[发明专利]被动式膝关节助力系统及方法

说明书

本发明涉及一种被动式膝关节助力系统及方法，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；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。

技术领域

本发明是关于一种膝关节助力系统及方法，特别是关于一种被动式膝关节助力系统及方法，属于外骨骼机器人及机电一体化技术领域。

背景技术

助力系统的研究始于20世纪60年代末期，主要在欧美等一些发达国家展开，最初的目的就是增强人体承受和背负负载的能力。到上世纪90年代末，随着科学技术的提高，与之相联系的传感器技术、驱动技术和能源开发日益成熟，助力系统的研究有了快速的发展。助力系统在军事领域可以体现出良好的应用前景。助力系统可以作为一个子系统应用到多种领域，例如地震救援系统、单兵作战系统和极地科考系统等。单兵作战时，每个人的体能是有限的，在体能有限的范围内，减少能量不必要的损失对于作战人员来说尤为重要。如果装备助力系统，将会把不必要损失的能量积攒起来，并用以帮助作战人员行走。这样便可以增强士兵的体能，使其能携带更多的武器，提高士兵的单兵作战能力。

现有技术公开了一种智能可穿戴膝关节助力器，其机械结构部分包括大腿杆、小腿杆、加速度传感器、谐波齿轮减速器和直流电机，该结构的特点是能快速准确的识别人体运动意图，及时准确地给人体施加正确的助力，减轻人体运动时的膝关节负担，但是该助力器由于需要电机，所以整体比较笨重，设计成本比较高。现有技术还公开了一种刚柔耦合仿生外骨骼膝关节助力装置，由大腿组件、小腿组件和传动组件组成，该装置的特点是刚柔耦合、高度人机相容多自由度仿生，并且可以实现不同康复阶段的助力需求，但是其结构和操作繁琐，助力效果不明显。

综上，针对上述问题，迫切需要研发能够实现能量自存储并用以帮助人体行走的助力系统。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种被动式膝关节助力系统及方法，其能够被动式跟随人体步态，实现小步态大能量的存储，进一步减轻人体在行走过程中膝关节的负担。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种被动式膝关节助力系统，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；

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。

进一步地，所述储能装置包括前盖、后盖、储能卷簧、棘轮、行星齿轮组和电磁离合器；

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；

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。