阅读说明：本技术 用于下肢外骨骼的欠驱动膝关节装置 (Under-actuated knee joint device for lower limb exoskeleton ) 是由 黄锟 刘斌 杨洪波 于 2020-05-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于下肢外骨骼的欠驱动膝关节装置,包括：上安装板、可转动连接在上安装板上的驱动轮、第一端与上安装板可转动连接的第一连杆、可转动连接在第一连杆的第二端的第一从动轮、第一端与第一从动轮固连的第二连杆、可转动连接在第二连杆的第二端的第二从动轮、固接在第二从动轮上的下安装板以及用于为驱动轮输入驱动力和用于实现驱动轮、第一从动轮、第二从动轮之间的依次传动的若干绳索。本发明的装置具有两个自由度,即辅助小腿进行屈伸的同时,还具有矢状面内移动的自由度,能适应膝关节的运动特性,不会造成关节压力；且两个自由度的驱动通过一个驱动机构即可实现,驱动机构可设置在远离膝关节的位置,能减轻膝关节处的重量。(The invention discloses an under-actuated knee joint device for a lower limb exoskeleton, which comprises: go up the mounting panel, rotatable coupling is the drive wheel on last mounting panel, first end and last mounting panel rotatable coupling's first connecting rod, rotatable coupling is at the first driven wheel of the second end of first connecting rod, first end and the first second connecting rod of following the driving wheel and linking firmly, rotatable coupling is at the second of the second connecting rod end from the driving wheel, the lower mounting panel of rigid coupling on the second is followed the driving wheel and is used for realizing the drive wheel for the drive wheel input drive power and being used for, first from the driving wheel, the second is followed a plurality of ropes of transmission in proper order between the driving wheel. The device has two degrees of freedom, namely the device has the degree of freedom of movement in a sagittal plane while assisting the flexion and extension of the crus, can adapt to the motion characteristic of the knee joint, and cannot cause joint pressure; and the driving of two degrees of freedom can be realized through a driving mechanism, and the driving mechanism can be arranged at a position far away from the knee joint, so that the weight of the knee joint can be reduced.)

用于下肢外骨骼的欠驱动膝关节装置

技术领域

本发明涉及医疗康复器械领域，特别涉及一种用于下肢外骨骼的欠驱动膝关节装置。

背景技术

研究表明，人体膝关节运动复杂，当膝关节做屈伸运动时，并不是简单的单自由度的转动，股骨会在胫骨上转动并滑动，而目前下肢外骨骼的膝关节的结构普遍至具有单自由度的转动，不符合人体工学，不仅造成人机运动不协调，还会造成关节的压力，从而可能损伤关节。另外，目前主动式外骨骼的电机都在关节处，造成整体下肢的重量增大，关节运动惯性增大。

所以现在需要一种更可靠的方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种用于下肢外骨骼的欠驱动膝关节装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种用于下肢外骨骼的欠驱动膝关节装置，包括：上安装板、可转动连接在所述上安装板上的驱动轮、第一端与所述上安装板可转动连接的第一连杆、可转动连接在所述第一连杆的第二端的第一从动轮、第一端与所述第一从动轮固连的第二连杆、可转动连接在所述第二连杆的第二端的第二从动轮、固接在所述第二从动轮上的下安装板以及用于为所述驱动轮输入驱动力和用于实现所述驱动轮、第一从动轮、第二从动轮之间的依次传动的若干绳索。

优选的是，所述绳索包括沿相反方向缠绕在所述驱动轮的轮面上的用于为所述驱动轮输入驱动力的第一驱动绳索和第二驱动绳索、连接于所述驱动轮和第一从动轮之间的第一传动绳索与第二传动绳索、连接于所述第一从动轮和第二从动轮之间的第三传动绳索与第四传动绳索。

优选的是，所述第一传动绳索的第一端与第二传动绳索的第一端沿相反方向缠绕在所述驱动轮的轮面上，所述第一传动绳索的第二端与第二传动绳索的第二端沿相反方向缠绕在所述第一从动轮的轮面上；

所述第三传动绳索的第一端与第四传动绳索的第一端沿相反方向缠绕在所述第一从动轮的轮面上，所述第三传动绳索的第二端与第四传动绳索的第二端沿相反方向缠绕在所述第二从动轮的轮面上。

优选的是，所述驱动轮、第一从动轮和第二从动轮的轮面上均开设有供绳索缠绕的缠绕槽以及用于固定绳索的固定槽，所述若干绳索上均固接有用于固定在对应的所述固定槽中的固定块。

