CN111110520B

CN111110520B - 一种带有智能张紧功能的自适应变刚度体外膝关节装置

Info

Publication number: CN111110520B
Application number: CN202010026090.7A
Authority: CN
Inventors: 杨玉维; 赵瀚; 李彬; 马雄; 赵新华; 刘振忠
Original assignee: Tianjin University of Technology
Current assignee: Tianjin University of Technology
Priority date: 2020-01-10
Filing date: 2020-01-10
Publication date: 2021-08-31
Anticipated expiration: 2040-01-10
Also published as: CN111110520A

Abstract

一种带有智能张紧功能的自适应变刚度体外膝关节装置，涉及外骨骼助力机器人领域。包括将大腿调节固定组件通过绑带进行定位固定的腰部固定组件；大腿调节固定组件和小腿调节固定组件之间设有膝关节组件；膝关节组件通过变刚度调节支撑杆结构与小腿调节固定连接。本发明的优点是：本发明能够在步态周期的不同阶段对膝关节外骨骼赋予不同的承载刚度，随着步态而自动张紧的人机物理接触能够实现外骨骼的有效承载功能的同时，使穿戴者受益于穿戴的舒适性，且整体系统具有工作安全可靠、绿色环保、能量‑质量比系数、能量‑体积比系数、最大力矩‑质量比系数与力矩‑体积比系数高等优点，系统轻巧，能够适应穿戴者长久舒适穿戴而不伤害下肢的需求。

Description

一种带有智能张紧功能的自适应变刚度体外膝关节装置

技术领域

本发明专利涉及外骨骼助力机器人领域，具体是一种带有智能张紧功能的变刚度下肢膝关节外骨骼。

背景技术

膝关节（包括股—髌骨关节与股—胫骨关节）是人体内最大、最复杂的关节，同时也是最易损伤的关节之一，是全身发病率最高的关节，膝关节骨关节炎的发病与膝关节的长时间过度受力有很大关系。因此，减小膝关节的运动负载，使之保持在合理的受力范围是除药物治疗以外预防、治疗膝关节骨关节炎的一大重要手段。下肢膝关节外骨骼可以给穿戴的人提供支撑和保护可以有效地减少膝关节的负载，但整体而言，现阶段的下肢外骨骼普遍存在尺寸偏大、不易长久穿戴、易于人体运动接触干涉等问题。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种装备外形小巧、结构紧凑、极高的性价比、工作安全可靠的变刚度下肢膝关节外骨骼，旨在有效缓冲和传递股骨与胫骨间的负荷，进而缓解膝关节内部半月板软骨等的压力。机械支撑系统具有智能张弛功能而不影响系统运动与承载性能，同时实现可舒适长久穿戴。下肢膝关节外骨骼膝关节部分能够在步态周期的不同阶段具有不同的刚度，实现承载功能的同时，又不影响膝关节在摆动相时的灵活性，且整体系统具有工作安全可靠（电控-机械比例得当）、绿色环保、能量-质量比系数、能量-体积比系数、最大力矩-质量比系数与力矩-体积比系数高等优点，系统轻巧，能够适应穿戴者长久舒适穿戴而不伤害下肢的需求。

为实现上述目的，本发明专利提供如下技术方案：

一种带有智能张紧功能的自适应变刚度体外膝关节装置，由包括腰部固定组件、智能张紧物理交互装置、膝关节组件、变刚度调节支撑杆结构、小腿调节固定组件。

所述腰部固定组件主要部分绑束于跨部，用于固定大腿调节固定组件的位置；大腿调节固定组件通过分力环筋与膝关节组件中的股骨块的螺纹连接形成与膝关节组件的固连；所述膝关节组件采用四连杆机构，其中后杆采用气动弹簧；所述变刚度调节支撑杆机构中的转动推杆与膝关节组件中的前杆通过螺钉连接。

所述腰部固定组件由侧腰板、腰部固定带A、腰部固定带B、腰部锁扣、腰腿连接带A、腰腿连接锁扣、腰腿连接带B七部分构成。其中侧腰板左端连接腰部固定带A，右端连接腰部固定带B，下端与腰腿连接带连接；腰腿连接带下端与腰腿连接锁扣连接，腰腿连接锁扣下部与腰腿连接带B上部连接。

