一种膝关节助力装置的制作方法

本申请涉及一种膝关节助力装置，是一种可穿戴型下肢外骨骼助力机器人。

背景技术：

随着老年化社会的来临，越来越多的老年人容易遭受中风影响，丧失正常行走的能力。在行走过程中，下肢运动包含站立阶段(standingphase)以及摆动阶段(swingphase),在站立阶段(standingphase)膝盖需要承受上肢重量，大腿肌肉需要为膝关节提供高值扭矩，在摆动阶段(swingphase)下肢悬浮空中，膝关节自由伸展，大腿肌肉只需要提供小值扭矩，所以，在行走过程中，下肢膝关节表现为变刚度特性。

外骨骼是一种能维持或增强人体生理机能的可穿戴设备，在军事、医疗、助老助残等方面具有广阔应用前景。下肢外骨骼作为其中一种，旨在助力人体行走。在军事领域中，下肢外骨骼可增长徒步距离，提升负重能力，降低肌肉损伤风险，从而提升单兵作战能力。在医疗领域，下肢外骨骼可以用于患者的步态康复和残疾人的辅助行走。在助老领域，下肢外骨骼可以帮助老年人恢复行走能力。

近几年，由于中风引起的下肢瘫痪人群明显增加，可穿戴式下肢外骨骼的出现能够为穿戴者提供正常行走过程中下肢关节所需要的扭矩，帮助穿戴者行走以及康复。但是，在正常行走步态周期过程中，下肢站立阶段与摆动阶段膝关节与踝关节所需要的扭矩大小不同，所以需要为下肢助力外骨骼设计一种能够改变刚度大小的调节装置。

技术实现要素：

本申请要解决的技术问题是提供一种膝关节助力装置。

为了解决上述技术问题，本申请提供了一种膝关节助力装置，所述的膝关节助力装置包括刚度调节装置、动力机构，所述的刚度调节装置包括第一固定座、第二固定座、输出轴、锁紧装置，所述的第一固定座和第二固定座分别可滑动的套设在输出轴的第一端部和第二端部，所述的输出轴上套设有第一弹性元件、第二弹性元件，所述的第一弹性元件的一端作用于所述的锁紧装置，另一端部作用于所述的第一固定座，所述的第二弹性元件的一端部作用于输出轴，另一端部作用于所述的第一固定座，所述的锁紧装置具有锁紧状态和解锁状态，当所述的锁紧装置位于锁紧状态时，所述的锁紧装置被固定于所述的输出轴上；当所述的锁紧装置位于解锁状态时，所述的锁紧装置与所述的输出轴可相对滑动，所述的动力机构用于驱动所述的输出轴沿其轴向移动。

优选地，所述的锁紧装置包括驱动机构、紧固件及滑动件，所述的滑动件可滑动地套设在所述的输出轴上，所述的滑动件位于第二固定座与第一弹性元件之间，且所述的第一弹性元件的一端部作用于所述的滑动件，所述的紧固件通过一轴孔套设在所述的输出轴上，所述的输出轴与轴孔间隙配合，当所述的锁紧装置位于锁紧状态时，所述的紧固件的轴孔的轴线与所述的输出轴呈一夹角，所述的输出轴卡于所述的轴孔内；当所述的锁紧装置位于解锁状态时，所述的紧固件的轴孔的轴线与所述的输出轴大致平行，所述的输出轴能够在所述的轴孔内滑动。

优选地，所述的驱动机构包括用于对所述的紧固件施加一朝向第一固定座的弹力的加载件、用于驱动所述的紧固件向第二固定座方向移动的驱动组件，所述的驱动组件包括一第一驱动电机、被所述的第一驱动电机驱动的蜗杆、与所述的蜗杆配合的蜗轮，所述的蜗轮上设置有第一施压部，当蜗轮转动时，所述的加载件设置有第二施压部，所述的第一施压部和第二施压部分别抵压在所述的紧固件的两侧。

优选地，所述的第一弹性元件和第二弹性元件为套设在所述的输出轴上的弹簧，所述的输出轴为一阶梯轴，所述的第二弹性元件套设在所述的输出轴的轴颈上，且所述的第二弹性元件的的一端部作用于输出轴的轴肩，另一端部作用于所述的第一固定座。

优选地，所述的刚度调节装置还包括一连接板，所述的第一固定座和第二固定座固定在所述的连接板上。

优选地，所述的刚度调节装置还包括与所述的滑动件固定连接的第三固定座，所述的驱动机构安装在所述的第三固定座上，所述的第三固定座的横截面呈u形，所述的第三固定座包括两个相对的第一侧壁、第二侧壁、连接第一侧壁和第二侧壁的连接壁，所述的加载件安装在所述的第一侧壁上，所述的第一驱动电机及所述的蜗杆安装在所述的第二侧壁上，所述的蜗轮通过一轴线可转动的安装在所述的连接壁上。