优选的是，所述固定块包括用于固定***所述固定槽内的插片部以及与所述插片部连接的用于与所述绳索固接的连接部。

优选的是，所述上安装板上固接有第一连接轴，所述驱动轮通过第一轴承可转动连接在所述第一连接轴上。

优选的是，所述第一连接轴内部具有的轴孔中通过第二轴承可转动插设有第二连接轴，所述第二连接轴的另一端与所述第一连杆的第一端固接。

优选的是，所述第一连杆的第二端固接有第三连接轴，所述第一从动轮通过第三轴承可转动连接在所述第三连接轴上。

优选的是，所述第二连杆的第一端与所述第一从动轮固接，所述第二连杆的第二端固接有第四连接轴。

优选的是，所述第二从动轮通过第四轴承可转动连接在所述第四连接轴上，所述下安装板固接在所述第二从动轮上。

本发明的有益效果是：

本发明的用于下肢外骨骼的欠驱动膝关节装置具有两个自由度，即辅助小腿进行屈伸的同时，还具有矢状面内移动的自由度，能适应膝关节的运动特性，不会造成关节压力；且两个自由度的驱动通过一个驱动机构即可实现，驱动机构可设置在远离膝关节的位置，能减轻膝关节处的重量，使膝关节处更加灵活。本发明可应用于因下肢膝关节、肌肉组织损伤或骨骼疾病引起的膝关节功能障碍或功能受限的患者,可以辅助患者进行膝关节屈伸的康复治疗。

附图说明

图1为本发明的用于下肢外骨骼的欠驱动膝关节装置的正面视角的结构示意图；

图2为本发明的用于下肢外骨骼的欠驱动膝关节装置的背面视角的结构示意图；

图3为本发明的用于下肢外骨骼的欠驱动膝关节装置卸去第一连杆和第二连杆后的正面视角的结构示意图；

图4为本发明的用于下肢外骨骼的欠驱动膝关节装置卸去部分组件后的背面视角的结构示意图；

图5为本发明的绳索在驱动轮上固定的结构示意图；

图6为本发明的驱动轮和第一从动轮部分的剖视结构示意图；

图7为本发明的第一从动轮和第二从动轮部分的剖视结构示意图；

图8为本发明的用于下肢外骨骼的欠驱动膝关节装置的一种运动状态的示意图；

图9为本发明的用于下肢外骨骼的欠驱动膝关节装置的另一种运动状态的示意图；

图10为本发明的一种实施例中的用于下肢外骨骼的欠驱动膝关节装置的固定装置的结构示意图；

图11为本发明的一种实施例中的用于下肢外骨骼的欠驱动膝关节装置在人体上固定的示意图。

附图标记说明：

10—上安装板；11—驱动轮；12—第一连杆；13—第一从动轮；14—第二连杆；15—第二从动轮；16—下安装板；120—第一连杆的第一端；121—第一连杆的第二端121；140—第二连杆的第一端；141—第二连杆的第二端；

20—第一驱动绳索；21—第二驱动绳索；22—第一传动绳索；23—第二传动绳索；24—第三传动绳索；25—第四传动绳索；220—第一传动绳索的第一端；221—第一传动绳索的第二端；230—第二传动绳索的第一端；231—第二传动绳索的第二端；240—第三传动绳索的第一端；241—第三传动绳索的第二端；250—第四传动绳索的第一端；251—第四传动绳索的第二端；

30—固定槽；31—固定块；32—插片部；33—连接部；34—绳孔；35—卡柱；36—缠绕槽；

40—第一连接轴；41—轴孔；42—第二连接轴；43—第三连接轴；44—第四连接轴；45—第一轴承；46—第二轴承；47—第三轴承；48—第四轴承；

50—用于下肢外骨骼的欠驱动膝关节装置；51—人体；52—电机；

60—上固定套；61—下固定套。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

如图1-7所示，本实施例的一种用于下肢外骨骼的欠驱动膝关节装置，包括：上安装板10、可转动连接在上安装板10上的驱动轮11、第一端与上安装板10可转动连接的第一连杆12、可转动连接在第一连杆12的第二端121的第一从动轮13、第一端与第一从动轮13固连的第二连杆14、可转动连接在第二连杆的第二端141的第二从动轮15、固接在第二从动轮15上的下安装板16以及用于为驱动轮11输入驱动力和用于实现驱动轮11、第一从动轮13、第二从动轮15之间的依次传动的若干绳索。

本发明中，使用使固定在人体的膝关节处，第一从动轮13处于与膝关节基本齐平的侧部，上安装板10处于膝关节上方的侧部并与大腿处固定，下安装板16处于膝关节下方的侧部并与小腿处固定；装置采用绳索进行传动，外部的驱动机构(如电机)对绳索提供驱动拉力，使第一连杆12可相对上安装板10转动，第二连杆14可相对第一连杆12转动；本发明的欠驱动膝关节装置具备两个自由度，即作为输出端的下安装板16即可相对上安装板10进行转动，又能相对上安装板10在矢状面内移动，从而能很好的适应膝关节的运动，不会造成关节压力。

参照图4，其中，绳索包括沿相反方向缠绕在驱动轮11的轮面上的用于为驱动轮11输入驱动力的第一驱动绳索20和第二驱动绳索21、连接于驱动轮11和第一从动轮13之间的第一传动绳索22与第二传动绳索23、连接于第一从动轮13和第二从动轮15之间的第三传动绳索24与第四传动绳索25。

