CN210452802U - 一种基于流体弹簧驱动的仿生膝关节支架 - Google Patents

Abstract

一种基于流体弹簧驱动的仿生膝关节支架，包括膝关节穿戴装置、连接传动装置和流体弹簧装置三部分，连接传动装置将膝关节穿戴装置与流体弹簧装置有效的链接在一起，实现了膝关节的屈曲/伸展运动与流体弹簧装置活塞往复运动之间的传递与转换，通过驱动凸轮与驱动钢丝之间的接触配合，改变驱动钢丝两端固定点的直线距离，将膝关节的屈曲/伸展运动，转换为流体弹簧装置中活塞的直线往复运动，从而驱动活塞压缩流体储能，并将流体膨胀推动活塞的动能传递到膝关节上使得膝关节支架的力学输出曲线更符合人体的运动。

Description

一种基于流体弹簧驱动的仿生膝关节支架

技术领域

本实用新型属于液压装备和康复医疗器械领域，特别涉及一种基于流体弹簧驱动的仿生膝关节支架。

背景技术

传统的膝关节支架(护膝)只具有固定膝关节的作用，通常在膝关节手术和运动损伤后帮助膝关节恢复，防止二次损伤。但是由于其膝关节连接处通常采用简单的铰链结构，只能为膝关节提供简单的固定和支撑的作用，无法有效降低膝关节的载荷以及在运动中为膝关节提供额外的动力。

为了解决上述问题，需要设计一种弹性单元，在膝关节屈曲时存储能量，在膝关节伸展的时候释放能量。传统的弹簧虽然具有良好的压缩储能/回弹释能的特性，但是传统弹簧的体积过大，不便于设计体积小、方便穿戴的膝关节支架，同时缺少阻尼在运动过程中进行缓冲，容易造成膝关节的损伤，因此传统弹簧在膝关节支架上的应用有着较大的局限性。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于流体弹簧驱动的仿生膝关节支架，以解决上述问题。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种基于流体弹簧驱动的仿生膝关节支架，股骨单元、胫骨单元、连接传动装置、驱动钢丝和流体弹簧装置；股骨单元和胫骨单元之间通过两组连接传动装置连接，且两组连接传动装置对称设置，流体弹簧装置设置在股骨单元的侧面，驱动钢丝的一端固定在流体弹簧装置上，另一端固定在连接传动装置上；当股骨单元和胫骨单元相对弯曲时，驱动钢丝张紧且流体弹簧装置压缩，当股骨单元和胫骨单元相对伸直时，驱动钢丝恢复原状且流体弹簧装置伸长；股骨单元能够套在股骨上，胫骨单元能够套在股骨上；

连接传动装置包括上连接块、下连接块、驱动凸轮、上盖板和下盖板；驱动凸轮通过轴设置在下连接块上，上盖板和下盖板位于轴的位置设置有孔，轴的两端分别设置在上盖板和下盖板的孔内；上连接块设置有通孔，上盖板和下盖板相对的面上位于通孔的位置设置有凸起，且凸起插在通孔内；上连接块和下连接块相对的侧边上设置有若干齿，上连接块的齿和下连接块的齿相啮合。

进一步的，上连接块通过螺钉固定在股骨单元的侧面，下连接块通过螺钉固定在胫骨单元的侧面；上连接块和下连接块内部均设置有钢丝通道，下连接块上钢丝通道端部还设置有十字槽；驱动钢丝的一端固定在十字槽内，另一端绕过驱动凸轮后穿过上连接块的钢丝通道连接到流体弹簧装置。

进一步的，下连接块上驱动凸轮的侧面还设置有调节凸轮，调节凸轮通过调节旋钮固定在下连接块上，调节凸轮与驱动凸轮一端接触，用于调节驱动凸轮的初始位置。

进一步的，流体弹簧装置包括缸体、活塞、活塞杆和驱动块；驱动钢丝的另一端固定在驱动块上，两个活塞杆的一端分别垂直固定在驱动块的两端，两个活塞杆的另一端均固定有活塞，有活塞的一端插入缸体的一端，缸体的另一端密封固定在上连接块远离下连接块的一端。

