一种基于气动肌肉的膝关节外骨骼助力机构的制作方法 【技术领域】。 [0002]外骨骼技术已经有二十多年的历史。通过仿生学原理，旨在设计一种能够增强人体能力的机电一体化装置，可穿戴在操作人员体外，提供诸如动力、支撑、保护等功能。 [0003]外骨骼常见的驱动有电机、液压、气动等形式。电机驱动的功率/质量比较小，满足条件后质量及电机的体积都比较大。液压驱动存在泄露、系统成本高、可靠性差。气压驱动虽然存在许多优点，但功率/体积质量有限，无法满足外骨骼对驱动器简单轻便的要求。同时气动伺服系统也存在空气压缩性、弱阻尼特性、阀口流动的强非线性以及低刚度性等弱点。 [0004]近年来一类基于生物肌肉运动原理而设计开发出来的驱动器一气动人工肌肉(简称PMA)。因其较好的柔性以及良好的功率/体积和输出/自重比使外骨骼助力机构轻便化的设计成为可能。 实用新型内容
[0005]目的:为了克服现有技术的不足，本实用新型提供一种基于气动肌肉的膝关节外骨骼助力机构，为适合相关人员穿戴的膝关节外骨骼机构，该机构能够实现助力功能，方便、轻巧，易于控制。
[0006]技术方案:为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为:
[0007]一种基于气动肌肉的膝关节外骨骼助力机构，其特征在于:包括大腿支架、两个结构相同的腿部部件；腿部部件的上端分别连接在大腿支架上，所述腿部部件包括从上至下依次连接的大腿、膝关节和小腿；大腿下端与小腿的上端通过膝关节进行转动连接；
[0008]所述大腿包括通轴和两个气动肌肉组件，所述膝关节包括转轮和连接轴；通轴上端固定在大腿支架的底端；通轴下端设置连接轴，连接轴上套设转轮，小腿的上端套设在连接轴上并与转轮固定连接，转轮通过两个气动肌肉组件和索绳来带动转动；两个气动肌肉组件的上端分别与大腿支架底端固定连接，下端分别与索绳的两端连接，索绳中间部位绕转轮缠绕带动转轮转动进而带动小腿转动。
[0009]所述的一种基于气动肌肉的膝关节外骨骼助力机构，其特征在于:所述气动肌肉组件，包括:第一螺纹杆、气动肌肉、快拧插头、径向连接件、第二螺纹杆、双耳环；其中第一螺纹杆、气动肌肉、径向连接件、第二螺纹杆、双耳环依次连接，第一螺纹杆上端与大腿支架连接；双耳环上连接索绳且索绳缠绕在转轮上；气动肌肉的上端设有进出气口，与气源相连通，下端封闭，快拧插头通过径向连接件与气动肌肉内部相连通。
[0010]所述的一种基于气动肌肉的膝关节外骨骼助力机构，其特征在于:所述膝关节，还包括深沟球轴承、轴承套筒和旋转编码器；连接轴与通轴两侧分别固定连接；转轮径向通过深沟球轴承套设在连接轴上能够绕连接轴转动，转轮轴向通过轴承套筒与通轴一侧固定；旋转编码器与转轮固定在一起实现同步转动。
[0011]所述的一种基于气动肌肉的膝关节外骨骼助力机构，其特征在于:所述小腿通过螺栓与膝关节上的转轮相连。
[0012]所述的一种基于气动肌肉的膝关节外骨骼助力机构，其特征在于:所述小腿为镂空铝板结构，设有绑带可有效固定。
[0013]所述的一种基于气动肌肉的膝关节外骨骼助力机构，其特征在于:所述通轴包括两块平行设置的竖板和横板，两竖板上端分别垂直固定连接在横板上，下端分别与连接轴垂直相连。
[0014]作为优选方案，所述的一种基于气动肌肉的膝关节外骨骼助力机构，其特征在于:通轴上端通过螺栓固定在大腿支架的底端；连接轴通过螺栓与通轴两侧分别固定连接。
[0015]有益效果:本实用新型提供的一种基于气动肌肉的膝关节外骨骼助力机构，基于生物肌肉运动原理而设计开发出来的驱动器一气动人工肌肉(简称PMA)，具有较好的柔性以及良好的功率/体积和输出/自重比，使外骨骼助力机构轻便化的设计成为可能；穿戴者穿戴好气动肌肉驱动的膝关节外骨骼助力机构后，借助气动肌肉产生的拉力锻炼膝关节，可以有效减轻医护人员的劳动强度，满足人们日益增加的对医疗护理的需求。




[0016]图1和图2为本实用新型的结构示意图；
[0017]图3为本实用新型中气动肌肉组件的结构图；
[0018]图4为本实用新型中膝关节的结构图；
[0019]图5为本实用新型中气动肌肉的气动控制系统原理图。
[0020]图中:大腿支架1、通轴2、气动肌肉组件3、小腿4、转轮5、连接轴6、深沟球轴承7、轴承套筒8、竖板9、横板10、索绳11、气源20、气动三联件21、安全阀22、两位五通电磁阀23、比例减压阀24、压力传感器25 ;气动肌肉30、第一螺纹杆31、径向连接件32、第二螺纹杆33、双耳环34、快拧插头35。


