專利名稱：并聯(lián)式外骨骼膝關(guān)節(jié)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種康復(fù)工程技術(shù)領(lǐng)域的膝關(guān)節(jié)，具體是一種并聯(lián)式外骨骼膝關(guān)節(jié)。
背景技術(shù)：
每年世界上都有大量的人因為事故或疾病等原因?qū)е律眢w殘疾或癱瘓，失去正常的行動 能力。臨床醫(yī)學(xué)經(jīng)驗表明，正確、科學(xué)的康復(fù)訓(xùn)練對肢體運動功能恢復(fù)和提高能夠起到非常 重要的作用。目前，肢體康復(fù)訓(xùn)練主要是通過專業(yè)護理人員人工模擬患者肢體的關(guān)節(jié)運動實 現(xiàn)，這種方法對專業(yè)護理人員的素質(zhì)要求較高，專業(yè)護理人員的勞動強度較大，醫(yī)療費用高 ，靈活性較差。為了解決這一問題，各種主動式康復(fù)設(shè)備被設(shè)計開發(fā)出來，外骨骼助走機器 人是其中最具代表性的一種，它直接與患者肢體相連，具有便攜性、靈活性、自主性等優(yōu)點
從運動學(xué)上看，組成膝關(guān)節(jié)的股骨和脛骨的兩接觸表面間既有滾動又有滑動，因此膝關(guān) 節(jié)的運動形式為平面上的復(fù)雜運動。目前的人體下肢外骨骼助走機器人多數(shù)采用串聯(lián)機構(gòu)構(gòu) 成膝關(guān)節(jié)，其主要形式是轉(zhuǎn)動鉸鏈，這種形式的外骨骼膝關(guān)節(jié)機構(gòu)不能反映人體膝關(guān)節(jié)的真 實運動情況，仿生性和舒適性較差，為了提高仿生性，外骨骼膝關(guān)節(jié)的另一種重要形式是采 用多連桿機構(gòu)。
經(jīng)對現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)文獻的索發(fā)現(xiàn)，中國專利申請?zhí)枮?00410053695.6，名稱為可穿 戴式的下肢步行外骨骼。該項技術(shù)由腰部支撐、髖部四桿機構(gòu)、膝蓋四桿機構(gòu)、腳踝四桿機 構(gòu)和足底支撐依次串連構(gòu)成，其骨骼雖然能夠輔助或增強人的步行能力，但其具有明顯的不 足和缺陷 一旦確定了連桿機構(gòu)的尺寸，其運動軌跡也就確定了，對于不同的使用者，需要 進行定制；而且其骨骼部件腰部支撐、髖部四桿機構(gòu)、膝蓋四桿機構(gòu)、腳踩四桿機構(gòu)結(jié)構(gòu)比 較復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺點，提供一種并聯(lián)式外骨骼膝關(guān)節(jié)，既 能滿足膝關(guān)節(jié)平面運動的需要，又能適應(yīng)用戶膝關(guān)節(jié)尺寸的變化，提供主動驅(qū)動幫助患者進 行膝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的本發(fā)明包括大腿外套、小腿外套、第一連接板、第二連接板、第一大腿支撐架、第二 大腿支撐架，第一運動支鏈和第二運動支鏈，其中第一大腿支撐架與第一連接板固定連接 ，第二大腿支撐架與第二連接板固定連接，大腿外套固定于第一大腿支撐架和第二大腿支撐 架上，小腿外套位于大腿外套的下方，第一運動支鏈平行于第二運動支鏈，第一運動支鏈上 設(shè)有第一連桿，第二運動支鏈上設(shè)有第二連桿，第一連桿與第二連桿通過轉(zhuǎn)動副活動連接， 第一連接板的兩端分別固定于第一運動支鏈和第二運動支鏈上，第二連接板的兩端分別固定 于第一運動支鏈和第二運動支鏈上，小腿外套與轉(zhuǎn)動副固定連接。
