本发明涉及一种下肢外骨骼机器人，具体涉及一种刚柔耦合仿生外骨骼膝关节助力装置。
背景技术：
膝关节是人体最大也是最复杂的关节，一方面承担着身体的大部分重量，另一方面辅助人体实现行走、奔跑、跳跃等运动，同时医学研究表明，随着人年龄的逐渐增大，膝关节的老化不可避免，而即使是年轻人在运动中也同样由于运动损伤等其他原因导致膝关节受伤或患上膝关节炎等疾病而影响下肢行走，下肢膝关节外骨骼辅助装置的出现能够及时的帮助此类人群解决行走助力问题，但是膝关节的运动模式并非一个简单的屈伸运动，而是一个兼有屈伸、滚动、滑动、侧移和轴位旋转的复杂的多自由度的运动模式。目前，下肢膝关节辅助装置多为刚性结构连接，刚性大，无法代替或辅助人体膝关节发挥在运动中的缓冲作用；人机相容性较差，在运动中存在较大的人机干涉；自由度单一，仅有矢状面的屈曲伸展自由度，无法实现人体膝关节实际的多自由度运动。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对背景技术中，现有下肢膝关节辅助装置多为刚性结构连接，刚性大，无法代替或辅助人体膝关节发挥在运动中的缓冲作用；人机相容性较差，在运动中存在较大的人机干涉；自由度单一，仅有矢状面的屈曲伸展自由度，无法实现人体膝关节实际的多自由度运动等问题，提供一种刚柔耦合仿生外骨骼膝关节助力装置，本发明通过运用仿生学思想实现刚柔耦合、高度人机相容、多自由度的仿生外骨骼膝关节助力装置，通过设计绳索长度调节装置适应使用者在不同康复阶段的助力需求。
一种刚柔耦合仿生外骨骼膝关节助力装置，是由大腿组件、小腿组件和传动组件组成，小腿组件设置在大腿组件上，传动组件设置在小腿组件上；
所述大腿组件包括第一快换接头、第二快换接头、大腿支架、大腿绑腿、大腿支架盖、仿生股骨支架、第一股骨引导销、第二股骨引导销、第三股骨引导销、第一弹性垫、第二弹性垫、第三弹性垫、第四弹性垫、第一仿生韧带和第二仿生韧带，第一仿生韧带和第二仿生韧带结构相同，第一弹性垫、第二弹性垫、第三弹性垫和第四弹性垫结构相同，第一快换接头、第二快换接头分别通过端部的外螺纹与大腿支架顶部的两个内螺纹孔联接，大腿绑腿通过螺钉与大腿支架联接，大腿支架盖一端通过螺钉与大腿支架联接，另一端通过螺钉与仿生股骨支架联接，仿生股骨支架通过螺钉与大腿支架联接，第一股骨引导销、第二股骨引导销、第三股骨引导销分别设置在仿生股骨支架与大腿支架接合面处对应的两个孔中，第一弹性垫、第二弹性垫、第三弹性垫、第四弹性垫分别设置在仿生股骨支架凹槽两侧的孔中，第一仿生韧带通过螺钉固定设置在仿生股骨支架与仿生胫骨支架的表面，第二仿生韧带通过螺钉固定设置在仿生股骨支架与仿生胫骨支架另一侧表面；
所述小腿组件包括转盘、转盘轴套、固定螺栓、第一六角薄螺母、第二六角薄螺母、第一仿生半月板、第二仿生半月板、仿生胫骨支架、第一胫骨引导销、第二胫骨引导销、小腿支架、小腿绑腿、小腿支架盖、第一引导销、第二引导销、第一引导销套、第二引导销套、第一绳索长度调节装置和第二绳索长度调节装置，转盘轴套嵌入转盘内孔中，固定螺栓穿过转盘轴套内孔，并通过第一六角薄螺母和第二六角薄螺母将转盘固定在仿生胫骨支架通槽内，第一仿生半月板和第二仿生半月板分别通过螺钉固定设置在仿生胫骨支架通槽两侧，仿生胫骨支架一侧通过螺钉与小腿支架联接，另一侧通过螺钉与小腿支架盖联接，第一胫骨引导销和第二胫骨引导销分别设置在仿生胫骨支架与小腿支架接合面处对应的两个孔中，小腿支架盖另一端通过螺钉与小腿支架联接，第一引导销设置在第一引导销套上，第二引导销设置在第二引导销套上，第一引导销和第二引导销分别设置在小腿支架与小腿支架盖上，第一绳索长度调节装置和第二绳索长度调节装置分别通过螺钉固定在小腿支架内部，小腿绑腿通过螺钉与小腿支架联接，第一绳索长度调节装置和第二绳索长度调节装置结构相同；
