一种膝关节助力装置

本发明属于柔性外骨骼领域，具体涉及一种膝关节助力装置。

背景技术：

人在行走过程中，髋关节、膝关节和踝关节承受着的重量是身体总重量的3～5倍，膝关节和踝关节是极易受伤的两个关节。据北京大学医学部对2500人的调查表明，六十岁以上老年膝关节炎患病率为27.6％，而髋关节炎患病率老年人为0.8％，显然，膝关节炎症和损伤比例更高。据不完全统计，世界上有超过5亿膝关节损伤人群，日常行走会加重膝关节损伤人群的膝关节受力，加速膝关节损伤。因此，迫切需要开发新型体外结构对膝关节进行减负。

下肢外骨骼是一种穿戴在人体下肢外部，对穿戴者下肢进行运动助力的仿生机器人，可实现穿戴者负重行走运动，也可用于助老助残。下肢外骨骼按照助力装置驱动方式可以分为气压驱动下肢外骨骼、液压驱动下肢外骨骼、电动机驱动下肢外骨骼，以及无动力外骨骼等。从图中可以看出，现有的下肢外骨骼存在系统组成复杂、易收到外界干扰、舒适度较差、穿戴不方便、无法减小膝关节负责等缺点。使得该外骨骼应用于负重作业和康复医疗等领域，对于膝关节损伤患者以及老年人则不适用。为了解决上述问题，近年来下肢外骨骼发展主要集中于膝关节外骨骼。与下肢外骨骼类似，现有的膝关节外骨骼均采用了有源助力，这类膝关节外骨骼依然存在系统较复杂、重量大、助力装置易受干扰、美观度不足等缺点，难以让膝关节损伤患者和老年人长期佩戴。因此，迫切需要开发结构紧凑的轻量化无源膝关节外骨骼。

膝关节是人体受载最大、运动形式最复杂的关节之一。膝关节的屈伸运动，股骨不仅在胫骨上转动同时还会发生滑动，即膝关节的仿生结构设计需要实现转动的同时转动中心还要实现平动。此外，对于膝关节损伤患者和老年人而言，由于膝关节磨损严重，导致其步行、爬楼梯时会有剧烈的疼痛感，为了缓解这种疼痛感必须采用外骨骼辅助传力，让股骨和胫骨保持一定的间隙，减小磨损，即膝关节外骨骼要承受人体重量3～5倍的载荷。在此基础上，膝关节外骨骼仍然进行轻量化，减少使用者的负担。最后，对于膝关节损伤患者和老年人而言，这类人群具有一定的运动能力，但是由于膝关节损伤和老化导致其运动能力不足，难以负担无源膝关节外骨骼。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对现有膝关节外骨骼存在的结构复杂、重量大、无法减轻膝关节负荷的难题，提供一种膝关节助力装置。

为了解决上述技术问题，本发明采取的技术方案如下：

一种膝关节助力装置，包括大腿固定件、小腿固定件、支撑杆、支撑杆调节件、膝关节仿生结构以及大变形超弹性结构件；

所述的大腿固定件和小腿固定件具有仿生结构，能够根据人体肌肉结构进行松紧度调节，与人体的腿部肌肉贴合，用于将整个装置固定在人体膝盖位置；

所述的膝关节仿生结构为一对，分别位于人体膝盖的两侧，每个膝关节仿生结构的两端通过上下两个支撑杆活动地与大腿固定件和小腿固定件连接；上下两个支撑杆端部通过铰接的方式与膝关节仿生结构活动连接；

所述支撑杆调节件包括两组，分别位于大腿固定件和小腿固定件的两侧，每组两个支撑杆调节件分别与连接至大、小腿固定件上的支撑杆螺纹连接；

所述的大变形超弹性结构件的上下两端分别固定在大腿固定件和小腿固定件上。

进一步地，与膝关节仿生结构铰接的上下两个支撑杆之间，还通过一弧形弹性件连接；所述弧形弹性件的两端分别通过螺纹连接方式固定在上下两个支撑杆上，并环绕在膝关节仿生结构设置。

具体地，所述的支撑杆为采用梯度多孔结构填充的管状结构，包括与支撑杆调节件连接的细段和与膝关节仿生结构连接的粗段；所述的细段的端部通过螺纹与支撑杆调节件可调节地连接；所述的粗段与膝关节仿生结构活动地铰接。

具体地，所述的膝关节仿生结构包括圆形的外壳以及安装在外壳中部的偏心转轴，外壳的中心处设有限制偏心转轴移动的椭圆形滑槽；上下两个支撑杆的端部均与偏心转轴铰接。

具体地，所述的大变形超弹性结构件由一组上下依次连接的手性结构连接件组成，相邻的两个手性结构连接件通过之间的圆环角点连接，所述的手性结构连接件具有负泊松比，在大变形超弹性结构件收到外力发生变形时，手性结构连接件壁绕着圆环角点进行弯曲。