所述智能张紧物理交互装置由大腿加强环板A、大腿加强环板B、左副环板、右副环板、连接铰链、上左张紧带、上右张紧带、上张紧带锁扣、自动张紧模块、分力环筋组成，其中自动张紧模块由张紧盒、张紧电机、蜗杆、涡轮、张紧杆、张紧线、控制电路、电池组成。大腿加强环板A下端与连接铰链一端通过螺钉连接，大腿加强环板B与连接铰链另一端通过螺钉连接；大腿加强环板A和大腿加强环板B的左右分别与左副环板和右副环板通过连接铰链连接，其中连接铰链与以上环板均以螺钉连接；张紧盒和左副环板通过螺钉连接；电池与左副环板通过胶水固定；张紧线一端固定并缠绕于张紧杆上，另一端与上左张紧带的右端固定；分力环筋与大腿加强环板B通过焊接固连。

所述膝关节组件由股骨块、前杆、后杆、胫骨块组成，其中前杆的上端和下端分别与股骨块和胫骨块通过螺栓形成转动副；后杆的上端与下端分别与股骨块和胫骨块通过螺栓形成转动副；股骨块与分力环筋通过螺纹连接。

所述变刚度调节支撑杆结构由弹簧托盘、弹簧、转动推杆、刹车块、支撑触发杆组成，其中触发杆由触发内杆上、触发内杆下、内杆、外杆、支撑弹簧、外杆盖组成。其中刹车块与触发内杆上通过螺栓连接；转动推杆与前杆通过螺钉连接。

所述小腿调节固定组件由小腿加强环板、下左张紧带、下右张紧带、下张紧带锁扣下连接块组成，其中下连接块与小腿加强环板通过螺钉连接。

优选地，大腿加强环板A、大腿加强环板B、小腿加强环板内侧均装有不同的数量的柔性均力垫，柔性均力垫通过化学制剂或螺纹连接的方式与加强环板连接，且采用气垫或橡胶块。

优选地，刹车块通过上下移动贴紧或远离弹簧托盘，控制弹簧托盘的旋转与否。

优选地，张紧电机能够带动张紧杆旋转并卷动张紧线从而使上左张紧带张紧或放松。

优选地，所述上左张紧带、上右张紧带、下左张紧带、下右张紧带为尼龙材料；张紧线采用高强度复合材料。

优选地，后杆采用气动弹簧。

本发明的有益效果是：

本发明采用了四连杆机构作为人体膝关节外骨骼膝盖部分运动副，能够比普通转动副更加匹配人体膝关节的运动曲线，使穿戴者膝盖活动更加自如。且本发明能够在步态周期的不同阶段对膝关节外骨骼赋予不同的刚度，随着步态而自动张紧的人机物理接触能够使穿戴者穿戴更加舒适，且整体结构符合轻量化的要求，能够适应穿戴者长期穿戴的需求。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是图1中腰部固定组件的结构示意图；

图3是图1中智能张紧物理交互装置的结构示意图；

图4是活动铰链示意图；其中图4中的a是图4中的b中A的局部放大图；

图5是图3中自动张紧模块局部结构示意图；

图6是图1中膝关节组件以及变刚度调节支撑杆结构分解示意图；

图7是图1中小腿调节固定组件的结构示意图；

图8是图6中支撑触发杆的分解示意图以及局部剖面示意图；

图中：1、腰部固定组件；2、智能张紧物理交互装置；3、膝关节组件；4、变刚度调节支撑杆结构；5、小腿调节固定组件；

1-1、侧腰板；1-2、腰部固定带A；1-3、腰部固定带B；1-4、腰部锁扣；1-5、腰腿连接带A；1-6、腰腿连接锁扣；1-7、腰腿连接带B；2-1、大腿加强环板A；2-2、大腿加强环板B；2-3、左副环板；2-4、右副环板；2-5、连接铰链；2-6、上左张紧带；2-7、上右张紧带；2-8、上张紧带锁扣；2-9、自动张紧模块；2-10、分力环筋；2-9-1、张紧盒；2-9-2、张紧电机；2-9-3、蜗杆；2-9-4、涡轮；2-9-5、张紧杆；2-9-6、张紧线；2-9-7、控制电路；2-9-8、电池；3-1、股骨块；3-2、前杆；3-3、后杆；3-4、胫骨块；4-1、弹簧托盘；4-2、弹簧；4-3、转动推杆；4-4、刹车块；4-5、支撑触发杆；4-5-1、触发内杆上；4-5-2、触发内杆下；4-5-3、内杆；4-5-4、外杆；4-5-6、支撑弹簧；4-5-7、外杆盖；5-1、小腿加强环板；5-2、下左张紧带；5-3、下右张紧带；5-4、下张紧带锁扣；5-5、下连接块。

