CN211333188U - 一种新型人体外骨骼主动膝关节结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种新型人体外骨骼主动膝关节结构，包括大腿连接机构、中间驱动机构、小腿连接机构、限位直杆，所述中间驱动机构位于所述大腿连接机构和所述小腿连接机构之间，所述大腿连接机构和所述小腿连接机构通过所述中间驱动机构相连接，所述限位直杆与中间驱动机构通过滑动副相连接；本实用新型通过连杆结构实现膝关节弯曲动作，可以较好模拟人体膝关节弯曲动作，其小腿连接件运动曲线可较好拟合人体小腿运动空间曲线，本实用新型中膝关节结构直接连接大腿和小腿，主动驱动包含在内，相对于传统纵向布置主动驱动器的方式，本实用新型中的主动驱动器通过横向布置来节省空间、拓宽膝关节转动阈值，且装拆方便，易于实现模块化。

Description

一种新型人体外骨骼主动膝关节结构

技术领域

本发明属于仿生设计技术领域，具体涉及一种新型人体外骨骼主动膝关节结构。

背景技术

外骨骼作为穿戴式智能装备，可以帮助穿戴者负重，增强人体运动能力。但迄今为止，尽管针对外骨骼的研究已取得很大进展，但距离实用还有很多问题要解决。这其中，如何提高主动膝关节工作性能就是亟需解决的一个难题。

对于外骨骼膝关节而言，需要在承受各种状态下人体和负载对下肢所产生的力和力矩、帮助人体承重的同时，还能满足穿戴式装备的人机工效需求，这就要求外骨骼膝关节能在运动过程中尽量贴合人体。而在弯曲状况下，由于人体膝关节运动规律复杂，小腿运动速度瞬心为一空间曲线，这增加了外骨骼膝关节设计的难度。

膝关节作为人体行走重要关节，结构复杂，通过机械手段很难完全还原其运动特性。现有外骨骼通常将膝关节简化为单转轴结构，如申请号CN201910152496.7的中国专利申请公开了一种膝关节外骨骼装置，在装置中通过单转轴关节模拟膝关节运动，可提供稳定单自由度关节转动。这种单转轴结构虽然构造简单、易于实现主动驱动，但人机工效较差，在运动时易与人体偏离，产生与人体运动相反的力与力矩，不但穿戴舒适性差，助力效率还会显著降低，为此，提出一种新型人体外骨骼主动膝关节结构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型人体外骨骼主动膝关节结构，以解决上述背景技术中提出的外骨骼膝关节驱动机构较大，膝关节大小腿联接件装拆复杂，单转轴结构无法良好贴合人体和人机工效差的问题。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种新型人体外骨骼主动膝关节结构，包括大腿连接机构、中间驱动机构、小腿连接机构、限位直杆，所述中间驱动机构位于所述大腿连接机构和所述小腿连接机构之间，所述大腿连接机构和所述小腿连接机构通过所述中间驱动机构相连接，所述限位直杆与中间驱动机构通过滑动副相连接；

所述大腿连接机构包括大腿连接短杆、大腿连接机构一轴、大腿连接件、长杆转动前套筒、长杆滑动套筒、长杆转动后套筒、大腿连接机构二轴和大腿连接长杆；

所述中间驱动机构包括中间连杆端盖、中间连杆第一轴承、中间连杆一轴、中间连杆二轴、中间连杆、中间连杆第二轴承、中间丝杠端盖、驱动螺母、驱动电机、中间齿轮、驱动丝杠和丝杠齿轮；

所述小腿连接机构包括小腿连接短杆、小腿连接机构一轴、小腿连接套筒一、小腿连接套筒二、长杆转动轴、小腿连接件、小腿连接机构轴二和小腿连接机构长轴；

所述限位直杆包括限位长杆、驱动螺母定位套筒、驱动螺母上定位架和驱动螺母下定位架。

优选的，所述大腿连接短杆与所述大腿连接件通过所述大腿连接机构一轴转动连接，所述大腿连接件的两侧开设有两个圆孔，所述长杆转动前套筒和所述长杆转动后套筒通过螺钉分别固定于大腿连接件两侧开设的两个圆孔内，所述大腿连接件的表面中间开设有矩形长槽，所述长杆滑动套筒位于所述大腿连接件的矩形长槽内，所述滑动套筒的两端均固定连接有圆柱形凸起，所述滑动套筒两端的圆柱形凸起分别插入所述长杆转动前套筒和长杆转动后套筒内，所述大腿连接件与所述大腿连接长杆通过大腿连接机构二轴转动连接。

