CN212352009U - 一种被动膝关节外骨骼 - Google Patents
一种被动膝关节外骨骼 Download PDFInfo
- Publication number
- CN212352009U CN212352009U CN202020830844.XU CN202020830844U CN212352009U CN 212352009 U CN212352009 U CN 212352009U CN 202020830844 U CN202020830844 U CN 202020830844U CN 212352009 U CN212352009 U CN 212352009U
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- thigh
- knee joint
- rod
- shank
- cam
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 210000000629 knee joint Anatomy 0.000 title claims abstract description 36
- 210000000689 upper leg Anatomy 0.000 claims abstract description 51
- 210000000544 articulatio talocruralis Anatomy 0.000 claims abstract description 13
- 210000003127 knee Anatomy 0.000 claims description 11
- 210000002683 foot Anatomy 0.000 claims description 3
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 abstract description 9
- 230000008901 benefit Effects 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 4
- 210000002414 leg Anatomy 0.000 description 4
- 230000009471 action Effects 0.000 description 3
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 2
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 206010061225 Limb injury Diseases 0.000 description 1
- 206010049565 Muscle fatigue Diseases 0.000 description 1
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 1
- 206010003246 arthritis Diseases 0.000 description 1
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 201000010099 disease Diseases 0.000 description 1
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 210000003141 lower extremity Anatomy 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Rehabilitation Tools (AREA)
- Prostheses (AREA)
Abstract
本发明公开了一种被动膝关节外骨骼，包括膝关节组件、踝关节组件和穿戴于腰间的腰带，所述膝关节组件与踝关节组件通过转轴相连接，所述腰带上设有两个吊带，两个所述吊带分别与两个对称的大腿杆的上端设有的吊带槽相固定连接，所述膝关节组件包括大腿凸轮、大腿杆和小腿杆，所述大腿杆的下端、大腿凸轮的圆心处和小腿杆的上端均设有大小相同的通孔，依次通过膝关节转轴活动连接实现一定弧度内的旋转运动，所述大腿凸轮的环形边缘设有限位槽。本发明具有外骨骼的助力可以通过机构综合和优化，模拟出人体膝关节的生物力学特性，实现最佳助力效果，以主动辅助变为被动支撑，更加具有舒适感。
Description
技术领域
本实用新型属于外骨骼机器人领域，具体涉及到一种被动膝关节外骨骼。
背景技术
膝关节外骨骼具有增强正常人运动时的负载能力、防止肌肉疲劳等方面的作用，也可以辅助下肢受损人群的正常行走，防止膝关节炎等疾病的恶化。尽管已有很多不同的膝关节外骨骼被开发出来，但是上述的根本目标仍没有被很好地实现，阻碍了膝关节外骨骼的产业化。现有的膝关节外骨骼按照能量来源可以分为主动和被动式两类。
