[发明专利]被动式触地膝关节外骨骼机器人及其助力方法

权利要求书

1.一种被动式触地膝关节外骨骼机器人，其特征在于，包括如下部件：

大腿机构(1)，包括大腿杆(101)；

膝关节储能机构，包括膝关节组件(2)、弹性杆(3)和脚部组件(5)，所述弹性杆(3)的上端与所述膝关节组件(2)连接，所述弹性杆(3)的下端与所述脚部组件(5)连接，所述膝关节组件(2)与所述大腿杆(101)的下端连接，所述膝关节储能机构用于存储和释放人体在行走过程中的重力势能；

小腿机构(4)，包括小腿杆(401)，所述小腿杆(401)的上下两端分别与所述膝关节组件(2)、所述脚部组件(5)连接。

2.根据权利要求1所述的被动式触地膝关节外骨骼机器人，其特征在于，所述膝关节组件(2)包括膝关节外端盖(9)以及与其连接的膝关节内端盖(14)，二者之间形成空腔，空腔内装配有深沟球轴承(13)、凸轮(12)和膝关节凸轮杆(11)，所述深沟球轴承(13)和所述凸轮(12)共同组成旋转副，所述凸轮(12)与所述大腿杆(101)的下端连接，所述凸轮(12)和所述膝关节凸轮杆(11)共同组成凸轮副。

3.根据权利要求1所述的被动式触地膝关节外骨骼机器人，其特征在于，所述脚部组件(5)包括直线轴承包裹件(16)、脚底推杆(17)和直线轴承(18)，所述脚底推杆(17)的上端通过踝关节接口(19)与所述弹性杆(3)的下端连接，所述直线轴承(18)环套在所述脚底推杆(17)的下端并组成圆柱副，所述脚底推杆(17)的下端与所述直线轴承包裹件(16)连接，所述小腿杆(401)的下端与所述直线轴承包裹件(16)连接。

4.根据权利要求3所述的被动式触地膝关节外骨骼机器人，其特征在于，所述脚部组件(5)还包括鞋套(6)，所述鞋套(6)通过关节轴承(20)与所述小腿杆(401)连接，所述小腿杆(401)的上端与所述膝关节外端盖(9)的下端连接，所述小腿杆(401)的下端与鞋套(6)连接。

5.根据权利要求2所述的被动式触地膝关节外骨骼机器人，其特征在于，所述弹性杆(3)的上端通过膝关节接口(7)与所述膝关节凸轮杆(11)连接，所述膝关节接口(7)通过圆柱销铰接于所述膝关节凸轮杆(11)的下端。

6.根据权利要求2所述的被动式触地膝关节外骨骼机器人，其特征在于，所述凸轮(12)与所述膝关节凸轮杆(11)之间装配有滚子轴承(8)，用于防止所述膝关节凸轮杆(11)在摆动期内因重力作用而下移导致所述凸轮副之间的间隙过大。

7.根据权利要求6所述的被动式触地膝关节外骨骼机器人，其特征在于，所述膝关节凸轮杆(11)通过两组所述滚子轴承(8)与所述膝关节外端盖(9)相接触，每组包含至少两个所述滚子轴承(8)。

8.根据权利要求3所述的被动式触地膝关节外骨骼机器人，其特征在于，所述脚部组件(5)还包括地面接触圆饼(23)，所述地面接触圆饼(23)装配于所述直线轴承包裹件(16)的下端。

9.根据权利要求1所述的被动式触地膝关节外骨骼机器人，其特征在于，所述大腿机构(1)还包括大腿部固定件(102)，所述大腿部固定件(102)上设置有绑带孔，用于容纳绑带穿过，以将所述大腿杆(101)与人体的大腿捆绑在一起；

所述小腿机构(4)还包括小腿部固定件(402)，所述小腿部固定件(402)上亦设置有绑带孔，用于容纳绑带穿过，以将所述小腿杆(401)与人体的小腿捆绑在一起。

10.一种基于权利要求1-9任意一项所述被动式触地膝关节外骨骼机器人的助力方法，其特征在于，包括如下步骤：

佩戴所述被动式触地膝关节外骨骼机器人的患者在行走时，当人体支撑腿的脚跟逐渐至完全接触地面的过程中，所述地面接触圆饼(23)和所述脚底推杆(17)相对人体上移压迫所述弹性杆(3)变形，此时所述弹性杆(3)的弯曲程度增加，所述膝关节接口(7)因所述弹性杆(3)的弯曲而相对所述膝关节凸轮杆(11)逆时针旋转，以及所述踝关节接口(19)相对所述脚底推杆(17)上端顺时针旋转，该过程不仅实现所述弹性杆(3)的预变形还对人体及其携带重物降低重力势能的部分进行回收；

当人体支撑腿的膝关节进一步后屈时，所述膝关节凸轮杆(11)在所述小腿机构(4)通过所述滚子轴承(8)的作用下绕所述凸轮(12)顺时针滚动，在此过程中由于所述膝关节凸轮杆(11)和所述凸轮(12)接触处的曲率半径不断地增加，所述膝关节凸轮杆(11)下端会相对所述小腿机构(4)下移，同时由于所述地面接触圆饼(23)接触至地面而使得所述脚底推杆(17)的空间位置固定，会进一步导致所述弹性杆(3)的弯曲变形以实现所述膝关节储能机构在人体支撑腿的膝关节后屈时进行储能的目的；

当后续人体支撑腿的膝关节前伸时，所述膝关节凸轮杆(11)和所述凸轮(12)接触处的曲率半径不断减小，所述膝关节凸轮杆(11)同时逐渐减小对所述弹性杆(3)的压迫，所述弹性杆(3)逐渐恢复至初始变形状态并在此过程中将膝关节后屈时储存的势能反馈于人体，实现所述膝关节储能机构在人体支撑腿的膝关节前伸时释能的目的；

当人体支撑腿进一步转化为摆动腿，在脚跟离地过程中，所述脚底推杆(17)对所述弹性杆(3)的压迫逐渐降低，所述弹性杆(3)通过所述脚部组件(5)给予人体一个离地方向的助力补偿，该过程将所述被动式触地膝关节外骨骼机器人回收腿部进入支撑期前人体及其携带重物降低的重力势能部分反馈给人体。