[发明专利]一种单源仿生动力膝关节及其实现方法

说明书

本发明公开了一种单源仿生动力膝关节及其实现方法。本发明采用两个转动方向相反的传动同步齿轮以及三个锥齿轮实现运动反向，在屈膝过程中，大腿传动同步齿轮传递力而小退传动同步齿轮只转动不传递力，实现了从大腿传动运动给小腿的膝关节屈膝动作模式，同样在伸膝过程中，小腿传动同步齿轮传递力而大退传动同步齿轮只转动不传递力，实现了从小腿传动运动给大腿的膝关节伸膝动作模式；在使用者行走过程中，能够充分考虑膝关节周围肌肉群的力学传递过程，符合仿生学要求，促进膝关节健康恢复；本发明在实现仿生模式需求的基础上，仅采用一个电机提供动力源实现了伸膝动作与屈膝动作，此外还实现了伸膝和屈膝动作切换控制的连续性。

技术领域

本发明涉及康复及智能仿生机器人领域，具体涉及一种单源仿生动力膝关节及其实现方法。

背景技术

由于年龄增长、肌肉损伤、神经损伤、残障等原因，有很大一部分人的膝关节存在运动功能障碍。为了恢复他们的运动能力，促进膝关节的健康恢复，可以使用动力膝关节装置(也称为外骨骼膝关节机器人、膝关节助力机器人等)，从而为受损膝关节提供动力支持。

人体的膝关节周围的多块肌肉，可以促使膝关节完成伸/屈等动作，其中伸膝肌的肌肉运动群主要是股四头肌(大腿正面)，屈膝肌主要包括了腘绳肌(大腿背面)、腓肠肌(小腿背面)。对于腓肠肌来说，近固定(靠近膝关节)时，足跖屈，屈小腿；远固定(靠近踝关节)时，拉大腿向后，协助伸膝。对于健康人群来说，其行走过程中膝关节的伸/屈主要是依赖于大腿的股四头肌及腘绳肌，腓肠肌是一个辅助作用，及膝关节的动力主要依赖于大腿；而对于膝关节受损人群来说，在膝关节伸的过程中较依靠小腿腓肠肌往上传递动力。

现在的动力膝关节设计中大多数采用一个电机，其动力旋转关节的输出轴中心穿过膝关节中心，较少考虑膝关节动力是从大腿往小腿传递，或者小腿往大腿传递，即使用者力学发生仿生学机制；亦或采用两个电机，进行分别切换工作，分别实现大腿往小腿传递动力及小腿往大腿传递动力，但是此时需要采用两个动力源。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，设计动力膝关节能够更符合使用者使用的仿生学需求，进一步促进动力膝关节对患者的动力支持和康复恢复作用，同时实现更简化的结构配置，本发明提出一种单源仿生动力膝关节及其实现方法。

本发明的一个目的在于提出一种单源仿生动力膝关节。

本发明的单源仿生动力膝关节包括：电机输出轴、小腿传动同步齿轮、同步带、小腿传动单向轴承、小腿连接轴、小腿膝关节啮合齿轮、大腿膝关节啮合齿轮、第一大腿连接轴、第一至第三锥齿轮、第二大腿连接轴、大腿传动单向轴承、大腿传动同步齿轮、电机、大腿连接架、小腿连接架、轴承组件以及膝关节支架；其中，电机连接电机输出轴；电机输出轴与大腿传动同步齿轮的内圈过盈配合；大腿传动同步齿轮的底部具有凹陷，大腿传动单向轴承的外圈与大腿传动同步齿轮的凹陷过盈配合；第二大腿连接轴的顶端与大腿传动单向轴承的内圈过盈配合；第二大腿连接轴的底端与第三锥齿轮过盈配合；第三锥齿轮与第二锥齿轮的顶端90°齿轮啮合；第二锥齿轮的底端与第一锥齿轮90°齿轮啮合；第一锥齿轮与第一大腿连接轴的顶端过盈配合；第一大腿连接轴的底端与大腿膝关节啮合齿轮的内圈过盈配合；大腿膝关节啮合齿轮与小腿膝关节啮合齿轮通过齿轮啮合；小腿膝关节啮合齿轮的内圈与小腿连接轴的底端过盈配合；小腿连接轴的顶端与小腿传动单向轴承的内圈过盈配合；小腿传动同步齿轮的底部具有凹陷，小腿传动单向轴承的外圈与小腿传动同步齿轮的凹陷过盈配合；小腿传动同步齿轮与大腿传动同步齿轮的外圈与同步带啮合；大腿膝关节啮合齿轮、第一大腿连接轴、第一和三锥齿轮、第二大腿连接轴、大腿传动单向轴承、大腿传动同步齿轮以及电机输出轴均共轴，以电机输出轴为大腿中心轴；小腿传动同步齿轮、小腿传动单向轴承、小腿连接轴和小腿膝关节啮合齿轮均共轴，小腿连接轴为小腿中心轴；大腿中心轴与小腿中心轴互相平行；小腿传动同步齿轮、大腿传动同步齿轮、第一至第三锥齿轮、小腿连接轴的中部分别通过轴承组件安装固定在膝关节支架上；电机安装在膝关节支架上；大腿膝关节啮合齿轮与大腿连接架固定连接；小腿膝关节啮合齿轮与小腿连接架固定连接。