主动外骨骼的研发涉及能源、驱动、传感、机构设计、控制算法等方面，这类外骨骼的优点是可以通过改变控制律让外骨骼生成任意形式的辅助力矩，但是也具有很多缺陷，包含成本高，重量大，使用时间短，受限于电池技术。
人体膝关节在行走和下蹲过程中体现出分段线性变刚度的特性，目前仍没有被动膝关节外骨骼能实现这种特性。特别地，现有的设计无法做到在重力支撑状态下提供变刚度助力，而对摆腿状态没有任何阻碍。故，需要一种新的技术方案以解决上述问题。
实用新型内容
本实用新型的目的在于针对现有技术存在的不足，提供符合人工力学与人体行为习惯更加贴合的外骨骼辅助装置。
为达到上述目的，本实用新型采用了下列技术方案：
一种被动膝关节外骨骼，包括膝关节组件、踝关节组件和穿戴于腰间的腰带，所述膝关节组件与踝关节组件通过转轴相连接，所述腰带上设有两个吊带，两个所述吊带分别与两个对称的大腿杆的上端设有的吊带槽相固定连接，
所述膝关节组件包括大腿凸轮、大腿杆和小腿杆，所述大腿杆的下端、大腿凸轮的圆心处和小腿杆的上端均设有大小相同的通孔，依次通过膝关节转轴活动连接实现一定弧度内的旋转运动，所述大腿凸轮的环形边缘设有限位槽。
优选地，所述大腿杆的中端还设有大腿支撑板和大腿绑带。
优选地，所述小腿杆还设有小腿杆支撑板和移动限位孔，所述小腿杆的一侧连接阻尼器，所述阻尼器包括推杆和硬质弹簧，所述推杆的上端设有滑块，与所述小腿杆内侧开设的滑槽相适配使得推杆实现上下往复运动；所述硬质弹簧的顶端还设有球体的凸块。
优选地，所述凸块设置在所述大腿凸轮的限位槽内且紧邻所述限位槽的边缘轨迹移动。
优选地，所述推杆的下端与脚踏板通过踝关节转轴相连接。
优选地，所述硬质弹簧的凸块到小腿杆的距离与凸轮偏心距相等，阻尼器的相对运动方向与硬质弹簧的伸缩方向相同。
有益效果：与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：
（1）通过腰带和两侧的吊带，将整个膝关节外骨骼悬挂在人体的腰上，防止由于重力作用造成外骨骼滑落。大腿绑带穿过大腿杆，将其绑在人体大腿外侧，小腿绑带穿过小腿杆，将其绑在人体小腿外侧，两个绑带将外骨骼的力矩传递至人体上
（2）人体膝关节在撑地行走和下蹲的过程中类似一个分段线性弹簧，起到支撑人体的作用。
（3）被动膝关节外骨骼成本低，无需能源、驱动、传感和控制，重量轻，无需能源和电子部分，没有使用时间限制，无需能源。
（4）外骨骼的助力可以通过机构综合和优化，模拟出人体膝关节的生物力学特性，实现最佳助力效果。
附图说明
图1为本实用新型的整体结构示意图；
图2为本实用新型的大腿杆的组件结构图；
图3为本实用新型的小腿杆的组件结构图
图4为本实用新型的凸轮轮廓曲线图；
图5为本实用新型的撑地过程中凸轮机构的运动轨迹图；
图6为本实用新型的摆腿过程中凸轮机构的运动轨迹图。
其中，1、腰带；2、吊带；3、大腿绑带；301、吊带槽；302、大腿支撑板；4、大腿杆；5、大腿凸轮；6、弹簧；7、小腿绑带；8、阻尼器；9、踝关节转轴；10、脚踏板；11、膝关节转轴；12、小腿杆；1201、小腿杆支撑板；1202、移动限位孔；13、推杆。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本实用新型作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本实用新型的限定。
实施例
如图1-6所示，本实施例提供了一种被动膝关节外骨骼，包括膝关节组件、踝关节组件和穿戴于腰间的腰带1，所述膝关节组件与踝关节组件通过转轴相连接，所述腰带1上设有两个吊带2，两个所述吊带2分别与两个对称的大腿杆4的上端设有的吊带槽301相固定连接，所述膝关节组件包括大腿凸轮5、大腿杆4和小腿杆12，所述大腿杆4的下端、大腿凸轮5的圆心处和小腿杆12的上端均设有大小相同的通孔，依次通过膝关节转轴11活动连接实现一定弧度内的旋转运动，所述大腿凸轮5的环形边缘设有限位槽。所述大腿杆4的中端还设有大腿支撑板302和大腿绑带3。所述小腿杆12还设有小腿杆支撑板1201和移动限位孔1202，所述小腿杆12的一侧连接阻尼器8，所述阻尼器8包括推杆13和硬质弹簧6，所述推杆13的上端设有滑块，与所述小腿杆12内侧开设的滑槽相适配使得推杆13实现上下往复运动；所述硬质弹簧6的顶端还设有球体的凸块。
所述凸块设置在所述大腿凸轮的限位槽内且紧邻所述限位槽的边缘轨迹移动。所述推杆13的下端与脚踏板10通过踝关节转轴9相连接。
所述膝关节组件的刚度变化系数为
其中，
是膝关节外骨骼的刚度，θ是膝关节转角，
μ是助力比例，根据需要设定。
所述的大腿凸轮（5）的运动轨迹满足下述条件
，其中，根据弹簧压缩量δ，
弹簧刚度
和凸轮偏心距e。
当偏心距一定的情况下，弹簧压缩量的运动轨迹如下：
由给定弹簧刚度k和偏心距
的定值时，大腿凸轮（5）的轮廓参数δ1、δ2和δ3。
所述弹簧6和阻尼器8，所述弹簧6的凸块到小腿杆的距离与凸轮偏心距相等，阻尼器的相对运动方向与弹簧的伸缩方向相同。
