CN112060057A - 一种基于张拉整体结构的仿生膝关节机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于张拉整体结构的仿生膝关节机构，改变了传统仿生膝关节机构体积大、质量沉，柔度差，控制系统复杂等不足，本发明提供的基于张拉整体结构的仿生膝关节机构兼具灵活性、稳定性，结构制造简单便捷，且张拉整体结构与四杆机构相结合，能够实现仿生膝关节机构的自锁，不需要通过控制实现自锁，可以确保膝关节机器人同时具有仿生学特性和机构学特性，本发明提供的基于张拉整体结构的仿生膝关节机构结构简单，同时，机构的运动过程模拟人类膝关节转动过程中的股骨和胫骨之间滚动和滑动，符合人体膝关节的生物力学特性，有望大力发展，在多领域实现其实际应用价值。

Description

一种基于张拉整体结构的仿生膝关节机构

技术领域

本发明涉及仿生工程技术领域，可应用于机器人、可穿戴等领域，更具体的说是涉及一种基于张拉整体结构的仿生膝关节机构。

背景技术

仿生膝关节机器人具有运动灵活性高和自适应性强等特点，在运动过程中能够实现在非结构环境下的稳定自适应行走。与传统工业机器人、轮式机器人等相比较，仿生膝关节机器人面对不同的环境情况，如野外复杂环境探测、避障、军事辅助等，能够通过调节自身形态结构或关节角度，提高与非结构环境的交互性。

而现有的仿生膝关节机构仅能够实现人体膝关节运动功能，缺少对于部分膝关节的生物结构功能详细的探索，一般采用简单的铰连接设计，仅能简单的在结构方面模仿人膝关节生物学特征，其他生物学特征仍需要通过控制系统等进行进一步完善。虽然仿生膝关节机构在行走方面得到了极大的关注，取得了一定进展，但与人体膝关节结构相比较，仍存在体积大、质量沉，柔度差，控制系统复杂等缺点。

因此，如何研究出一种兼具灵活性、稳定性和能够机械自锁的仿生膝关节机构是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

为此，本发明的目的在于提出一种基于张拉整体结构的仿生膝关节机构，解决现有技术中仿生膝关节机构体积大、质量沉，柔度差，控制系统复杂的问题。

本发明提供的一种基于张拉整体结构的仿生膝关节机构，包括：

大腿支撑杆，大腿支撑杆为两组，并对称连接于第一组轴两端，每一组大腿支撑杆一端内侧均固定有第二齿条；

小腿支撑杆，小腿支撑杆为两组，并对称连接于第二组轴两端，每一组小腿支撑杆一端内侧均固定有第一齿条；

齿轮，每一组第一齿条和第二齿条之间均固定有与其配合的一组齿轮；每一组大腿支撑杆一端和小腿支撑杆一端均呈交叉状布置铰接，且两组大腿支撑杆和小腿支撑杆对称分布，对称运动，模拟股骨和胫骨之间的相对滚动的生物力学特性；

滑动张拉组件，滑动张拉组件与齿轮固定支撑于大腿支撑杆和小腿支撑杆之间，模拟股骨和胫骨之间的相对滑动的生物力学特性；

第一锁定杆及第二锁定杆，第一锁定杆为弯折的短杆，其两端分别铰接于大腿支撑杆和第二锁定杆上；第二锁定杆为弯折的长杆，其弯折方向与第一锁定杆弯折方向相反，其两端分别铰接于第一锁定杆和小腿支撑杆，形成四杆锁定机构。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于张拉整体结构的仿生膝关节机构，改变了传统仿生膝关节机构体积大、质量沉，柔度差，控制系统复杂等不足，本发明提供的基于张拉整体结构的仿生膝关节机构兼具灵活性、稳定性，结构制造简单便捷，且张拉整体结构与四杆机构相结合，能够实现仿生膝关节机构的自锁，不需要通过控制实现自锁，可以确保膝关节机器人同时具有仿生学特性和机构学特性，本发明提供的基于张拉整体结构的仿生膝关节机构结构简单，有望大力发展，在多领域实现其实际应用价值。

