[发明专利]一种具有仿生膝关节的下肢外骨骼结构体

说明书

技术领域

本发明涉及一种属于康复机器人系统的机械下肢装置，更特别地说，是指一种具有仿生膝关节的下肢外骨骼结构体。

背景技术

康复机器人系统的下肢外骨骼的设计过程中最主要的任务是设计髋关节、膝关节以及踝关节的结构，确定驱动器、传感器型号、位置及安装形式。通过对人体生理结构的研究，髋关节为球窝关节，转动过程中旋转中心的变化不明显。踝关节虽然为复合关节，但其在行走过程中转动角度小，因此旋转中心的变化也不明显。这两个部分的外骨骼关节被认为可以简化为绕固定转轴转动的单一关节。而膝关节是双面关节，在行走过程中屈伸运动的幅度较大(0～60°)，收展运动和旋转运动的幅度较小。膝关节的屈伸运动时一种复合的运动，能够分解为平移和转动，在膝关节屈伸运动幅度较大时，其旋转中心位移明显，对于患有骨关节炎疾病的病人，膝关节旋转瞬心的变化更为剧烈且没有统一的规律。

如果把外骨骼关节简化为单一转轴，在运动过程中外骨骼小腿部分绕外骨骼膝关节的固定转轴转动，人体膝关节与外骨骼关节的转动瞬心会发生偏离，不能保证随时重合，使得人的下肢与外骨骼之间出现相对位移，并且在两者绑定的位置产生额外的力和力矩。虽然两者间的相对运动被肌肉等软组织形变所补偿，但是作用力和作用力矩对康复过程产生不良的影响，使病人下肢的运动和出力不自然，影响最终的康复效果，甚至有可能对病人造成严重的二次伤害。所以有必要考虑使用一种新的膝关节构型来解决膝关节运动过程中不对称问题。

由于单独膝关节外骨骼小腿部分的运动空间为一圆弧，运动过程中其瞬心位置固定在外骨骼膝关节转轴的轴心上，无法做到随人体膝关节旋转瞬心的变化而变化，所以需要新构型拥有一个可自由调整的膝关节旋转中心和一个允许生成复杂末端运动轨迹的工作空间，使其能满足下肢运动时对工作空间的基本要求，又有足够的空间对轨迹进行调整。

发明内容

为了改善现有康复机器人系统中膝关节部位采用转动铰链或球铰来实现只能转动，而不能平动的问题，本发明设计了一种具有仿生膝关节的下肢外骨骼结构体。该下肢外骨骼为一平面的二自由度并联仿生机构，能够精确地模拟人的膝关节的运动。在膝关节组件的虚拟点U处采用两套直线驱动器来驱动，驱动器由旋转电机和滚珠丝杠构成。两个驱动器的上端分别连接在类似于大腿的膝关节A连接件的两个转轴上，下端同轴连接在踝关节转动轴上下肢外骨骼小腿后部，从而构成了一个以膝关节为中心的并联仿生机构，该机构可以通过带动小腿末端(即鞋板组件)按照人体标准步态运动，来精确地模拟人体膝关节的复杂耦合运动，而不会给人以额外的作用力，减小对人体膝关节的伤害。

本发明的一种具有仿生膝关节的下肢外骨骼结构体，在所述下肢外骨骼的末端连接有脚板组件；所述的下肢外骨骼结构体包括有髋关节组件、膝关节组件和踝关节组件；膝关节组件包括有膝关节A驱动部分、膝关节B驱动部分和膝关节固定装配部分；所述的膝关节A驱动部分由膝关节A电机、膝关节A电机座、膝关节A滑套、膝关节A丝杠套、膝关节A丝杠构成；所述的膝关节固定装配部分包括有AA转动轴、AB转动轴、AA编码器、AB编码器、AA滚珠轴承、AB滚珠轴承、AC滚珠轴承、AD滚珠轴承、膝关节A连接件、膝关节B连接件、膝关节C连接件、膝关节D连接件、膝关节E连接件、膝关节F连接件、膝关节G连接件、膝关节H连接件、膝关节I连接件、膝关节J连接件、膝关节K连接件和膝关节L连接件；髋关节组件包括有髋关节驱动部分和髋关节固定装配部分；所述的髋关节驱动部分由髋关节电机、髋关节电机座、髋关节滑套、髋关节丝杠套、髋关节丝杠构成；所述髋关节固定装配部分包括有BA转动轴、BB转动轴、BA编码器、BB编码器、髋关节A连接件、髋关节B连接件、髋关节C连接件、髋关节D连接件、髋关节E连接件、髋关节F连接件、髋关节G连接件、髋关节H连接件、髋关节I连接件和髋关节J连接件；踝关节组件包括有踝关节基座、踝关节A连接件、踝关节B连接件、踝关节C连接件、小腿连接件、踝关节转动轴、踝关节编码器、CA滚珠轴承、CB滚珠轴承、CC滚珠轴承、CD滚珠轴承和CA挡圈。

附图说明

图1是本发明具有仿生膝关节的下肢外骨骼结构体的外部结构图。

图1A是本发明具有仿生膝关节的下肢外骨骼结构体的右视图。

图1B是本发明具有仿生膝关节的下肢外骨骼结构体的左视图。

图2是本发明中踝关节组件的结构图。

图2A是本发明中踝关节组件的分解图。

图2B是本发明中踝关节组件的转动轴与编码器、轴承之间的装配图。

图2C是本发明中踝关节组件的基座结构图。