进一步的，驱动块和缸体之间设置有连接板和套筒，套筒通过螺栓与驱动块的中部固定连接，驱动钢丝与套筒中心固定连接；连接板上设置有用于穿过套筒和活塞杆的圆孔，活塞杆和圆孔之间设置有密封套；上连接块上设置有密封螺栓孔，缸体通过固定螺钉与上连接块的密封螺栓孔连接。

进一步的，股骨单元和胫骨单元上均设置有用于固定的绑带。

与现有技术相比，本实用新型有以下技术效果：

传统膝关节支架仅有的固定功效，并无法缓解膝关节在运动中的冲击，更无法为膝关节运动提供额外动力。本实用新型基于液压原理使得流体弹簧装置中缸体、活塞、活塞杆与缸体内流体组成一套完成的液压系统，实现了在运动中膝关节屈曲时对膝关节进行缓冲的效果，降低了膝关节的负荷，对膝关节起到了保护的作用。在膝关节伸展时，受压缩流体膨胀进而推动活塞通过驱动钢丝带动整个膝关节支架运动，为膝关节提供额外的动力，帮助使用者跳的更高、走的更远。

基于液压原理，通过改变活塞界面的空隙大小，可以调节整个液压系统的阻尼系数，从而对系统的缓冲效果进行调节，以符合不同使用者的运动习惯于身体特性。

本实用新型通过驱动钢丝、驱动凸轮和调节凸轮相组合的结构，通过旋转调节凸轮改变驱动凸轮与驱动钢丝之间的接触位置与长度，从而改变驱动钢丝两端的直线距离(驱动块与十字槽之间的直线距离)，进而调整活塞的位置，调节了流体的初始压力，为使用者提供了膝关节支架不同的使用强度。

附图说明

图1是本实用新型的伸展状态结构图；

图2是本实用新型的屈曲状态结构图；

图3是本实用新型中连接传动装置的爆炸图；

图4是本实用新型中连接传动装置的剖视图；

图5是本实用新型中流体弹簧装置的爆炸图；

图6是本实用新型中流体弹簧装置的剖视图。

其中：1、股骨单元；2、胫骨单元；3、连接传动装置；4、流体弹簧装置；5、上盖板；6、下盖板；7、上连接块；8、下连接块；9、驱动凸轮；10、调节凸轮；11、调节旋钮；12、密封螺栓孔；13、固定螺钉；14、缸体；15、活塞；16、活塞杆；17、密封套； 18、连接板；19、套筒；20、驱动块；21、固定螺母；22、流体；21、驱动钢丝；24、十字槽。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型进一步说明：

请参阅图1至图6，一种基于流体弹簧驱动的仿生膝关节支架，股骨单元1、胫骨单元2、连接传动装置3、驱动钢丝23和流体弹簧装置4；股骨单元1和胫骨单元2之间通过两组连接传动装置3连接，且两组连接传动装置3对称设置，流体弹簧装置4设置在股骨单元1的侧面，驱动钢丝23的一端固定在流体弹簧装置4上，另一端固定在连接传动装置3上；当股骨单元1和胫骨单元2相对弯曲时，驱动钢丝23张紧且流体弹簧装置4 压缩，当股骨单元1和胫骨单元2相对伸直时，驱动钢丝23恢复原状且流体弹簧装置4 伸长；股骨单元1能够套在股骨上，胫骨单元2能够套在股骨上；

连接传动装置3包括上连接块7、下连接块8、驱动凸轮9、上盖板5和下盖板6；驱动凸轮9通过轴设置在下连接块8上，上盖板5和下盖板6位于轴的位置设置有孔，轴的两端分别设置在上盖板5和下盖板6的孔内；上连接块7设置有通孔，上盖板5和下盖板 6相对的面上位于通孔的位置设置有凸起，且凸起插在通孔内；上连接块7和下连接块8 相对的侧边上设置有若干齿，上连接块7的齿和下连接块8的齿相啮合。

