一种可穿戴式无动力下肢外骨骼膝关节机构的制作方法

本发明涉及一种军事、工业、工程以及医疗等领域的适宜人体穿戴的一种无动力下肢外骨骼膝关节机构。

背景技术：

可穿戴式下肢外骨骼是一种可穿戴在人体上的伴随式智能装备，能够辅助或代替人体承载负重以减少所需消耗的能量，突破人体体能极限，大幅度提高人体的负重机动能力。其中，无动力外骨骼系统区别于有动力外骨骼系统，其主要体现在不含有伺服驱动系统和体积庞大的能源供给装置，是一种可穿戴在人体上的无动力助力装备，其在不干涉人体运动的前提下，使系统在人体负重行走过程中起到即能辅助支撑负荷、又能跟随人体行走的作用，最终达到降低体能消耗的目的，使人体负重行走能够跑的更快、走的更远。

目前，在穿戴式外骨骼领域出现的基本上是以有动力型助力外骨骼为主，而无动力型助力外骨骼则以美国洛克希德马丁fortis外骨骼、美国max外骨骼为典型代表，主要用于工业领域，无动力、轻型工业外骨骼，通过把重物的重量由系统机构承担直接转移至地面来支撑来减重。经测试，fortis外骨骼负重16.3kg无负重感，能够减少300％的肌肉疲劳，提高生产效率最大可达27倍，现已有两台样机交付海军测试。max外骨骼从组成上可分为三部分，分别为支撑背部、支撑腿和支撑肩部，三部分可以分别帮助减轻背部、腿部和肩部的重量，从而达到减少工人肌肉损伤的目的；支撑腿带有计算能力，可以感知到用户腿部的弯曲角度，从而提供相应的支撑；另外两个部分则是完全的机构设计，用来帮助工人分担负荷。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种可穿戴式无动力下肢外骨骼的膝关节机构。

本发明所涉及的一种可穿戴式无动力下肢外骨骼膝关节机构核心部件主要包括摩擦离合器、减速齿轮以及单向轴承。

本发明所涉及的一种可穿戴式无动力下肢外骨骼膝关节机构中大腿部件、摩擦离合器、减速齿轮、单向轴承、小腿部件依次串联连接，其中大腿部件与小腿部件采用铰链连接实现膝关节的屈/伸运动。

本发明所涉及的一种可穿戴式无动力下肢外骨骼膝关节机构通过控制摩擦离合器的分离与咬合实现外骨骼膝关节的摆动与支撑：当膝关节需要进行自由运动时，通过控制摩擦离合器分离，使得与主、从摩擦盘相连接的机构能相对自由运动；当膝关节需要进行支撑负载重力时，则通过控制摩擦离合器咬合，使得与主、从摩擦盘相连接的机构构成刚体，为负载提供刚性支撑。

本发明所涉及的一种可穿戴式无动力下肢外骨骼膝关节机构通过减速齿轮把摩擦离合器咬合时的摩擦扭矩放大一定倍数传递至外骨骼膝关节处，以保证膝关节具有足够的支撑扭矩，避免在关节的大扭矩需求中所选用的摩擦离合器的重量和体积过大。

本发明所涉及的一种可穿戴式无动力下肢外骨骼膝关节机构通过使用单向轴承实现在膝关节处于支撑负载状态时一方面可保证不阻碍膝关节的伸展运动，另一方面在膝关节的屈曲方向可提供支撑扭矩，同时，在膝关节处于摆动状态时还可以使膝关节在伸展运动方向脱离减速齿轮带来的摩擦扭矩，减小摆动腿前伸的阻力。

本发明的有益效果是根据外骨骼支撑负载助力的特点，通过采用具备使用广泛、成熟度及可靠性高等特点的摩擦离合器、减速齿轮以及单向轴承等市场现有产品及部件，实现了一种可穿戴式无动力下肢外骨骼膝关节机构，在无动力输入的条件下起到了帮助人体支撑负荷助力的效果，该机构具有简单可靠、在人体下肢摆动与支撑之间切换灵活、可提供足够大的扭矩且能保证机构质量及体积较小、并可保证不阻碍膝关节的伸展运动等特点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明——一种可穿戴式无动力下肢外骨骼膝关节结构连接示意图。

图2是本发明——摩擦离合器处剖视图。

图3是本发明——两级减速齿轮连接处剖视图。

图4是本发明——单向轴承处剖视图。

具体实施方式

参照图1，一种可穿戴式无动力下肢外骨骼膝关节机构由大腿部件1、摩擦离合器、两级减速机构、单向轴承9、小腿部件2依次串联连接，共包括三处运动轴连接，分别为10、11、12，其中大腿部件1与小腿部件2采用铰链连接10实现膝关节的屈/伸运动，摩擦离合器包括主摩擦片3、从摩擦片4，两级减速机构包括齿轮5、齿轮6、齿轮7、齿轮8。

图2所示，摩擦离合器主摩擦片3嵌入至外骨骼大腿部件1内，绕摩擦离合器主摩擦片3圆周方向包围。摩擦离合器从摩擦片4通过转接法兰15和轴11与两级减速齿轮中的齿轮5连接，齿轮5与轴11为一体式设计，连接法兰15与轴11通过键槽连接。轴11为中空阶梯轴，通过两端的深沟球轴承13和深沟球轴承14进行支撑，轴承14的靠部件17和轴套16进行定位，部件17嵌入在摩擦离合器主摩擦片3的内圈，端盖18是部件17的定位部件，端盖18和摩擦离合器主摩擦片3通过共用4颗螺钉与大腿部件1进行连接。

图3所示，两级减速齿轮中的齿轮7与轴12为一体式设计，轴12为中空阶梯轴，与两级减速齿轮中的齿轮6通过键槽连接，轴12通过两端的深沟球轴承19和深沟球轴承20进行支撑，轴承20嵌入在大腿部件1内。

图4所示，轴10为中空阶梯轴，与单向轴承9的内圈通过键槽连接，单向轴承9的外圈通过键槽与两级减速齿轮中的齿轮8连接，轴10通过两端的深沟球轴承21和深沟球轴承22进行支撑，轴承22嵌入在大腿部件1内。轴承10与小腿部件2的连接部件端通过方轴/孔形式进行连接。