进一步地，第一组轴包括：第一转动轴、第二连接轴及第四连接轴，每一个大腿支撑杆上均开设有形成三角形的三个轴孔，第一轴孔靠近第一锁定杆，且用于安装第一转动轴连接第一锁定杆和大腿支撑杆；第二轴孔和第三轴孔分别用于安装第二连接轴和第四连接轴用于将两组大腿支撑杆固定。

进一步地，第二组轴包括：第二转动轴、第一连接轴及第三连接轴；每一个小腿支撑杆上均开设有形成三角形的三个轴孔，第四轴孔靠近第二锁定杆，且用于安装第二转动轴连接第二锁定杆和小腿支撑杆；第五轴孔和第六轴孔分别用于安装第一连接轴和第三连接轴用于将两组小腿支撑杆固定。

进一步地，还包括第三转动轴和限位轴；第三转动轴可转动于大腿支撑杆上，且位于第一转动轴上方，用于铰接第一锁定杆和第二锁定杆；限位轴固定于第一锁定杆后方形成第一锁定杆和第二锁定杆的限位支点。

进一步地，滑动张拉组件包括齿轮轴、齿轮滑块连接块、滑轨组、滑轨支撑板、垂直杆、第一压块和第二压块；齿轮通过齿轮轴支撑于大腿支撑杆和小腿支撑杆之间，垂直杆沿竖直方向布置，且通过第一压块和第二压块分别与第一转动轴和第二转动轴相连；滑轨组与连接于垂直杆上的滑轨支撑板固定；齿轮滑块连接块固定于滑轨组的滑块上，且与齿轮轴连接。

进一步地，还包括两个受压弹簧，两个受压弹簧分别安装在第一压块或第二压块与滑轨支撑板之间，用于模拟膝关节髌韧带。

进一步地，还包括：第一受拉弹簧和第二受拉弹簧；第一受拉弹簧为四个，分别对称连接于第一转动轴和第三连接轴上两端对应的连接孔上，及分别连接于第二转动轴和第二连接轴上两端对应的连接孔上；第二受拉弹簧为两个，分别安装在第一连接轴和第二连接轴上的连接孔、及安装在第三连接轴和第四连接轴上的连接孔上，用于模仿膝关节胫侧副韧带。

进一步地，垂直杆位于第一压块和第二压块之间套接有用于连接膝挡板的膝连接块，滑轨支撑板与膝连接块固定，并保持滑轨组始终与垂直杆垂直。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的一种基于张拉整体结构的仿生膝关节机构屈曲状态的立体示意图；

图2附图为本发明提供的一种基于张拉整体结构的仿生膝关节机构伸展状态的立体示意图；

图3附图为本发明提供的一种基于张拉整体结构的仿生膝关节机构的主视图；

图4附图为本发明提供的一种基于张拉整体结构的仿生膝关节机构的张拉部的局部视图；

图5附图为本发明提供的一种基于张拉整体结构的仿生膝关节机构的左视图。

其中：11-大腿支撑杆；12-第一转动轴；13-第二转动轴；14-小腿支撑杆；15-第一连接轴；16-第二连接轴；17-第一齿条；18-第三连接轴；19-第二齿条；110-第四连接轴；21-齿轮；22-垂直杆；23-第一压块；24-受压弹簧；25-滑轨支撑板；26-滑轨组；27-第二压块；28-齿轮轴；29-齿轮-滑块连接块；210-第一受拉弹簧；211-第二受拉弹簧；31-第三转动轴；32-限位轴；33-第一锁定杆；34-第二锁定杆；4-膝挡板，5-膝连接块。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

参见附图1-5，本发明实施例公开了一种基于张拉整体结构的仿生膝关节机构，包括：大腿支撑杆11，大腿支撑杆11为两组，并对称连接于第一组轴两端，每一组大腿支撑杆11一端内侧均固定有第二齿条19；