工作原理：
1）膝关节组件的变刚度：
小腿杆可以绕大腿杆绕转轴转动，大腿杆下端设计有一个凸轮，凸轮的推杆上串联一个弹簧，推杆与小腿杆之间用一个阻尼器连接。
当小腿杆绕着大腿杆摆动时，凸轮机构的推杆上弹簧压缩和回弹，产生随着摆动角度变化的力矩，具有变刚度的特征，具有人体膝关节的生物力学特性。
2）设计踝关节组件：
在撑地状态下，脚踏板受到地面的支撑力，撑住了凸轮机构的推杆，保持推杆与凸轮的接触，使凸轮机构产生作用。
在摆腿状态下，脚踏板受到重力作用与人的脚底分离，从而使得凸轮推杆与凸轮分离，凸轮机构不产生作用，使人可以自然摆腿。推杆与小腿杆之间的阻尼器使得推杆与凸轮分离和接触的过程平缓，没有冲击。
3）设计穿戴：
通过腰带和两侧的吊带，将整个膝关节外骨骼悬挂在人体的腰上，防止由于重力作用造成外骨骼滑落。大腿绑带穿过大腿杆，将其绑在人体大腿外侧，小腿绑带穿过小腿杆，将其绑在人体小腿外侧，两个绑带将外骨骼的力矩传递至人体上。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (6)
1.一种被动膝关节外骨骼，包括膝关节组件、踝关节组件和穿戴于腰间的腰带（1），其特征在于，所述膝关节组件与踝关节组件通过转轴相连接，所述腰带（1）上设有两个吊带（2），两个所述吊带（2）分别与两个对称的大腿杆（4）的上端设有的吊带槽（301）相固定连接，
所述膝关节组件包括大腿凸轮（5）、大腿杆（4）和小腿杆（12），所述大腿杆（4）的下端、大腿凸轮（5）的圆心处和小腿杆（12）的上端均设有大小相同的通孔，依次通过膝关节转轴（11）活动连接实现一定弧度内的旋转运动，所述大腿凸轮（5）的环形边缘设有限位槽。
2.根据权利要求1所述的一种被动膝关节外骨骼，其特征在于，所述大腿杆（4）的中端还设有大腿支撑板（302）和大腿绑带（3）。
3.根据权利要求1所述的一种被动膝关节外骨骼，其特征在于，所述小腿杆（12）还设有小腿杆支撑板（1201）和移动限位孔（1202），所述小腿杆（12）的一侧连接阻尼器（8），所述阻尼器（8）包括推杆（13）和硬质弹簧（6），所述推杆（13）的上端设有滑块，与所述小腿杆（12）内侧开设的滑槽相适配使得推杆（13）实现上下往复运动；所述硬质弹簧（6）的顶端还设有球体的凸块。
4.根据权利要求3所述的一种被动膝关节外骨骼，其特征在于，所述凸块设置在大腿凸轮（5）的限位槽内且紧邻所述限位槽的边缘轨迹移动。
5.根据权利要求3所述的一种被动膝关节外骨骼，其特征在于，所述推杆（13）的下端与脚踏板（10）通过踝关节转轴（9）相连接。
6.根据权利要求3所述的一种被动膝关节外骨骼，其特征在于，所述硬质弹簧（6）的凸块到小腿杆的距离与凸轮偏心距相等，阻尼器的相对运动方向与硬质弹簧的伸缩方向相同。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202020830844.XU CN212352009U (zh) | 2020-05-18 | 2020-05-18 | 一种被动膝关节外骨骼 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202020830844.XU CN212352009U (zh) | 2020-05-18 | 2020-05-18 | 一种被动膝关节外骨骼 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN212352009U true CN212352009U (zh) | 2021-01-15 |
Family
ID=74150521
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202020830844.XU Active CN212352009U (zh) | 2020-05-18 | 2020-05-18 | 一种被动膝关节外骨骼 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN212352009U (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111452026A (zh) * | 2020-05-18 | 2020-07-28 | 南京杨树穿戴智能科技有限公司 | 一种被动膝关节外骨骼 |
| CN113414757A (zh) * | 2021-06-11 | 2021-09-21 | 西安理工大学 | 一种膝关节运动能量收集及利用装置 |
| CN115533881A (zh) * | 2022-11-18 | 2022-12-30 | 合肥工业大学 | 基于自适应非线性并联弹性驱动器的踝关节助力外骨骼及其控制方法 |
-
2020
- 2020-05-18 CN CN202020830844.XU patent/CN212352009U/zh active Active
