一种膝关节助力机构的制作方法

本发明涉及生物外骨骼装置领域，特别涉及一种膝关节助力机构。

背景技术：

在人体活动中，膝关节是人体承受负担最大的部位，尤其在人体下蹲时对膝关节产生的负担尤为严重，膝关节也极容易疲劳。在外骨骼助力领域，人们总是希望获得一种膝关节助力机构，不需要额外的动力结构，只需要用弹簧储能原件完成即可；一般的膝关节助力机构都会使用弹簧，弹簧可以在人体行走时被压缩产生助力效果。

现有技术中，一般的膝关节助力机构使用时，由于助力机构多采用弹簧，进行助力时响应较快，对肌肉的压力较大，或者弹簧力量较小时支撑力可能不足。

技术实现要素：

本发明的目的在于：提供了一种膝关节助力机构，解决了一般的膝关节助力机构使用时，由于助力机构多采用弹簧，进行助力时响应较快，对肌肉的压力较大，或者弹簧力量较小时支撑力可能不足的问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种膝关节助力机构，包括腰带和连接在腰带上的外骨骼系统，所述外骨骼系统包括左右两个腿部支撑组件，所述腿部支撑组件包括大腿支撑杆和与大腿支撑杆铰接的小腿支撑杆和与小腿支撑杆连接的鞋底，还包括气缸和气缸和设置在鞋底内的气囊和蓄能装置，所述气缸一端与大腿支撑杆枢接，另一端与小腿支撑杆枢接；

还包括气管，气管的一端连接气囊，另一端连接气缸，其中，左腿的鞋底内的气囊与右腿的气缸连接，右腿的鞋底内的气囊与左腿的气缸连接。

人体行走时，腰带拴在腰间，大腿支撑杆绑扎在大腿上，小腿支撑杆绑扎在小腿上，大腿支撑杆与小腿支撑杆之间铰接有气缸。鞋底内设有气囊，气囊气路通向气缸。左右气囊交替供气，即右脚底气囊经气管控制左腿气缸，左脚底气囊经气管控制右腿气缸。

工作时，右脚跟着地，左脚跟抬起，此时右脚气囊开始压缩，左脚在蓄能装置的作用下气囊吸气，左腿气缸开始收缩。右脚跟着地的同时，右脚底部蓄能装置受压进行储能。

左脚跟着地，右脚跟抬起，此时左脚气囊压缩，右脚在蓄能装置的作用下气囊吸气，右腿气缸开始收缩。左脚跟着地的同时，左脚底部蓄能装置受压进行储能。

进一步的，所述鞋底由下鞋底和上鞋底组成，其中下鞋底和上鞋底形状相同且下鞋底前端与上鞋底的前端连接。下鞋底与上鞋底铰接连接，即下鞋底与上鞋底鞋尖固定。

进一步的，所述气囊和蓄能装置均设置在下鞋底和上鞋底之间。

进一步的，所述蓄能装置包括垂直于下鞋底的挡板和支撑板，所述挡板和支撑板之间设置有与挡板和支撑板垂直的导向杆，所述导向杆的方向与鞋底的鞋跟指向鞋尖的方向相同，还包括嵌套在导向杆外的导向套，所述导向套通过铰链与上鞋底连接，导向套还通过弹簧与挡板连接。

进一步的，所述挡板和支撑板分别位于导向杆的两端，其中挡板位于导向杆靠近鞋跟的一端。

进一步的，所述弹簧对导向套的作用力随下鞋底和上鞋底之间的间距增大而减小。本装置可以控制上下鞋底之间的角度，从而就保证了每只脚底气囊受压状态保持一致，从而使气囊产生的气压对气缸产生的作用力始终保持一样，避免了不同人行走时气缸活塞杆收缩行程不一致的问题。

采用上述结构的蓄能装置，由于导向套通过铰链与上鞋底连接，同时导向杆固定在下鞋底上，在脚跟着地时，上鞋底和下鞋底之间的间距减小，铰链与地面的夹角减小，铰链带动导向套沿导向杆轴向运动，拉伸或压缩弹簧；在脚跟离地时，拉伸或压缩的弹簧复位，驱动导向套沿导向杆轴向运动，导向套在弹簧的作用下，在水平方向的投影向与上鞋底铰接处靠近，铰链与地面的夹角增大，使上鞋底和下鞋底之间的间距增大，完成复位。

进一步的，所述鞋底的前端和后端均设置有绑带。便于鞋底与脚掌完成固定。

进一步的，所述气管的中段固定在腰带上。如果不将气管的中段固定在腰带上，而将气管直接与气缸直接连接，由于是左腿的气囊与右腿的气缸连接，而右腿的气囊与左腿的气缸连接，则在行动时气管容易绊倒用户，使用较为不便。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明一种膝关节助力机构，不只采用弹簧作为助力机构，还带有气缸，气缸动作时具有一定的阻尼，解决了一般的膝关节助力机构使用时，由于助力机构多采用弹簧，进行助力时响应较快，对肌肉的压力较大，或者弹簧力量较小时支撑力可能不足的问题

2.本发明一种膝关节助力机构，工作时，右脚跟着地，左脚跟抬起，此时右脚气囊开始压缩，左脚在蓄能装置的作用下气囊吸气，左腿气缸开始收缩。右脚跟着地的同时，右脚底部蓄能装置受压进行储能；左脚跟着地，右脚跟抬起，此时左脚气囊压缩，右脚在蓄能装置的作用下气囊吸气，右腿气缸开始收缩。左脚跟着地的同时，左脚底部蓄能装置受压进行储能。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的鞋底结构示意图；

