一种可弹性补偿轴线位移的膝关节外骨骼装置.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201710676529.9 (22)申请日 2017.08.09 (71)申请人 北京航空航天大学 地址 100191 北京市海淀区学院路37号 (72)发明人 张武翔 齐冲 张伟 丁希仑 (74)专利代理机构 北京永创新实专利事务所 11121 代理人 祗志洁 (51)Int.Cl. A61H 1/02(2006.01) B25J 9/00(2006.01) (54)发明名称 一种可弹性补偿轴线位移的膝关节外骨骼 装置 (57)摘要 本发明公开了一种可弹性补偿轴线位移的 膝关。

2、节外骨骼装置， 属于外骨骼结构设计技术领 域。 该装置包括位移补偿机构、 大腿构件、 两套尺 寸调整机构和两套绑缚机构， 大腿构件与位移补 偿机构以转动副相连， 两组尺寸调整机构分别与 大腿构件和位移补偿机构螺钉连接， 两套绑缚机 构分别与两套尺寸调整机构通过楔形块锁紧盒 连接。 本发明通过位移补偿机构来补偿人体膝关 节轴线在矢状面内的位移， 降低由于外骨骼转动 副轴线与人体膝关节转动轴线不重合产生的不 舒适性； 通过尺寸调整机构调整绑缚机构在人体 腿部的位置， 并可与髋关节、 踝关节模块通过调 整杆相连； 通过绑缚机构中的L型调整杆调整绑 缚轴线在其垂直面内的位置， 适应不同腿部尺寸 的绑缚。

3、需求。 权利要求书1页 说明书3页 附图2页 CN 107320286 A 2017.11.07 CN 107320286 A 1.一种可弹性补偿轴线位移的膝关节外骨骼装置， 其特征在于， 包括位移补偿机构、 大 腿构件、 两套尺寸调整机构以及两套绑缚机构； 大腿构件与位移补偿机构以转动副相连， 大 腿构件的上端位置连接有一组尺寸调整机构， 位移补偿机构的下端位置连接有一组尺寸调 整机构， 每组尺寸调整机构均通过楔形块锁紧盒连接有一套绑缚机构； 所述的位移补偿机构包括转轴、 滑杆、 弹簧、 弹簧导杆、 滑块、 连接块和连接架； 所述的 转轴同时与两根十字交叉的滑杆以圆柱副的形式相连； 所述的滑。

4、杆两端与滑块相连； 所述 的滑块以圆柱副的形式与弹簧导杆相连， 并带动滑杆一起相对弹簧导杆轴向移动； 所述的 弹簧安装于弹簧导杆上， 分布在连接块与滑块之间； 所述的连接块置于弹簧导杆的一端， 并 将两根互相垂直的弹簧导杆固连； 所述的连接架一方面固连两个连接块， 另一方面与尺寸 调整盒以螺钉连接； 所述的转轴相对于大腿位置固定， 所述的连接架相对于小腿位置固定， 通过弹簧的压缩实现转轴相对连接架在矢状面内水平和竖直两个垂直方向上的位移； 所述的尺寸调整机构包括尺寸调整盒和调整杆， 用于实现沿腿轴向尺寸的调整； 所述 的调整杆轴向设计有等距定位孔， 与尺寸调整盒通过定位孔与定位紧固件相连， 调。

5、整杆的 一侧设计固定有楔形块锁紧盒。 2.根据权利要求1所述的膝关节外骨骼装置， 其特征在于， 所述的大腿构件包括轴承基 座、 轴承盖和轴承； 所述的轴承置于轴承基座与轴承盖之间； 所述的轴承基座的下端通过轴 承与转轴相连， 上端与固定连接一个尺寸调整盒。 3.根据权利要求1所述的膝关节外骨骼装置， 其特征在于， 所述的绑缚机构包括楔形块 锁紧盒、 L形调整杆和弧形碳纤维板； 所述的L形调整杆一端通过楔形块锁紧盒与调整杆连 接， 另一端通过楔形块锁紧盒与弧形碳纤维板连接， 弧形碳纤维板通过螺钉固连于楔形块 锁紧盒一侧。 4.根据权利要求3所述的膝关节外骨骼装置， 其特征在于， 所述的楔形块锁紧。

