一种通用的关节运动中心跟随装置

本发明涉及外骨骼设计生产，尤其涉及一种通用的关节运动中心跟随装置。

背景技术：

1、人类膝关节的运动主要表现为矢状面上的屈伸，但是由于韧带、肌肉和其他软体组织的存在，膝关节在运动时，其胫骨在沿着股骨末端表面滚动过程中会产生滑移现象，这导致膝关节在运动过程中的瞬时旋转中心在矢状面上不断移动。同理，人类的肘关节由于肱骨与尺骨桡骨之间的滚动运动，其瞬时旋转中心在屈曲过程中也会发生移动。大多数外骨骼将膝关节、肘关节处的关节简化为单铰链式的旋转运动，由于关节的简化，一般外骨骼无法实现运动过程中的这种迁移。这会导致外骨骼与人体上肢关节旋转轴之间的错位。如果外骨骼没有包含人类关节中存在的所有自由度，那么错位是不可避免的。

2、有些外骨骼采用凸轮装置去仿照膝盖中的股骨末端形状来拟合胫骨和股骨之间的相对运动，但是由于不同体型的穿戴者拥有不同尺寸大小的四肢，很难设计一个通用的机构去实现不同穿戴者的膝、肘、髋等不同关节的滑移曲面。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提出一种通用的关节运动中心跟随装置。

2、具体技术方案如下：

3、一种通用的关节运动中心跟随装置，包括关节上部骨架和关节下部骨架；

4、所述关节上部骨架包括：母头结构、公头结构、关节电机、结构相同的第一伸缩导杆和第二伸缩导杆；在所述母头结构的底部固连固定带，用于将关节上部骨架固定在肢体上；所述第一伸缩导杆、第二伸缩导杆的固定端分别固连在母头结构上，第一伸缩导杆的伸缩端与公头结构转动连接，第二伸缩导杆的伸缩端安装在公头结构的直槽孔中，所述第二伸缩导杆的伸缩端能在该直槽孔中进行受限制的运动；公头结构的下方固连关节电机；

5、所述关节下部骨架包括：升降微调模块、从动板、结构相同的第三伸缩导杆和第四伸缩导杆；所述从动板的上表面与关节电机固连，下表面与第三伸缩导杆、第四伸缩导杆的固定端固连，第三伸缩导杆的伸缩端与升降微调模块转动连接，第四伸缩导杆的伸缩端安装在升降微调模块的直槽孔中，所述第四伸缩导杆的伸缩端能在该直槽孔中进行受限制的运动；所述升降微调模块的升降台能调整升降，所述升降台的底部固连固定带，用于将关节下部骨架固定在肢体上。

6、进一步地，所述升降微调模块包括：升降旋钮、两块半圆盖板、旋钮轴承、伸缩套筒、升降台基座、升降台；

7、所述升降台基座内部开设有圆柱形的空腔，所述空腔的内壁上设置导向轨；所述伸缩套筒是轴心处有柱形通孔的圆柱体，布置在所述空腔中，所述伸缩套筒的外壁上与导向轨对应的位置设置有凹槽，使伸缩套筒能沿导向轨做轴向运动；所述伸缩套筒的内壁上设置有内螺纹；所述升降台基座的顶部开设通孔和轴承孔，底部开设通孔，顶部和底部的通孔均与空腔连通；

8、所述旋钮轴承过盈配合嵌在升降台基座的轴承孔内，升降旋钮的杆下端设置外螺纹，上端设置有凸起，所述升降旋钮穿过升降台基座顶部的通孔，与旋钮轴承过盈配合，升降旋钮上的凸起对自身和旋钮轴承进行轴向限位；所述升降旋钮伸入伸缩套筒轴向的通孔中，且升降旋钮的外螺纹与伸缩套筒的内螺纹啮合；两块半圆盖板固定在升降台基座的上表面、升降旋钮的杆外周；所述升降台布置在升降台基座底部的通孔中，所述升降台的上部与伸缩套筒固连，下部与固定带固连。

9、进一步地，所述升降台的底部开设佩戴槽，用于让固定带穿过，从而使关节下部骨架与人类肢体固定。

10、进一步地，所述母头结构的底面贴合肢体表面，所述母头结构的底部开设佩戴槽，用于让固定带穿过，从而使关节上部骨架与人类肢体固定。

11、进一步地，所述母头结构和公头结构上分别开设根据应力计算结果得到的镂空结构。

12、进一步地，所述母头结构上开设通孔，用于与其余外骨骼部件进行连接；所述升降微调模块上开设通孔，用于与其余外骨骼部件进行连接。

13、进一步地，所述关节下部骨架还包括固定板，所述从动板的下表面开设定位槽，其尺寸与下部伸缩导杆相适应，所述第三伸缩导杆和第四伸缩导杆的固定端分别布置在定位槽中，并通过螺钉固连在从动板上，所述固定板覆盖在所述第三伸缩导杆和第四伸缩导杆上，且固定板固连在从动板上，实现对所述第三伸缩导杆和第四伸缩导杆的固定。