第一传动绳索的第一端220与第二传动绳索的第一端230沿相反方向缠绕在驱动轮11的轮面上，第一传动绳索的第二端221与第二传动绳索的第二端231沿相反方向缠绕在第一从动轮13的轮面上；

第三传动绳索的第一端240与第四传动绳索的第一端250沿相反方向缠绕在第一从动轮13的轮面上，第三传动绳索的第二端241与第四传动绳索的第二端251沿相反方向缠绕在第二从动轮15的轮面上。

参照图5，驱动轮11、第一从动轮13和第二从动轮15的轮面上均开设有供绳索缠绕的缠绕槽36以及用于固定绳索的固定槽30，若干绳索上均固接有用于固定在对应的固定槽30中的固定块31。固定块31包括用于固定***固定槽30内的插片部32以及与插片部32连接的用于与绳索固接的连接部33。绳索卡入缠绕槽36中，插片部32与固定槽30内壁可通过螺钉固接，绳索穿过连接部33上的绳孔34，绳索末端具有卡柱35，从而将绳索连接在连接部33上，绳索沿其拉伸方向运动时，卡柱35顶住绳孔34，从而通过绳索能带动相应的驱动轮11或从动轮转动。

参照图3、4、6、7，上安装板10上固接有第一连接轴40，驱动轮11通过第一轴承45可转动连接在第一连接轴40上。第一连接轴40内部具有的轴孔41中通过第二轴承46可转动插设有第二连接轴42，第二连接轴42的另一端与第一连杆的第一端120固接。从而使驱动轮11可相对上安装板10转动，第一连杆的第一端120也能相对上安装板10转动。

第一连杆12的第二端121固接有第三连接轴43，第一从动轮13通过第三轴承47可转动连接在第三连接轴43上。从而第一连杆12的第二端121的转动可带动第一从动轮13进行移动，驱动轮11通过绳索传递的驱动力可使第一从动轮13可相对第一连杆12的第二端121转动。

第二连杆的第一端140与第一从动轮13固接，第二连杆的第二端141固接有第四连接轴44。第二从动轮15通过第四轴承48可转动连接在第四连接轴44上，下安装板16固接在第二从动轮15上。从而第二连杆的第二端141的转动可带动第二从动轮15进行移动，驱动轮11通过绳索传递的驱动力可使第二从动轮15可相对第二连杆的第二端141转动。

本发明的工作原理为：

参照图8，对第一驱动绳索20提供拉力，驱动轮11顺时针转动，驱动轮11通过第一传动绳索22带动第一从动轮13顺时针转动；第一从动轮13再通过第三传动绳索24带动第二从动轮15顺时针转动，同时第一从动轮13的转动使第二连杆14绕其第一端顺时针转动，从而使第二连杆的第二端141上的下安装板16顺时针转动，可带动小腿实现屈腿的动作；其中，由于第一连杆的第一端120相对上安装板10可自由转动，所以在第一连杆12的第二端121相对第一从动轮13可自由转动，在第二连杆14转动的同时，使第一从动轮13可进行向远离膝关节的方向移动(即相当于小腿屈腿时，第一从动轮13可向远离膝关节的方向移动)，从而能适应膝关节的滑动，不会对膝关节造成压力。

参照图9，对第二驱动绳索21提供拉力，驱动轮11逆时针转动，驱动轮11通过第二传动绳索23带动第一从动轮13逆时针转动；第一从动轮13再通过第四传动绳索25带动第二从动轮15逆时针转动，同时第一从动轮13的转动使第二连杆14绕其第一端逆时针转动，从而使第二连杆的第二端141上的下安装板16逆时针转动，可带动小腿实现伸腿的动作；其中，由于第一连杆的第一端120相对上安装板10可自由转动，所以在第一连杆12的第二端121相对第一从动轮13可自由转动，在第二连杆14转动的同时，使第一从动轮13可进行向靠近膝关节的方向移动(即相当于小腿伸腿时，第一从动轮13可向靠近膝关节的方向移动)，从而能适应膝关节的滑动，不会对膝关节造成压力。

参照图10，在一种实施例中，上安装板10上固接有上固定套60，上固定套60可固定套设在大腿上，下安装板16上固接有下固定套61，下固定套61可固定套设在小腿上。

本发明中，由于外部的驱动设备通过绳索为装置提供驱动力，所以驱动设备可远离膝关节设置，以减轻膝关节处的重量。例如，参照图11，在一种实施例中，该用于下肢外骨骼的欠驱动膝关节装置50穿戴在人体51上，通过电机52为第一驱动绳索20和第二驱动绳索21提供驱动拉力，且电机52可穿戴在人体背部。暴露在外部的绳索外套设线管，线管采用弯曲成型的硬质材质，绳索在线管中伸缩滑动时，线管能基本保持不动，防止多根绳索相互干扰或缠绕。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。