[发明专利]膝关节负功捕捉外骨骼装置

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及可穿戴设备技术领域，具体涉及一种膝关节负功捕捉外骨骼装置。

背景技术

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。

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。

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。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明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。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

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。

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。