CN114558292A - 一种膝关节运动助力装置 - Google Patents

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CN114558292A CN202210203080.5A CN202210203080A CN114558292A CN 114558292 A CN114558292 A CN 114558292A CN 202210203080 A CN202210203080 A CN 202210203080A CN 114558292 A CN114558292 A CN 114558292A
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sleeve
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闫磊
贺攀
张腾
郭丽莎
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Beijing Forestry University
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Beijing Forestry University
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    • A63B23/00—Exercising apparatus specially adapted for particular parts of the body
    • A63B23/035—Exercising apparatus specially adapted for particular parts of the body for limbs, i.e. upper or lower limbs, e.g. simultaneously
    • A63B23/04—Exercising apparatus specially adapted for particular parts of the body for limbs, i.e. upper or lower limbs, e.g. simultaneously for lower limbs
    • A63B23/0494—Exercising apparatus specially adapted for particular parts of the body for limbs, i.e. upper or lower limbs, e.g. simultaneously for lower limbs primarily by articulating the knee joints
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Abstract

本发明公开了一种关于膝关节助力的机械装置设计方案，它的主要组成部分是固定大腿的大腿前套、大腿后套，固定小腿的小腿前套、小腿后套，压杆，弹簧、弹簧盒等。使用者运动时，大小腿夹角变化，大腿后套转动，实现与小腿夹角的改变。大腿后套的转动随之带动了压杆绕大腿后套连接件的转动，压杆顶端压缩弹簧，储存使用者运动时减少的重力势能。当压缩弹簧发生回位时，压杆被顶起，之后带动大腿后套的转动，帮助使用者回到直立姿态。同时装置还可以起到人工作中对负载的缓冲作用。这个助力关节结构简洁易于维修和安装，使用过程中动作流畅，储存动能效率较高，阻尼对机械能的损耗较少，可以单独使用进行运动助力，提高人在工作中的效率。

Description

一种膝关节运动助力装置
技术领域
本发明主要提及一种以曲柄滑块机构为原形的膝关节助力装置，适用范围是医疗康复、老年群体助力、高强度劳动人群，可以对使用者提供运动及工作过程中的助力。
背景技术
人在行走当中，人的重心处在一个上下波动的状态，重心往下时，人的重力势能会减小，这部分能量的减小是不可避免的，而人重心往上的时候，需要消耗人的机体能量，如果将人重心下降的重力势能损耗收集起来用于人的重心向上，便能达到一个助力的效果，从而可以增加人的负重量，提高人的工作效率，且如果人在工作过程中负载比较大，且运动的幅度也比较大的情况下，这时也需要对负载有一个可以缓冲的装置进行工作辅助，对于行走有障碍的人群，如果有一个装置可以辅助其运动，也可以极大地提高其行动效率。人体膝关节由股骨下段、胫骨上段、髌骨以及关节韧带、肌腱和关节囊等结构组成，在人类站立和行走过程中发挥重要的支撑连接作用。膝关节是人体滑膜最多，关节面最大和结构最复杂的关节，由于膝关节滑膜广泛并位于肢体较表浅部位，故遭受损伤和感染的机会较多，由于膝关节负重大，运动多，容易受到损伤。因此膝关节助力装置的设计在实际应用过程中有着很大的意义。
目前常见的膝关节助力装置中，主要使用钢丝拉线传动式，传动稳定性与结构的强度略低。我们设计的曲柄滑块式膝关节助力提高了传动的稳定性和准确性以及结构的强度，并且有效地储存了人行走过程中减少的重力势能，为人的运动提供了更多助力。
目前市面上可见成熟的的膝关节助力装置有两种，其中一种是阻尼式，膝盖动作后压缩气缸，这个装置仅能起到耗散冲击动能的作用而不能实现储存动能，另一种常见的膝关节助力，通过金属细线来连接，其转动部分直接绑紧在小腿上，膝盖部位弯曲时金属线拉伸，带动弹簧被拉长储存人行走过程中减少的重力势能，其传动稳定性较差，压缩弹簧时缓冲效果差，并且结构强度比较低容易破坏。
发明内容
本产品的开发目的是为了克服现有技术的不足，提供一种传动更加稳定、结构强度更高、具有储存能量作用的膝关节助力装置，极大方便了使用者行走或蹲起动作时对膝关节的保护与助力。本发明公开了一种膝关节运动助力装置的设计方案，它的主要组成部分包括：固定大腿的大腿前套、大腿后套，固定小腿的小腿前套、小腿后套，发挥连接与传动作用的大小腿摆杆、压杆及弹簧、弹簧盒等。使用过程分为两个部分：(1)使用者重心下降：当使用者重心下降导致大小腿夹角变化时，大腿后套以摆杆连接销为中心转动，实现与小腿夹角的改变。大腿后套的转动随之带动了压杆绕大腿后套连接件的转动，压杆顶端进而压缩弹簧，储存人体下蹲等动作时减少的重力势能等。(2)使用者重心上升：使用者重心上升的时候，被压缩的弹簧发生回位动作，压杆被顶起。压杆顶起之后带动大腿后套的转动，进而给使用者一个推力，帮助其在运动中重心上升。
附图说明
图1为膝关节运动助力装置装配示意图；
图2为膝关节运动助力装置弹簧结构示意图；
图3为膝关节运动助力装置大腿前后套示意图；
图4为膝关节运动助力装置小腿前后套示意图。
具体实施方式
1.一种膝关节运动助力装置主要包括(2)压杆连件(3)摆杆连接销(4)小腿后套(5) 弹簧盒体(6)压杆(7)弹簧滑杆(8)弹簧(9)大小腿摆杆(10)粘扣带环(11)小腿前套(12)大腿前套(13)大腿后套，具体实施过程为：
a.装置蓄能过程：使用者重心下降→大小腿之间夹角从180°开始减小→(13)大腿后套与(4)小腿后套发生相对旋转→(13)大腿后套通过(2)压杆连件带动(6)压杆绕(7) 弹簧滑杆进行旋转→(6)压杆通过(7)弹簧滑杆对(8)弹簧进行压缩→弹簧压缩对使用者不可避免减少的重力势能进行储存
b.装置放能助力过程：(8)弹簧开始做回复运动→弹簧产生推力，通过(7)弹簧滑杆对(6) 压杆产生推力→(6)压杆进一步通过(2)压杆连件将推力作用于(13)大腿后套→(13) 大腿后套作用于使用者的大腿，将推力进行传递，助力使用者重心上升过程
c.装置穿戴过程：(11)小腿前套与(4)小腿后套，(12)大腿前套与(13)大腿后套之间通过(10)粘扣带环用粘扣进行固连，(11)小腿前套与(4)小腿后套，(12)大腿前套与(13)大腿后套之间有相互嵌入的凸缘与凹槽以达到在适应不同人的腿型的目的。
2.根据权利要求1本膝关节运动助力装置的特征为在使用者大腿与小腿之间使用了曲柄滑块连杆机构对能量的转化进行传递。
3.根据权利要求1本膝关节运动助力装置的能量特征为利用了压缩弹簧的缩短对能量进行储存，通过压缩弹簧的伸长对能量进行释放。
4.根据权利要求1本膝关节运动助力装置的穿戴固定方式为粘扣连接，且小腿前后套与大腿前后套之间通过凸缘与凹槽进行嵌合，以适应不同使用者的腿型。