具体实施方式

下面将结合本发明专利实施例中的附图，对本发明专利实施例当中的技术方案进行清楚、完整地描述，需要说明的是，本说明书所附图中示意的结构、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专利可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明专利所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明专利所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

如图1~2所示，本实施例包括腰部固定组件1、智能张紧物理交互装置2、膝关节组件3、变刚度调节支撑杆结构4、小腿调节固定组件5。腰部固定组件1 中侧腰板1-1、腰部固定带A1-2、腰部固定带B1-3、腰部锁扣1-4围绕在人体腰部，腰腿连接带A1-5、腰腿连接锁扣1-6、腰腿连接带B1-7与智能张紧物理交互装置2连接，腰部固定组件1起到固定智能张紧物理交互装置2的作用，防止其沿大腿纵向下滑。

如图3~5所示，大腿加强环板A2-1下端与连接铰链2-5一端通过螺钉连接，大腿加强环板B2-2与连接铰链2-5另一端通过螺钉连接，由于人体大腿在纵向有径向不均匀的特点，将大腿加强环板分为上下两块并用铰链连接有利于本实施例与穿戴者腿部贴合更加紧密。大腿加强环板A2-1和大腿加强环板B2-2的左右分别与左副环板2-3和右副环板2-4通过连接铰链2-5连接，其中连接铰链与以上环板均以螺钉连接，张紧盒2-9-1和左副环板2-3通过螺钉连接，张紧线2-9-6一端固定并缠绕于张紧杆2-9-5上，一端与上左张紧带2-6的右端通过绑定固定，在穿戴者运动的过程中张紧电机2-9-2可以通过旋转带动蜗杆2-9-3、涡轮2-9-4、张紧杆2-9-5从而使张紧线2-9-6卷绕进行对上左张紧带2-6的拉紧与放松，进而实现自动张紧。分力环筋2-10与大腿加强环板B2-2通过焊接固连，分力环筋2-10可以将膝关节处的负载分散加载到大腿加强环板B2-2上。

如图6~8所示，前杆3-2的上端和下端分别与股骨块3-1和胫骨块3-4通过螺栓形成转动副，后杆3-3的上端与下端分别与股骨块3-1和胫骨块3-4通过螺栓形成转动副，股骨块3-1与分力环筋2-10通过螺纹连接，人体膝关节的转动不能简单地视作一个自由度的转动副，而四连杆机构作为膝关节外骨骼已被证明能够很好地模仿人体膝关节转动时其转动中心的运动轨迹。刹车块4-4与触发内杆上4-5-1通过螺栓连接，转动推杆4-3与前杆3-2通过螺钉连接，小腿加强环板5-1、下左张紧带5-2、下右张紧带5-3、下张紧带锁扣5-4、下连接块5-5将本实施例下端与小腿固定，其中下连接块5-5与小腿加强环板5-1通过螺钉连接。

本实施例主要考虑了以下四个方面：

穿戴位置合理性的保障。如图1、图2、图3所示。通过调整腰部固定组件1补偿下肢个体几何差异，同时防止智能张紧物理交互装置2下移，实现穿戴在有效合理的位置上；

穿戴舒适性的保障。如图5所示，张紧电机2-9-2随着步态变换带动涡轮2-9-4旋转进而带动张紧杆2-9-5旋转，卷绕在张紧杆2-9-5上的张紧线2-9-6带动上左张紧带2-6张紧或放松以实现协同步态变化的智能张弛功能，张紧时增加人体与体外膝关节的接触刚度，实现负载传递，松弛时降低软组织上的压力，提高穿戴的舒适度与穿戴时间；

