[发明专利]一种瞬心可调式变刚度柔性膝关节外骨骼

权利要求书

1.一种瞬心可调式变刚度柔性膝关节外骨骼，其特征在于，包括瞬心可调式变刚度柔性膝关节，所述瞬心可调式变刚度柔性膝关节包括膝关节主体、并联交叉弹簧以及气压人工肌肉，所述外骨骼主膝关节主体部分包括大腿绑缚连接件、大腿连接件、膝关节大腿连接件、膝关节瞬心拟合四杆机构、膝关节小腿连接件、小腿连接件、小腿绑缚连接件、紧固气囊与IMU传感器；

大腿绑缚连接件、大腿连接件、膝关节大腿连接件、膝关节瞬心拟合四杆机构、膝关节小腿连接件、小腿连接件与小腿绑缚连接件由上至下依次连接，形成多级串联的膝关节结构，以适应人体膝关节变中心的转动，紧固气囊位于外骨骼主体部分内侧，且一边设置2个，IMU传感器位于外骨骼主体部分的外侧，且一边设置2个，分别贴于大腿绑缚连接件以及小腿绑缚连接件，气压人工肌肉的两端分别与小腿绑缚连接件和大腿绑缚连接件相连接，并联交叉弹簧模拟人体膝关节处十字交叉韧带的形式与膝关节瞬心拟合四杆机构相连接；

其中，气压人工肌肉充、放气带动膝关节瞬心拟合四杆机构旋转移动，使外骨骼膝关节运动瞬心能够匹配人体膝关节运动瞬心。

2.根据权利要求1所述的瞬心可调式变刚度柔性膝关节外骨骼，其特征在于，所述膝关节瞬心拟合四杆机构包括膝关节上连接板、变瞬心机构支撑连杆、调心式伸缩气压缸以及膝关节下连接板，膝关节上连接板的下部与变瞬心机构支撑连杆可转动连接，膝关节上连接板的下部与调心式伸缩气压缸缸体可转动连接，变瞬心支撑连杆以及调心式伸缩气压缸的活塞杆分别与膝关节下连接板可转动连接；

其中，膝关节瞬心拟合四杆机构转动时其瞬心曲线贴合人体膝关节的瞬心曲线，通过调整调心式伸缩气压缸的伸出长度，调整膝关节瞬心拟合四杆机构瞬心曲线曲率，以适应不同人体的膝关节。

3.根据权利要求2所述的瞬心可调式变刚度柔性膝关节外骨骼，其特征在于，所述大腿绑缚连接件的下部连接大腿连接件，大腿连接件与膝关节大腿连接件可转动连接，组合成大腿部转动副，膝关节大腿连接件的下部与膝关节瞬心拟合四杆机构可转动连接，膝关节瞬心拟合四杆机构与膝关节小腿连接件可转动连接，膝关节小腿连接件与小腿连接件可转动连接，组合成小腿部转动副，小腿连接件连接小腿绑缚连接件，每个紧固气囊均连接于上述大腿部转动副和小腿部转动副之间，所述并联交叉弹簧包括前交叉韧带弹簧和后交叉韧带弹簧，前交叉韧带弹簧从膝关节上连接板的突起处开始，并引出钢丝绳沿变瞬心支撑连杆的中心开口延伸并最终固定膝关节下连接板上；后交叉韧带弹簧从小腿连接件后方的突起处开始，并引线穿过膝关节上连接板和调心式伸缩式液压缸刚体连接处的空间，最终固定在膝关节下连接板上；

并联交叉弹簧在膝关节瞬心拟合四杆机构中间形成十字交叉结构，模拟人体膝关节前后交叉韧带的作用，对人体的膝关节进行导向和限位运动。

4.根据权利要求2所述的瞬心可调式变刚度柔性膝关节外骨骼，其特征在于，所述气压人工肌肉包括人工肌肉外层与人工肌肉内层，人工肌肉内层由若干个气囊内腔室相连而成，气囊内腔室之间通过气孔相连通，人工肌肉外层为内部添加簧片的波纹管结构，还包括气压人工肌肉接头、膝关节上管夹与膝关节下管夹，气压人工肌肉接头设置在小腿绑缚连接件的两侧，气压人工肌肉的一端通过气压人工肌肉接头与小腿绑缚连接件相连接，气压人工肌肉的另一端与大腿绑缚连接件相连接，膝关节上管夹连接到膝关节上连接板上，膝关节下管夹连接到膝关节下连接板；

在人体下肢处于摆动相时，气压人工肌肉收缩做功并提供助力，辅助人体膝关节屈曲，且在膝关节屈曲阶段，人工肌肉随肌肉收缩而增大刚度；

在人体下肢处于支撑相时，气压人工肌肉膨胀，辅助人体膝关节伸展，且膝关节伸展阶段，人工肌肉随肌肉膨胀而减小刚度；

在人体单腿脚跟触地时，气压人工肌肉过伸以减振缓冲并吸收能量。