本申请涉及运动辅助、医学康复以及助老装置领域，特别是一种拉索式膝关节助力装置，其包括膝关节限位装置、上端支撑装置、下端支撑装置、拉索和运动感知识别子系统；膝关节限位装置、上端支撑装置和下端支撑装置之间形成三角形结构，拉索依次穿过上端支撑装置、膝关节限位装置和下端支撑装置；上端支撑装置和下端支撑装置中安装有收紧和放松拉索的执行装置，运动感知子系统用于对行走阶段进行识别，控制执行装置的运动。本申请可通过执行装置来拉动钢索，产生压膝盖的力来使膝关节伸展，从而实现助力效果。本申请整体结构精简、体积小、重量轻、易穿戴，且助力效率高。
A cable type knee joint assist device
【技术实现步骤摘要】
一种拉索式膝关节助力装置
本申请涉及运动辅助、医学康复以及助老装置领域，特别是一种拉索式膝关节助力装置。
技术介绍
户外运动人群、老人等人群需要一种简洁高效的膝关节助力装置。当前的膝关节助力装置主要存在的问题包括两个方面：第一、机构本身比较庞大和复杂，其自身的体积和重量使得穿戴不方便；第二、助力效率低。因此，迫切需要一种简洁高效的膝关节助力装置。现有的膝关节助力装置专利有如专利申请号为201811440354.2，申请日为2018-11-29，名称为《一种膝关节助力机构》，其技术方案为：本专利技术公开了一种膝关节助力机构，腰带拴在腰间，大腿支撑杆绑扎在大腿上，小腿支撑杆绑扎在小腿上，大腿支撑杆与小腿支撑杆之间铰接有气缸。鞋底内设有气囊，气囊气路通向气缸。左右气囊交替供气，即右脚底气囊经气管控制左腿气缸，左脚底气囊经气管控制右腿气缸。右脚跟着地，左脚跟抬起，此时右脚气囊开始压缩，左脚在蓄能装置的作用下气囊吸气，左腿气缸开始收缩。右脚跟着地的同时，右脚底部蓄能装置受压进行储能。左脚跟着地，右脚跟抬起，此时左脚气囊压缩，右脚在蓄能装置的作用下气囊吸气，右腿气缸开始收缩。左脚跟着地的同时，左脚底部蓄能装置受压进行储能。再如专利申请号为201710050373.3，申请日为2017-01-23，名称为《用于攀登过程膝关节助力的柔性外骨骼机器人》的专利技术专利，其技术方案为：用于攀登过程膝关节助力的柔性外骨骼机器人，它涉及一种下肢助力外骨骼机器人，以解决现有下肢助力外骨骼机器人由于构型的刚性化所带来的体积大、重量大、与人体融合性低、灵活性差、能耗较大，且无法针对人体攀登过程膝关节进行柔顺化适应性辅助运动的问题，包括变力矩驱动装置、左腿、右腿和传动组件；左腿和右腿分别包括大腿和小腿；所述变力矩驱动装置包括电机、支撑架和驱动转盘；所述传动组件包括两条绳索、两根鲍登线管和两个鲍登线管固定接头；所述驱动转盘主要由连接为一体的凸轮绞盘分界盘和两个凸轮绞盘组成；所述大腿和所述小腿转动连接。《一种膝关节助力机构》专利是采用气囊的方式实现对膝关节的助力，但是这种助力结构效率过低，也不适用于日常使用。而《用于攀登过程膝关节助力的柔性外骨骼机器人》的结构较为复杂，在实际应用成本和故障率都较高。
技术实现思路
本申请针对上述现有应用中存在的不足和问题，提供一种拉索式膝关节助力装置。为实现上述技术效果，本申请的技术方案如下：一种拉索式膝关节助力装置，其特征在于：包括膝关节限位装置、上端支撑装置、下端支撑装置、拉索和运动感知识别子系统；膝关节限位装置、上端支撑装置和下端支撑装置之间形成三角形结构，拉索依次穿过上端支撑装置、膝关节限位装置和下端支撑装置；上端支撑装置和下端支撑装置中安装有收紧和放松拉索的执行装置，运动感知识别子系统用于对行走阶段进行识别，并控制执行装置运动。运动感知识别子系统包括：中央计算控制单元、惯性传感单元、存储单元和通信模块；通信模块用于数据传输；存储单元用于存放惯性传感器获得的数据和程序；中央计算控制单元根据惯性传感器收到的信息，进行行走阶段的识别，将控制指令通过通信模块控制执行装置运动。