膝关节负功捕捉外骨骼装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种膝关节负功捕捉外骨骼装置，包括大腿连接件和小腿连接件，大腿连接件上设有大腿绑缚机构，小腿连接件上设有小腿绑缚机构，在大腿连接件上设有大腿连接部，在小腿连接件上设有小腿连接部，在小腿连接部上还沿轴向方向设有转动连接轴，大腿连接部和小腿连接部通过转动连接轴进行转动连接，在转动连接轴上还设有卷簧，且卷簧的内端点固定连接在转动连接轴上，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。本发明专利技术能对膝关节伸膝过程中的负功进行有效吸收，进而减轻负功对膝关节的冲击，对膝关节进行有效保护。进行有效保护。进行有效保护。

【技术实现步骤摘要】
膝关节负功捕捉外骨骼装置


[0001]本专利技术涉及可穿戴设备
，具体涉及一种膝关节负功捕捉外骨骼装置。

技术介绍

[0002]外骨骼一种能够穿戴在人体上的结构，它能够把人体做出的行为和机械系统的动能紧密联系起来，与此同时，为人提供需要的额外动力，进而增强人体运动机能；外骨骼根据穿戴部位的不同分为上肢外骨骼和下肢外骨骼，上肢外骨骼穿戴在人体上肢，主要为人体上肢的搬运提供助力，下肢外骨骼穿戴在人体的下肢，主要为人体下肢的运动提供助力。
[0003]下肢外骨骼根据穿戴部位的不同又可以分为膝关节外骨骼、踝关节外骨骼等，现有技术中的膝关节外骨骼主要是用于对人体膝关节的运动提供助力，如在军事领域，膝关节外骨骼可以通过对军人运动过程中的膝关节提供助力，以增长徒步行走距离，提升负重能力，又如在医疗领域，膝关节外骨骼可以用于患者的步态康复训练，提高康复效果，在助老助残领域，膝关节外骨骼可以用于残疾人的辅助行走、一级帮助老年人恢复行走能力。
[0004]现有技术中的下肢外骨骼主要集中在对膝关节提供运动助力方面的研究，而通过对人体膝关节运动过程的研究发现，在人体行走过程中，人体膝关节的运动分为伸膝过程和屈膝过程，在人体膝关节的伸膝过程中存在一部分多余的能量以冲击（或摩擦）的形式作用在膝关节上，该能量称为膝关节负功（以下简称负功），负功对膝关节的冲击是膝关节损伤的主要原因之一。负功是当伸膝过程结束后，膝关节转角减小到零度后无法继续减小，超出部分的能量讲以股骨与胫骨相撞的方式冲击在膝关节上，在人体伸膝过程中超出部分的能量可以通过下式进行计算：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
上式中的W
超出能量
即为负功；由于负功的存在使得人体每次的伸膝运动膝关节都会受到负功的冲击，进而导致长时间运动后膝关节的损伤。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的上述不足，本专利技术要解决的技术问题是：如何提供一种能对膝关节伸膝过程中的负功进行有效吸收，进而减轻负功对膝关节的冲击，对膝关节进行有效保护的膝关节负功捕捉外骨骼装置。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：膝关节负功捕捉外骨骼装置，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。
[0007]在本方案中，以人体的方向作为参考方向，即本方案中的前、后、左、右、上、下分别对应为人体的前、后、左、右、上、下，同时本方案中的轴向为左右方向，竖向为上下方向，纵向为前后方向，单向齿轮和过渡齿轮的正向转动方向为伸膝运动时的转动方向，反向转动方向则为屈膝运动时的转动方向。
[0008]本专利技术的工作原理是：本专利技术的外骨骼装置在使用时，分别通过大腿绑缚机构和小腿绑缚机构将该外骨骼装置穿戴在人体下肢，当人体在进行屈膝和伸膝运动时，大腿连接部和小腿连接部之间通过转动连接轴进行转动来适应人体膝关节的运动，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，起到对膝关节进行保护的目的。
[0009]同时，在屈膝时，由于卷簧在伸膝过程中是处于不断被压缩的状态，故在屈膝时，卷簧储存的能量将被释放，进而为屈膝时提供助力。
[0010]综上，本方案利用伸膝时卷簧的储能来减小作用在膝关节上的负功，进而达到减轻负功对膝关节的冲击，起到对膝关节的保护作用，同时本方案还能在屈膝时为膝关节提供助力。
[0011]优选的，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。
[0012]这样，当人体在做伸膝运动时，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，小腿连接部将带动关节输入齿轮相对于大腿连接部向后转动，而关节输入齿轮的转动再进一步通过齿轮传动组传递到储能飞轮处，利用储能飞轮对伸膝运动过程中的负功进行进一步的吸收，进一步提高了对膝关节的保护效果。
[0013]优选的，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。
[0014]这样，当人体的膝关节在运动过程中，小腿相对大腿运动，小腿连接部也将相对大腿连接部运动，进而使得关节输入齿轮跟随小腿连接部转动，关节输入齿轮跟随小腿连接部转动的同时再进一步通过齿轮传动组传递到发电接的输出齿轮上，使得输出齿轮转动，输出齿轮转动再带动发电机的转轴进行转动发电，由此实现了利用膝关节的运动进行发电
的目的，发出的电能可以用于外部充电设备和用电设备的使用，且发电组件的设置对膝关节负功的吸收也具有一定的效果，从而进一步减小负功对膝关节的冲击力。
[0015]优选的，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。
[0016]这样，在伸膝过程中，关节输入齿轮将动力传递给单向齿轮组件，单向齿轮组件再进一步将动本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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。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，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。3.根据权利要求2所述的膝关节负功捕捉外骨骼装置，其特征在于，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。4.根据权利要求3所述的膝关节负功捕捉外骨骼装置，其特征在于，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。5.根据权利要求4所述的膝关节负功捕捉外骨骼装置，其特征在于，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。6.根据权利要求5所述的膝关节负功捕捉外骨骼装置，其特征在于，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：黎波，刘家红，刘闽超，李仪有，胡东森，冷家望，秦金宝，李玉霞，
申请(专利权)人：重庆理工大学，
类型：发明
国别省市：