所述传动组件包括第一绳索、第二绳索、第一外管和第一外管，第一绳索固定在第一绳索长度调节装置上，第一绳索沿小腿支架绕在线盘两侧的凹槽内，依次穿过仿生股骨支架孔、大腿支架，上端固定在第一外管上，第二绳索的下端固定在第二绳索长度调节装置上，第二绳索沿小腿支架绕在线盘两侧的凹槽内，依次穿过仿生股骨支架、大腿支架，上端固定在第一外管上，第一外管和第一外管分别固定在动力箱对应的接头上第一绳索和第二绳索分别固定在动力箱驱动转盘内部；
第一绳索长度调节装置包括固定板、芯轴、线套、调节旋钮、第一弹簧和第二弹簧，所述芯轴置于线套内孔，一端固定设置在在小腿支架内孔，同时芯轴轴肩与小腿支架内壁接触，另一端通过第二弹簧与线套内孔端面接合，所述固定板通过螺钉固定设置在在小腿支架内，固定板表面有内正八边形凹槽以及供芯轴穿过的内孔；所述线套一端具有正八边形凸台，正八边形凸台与固定板表面的内正八边形凹槽相配合，线套中段具有缠绕绳索装置，缠绕绳索装置包括上、下两侧绳索挡板，上侧挡板表面用于固定绳索固定端的孔，所述线套一端与固定板表面接合，另一端通过上侧绳索挡板与第一弹簧接合，所述第一弹簧套在线套上，第一弹簧一端与上侧绳索挡板接合，另一侧与小腿支架盖接合，调节旋钮通过螺钉与线套固定；
所述第一仿生韧带和第二仿生韧带中部具有半椭圆形大小切口，以减少助力装置在运动过程中第一仿生韧带和第二仿生韧带的异变形；
所述仿生股骨支架轮廓按照人体实际膝关节股骨截面轮廓曲线拟合而成，材料为钴基耐磨损合金或者其他耐磨材料；
所述第一仿生半月板和第二仿生半月板按照人体实际膝关节半月板截面轮廓曲线拟合而成，材料为耐磨高交联聚乙烯或者其他耐磨材料；
所述第一快换接头和第二快换接头为液压管路或气动管路通用的快换接头；
所述第一绳索和第二绳索为较强抗拉强度且耐磨的绳索。
本发明的工作过程及过程：
本发明提供的一种刚柔耦合仿生外骨骼膝关节助力装置，通过运用仿生学思想实现刚柔耦合、高度人机相容、多自由度的仿生外骨骼膝关节助力装置，通过更换不同外轮廓的转盘获得不同的力矩驱动曲线，以适应不同种情况下的膝关节助力需求，通过第一绳索长度调节装置和第二绳索长度调节装置适应使用者在不同康复阶段的助力需求；
刚柔耦合仿生外骨骼膝关节助力装置在装配完成后，第一仿生韧带与第二仿生韧带分别固定在仿生股骨支架、仿生胫骨支架的两侧，利用第一仿生韧带与第二仿生韧带的弹性，可实现外骨骼膝关节助力装置与人体膝关节相同的冠状面内的轻微的内展外收自由度，所述转盘固定在仿生胫骨支架通槽内，同时转盘与安装在仿生股骨支架凹槽内的第一弹性垫、第二弹性垫、第三弹性垫和第四弹性垫分别接触，利用第一仿生韧带、第二仿生韧带、第一弹性垫、第二弹性垫、第三弹性垫和第四弹性垫的弹性，可实现外骨骼膝关节助力装置与人体膝关节相同绕轴转动的自由度以及侧移自由度；
所述仿生股骨支架轮廓按照人体实际膝关节股骨截面轮廓曲线拟合而成，材料为钴基耐磨损合金或者其他耐磨材料，第一仿生半月板和第二仿生半月板按照人体实际膝关节半月板截面轮廓曲线拟合而成，材料为耐磨高交联聚乙烯或者其他耐磨材料，用以吸收运动过程中对膝关节的冲击，所述的通过仿人体膝关节股骨、半月板轮廓线制造的仿生膝关节，在实际使用时能够实现与人体膝关节同步的滑车运动，与人体完全相容；