运动匹配包容性保障。如图6所示，组件中后杆3-3是四连杆的一部分，具有伸缩功能，拓展了四连杆的工作空间，实现对膝关节的包容匹配空间，实现对因个体不同导致的膝关节几何差异与膝关节瞬时旋转中心转动外的轻微移动补偿，从而避免由体外膝关节与膝关节间的非期望交互力的产生；

荷载传递有效性保障。如图4~图6所示，系统采用双重变刚度机制。图6 步态监测与变刚度驱动机构，监测在步态周期的不同阶段对体外膝关节外骨骼承载需求，通过刹车块4-4制动或放松弹簧托盘4-1，通过弹簧4-2自适应调整前杆3-2下端运动副转动刚度，从而赋予四连杆机构根据不同的承载刚度，协同智能张紧物理交互装置2的智能张弛功能，实现步态周期的不同阶段对体外膝关节外骨骼承载与运动灵活性的需求，即系统在“支撑相”时呈现高刚度，在“摆动相”时呈现低刚度，具体实现方案如下：

在摆动相，支撑触发杆4-5不受轴向外力，刹车块4-4不与弹簧托盘4-1接触，此时，弹簧托盘4-1与转动推杆4-3可以自由转动，前杆3-2的转动也不受约束，整个膝关节组件3此时刚度较小，保障膝关节运动的灵活性；在支撑相，支撑触发杆4-5中内杆4-5-3受到轴向压力，压紧支撑弹簧4-5-6使支撑弹簧压缩进而使触发内杆上4-5-1与内杆4-5-3产生相对位移，进而刹车块4-4压紧弹簧托盘4-1，此时转动推杆4-3由于有弹簧4-2的阻挡无法自由活动，而前杆3-2与转动推杆4-3通过螺纹连接，前杆3-2的运动将受到较大阻力，整个膝关节组件3此时刚度较大。在支撑相，触发内杆下4-5-2接触地面并受到轴向压力向上移动并与触发内杆上4-5-1接触并使其产生向上的位移，也可以实现刹车块4-4压紧弹簧托盘4-1从而使得整个膝关节组件3刚度增大，实现系统的承载功能。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种带有智能张紧功能的自适应变刚度体外膝关节装置，其特征在于：由腰部固定组件（1）、智能张紧物理交互装置（2）、膝关节组件（3）、变刚度调节支撑杆结构（4）、小腿调节固定组件（5）五大部分组成；

所述腰部固定组件（1）由侧腰板（1-1）、腰部固定带A（1-2）、腰部固定带B（1-3）、腰部锁扣（1-4）、腰腿连接带A（1-5）、腰腿连接锁扣（1-6）、腰腿连接带B（1-7）七部分构成，其中侧腰板（1-1）左端连接腰部固定带A（1-2），右端连接腰部固定带B（1-3），下端与腰腿连接带A（1-5）连接；腰腿连接带A（1-5）下端与腰腿连接锁扣（1-6）连接，腰腿连接锁扣（1-6）下部与腰腿连接带B（1-7）上部连接，腰腿连接带B（1-7）下部与智能张紧物理交互装置（2）相连接；

所述智能张紧物理交互装置（2）由大腿加强环板A（2-1）、大腿加强环板B（2-2）、左副环板（2-3）、右副环板（2-4）、连接铰链（2-5）、上左张紧带（2-6）、上右张紧带（2-7）、上张紧带锁扣（2-8）、自动张紧模块（2-9）、分力环筋（2-10）组成，其中自动张紧模块（2-9）由张紧盒（2-9-1）、张紧电机（2-9-2）、蜗杆（2-9-3）、涡轮（2-9-4）、张紧杆（2-9-5）、张紧线（2-9-6）、控制电路（2-9-7）、电池（2-9-8）组成，大腿加强环板A（2-1）下端与连接铰链（2-5）一端通过螺钉连接，大腿加强环板B（2-2）与连接铰链（2-5）另一端通过螺钉连接；大腿加强环板A（2-1）和大腿加强环板B（2-2）的左右分别与左副环板（2-3）和右副环板（2-4）通过连接铰链（2-5）连接，其中连接铰链与以上环板均以螺钉连接；张紧盒（2-9-1）和左副环板（2-3）通过螺钉连接；电池（2-9-8）与左副环板（2-3）通过胶水固定；张紧线（2-9-6）一端固定并缠绕于张紧杆（2-9-5）上，另一端与上左张紧带（2-6）的右端固定；分力环筋（2-10）与大腿加强环板B（2-2）通过焊接固连；所述电池（2-9-8）与张紧电机（2-9-2）、控制电路（2-9-7）、电池（2-9-8）均通过信号线连接；其中张紧电机（2-9-2）随着步态变换带动涡轮（2-9-4）旋转进而带动张紧杆（2-9-5）旋转，卷绕在张紧杆（2-9-5）上的张紧线（2-9-6）带动上左张紧带（2-6）张紧或放松以实现协同步态变化的智能张弛功能，张紧时增加人体与自适应变刚度体外膝关节装置的接触刚度，实现负载传递，松弛时降低软组织上的压力，提高穿戴的舒适度与穿戴时间；