小腿支撑杆14，小腿支撑杆14为两组，并对称连接于第二组轴两端，每一组小腿支撑杆14一端内侧均固定有第一齿条17；

齿轮21，每一组第一齿条17和第二齿条19之间均固定有与其配合的一组齿轮21；每一组大腿支撑杆11一端和小腿支撑杆14一端均呈交叉状布置铰接，且两组大腿支撑杆11和小腿支撑杆14对称分布，对称运动，模拟股骨和胫骨之间的相对滚动的生物力学特性；

滑动张拉组件，滑动张拉组件与齿轮21固定支撑于大腿支撑杆11和小腿支撑杆14之间，模拟股骨和胫骨之间的相对滑动的生物力学特性；

第一锁定杆33及第二锁定杆34，第一锁定杆33为弯折的短杆，其两端分别铰接于大腿支撑杆11和第二锁定杆34上；第二锁定杆34为弯折的长杆，其弯折方向与第一锁定杆33弯折方向相反，其两端分别铰接于第一锁定杆33和小腿支撑杆14，形成四杆锁定机构。

有利的是，第一组轴包括：第一转动轴12、第二连接轴16及第四连接轴110，每一个大腿支撑杆11上均开设有形成三角形的三个轴孔，第一轴孔靠近第一锁定杆33，且用于安装第一转动轴12连接第一锁定杆33和大腿支撑杆11；第二轴孔和第三轴孔分别用于安装第二连接轴16和第四连接轴110用于将两组大腿支撑杆11固定。

第二组轴包括：第二转动轴13、第一连接轴15及第三连接轴18；每一个小腿支撑杆14上均开设有形成三角形的三个轴孔，第四轴孔靠近第二锁定杆34，且用于安装第二转动轴13连接第二锁定杆34和小腿支撑杆14；第五轴孔和第六轴孔分别用于安装第一连接轴15和第三连接轴18用于将两组小腿支撑杆14固定。

更有利的是，还包括第三转动轴31和限位轴32；第三转动轴31可转动于大腿支撑杆11上，且位于第一转动轴12上方，用于铰接第一锁定杆33和第二锁定杆34；限位轴32固定于第一锁定杆33后方形成第一锁定杆33和第二锁定杆34的限位支点。

在本发明的实施例中，滑动张拉组件包括齿轮轴28、齿轮滑块连接块29、滑轨组26、滑轨支撑板25、垂直杆22、第一压块23和第二压块27；齿轮21通过齿轮轴28支撑于大腿支撑杆11和小腿支撑杆14之间，垂直杆22沿竖直方向布置，且通过第一压块23和第二压块27分别与第一转动轴12和第二转动轴13相连；滑轨组26与连接于垂直杆22上的滑轨支撑板25固定；齿轮滑块连接块29固定于滑轨组26的滑块上，且与齿轮轴28连接。

参见附图2，还包括两个受压弹簧24，两个受压弹簧24分别安装在第一压块23或第二压块27与滑轨支撑板25之间，用于模拟膝关节髌韧带。

参见附图2，还包括：第一受拉弹簧210和第二受拉弹簧211；第一受拉弹簧210为四个，分别对称连接于第一转动轴12和第三连接轴18上两端对应的连接孔上，及分别连接于第二转动轴13和第二连接轴16上两端对应的连接孔上；第二受拉弹簧211为两个，分别安装在第一连接轴15和第二连接轴16上的连接孔、及安装在第三连接轴18和第四连接轴110上的连接孔上，用于模仿膝关节胫侧副韧带。

有利的是，垂直杆22位于第一压块23和第二压块27之间套接有用于连接膝挡板4的膝连接块5，滑轨支撑板25与膝连接块5固定，并保持滑轨组26始终与垂直杆22垂直。

本发明中垂直杆22始终垂直于滑轨组26，以滑道为中线，大腿支撑杆11和小腿支撑杆14呈对称分布，并保持对称运动，使对称分布的受压弹簧24、第一受拉弹簧210、第二受拉弹簧211受力均匀。

