比，本实施例提供的膝关节被动助力装置，利用弹簧3作为储能元件，将钢丝绳4固定在圆盘结构6上，当运动到初始摇摆状态时，腿部弯曲摆动，膝关节转动角度变大，弹簧3被拉长进行储能；当人体行走到达中段摆动和摆动交替状态时，至人体行走至站立状态过程中，弹簧3在恢复力的作用下复原释放能量，为膝关节提供支撑力，此助力装置，采用被动助力形式，结构简单，重量轻，无需外接动力源，通过人体行走步态自动切换弹簧3的能量储能和释放，适应不同的运动步态，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。

本实施例中，圆盘结构6的外圆周设有卡扣件，钢丝绳4通过卡扣件与圆盘结构6连接，优选地，钢丝绳4与卡扣件可拆卸连接，便于更换钢丝绳4，以及调整钢丝绳4的长度。进一步优选地，卡扣件的数量有多个，且均匀设置于圆盘结构6的外圆周，例如，以圆盘结构6的中心为原点，圆心角每隔15°设置一个卡扣件，钢丝绳4能够通过卡扣件固定在圆盘结构6外圆周的不同位置，因而能够调节弹簧3和圆盘结构6连接的有效钢丝绳4长度，保证穿戴者直立状态时，弹簧3处于自由状态且钢丝绳4绷直，从而适应不同腿长人群，应用更加广泛。

为了便于固定钢丝绳4，钢丝绳4间隔设有多个凸起，凸起与卡扣件配合将钢丝绳4与圆盘结构6固定，因此可以选择钢丝绳4上不同位置的凸起与卡扣件配合将钢丝绳4与圆盘结构6固定，使调节钢丝绳4的长度更加便捷。

考虑到钢丝绳4为易耗部件，在圆盘结构6的外圆周设有用于钢丝绳4缠绕的导引槽，导引槽的横截面为圆弧形，钢丝绳4能够置于圆弧形导引槽，使钢丝绳4缠绕在特定的轨道，避免钢丝绳4因缠绕位置变化影响助力效果。

为了提升助力装置的使用寿命，圆盘结构6的外圆周，尤其导引槽经过喷丸处理，能够增大与钢丝绳4之间的摩擦力，避免钢丝绳4与圆盘结构6的外圆周发生滑动进而影响助力效果，还能提高圆盘结构6的外圆周或导引槽的抗疲劳强度，提高其使用寿命。

考虑到助力装置的安全性，小腿支架2只能向身后弯曲，若在特殊情况下反向弯曲，则会对膝盖造成伤害，因此，本实施例中的助力装置，在转轴5设有转动角度限定件，转动角度限定件用于将大腿支架1与小腿支架2的运动角度α限定在0-180°之间，即人体直立状态时，大腿支架1和小腿支架2之间的转动角度α为0°，大腿支架1与小腿支架2之间的最大转动角度为极限运动角度，为180°，有效地避免了小腿支架2反向弯曲现象的发生，提高了助力装置的安全性。

本实施例中，穿戴者直立状态时，弹簧3处于自由状态且钢丝绳4绷直，为了防止弹簧3摆动影响助力效果，弹簧3设置于弹簧室中，弹簧室固定设置于大腿支架1外侧，弹簧室的下表面设有允许钢丝绳4通过的开口，弹簧室的长度大于弹簧3的自由长度，且小于弹簧3的极限拉伸长度，从而避免小腿用力过度将弹簧3拉断，对穿戴者造成伤害。优选地，弹簧室为轻质空心管，空心管的内壁光滑，空心管的内径与弹簧3的直径相同，降低助力装置的重力，减缓穿戴者腿部疲劳感。