优选的，所述中间连杆端盖与中间连杆通过螺钉固定连接，所述中间连杆的表面开设有上圆形槽孔，所述中间连杆第一轴承安装于中间连杆的上圆形槽孔中，所述丝杠齿轮安装于所述中间连杆第一轴承后侧，所述中间连杆第一轴承通过键与驱动丝杠固定连接，所述驱动电机的前段齿轮安装于所述中间连杆与所述中间连杆第一轴承同侧的槽孔内，所述中间齿轮安装于所述丝杠齿轮和所述驱动电机之间，所述中间连杆的一端开设有两个通孔，所述中间连杆一轴和中间连杆二轴安装于中间连杆一端的两个通孔内，所述中间连杆一轴和所述大腿连接短杆转动连接，所述中间连杆二轴和所述大腿连接长杆转动连接，所述中间连杆一轴和所述小腿连接短杆转动连接，所述中间连杆二轴和所述小腿连接机构长轴转动连接。

优选的，所述小腿连接短杆与所述小腿连接件通过小腿连接机构一轴转动连接，所述小腿连接件的表面中侧开设有两个凹槽，所述长杆转动轴安装于所述小腿连接件的两个凹槽内，所述小腿连接件上开设有中矩形槽，所述小腿连接套筒一和所述小腿连接套筒二均位于所述小腿连接件的中矩形槽内，所述小腿连接套筒一和所述小腿连接套筒二均套设于所述长杆转动轴的外侧壁。

优选的，所述驱动螺母定位套筒、驱动螺母上定位架和驱动螺母下定位架通过螺钉固定连接，所述滑动副由所述限位长杆和所述驱动螺母定位套筒组成，所述驱动螺母上定位架和驱动螺母下定位架均与驱动螺母固定连接，所述限位长杆的上侧与长杆滑动套筒的内壁滑动连接，所述限位长杆和所述长杆滑动套筒组成滑动副，所述限位长杆下侧与所述长杆转动轴转动连接，所述限位长杆和所述长杆转动轴组成转动副。

优选的，所述大腿连接件为C形结构。

优选的，所述小腿连接件为C形结构。

优选的，所述中间连杆为C形结构

本发明的技术效果和优点：本发明提出的一种新型人体外骨骼主动膝关节结构，与现有技术相比，具有以下优点：

一、本发明零部件结构简单，大部分零件可通过高强度、轻质铝合金制作，易于加工、装配，降低整体装置成本，同时可有效减轻装置自重，降低穿戴者负担；

二、本发明通过连杆结构实现膝关节弯曲动作，可以较好模拟人体膝关节弯曲动作，其小腿连接件运动曲线可较好拟合人体小腿运动空间曲线。

三、本发明采用电机-丝杠结构进行驱动，灵巧轻便且便于实现双向驱动，控制精度高。

四、本发明中膝关节结构直接连接大腿和小腿，主动驱动包含在内，相对于传统纵向布置主动驱动器的方式，本发明中的主动驱动器通过横向布置来节省空间、拓宽膝关节转动阈值，且装拆方便，易于实现模块化。

附图说明

图1为本发明人体外骨骼主动膝关节整体结构示意图；

图2为本发明大腿连接机构爆炸图；

图3为本发明中间驱动机构爆炸图；

图4为本发明小腿连接机构爆炸图；

图5为本发明限位直杆结构爆炸图。

图中：1、大腿连接机构；101、大腿连接短杆；102、大腿连接机构一轴；103、大腿连接件；104、长杆转动前套筒；105、长杆滑动套筒；106、长杆转动后套筒；107、大腿连接机构二轴；108、大腿连接长杆；2、中间驱动机构；201中间连杆端盖；202、中间连杆第一轴承；203、中间连杆一轴；204、中间连杆二轴；205、中间连杆；206、中间连杆第二轴承；207、中间丝杠端盖；208、驱动螺母；209、驱动电机；210、中间齿轮；211、驱动丝杠；212、丝杠齿轮；3、小腿连接机构；301、小腿连接短杆；302、小腿连接机构一轴；303、小腿连接套筒一；304、小腿连接套筒二；305、长杆转动轴；306、小腿连接件；307、小腿连接机构轴二；308、小腿连接机构长轴；4、限位直杆；401限位长杆；402、驱动螺母定位套筒； 403、驱动螺母上定位架；404、驱动螺母下定位架。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了如图1-5所示的一种新型人体外骨骼主动膝关节结构，包括大腿连接机构1、中间驱动机构2、小腿连接机构3、限位直杆4，所述中间驱动机构2位于所述大腿连接机构1和所述小腿连接机构3之间，所述大腿连接机构1和所述小腿连接机构3通过所述中间驱动机构2相连接，所述限位直杆4与中间驱动机构2通过滑动副相连接；