所述的第一運動支鏈包括外框架、滾珠絲杠、滾珠螺母座、滾珠螺母、左導(dǎo)向桿、右 導(dǎo)向桿、連接座、第一軸承、第二軸承、第一軸承支撐座和第二軸承支撐座、絲杠同步帶輪 、電機同步帶輪、同步齒形帶和伺服電機，其中滾珠絲杠的上端固定于第一軸承內(nèi)部， 下端固定于第二軸承內(nèi)部，第一軸承與第一軸承支撐座固定連接，第二軸承與第二軸承支撐 座固定連接，第一軸承支撐座固定于外框架的上端，第二軸承支撐座固定于外框架的下端， 連接座固定于外框架的中部，滾珠螺母座固定于滾珠螺母的頂端，并與第一連桿通過轉(zhuǎn)動副 活動連接，滾珠絲杠套接于滾珠螺母座和滾珠螺母的內(nèi)部，并與滾珠螺母座和滾珠螺母活動 連接，左導(dǎo)向桿和右導(dǎo)向桿的上端套接于連接座內(nèi)部并與連接座固定連接，左導(dǎo)向桿和右導(dǎo) 向桿的下端套接于第二軸承支撐座內(nèi)部并與第二軸承支撐座固定連接，滾珠螺母座套接于左 導(dǎo)向桿和右導(dǎo)向桿的外部，并與左導(dǎo)向桿和右導(dǎo)向桿活動連接，伺服電機的輸出軸與電機同 步帶輪固定連接，滾動絲杠與絲杠同步帶輪固定連接，電機同步帶輪與絲杠同步帶輪通過同 步齒形帶活動連接。
所述的第二運動支鏈與第一運動支鏈結(jié)構(gòu)相同。
本發(fā)明是一種平面二自由度的并聯(lián)機構(gòu)，其中外框架、伺服電機、第一軸承支撐座、 第二軸承支撐座、連接座、左導(dǎo)向桿、右導(dǎo)向桿、第一連接板、第二連接板、第一大腿支撐 架、第二大腿支撐架和大腿外套構(gòu)成該并聯(lián)機構(gòu)的靜平臺，滾動螺母、滾動螺母座、第一連 桿、第二連桿和小腿外套構(gòu)成該并聯(lián)機構(gòu)的動平臺，工作時，對于第一運動支鏈，由伺服電 機通過電機同步帶輪和絲杠同步帶輪帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)滾珠螺母和滾珠螺母座沿著滾 珠絲杠上下移動，并帶動第一連桿產(chǎn)生平面運動，第二運動支鏈和第一運動支鏈的工作過程 相同，在第一運動支鏈和第二運動支鏈的運動配合下，能夠?qū)崿F(xiàn)并聯(lián)機構(gòu)動平臺相對于靜平 臺位置的控制，即能夠?qū)崿F(xiàn)小腿相對大腿位置的控制。
本發(fā)明具有兩個平面移動自由度，可以實現(xiàn)膝關(guān)節(jié)的平面運動，同時本發(fā)明所采用的并聯(lián)機構(gòu)的運動空間是一個區(qū)域，位于該區(qū)域內(nèi)的軌跡都可通過并聯(lián)機構(gòu)的運動控制來實現(xiàn)， 因此能夠滿足不同膝關(guān)節(jié)尺寸用戶的需求，此外，所采用的并聯(lián)機構(gòu)具有高剛性和高承載能 力的特點，且其驅(qū)動方式與人體肌肉牽引相仿，具有高仿生性。本發(fā)明采用并聯(lián)式結(jié)構(gòu)，剛 性好，承載能力高，能夠有效地減輕受損關(guān)節(jié)的負擔(dān)；能夠模擬膝關(guān)節(jié)復(fù)雜的平面運動，仿 生性高；能夠滿足具有不同膝關(guān)節(jié)尺寸用戶的需求，通用性高。


圖l是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意其中(a)是本發(fā)明的正視圖，(b)是本發(fā)明的后斜視圖2是第一運動支鏈的結(jié)構(gòu)示意圖3是平面二自由度并聯(lián)機構(gòu)原理圖4是本發(fā)明的設(shè)置示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進 行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施 例。