考虑到钢丝绳4拉伸弹簧3的过程中，弹簧3会对弹簧室的侧壁有压力，一方面会增大弹簧3与弹簧室之间的摩擦力，增加穿戴者疲劳感，另一方面会对弹簧3和弹簧室有一定的磨损，降低了助力装置的使用寿命。因此，本实施例中，弹簧室的侧壁下部固定设有导滑轮组件，如图6所示，导滑轮组件包括连接杆，连接杆的一端固定设于弹簧室侧壁，另一端设有滑轮，钢丝绳4绕过滑轮与圆盘结构6连接，钢丝绳4与滑轮的接触点位于弹簧3的纵向中心线上。优选地，滑轮的外圆周设置限位轨道，钢丝绳4在限位轨道上滑动。此结构的助力装置，通过设置导滑轮组件，延长了弹簧3及弹簧室的使用寿命，降低了穿戴者的疲劳感，显著提升了力传递效率。

本实施例中，将弹簧3设置在大腿支架1上，而不是将弹簧安装在小腿支架2上，提高了助力装置在穿戴者身上的重心，能够降低穿戴者的下肢疲劳度，因为负载越靠近人体上方对人体而言越省力，符合人体动力学原理；并且，钢丝绳4与能够转动的圆盘结构6连接，而不是直接固定到转轴5上，因而能够避免钢丝绳4与转轴5发生干涉，另一方面，钢丝绳4也没有通过支点固定连接到小腿支架2上，克服了钢丝绳4绕支点滑动容易磨损断裂、转动阻力大、力传递效率低、助力效果差的缺陷，本实施例的助力装置，将钢丝绳4固定在圆盘上，设计构思巧妙，结构简单，膝关节转动更加灵活，力传递效率更高，助力效果更好。

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 (10)

1.一种膝关节被动助力装置，包括大腿支架和小腿支架，所述大腿支架和小腿支架通过转轴连接，所述转轴固定设于所述小腿支架的上端，其特征在于，所述大腿支架的外侧设有弹簧，所述弹簧的一端与大腿支架的上部固定连接，另一端通过钢丝绳与设置于转轴的圆盘结构连接；

所述小腿支架摆动带动所述转轴转动，所述转轴带动所述圆盘结构转动使所述钢丝绳拉伸所述弹簧。

2.根据权利要求1所述的膝关节被动助力装置，其特征在于，所述助力装置提供的助力F的表达式为：

F＝RKsina，

式中，R-圆盘结构的半径，m；F-助力大小，N；K-弹簧刚度，N/m；α-人体膝关节运动角度。

3.根据权利要求1所述的膝关节被动助力装置，其特征在于，所述圆盘结构的外圆周设有卡扣件，所述钢丝绳通过所述卡扣件与所述圆盘结构连接。

4.根据权利要求3所述的膝关节被动助力装置，其特征在于，所述卡扣件的数量有多个，且沿所述外圆周均匀设置。

5.根据权利要求3所述的膝关节被动助力装置，其特征在于，所述钢丝绳间隔设有多个凸起，所述凸起与所述卡扣件配合将钢丝绳与所述圆盘结构固定。

6.根据权利要求1所述的膝关节被动助力装置，其特征在于，所述圆盘结构的外圆周设有用于钢丝绳缠绕的导引槽，所述导引槽的横截面为圆弧形。

7.根据权利要求6所述的膝关节被动助力装置，其特征在于，所述导引槽经过喷丸处理。

8.根据权利要求1所述的膝关节被动助力装置，其特征在于，所述转轴设有转动角度限定件，所述转动角度限定件用于将大腿支架与小腿支架的运动角度限定在0-180°之间。

9.根据权利要求1所述的膝关节被动助力装置，其特征在于，穿戴者直立状态时，所述弹簧处于自由状态且所述钢丝绳绷直。

10.根据权利要求1-9所述的膝关节被动助力装置，其特征在于，所述弹簧设置于弹簧室中，所述弹簧室固定设置于所述大腿支架外侧；

所述弹簧室的长度大于弹簧的自由长度，且小于所述弹簧的极限拉伸长度。