本发明中齿轮轴28上安装有键，分布在对称的齿轮和齿轮滑块连接块上，限制齿轮21和滑块之间的相对转动。

本发明中大腿支撑杆11、小腿支撑杆14、第一锁定杆33、第二锁定杆34形成四杆锁定结构，其中大腿支撑杆11和小腿支撑杆14通过齿轮齿条连接，其他部分均为铰接。

本发明提供的一种基于张拉整体结构的仿生膝关节机构，能够实现膝关节屈曲和伸展的动作过程，并且在仿生膝关节完成伸展动作的同时进行机械自锁。

本发明提供的仿生膝关节机构具有两种工作状态：一种是屈曲状态，一种是伸展状态。在运动过程中，参见附图1的状态转变为附图2的状态，电机带动大腿支撑杆相对于小腿支撑杆顺时针旋转，大腿支撑杆连接的齿条带动齿轮顺时针滚动，模拟股骨和胫骨之间的相对滚动的生物力学特性。同时小腿支撑杆连接的齿条与齿轮啮合运动，使大腿支撑杆和小腿支撑杆保持对称运动，垂直杆上的一对受压弹簧具有相同的被压缩量。齿轮转动的同时，齿轮轴带动其连接的滑块相对于滑道向左滑动，模拟股骨和胫骨之间的相对滑动的生物力学特性。在屈曲状态向伸展状态运动时，锁定四杆运动至锁死点，实现锁定功能，大腿支撑杆和小腿支撑杆对称运动的同时对称分布的两对第一受拉弹簧和一对第二受拉弹簧分别具有相同的拉伸量。

本发明改变了传统仿生膝关节机构体积大、质量沉，柔度差，控制系统复杂等不足，本发明提供的基于张拉整体结构的仿生膝关节机构兼具灵活性、稳定性并且能够机械自锁，可以确保膝关节机器人同时具有仿生学特性和机构学特性，具有重要的学术意义。本发明提供的基于张拉整体结构的仿生膝关节机构结构简单，有望大力发展，在多领域实现其实际应用价值。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种基于张拉整体结构的仿生膝关节机构，其特征在于，包括：

大腿支撑杆(11)，所述大腿支撑杆(11)为两组，并对称连接于第一组轴两端，每一组所述大腿支撑杆(11)一端内侧均固定有第二齿条(19)；

小腿支撑杆(14)，所述小腿支撑杆(14)为两组，并对称连接于第二组轴两端，每一组所述小腿支撑杆(14)一端内侧均固定有第一齿条(17)；

齿轮(21)，每一组所述第一齿条(17)和所述第二齿条(19)之间均固定有与其配合的一组所述齿轮(21)；每一组所述大腿支撑杆(11)一端和所述小腿支撑杆(14)一端均呈交叉状布置铰接，且两组所述大腿支撑杆(11)和所述小腿支撑杆(14)对称分布，对称运动，模拟股骨和胫骨之间的相对滚动的生物力学特性；

滑动张拉组件，所述滑动张拉组件与所述齿轮(21)固定支撑于所述大腿支撑杆(11)和所述小腿支撑杆(14)之间，模拟股骨和胫骨之间的相对滑动的生物力学特性；

第一锁定杆(33)及第二锁定杆(34)，所述第一锁定杆(33)为弯折的短杆，其两端分别铰接于所述大腿支撑杆(11)和所述第二锁定杆(34)上；所述第二锁定杆(34)为弯折的长杆，其弯折方向与所述第一锁定杆(33)弯折方向相反，其两端分别铰接于所述第一锁定杆(33)和所述小腿支撑杆(14)，形成四杆锁定机构。

