CN110757433A - 一种拉索式膝关节助力装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及运动辅助、医学康复以及助老装置领域，特别是一种拉索式膝关节助力装置，其包括膝关节限位装置、上端支撑装置、下端支撑装置、拉索和运动感知识别子系统；膝关节限位装置、上端支撑装置和下端支撑装置之间形成三角形结构，拉索依次穿过上端支撑装置、膝关节限位装置和下端支撑装置；上端支撑装置和下端支撑装置中安装有收紧和放松拉索的执行装置，运动感知子系统用于对行走阶段进行识别，控制执行装置的运动。本申请可通过执行装置来拉动钢索，产生压膝盖的力来使膝关节伸展，从而实现助力效果。本申请整体结构精简、体积小、重量轻、易穿戴，且助力效率高。

Description

一种拉索式膝关节助力装置

技术领域

本申请涉及运动辅助、医学康复以及助老装置领域，特别是一种拉索式膝关节助力装置。

背景技术

户外运动人群、老人等人群需要一种简洁高效的膝关节助力装置。当前的膝关节助力装置主要存在的问题包括两个方面：第一、机构本身比较庞大和复杂，其自身的体积和重量使得穿戴不方便；第二、助力效率低。因此，迫切需要一种简洁高效的膝关节助力装置。

现有的膝关节助力装置专利有如专利申请号为201811440354.2，申请日为2018-11-29，名称为《一种膝关节助力机构》，其技术方案为：本发明公开了一种膝关节助力机构，腰带拴在腰间，大腿支撑杆绑扎在大腿上，小腿支撑杆绑扎在小腿上，大腿支撑杆与小腿支撑杆之间铰接有气缸。鞋底内设有气囊，气囊气路通向气缸。左右气囊交替供气，即右脚底气囊经气管控制左腿气缸，左脚底气囊经气管控制右腿气缸。右脚跟着地，左脚跟抬起，此时右脚气囊开始压缩，左脚在蓄能装置的作用下气囊吸气，左腿气缸开始收缩。右脚跟着地的同时，右脚底部蓄能装置受压进行储能。左脚跟着地，右脚跟抬起，此时左脚气囊压缩，右脚在蓄能装置的作用下气囊吸气，右腿气缸开始收缩。左脚跟着地的同时，左脚底部蓄能装置受压进行储能。

再如专利申请号为201710050373.3，申请日为2017-01-23，名称为《用于攀登过程膝关节助力的柔性外骨骼机器人》的发明专利，其技术方案为：用于攀登过程膝关节助力的柔性外骨骼机器人，它涉及一种下肢助力外骨骼机器人，以解决现有下肢助力外骨骼机器人由于构型的刚性化所带来的体积大、重量大、与人体融合性低、灵活性差、能耗较大，且无法针对人体攀登过程膝关节进行柔顺化适应性辅助运动的问题，包括变力矩驱动装置、左腿、右腿和传动组件；左腿和右腿分别包括大腿和小腿；所述变力矩驱动装置包括电机、支撑架和驱动转盘；所述传动组件包括两条绳索、两根鲍登线管和两个鲍登线管固定接头；所述驱动转盘主要由连接为一体的凸轮绞盘分界盘和两个凸轮绞盘组成；所述大腿和所述小腿转动连接。

《一种膝关节助力机构》专利是采用气囊的方式实现对膝关节的助力，但是这种助力结构效率过低，也不适用于日常使用。而《用于攀登过程膝关节助力的柔性外骨骼机器人》的结构较为复杂，在实际应用成本和故障率都较高。

发明内容

本申请针对上述现有应用中存在的不足和问题，提供一种拉索式膝关节助力装置。

为实现上述技术效果，本申请的技术方案如下：

一种拉索式膝关节助力装置，其特征在于：包括膝关节限位装置、上端支撑装置、下端支撑装置、拉索和运动感知识别子系统；膝关节限位装置、上端支撑装置和下端支撑装置之间形成三角形结构，拉索依次穿过上端支撑装置、膝关节限位装置和下端支撑装置；上端支撑装置和下端支撑装置中安装有收紧和放松拉索的执行装置，运动感知识别子系统用于对行走阶段进行识别，并控制执行装置运动。

运动感知识别子系统包括：中央计算控制单元、惯性传感单元、存储单元和通信模块；通信模块用于数据传输；存储单元用于存放惯性传感器获得的数据和程序；中央计算控制单元根据惯性传感器收到的信息，进行行走阶段的识别，将控制指令通过通信模块控制执行装置运动。惯性传感单元包括计算处理单元、惯性传感器和通信单元，惯性传感器用于获得安放部位的加速度和角速度；通信模块用于数据传输；计算处理单元用于控制数据采集和传输。

