一種基于氣動肌肉的膝關(guān)節(jié)外骨骼助力機(jī)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于氣動肌肉的膝關(guān)節(jié)外骨骼助力機(jī)構(gòu)，包括大腿支架、兩個結(jié)構(gòu)相同的腿部部件；腿部部件的上端分別連接在大腿支架上，腿部部件包括從上至下依次連接的大腿、膝關(guān)節(jié)和小腿；大腿下端與小腿的上端通過膝關(guān)節(jié)進(jìn)行轉(zhuǎn)動連接；大腿包括通軸和兩個氣動肌肉組件，膝關(guān)節(jié)包括轉(zhuǎn)輪和連接軸；通軸上端固定在大腿支架的底端；通軸下端設(shè)置連接軸，連接軸上套設(shè)轉(zhuǎn)輪，小腿的上端套設(shè)在連接軸上并與轉(zhuǎn)輪固定連接，轉(zhuǎn)輪通過兩個氣動肌肉組件和索繩來帶動轉(zhuǎn)動。借助氣動肌肉產(chǎn)生的作用力，對膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生輔助力矩，實現(xiàn)助力功能，借助氣動肌肉產(chǎn)生的拉力鍛煉膝關(guān)節(jié)，可以有效減輕醫(yī)護(hù)人員的勞動強(qiáng)度。
【專利說明】一種基于氣動肌肉的膝關(guān)節(jié)外骨骼助力機(jī)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種基于氣動肌肉的膝關(guān)節(jié)外骨骼助力機(jī)構(gòu)，屬于仿生機(jī)器人【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]外骨骼技術(shù)已經(jīng)有二十多年的歷史。通過仿生學(xué)原理，旨在設(shè)計一種能夠增強(qiáng)人體能力的機(jī)電一體化裝置，可穿戴在操作人員體外，提供諸如動力、支撐、保護(hù)等功能。
[0003]外骨骼常見的驅(qū)動有電機(jī)、液壓、氣動等形式。電機(jī)驅(qū)動的功率/質(zhì)量比較小，滿足條件后質(zhì)量及電機(jī)的體積都比較大。液壓驅(qū)動存在泄露、系統(tǒng)成本高、可靠性差。氣壓驅(qū)動雖然存在許多優(yōu)點(diǎn)，但功率/體積質(zhì)量有限，無法滿足外骨骼對驅(qū)動器簡單輕便的要求。同時氣動伺服系統(tǒng)也存在空氣壓縮性、弱阻尼特性、閥口流動的強(qiáng)非線性以及低剛度性等弱點(diǎn)。
[0004]近年來一類基于生物肌肉運(yùn)動原理而設(shè)計開發(fā)出來的驅(qū)動器一氣動人工肌肉(簡稱PMA)。因其較好的柔性以及良好的功率/體積和輸出/自重比使外骨骼助力機(jī)構(gòu)輕便化的設(shè)計成為可能。
實用新型內(nèi)容
[0005]目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型提供一種基于氣動肌肉的膝關(guān)節(jié)外骨骼助力機(jī)構(gòu)，為適合相關(guān)人員穿戴的膝關(guān)節(jié)外骨骼機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)助力功能，方便、輕巧，易于控制。
[0006]技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問題，本實用新型采用的技術(shù)方案為:
[0007]一種基于氣動肌肉的膝關(guān)節(jié)外骨骼助力機(jī)構(gòu)，其特征在于:包括大腿支架、兩個結(jié)構(gòu)相同的腿部部件；腿部部件的上端分別連接在大腿支架上，所述腿部部件包括從上至下依次連接的大腿、膝關(guān)節(jié)和小腿；大腿下端與小腿的上端通過膝關(guān)節(jié)進(jìn)行轉(zhuǎn)動連接；
[0008]所述大腿包括通軸和兩個氣動肌肉組件，所述膝關(guān)節(jié)包括轉(zhuǎn)輪和連接軸；通軸上端固定在大腿支架的底端；通軸下端設(shè)置連接軸，連接軸上套設(shè)轉(zhuǎn)輪，小腿的上端套設(shè)在連接軸上并與轉(zhuǎn)輪固定連接，轉(zhuǎn)輪通過兩個氣動肌肉組件和索繩來帶動轉(zhuǎn)動；兩個氣動肌肉組件的上端分別與大腿支架底端固定連接，下端分別與索繩的兩端連接，索繩中間部位繞轉(zhuǎn)輪纏繞帶動轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動進(jìn)而帶動小腿轉(zhuǎn)動。