惯性传感单元包括计算处理单元、惯性传感器和通信单元，惯性传感器用于获得安放部位的加速度和角速度；通信模块用于数据传输；计算处理单元用于控制数据采集和传输。膝关节限位装置包括膝盖保护板、拉索限位装置和绑缚装置，膝盖保护板贴合膝盖表面；膝盖保护板的外表面为硬质的保护层，凹槽型的膝盖保护板内表面为软质内膜，拉索限位装置位于膝盖保护板上，拉索穿过拉索限位装置；膝盖保护板上设置有用于将其固定在人体膝盖部位的绑缚装置。进一步地，拉索限位装置设置有用于拉索通过、限制拉索活动轨迹的导向凹槽。上端支撑装置为主动上端支撑装置或被动上端支撑装置，下端支撑装置为主动下端支撑装置或被动下端支撑装置；上端支撑装置和下端支撑装置任意组合配对，包括如下组合：主动上端支撑装置+主动下端支撑装置、主动上端支撑装置+被动下端支撑装置、被动上端支撑装置+主动下端支撑装置、被动上端支撑装置+被动下端支撑装置。主动上端支撑装置或主动下端支撑装置包含执行装置和执行机构固定机构。执行装置包括：驱动模块、执行机构、执行机构输出转轮、和编码器，执行机构输出轴带动执行机构输出转轮转动，执行机构输出转轮上设置有用于固定拉索端头的卡槽；编码器用于测量电机输出转轮的旋转角度。执行机构可采用电机、液压机构等。执行机构固定机构用于安装执行装置；执行机构输出转轮的卡槽内设置有缓冲部件，在执行机构输出转轮的外部设置有防止钢索脱落的盖板。被动上端支撑装置或被动下端支撑装置包含固定机构、拉索端头轨道和缓冲部件；固定机构用于安装拉索，并通过绑缚装置捆绑固定在小腿部位；固定机构上设置有拉索端头轨道；拉索端头轨道中安装有缓冲部件。腰带捆绑在腰部横架部分。下端支撑装置包括有拉索端头盖，所述拉索端头盖上设置有固定槽。拉索的两端设置有钢索端头，钢索端头上设置有钢索弹簧，拉索的外表面包裹有橡胶管。拉索端点布局原则：尽量使拉索大腿部分和小腿部分的夹角较小。因此上端可布置在大腿外侧的后部、臀部上方或腰部等位置。下端可布置在小腿内侧的后部、脚后跟等位置。本申请的一个膝关节限位装置、一个上端支撑装置和一个下端支撑装置构成一组，两组结构之间可通过支撑架结构相连。一种主动上端支撑装置+被动下端支撑装置的工作流程如下。一种拉索式膝关节助力装置根据运动感知模块判断膝关节的运动意图，当人体膝关节意图进行伸展时，执行装置收到运动感知模块的信号后，执行机构正方向旋转，带动执行机构输出转轮旋转，缩短上下端支撑装置直接的钢丝，因为钢索的两端均绑缚固定在身体的某个部位，因而钢索将会对膝盖产生压力，帮助膝盖伸展；当人体膝关节意图进行屈曲时，执行装置收到运动感知模块的信号后反方向旋转，带动执行机构输出转轮旋转，放出缠绕的钢索，从上端固定点到下端固定点之间的钢索变长，不会对人体膝关节的屈曲运动造成阻碍。执行机构正方向旋转对钢索的作用是缠绕还是放出，可以进行不同的定义。当两端都是主动装置的时候，上下两个执行机构可以共同旋转实现上下端之间钢索的缩短和放长。当两端都是被动装置的时候，钢索的两端弹簧的初始化位置应该对应膝关节完全伸展状态，当人体膝关节屈曲时，拉动钢索端头在导轨中移动，压缩端头弹簧，当人体膝关节伸展时，弹簧的回复力缩短上下端固定点之间的钢索，从而辅助人体膝关节伸展。本申请的有益效果为：1、本申请可通过电机转动来拉动钢索进行收缩，从而产生压膝盖的力来使双腿站直，从而实现助力效果。能够将整体结构进行精简，使其体积和重量更容易穿戴；并且助力效率高。2、本申请的运动感知模块可用于对行走阶段进行识别，能够很快对运动的趋势进行预判，从而控制驱动装置朝运动趋势的方向驱动相关结构进行动作，提高了助力效果。