6、盒包括基 座、 楔形块和螺纹旋杆， 通过螺纹及楔形的增力作用将L形调整杆与锁紧盒基座压紧。 5.根据权利要求1或2或3所述的膝关节外骨骼装置， 其特征在于， 所述的尺寸调整盒包 括壳体、 定位紧固件、 弹簧和压盖； 所述的定位紧固件一端设计有旋钮， 另一端设计有定位 坡度， 并与壳体螺纹连接实现紧固； 所述的弹簧置于定位紧固件与压盖之间， 用于实现定位 紧固件位置的自动复原； 所述的压盖与壳体以螺钉连接。 6.根据权利要求1或2或3所述的膝关节外骨骼装置， 其特征在于， 所述的位移补偿机构 中， 转轴的一端设计有限位结构， 用于限制小腿相对大腿的转动范围。 权 利 要 求 书 1/1 页 2 。

7、CN 107320286 A 2 一种可弹性补偿轴线位移的膝关节外骨骼装置 技术领域 0001 本发明属于外骨骼结构设计技术领域， 具体涉及一种可弹性补偿轴线位移的膝关 节外骨骼装置。 背景技术 0002 外骨骼设备是一种可穿戴装置， 用以增强人体的体能、 实现瘫痪病人的康复训练 等。 膝关节是人体下肢重要且结构复杂的关节系统， 一方面， 人体膝关节的转动轴线位置是 随着弯曲角度的变化而变化， 另一方面， 对于不同的个体， 其膝关节的尺寸不尽相同， 使得 关节转动轴线位移规律也不相同。 0003 已有的外骨骼机器人大多数都将膝关节简单的处理成单自由度固定轴线的转动 副， 这种机构结构固定， 使。

8、得膝关节外骨骼的转动轴线与人体膝关节的转动轴线无法重合， 降低了舒适性且有可能造成二次损伤。 因此， 需要设计的膝关节外骨骼应具备轴线位移补 偿及尺寸可调的功能。 发明内容 0004 本发明的目的旨在解决膝关节外骨骼运动轴线与人体膝关节轴线不重合的问题， 提供一种可弹性补偿轴线位移、 尺寸可调的膝关节外骨骼装置。 0005 本发明所设计的可弹性补偿轴线位移的膝关节外骨骼装置包括位移补偿机构、 大 腿构件、 两套尺寸调整机构以及两套绑缚机构； 所述大腿构件与位移补偿机构以转动副相 连， 大腿构件的上端位置连接有一组尺寸调整机构， 位移补偿机构的下端位置连接有一组 尺寸调整机构， 每组尺寸调整机构。

9、均通过楔形块锁紧盒连接有一套绑缚机构。 0006 所述的位移补偿机构包括转轴、 滑杆、 弹簧、 弹簧导杆、 滑块、 连接块和连接架； 所 述的转轴同时与两根十字交叉的滑杆以圆柱副的形式相连， 可以实现平面内两个互相垂直 方向上的位移； 所述的滑杆两端与滑块相连； 所述的滑块以圆柱副的形式与弹簧导杆相连， 并可带动滑杆一起相对弹簧导杆轴向移动； 所述的弹簧安装于弹簧导杆上， 并分布在连接 块与滑块之间； 所述的连接块置于弹簧导杆的一端， 并将两根互相垂直的弹簧导杆固连； 所 述的连接架一方面固连两个连接块将互相垂直的弹簧导杆的端部固连， 另一方面与尺寸调 整盒以螺钉连接。 所述的转轴相对于大腿位。