[0009]所述的一種基于氣動肌肉的膝關(guān)節(jié)外骨骼助力機(jī)構(gòu)，其特征在于:所述氣動肌肉組件，包括:第一螺紋桿、氣動肌肉、快擰插頭、徑向連接件、第二螺紋桿、雙耳環(huán)；其中第一螺紋桿、氣動肌肉、徑向連接件、第二螺紋桿、雙耳環(huán)依次連接，第一螺紋桿上端與大腿支架連接；雙耳環(huán)上連接索繩且索繩纏繞在轉(zhuǎn)輪上；氣動肌肉的上端設(shè)有進(jìn)出氣口，與氣源相連通，下端封閉，快擰插頭通過徑向連接件與氣動肌肉內(nèi)部相連通。
[0010]所述的一種基于氣動肌肉的膝關(guān)節(jié)外骨骼助力機(jī)構(gòu)，其特征在于:所述膝關(guān)節(jié)，還包括深溝球軸承、軸承套筒和旋轉(zhuǎn)編碼器；連接軸與通軸兩側(cè)分別固定連接；轉(zhuǎn)輪徑向通過深溝球軸承套設(shè)在連接軸上能夠繞連接軸轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)輪軸向通過軸承套筒與通軸一側(cè)固定；旋轉(zhuǎn)編碼器與轉(zhuǎn)輪固定在一起實現(xiàn)同步轉(zhuǎn)動。
[0011]所述的一種基于氣動肌肉的膝關(guān)節(jié)外骨骼助力機(jī)構(gòu)，其特征在于:所述小腿通過螺栓與膝關(guān)節(jié)上的轉(zhuǎn)輪相連。
[0012]所述的一種基于氣動肌肉的膝關(guān)節(jié)外骨骼助力機(jī)構(gòu)，其特征在于:所述小腿為鏤空鋁板結(jié)構(gòu)，設(shè)有綁帶可有效固定。
[0013]所述的一種基于氣動肌肉的膝關(guān)節(jié)外骨骼助力機(jī)構(gòu)，其特征在于:所述通軸包括兩塊平行設(shè)置的豎板和橫板，兩豎板上端分別垂直固定連接在橫板上，下端分別與連接軸垂直相連。
[0014]作為優(yōu)選方案，所述的一種基于氣動肌肉的膝關(guān)節(jié)外骨骼助力機(jī)構(gòu)，其特征在于:通軸上端通過螺栓固定在大腿支架的底端；連接軸通過螺栓與通軸兩側(cè)分別固定連接。
[0015]有益效果:本實用新型提供的一種基于氣動肌肉的膝關(guān)節(jié)外骨骼助力機(jī)構(gòu)，基于生物肌肉運(yùn)動原理而設(shè)計開發(fā)出來的驅(qū)動器一氣動人工肌肉(簡稱PMA)，具有較好的柔性以及良好的功率/體積和輸出/自重比，使外骨骼助力機(jī)構(gòu)輕便化的設(shè)計成為可能；穿戴者穿戴好氣動肌肉驅(qū)動的膝關(guān)節(jié)外骨骼助力機(jī)構(gòu)后，借助氣動肌肉產(chǎn)生的拉力鍛煉膝關(guān)節(jié)，可以有效減輕醫(yī)護(hù)人員的勞動強(qiáng)度，滿足人們?nèi)找嬖黾拥膶︶t(yī)療護(hù)理的需求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1和圖2為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖3為本實用新型中氣動肌肉組件的結(jié)構(gòu)圖；
[0018]圖4為本實用新型中膝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)圖；
[0019]圖5為本實用新型中氣動肌肉的氣動控制系統(tǒng)原理圖。
[0020]圖中:大腿支架1、通軸2、氣動肌肉組件3、小腿4、轉(zhuǎn)輪5、連接軸6、深溝球軸承7、軸承套筒8、豎板9、橫板10、索繩11、氣源20、氣動三聯(lián)件21、安全閥22、兩位五通電磁閥23、比例減壓閥24、壓力傳感器25 ;氣動肌肉30、第一螺紋桿31、徑向連接件32、第二螺紋桿33、雙耳環(huán)34、快擰插頭35。

【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖對本實用新型作更進(jìn)一步的說明。
[0022]如圖1至圖4所示，為一種基于氣動肌肉的膝關(guān)節(jié)外骨骼助力機(jī)構(gòu)，包括大腿支架1、兩個結(jié)構(gòu)相同的腿部部件；腿部部件的上端分別連接在大腿支架I上，腿部部件包括從上至下依次連接的大腿、膝關(guān)節(jié)和小腿4 ;大腿下端與小腿4的上端通過膝關(guān)節(jié)進(jìn)行轉(zhuǎn)動連接；