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111452026A (zh) * | 2020-05-18 | 2020-07-28 | 南京杨树穿戴智能科技有限公司 | 一种被动膝关节外骨骼 |
| CN111452026B (zh) * | 2020-05-18 | 2024-08-02 | 江苏华晗智能科技有限公司 | 一种被动膝关节外骨骼 |
| CN113414757A (zh) * | 2021-06-11 | 2021-09-21 | 西安理工大学 | 一种膝关节运动能量收集及利用装置 |
| CN113414757B (zh) * | 2021-06-11 | 2022-07-22 | 西安理工大学 | 一种膝关节运动能量收集及利用装置 |
| CN115533881A (zh) * | 2022-11-18 | 2022-12-30 | 合肥工业大学 | 基于自适应非线性并联弹性驱动器的踝关节助力外骨骼及其控制方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111452026B (zh) | 一种被动膝关节外骨骼 | |
| CN212352009U (zh) | 一种被动膝关节外骨骼 | |
| CN107411939B (zh) | 一种单侧下肢残疾人士专用助力康复机器人 | |
| CN106726363B (zh) | 一种可穿戴仿生液压下肢康复助行机械装置 | |
| CN108095976B (zh) | 一种具有被动回弹功能的仿生膝关节康复训练装置 | |
| US8894592B2 (en) | Device and method for decreasing oxygen consumption of a person during steady walking by use of a load-carrying exoskeleton | |
| CN101132753B (zh) | 下部肢体外骨骼 | |
| CN106491319A (zh) | 一种可穿戴型膝关节助力机器人 | |
| CN205867054U (zh) | 一种具有回力结构的人体下肢外骨骼 | |
| CN108042316A (zh) | 一种外骨骼机器人仿生变刚度柔性膝关节 | |
| CN109848967B (zh) | 仿生机械外骨骼穿戴装置 | |
| CN109464264A (zh) | 一种人体下肢助力设备 | |
| CN109927016B (zh) | 一种具有变轴线膝关节的下肢外骨骼 | |
| CN101933852B (zh) | 主被动运动相结合的动力膝关节 | |
| Chaichaowarat et al. | Cycling-enhanced knee exoskeleton using planar spiral spring | |
| KR102292983B1 (ko) | 하지 외골격 로봇장치 | |
| CN215701667U (zh) | 一种负重支撑助力外骨骼装置 | |
| CN108214457B (zh) | 一种用于下肢外骨骼的躯干被动省力装置 | |
| CN113146591A (zh) | 一种具有减震功能的负重助力外骨骼 | |
| CN209850913U (zh) | 一种具有变轴线膝关节的下肢外骨骼 | |
| CN202740338U (zh) | 一种截瘫行走器 | |
| WO2023070466A1 (zh) | 一种步行辅助外骨骼装置 | |
| CN207155785U (zh) | 一种异构穿戴式负载助力装置 | |
| Wang et al. | Simulation design of flexible Unpowerd lower limb exoskeleton | |
| CN214323359U (zh) | 一种主被动结合的助行下肢外骨骼 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20220518 Address after: No. 501-129, jinyuhuafu, No. 7, Xinlin Avenue, guxiong street, Yuhuatai District, Nanjing, Jiangsu 210000 Patentee after: Jiangsu HUAHAN Intelligent Technology Co.,Ltd. Address before: 210000 No.606, ningliu Road, Changlu street, Jiangbei new district, Nanjing City, Jiangsu Province Patentee before: Nanjing poplar wearable Intelligent Technology Co.,Ltd. |