具有免荷功能的膝关节外骨骼助力装置及其助力方法

技术特征：
1.一种具有免荷功能的膝关节外骨骼助力装置，其特征在于，其包括多个大腿绑缚组件、多个小腿绑缚组件以及设置于所述大腿绑缚组件和小腿绑缚组件之间的转动组件，所述多个大腿绑缚组件串联设置，且相邻两个大腿绑缚组件之间通过上连接件连接，每个大腿绑缚组件均包括大腿骨架、大腿内衬和大腿绑带，所述大腿骨架内侧设有所述大腿内衬，且所述大腿内衬上设有大腿部气囊，所述大腿骨架对称设于所述大腿绑带上，且所述大腿骨架的外侧与所述上连接件连接；所述转动组件对称设于所述大腿绑缚组件和小腿绑缚组件之间，且所述转动组件包括多级串联啮合齿轮组、自动补偿机构、多连杆机构、第一传动组件和第二传动组件，所述自动补偿机构设于所述多级串联啮合齿轮组与所述大腿骨架之间，且所述自动补偿机构包括固定卡盘以及转动设于所述固定卡盘上的活动卡扣，所述固定卡盘设于所述大腿骨架上，且所述多级串联啮合齿轮组中第一齿轮的第一连接板通过所述活动卡扣固定于所述固定卡盘中，所述多连杆机构设于所述多级串联啮合齿轮组的一侧，且所述多级串联啮合齿轮组包括第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮以及第四齿轮，所述第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮以及第四齿轮依次齿轮啮合传动，且所述第一齿轮和第二齿轮之间通过所述第一传动组件传动连接，所述第三齿轮和第四齿轮之间通过所述第二传动组件传动连接，且所述第四齿轮中的第四连接板固定于所述小腿绑缚组件中的小腿骨架上；所述多个小腿绑缚组件串联设置，且相邻两个小腿绑缚组件之间通过下连接件连接，每个小腿绑缚组件均包括小腿骨架、小腿内衬和小腿绑带，所述小腿骨架内侧设有所述小腿内衬，且所述小腿内衬上设有小腿部气囊，所述小腿骨架对称设于所述小腿绑带上，且所述小腿骨架的外侧与所述下连接件连接。2.根据权利要求1所述的具有免荷功能的膝关节外骨骼助力装置，其特征在于，所述第一传动组件包括第一电机、第一连接皮带和第一从动带轮，所述第一电机设于所述第一齿轮上，且所述第一电机的输出轴轴线与所述第一齿轮的中心轴线重合，所述第一电机的输出轴上设有第一主动带轮，且所述第一从动带轮设于所述第二齿轮上，所述第二齿轮的中心轴线与所述第一从动带轮的中心轴线重合，且所述第一从动带轮与所述第一主动带轮通过所述第一连接皮带传动连接。3.根据权利要求2所述的具有免荷功能的膝关节外骨骼助力装置，其特征在于，所述第二传动组件包括第二电机、第二连接皮带和第二从动带轮，所述第二电机设于所述第四齿轮上，且所述第二电机的输出轴轴线与所述第四齿轮的中心轴线重合，所述第二电机的输出轴上设有第二主动带轮，且所述第二从动带轮设于所述第三齿轮上，所述第三齿轮的中心轴线与所述第二从动带轮的中心轴线重合，且所述第二从动带轮与所述第二主动带轮通过所述第二连接皮带传动连接。4.根据权利要求3所述的具有免荷功能的膝关节外骨骼助力装置，其特征在于，所述多连杆机构包括第一连杆、第二连杆和第三连杆，所述第一连杆的第一端与所述第一齿轮的中心处连接，且所述第一连杆的第二端与所述第二齿轮的中心处连接，所述第二连杆的第一端与所述第二齿轮的中心处连接，且所述第二连杆的第二端与第三齿轮的中心处连接，所述第三连杆的第一端与所述第三齿轮的中心处连接，且所述第三连杆的第二端与所述第四齿轮的中心处连接。5.根据权利要求1所述的具有免荷功能的膝关节外骨骼助力装置，其特征在于，所述第