上连接块7通过螺钉固定在股骨单元1的侧面，下连接块8通过螺钉固定在胫骨单元 2的侧面；上连接块7和下连接块8内部均设置有钢丝通道，下连接块8上钢丝通道端部还设置有十字槽24；驱动钢丝23的一端固定在十字槽24内，另一端绕过驱动凸轮9后穿过上连接块7的钢丝通道连接到流体弹簧装置4。

下连接块8上驱动凸轮9的侧面还设置有调节凸轮10，调节凸轮10通过调节旋钮11固定在下连接块8上，调节凸轮10与驱动凸轮9一端接触，用于调节驱动凸轮9的初始位置。

流体弹簧装置4包括缸体14、活塞15、活塞杆16和驱动块20；驱动钢丝23的另一端固定在驱动块20上，两个活塞杆16的一端分别垂直固定在驱动块20的两端，两个活塞杆16的另一端均固定有活塞15，有活塞15的一端插入缸体14的一端，缸体14的另一端密封固定在上连接块7远离下连接块8的一端。

驱动块20和缸体之间设置有连接板18和套筒19，套筒19通过螺栓与驱动块20的中部固定连接，驱动钢丝23与套筒19中心固定连接；连接板18上设置有用于穿过套筒 19和活塞杆16的圆孔，活塞杆16和圆孔之间设置有密封套17；上连接块7上设置有密封螺栓孔，缸体14通过固定螺钉13与上连接块7的密封螺栓孔连接。

股骨单元1和胫骨单元2上均设置有用于固定的绑带。

参照图1和图2，一种基于流体弹簧驱动的仿生膝关节支架，包括膝关节穿戴装置(1/2)、连接传动装置3和流体弹簧装置4三部分。流体弹簧装置4用于在膝关节屈曲时 (图2)通过活塞压缩缸14内流体22进行储能，在膝关节伸展时(图1)被压缩流体22 膨胀释放能量，推动活塞15产生反作用力，降低膝关节载荷并为膝关节提供额外动力。连接传动装置3主要通过上/下连接块(7/8)上的齿轮面相配合以及驱动钢丝23的链接，使整个装置与膝关节同步进行屈曲/伸展运动并传递动力。膝关节穿戴装置(1/2)主要用于将整个装置固定在人体下肢上，其中股骨单元1用于装置在膝关节上方肢体的固定，胫骨单元2用于膝关节下方肢体的固定。

工作原理：膝关节屈曲时(储能阶段)人体下肢的运动带动膝关节穿戴装置中的胫骨单元2和股骨单元1屈曲运动，从而带动连接传动装置3与膝关节同步转动。驱动钢丝 23一端固定在下连接块的十字槽内24，一端固定在与驱动块20相接的连接套筒19上。当连接传动装置3屈曲时，驱动钢丝23在驱动凸轮9的作用下张紧，驱动钢丝23两端连接点直线距离缩短，将流体弹簧装置4中的连接套筒19向膝关节方向牵拉。由于连接套筒19通过固定螺母21与驱动块20相连，而驱动块20与活塞杆16通过螺纹相连，因此驱动块20在驱动钢丝23的带动下，带动活塞15压缩密闭缸体内的流体22，从而将膝关节运动的动能转化为流体被压缩的势能进行存储；当膝关节伸展时(释能阶段)时，股骨单元1和胫骨单元2由屈曲状态复位(图1至图2状态)，驱动钢丝23在驱动凸轮9的带动下松弛，此时流体弹簧装置4缸体内受到压缩的流体22将储存的势能释放为动能，推动活塞15并带动驱动块20往压缩的反方向运动，从而拉动驱动钢丝23使得驱动钢丝23 两端连接点直线距离恢复原状，将释放出来的动能通过连接驱动装置2传到至胫骨单元2，进一步带动膝关节伸展，为膝关节伸展提供额外的支撑和动力。

