[发明专利]用于下肢外骨骼机器人的膝关节结构

说明书

本发明涉及一种用于下肢外骨骼机器人的膝关节结构，小腿组件与大腿组件之间通过四连杆膝关节连接，并且小腿组件与大腿组件之间还安装有气弹簧，气弹簧的一端连接在大腿组件上，另一端与固定在小腿组件上的气弹簧滑槽机构滑动连接，利用气弹簧实现站立到坐下、坐下到站立姿态变换时的助力。当使用者正常行走时，因膝关节弯曲造成的气弹簧滑移不会到达气弹簧滑槽机构的底部，气弹簧无压缩受力，不影响正常行走；当使用者进行从站立到坐下、坐下到站立姿态的变换时，因膝关节弯曲造成的气弹簧滑移可到达气弹簧滑槽机构的底部，造成气弹簧压缩受力，存储能量，从而在站立到坐下、坐下到站立姿态变换时提供助力。

技术领域

本发明涉及一种用于下肢外骨骼机器人的膝关节结构，尤其是一种用于膝关节站立到坐下、坐下到站立姿态变换起助力作用而不影响正常步态的膝关节非驱动式助力结构,属于机器人技术领域。

背景技术

外骨骼是一种结合了人工智能和机械动力装置的机器人；穿戴在操作者外部，融合了控制、传感和人机结合等技术，提供支撑、运动、防护等功能的机械装置，在军事、生活、医疗等方面具有广泛的应用前景。人体下肢外骨骼机器人是一种可以让人穿戴的人机一体化机械装置 ，能够提供对人体柔软内部器官进行构型，建筑和保护的外部结构。它的优越性在于能将支撑、运动、防护三项功能紧密结合。对于助老助残或者康复领域，外骨骼的主要目的是辅助人体自身肌肉的运动，已达到帮助截瘫患者和老年人进行肌肉康复训练的效果。当前下肢外骨骼的研究大都集中于各关节电机主动驱动，而电机的尺寸、重量、电池连续使用时间极大地限制了下肢外骨骼的发展。

申请号201610948436.2提出了一种下肢外骨骼助力结构，在髋关节、膝关节、踝关节处分别使用液压泵驱动，虽然可达到较多的驱动自由度，但是整个下肢外骨骼的重量及操作的困难程度大大增加。

申请号201410735565.4提出了一种用于辅助行走的下肢外骨骼机器人结构，在髋关节和膝关节处安装驱动器，膝关节的助力采用电机助力，此膝关节结构无法调整人体行走时的转动瞬心，且增加了外骨骼总体重量和电能的消耗。

申请号201410353073.9提出了一种单驱动联动式下肢助力外骨骼结构，虽然也采用单电机控制，但是其腰部模块的大腿驱动链轮结构笨重，体积过大，且不能给使用者提供坐下、站立的助力。

人体正常行走时，膝关节的转动中心是动态变化的，当前电机驱动式、及液压驱动式下肢外骨骼膝关节均不能模拟膝关节的此种变化；而人体姿态（坐下-站立、站立-坐下）的变换通过驱动式结构实现使得电机耗电增加、驱动结构复杂。

发明内容

针对以上问题，本发明提出一种符合人体行走时膝关节转动中心变化规律的、且在人体姿态（站立-坐下、坐下-站立）变化时起到助力作用的非驱动式膝关节结构。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种用于下肢外骨骼机器人的膝关节结构，包括小腿组件、大腿组件，所述小腿组件与大腿组件之间通过四连杆膝关节连接，使下肢助力外骨骼的速度瞬心和使用者膝关节的速度瞬心变化一致，实现更加自然的步态，并且小腿组件与大腿组件之间还安装有气弹簧，所述气弹簧的一端连接在大腿组件上，另一端与固定在小腿组件上的气弹簧滑槽机构滑动连接，利用气弹簧实现站立到坐下、坐下到站立姿态变换时的助力。

所述气弹簧上设有气弹簧锁定机构，当使用者完全坐下时，气弹簧锁定机构中的销钉会在弹簧的作用下插入气弹簧中预先加工的凹槽中，从而将气弹簧锁定，当使用者从坐下到站立的进行姿态变换时，压回气弹簧锁定机构中的销钉实现解锁。

所述四连杆膝关节上安装有助力板簧，用于使用者的正常行走、站立到坐下、坐下到站立的姿态变换的助力。

当使用者从站立到坐下进行姿态变换时，所述大腿组件相对于小腿组件向下弯曲，当置于气弹簧滑槽机构中的气弹簧一端滑动到气弹簧滑槽机构底部，大腿组件继续往下弯曲时，所述气弹簧受力压缩，给坐下提供支撑助力，防止使用者突然坐下。