一齿轮的中心轴线、第二齿轮的中心轴线、第三齿轮的中心轴线以及所述第四齿轮的中心轴线均平行，且所述第一齿轮中心轴线到所述第二齿轮中心轴线之间的垂直距离与所述第三齿轮中心轴线到所述第四齿轮中心轴线之间的垂直距离相等。6.根据权利要求1所述的具有免荷功能的膝关节外骨骼助力装置，其特征在于，所述第一齿轮的圆周方向设有第一连接板，且所述第一连接板上均布设有卡槽，所述第一连接板设于所述固定卡盘中，且所述活动卡扣扣合于所述卡槽中，用于连接所述第一连接板和所述固定卡盘。7.根据权利要求1所述的具有免荷功能的膝关节外骨骼助力装置，其特征在于，所述大腿内衬呈锥形结构状。8.根据权利要求1所述的具有免荷功能的膝关节外骨骼助力装置，其特征在于，所述小腿内衬呈锥形结构状，且所述小腿内衬在人体胫骨结节处设置有凹槽。9.一种实现权利要求1～8之一所述的具有免荷功能的膝关节外骨骼助力装置的助力方法，其特征在于，其包括以下步骤：s1、将外骨骼助力装置的大腿绑缚组件以及小腿绑缚组件分别固定在下肢的大腿以及小腿处；s2、通过设于下肢足底的足底传感器检测足底的压力值，并判断所述下肢所处的步态周期；s3、当足底压力值小于设定的足底压力阀值时，所述下肢处于步态摆动期，且外骨骼助力装置处于支撑随动状态，通过释放所述大腿部气囊以及小腿部气囊内的气体，能够实现所述大腿绑缚组件以及小腿绑缚组件对大腿以及小腿的松绑缚，同时所述第一电机以及第二电机均停止转动，此时外骨骼助力装置跟随所述下肢的运动而运动；s4、当所述足底压力值大于设定的足底压力阀值时，所述下肢处于步态支撑期，且外骨骼助力装置处于支撑工作状态，通过向所述大腿部气囊以及小腿部气囊充气，能够实现所述大腿绑缚组件以及小腿绑缚组件对大腿以及小腿的紧绑缚，同时所述第一电机通过所述第一连接皮带带动所述第二齿轮转动，所述第二电机通过所述第二连接皮带带动所述第三齿轮转动，且所述第二齿轮与第三齿轮啮合传动，此时外骨骼助力装置对大腿以及小腿施加分离力，继而实现膝关节的免荷助力。s5、外骨骼助力装置通过对所述大腿部气囊以及小腿部气囊的充放气，能够相应的完成随动状态以及工作状态的转换，继而能够实现下肢膝关节在行进过程中的免荷助力。

技术总结
本发明涉及一种具有免荷功能的膝关节外骨骼助力装置及其助力方法，其包括多个大腿绑缚组件、多个小腿绑缚组件以及设置于大腿绑缚组件和小腿绑缚组件之间的转动组件，且转动组件中的自动补偿机构设于多级串联啮合齿轮组与大腿绑缚组件中大腿骨架之间，多级串联啮合齿轮组中四个齿轮串联依次齿轮啮合传动，且第四齿轮中的第四连接板固定于小腿绑缚组件中的小腿骨架上。本发明通过对气囊的充放气可以实现大腿绑缚组件以及小腿绑缚组件对大腿以及小腿紧松绑缚的切换，进而实现在行走过程中与人体步态相配合的支撑随动状态与支撑工作状态之间的周期性转换，继而减轻行走过程中膝关节所受的部分负荷，有利于降低关节磨损。有利于降低关节磨损。有利于降低关节磨损。


技术研发人员：陈子明 郭玉 李靖涛 刘全 闫翔宇 莫钰俊 王华玮 于行
受保护的技术使用者：燕山大学
技术研发日：2022.10.08
技术公布日：2023/1/31