膝关节限位装置包括膝盖保护板、拉索限位装置和绑缚装置，膝盖保护板贴合膝盖表面；膝盖保护板的外表面为硬质的保护层，凹槽型的膝盖保护板内表面为软质内膜，拉索限位装置位于膝盖保护板上，拉索穿过拉索限位装置；膝盖保护板上设置有用于将其固定在人体膝盖部位的绑缚装置。

进一步地，拉索限位装置设置有用于拉索通过、限制拉索活动轨迹的导向凹槽。

上端支撑装置为主动上端支撑装置或被动上端支撑装置，下端支撑装置为主动下端支撑装置或被动下端支撑装置；上端支撑装置和下端支撑装置任意组合配对，包括如下组合：主动上端支撑装置+主动下端支撑装置、主动上端支撑装置+被动下端支撑装置、被动上端支撑装置+主动下端支撑装置、被动上端支撑装置+被动下端支撑装置。

主动上端支撑装置或主动下端支撑装置包含执行装置和执行机构固定机构。执行装置包括：驱动模块、执行机构、执行机构输出转轮、和编码器，执行机构输出轴带动执行机构输出转轮转动，执行机构输出转轮上设置有用于固定拉索端头的卡槽；编码器用于测量电机输出转轮的旋转角度。执行机构可采用电机、液压机构等。执行机构固定机构用于安装执行装置；

执行机构输出转轮的卡槽内设置有缓冲部件，在执行机构输出转轮的外部设置有防止钢索脱落的盖板。

被动上端支撑装置或被动下端支撑装置包含固定机构、拉索端头轨道和缓冲部件；固定机构用于安装拉索，并通过绑缚装置捆绑固定在小腿部位；固定机构上设置有拉索端头轨道；拉索端头轨道中安装有缓冲部件。

腰带捆绑在腰部横架部分。

下端支撑装置包括有拉索端头盖，所述拉索端头盖上设置有固定槽。

拉索的两端设置有钢索端头，钢索端头上设置有钢索弹簧，拉索的外表面包裹有橡胶管。

拉索端点布局原则：尽量使拉索大腿部分和小腿部分的夹角较小。因此上端可布置在大腿外侧的后部、臀部上方或腰部等位置。下端可布置在小腿内侧的后部、脚后跟等位置。

本申请的一个膝关节限位装置、一个上端支撑装置和一个下端支撑装置构成一组，两组结构之间可通过支撑架结构相连。

一种主动上端支撑装置+被动下端支撑装置的工作流程如下。

一种拉索式膝关节助力装置根据运动感知模块判断膝关节的运动意图，当人体膝关节意图进行伸展时，执行装置收到运动感知模块的信号后，执行机构正方向旋转，带动执行机构输出转轮旋转，缩短上下端支撑装置直接的钢丝，因为钢索的两端均绑缚固定在身体的某个部位，因而钢索将会对膝盖产生压力，帮助膝盖伸展；当人体膝关节意图进行屈曲时，执行装置收到运动感知模块的信号后反方向旋转，带动执行机构输出转轮旋转，放出缠绕的钢索，从上端固定点到下端固定点之间的钢索变长，不会对人体膝关节的屈曲运动造成阻碍。

执行机构正方向旋转对钢索的作用是缠绕还是放出，可以进行不同的定义。

当两端都是主动装置的时候，上下两个执行机构可以共同旋转实现上下端之间钢索的缩短和放长。

当两端都是被动装置的时候，钢索的两端弹簧的初始化位置应该对应膝关节完全伸展状态，当人体膝关节屈曲时，拉动钢索端头在导轨中移动，压缩端头弹簧，当人体膝关节伸展时，弹簧的回复力缩短上下端固定点之间的钢索，从而辅助人体膝关节伸展。