Claims (4)

1.一种膝关节运动助力装置主要包括(2)压杆连件(3)摆杆连接销(4)小腿后套(5)弹簧盒体(6)压杆(7)弹簧滑杆(8)弹簧(9)大小腿摆杆(10)粘扣带环(11)小腿前套(12)大腿前套(13)大腿后套，具体实施过程为：
装置穿戴过程：(11)小腿前套与(4)小腿后套，(12)大腿前套与(13)大腿后套之间通过(10)粘扣带环用粘扣进行固连，(11)小腿前套与(4)小腿后套，(12)大腿前套与(13)大腿后套之间有相互嵌入的凸缘与凹槽以达到在固连过程中适应不同人的腿型，装置蓄能过程：使用者重心下降→大小腿之间夹角从180°开始减小→(13)大腿后套与(4)小腿后套发生相对旋转→(13)大腿后套通过(2)压杆连件带动(6)压杆绕(7)弹簧滑杆进行旋转→(6)压杆通过(7)弹簧滑杆对(8)弹簧进行压缩→弹簧压缩对使用者不可避免减少的重力势能进行储存装置放能助力过程：(8)弹簧开始做回复运动→弹簧产生推力，通过(7)弹簧滑杆对(6)压杆产生推力→(6)压杆进一步通过(2)压杆连件将推力作用于(13)大腿后套→(13)大腿后套作用于使用者的大腿，将推力进行传递，助力使用者重心上升过程。
2.根据权利要求1本膝关节运动助力装置的特征为在使用者大腿与小腿之间使用了曲柄滑块连杆机构对能量的转化进行传递。
3.根据权利要求1本膝关节运动助力装置的能量特征为利用了压缩弹簧的缩短对能量进行储存，通过压缩弹簧的伸长对能量进行释放。
4.根据权利要求1本膝关节运动助力装置的穿戴固定方式为粘扣连接，且小腿前后套与大腿前后套之间通过凸缘与凹槽进行嵌合，以适应不同使用者的腿型。
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