优选地，所述的刚度调节装置还包括一第一安装板、第二安装板，所述的第一侧壁和第二侧壁的自由端部安装在所述的第一安装板上，所述的第一安装板与所述的第三固定座相互围合形成一横截面呈口字型的围合空间，所述的第二安装板固定在所述的滑动件上，所述的蜗杆的一端部可转动的安装在所述的第三固定座的第二侧壁上，另一端部可转动的安装在所述的第二安装板上。

优选地，所述的蜗杆与所述的第一驱动电机之间还设置有一减速器。

优选地，所述的动力机构包括固定在所述的输出轴的第一端部的拉绳、与所述的第一固定座相固定连接的连接件、安装在所述的连接件上的用于拉动拉绳的第二驱动电机。

本申请的膝关节助力装置，刚度调节装置安装在穿戴者大腿部位，并与大腿平行，动力机构安装在穿戴者膝盖部位，动力机构通过拉绳连接刚度调节机构下端，施加动力载荷。通过锁紧装置的锁紧和解锁，控制刚度调节装置的刚度，根据下肢站立阶段与摆动阶段膝关节与踝关节所需要的扭矩大小不同，其输出轴可输出两种不同刚度值，可提高行走柔顺性，帮助穿戴者行走以及康复。

附图说明

图1是本申请所述的一种膝关节助力装置的结构示意图。

图2是本申请的刚度调节装置的结构示意图。

图3是本申请的刚度调节装置的爆炸结构示意图。

图4是本申请的刚度调节装置的部分结构示意图。

图5是本申请的刚度调节装置在第一工作状态的结构示意图。

图6是本申请的刚度调节装置在第二工作状态的结构示意图。

其中：10、第一固定座；101、套筒；20、第二固定座；30、连接板；40、输出轴；41、第一弹性元件；50、紧固件；60、滑动件；61、第一安装板；63、第二弹性元件；70、第二安装板；71、第一驱动电机；72、减速器；73、蜗轮；74、蜗杆；75、第一施压部；76、加载件；77、第二施压部；100、刚度调节装置；200、动力机构；81、第二驱动电机；82、连接件；83、拉绳。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本申请并能予以实施，但所举实施例不作为对本申请的限定。

如图所示，本申请提供了一种膝关节助力装置，所述的膝关节助力装置包括刚度调节装置100、动力机构200。

所述的刚度调节装置100包括第一固定座10、第二固定座20、输出轴40、锁紧装置。

所述的第一固定座10和第二固定座20分别可滑动的套设在输出轴40的第一端部和第二端部，所述的输出轴40上套设有第一弹性元件41、第二弹性元件63，所述的第一弹性元件41的一端作用于所述的锁紧装置，另一端部作用于所述的第一固定座10，所述的第二弹性元件63的一端部作用于输出轴40，另一端部作用于所述的第一固定座10。

在一种优选方案中，所述的第一弹性元件41和第二弹性元件63为套设在所述的输出轴40上的弹簧，所述的输出轴40为一阶梯轴，所述的第二弹性元件63套设在所述的输出轴40的轴颈上，且所述的第二弹性元件63的的一端部作用于输出轴40的轴肩，另一端部作用于所述的第一固定座10。所述的刚度调节装置100还包括一连接板30，所述的第一固定座10和第二固定座20固定在所述的连接板30上。所述的刚度调节装置100通过连接板30安装在大腿部位。

所述的锁紧装置具有锁紧状态和解锁状态，当所述的锁紧装置位于锁紧状态时，所述的锁紧装置被固定于所述的输出轴40上；当所述的锁紧装置位于解锁状态时，所述的锁紧装置与所述的输出轴40可相对滑动，所述的动力机构200用于驱动所述的输出轴40沿其轴向移动。具体地，所述的锁紧装置包括驱动机构、紧固件50及滑动件60，所述的滑动件60可滑动地套设在所述的输出轴40上，所述的滑动件60位于第二固定座20与第一弹性元件41之间，且所述的第一弹性元件41的一端部作用于所述的滑动件60，所述的紧固件50通过一轴孔套设在所述的输出轴40上，所述的输出轴40与轴孔间隙配合，当所述的锁紧装置位于锁紧状态时，所述的紧固件50的轴孔的轴线与所述的输出轴40呈一夹角，所述的输出轴40卡于所述的轴孔内；当所述的锁紧装置位于解锁状态时，所述的紧固件50的轴孔的轴线与所述的输出轴40大致平行，所述的输出轴40能够在所述的轴孔内滑动。