本申请的有益效果为：

1、本申请可通过电机转动来拉动钢索进行收缩，从而产生压膝盖的力来使双腿站直，从而实现助力效果。能够将整体结构进行精简，使其体积和重量更容易穿戴；并且助力效率高。

2、本申请的运动感知模块可用于对行走阶段进行识别，能够很快对运动的趋势进行预判，从而控制驱动装置朝运动趋势的方向驱动相关结构进行动作，提高了助力效果。

附图说明

图1为本申请整体结构示意图。

图2为运动感知识别子系统结构示意图。

图3、图4和图5为膝关节限位装置结构示意图。

图6和图7为主动上端支撑装置或主动下端支撑装置的结构示意图。

图8、图9和图10为被动上端支撑装置或被动下端支撑装置的结构示意图。

图11为拉索结构示意图。

附图中：

100-膝关节限位装置，200-上端支撑装置，300-下端支撑装置，400-拉索，600-运动感知识别子系统。

610-中央计算控制单元，620-惯性传感单元，630-存储单元，640-通信模块。

6201-惯性传感器，6202-计算处理单元，6203-通信单元。

101-膝盖保护板，102-拉索限位装置，103-绑缚装置，104-导向凹槽。

216-执行装置，213-执行机构固定机构，2161-驱动模块，2162-执行机构，2163-执行机构输出转轮，2164-编码器，21634-卡槽。

2210-固定机构，2230-拉索端头盖，2231-拉索端头轨道。

401-钢索端头，402-钢索弹簧，403-橡胶管。

具体实施方式

实施例1

拉索式膝关节助力装置包括膝关节限位装置100、上端支撑装置200、下端支撑装置300和运动感知识别子系统600；膝关节限位装置100、上端支撑装置200和下端支撑装置300之间形成三角形结构，拉索400依次穿过上端支撑装置200、膝关节限位装置100和下端支撑装置300；上端支撑装置200和下端支撑装置300中安装有收紧和放松拉索400的执行装置216，执行装置216包含驱动模块2161、执行机构2162、执行机构输出转轮2163、和编码器2164，。运动感知识别子系统600用于对行走阶段进行识别，并控制执行装置216运动。本申请可通过执行机构2162转动来拉动钢索进行收缩，从而产生压膝盖的力来使双腿站直，从而实现助力效果。能够将整体结构进行精简，使其体积和重量更容易穿戴；并且助力效率高。

实施例2

一种拉索式膝关节助力装置包括膝关节限位装置100、上端支撑装置200、下端支撑装置300和运动感知识别子系统600；膝关节限位装置100、上端支撑装置200和下端支撑装置300之间形成三角形结构，拉索400依次穿过上端支撑装置200、膝关节限位装置100和下端支撑装置300；上端支撑装置200和下端支撑装置300中安装有收紧和放松拉索400的驱动装置216。运动感知模块600用于对行走阶段进行识别，并控制驱动装置216运动。

运动感知识别子系统600包括：计算控制单元610、惯性传感单元620、存储单元630和通信模块640；通信模块640用于数据传输；存储单元630用于存放惯性传感单元获得的数据和程序；惯性传感单元中的惯性传感器可以使用本领域技术人员熟知型号的惯性传感器如MPU6050，惯性传感器6201用于获得安装部位的加速度和角速度；计算控制单元6202根据惯性传感器收到的信息，进行行走阶段的识别，将控制指令通过通信模块6203控制驱动装置216运动。

膝关节限位装置100包括膝盖保护板101、拉索限位装置102和绑缚装置103，膝盖保护板101具有与膝盖外形相似的外形，便于贴合膝盖表面；膝盖保护板101的外表面为硬质的保护层，硬质外壳的具体材料可以为本领域技术人员熟知的材料。凹槽型的膝盖保护板101内表面为软质内膜，贴合人体膝盖，软质内膜可以为海绵、布料等软质材料制成。拉索限位装置102位于膝盖保护板101上，拉索400穿过拉索限位装置102；膝盖保护板101上设置有用于将其固定在人体膝盖部位的绑缚装置103。

进一步地，拉索限位装置102设置有用于拉索400通过、限制拉索400活动轨迹的导向凹槽104。导向凹槽104可以限制拉索400的活动轨迹，使其只能在导向凹槽104的范围和方向上活动，导向凹槽104具有调节方向的功能，导向凹槽104内通过油脂或滑轮减少拉力摩擦。硬质的膝盖板101能将膝盖包含在内，拉索400在膝盖板101外表面的导向凹槽104内上下运动，产生对膝盖的压力，此结构能更好地让力作用在膝盖上。

上端支撑装置200为主动上端支撑装置200或被动上端支撑装置200，下端支撑装置300为主动下端支撑装置300或被动下端支撑装置300；上端支撑装置200和下端支撑装置300任意组合配对，包括如下组合：主动上端支撑装置200+主动下端支撑装置300、主动上端支撑装置200+被动下端支撑装置300、被动上端支撑装置200+主动下端支撑装置300、被动上端支撑装置200+被动下端支撑装置300。

