[发明专利]膝关节负功捕捉外骨骼装置

权利要求书

1.膝关节负功捕捉外骨骼装置，其特征在于，包括大腿连接件和小腿连接件，所述大腿连接件上设有大腿绑缚机构，所述小腿连接件上设有小腿绑缚机构，在所述大腿连接件靠近所述小腿连接件的一端设有大腿连接部，在所述小腿连接件靠近所述大腿连接件的一端设有小腿连接部，在所述小腿连接部上还沿轴向方向设有转动连接轴，所述大腿连接部和所述小腿连接部通过所述转动连接轴进行转动连接，以与人体膝关节的屈膝和伸膝运动相适应，在所述转动连接轴上还设有卷簧，且所述卷簧的内端点固定连接在所述转动连接轴上，所述卷簧的外端点固定连接在大腿连接部上，以使得伸膝时所述卷簧被压缩吸收负功，并在屈膝时所述卷簧复位为屈膝提供助力；

在行走过程的伸膝过程中，人体小腿将相对大腿向前摆动，此时小腿连接件也将相对大腿连接件向前摆动，小腿连接部将带动转动连接轴相对于大腿连接部向后转动，由于卷簧的内端点是固定连接在转动连接轴上的，故此时卷簧由于转动连接轴的转动而被压缩并储存弹性势能，同时在伸膝过程中，由于卷簧被压缩，故卷簧将对小腿的下落提供阻力，使得W_{小腿下落所需最小能量}

增大，根据负功的计算公式：

W_超出能量＝W_肌肉力+m_小腿*g*H_{重心改变量}-W_{小腿下落所需最小能量}

可以知道，当W_{小腿下落所需最小能量}增大时，可以使得作用在膝关节上的负功降低，进而通过卷簧的储能运动实现了对膝关节负功能量的有效吸收，从而达到减轻负功对膝关节的冲击；

膝关节负功捕捉发电外骨骼装置还包括储能飞轮，所述小腿连接部上还固定连接有关节输入齿轮，所述关节输入齿轮与所述储能飞轮之间通过齿轮传动组进行传动连接，以使得伸膝时所述关节输入齿轮能够经所述齿轮传动组带动所述储能飞轮转动进行储能；

膝关节负功捕捉发电外骨骼装置还包括安装在所述大腿连接件上的发电组件，所述发电组件包括发电机、以及连接在所述发电机的转轴上的输出齿轮，所述输出齿轮与所述齿轮传动组啮合，以使得所述齿轮传动组能够通过所述输出齿轮带动所述发电机的转轴进行转动发电；

所述齿轮传动组为单向持续增速齿轮组，所述单向持续增速齿轮组包括与所述关节输入齿轮啮合的单向齿轮组件、以及与所述单向齿轮组件啮合的飞轮齿轮组件，所述输出齿轮与所述飞轮齿轮组件啮合，且所述单向齿轮组件在伸膝过程中能够将所述关节输入齿轮的动力传递到所述飞轮齿轮组件，并在屈膝过程中断开所述关节输入齿轮与所述飞轮齿轮组件之间的动力传递；

所述飞轮齿轮组件包括飞轮齿轮系和飞轮轴，所述飞轮轴转动连接在所述大腿连接件上，且所述储能飞轮固定连接在所述飞轮轴上，以使得所述储能飞轮和所述飞轮轴能够同步转动，所述输出齿轮与所述飞轮齿轮系啮合；

所述单向齿轮组件包括转动连接在所述大腿连接件上的单向轴，所述单向轴上套设有单向齿轮和连轴齿轮，所述单向齿轮与所述关节输入齿轮啮合，所述单向齿轮通过第一单向轴承连接在所述单向轴上，以使得所述单向齿轮正向转动时能够通过所述第一单向轴承带动所述单向轴转动，且所述单向齿轮反向转动时能够相对所述单向轴自由转动，所述连轴齿轮与所述单向轴固定连接，以使得所述连轴齿轮和所述单向轴能够同步转动；

所述飞轮齿轮系包括过渡齿轮和飞轮齿轮，所述过渡齿轮与所述连轴齿轮啮合，且所述过渡齿轮还通过第二单向轴承连接在所述飞轮轴上，以使得所述过渡齿轮正向转动时能够通过所述第二单向轴承带动所述飞轮轴转动，且所述过渡齿轮反向转动时能够相对所述飞轮轴自由转动，所述飞轮齿轮与所述飞轮轴固定连接，以使得所述飞轮齿轮和所述飞轮轴能够同步转动，所述储能分类固定在所述飞轮齿轮上，且所述输出齿轮与所述飞轮齿轮啮合。

2.根据权利要求1所述的膝关节负功捕捉外骨骼装置，其特征在于，所述关节输入齿轮的半径大于所述单向齿轮的半径，以使得所述单向齿轮能够将所述关节输入齿轮的转速进行放大处理，所述飞轮齿轮的半径大于所述输出齿轮的半径，以使得所述输出齿轮能够将所述飞轮齿轮的转速进行放大处理。