本發(fā)明涉及一種動力膝關節(jié)，特別是一種基于連續(xù)可變串聯(lián)柔性驅動的穿戴式動力膝關節(jié)。

背景技術：

針對膝關節(jié)的輔助康復裝置，一般可以分為穿戴式和非穿戴式,動力驅動和非動力驅動。穿戴式輔助康復裝置是指穿戴于人體大小腿外的器具，其將關節(jié)的伸展和屈曲限制在合適的角度范圍內，或者將膝關節(jié)維持在某一角度，以促進膝關節(jié)功能早期得到康復。目前穿戴式非動力輔助康復裝置結構比較簡單，一般起支撐、穩(wěn)定患者受損膝關節(jié)的作用，使用起來也相對簡單。動力輔助膝關節(jié)康復裝置很多都是非穿戴式。這種輔助康復裝置相比于穿戴式的功能要強大，它可以增加患者肌力和膝關節(jié)的靈活性以及改善患者對肌肉的控制能力，但是該類裝置比較龐大，一般集中在康復醫(yī)療中心，所以患者只能到康復中心進行康復，這對有行動障礙的患者來說也是非常不便的。國外也有一部分可穿戴式的動力膝關節(jié)輔助康復裝置，它可以主動提供助力給膝關節(jié)，但是價格貴，重量大。

對于動力關節(jié)的驅動裝置，一般可以分為直接驅動旋轉和連桿驅動。直接驅動的問題是空間布局限制多，電機扭轉扭矩不足，自鎖性能不好。連桿驅動能夠有更多的空間選擇，并且能夠在特定角度提供較大的扭矩，容易實現(xiàn)機構本身的自鎖，但是很多連桿驅動裝置的問題是尺寸較大，重量較重。

近年來，基于生物學和生理學方面的研究表明，筋腱組織等柔性儲能機構對人體行走的穩(wěn)定性和能量效率具有極為重要的作用。而現(xiàn)有的裝置都是剛性的驅動關節(jié)轉動，而不能像人的膝關節(jié)那樣具有柔性。柔性的關節(jié)在運動過程中，交替地進行儲存能量與釋放能量，以將動能、重力勢能和彈性勢能進行轉換，這樣不但提高了人行走時能量的利用效率，還改善了對行走環(huán)境的適應性，因此驅動關節(jié)轉動時應當是具有柔性的。而對于膝關節(jié)不同的角度位置，需要提供不同的剛性和柔性。

綜上所述，亟需一種可穿戴的輕巧、方便且能提供柔性的膝關節(jié)輔助康復裝置。

技術實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種驅動扭矩大、穿戴輕巧且能夠提供柔性的基于連續(xù)可變串聯(lián)柔性驅動的穿戴式動力膝關節(jié)。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術方案：一種基于連續(xù)可變串聯(lián)柔性驅動的穿戴式動力膝關節(jié)，其特征在于：包括上支板和下支板；在所述上支板上設置有推桿驅動機構，所述推桿驅動機構的輸出端為輸出直線運動的推桿，所述推桿的端部與橫連桿緊固連接，所述橫連桿兩端分別通過連桿機構與下支板連接；所述下支板與所述連桿機構連接的部位為彈性片，所述彈性片與所述下支板連接為一體，兩個所述彈性片對稱分布在所述下支板的中軸線的兩側；在所述上支板的下端固定設置有第一齒輪，在所述下支板的上端固定設置有第二齒輪，所述第二齒輪與所述第一齒輪嚙合。

所述推桿驅動機構包括支座、電機、滾珠絲杠副和所述推桿；所述支座與所述上支板緊固連接，所述電機緊固連接在所述支座上，所述電機的輸出端連接所述滾珠絲杠副，所述滾珠絲杠副的絲杠母與所述推桿緊固連接。

所述推桿驅動機構氣缸或液壓缸。

所述連桿機構包括三角連桿，所述三角連桿的第一端設置有長圓孔，所述橫連桿的端部可滑動且可轉動地設置在所述長圓孔中，所述三角連桿的第二端與所述上支板鉸接，所述三角連桿的第三端與連桿的一端鉸接，所述連桿的另一端與所述下支板鉸接。