参照图3，连接驱动装置3包括上连接块7、下连接块8、上盖板5、下盖板6、驱动凸轮9、调节凸轮10、调节旋钮11，密封螺纹孔12和十字槽24。上连接块7通过两颗螺钉固定在股骨单元1的侧板上，使得上连接块7与大腿同步运动，同时通过两个密封螺纹孔12与流体弹簧单元4的缸体14相接连，将连接传动装置3与流体弹簧装置4连接在一起。下连接块8通过一块垫板和两个螺钉固定在胫骨单元2的侧板上，使得下连接块8 与小腿同步运动。上/下连接块(7/8)通过其齿面配合进行与膝关节的同步运动，同时连接块的孔分别同轴固定在上/下盖板(5/6)内侧的凸台上，起到滑动轴承的作用。驱动凸轮9通过轴固定在下连接块8的孔上，其作用主要是在屈曲/伸展运动时，改变驱动钢丝 23两端连接点之间的直线长度，屈曲时带动流体弹簧装置4压缩，伸展时将流体弹簧装置4释放的运动传递至膝关节。驱动钢丝23通过上连接块7的孔，经过驱动凸轮9固定在下连接块8的十字槽24上，主要用于连接驱动装置3和流体弹簧装置4之间运动的传递。具体工作方式如图4：驱动凸轮9固定在下连接块8上，在屈曲/伸展时，驱动凸轮9 与驱动钢丝23接触，通过两者之间的接触曲线，在膝关节屈曲的时候张紧驱动钢丝23，并使驱动钢丝23两端连接点直线距离缩短，从而拉动流体弹簧单元4储能；伸展的时候松弛驱动钢丝23，驱动钢丝23两端连接点直线距离恢复原状，将流体弹簧单元4提供的运动传递至连接驱动装置3，最终为膝关节伸展提供额外的支撑和动力。调节凸轮10固定在下连接板上与驱动凸轮9的凹曲面相接触。通过旋转调节凸轮10改变在驱动凸轮9 上的接触点，从而改变驱动凸轮9的初始位置，可以调节驱动钢丝23的初始张紧程度，从而调节流体弹簧装置4的储能/释能的大小。调节旋钮11固定在调节凸轮10的旋转轴上，更为方便的改变调节凸轮10的位置。

参照图5，流体弹簧装置4包括活塞15、活塞杆16、缸体14、密封单元17、固定螺钉13、连接板18、驱动块20、驱动钢丝23、固定螺母21和连接套筒19。驱动钢丝23 通过捆绑的方式与连接套筒19相固定，连接套筒19通过固定螺母21与驱动块20相连接，活塞杆16一端通过螺纹连接在驱动块20上，另一端与活塞15相连接。活塞15与活塞杆 16置于缸体14中，密封单元17通过螺纹连接安装在缸体14末端，从而形成一个封闭空间来储存流体。缸体14一端通过螺纹固定在上连接块7上端，中间安装固定螺钉13以提高配合的轴向稳定性，另一端与连接板18相固定，连接板18的两个孔具有较高的对称度，从而保证两个缸体14的位置对称。具体工作方式如图6：膝关节屈曲时驱动钢丝23通过连接套筒19拉动驱动块20向连接传动装置3的方向运动，驱动块20通过活塞杆16带动活塞15压缩缸体14内的流体，将膝关节的动能转变为流体受到压缩后的势能并存储，同时由于活塞15为齿轮形状，每个齿之间的空间为其提供了一定的阻尼，从而使得膝关节在屈曲储能时的到了一定的缓冲；当膝关节伸展时，缸体14内受压缩的流体膨胀释放能量，推动活塞15并通过活塞杆16带动驱动块20向连接传动装置3的反方向运动，从而拉动驱动钢丝23将受压缩流体的势能转化为动能，并将动能最终传递到膝关节，为膝关节伸展提供额外的支撑和动力。

本实用新型中所有部件可采用不同的制造方式进行生产，包括但不限于增材制造(3D打印)、数控机床加工、铸造、冲压成型等。

Claims (6)