图中，1-腰带，2-大腿支撑杆，3-小腿支撑杆，4鞋底，5-气缸，6-气囊，7-蓄能装置，701-挡板，702-导向杆，703-支撑板，704-导向套，705-铰链，706-弹簧，8-枢轴，9-气管。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

下面结合图1、图2对本发明作详细说明。

实施例1

一种膝关节助力机构，包括腰带1和连接在腰带上的外骨骼系统，所述外骨骼系统包括左右两个腿部支撑组件，所述腿部支撑组件包括大腿支撑杆2和与大腿支撑杆2铰接的小腿支撑杆3和与小腿支撑杆3连接的鞋底4，还包括气缸5和气缸5和设置在鞋底4内的气囊6和蓄能装置7，所述气缸5一端与大腿支撑杆2枢接，另一端与小腿支撑杆3枢接；

还包括气管9，气管的一端连接气囊6，另一端连接气缸5，其中，左腿的鞋底4内的气囊6与右腿的气缸5连接，右腿的鞋底4内的气囊6与左腿的气缸5连接。

人体行走时，腰带1拴在腰间，大腿支撑杆2绑扎在大腿上，小腿支撑杆3绑扎在小腿上，大腿支撑杆2与小腿支撑杆3之间铰接有气缸5。鞋底4内设有气囊6，气囊6气路通向气缸5。左右气囊6交替供气，即右脚底气囊6经气管9控制左腿气缸5，左脚底气囊6经气管9控制右腿气缸5。

工作时，右脚跟着地，左脚跟抬起，此时右脚气囊6开始压缩，将右脚气囊6中的气体压入左腿气缸5中，左腿气缸5开始收缩，左脚在蓄能装置7的作用下左脚气囊6吸气。右脚跟着地的同时，右脚底部蓄能装置7受压进行储能。

左脚跟着地，右脚跟抬起，此时左脚气囊6开始压缩，将左脚气囊6中的气体压入右腿气缸5中，右腿气缸5开始收缩，右脚在蓄能装置7的作用下右脚气囊6吸气。左脚跟着地的同时，左脚底部蓄能装置7受压进行储能。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，所述鞋底4由下鞋底401和上鞋底402组成，其中下鞋底401和上鞋底402形状相同且下鞋底401前端与上鞋底402的前端连接。下鞋底401与上鞋底402铰接连接，即下鞋底401与上鞋底402鞋尖固定。所述上鞋底402通过鞋跟处的枢轴8与小腿支撑杆连接。

进一步的，所述气囊6和蓄能装置7均设置在下鞋底401和上鞋底402之间。

进一步的，所述蓄能装置7包括垂直于下鞋底401的挡板701和支撑板703，所述挡板701和支撑板703之间设置有与挡板701和支撑板703垂直的导向杆702，所述导向杆702的方向与鞋底4的鞋跟指向鞋尖的方向相同，还包括嵌套在导向杆702外的导向套704，所述导向套704通过铰链705与上鞋底402连接，导向套704还通过弹簧706与挡板701连接。

进一步的，所述挡板701和支撑板703分别位于导向杆702的两端，其中挡板701位于导向杆702靠近鞋跟的一端。

进一步的，所述弹簧706对导向套704的作用力随下鞋底401和上鞋底402之间的间距增大而减小。

采用上述结构的蓄能装置7，由于导向套704通过铰链705与上鞋底402连接，同时导向杆702固定在下鞋底401上，在脚跟着地时，上鞋底402和下鞋底401之间的间距减小，铰链705与地面的夹角减小，铰链705带动导向套704沿导向杆702轴向运动，拉伸或压缩弹簧706；在脚跟离地时，拉伸或压缩的弹簧706复位，驱动导向套704沿导向杆702轴向运动，导向套704在弹簧706的作用下，在水平方向的投影向与上鞋底402铰接处靠近，铰链705与地面的夹角增大，使上鞋底402和下鞋底401之间的间距增大，完成复位。

进一步的，所述鞋底4的前端和后端均设置有绑带。便于鞋底4与脚掌完成固定。

进一步的，所述气管9的中段固定在腰带1上。如果不将气管9的中段固定在腰带1上，而将气管9直接与气缸5直接连接，由于是左腿的气囊6与右腿的气缸5连接，而右腿的气囊6与左腿的气缸5连接，则在行动时气管9容易绊倒用户，使用较为不便。

实施例3

本实施例与实施例2的区别在于，所述下鞋底401的鞋跟处安装挡板701，支撑板703安装在挡板701与鞋尖的连线上，铰链705与上鞋底402的连接点在下鞋底401上的投影相对于支撑板703距鞋尖更近，所述弹簧706始终处于压缩状态。

采用上述结构的蓄能装置7，由于导向套704通过铰链705与上鞋底402连接，同时导向杆702固定在下鞋底401上，在脚跟着地时，上鞋底402和下鞋底401之间的间距减小，铰链705与地面的夹角减小，铰链705带动导向套704沿导向杆702轴向运动，压缩弹簧706；在脚跟离地时，压缩的弹簧706复位，驱动导向套704沿导向杆702轴向运动，导向套704在弹簧706的作用下，在水平方向的投影向与上鞋底402铰接处靠近，铰链705与地面的夹角增大，使上鞋底402和下鞋底401之间的间距增大，完成复位。

以上所述，仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。