所述連桿機構為一根兩端分別與所述橫連桿、彈性片鉸接的連桿。

當所述下支板轉動至與所述上支板呈45°角時，所述長圓孔的長軸垂直于所述上支板的長度方向。

所述上支板采用適用于包住人體大腿或小腿的半包圍結構，所述下支板采用適用于包住人體小腿或踝關節(jié)部位的半包圍結構。

所述三角連桿的第二端與所述上支板的連接處設置有軸承，所述三角連桿與所述連桿的連接處設置有軸承，所述連桿與所述下支板的連接處設置有軸承。

所述連桿的端部與所述橫連桿的連接處設置有軸承，所述連桿與所述彈性片的連接處設置有軸承。

所述彈性片采用彈簧鋼加工而成。

本發(fā)明由于采取以上技術方案，其具有以下優(yōu)點：1、本發(fā)明由于設置有用于與人的肢體固定的上支板和下支板，上支板上設置有推桿驅動機構，推桿驅動機構的輸出端推桿通過橫連桿與連桿機構的一端連接，連桿機構的另一端與下支板連接，同時下支板與上支板之間通過一對嚙合的齒輪連接，因此，通過推桿的推/拉可以實現(xiàn)下支板向屈曲方向/伸展方向轉動，從而實現(xiàn)動力下的膝關節(jié)的彎曲/伸展運動。2、本發(fā)明由于下支板與連桿連接的部位采用彈性片，彈性片與下支板連接為一體，彈性片在推動小腿運動時，能夠起到緩沖和儲能作用，實現(xiàn)類似于腿部肌腱的功能，在運動過程中可以交替地進行儲存能量與釋放能量，以將動能、重力勢能和彈性勢能進行轉換，這樣不但能夠提高人行走時能量的利用效率，還能夠改善對行走環(huán)境的適應性。3、本發(fā)明在上支板的下端固定設置有第一齒輪，在下支板的上端固定設置有第二齒輪，第二齒輪與第一齒輪嚙合，能夠產(chǎn)生非圓周的轉動，以擬合關節(jié)的轉動。

附圖說明

圖1是本發(fā)明第一種實施例的結構示意圖；

圖2是圖1中A部分的放大結構示意圖；

圖3是本發(fā)明省略齒輪連接板的第一齒輪、第二齒輪的結構示意圖；

圖4是本發(fā)明第二種實施例的結構示意圖；

圖5是圖4中B部分的放大結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細的描述。

如圖1～5所示，本發(fā)明包括上支板1和下支板2，在上支板1上設置有推桿驅動機構3，推桿驅動機構3的輸出端為輸出直線運動的推桿3-1，推桿3-1的端部與橫連桿4緊固連接，橫連桿4兩端分別通過連桿機構與下支板2連接。下支板2與連桿機構連接的部位為彈性片5，彈性片5與下支板2連接為一體。兩個彈性片5對稱分布在下支板2的中軸線的兩側。在上支板1的下端固定設置有第一齒輪6，在下支板2的上端固定設置有第二齒輪7，第二齒輪7與第一齒輪6嚙合，能夠產(chǎn)生非圓周的轉動，以擬合膝關節(jié)的轉動。

上述實施例中，推桿驅動機構3包括支座3-2、電機3-3、滾珠絲杠副3-4和推桿3-1，支座3-2與上支板1緊固連接，電機3-3緊固連接在支座3-2上，電機3-3的輸出端連接滾珠絲杠副3-4，滾珠絲杠副3-4的絲杠母3-5與推桿3-1緊固連接。上述推桿驅動機構3也可以采用氣缸或液壓缸等產(chǎn)生直線運動機構的裝置。

上述實施例中，上支板1采用適用于包住人體大腿的半包圍結構，下支板2采用適用于包住人體小腿的半包圍結構。

上述實施例中，彈性片5采用彈簧鋼加工而成，彈簧鋼制作成曲線的邊緣，曲線的形狀取決于對于不同膝關節(jié)位置的柔性設定，針對不同角度位置受力方向的不同，受力方向的截面會不同，這時會有不同的彈性。彈性片5在推動小腿運動時，能夠起到緩沖和儲能作用，實現(xiàn)類似于腿部肌腱的功能。生物學和生理學方面的研究表明，筋腱組織等柔性儲能機構對人體行走的穩(wěn)定性和能量效率具有極為重要的作用，柔性的關節(jié)在運動過程中，交替地進行儲存能量與釋放能量，以將動能、重力勢能和彈性勢能進行轉換，這樣不但能夠提高人行走時能量的利用效率，還能夠改善對行走環(huán)境的適應性。

上述實施例中，在第一齒輪6和第二齒輪7的中心分別轉動連接有齒輪軸，兩齒輪軸之間通過齒輪連接板11連接。

上述實施例中，如圖1所示，連桿機構包括三角連桿8，三角連桿8的第一端設置有長圓孔，橫連桿4的端部可滑動且可轉動地設置在長圓孔中，三角連桿8的第二端與上支板1鉸接，三角連桿8的第三端與連桿9的一端鉸接，連桿9的另一端與下支板2鉸接。當下支板轉動至與上支板呈45°角時，長圓孔的長軸垂直于上支板的長度方向，這種設置可使推桿3-1不受側向力，進而實現(xiàn)結構剛性的最小結構。在三角連桿8的第二端與上支板1的連接處、三角連桿8與連桿9的連接處以及連桿9與彈性片5的連接處均設置有軸承(圖中未示出)。

連桿機構也可以采用另一不同形式：例如連桿機構采用一根兩端分別與橫連桿4、彈性片5鉸接的連桿10(如圖4所示)。在連桿10與橫連桿4的連接處以及連桿10與彈性片5的連接處均設置有軸承(圖中未示出)。

使用者在穿著本發(fā)明進行康復運動時，包括以下幾種狀態(tài)：

1)當屈膝時，推桿驅動機構3的輸出端推桿3-1向下運動，推桿3-1通過橫連桿4、連桿機構帶動下支板2向屈膝方向轉動。

2)當伸腿時，推桿驅動機構3的輸出端推桿3-1向上運動，推桿3-1通過橫連桿4、連桿機構帶動下支板2向伸展方向轉動。

上述各實施例僅用于說明本發(fā)明，其中各部件的結構、連接方式等都是可以有所變化的，凡是在本發(fā)明技術方案的基礎上進行的等同變換和改進，均不應排除在本發(fā)明的保護范圍之外。