10、置固定， 所述的连接架相对于小腿位置固定， 通 过弹簧的压缩实现转轴相对连接架在矢状面内水平和竖直两个垂直方向上的位移。 0007 所述的尺寸调整机构包括尺寸调整盒和调整杆， 用于实现沿腿轴向尺寸的调整。 所述的调整杆轴向设计有等距定位孔， 与调整盒通过定位孔与定位紧固件相连， 调整杆的 一侧设计固定有楔形块锁紧盒， 用于实现与绑缚机构的连接。 0008 所述的尺寸调整盒包括壳体、 定位紧固件、 弹簧和压盖； 所述的定位紧固件一端设 计有旋钮， 另一端设计有定位坡度， 并与壳体螺纹连接实现紧固； 所述的弹簧置于定位紧固 件与压盖之间， 用于实现定位紧固件位置的自动复原； 所述的压盖与壳体以螺钉。

11、连接。 0009 所述的大腿构件包括轴承基座、 轴承盖和轴承； 所述的轴承置于轴承基座与轴承 说 明 书 1/3 页 3 CN 107320286 A 3 盖之间； 所述的轴承基座一端通过轴承与转轴相连， 另一端与尺寸调整盒以螺钉连接。 0010 所述的绑缚机构包括楔形块锁紧盒、 L形调整杆和弧形碳纤维板； 所述的弧形碳纤 维板通过螺钉固连于楔形块锁紧盒一侧， 并可通过绑带固定在人体腿部。 所述的楔形块锁 紧盒与尺寸调整机构中的结构一致， 由基座、 楔形块、 螺纹旋杆组成， 通过螺纹及楔形的增 力作用将L形调整杆与锁紧盒基座压紧； 0011 本发明的优点和积极效果在于： 0012 本发明提供的。

12、可弹性补偿轴线位移的膝关节外骨骼装置， 通过位移补偿机构可以 减少运动过程中矢状面内由于膝关节外骨骼旋转轴与人体膝关节旋转轴不重合所产生的 不良影响， 改善穿戴的舒适性， 还可通过尺寸调整机构调节绑带在人体腿部的位置， 以适应 不同的人体腿长。 附图说明 0013 图1是本发明可弹性补偿轴线位移的膝关节外骨骼装置的结构示意图； 0014 图2是本发明装置中位移补偿机构的结构示意图； 0015 图3是本发明装置中尺寸调整盒的爆炸示意图； 0016 图4是本发明装置中楔形块锁紧盒的爆炸示意图； 0017 其中： 0018 1-连接架； 2-转轴； 3-滑块； 4-弹簧； 5-弹簧导杆； 6-滑杆；。

13、 7-连接块； 8-尺寸调整 盒； 0019 9-调整杆； 10-L形调整杆； 11-楔形块锁紧盒； 12-弧形碳纤维板； 13-轴承基座； 14- 轴承； 0020 15-轴承盖； 16-壳体； 17-压盖； 18-弹簧； 19-定位紧固件； 20-基座； 21-楔形块； 0021 22-螺纹旋杆。 具体实施方式 0022 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 0023 如图1所示， 是本发明可弹性补偿轴线位移的膝关节外骨骼装置的结构示意图， 包 括位移补偿机构、 大腿构件、 两套尺寸调整机构以及两套绑缚机构。 大腿构件与位移补偿机 构以转动副相连， 一组尺寸调整机构与大腿构件的一端螺栓。

14、连接， 另一组尺寸调整机构与 位移补偿机构的一端螺栓连接， 两套绑缚机构分别与两套尺寸调整机构通过楔形块锁紧盒 连接。 0024 所述的位移补偿机构， 如图2所示， 包括连接架1、 转轴2、 滑块3、 弹簧4、 弹簧导杆5、 滑杆6和连接块7。 转轴2同时与两根十字交叉的滑杆6以圆柱副的形式相连， 可以实现平面 内两个互相垂直方向上的位移。 具体地， 在转轴2的中间开有相互垂直的两个孔用于安装滑 杆6。 转轴2的一端设计有限位结构和与编码器轴配合的轴孔， 限位结构用于限制小腿相对 大腿的转动范围， 防止负角度逆向转动对人腿造成伤害， 转轴2的另一长伸出端用于连接由 减速器、 弹性驱动器、 电机。