所述大腿连接机构1包括大腿连接短杆101、大腿连接机构一轴102、大腿连接件103、长杆转动前套筒104、长杆滑动套筒 105、长杆转动后套筒106、大腿连接机构二轴107和大腿连接长杆 108；

所述中间驱动机构2包括中间连杆端盖201、中间连杆第一轴承202、中间连杆一轴203、中间连杆二轴204、中间连杆205、中间连杆第二轴承206、中间丝杠端盖207、驱动螺母208、驱动电机 209、中间齿轮210、驱动丝杠211和丝杠齿轮212；

所述小腿连接机构3包括小腿连接短杆301、小腿连接机构一轴302、小腿连接套筒一303、小腿连接套筒二304、长杆转动轴 305、小腿连接件306、小腿连接机构轴二307和小腿连接机构长轴 308；

所述限位直杆4包括限位长杆401、驱动螺母定位套筒402、驱动螺母上定位架403和驱动螺母下定位架404。

较佳地，所述大腿连接短杆101与所述大腿连接件103通过所述大腿连接机构一轴102转动连接，所述大腿连接件103的两侧开设有两个圆孔，所述长杆转动前套筒104和所述长杆转动后套筒 106通过螺钉分别固定于大腿连接件103两侧开设的两个圆孔内，所述大腿连接件103的表面中间开设有矩形长槽，所述长杆滑动套筒105位于所述大腿连接件103的矩形长槽内，所述滑动套筒 105的两端均固定连接有圆柱形凸起，所述滑动套筒105两端的圆柱形凸起分别插入所述长杆转动前套筒104和长杆转动后套筒 106内，所述大腿连接件103与所述大腿连接长杆108通过大腿连接机构二轴107转动连接。

通过采用上述技术方案，可以保证自身可以沿两端圆柱轴向旋转，同时，长杆滑动套筒105内配合限位长杆 401，保证限位长杆在长杆滑动套筒内105上下滑动。

较佳地，所述中间连杆端盖201与中间连杆205通过螺钉固定连接，所述中间连杆205的表面开设有上圆形槽孔，所述中间连杆第一轴承202安装于中间连杆205的上圆形槽孔中，所述丝杠齿轮 212安装于所述中间连杆第一轴承202后侧，所述中间连杆第一轴承202通过键与驱动丝杠211固定连接，所述驱动电机209的前段齿轮安装于所述中间连杆205与所述中间连杆第一轴承202同侧的槽孔内，所述中间齿轮210安装于所述丝杠齿轮212和所述驱动电机209之间，所述中间连杆205的一端开设有两个通孔，所述中间连杆一轴203和中间连杆二轴204安装于中间连杆205一端的两个通孔内，所述中间连杆一轴203和所述大腿连接短杆101转动连接，所述中间连杆二轴204和所述大腿连接长杆108转动连接，所述中间连杆一轴203和所述小腿连接短杆301转动连接，所述中间连杆二轴204和所述小腿连接机构长轴308转动连接。

通过采用上述技术方案，驱动电机209将运动通过中间齿轮 210和丝杠齿轮212传递至驱动丝杠211上，通过驱动丝杠211的转动，将旋转运动转化为驱动螺母208的相对横向直线运动。

较佳地，所述小腿连接短杆301与所述小腿连接件306通过小腿连接机构一轴302转动连接，所述小腿连接件306的表面中侧开设有两个凹槽，所述长杆转动轴305安装于所述小腿连接件306的两个凹槽内，所述小腿连接件306上开设有中矩形槽，所述小腿连接套筒一303和所述小腿连接套筒二304均位于所述小腿连接件 306的中矩形槽内，所述小腿连接套筒一303和所述小腿连接套筒二304均套设于所述长杆转动轴305的外侧壁。

