[实用新型]一种被动膝关节外骨骼

说明书

本发明公开了一种被动膝关节外骨骼，包括膝关节组件、踝关节组件和穿戴于腰间的腰带，所述膝关节组件与踝关节组件通过转轴相连接，所述腰带上设有两个吊带，两个所述吊带分别与两个对称的大腿杆的上端设有的吊带槽相固定连接，所述膝关节组件包括大腿凸轮、大腿杆和小腿杆，所述大腿杆的下端、大腿凸轮的圆心处和小腿杆的上端均设有大小相同的通孔，依次通过膝关节转轴活动连接实现一定弧度内的旋转运动，所述大腿凸轮的环形边缘设有限位槽。本发明具有外骨骼的助力可以通过机构综合和优化，模拟出人体膝关节的生物力学特性，实现最佳助力效果，以主动辅助变为被动支撑，更加具有舒适感。

技术领域

本实用新型属于外骨骼机器人领域，具体涉及到一种被动膝关节外骨骼。

背景技术

膝关节外骨骼具有增强正常人运动时的负载能力、防止肌肉疲劳等方面的作用，也可以辅助下肢受损人群的正常行走，防止膝关节炎等疾病的恶化。尽管已有很多不同的膝关节外骨骼被开发出来，但是上述的根本目标仍没有被很好地实现，阻碍了膝关节外骨骼的产业化。现有的膝关节外骨骼按照能量来源可以分为主动和被动式两类。

主动外骨骼的研发涉及能源、驱动、传感、机构设计、控制算法等方面，这类外骨骼的优点是可以通过改变控制律让外骨骼生成任意形式的辅助力矩，但是也具有很多缺陷，包含成本高，重量大，使用时间短，受限于电池技术。

人体膝关节在行走和下蹲过程中体现出分段线性变刚度的特性，目前仍没有被动膝关节外骨骼能实现这种特性。特别地，现有的设计无法做到在重力支撑状态下提供变刚度助力，而对摆腿状态没有任何阻碍。故，需要一种新的技术方案以解决上述问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术存在的不足，提供符合人工力学与人体行为习惯更加贴合的外骨骼辅助装置。

为达到上述目的，本实用新型采用了下列技术方案：

一种被动膝关节外骨骼，包括膝关节组件、踝关节组件和穿戴于腰间的腰带，所述膝关节组件与踝关节组件通过转轴相连接，所述腰带上设有两个吊带，两个所述吊带分别与两个对称的大腿杆的上端设有的吊带槽相固定连接，

所述膝关节组件包括大腿凸轮、大腿杆和小腿杆，所述大腿杆的下端、大腿凸轮的圆心处和小腿杆的上端均设有大小相同的通孔，依次通过膝关节转轴活动连接实现一定弧度内的旋转运动，所述大腿凸轮的环形边缘设有限位槽。

优选地，所述大腿杆的中端还设有大腿支撑板和大腿绑带。

优选地，所述小腿杆还设有小腿杆支撑板和移动限位孔，所述小腿杆的一侧连接阻尼器，所述阻尼器包括推杆和硬质弹簧，所述推杆的上端设有滑块，与所述小腿杆内侧开设的滑槽相适配使得推杆实现上下往复运动；所述硬质弹簧的顶端还设有球体的凸块。

优选地，所述凸块设置在所述大腿凸轮的限位槽内且紧邻所述限位槽的边缘轨迹移动。

优选地，所述推杆的下端与脚踏板通过踝关节转轴相连接。

优选地，所述硬质弹簧的凸块到小腿杆的距离与凸轮偏心距相等，阻尼器的相对运动方向与硬质弹簧的伸缩方向相同。

有益效果：与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：

（1）通过腰带和两侧的吊带，将整个膝关节外骨骼悬挂在人体的腰上，防止由于重力作用造成外骨骼滑落。大腿绑带穿过大腿杆，将其绑在人体大腿外侧，小腿绑带穿过小腿杆，将其绑在人体小腿外侧，两个绑带将外骨骼的力矩传递至人体上

（2）人体膝关节在撑地行走和下蹲的过程中类似一个分段线性弹簧，起到支撑人体的作用。

（3）被动膝关节外骨骼成本低，无需能源、驱动、传感和控制，重量轻，无需能源和电子部分，没有使用时间限制，无需能源。