有益效果：

本发明膝关节助力装置整个外骨骼不采用任何动力源，由于减缓使用者膝关节磨损，降低运动所带来的疼痛感，采用滑动铰链结构实现膝关节的仿生，实现膝关节曲张运动过程中的转动和滑动耦合变形，整体结构紧凑、使用灵活方便、美观度较好。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是该膝关节助力装置的立体结构示意图。

图2是该膝关节助力装置的正面结构示意图。

图3是该膝关节助力装置的侧面结构示意图。

图4是该膝关节助力装置中支撑杆的结构示意图。

图5是该膝关节助力装置中膝关节仿生结构的局部放大图。

图6是该膝关节助力装置中大变形超弹性结构件的结构示意图。

图7是该膝关节助力装置使用状态图。

其中，各附图标记分别代表：1大腿固定件；2小腿固定件；3支撑杆；31细段；32粗段；4支撑杆调节件；5膝关节仿生结构；6大变形超弹性结构件；61手性结构连接件；62圆环角点；7偏心转轴；8弧形弹性件；9外壳；10椭圆形滑槽。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本发明。

说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“前”、“后”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1至图3所示，该膝关节助力装置由江苏高校'青蓝工程'以及国家自然科学基金(12071401)资助，包括大腿固定件1、小腿固定件2、支撑杆3、支撑杆调节件4、膝关节仿生结构5以及大变形超弹性结构件6。

其中，大腿固定件1和小腿固定件2具有仿生结构，采用高密度聚乙烯材料制成，能够根据人体肌肉结构通过绑带调节进行松紧度调节，与人体的腿部肌肉贴合，并采用绑带调整紧扣程度，用于将整个装置固定在人体膝盖位置。

膝关节仿生结构5为一对，分别位于人体膝盖的两侧，每个膝关节仿生结构5的两端通过上下两个支撑杆3活动地与大腿固定件1和小腿固定件2连接；上下两个支撑杆3端部通过铰接的方式与膝关节仿生结构5活动连接。

支撑杆调节件4包括两组，分别位于大腿固定件1和小腿固定件2的两侧，每组两个支撑杆调节件4分别与连接至大、小腿固定件上的支撑杆3螺纹连接；

大变形超弹性结构件6的上下两端分别固定在大腿固定件1和小腿固定件2上。

与膝关节仿生结构5铰接的上下两个支撑杆3之间，还通过一弧形弹性件8连接；所述弧形弹性件8的两端分别通过螺纹连接方式固定在上下两个支撑杆3上，并环绕在膝关节仿生结构5设置。弧形弹性件8提供部分回弹力，给膝盖一个伸张的助力。

如图4所示，支撑杆3为采用梯度多孔结构填充的管状结构，包括与支撑杆调节件4连接的细段31和与膝关节仿生结构5连接的粗段32；所述的细段31的端部通过螺纹与支撑杆调节件4可调节地连接，可以实现支撑间距的长度调控；粗段32与膝关节仿生结构5活动地铰接。支撑杆调节件4共两组，分别安装于大腿固定件1和小腿固定件2的两侧。通过自锁式螺纹旋钮调节支撑杆3螺纹段的伸长量，达到控制大腿固定件1、小腿固定件2和膝关节仿生结构5之间距离的目的。

膝关节仿生结构5包括圆形的外壳9以及安装在外壳9中部的偏心转轴7，外壳9的中心处设有限制偏心转轴7移动的椭圆形滑槽10；上下两个支撑杆3的端部均与偏心转轴7铰接。偏心转轴7不仅能在膝关节仿生结构5实现转动，同时实现滑动。外壳9中部设计椭圆形滑槽10的自锁结构，防止膝关节仿生结构5向前摆动，有效保护使用者的膝关节。

大变形超弹性结构件6由一组上下依次连接的手性结构连接件61组成，相邻的两个手性结构连接件61通过之间的圆环角点62连接，所述的手性结构连接件61具有负泊松比，在大变形超弹性结构件6收到外力发生变形时，手性结构连接件61壁绕着圆环角点62进行弯曲。当膝关节外骨骼发生弯曲时，大变形超弹性结构件6发生弯曲，手性结构连接件61绕着圆环角点62发生弯曲作用，使该大变形超弹性结构件6与人体膝关节区域发生同步弯曲；当腿部需要伸直时，手性结构连接件61绕着圆环角点62发生反向弯曲变形，则大变形超弹性结构件6发生回弹变形，推动人体膝关节伸直。

本发明提供了一种膝关节助力装置的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。