主动上端支撑装置200或主动下端支撑装置300包含执行装置216和执行机构固定机构213。执行装置216包括：驱动模块2161、执行机构2162、执行机构输出转轮2163、和编码器2164。执行机构2162输出轴带动执行机构输出转轮2163转动，执行机构输出转轮2163上设置有用于固定拉索400端头的卡槽21634；编码器2164用于测量执行机构输出转轮2163的旋转角度。编码器2164可采用DS-25-SF-S0等。编码器2164安装在执行机构输出转轮2163外表面，于执行机构输出转轮2163转轮同轴，使用来检测执行机构输出转轮2163转轮的实际旋转角度，用来保证执行机构输出转轮2163转轮旋转不超过最大角度限制。；

执行机构输出转轮2163的卡槽21634可以用来固定拉索400的端头，方便固定钢索的一端；同时卡槽21634内设置有缓冲部件2135，缓冲部件2135可以选择弹簧等现有结构，平滑对拉索400头的冲击。在执行机构输出转轮2163外部设置有防止钢索脱落的盖板。

被动上端支撑装置或被动下端支撑装置包含固定机构2210、拉索端头轨道2231和缓冲部件2135；固定机构2210用于安装拉索400，并通过绑缚装置捆绑固定在身体部位；固定机构2210上设置有拉索端头轨道2231；拉索端头轨道2231中安装有缓冲部件2135，缓冲部件2135可为弹簧等现有结构，在运动过程中，用于平滑拉索400头对固定机构2210的冲击。

被动上端支撑装置或被动下端支撑装置包括有拉索端头盖2230，所述拉索端头盖2230上设置有固定槽21。

腰带捆绑在腰部横架部分。

拉索400的两端设置有钢索端头401，钢索端头401上设置有钢索弹簧402，两端的弹簧可以具有不同的弹性系数，拉索400的外表面包裹有橡胶管403。

拉索400端点布局原则：尽量使拉索400大腿部分和小腿部分的夹角较小。因此上端可布置在大腿外侧的后部、臀部上方或腰部等位置。下端可布置在小腿内侧的后部、脚后跟等位置。

本申请的一个膝关节限位装置100、一个上端支撑装置200和一个下端支撑装置300构成一组，两组结构之间可通过支撑架500结构相连。

一种主动上端支撑装置+被动下端支撑装置的工作流程如下。

一种拉索400式膝关节助力智能装置根据运动感知模块600判断膝关节的运动意图，当人体膝关节意图进行伸展时，执行装置216收到运动感知识别子系统600的信号后正方向旋转，执行机构2162正方向旋转，带动执行机构输出转轮2163旋转，缩短上下端支撑装置之间的钢丝，因为钢索的两端均绑缚固定在身体的某个部位，因而钢索将会对膝盖产生压力，帮助膝盖伸展；当人体膝关节意图进行屈曲时，执行装置216收到运动感知模块600的信号后反方向旋转，带动执行机构输出转轮2163旋转，放出缠绕的钢索，从上端固定点到下端固定点之间的钢索变长，不会对人体膝关节的屈曲运动造成阻碍。

执行机构2162正方向旋转对钢索的作用是缠绕还是放出，可以进行不同的定义。

当两端都是主动装置的时候，上下执行机构2162可以共同旋转实现上下端之间钢索的缩短和放长。

当两端都是被动装置的时候，钢索的两端弹簧的初始化位置应该对应膝关节完全伸展状态，当人体膝关节屈曲时，拉动钢索端头401在导轨中移动，压缩端头弹簧，当人体膝关节伸展时，弹簧的回复力缩短上下端固定点之间的钢索，从而辅助人体膝关节伸展。

本申请可通过执行机构2162转动来拉动钢索进行收缩，从而产生压膝盖的力来使双腿站直，从而实现助力效果。能够将整体结构进行精简，使其体积和重量更容易穿戴；并且助力效率高。本申请的运动感知识别子系统600可用于对行走阶段进行识别，能够很快对运动的趋势进行预判，从而控制驱动装置216朝运动趋势的方向驱动相关结构进行动作，提高了助力效果。

Claims (9)

1.一种拉索式膝关节助力装置，其特征在于：包括膝关节限位装置（100）、上端支撑装置（200）、下端支撑装置（300）、拉索（400）和运动感知识别子系统（600）；膝关节限位装置（100）、上端支撑装置（200）和下端支撑装置（300）之间形成三角形结构；拉索（400）依次穿过上端支撑装置（200）、膝关节限位装置（100）和下端支撑装置（300）；上端支撑装置（200）和下端支撑装置（300）中安装有收紧和放松拉索（400）的执行装置（216），运动感知识别子系统（600）用于对行走阶段进行识别，并控制执行装置（216）运动。

