一种变杆长的四杆膝关节助力装置

本发明主要涉及到膝关节助力机构，一种变杆长的四杆膝关节助力装置。

背景技术：

1、目前社会中，对于下肢行走功能障碍的人群以及老年人群体重视程度较低，这使得这部分人群在日常生活中面临许多行动上的困难。为了应对这一挑战，膝关节助力机构成为一种备受关注的创新性技术装置，其设计旨在有效辅助和提升人们膝关节运动的能力，特别适用于需要行走、爬楼梯或进行其他日常活动的用户。

2、然而，膝关节助力机构在广泛应用中面临一些技术和社会挑战。其中，对于膝关节的人机相容性的分析是一个相当复杂的问题。人体的形态和生理特征因人而异，因此需要个性化设计以确保助力机构与用户的膝关节相协调。这涉及到对不同人体特征的深入研究和精准调整，从而提供更贴近个体需求的助力支持。

3、此外，膝关节助力机构的刚性问题也是需要解决的难题。机构刚度不当可能导致对人体施加额外的力与力矩，进而可能引发潜在的伤害。因此，在设计和优化助力机构时，需要综合考虑机构的柔性，以确保其能够与人体关节协调运动，减少对关节和周边组织的负担，从而提高整体使用的安全性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种变杆长的四杆膝关节助力装置，解决上述问题

2、本发明的实例提供了一种变杆长的四杆膝关节助力装置，其特征包括，驱动装置，可变四杆机构装置以及人机交互装置：

3、所述驱动装置包括关节电机，电机连接件，电机连杆；

4、所述可变四杆机构包括辅助上杆辅助下杆，可变连杆上支杆，可变连杆下支杆，基座杆，连架杆，t型杆，铰链连接块，小腿t型杆，小腿伸缩杆。

5、所述人机交互装置包括大腿紧固件和小腿紧固件。

6、为方便描述零件的位置形状，规定人体面朝朝向方向为前，人体背对方向为后，左手相对躯干的位置为左，右手相对于躯干的位置为右。

7、所述驱动装置最上端为关节电机型号为yt-100，电机连接件为一个1/2的圆环有两层螺纹孔，外层螺纹孔与电机配合，内层螺纹孔与人机交互装置的大腿紧固件的上端圆环凸起相配合。关节电机内侧通过螺栓与电机连杆相配合，电机连杆为一异形扁平带弧度的杆状零件，弧度与人体腿部的形状相符合。

8、所述可变四杆机构放置在人体右侧大腿外侧，可变四杆机构最上端为基座杆，基座杆为一个倒置的t型结构，上端竖直杆上有两个长方形凸起，其上端带有圆形凹槽，用于固定基座杆与人机交互装置的大腿紧固件。下端水平杆前侧通过铰链与连架杆相连，形成转动副，后侧分别于辅助上杆与可变连杆上支杆通过铰链相连形成转动副。

9、辅助上杆为一个扁平杆状零件，两端有通孔，一侧与基座杆相连，另一侧分别与t型杆和辅助下杆通过铰链相连，形成转动副。

10、辅助下杆为一个3层复合的扁平杆状零件，上端为三层杆状零件，有通孔，中间有凹槽，与辅助上杆形成转动副，下端为单层的扁平杆状零件，有通孔分别与t型杆与，可变连杆下支杆通过铰链相连，形成转动副。

11、可变连杆上支杆为一个杆状零件，上端带有通孔，与基座杆配合形成转动副，下端面有一个圆柱形凸起，通过与可变连杆下支杆配合形成移动副，左侧端面有一个阶梯的圆柱形凸台，用以挂载弹簧。

12、可变连杆下支杆为一个杆状零件，下端带有通孔，与t型杆配合形成转动副，上端面有一个圆柱形凹槽，通过与可变连杆下支杆配合形成移动副，左侧端面有一个阶梯的圆柱形凸台，用以挂载弹簧。