15、组成的部件。 滑杆6两端与滑块3相连。 滑块3以圆柱副的形式与弹 簧导杆5相连， 并可带动滑杆6一起相对弹簧导杆5轴向移动。 具体地， 滑块3设计有相互垂直 的两个孔， 一个为通孔用于安装弹簧导杆5， 一个为盲孔用于安放滑杆6端部。 弹簧导杆5的 说 明 书 2/3 页 4 CN 107320286 A 4 两端均与一个连接块7固连， 弹簧4安装在弹簧导杆5上并置于滑块3与连接块7之间。 每个连 接块7固连有两根互相垂直的弹簧导杆5。 连接块7设计为上下两部分便于装配， 在连接块7 内部开有螺母卡槽， 螺母与弹簧导杆5端部以螺纹紧固， 从而用螺母卡槽固定弹簧导杆5。 连 接架1的一端固连两个连。

16、接块7， 另一端开有两个孔用于连接尺寸调整盒8。 位移补偿机构中 的四个弹簧导杆5和四个连接块7连接组成一个平面上的口字结构。 转轴2相对于大腿位置 固定， 连接架1相对于小腿位置固定， 通过弹簧4的压缩可实现转轴2相对连接架1在矢状面 内水平和竖直两个垂直方向上的位移， 达到弹性补偿人体膝关节轴线与转轴2轴线之间位 移的目的， 且还可实现初始位置的自动复原及重力平衡。 0025 如图1所示， 大腿构件包括轴承基座13、 轴承14和轴承盖15， 轴承14置于轴承基座 13与轴承盖15之间。 转轴2通过轴承14安装在轴承基座13与轴承盖15中。 轴承基座13的下端 通过轴承14与转轴2相连， 上。

17、端以螺钉固定连接有一个尺寸调整盒8。 大腿构件一方面用来 为转轴提供安装位置， 起到支承的作用， 另一方面是用来连接转轴与尺寸调整机构。 0026 如图1和图3所示， 尺寸调整机构包括尺寸调整盒8和调整杆9， 分别连在轴承基座 13的一端和连接架1的一端， 可以实现沿腿轴向尺寸的调整。 调整杆9轴向设计有等距定位 孔， 与尺寸调整盒8通过定位孔与定位紧固件19相连。 调整杆9的一侧还设计有楔形块锁紧 盒11， 用于实现与绑缚机构的连接。 调整杆9及其上的楔形块锁紧盒11设计做成一个整体。 0027 如图3所示， 是尺寸调整盒8的爆炸示意图， 其包括壳体16、 压盖17、 弹簧18和定位 紧固件。

18、19。 定位紧固件19的一端类似锥台， 用于插进调整杆9定位孔内定位， 中间设计有螺 纹用于和壳体16连接来顶紧调整杆9， 定位紧固件19的另一端安装有旋钮便于操作。 弹簧18 置于轴肩与压盖17之间， 用于自动复原定位紧固件19。 0028 如图1和图4所示， 绑缚机构包括楔形块锁紧盒11、 L形调整杆10和弧形碳纤维板 12。 L形调整杆10的两端的均利用楔形块增力实现与楔形块锁紧盒11的固连。 绑缚机构通过 楔块夹紧结构连接在调整杆9上， 可以实现水平面内绑缚位置的调整。 弧形碳纤维板12通过 螺钉固连于楔形块锁紧盒11一侧， 并可通过绑带固定在人体腿部。 0029 如图4所示， 是楔形。

19、块锁紧盒11的爆炸示意图， 其包括基座20、 楔形块21和螺纹旋 杆22， 旋转螺纹旋杆22通过螺纹和楔形结构将力进行放大， 进而压紧孔中的L形调整杆。 0030 整体而言， 本发明提供的可弹性补偿轴线位移的膝关节外骨骼装置能够弹性补偿 人体膝关节转动轴线与膝关节外骨骼转动轴线之间的位置误差， 保证较好的穿戴舒适性， 同时还可沿腿轴向调整尺寸、 在垂直腿的平面内调整绑缚位置， 以适应不同人体下肢的需 求。 说 明 书 3/3 页 5 CN 107320286 A 5 图1 图2 说 明 书 附 图 1/2 页 6 CN 107320286 A 6 图3 图4 说 明 书 附 图 2/2 页 7 CN 107320286 A 7 。