2.根据权利要求1所述的一种拉索式膝关节助力装置，其特征在于：运动感知识别子系统（600）包括：中央计算控制单元（610）、惯性传感单元（620）、存储单元（630）和通信模块（640）；通信模块（640）用于数据传输；存储单元（630）用于存放惯性传感器获得的数据和程序；中央计算控制单元（610）根据从惯性传感单元（620）收到的信息，进行行走阶段的识别，将控制指令通过通信模块控制执行装置（216）运动；惯性传感单元（620）包括计算处理单元（6202）、惯性传感器（6201）和通信单元（6203），惯性传感器（6201）用于获得安放部位的加速度和角速度；通信模块（6203）用于数据传输；计算处理单元（6202）用于控制数据采集和传输。

3.根据权利要求1所述的一种拉索式膝关节助力装置，其特征在于：膝关节限位装置（100）包括膝盖保护板（101）、拉索限位装置（102）和绑缚装置（103），膝盖保护板（101）贴合膝盖表面；膝盖保护板（101）的外表面为硬质的保护层，凹槽型的膝盖保护板（101）内表面为软质内膜，拉索限位装置（102）位于膝盖保护板（101）上，拉索（400）穿过拉索限位装置（102）；膝盖保护板（101）上设置有用于将其固定在人体膝盖部位的绑缚装置（103）。

4.根据权利要求1所述的一种拉索式膝关节助力装置，其特征在于：拉索限位装置（102）设置有用于拉索（400）通过、限制拉索（400）活动轨迹的导向凹槽（104）。

5.根据权利要求1所述的一种拉索式膝关节助力装置，其特征在于：上端支撑装置（200）为主动上端支撑装置或被动上端支撑装置，下端支撑装置（300）为主动下端支撑装置或被动下端支撑装置；主动上端支撑装置，被动上端支撑装置，主动下端支撑装置或被动下端支撑装置任意组合配对，包括如下组合：主动上端支撑装置+主动下端支撑装置、主动上端支撑装置+被动下端支撑装置、被动上端支撑装置+主动下端支撑装置、被动上端支撑装置+被动下端支撑装置。

6.根据权利要求1所述的一种拉索式膝关节助力装置，其特征在于：主动上端支撑装置或主动下端支撑装置包含执行装置（216）和执行机构固定机构（213），执行装置（216）包括：驱动模块（2161）、执行机构（2162）、执行机构输出转轮（2163）和编码器（2164）；执行机构（2162）输出轴带动执行机构输出转轮（2163）转动，执行机构输出转轮（2163）上设置有用于固定拉索（400）端头的卡槽（21634）；编码器（2164）用于测量执行机构输出转轮（2163）的旋转角度；执行机构执行机构（2162）包括但是不限于电机和液压机构；执行机构固定机构（213）用于安装执行装置（216）。

7.根据权利要求1所述的一种拉索式膝关节助力装置，其特征在于：执行机构输出转轮（2163）的卡槽（21634）内设置有缓冲部件，缓冲部件包括但不限于弹簧。

8.根据权利要求1所述的一种拉索式膝关节助力装置，其特征在于：被动上端支撑装置或被动下端支撑装置包含固定机构（2210）和

拉索端头盖（2230）；拉索端头盖（2230）上设置有拉索端头轨道（2231），拉索端头轨道（2231）中安装有缓冲部件，其中缓冲部件（2232）包括但不限于弹簧，在运动过程中，用于平滑拉索头（401）对固定机构（2210）的冲击；固定机构（2210）用于安装拉索（400），并通过绑缚装置（103）捆绑固定在小腿部位、大腿部位或腰部部位；

根据权利要求1所述的一种拉索式膝关节助力装置，其特征在于：拉索（400）的两端设置有钢索端头（401），钢索端头（401）上设置有钢索弹簧（402），拉索（400）的外表面包裹有橡胶管（403）。

9.根据权利要求1所述的一种拉索式膝关节助力装置，其特征在于：主动上端支撑装置+被动下端支撑装置的工作流程如下：根据运动感知识别子系统（600）判断膝关节的运动意图，当人体膝关节意图进行伸展时，执行装置（216）收到运动感知识别子系统（600）的信号后，执行机构（2162）正方向旋转，带动执行机构输出转轮（2163）旋转，缩短上下端支撑装置之间的钢丝，因为钢索的两端均绑缚固定在身体的某个部位，因而钢索将会对膝盖产生压力，帮助膝盖伸展；当人体膝关节意图进行屈曲时，执行装置（216）收到运动感知模块（600）的信号后反方向旋转，带动执行机构输出转轮（2163）旋转，放出缠绕的钢索，从上端固定点到下端固定点之间的钢索变长，不会对人体膝关节的屈曲运动造成阻碍。

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