[0021]下面结合附图对本实用新型作更进一步的说明。
[0022]如图1至图4所示，为一种基于气动肌肉的膝关节外骨骼助力机构，包括大腿支架1、两个结构相同的腿部部件；腿部部件的上端分别连接在大腿支架I上，腿部部件包括从上至下依次连接的大腿、膝关节和小腿4 ;大腿下端与小腿4的上端通过膝关节进行转动连接；
[0023]所述大腿包括通轴2和两个气动肌肉组件3，所述膝关节包括转轮5和连接轴6 ;通轴2上端通过螺栓固定在大腿支架I的底端；通轴2下端设置连接轴6，连接轴6上套设转轮5，小腿4的上端套设在连接轴6上并与转轮5固定连接，转轮5通过两个气动肌肉组件3和索绳来带动转动；两个气动肌肉组件3的上端分别与大腿支架I底端固定连接，下端分别与索绳11的两端连接，索绳中间部位绕转轮5缠绕带动转轮5转动进而带动小腿4转动。气动肌肉组件3的下端引出一根索绳，索绳的缠绕在转轮5上，缠绕几圈后与另一根气动肌肉组件3的下端连接，气动肌肉的收缩运动可带动转轮的转动，从而带动小腿转动。
[0024]如图2所示，所述通轴2包括两块平行设置的竖板9和横板10，两竖板9上端分别垂直固定连接在横板10上，下端分别与连接轴垂直相连。作为优选，竖板9为铝板材质。
[0025]如图3所示，所述气动肌肉组件3，包括:第一螺纹杆31、气动肌肉30、径向连接件32、第二螺纹杆33、双耳环34、快拧插头35 ;其中第一螺纹杆31、气动肌肉30、径向连接件32、第二螺纹杆33、双耳环34依次连接，第一螺纹杆31上端与大腿支架I固定连接；双耳环34上连接索绳且索绳缠绕在转轮5上；气动肌肉30的上端设有进出气口，与气源20及气动控制系统相连，下端封闭，快拧插头35通过径向连接件32与气动肌肉30内部相连通。当气动肌肉30通过插入快拧插头35的气管充气后，在一定的压力范围内会发生收缩，从而产生拉力；气体排除后，又恢复到原长；两根气动肌肉交替作用，循环往复，实现摆动。
[0026]如图4所示，所述膝关节，还包括深沟球轴承7、轴承套筒8和旋转编码器(图中未标出)；连接轴6通过螺栓与通轴2两侧分别固定连接；转轮5径向通过深沟球轴承7套设在连接轴6上能够绕连接轴转动，转轮5轴向通过轴承套筒8与通轴2 —侧固定；旋转编码器与转轮固定在一起实现同步转动。
[0027]作为优选方案，所述小腿4，通过螺栓2与膝关节上的转轮5固定连接，小腿4为镂空铝板结构，设有绑带可有效固定。
[0028]如图5所示，气动控制系统的气源20为整个气路提供动力。气源与气动三联件21相连，气动三联件21用于保证气路气体的质量，去除空气杂质。安全阀22对气路起到保护作用。两位五通电磁阀23用于控制气路中气体的流向，两位是指该电磁阀有两个工作状态，五通表示有五个通路。气管经过两位五通后与比例减压阀24相连，比例减压阀24用于控制气动肌肉充放气时的压力差恒定，保证系统稳定。压力传感器25与气动肌肉30相连通过采集气动肌肉的数据，适当对气动肌肉30进行调节。
[0029]本实用新型的工作过程如下:
[0030]当穿戴者的膝关节需要助力时，穿戴者穿上本实用新型的膝关节外骨骼助力机构，将人体大小腿分别与通轴2的一侧以及小腿4相连。
[0031]当人体小腿开始运动时，通过气源20给系统供气，将两位五通23的一端打开，充气后一根气动肌肉30缩短，另一根气动肌肉保持。从而产生转矩，带动膝关节转轮5向一边转动，与此同时旋转编码器测量到转轮5的转角、压力传感器测量到气动肌肉30的收缩情况，分别通过反馈回路传送给上位机，上位机进行解算后再对膝关节的位姿进行控制。一个周期内两根气动肌肉各缩短一次，带动小腿摆动一次。通过对膝关节的转轮5的调节使小腿摆动的速度与人体小腿摆动的速度相一致，从而减轻穿戴者膝关节的驱动力。
[0032]本实用新型借助气动肌肉30产生的作用力，对膝关节转轮产生辅助力矩，通过反馈实现对小腿摆动的有效控制，实现助力功能。
[0033]以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出:对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。