附图说明图1为本申请整体结构示意图。图2为运动感知识别子系统结构本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种拉索式膝关节助力装置，其特征在于：包括膝关节限位装置（100）、上端支撑装置（200）、下端支撑装置（300）、拉索（400）和运动感知识别子系统（600）；膝关节限位装置（100）、上端支撑装置（200）和下端支撑装置（300）之间形成三角形结构；拉索（400）依次穿过上端支撑装置（200）、膝关节限位装置（100）和下端支撑装置（300）；上端支撑装置（200）和下端支撑装置（300）中安装有收紧和放松拉索（400）的执行装置（216），运动感知识别子系统（600）用于对行走阶段进行识别，并控制执行装置（216）运动。/n
【技术特征摘要】
1.一种拉索式膝关节助力装置，其特征在于：包括膝关节限位装置（100）、上端支撑装置（200）、下端支撑装置（300）、拉索（400）和运动感知识别子系统（600）；膝关节限位装置（100）、上端支撑装置（200）和下端支撑装置（300）之间形成三角形结构；拉索（400）依次穿过上端支撑装置（200）、膝关节限位装置（100）和下端支撑装置（300）；上端支撑装置（200）和下端支撑装置（300）中安装有收紧和放松拉索（400）的执行装置（216），运动感知识别子系统（600）用于对行走阶段进行识别，并控制执行装置（216）运动。
2.根据权利要求1所述的一种拉索式膝关节助力装置，其特征在于：运动感知识别子系统（600）包括：中央计算控制单元（610）、惯性传感单元（620）、存储单元（630）和通信模块（640）；通信模块（640）用于数据传输；存储单元（630）用于存放惯性传感器获得的数据和程序；中央计算控制单元（610）根据从惯性传感单元（620）收到的信息，进行行走阶段的识别，将控制指令通过通信模块控制执行装置（216）运动；惯性传感单元（620）包括计算处理单元（6202）、惯性传感器（6201）和通信单元（6203），惯性传感器（6201）用于获得安放部位的加速度和角速度；通信模块（6203）用于数据传输；计算处理单元（6202）用于控制数据采集和传输。
3.根据权利要求1所述的一种拉索式膝关节助力装置，其特征在于：膝关节限位装置（100）包括膝盖保护板（101）、拉索限位装置（102）和绑缚装置（103），膝盖保护板（101）贴合膝盖表面；膝盖保护板（101）的外表面为硬质的保护层，凹槽型的膝盖保护板（101）内表面为软质内膜，拉索限位装置（102）位于膝盖保护板（101）上，拉索（400）穿过拉索限位装置（102）；膝盖保护板（101）上设置有用于将其固定在人体膝盖部位的绑缚装置（103）。
4.根据权利要求1所述的一种拉索式膝关节助力装置，其特征在于：拉索限位装置（102）设置有用于拉索（400）通过、限制拉索（400）活动轨迹的导向凹槽（104）。
5.根据权利要求1所述的一种拉索式膝关节助力装置，其特征在于：上端支撑装置（200）为主动上端支撑装置或被动上端支撑装置，下端支撑装置（300）为主动下端支撑装置或被动下端支撑装置；主动上端支撑装置，被动上端支撑装置，主动下端支撑装置或被动下端支撑装置任意组合配对，包括如下组合：主动上端支撑装置+主动下端支撑装置、主动上端支撑装置+被动下端支撑装置、被动...
【专利技术属性】
技术研发人员：张向刚，王帅，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51
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