[0023]所述大腿包括通軸2和兩個氣動肌肉組件3，所述膝關(guān)節(jié)包括轉(zhuǎn)輪5和連接軸6 ;通軸2上端通過螺栓固定在大腿支架I的底端；通軸2下端設(shè)置連接軸6，連接軸6上套設(shè)轉(zhuǎn)輪5，小腿4的上端套設(shè)在連接軸6上并與轉(zhuǎn)輪5固定連接，轉(zhuǎn)輪5通過兩個氣動肌肉組件3和索繩來帶動轉(zhuǎn)動；兩個氣動肌肉組件3的上端分別與大腿支架I底端固定連接，下端分別與索繩11的兩端連接，索繩中間部位繞轉(zhuǎn)輪5纏繞帶動轉(zhuǎn)輪5轉(zhuǎn)動進(jìn)而帶動小腿4轉(zhuǎn)動。氣動肌肉組件3的下端引出一根索繩，索繩的纏繞在轉(zhuǎn)輪5上，纏繞幾圈后與另一根氣動肌肉組件3的下端連接，氣動肌肉的收縮運(yùn)動可帶動轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)動，從而帶動小腿轉(zhuǎn)動。
[0024]如圖2所示，所述通軸2包括兩塊平行設(shè)置的豎板9和橫板10，兩豎板9上端分別垂直固定連接在橫板10上，下端分別與連接軸垂直相連。作為優(yōu)選，豎板9為鋁板材質(zhì)。
[0025]如圖3所示，所述氣動肌肉組件3，包括:第一螺紋桿31、氣動肌肉30、徑向連接件32、第二螺紋桿33、雙耳環(huán)34、快擰插頭35 ;其中第一螺紋桿31、氣動肌肉30、徑向連接件32、第二螺紋桿33、雙耳環(huán)34依次連接，第一螺紋桿31上端與大腿支架I固定連接；雙耳環(huán)34上連接索繩且索繩纏繞在轉(zhuǎn)輪5上；氣動肌肉30的上端設(shè)有進(jìn)出氣口，與氣源20及氣動控制系統(tǒng)相連，下端封閉，快擰插頭35通過徑向連接件32與氣動肌肉30內(nèi)部相連通。當(dāng)氣動肌肉30通過插入快擰插頭35的氣管充氣后，在一定的壓力范圍內(nèi)會發(fā)生收縮，從而產(chǎn)生拉力；氣體排除后，又恢復(fù)到原長；兩根氣動肌肉交替作用，循環(huán)往復(fù)，實現(xiàn)擺動。
[0026]如圖4所示，所述膝關(guān)節(jié)，還包括深溝球軸承7、軸承套筒8和旋轉(zhuǎn)編碼器(圖中未標(biāo)出)；連接軸6通過螺栓與通軸2兩側(cè)分別固定連接；轉(zhuǎn)輪5徑向通過深溝球軸承7套設(shè)在連接軸6上能夠繞連接軸轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)輪5軸向通過軸承套筒8與通軸2 —側(cè)固定；旋轉(zhuǎn)編碼器與轉(zhuǎn)輪固定在一起實現(xiàn)同步轉(zhuǎn)動。
[0027]作為優(yōu)選方案，所述小腿4，通過螺栓2與膝關(guān)節(jié)上的轉(zhuǎn)輪5固定連接，小腿4為鏤空鋁板結(jié)構(gòu)，設(shè)有綁帶可有效固定。
[0028]如圖5所示，氣動控制系統(tǒng)的氣源20為整個氣路提供動力。氣源與氣動三聯(lián)件21相連，氣動三聯(lián)件21用于保證氣路氣體的質(zhì)量，去除空氣雜質(zhì)。安全閥22對氣路起到保護(hù)作用。兩位五通電磁閥23用于控制氣路中氣體的流向，兩位是指該電磁閥有兩個工作狀態(tài)，五通表示有五個通路。氣管經(jīng)過兩位五通后與比例減壓閥24相連，比例減壓閥24用于控制氣動肌肉充放氣時的壓力差恒定，保證系統(tǒng)穩(wěn)定。壓力傳感器25與氣動肌肉30相連通過采集氣動肌肉的數(shù)據(jù)，適當(dāng)對氣動肌肉30進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0029]本實用新型的工作過程如下:
[0030]當(dāng)穿戴者的膝關(guān)節(jié)需要助力時，穿戴者穿上本實用新型的膝關(guān)節(jié)外骨骼助力機(jī)構(gòu)，將人體大小腿分別與通軸2的一側(cè)以及小腿4相連。
[0031]當(dāng)人體小腿開始運(yùn)動時，通過氣源20給系統(tǒng)供氣，將兩位五通23的一端打開，充氣后一根氣動肌肉30縮短，另一根氣動肌肉保持。從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，帶動膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)輪5向一邊轉(zhuǎn)動，與此同時旋轉(zhuǎn)編碼器測量到轉(zhuǎn)輪5的轉(zhuǎn)角、壓力傳感器測量到氣動肌肉30的收縮情況，分別通過反饋回路傳送給上位機(jī)，上位機(jī)進(jìn)行解算后再對膝關(guān)節(jié)的位姿進(jìn)行控制。一個周期內(nèi)兩根氣動肌肉各縮短一次，帶動小腿擺動一次。通過對膝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)輪5的調(diào)節(jié)使小腿擺動的速度與人體小腿擺動的速度相一致，從而減輕穿戴者膝關(guān)節(jié)的驅(qū)動力。
[0032]本實用新型借助氣動肌肉30產(chǎn)生的作用力，對膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生輔助力矩，通過反饋實現(xiàn)對小腿擺動的有效控制，實現(xiàn)助力功能。