14、进一步地，所述第一伸缩导杆、第二伸缩导杆的固定端均通过螺钉固连在母头结构上，并用螺钉套筒保护裸露在外的螺钉。

15、进一步地，所述第二伸缩导杆的伸缩端通过光轴螺钉安装在公头结构的直槽孔中，所述第四伸缩导杆的伸缩端通过光轴螺钉安装在升降微调模块的直槽孔中。

16、本发明的有益效果是：

17、(1)本发明利用人体肢体与外骨骼之间的相互作用力，驱动位于外骨骼上的可差动变化的伸缩导杆以调整外骨骼长度和角度，从而实现外骨骼关节运动中心与人体关节运动中心的实时动态匹配对准，减少外骨骼在运动过程中对人体上肢的压迫和阻碍。

18、(2)本发明可根据不同体型穿戴者的肢体大小、不同肢体部位，通过外骨骼上的可差动变化的伸缩导杆和升降微调模块进行外骨骼的形态调整，从而减小穿戴者在运动过程中受到的来自外骨骼的径向力和轴向力。

19、(3)本发明作为一种通用的关节运动中心跟随结构，可作为外骨骼的其中一个通用模块应用于肘、髋、膝等部位。

技术特征：

1.一种通用的关节运动中心跟随装置，其特征在于，包括关节上部骨架和关节下部骨架；

2.根据权利要求1所述的通用的关节运动中心跟随装置，其特征在于，所述升降微调模块包括：升降旋钮、两块半圆盖板、旋钮轴承、伸缩套筒、升降台基座、升降台；

3.根据权利要求2所述的通用的关节运动中心跟随装置，其特征在于，所述升降台的底部开设佩戴槽，用于让固定带穿过，从而使关节下部骨架与人类肢体固定。

4.根据权利要求1所述的通用的关节运动中心跟随装置，其特征在于，所述母头结构的底面贴合肢体表面，所述母头结构的底部开设佩戴槽，用于让固定带穿过，从而使关节上部骨架与人类肢体固定。

5.根据权利要求1所述的通用的关节运动中心跟随装置，其特征在于，所述母头结构和公头结构上分别开设根据应力计算结果得到的镂空结构。

6.根据权利要求1所述的通用的关节运动中心跟随装置，其特征在于，所述母头结构上开设通孔，用于与其余外骨骼部件进行连接；所述升降微调模块上开设通孔，用于与其余外骨骼部件进行连接。

7.根据权利要求1所述的通用的关节运动中心跟随装置，其特征在于，所述关节下部骨架还包括固定板，所述从动板的下表面开设定位槽，其尺寸与下部伸缩导杆相适应，所述第三伸缩导杆和第四伸缩导杆的固定端分别布置在定位槽中，并通过螺钉固连在从动板上，所述固定板覆盖在所述第三伸缩导杆和第四伸缩导杆上，且固定板固连在从动板上，实现对所述第三伸缩导杆和第四伸缩导杆的固定。

8.根据权利要求1所述的通用的关节运动中心跟随装置，其特征在于，所述第一伸缩导杆、第二伸缩导杆的固定端均通过螺钉固连在母头结构上，并用螺钉套筒保护裸露在外的螺钉。

9.根据权利要求1所述的通用的关节运动中心跟随装置，其特征在于，所述第二伸缩导杆的伸缩端通过光轴螺钉安装在公头结构的直槽孔中，所述第四伸缩导杆的伸缩端通过光轴螺钉安装在升降微调模块的直槽孔中。

技术总结
本发明公开了一种通用的关节运动中心跟随装置，其关节上部骨架的母头结构底部固连固定带，第一伸缩导杆、第二伸缩导杆的固定端分别固连在母头结构上，第一伸缩导杆的伸缩端与公头结构转动连接，第二伸缩导杆的伸缩端安装在公头结构的直槽孔中；公头结构的下方固连关节电机；关节下部骨架的从动板上表面与关节电机固连，下表面与第三伸缩导杆、第四伸缩导杆的固定端固连，第三伸缩导杆的伸缩端与升降微调模块转动连接，第四伸缩导杆的伸缩端安装在升降微调模块的直槽孔中；升降微调模块的升降台能调整升降，升降台的底部固连固定带。本发明能进行外骨骼的形态调整，实现外骨骼关节运动中心与人体关节运动中心的实时动态匹配对准。

技术研发人员：金佳成,徐雨锋,赵家东,沈逸恒,梅洁,王文彪,周烜亦,鲍官军
受保护的技术使用者：浙江工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15