[发明专利]被动式膝关节助力系统及方法

权利要求书

1.一种被动式膝关节助力系统，其特征在于，该助力系统包括：

大腿支架，用于与人体大腿进行绑扎；

小腿支架，用于与人体小腿进行绑扎；

储能装置，所述储能装置用于实现在膝关节弯曲时储存能量，当小腿伸展时释放能量辅助小腿伸展，所述储能装置顶部与所述大腿支架固定连接，所述储能装置中心与所述小腿支架轴连接，使得所述小腿支架相对于所述储能装置能够转动，所述储能装置包括前盖和后盖，所述前盖和后盖固定连接形成容纳各器件的空间；所述储能装置包括储能卷簧、棘轮、行星齿轮组和电磁离合器；所述行星齿轮组的另一端固定连接所述电磁离合器，所述电磁离合器用于实现工作状态和非工作状态的切换，当所述电磁离合器通电时带动所述行星齿轮组转动，当所述电磁离合器断电时，所述行星齿轮组停止转动；

脚支架，所述脚支架连接所述小腿支架底部，用于对人体脚部进行支撑；

所述电磁离合器包括转子，所述转子与所述小腿支架连接，所述小腿支架的转动会带动所述转子一起转动；所述电磁离合器还包括第一磁钢、第二磁钢和霍尔传感器，所述第一磁钢和第二磁钢相隔某角度嵌设在所述转子外端面，所述霍尔传感器嵌设在所述后盖内且能够与所述第一磁钢和第二磁钢保持正面对齐，通过所述霍尔传感器和所述第一磁钢以及第二磁钢的配合使用，实现工作状态与非工作状态的自由柔顺切换，当膝关节伸展时，所述霍尔传感器与所述第一磁钢对齐，使所述电磁离合器通电，进入工作状态；当膝关节屈曲时，所述霍尔传感器与所述第二磁钢对齐，使所述电磁离合器断电，进入非工作状态。

2.根据权利要求1所述的被动式膝关节助力系统，其特征在于，所述储能卷簧内端固定连接所述前盖，所述储能卷簧外端与所述棘轮内端面固定；

所述行星齿轮组的一端转动连接所述棘轮，所述行星齿轮组用于实现角度放大，当小腿屈曲一定角度时，通过所述行星齿轮组的传递，使所述储能卷簧旋转更大行程，实现更多能量存储。

3.根据权利要求2所述的被动式膝关节助力系统，其特征在于，所述行星齿轮组包括行星架、太阳轮、行星齿轮和内齿圈；所述行星齿轮周向固定所述行星架上，所述太阳轮的端面与所述棘轮固定连接，所述太阳轮与各所述行星齿轮内端啮合，各所述行星齿轮外端部与所述内齿圈啮合。

4.根据权利要求3所述的被动式膝关节助力系统，其特征在于，所述电磁离合器还包括衔铁和法兰盘；所述衔铁与所述行星架固定连接，所述法兰盘与所述后盖固定连接，当所述电磁离合器通电时，所述衔铁吸合带动所述行星架随着所述转子转动，当所述电磁离合器断电时，所述衔铁释放脱离所述转子，所述行星架停止转动。

5.根据权利要求1～4任一项所述的被动式膝关节助力系统，其特征在于，所述大腿支架、小腿支架和脚支架由铝合金材质制成，其与人腿接触的一面采用柔软织物包裹。

6.根据权利要求1～4任一项所述的被动式膝关节助力系统，其特征在于，所述大腿支架通过大腿绑带与所述大腿绑扎；所述小腿支架通过小腿绑带与所述小腿绑扎。

7.根据权利要求1～4任一项所述的被动式膝关节助力系统，其特征在于，所述大腿绑带和小腿绑带均采用尼龙搭扣织物制成。

8.根据权利要求2～4任一项所述的被动式膝关节助力系统，其特征在于，所述行星齿轮组中的各部件均采用45号钢材质制成。

9.一种基于权利要求5～8任一项所述的被动式膝关节助力系统的助力方法，其特征在于，具体过程为：

在支撑初期，膝关节为伸展状态，霍尔传感器与第一磁钢对齐，电磁离合器通电闭合，衔铁将会被与转子贴合；

在接下来的步态中，小腿的屈曲角度将会达到支撑阶段的峰值，小腿的屈曲将会带动电磁离合器中的转子进行旋转，进而带动整个行星齿轮组转动，行星齿轮组的输出端为太阳轮的端面，而太阳轮端面与棘轮相连，棘轮与储能卷簧相连，故整个传动过程最终传递到储能卷簧进行储能；

在支撑中期的后期，膝关节将会在此几乎完全伸展，储能卷簧储存的能量将会反向传递最终作用到小腿，辅助膝关节在支撑期做伸展；

在预摆动期阶段，膝关节将屈曲到极限值，此时霍尔传感器与第二磁钢对齐，电磁离合器使其断电脱离，衔铁将会与转子分开，小腿支架的转动带动转子转动，但是该转动将不能通过衔铁传动到储能卷簧一端；

在摆动期，人腿腾空将会自由摆动，储能装置将不会再干涉人体运动，直到脚跟再次着地进行下一个步态周期。