较佳地，所述驱动螺母定位套筒 402、驱动螺母上定位架403和驱动螺母下定位架404通过螺钉固定连接，所述滑动副由所述限位长杆401和所述驱动螺母定位套筒 402组成，所述驱动螺母上定位架403和驱动螺母下定位架404均与驱动螺母208固定连接，所述限位长杆401的上侧与长杆滑动套筒105的内壁滑动连接，所述限位长杆401和所述长杆滑动套筒 105组成滑动副，所述限位长杆401下侧与所述长杆转动轴305转动连接，所述限位长杆401和所述长杆转动轴305组成转动副。

通过采用上述技术方案，限位长杆401上侧与长杆滑动套筒 105连接，组成滑动副，下侧与长杆转动轴305相连，组成转动副，从而对结构整体运动进行限制。

较佳地，所述大腿连接件103为C形结构。

通过采用上述技术方案，大腿连接件103两端伸出，形成U型槽，用于安装配合连杆结构，中间位置开设的矩形通槽，用于通过限位长杆401，矩形通槽内的两个通孔，用于配合限制限位长杆 401的运动。

较佳地，所述小腿连接件306为C形结构。

通过采用上述技术方案，小腿连接件306两端伸出，形成U型槽，用于安装配合连杆结构，中间位置开设的矩形通槽，用于通过限位长杆401，矩形通槽内的两个槽孔，用于配合限制限位长杆 401的运动

较佳地，所述中间连杆205为C形结构。

通过采用上述技术方案，中间连杆205两端的孔槽用于安装轴承齿轮等结构，配合安装驱动部分，驱动丝杠211安装后，会与中间连杆间留有缝隙，缝隙大小可以通过限位长杆401，连杆较长边靠近安装电机一侧开设的两个圆型凹槽，用于配合轴安装大腿连接机构和小腿连接机构的连杆，同时开通孔位置设置矩形槽，为配合杆件提供安装空间，并减轻零件质量，使整体配合紧凑。

工作原理：本发明中的结构共同构成有一公共边的两四边形结构，其中，限位长杆401上侧与长杆滑动套筒105连接，组成滑动副，下侧与长杆转动轴305相连，组成转动副，从而对结构整体运动进行限制，上下两四边形结构保持对称运动，使驱动电机209输出稳定转矩时，可得到稳定且单一的运动轨迹。中间驱动部分中的驱动电机209将运动通过中间齿轮210和丝杠齿轮212传递至驱动丝杠211上，通过驱动丝杠211的转动，将旋转运动转化为驱动螺母208的相对横向直线运动，驱动螺母208与驱动螺母上定位架 403和驱动螺母下定位架404固连，从而推动限位长杆401与中间连杆205发生相对运动，进而使结构中的两个四边形发生形变，从而两四边形中公共边，即中间连杆205的对边，即小腿连接件 306和大腿连接件103之间的夹角发生变化，大部分零件可通过高强度、轻质铝合金制作，易于加工、装配，降低整体装置成本，同时可有效减轻装置自重，降低穿戴者负担，通过连杆结构实现膝关节弯曲动作，可以较好模拟人体膝关节弯曲动作，其小腿连接件 306运动曲线可较好拟合人体小腿运动空间曲线，采用电机-丝杠结构进行驱动，灵巧轻便且便于实现双向驱动，控制精度高，本发明中膝关节结构直接连接大腿和小腿，主动驱动包含在内，相对于传统纵向布置主动驱动器的方式，本发明中的主动驱动器通过横向布置来节省空间、拓宽膝关节转动阈值，且装拆方便，易于实现模块化。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种新型人体外骨骼主动膝关节结构，包括大腿连接机构(1)、中间驱动机构(2)、小腿连接机构(3)、限位直杆(4)，其特征在于：所述中间驱动机构(2)位于所述大腿连接机构(1)和所述小腿连接机构(3)之间，所述大腿连接机构(1)和所述小腿连接机构(3)通过所述中间驱动机构(2)相连接，所述限位直杆(4)与中间驱动机构(2)通过滑动副相连接；

所述大腿连接机构(1)包括大腿连接短杆(101)、大腿连接机构一轴(102)、大腿连接件(103)、长杆转动前套筒(104)、长杆滑动套筒(105)、长杆转动后套筒(106)、大腿连接机构二轴(107)和大腿连接长杆(108)；

所述中间驱动机构(2)包括中间连杆端盖(201)、中间连杆第一轴承(202)、中间连杆一轴(203)、中间连杆二轴(204)、中间连杆(205)、中间连杆第二轴承(206)、中间丝杠端盖(207)、驱动螺母(208)、驱动电机(209)、中间齿轮(210)、驱动丝杠(211)和丝杠齿轮(212)；