刚柔耦合仿生外骨骼膝关节助力装置中，可通过更换不同外轮廓的转盘获得不同的力矩驱动曲线以适应不同种情况下的膝关节助力需求；
所述第一绳索长度调节装置和第二绳索长度调节装置可在外骨骼膝关节助力装置启动前对绳索进行长度调节，可使绳索牢固贴合在各个引导销以及转使线套从固定板中脱离，同时扭转调节旋钮带动线套旋转，对绳索进行预紧，达到预期要求后盘侧面的槽内；或者释放少量绳索，使动力箱驱动转盘旋转一定角度后将释放的绳索拉紧后再对膝关节助力，实现延后助力，以适应不同膝关节损伤恢复阶段的使用者，当进行绳索长度调节时，沿芯轴轴线方向拉动调节旋钮，释放调节旋钮，调节旋钮在第一弹簧和第二弹簧共同作用下沿沿芯轴轴线方向复位，重新进入固定板凹槽中，完成绳索长度调节。
本发明的有益效果：
本发明提供的一种刚柔耦合仿生外骨骼膝关节助力装置，通过运用仿生学思想实现刚柔耦合、高度人机相容、多自由度的仿生外骨骼膝关节助力装置，通过更换不同外轮廓的转盘获得不同的力矩驱动曲线以适应不同种情况下的膝关节助力需求，代替和辅助人体膝关节发挥在运动中的缓冲作用，人机相容性较高，在运动中人机干涉小，实现人体膝关节实际的多自由度运动。
附图说明
图1为本发明立体结构主视图；
图2为本发明立体结构的左视图；
图3为本发明立体结构的示意图；
图4为本发明立体结构分解示意图；
图5为本发明局部示意图；
图6为本发明转盘结构示意图；
图7为本发明转盘安装示意图；
图8为本发明第一绳索长度调节装置结构示意图；
图9为本发明驱动力矩与不同外轮廓线的盘形凸轮转角关系曲线图。
具体实施方式
请参阅图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8和图9所示，一种刚柔耦合仿生外骨骼膝关节助力装置，是由大腿组件1、小腿组件2和传动组件3组成，小腿组件2设置在大腿组件1上，传动组件3设置在小腿组件2上；
所述大腿组件1包括第一快换接头101、第二快换接头102、大腿支架103、大腿绑腿104、大腿支架盖105、仿生股骨支架106、第一股骨引导销107、第二股骨引导销108、第三股骨引导销109、第一弹性垫110、第二弹性垫111、第三弹性垫112、第四弹性垫113、第一仿生韧带114和第二仿生韧带115，第一仿生韧带114和第二仿生韧带115结构相同，第一弹性垫110、第二弹性垫111、第三弹性垫112和第四弹性垫113结构相同，第一快换接头101、第二快换接头102分别通过端部的外螺纹与大腿支架103顶部的两个内螺纹孔联接，大腿绑腿104通过螺钉与大腿支架103联接，大腿支架盖105一端通过螺钉与大腿支架103联接，另一端通过螺钉与仿生股骨支架106联接，仿生股骨支架106通过螺钉与大腿支架103联接，第一股骨引导销107、第二股骨引导销108、第三股骨引导销109分别设置在仿生股骨支架106与大腿支架103接合面处对应的两个孔中，第一弹性垫110、第二弹性垫111、第三弹性垫112、第四弹性垫113分别设置在仿生股骨支架106凹槽两侧的孔中，第一仿生韧带114通过螺钉固定设置在仿生股骨支架106与仿生胫骨支架208的表面，第二仿生韧带115通过螺钉固定设置在仿生股骨支架106与仿生胫骨支架208另一侧表面；
