[发明专利]一种基于气动肌肉的膝关节外骨骼助力机构

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于气动肌肉的膝关节外骨骼助力机构，属于仿生机器人技术领域。

背景技术

外骨骼技术已经有二十多年的历史。通过仿生学原理，旨在设计一种能够增强人体能力的机电一体化装置，可穿戴在操作人员体外，提供诸如动力、支撑、保护等功能。

外骨骼常见的驱动有电机、液压、气动等形式。电机驱动的功率/质量比较小，满足条件后质量及电机的体积都比较大。液压驱动存在泄露、系统成本高、可靠性差。气压驱动虽然存在许多优点，但功率/体积质量有限，无法满足外骨骼对驱动器简单轻便的要求。同时气动伺服系统也存在空气压缩性、弱阻尼特性、阀口流动的强非线性以及低刚度性等弱点。

近年来一类基于生物肌肉运动原理而设计开发出来的驱动器—气动人工肌肉（简称PMA）。因其较好的柔性以及良好的功率/体积和输出/自重比使外骨骼助力机构轻便化的设计成为可能。

发明内容

目的：为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于气动肌肉的膝关节外骨骼助力机构，为适合相关人员穿戴的膝关节外骨骼机构，该机构能够实现助力功能，方便、轻巧，易于控制。 

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于气动肌肉的膝关节外骨骼助力机构，其特征在于：包括大腿支架、两个结构相同的腿部部件；腿部部件的上端分别连接在大腿支架上，所述腿部部件包括从上至下依次连接的大腿、膝关节和小腿；大腿下端与小腿的上端通过膝关节进行转动连接；

所述大腿包括通轴和两个气动肌肉组件，所述膝关节包括转轮和连接轴；通轴上端固定在大腿支架的底端；通轴下端设置连接轴，连接轴上套设转轮，小腿的上端套设在连接轴上并与转轮固定连接，转轮通过两个气动肌肉组件和索绳来带动转动；两个气动肌肉组件的上端分别与大腿支架底端固定连接，下端分别与索绳的两端连接，索绳中间部位绕转轮缠绕带动转轮转动进而带动小腿转动。

所述的一种基于气动肌肉的膝关节外骨骼助力机构，其特征在于：所述气动肌肉组件，包括：第一螺纹杆、气动肌肉、快拧插头、径向连接件、第二螺纹杆、双耳环；其中第一螺纹杆、气动肌肉、径向连接件、第二螺纹杆、双耳环依次连接，第一螺纹杆上端与大腿支架连接；双耳环上连接索绳且索绳缠绕在转轮上；气动肌肉的上端设有进出气口，与气源相连通，下端封闭，快拧插头通过径向连接件与气动肌肉内部相连通。

所述的一种基于气动肌肉的膝关节外骨骼助力机构，其特征在于：所述膝关节，还包括深沟球轴承、轴承套筒和旋转编码器；连接轴与通轴两侧分别固定连接；转轮径向通过深沟球轴承套设在连接轴上能够绕连接轴转动，转轮轴向通过轴承套筒与通轴一侧固定；旋转编码器与转轮固定在一起实现同步转动。

所述的一种基于气动肌肉的膝关节外骨骼助力机构，其特征在于：所述小腿通过螺栓与膝关节上的转轮相连。

所述的一种基于气动肌肉的膝关节外骨骼助力机构，其特征在于：所述小腿为镂空铝板结构，设有绑带可有效固定。

所述的一种基于气动肌肉的膝关节外骨骼助力机构，其特征在于：所述通轴包括两块平行设置的竖板和横板，两竖板上端分别垂直固定连接在横板上，下端分别与连接轴垂直相连。

作为优选方案，所述的一种基于气动肌肉的膝关节外骨骼助力机构，其特征在于：通轴上端通过螺栓固定在大腿支架的底端；连接轴通过螺栓与通轴两侧分别固定连接。

有益效果：本发明提供的一种基于气动肌肉的膝关节外骨骼助力机构，基于生物肌肉运动原理而设计开发出来的驱动器—气动人工肌肉（简称PMA），具有较好的柔性以及良好的功率/体积和输出/自重比，使外骨骼助力机构轻便化的设计成为可能；穿戴者穿戴好气动肌肉驱动的膝关节外骨骼助力机构后，借助气动肌肉产生的拉力锻炼膝关节，可以有效减轻医护人员的劳动强度，满足人们日益增加的对医疗护理的需求。

附图说明

图1和图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明中气动肌肉组件的结构图；

图4为本发明中膝关节的结构图；

图5为本发明中气动肌肉的气动控制系统原理图。

图中： 大腿支架1、通轴2、气动肌肉组件3、小腿4、转轮5、连接轴6、深沟球轴承7、轴承套筒8、竖板9、横板10、索绳11、气源20、气动三联件21、安全阀22、两位五通电磁阀23、比例减压阀24、压力传感器25；气动肌肉30、第一螺纹杆31、径向连接件32、第二螺纹杆33、双耳环34、快拧插头35。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。