所述膝关节组件（3）由股骨块（3-1）、前杆（3-2）、后杆（3-3）、胫骨块（3-4）组成，其中前杆（3-2）的上端和下端分别与股骨块（3-1）和胫骨块（3-4）通过螺栓形成转动副；后杆（3-3）的上端与下端分别与股骨块（3-1）和胫骨块（3-4）通过螺栓形成转动副；股骨块（3-1）与分力环筋（2-10）通过螺纹连接；

所述变刚度调节支撑杆结构（4）由弹簧托盘（4-1）、弹簧（4-2）、转动推杆（4-3）、刹车块（4-4）、支撑触发杆（4-5）组成，其中支撑触发杆（4-5）由触发内杆上（4-5-1）、触发内杆下（4-5-2）、内杆（4-5-3）、外杆（4-5-4）、支撑弹簧（4-5-6）、外杆盖（4-5-7）组成，其中刹车块（4-4）与触发内杆上（4-5-1）通过螺栓连接；转动推杆（4-3）与前杆（3-2）通过螺钉连接；在摆动相，支撑触发杆（4-5）不受轴向外力，刹车块（4-4）不与弹簧托盘（4-1）接触，此时，弹簧托盘（4-1）与转动推杆（4-3）可以自由转动，前杆（3-2）的转动也不受约束，整个膝关节组件（3）此时刚度较小，保障膝关节运动的灵活性；在支撑相，支撑触发杆（4-5）中内杆（4-5-3）受到轴向压力，压紧支撑弹簧（4-5-6）使支撑弹簧压缩进而使触发内杆上（4-5-1）与内杆（4-5-3）产生相对位移，进而刹车块（4-4）压紧弹簧托盘（4-1），此时转动推杆（4-3）由于有弹簧（4-2）的阻挡无法自由活动，而前杆（3-2）与转动推杆（4-3）通过螺纹连接，前杆（3-2）的运动将受到较大阻力，整个膝关节组件（3）此时刚度较大；

所述小腿调节固定组件（5）由小腿加强环板（5-1）、下左张紧带（5-2）、下右张紧带（5-3）、下张紧带锁扣（5-4）、下连接块（5-5）组成，小腿加强环板（5-1）两端分别与下左张紧带（5-2）和下右张紧带（5-3）连接，下左张紧带（5-2）和下右张紧带（5-3）另一端与下张紧带锁扣（5-4）连接，其中下连接块（5-5）与小腿加强环板（5-1）通过螺钉连接。

2.根据权利要求1所述的带有智能张紧功能的自适应变刚度体外膝关节装置，其特征是：大腿加强环板A（2-1）、大腿加强环板B（2-2）、小腿加强环板（5-1）内侧均装有不同的数量的柔性均力垫，柔性均力垫通过化学制剂或螺纹连接的方式与上述各加强环板连接，且采用气垫或橡胶块。

3.根据权利要求1所述的带有智能张紧功能的自适应变刚度体外膝关节装置，其特征是：所述上左张紧带（2-6）、上右张紧带（2-7）、下左张紧带（5-2）、下右张紧带（5-3）由尼龙材料制成；张紧线（2-9-6）采用高强度复合材料。

4.根据权利要求1所述的带有智能张紧功能的自适应变刚度体外膝关节装置，其特征是：后杆（3-3）采用气动弹簧。