如圖1所示，本實施例包括第一大腿支撐架l、第二大腿支撐架2、第一連接板3、第二 連接板4、大腿外套5和小腿外套6，其中第一大腿支撐架1與第一連接板3固定連接，第二 大腿支撐架2與第二連接板4固定連接，大腿外套5固定于第一大腿支撐架1和第二大腿支撐架 2上，小腿外套6位于大腿外套5的下方，還包括第一運動支鏈7和第二運動支鏈8，其中 第一運動支鏈7平行于第二運動支鏈8，第一運動支鏈7上設(shè)有第一連桿9，第二運動支鏈8上 設(shè)有第二連桿IO，第一連桿9與第二連桿10通過轉(zhuǎn)動副11活動連接，第一連接板3的兩端分別 固定于第一運動支鏈7和第二運動支鏈8上，第二連接板4的兩端分別固定于第一運動支鏈7和 第二運動支鏈8上，小腿外套6與轉(zhuǎn)動副11固定連接。
如圖2所示，所述的第一運動支鏈7包括外框架12、滾珠絲杠13、滾珠螺母座14、滾珠 螺母15、左導(dǎo)向桿16、右導(dǎo)向桿17、連接座18、第一軸承19、第二軸承20、第一軸承支撐座 21和第二軸承支撐座22、絲杠同步帶輪23、電機同步帶輪24、同步齒形帶25和伺服電機26， 其中滾珠絲杠13的上端固定于第一軸承19內(nèi)部，下端固定于第二軸承20內(nèi)部，第一軸承19 與第一軸承支撐座21固定連接，第二軸承20與第二軸承支撐座22固定連接，第一軸承支撐座 21固定于外框架12的上端，第二軸承支撐座22固定于外框架12的下端，連接座18固定于外框 架12的中部，滾珠螺母座14固定于滾珠螺母15的頂端，并與第一連桿9通過轉(zhuǎn)動副活動連接，滾珠絲杠13套接于滾珠螺母座14和滾珠螺母15的內(nèi)部，并與滾珠螺母座14和滾珠螺母15活 動連接，左導(dǎo)向桿16和右導(dǎo)向桿17的上端套接于連接座18內(nèi)部并與連接座18固定連接，左導(dǎo) 向桿16和右導(dǎo)向桿17的下端套接于第二軸承支撐座22內(nèi)部并與第二軸承支撐座22固定連接， 滾珠螺母座套14接于左導(dǎo)向桿16和右導(dǎo)向桿17的外部，并與左導(dǎo)向桿16和右導(dǎo)向桿17活動連 接，伺服電機26的輸出軸與電機同步帶輪24固定連接，滾動絲杠13與絲杠同步帶輪23固定連 接，電機同步帶輪24與絲杠同步帶輪23通過同步齒形帶25活動連接。 所述的第二運動支鏈8與第一運動支鏈7結(jié)構(gòu)相同。
如圖3所示，在平面二自由度并聯(lián)機構(gòu)中，滑塊27和滑塊28與靜平臺通過移動副連接， 連桿29的上端與滑塊27在B1點通過第一轉(zhuǎn)動副相連，連桿30的上端與滑塊28在B2點通過第二 轉(zhuǎn)動副相連，連桿29的下端與連桿30的下端在C點通過第三轉(zhuǎn)動副相連。在滑塊27和滑塊28 的驅(qū)動下，連桿29和連桿30帶動C點在機構(gòu)所在平面實現(xiàn)沿x軸和y軸的移動。
如圖4所示，將并聯(lián)機構(gòu)的靜平臺與人體大腿相連，在第一運動支鏈7和第二運動支鏈8 的帶動下，與小腿固定連接的C點可沿膝關(guān)節(jié)做屈伸運動時的軌跡運動，從而實現(xiàn)機構(gòu)對膝 關(guān)節(jié)運動的模擬。
本實施例的外骨骼膝關(guān)節(jié)通過采用平面二自由度并聯(lián)式結(jié)構(gòu)，能夠有效地減輕人體受損 關(guān)節(jié)的負擔(dān)，具有高剛性、高承載能力等特點；從仿生角度看，并聯(lián)結(jié)構(gòu)式的外骨骼關(guān)節(jié)能 夠逼真模擬人體多塊肌肉、肌腱共同作用牽引骨骼產(chǎn)生的運動，仿生性高；此外，并聯(lián)機構(gòu) 的運動空間是一個區(qū)域，位于該區(qū)域內(nèi)的軌跡都可通過并聯(lián)機構(gòu)的運動控制來實現(xiàn)，因此能 夠滿足不同膝關(guān)節(jié)尺寸用戶的需求。