所述的驱动机构包括用于对所述的紧固件50施加一朝向第一固定座10的弹力的加载件76、用于驱动所述的紧固件50向第二固定座20方向移动的驱动组件，所述的驱动组件包括一第一驱动电机71、被所述的第一驱动电机71驱动的蜗杆74、与所述的蜗杆74配合的蜗轮73，所述的蜗杆74与所述的第一驱动电机71之间还设置有一减速器72。所述的蜗轮73上设置有第一施压部75，当蜗轮73转动时，所述的加载件76设置有第二施压部77，所述的第一施压部75和第二施压部77分别抵压在所述的紧固件50的两侧。

在一种优选实施方案中，紧固件50为通过一轴孔套设在输出轴40上的板状件，所述的滑动件60为套设在输出杆上的块状件，所述的滑动件60具有一向第二固定座20方向伸出的受力部，所述的紧固件50的一端部为用于对所述的受力部施加推力的施力端，另一端部为在驱动机构的作用下能够沿施力端摆动摆动端。

所述的刚度调节装置100还包括与所述的滑动件60固定连接的第三固定座，所述的驱动机构安装在所述的第三固定座上，所述的第三固定座的横截面呈u形，所述的第三固定座包括两个相对的第一侧壁、第二侧壁、连接第一侧壁和第二侧壁的连接壁，所述的加载件76安装在所述的第一侧壁上，所述的第一驱动电机71及所述的蜗杆74安装在所述的第二侧壁上，所述的蜗轮73通过一轴线可转动的安装在所述的连接壁上。

所述的刚度调节装置100还包括一第一安装板61、第二安装板70，所述的第一侧壁和第二侧壁的自由端部安装在所述的第一安装板61上，所述的第一安装板61与所述的第三固定座相互围合形成一横截面呈口字型的围合空间，所述的第二安装板70固定在所述的滑动件60上，所述的蜗杆74的一端部可转动的安装在所述的第三固定座的第二侧壁上，另一端部可转动的安装在所述的第二安装板70上。

所述的动力机构200包括固定在所述的输出轴40的第一端部的拉绳83、与所述的第一固定座10相固定连接的连接件82、安装在所述的连接件82上的用于拉动拉绳83的第二驱动电机81。

本申请的膝关节助力装置的工作原理如下：

如图6所示，当第一驱动电机71逆时针旋转，通过减速器72带动蜗杆74逆时针旋转，蜗杆74带动蜗轮73朝向第二固定座20方向摆动，从而带动第一施压部75推动紧固件50的一端部克服加载件76的弹力，使紧固件50与输出轴40之间不发生接触，不产生摩擦力，即锁紧装置位于解锁状态。此时，动力机构200通过拉绳83拉动输出轴40的第一端部，滑动件60不发生运动，输出轴40只压缩第二弹性元件63，膝关节助力装置为膝关节提供低扭矩大小。

如图5所示，当第一驱动电机71顺时针旋转，通过减速器72带动蜗杆74顺时针旋转，加载件76的第二施加部对紧固件50施加的弹力使紧固件50的一端部朝向第一固定座10的方向摆动，使紧固件50的轴孔与输出轴40形成一夹角，输出轴40被卡于紧固件50的轴孔中，及锁紧装置位于锁紧状态。此时，动力机构200通过拉绳83拉动输出轴40的第一端部，紧固件50会随着输出轴40同时移动，滑动件60在紧固件50的推动下也向第一固定座10方向移动，第一弹性元件41和第二弹性元件63同时被压缩，膝关节助力装置为膝关节提供高扭矩大小。

本申请的膝关节助力装置，刚度调节装置100安装在穿戴者大腿部位，并与大腿平行，动力机构200安装在穿戴者膝盖部位，动力机构200通过拉绳83连接刚度调节机构下端，施加动力载荷。通过锁紧装置的锁紧和解锁，控制刚度调节装置100的刚度，根据下肢站立阶段与摆动阶段膝关节与踝关节所需要的扭矩大小不同，其输出轴40可输出两种不同刚度值，可提高行走柔顺性，帮助穿戴者行走以及康复。

以上所述实施例仅是为充分说明本申请而所举的较佳的实施例，本申请的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本申请基础上所作的等同替代或变换，均在本申请的保护范围之内。本申请的保护范围以权利要求书为准。