[实用新型]一种拮抗式可变刚度膝关节外骨骼装置

说明书

本实用新型提出了一种拮抗式可变刚度膝关节外骨骼装置，属于外骨骼机械领域。解决了传统刚性下肢外骨骼质量和体积较大，助力方式简单，使用者易受到损伤，关节易错位的问题。它包括固定机构和助力机构，所述助力机构包括固定组件、柔性组件、测量组件和驱动组件，所述固定组件包括大腿基板、第一小腿基板和第二小腿基板，所述柔性组件包括弹簧杆、压缩弹簧和弹簧后端盖，所述测量组件包括旋转编码器和压力传感器，所述驱动组件包括膝关节槽轮和驱动器；所述膝关节槽轮与大腿基板转动连接，所述第一小腿基板同轴心固定在膝关节槽轮上，所述大腿基板和第二小腿基板上均设置有固定机构。它主要用于辅助人类行走或劳动。

技术领域

本实用新型属于外骨骼机械领域，特别是涉及一种拮抗式可变刚度膝关节外骨骼装置。

背景技术

随着经济社会的快速发展和科技水平的不断提高，世界上很多国家都在努力探索利用便利的工具来辅助人类行走或劳动，而外骨骼机器人的诞生很大程度地满足了这种需求。外骨骼机器人是一种可以让人穿戴的机械装置，它将人类的智力和机器人的“体力”结合在一起利用人的智力来控制机器人，通过机器人来帮助人体完成日常活动。

膝关节在支撑相下肢负重时，震荡吸收以及确保承重时伸肌的稳定性。在摆动相，膝关节必须快速屈曲以完成足廓清，然后继续伸展以确保足在最佳状态下前进。因此，无论是支撑相还是摆动相，膝关节功能影响着整个下肢。

由于传统刚性下肢外骨骼，通常质量和体积较大，对人体助力方式简单直接，使用者容易受到损伤，同时，其结构易与肢体发生错位，产生额外的作用力并影响自然运动，这会在人机系统交互过程中产生不足，使人体感觉到不适。人体在运动过程中，在不同的路面状况等情况下，为了适应外界的变化以及干扰等，人体的关节会产生不同的刚度来抵抗干扰。人体外骨骼要和人体紧密联合，保持相对一致性。在受到外界冲击时，膝关节会产生一个刚度来抵抗冲击，此时若外骨骼不能同时产生相应的刚度，则外骨骼会与人体之间产生相对运动，从而产生内力，对于人机交互的安全性产生危害。

实用新型内容

本实用新型为了解决现有技术中的问题，提出一种拮抗式可变刚度膝关节外骨骼装置。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：一种拮抗式可变刚度膝关节外骨骼装置，它包括固定机构和助力机构，所述助力机构包括固定组件、柔性组件、测量组件和驱动组件，所述固定组件包括大腿基板、第一小腿基板和第二小腿基板，所述柔性组件包括弹簧杆、压缩弹簧和弹簧后端盖，所述测量组件包括旋转编码器和压力传感器，所述驱动组件包括膝关节槽轮和驱动器；所述膝关节槽轮与大腿基板转动连接，所述第一小腿基板同轴心固定在膝关节槽轮上，所述第一小腿基板和第二小腿基板之间通过合页相连，所述大腿基板和第二小腿基板上均设置有固定机构，所述压缩弹簧两端均设置有弹簧端盖，所述弹簧端盖上开设有三个通孔，所述弹簧杆数量为三个，三个弹簧杆通过弹簧端盖上的通孔对称连接，其中两个弹簧杆的一端与弹簧后端盖相连，另一个弹簧杆的一端与第一钢丝绳相连，所述弹簧后端盖与第二钢丝绳相连，所述第二钢丝绳连接膝关节槽轮，所述压力传感器与大腿基板固定连接，压力传感器前端固定有压头，所述第一钢丝绳一端与驱动器相连，另一端穿过压头后与弹簧杆相连，所述旋转编码器与膝关节槽轮同轴心设置。

更进一步的，所述驱动组件还包括换向座，所述换向座固定在大腿基板上，且位于柔性组件后方，所述换向座中部开设有方形孔，方形孔内设置有滑轮，所述滑轮通过塞打螺钉固定在方形孔内，所述第二钢丝绳通过滑轮后连接膝关节槽轮。

更进一步的，所述驱动组件还包括槽轮端盖、轴承座和轴承，所述槽轮端盖设置在膝关节槽轮上，所述旋转编码器与槽轮端盖固定连接，所述轴承座与大腿基板固定连接，所述轴承与轴承座配合固定，所述轴承外侧与膝关节槽轮过度配合固定。

更进一步的，所述弹簧杆为阶梯轴结构，阶梯轴结构细端加工有外螺纹，三个弹簧杆中的两个通过阶梯轴结构细端与弹簧后端盖相连，另一个弹簧杆通过阶梯轴结构细端与与第一钢丝绳相连。