所述小腿连接机构(3)包括小腿连接短杆(301)、小腿连接机构一轴(302)、小腿连接套筒一(303)、小腿连接套筒二(304)、长杆转动轴(305)、小腿连接件(306)、小腿连接机构轴二(307)和小腿连接机构长轴(308)；

所述限位直杆(4)包括限位长杆(401)、驱动螺母定位套筒(402)、驱动螺母上定位架(403)和驱动螺母下定位架(404)。

2.根据权利要求1所述的一种新型人体外骨骼主动膝关节结构，其特征在于：所述大腿连接短杆(101)与所述大腿连接件(103)通过所述大腿连接机构一轴(102)转动连接，所述大腿连接件(103)的两侧开设有两个圆孔，所述长杆转动前套筒(104)和所述长杆转动后套筒(106)通过螺钉分别固定于大腿连接件(103) 两侧开设的两个圆孔内，所述大腿连接件(103)的表面中间开设有矩形长槽，所述长杆滑动套筒(105)位于所述大腿连接件(103)的矩形长槽内，所述滑动套筒(105)的两端均固定连接有圆柱形凸起，所述滑动套筒(105)两端的圆柱形凸起分别插入所述长杆转动前套筒(104)和长杆转动后套筒(106)内，所述大腿连接件(103)与所述大腿连接长杆(108)通过大腿连接机构二轴(107)转动连接。

3.根据权利要求1所述的一种新型人体外骨骼主动膝关节结构，其特征在于：所述中间连杆端盖(201)与中间连杆(205)通过螺钉固定连接，所述中间连杆(205)的表面开设有上圆形槽孔，所述中间连杆第一轴承(202)安装于中间连杆(205)的上圆形槽孔中，所述丝杠齿轮(212)安装于所述中间连杆第一轴承(202)后侧，所述中间连杆第一轴承(202)通过键与驱动丝杠(211)固定连接，所述驱动电机(209)的前段齿轮安装于所述中间连杆(205)与所述中间连杆第一轴承(202)同侧的槽孔内，所述中间齿轮(210)安装于所述丝杠齿轮(212)和所述驱动电机(209)之间，所述中间连杆(205)的一端开设有两个通孔，所述中间连杆一轴(203)和中间连杆二轴(204)安装于中间连杆(205)一端的两个通孔内，所述中间连杆一轴(203)和所述大腿连接短杆(101)转动连接，所述中间连杆二轴(204)和所述大腿连接长杆(108)转动连接，所述中间连杆一轴(203)和所述小腿连接短杆(301)转动连接，所述中间连杆二轴(204)和所述小腿连接机构长轴(308)转动连接。

4.根据权利要求1所述的一种新型人体外骨骼主动膝关节结构，其特征在于：所述小腿连接短杆(301)与所述小腿连接件(306)通过小腿连接机构一轴(302)转动连接，所述小腿连接件(306)的表面中侧开设有两个凹槽，所述长杆转动轴(305)安装于所述小腿连接件(306)的两个凹槽内，所述小腿连接件(306)上开设有中矩形槽，所述小腿连接套筒一(303)和所述小腿连接套筒二(304)均位于所述小腿连接件(306)的中矩形槽内，所述小腿连接套筒一(303)和所述小腿连接套筒二(304)均套设于所述长杆转动轴(305)的外侧壁。

5.根据权利要求1所述的一种新型人体外骨骼主动膝关节结构，其特征在于：所述驱动螺母定位套筒(402)、驱动螺母上定位架(403)和驱动螺母下定位架(404)通过螺钉固定连接，所述滑动副由所述限位长杆(401)和所述驱动螺母定位套筒(402)组成，所述驱动螺母上定位架(403)和驱动螺母下定位架(404)均与驱动螺母(208)固定连接，所述限位长杆(401)的上侧与长杆滑动套筒(105)的内壁滑动连接，所述限位长杆(401)和所述长杆滑动套筒(105)组成滑动副，所述限位长杆(401)下侧与所述长杆转动轴(305)转动连接，所述限位长杆(401)和所述长杆转动轴(305)组成转动副。

6.根据权利要求1所述的一种新型人体外骨骼主动膝关节结构，其特征在于：所述大腿连接件(103)为C形结构。

7.根据权利要求1所述的一种新型人体外骨骼主动膝关节结构，其特征在于：所述小腿连接件(306)为C形结构。

8.根据权利要求1所述的一种新型人体外骨骼主动膝关节结构，其特征在于：所述中间连杆(205)为C形结构。

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