13、连架杆为一个扁平杆状零件，两端有通孔，一侧与基座杆相连，另一侧分别与t型杆通过铰链相连，形成转动副。

14、t型杆为一个类型与“工”字型的杆状零件，中间竖直位置带有两段弯折，为了更加贴和人体小腿的运动趋势，同时便于机构设计。下端水平杆件有两个螺纹孔。

15、铰链连接块为一个片状零件，四个角的位置带有螺纹孔。上端2个螺纹孔通过安装铰链与t型杆下端的两个螺纹孔连接，形成转动副。铰链连接块下端2个螺纹孔与小腿t型杆的2个螺纹孔，通过安装铰链，形成转动副。

16、小腿t型杆为一个的t型结构，上端水平杆件带有2个螺纹孔与铰链连接块，形成转动副。下端竖直杆下断面带有圆形凹槽，与小腿伸缩杆配合形成移动副。左侧端面有一个阶梯的圆柱形凸台，用以挂载弹簧。

17、小腿伸缩杆为一个杆状零件，上端面有圆柱形凸起，与小腿t型杆配合形成转动副。左侧端面有一个阶梯的圆柱形凸台，用以挂载弹簧。且有两个长方形凸起，其上端带有圆形凹槽，用于固定基座杆与人机交互装置的小腿紧固件。

18、所述人机交互装置上侧为一个大腿紧固件，大腿坚固件为一个类似于3/4的薄壁的圆柱体零件，上端有一个圆形竖直端面与电机连接件通过螺栓固定，下端有半圆形凹槽用以装配基座杆。

19、人机交互装置下侧为一个小腿紧固件，大腿坚固件为一个类似于3/4的薄壁的圆柱体零件，中间位置一个有一个椭圆形凹槽用以装配小腿伸缩杆。

20、进一步，所述机构，仿照人体生物力学特征的特殊性，其运动特性模拟了人体小腿相对于大腿的复杂运动。该机构在运动过程中能够保持与人体膝关节相近的转动中心，实现了与自然生理结构相符合的运动轨迹。这种仿生学设计不仅在机械系统中引入了人体运动的生物特性，还考虑了与人体运动学相匹配的转动中心，从而提高了运动模拟的生理真实性和仿真效果。

21、进一步，所述机构，无需个性化设计即可通用于不同人体尺寸。这种内在的通用性使得该机构能够灵活适应各种人体尺寸差异，避免了需要为不同个体定制设计的复杂过程。这种通用性不仅简化了制造过程，还减少了为不同个体进行定制的挑战。

22、进一步，所述机构，双铰链机构展现了在膝关节运动中对小幅度矢状面耦合运动更为优越的设计特性。通过巧妙的工程布局，该机构在模拟膝关节运动时能够更精确地还原小范围内的矢状面耦合运动，使得其在仿生学领域的应用更为突出。这种设计考虑了人体膝关节在运动中产生的微小矢状面变化，从而更真实地模拟了生理运动的复杂性。

23、进一步，所述机构，通过合理设计大腿紧固件和小腿紧固件，成功实现了在大腿正面施加力的均匀分布，从而有效缓解了由剪切应力引起的问题。这一设计考虑了人体生物力学的复杂性，特别是在模拟运动时大腿与小腿之间可能发生的相对运动。通过巧妙地调整和布局紧固件，成功地优化了力的传递路径，使得作用在机构上的力能够均匀分布在大腿正面的相关区域。

技术特征：

1.一种变杆长的四杆膝关节助力装置，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的一种变杆长的四杆膝关节助力装置，其特征在于：

技术总结本发明涉及一种变杆长的四杆膝关节助力装置，该机构主要包括驱动装置，可变四杆机构装置以及人机交互装置。该装置使用一个关节电机，通过驱动可变四杆机构中连杆的运动，辅助小腿进行日常的活动。在可变四杆机构装置中有拉伸弹簧。通过被动自由度来自适应不同人体膝关节的转动中心轨迹。在人机交互装置中，通过体态识别以及3D打印技术实现，固定器具人体腿部的贴合，以及通过双铰链设计符合人体大腿与小腿的形态过渡。防止出现助力以外的力和力矩对人体造成伤害。该装置结构简单，使用者穿戴方便，对于不同使用入群不用特意设计杆件长度，适用范围广。技术研发人员：董明杰,陈殷博,李剑锋,左世平,王帅榜受保护的技术使用者：北京工业大学技术研发日：技术公布日：2024/6/5