2.根据权利要求1所述的一种基于张拉整体结构的仿生膝关节机构，其特征在于，所述第一组轴包括：第一转动轴(12)、第二连接轴(16)及第四连接轴(110)，每一个所述大腿支撑杆(11)上均开设有形成三角形的三个轴孔，第一轴孔靠近所述第一锁定杆(33)，且用于安装所述第一转动轴(12)连接所述第一锁定杆(33)和所述大腿支撑杆(11)；第二轴孔和第三轴孔分别用于安装所述第二连接轴(16)和所述第四连接轴(110)用于将两组所述大腿支撑杆(11)固定。

3.根据权利要求2所述的一种基于张拉整体结构的仿生膝关节机构，其特征在于，所述第二组轴包括：第二转动轴(13)、第一连接轴(15)及第三连接轴(18)；每一个所述小腿支撑杆(14)上均开设有形成三角形的三个轴孔，第四轴孔靠近所述第二锁定杆(34)，且用于安装所述第二转动轴(13)连接所述第二锁定杆(34)和所述小腿支撑杆(14)；第五轴孔和第六轴孔分别用于安装所述第一连接轴(15)和所述第三连接轴(18)用于将两组所述小腿支撑杆(14)固定。

4.根据权利要求3所述的一种基于张拉整体结构的仿生膝关节机构，其特征在于，还包括第三转动轴(31)和限位轴(32)；所述第三转动轴(31)可转动于所述大腿支撑杆(11)上，且位于所述第一转动轴(12)上方，用于铰接所述第一锁定杆(33)和第二锁定杆(34)；所述限位轴(32)固定于所述第一锁定杆(33)后方形成所述第一锁定杆(33)和所述第二锁定杆(34)的限位支点。

5.根据权利要求4所述的一种基于张拉整体结构的仿生膝关节机构，其特征在于，滑动张拉组件包括齿轮轴(28)、齿轮滑块连接块(29)、滑轨组(26)、滑轨支撑板(25)、垂直杆(22)、第一压块(23)和第二压块(27)；所述齿轮(21)通过齿轮轴(28)支撑于所述大腿支撑杆(11)和所述小腿支撑杆(14)之间，所述垂直杆(22)沿竖直方向布置，且通过所述第一压块(23)和所述第二压块(27)分别与所述第一转动轴(12)和所述第二转动轴(13)相连；所述滑轨组(26)与连接于所述垂直杆(22)上的所述滑轨支撑板(25)固定；所述齿轮滑块连接块(29)固定于所述滑轨组(26)的滑块上，且与所述齿轮轴(28)连接。

6.根据权利要求5所述的一种基于张拉整体结构的仿生膝关节机构，其特征在于，还包括两个受压弹簧(24)，两个所述受压弹簧(24)分别安装在所述第一压块(23)或所述第二压块(27)与所述滑轨支撑板(25)之间，用于模拟膝关节髌韧带。

7.根据权利要求6所述的一种基于张拉整体结构的仿生膝关节机构，其特征在于，还包括：第一受拉弹簧(210)和第二受拉弹簧(211)；所述第一受拉弹簧(210)为四个，分别对称连接于所述第一转动轴(12)和所述第三连接轴(18)上两端对应的连接孔上，及分别连接于所述第二转动轴(13)和所述第二连接轴(16)上两端对应的连接孔上；所述第二受拉弹簧(211)为两个，分别安装在所述第一连接轴(15)和所述第二连接轴(16)上的连接孔、及安装在所述第三连接轴(18)和所述第四连接轴(110)上的连接孔上，用于模仿膝关节胫侧副韧带。

8.根据权利要求5所述的一种基于张拉整体结构的仿生膝关节机构，其特征在于，所述垂直杆(22)位于所述第一压块(23)和所述第二压块(27)之间套接有用于连接膝挡板(4)的膝连接块(5)，所述滑轨支撑板(25)与所述膝连接块(5)固定，并保持所述滑轨组(26)始终与所述垂直杆(22)垂直。

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