權(quán)利要求
1.一種并聯(lián)式外骨骼膝關(guān)節(jié)，其特征在于，包括大腿外套、小腿外套、第一連接板、第二連接板、第一大腿支撐架、第二大腿支撐架，第一運動支鏈和第二運動支鏈，其中第一大腿支撐架與第一連接板固定連接，第二大腿支撐架與第二連接板固定連接，大腿外套固定于第一大腿支撐架和第二大腿支撐架上，小腿外套位于大腿外套的下方，第一運動支鏈平行于第二運動支鏈，第一運動支鏈上設(shè)有第一連桿，第二運動支鏈上設(shè)有第二連桿，第一連桿與第二連桿通過轉(zhuǎn)動副活動連接，第一連接板的兩端分別固定于第一運動支鏈和第二運動支鏈上，第二連接板的兩端分別固定于第一運動支鏈和第二運動支鏈上，小腿外套與轉(zhuǎn)動副固定連接。
2 根據(jù)權(quán)利要求l所述的并聯(lián)式外骨骼膝關(guān)節(jié)，其特征是，所述的第 一運動支鏈包括外框架、滾珠絲杠、滾珠螺母座、滾珠螺母、左導(dǎo)向桿、右導(dǎo)向桿、連接 座、第一軸承、第二軸承、第一軸承支撐座和第二軸承支撐座、絲杠同步帶輪、電機同步帶 輪、同步齒形帶和伺服電機，其中滾珠絲杠的上端固定于第一軸承內(nèi)部，下端固定于第二 軸承內(nèi)部，第一軸承與第一軸承支撐座固定連接，第二軸承與第二軸承支撐座固定連接，第 一軸承支撐座固定于外框架的上端，第二軸承支撐座固定于外框架的下端，連接座固定于外 框架的中部，滾珠螺母座固定于滾珠螺母的頂端，并與第一連桿通過轉(zhuǎn)動副活動連接，滾珠 絲杠套接于滾珠螺母座和滾珠螺母的內(nèi)部，并與滾珠螺母座和滾珠螺母活動連接，左導(dǎo)向桿 和右導(dǎo)向桿的上端套接于連接座內(nèi)部并與連接座固定連接，左導(dǎo)向桿和右導(dǎo)向桿的下端套接 于第二軸承支撐座內(nèi)部并與第二軸承支撐座固定連接，滾珠螺母座套接于左導(dǎo)向桿和右導(dǎo)向 桿的外部，并與左導(dǎo)向桿和右導(dǎo)向桿活動連接，伺服電機的輸出軸與電機同步帶輪固定連接 ，滾動絲杠與絲杠同步帶輪固定連接，電機同步帶輪與絲杠同步帶輪通過同步齒形帶活動連 接。
3 根據(jù)權(quán)利要求l所述的并聯(lián)式外骨骼膝關(guān)節(jié)，其特征是，所述的第 二運動支鏈與第一運動支鏈結(jié)構(gòu)相同。
全文摘要
本發(fā)明涉及的是一種康復(fù)工程技術(shù)領(lǐng)域的并聯(lián)式外骨骼膝關(guān)節(jié)。包括第一大腿支撐架、第二大腿支撐架、第一連接板、第二連接板、大腿外套和小腿外套，其中第一大腿支撐架與第一連接板固定連接，第二大腿支撐架與第二連接板固定連接，大腿外套固定于第一大腿支撐架和第二大腿支撐架上，小腿外套位于大腿外套的下方，還包括第一運動支鏈和第二運動支鏈，其中第一運動支鏈上設(shè)有第一連桿，第二運動支鏈上設(shè)有第二連桿，第一連桿與第二連桿通過轉(zhuǎn)動副活動連接，第一連接板和第二連接板的兩端分別固定于第一運動支鏈和第二運動支鏈上，小腿外套與轉(zhuǎn)動副固定連接。本發(fā)明剛性好，承載能力高，仿生性高，能夠滿足具有不同膝關(guān)節(jié)尺寸的用戶的需求。
文檔編號A61F2/60GK101647736SQ200910307368
公開日2010年2月17日 申請日期2009年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月21日
發(fā)明者松 印, 殷躍紅, 朝 郭 申請人:上海交通大學(xué)