所述小腿组件2包括转盘201、转盘轴套202、固定螺栓203、第一六角薄螺母204、第二六角薄螺母205、第一仿生半月板206、第二仿生半月板207、仿生胫骨支架208、第一胫骨引导销209、第二胫骨引导销210、小腿支架211、小腿绑腿212、小腿支架盖213、第一引导销214、第二引导销215、第一引导销套216、第二引导销套217、第一绳索长度调节装置218和第二绳索长度调节装置219，转盘轴套202嵌入转盘201内孔中，固定螺栓203穿过转盘轴套202内孔，并通过第一六角薄螺母204和第二六角薄螺母205将转盘201固定在仿生胫骨支架208通槽内，第一仿生半月板206和第二仿生半月板207分别通过螺钉固定设置在仿生胫骨支架208通槽两侧，仿生胫骨支架208一侧通过螺钉与小腿支架211联接，另一侧通过螺钉与小腿支架盖213联接，第一胫骨引导销209和第二胫骨引导销210分别设置在仿生胫骨支架208与小腿支架211接合面处对应的两个孔中，小腿支架盖213另一端通过螺钉与小腿支架211联接，第一引导销214设置在第一引导销套216上，第二引导销215设置在第二引导销套217上，第一引导销214和第二引导销215分别设置在小腿支架211与小腿支架盖213上，第一绳索长度调节装置218和第二绳索长度调节装置219分别通过螺钉固定在小腿支架211内部，小腿绑腿212通过螺钉与小腿支架211联接，第一绳索长度调节装置218和第二绳索长度调节装置219结构相同；
所述传动组件3包括第一绳索301、第二绳索302、第一外管303和第一外管304，第一绳索301固定在第一绳索长度调节装置218上，第一绳索301沿小腿支架绕在线盘201两侧的凹槽内，依次穿过仿生股骨支架106孔、大腿支架103，上端固定在第一外管303上，第二绳索302的下端固定在第二绳索长度调节装置219上，第二绳索302沿小腿支架绕在线盘201两侧的凹槽内，依次穿过仿生股骨支架106、大腿支架103，上端固定在第一外管304上，第一外管303和第一外管304分别固定在动力箱对应的接头上第一绳索301和第二绳索302分别固定在动力箱驱动转盘内部；
第一绳索长度调节装置218包括固定板218-1、芯轴218-2、线套218-3、调节旋钮218-4、第一弹簧218-5和第二弹簧218-6，所述芯轴218-2置于线套218-3内孔，一端固定设置在在小腿支架211内孔，同时芯轴218-2轴肩与小腿支架211内壁接触，另一端通过第二弹簧218-6与线套218-3内孔端面接合，所述固定板218-1通过螺钉固定设置在在小腿支架211内，固定板218-1表面有内正八边形凹槽以及供芯轴218-2穿过的内孔；所述线套218-3一端具有正八边形凸台，正八边形凸台与固定板218-1表面的内正八边形凹槽相配合，线套218-3中段具有缠绕绳索装置，缠绕绳索装置包括上、下两侧绳索挡板，上侧挡板表面用于固定绳索固定端的孔，所述线套218-3一端与固定板218-1表面接合，另一端通过上侧绳索挡板与第一弹簧218-5接合，所述第一弹簧218-5套在线套218-3上，第一弹簧218-5一端与上侧绳索挡板接合，另一侧与小腿支架盖213接合，调节旋钮218-4通过螺钉与线套218-3固定；
所述仿生股骨支架106轮廓按照人体实际膝关节股骨截面轮廓曲线拟合而成，材料为钴基耐磨损合金或者其他耐磨材料；