1.一种基于流体弹簧驱动的仿生膝关节支架，其特征在于，股骨单元(1)、胫骨单元(2)、连接传动装置(3)、驱动钢丝(23)和流体弹簧装置(4)；股骨单元(1)和胫骨单元(2)之间通过两组连接传动装置(3)连接，且两组连接传动装置(3)对称设置，流体弹簧装置(4)设置在股骨单元(1)的侧面，驱动钢丝(23)的一端固定在流体弹簧装置(4)上，另一端固定在连接传动装置(3)上；当股骨单元(1)和胫骨单元(2)相对弯曲时，驱动钢丝(23)张紧且流体弹簧装置(4)压缩，当股骨单元(1)和胫骨单元(2)相对伸直时，驱动钢丝(23)恢复原状且流体弹簧装置(4)伸长；股骨单元(1)能够套在股骨上，胫骨单元(2)能够套在股骨上；

连接传动装置(3)包括上连接块(7)、下连接块(8)、驱动凸轮(9)、上盖板(5)和下盖板(6)；驱动凸轮(9)通过轴设置在下连接块(8)上，上盖板(5)和下盖板(6)位于轴的位置设置有孔，轴的两端分别设置在上盖板(5)和下盖板(6)的孔内；上连接块(7)设置有通孔，上盖板(5)和下盖板(6)相对的面上位于通孔的位置设置有凸起，且凸起插在通孔内；上连接块(7)和下连接块(8)相对的侧边上设置有若干齿，上连接块(7)的齿和下连接块(8)的齿相啮合。

2.根据权利要求1所述的一种基于流体弹簧驱动的仿生膝关节支架，其特征在于，上连接块(7)通过螺钉固定在股骨单元(1)的侧面，下连接块(8)通过螺钉固定在胫骨单元(2)的侧面；上连接块(7)和下连接块(8)内部均设置有钢丝通道，下连接块(8)上钢丝通道端部还设置有十字槽(24)；驱动钢丝(23)的一端固定在十字槽(24)内，另一端绕过驱动凸轮(9)后穿过上连接块(7)的钢丝通道连接到流体弹簧装置(4)。

3.根据权利要求1所述的一种基于流体弹簧驱动的仿生膝关节支架，其特征在于，下连接块(8)上驱动凸轮(9)的侧面还设置有调节凸轮(10)，调节凸轮(10)通过调节旋钮(11)固定在下连接块(8)上，调节凸轮(10)与驱动凸轮(9)一端接触，用于调节驱动凸轮(9)的初始位置。

4.根据权利要求1所述的一种基于流体弹簧驱动的仿生膝关节支架，其特征在于，流体弹簧装置(4)包括缸体(14)、活塞(15)、活塞杆(16)和驱动块(20)；驱动钢丝(23)的另一端固定在驱动块(20)上，两个活塞杆(16)的一端分别垂直固定在驱动块(20)的两端，两个活塞杆(16)的另一端均固定有活塞(15)，有活塞(15)的一端插入缸体(14)的一端，缸体(14)的另一端密封固定在上连接块(7)远离下连接块(8)的一端。

5.根据权利要求4所述的一种基于流体弹簧驱动的仿生膝关节支架，其特征在于，驱动块(20)和缸体之间设置有连接板(18)和套筒(19)，套筒(19)通过螺栓与驱动块(20)的中部固定连接，驱动钢丝(23)与套筒(19)中心固定连接；连接板(18)上设置有用于穿过套筒(19)和活塞杆(16)的圆孔，活塞杆(16)和圆孔之间设置有密封套(17)；上连接块(7)上设置有密封螺栓孔，缸体(14)通过固定螺钉(13)与上连接块(7)的密封螺栓孔连接。

6.根据权利要求1所述的一种基于流体弹簧驱动的仿生膝关节支架，其特征在于，股骨单元(1)和胫骨单元(2)上均设置有用于固定的绑带。

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