[0033]以上所述僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出:對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本實用新型的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于氣動肌肉的膝關(guān)節(jié)外骨骼助力機(jī)構(gòu)，其特征在于:包括大腿支架、兩個結(jié)構(gòu)相同的腿部部件；腿部部件的上端分別連接在大腿支架上，所述腿部部件包括從上至下依次連接的大腿、膝關(guān)節(jié)和小腿；大腿下端與小腿的上端通過膝關(guān)節(jié)進(jìn)行轉(zhuǎn)動連接； 所述大腿包括通軸和兩個氣動肌肉組件，所述膝關(guān)節(jié)包括轉(zhuǎn)輪和連接軸；通軸上端固定在大腿支架的底端；通軸下端設(shè)置連接軸，連接軸上套設(shè)轉(zhuǎn)輪，小腿的上端套設(shè)在連接軸上并與轉(zhuǎn)輪固定連接，轉(zhuǎn)輪通過兩個氣動肌肉組件和索繩來帶動轉(zhuǎn)動；兩個氣動肌肉組件的上端分別與大腿支架底端固定連接，下端分別與索繩的兩端連接，索繩中間部位繞轉(zhuǎn)輪纏繞帶動轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動進(jìn)而帶動小腿轉(zhuǎn)動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于氣動肌肉的膝關(guān)節(jié)外骨骼助力機(jī)構(gòu)，其特征在于:所述氣動肌肉組件，包括:第一螺紋桿、氣動肌肉、快擰插頭、徑向連接件、第二螺紋桿、雙耳環(huán)；其中第一螺紋桿、氣動肌肉、徑向連接件、第二螺紋桿、雙耳環(huán)依次連接，第一螺紋桿上端與大腿支架連接；雙耳環(huán)上連接索繩且索繩纏繞在轉(zhuǎn)輪上；氣動肌肉的上端設(shè)有進(jìn)出氣口，與氣源相連通，下端封閉，快擰插頭通過徑向連接件與氣動肌肉內(nèi)部相連通。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于氣動肌肉的膝關(guān)節(jié)外骨骼助力機(jī)構(gòu)，其特征在于:所述膝關(guān)節(jié)，還包括深溝球軸承、軸承套筒和旋轉(zhuǎn)編碼器；連接軸與通軸兩側(cè)分別固定連接；轉(zhuǎn)輪徑向通過深溝球軸承套設(shè)在連接軸上能夠繞連接軸轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)輪軸向通過軸承套筒與通軸一側(cè)固定；旋轉(zhuǎn)編碼器與轉(zhuǎn)輪固定在一起實現(xiàn)同步轉(zhuǎn)動。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于氣動肌肉的膝關(guān)節(jié)外骨骼助力機(jī)構(gòu)，其特征在于:所述小腿通過螺栓與膝關(guān)節(jié)上的轉(zhuǎn)輪相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于氣動肌肉的膝關(guān)節(jié)外骨骼助力機(jī)構(gòu)，其特征在于:所述小腿為鏤空鋁板結(jié)構(gòu)，設(shè)有綁帶可有效固定。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于氣動肌肉的膝關(guān)節(jié)外骨骼助力機(jī)構(gòu)，其特征在于:所述通軸包括兩塊平行設(shè)置的豎板和橫板，兩豎板上端分別垂直固定連接在橫板上，下端分別與連接軸垂直相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于氣動肌肉的膝關(guān)節(jié)外骨骼助力機(jī)構(gòu)，其特征在于:通軸上端通過螺栓固定在大腿支架的底端。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于氣動肌肉的膝關(guān)節(jié)外骨骼助力機(jī)構(gòu)，其特征在于:連接軸通過螺栓與通軸兩側(cè)分別固定連接。
【文檔編號】A61H1/02GK204219310SQ201420671314
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月12日
【發(fā)明者】徐飛, 張晗, 洪琳 申請人:南京工程學(xué)院