所述第一仿生半月板206和第二仿生半月板207按照人体实际膝关节半月板截面轮廓曲线拟合而成，材料为耐磨高交联聚乙烯或者其他耐磨材料；
所述第一仿生韧带114和第二仿生韧带115中部具有半椭圆形大小切口，以减少助力装置在运动过程中第一仿生韧带114和第二仿生韧带115的异变形；
所述第一仿生韧带114、第二仿生韧带115、第一弹性垫110、第二弹性垫111、第三弹性垫112和第四弹性垫113均由高弹性材料制成；
所述第一快换接头101和第二快换接头102为液压管路或气动管路通用的快换接头；
所述第一绳索301和第二绳索302为较强抗拉强度且耐磨的绳索。
本发明的工作原理及过程：
请参阅图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8所示，本发明提供的一种刚柔耦合仿生外骨骼膝关节助力装置，通过运用仿生学思想实现刚柔耦合、高度人机相容、多自由度的仿生外骨骼膝关节助力装置，通过更换不同外轮廓的转盘201获得不同的力矩驱动曲线，以适应不同种情况下的膝关节助力需求，通过第一绳索长度调节装置218和第二绳索长度调节装置219适应使用者在不同康复阶段的助力需求；
刚柔耦合仿生外骨骼膝关节助力装置在装配完成后，第一仿生韧带114与第二仿生韧带115分别固定在仿生股骨支架106、仿生胫骨支架208的两侧，利用第一仿生韧带114与第二仿生韧带115的弹性，可实现外骨骼膝关节助力装置与人体膝关节相同的冠状面内的轻微的内展外收自由度，所述转盘201固定在仿生胫骨支架208通槽内，同时转盘201与安装在仿生股骨支架106凹槽内的第一弹性垫110、第二弹性垫111、第三弹性垫112和第四弹性垫113分别接触，利用第一仿生韧带114、第二仿生韧带115、第一弹性垫110、第二弹性垫111、第三弹性垫112和第四弹性垫113的弹性，可实现外骨骼膝关节助力装置与人体膝关节相同绕轴转动的自由度以及侧移自由度；
所述仿生股骨支架106轮廓按照人体实际膝关节股骨截面轮廓曲线拟合而成，材料为钴基耐磨损合金或者其他耐磨材料，第一仿生半月板206和第二仿生半月板207按照人体实际膝关节半月板截面轮廓曲线拟合而成，材料为耐磨高交联聚乙烯或者其他耐磨材料，用以吸收运动过程中对膝关节的冲击，所述的通过仿人体膝关节股骨、半月板轮廓线制造的仿生膝关节，在实际使用时能够实现与人体膝关节同步的滑车运动，与人体完全相容；
刚柔耦合仿生外骨骼膝关节助力装置中，可通过更换不同外轮廓的转盘201获得不同的力矩驱动曲线以适应不同种情况下的膝关节助力需求，本实施例中力矩曲线为曲线1；
所述第一绳索长度调节装置218和第二绳索长度调节装置219可在外骨骼膝关节助力装置启动前对绳索进行长度调节，可使绳索牢固贴合在各个引导销以及转盘201侧面的槽内；或者释放少量绳索，使动力箱驱动转盘旋转一定角度后将释放的绳索拉紧后再对膝关节助力，实现延后助力，力矩曲线为曲线4，曲线4是延后驱动，以适应不同膝关节损伤恢复阶段的使用者，当进行绳索长度调节时，沿芯轴218-2轴线方向拉动调节旋钮218-4，使线套218-3从固定板218-1中脱离，同时扭转调节旋钮218-4带动线套218-3旋转，对绳索进行预紧，达到预期要求后释放调节旋钮218-4，调节旋钮218-4在第一弹簧218-5和第二弹簧218-6共同作用下沿沿芯轴218-2轴线方向复位，重新进入固定板218-1凹槽中，完成绳索长度调节。