一种关节助力结构

技术领域

本发明涉及助力结构技术领域，尤其是涉及一种关节助力结构。

背景技术

关节助力结构作为一种为人体提供力量的辅助设备，在民用和军用领域都获得了重视，发展前景十分广阔。

目前外骨骼机器人在膝关节的助力上，一般采用单一弹性储能元件(如弹簧、气簧等)来进行储能和助力，现有助力结构只要穿戴上之后，只要关节进行运动，即会提供助力的作用，如果在某些场景下不需要提供助力，必须脱掉助力结构，才能解除助力结构的助力，这就导致了助力结构存在使用不方便的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种关节助力结构，该关节助力结构能够解决现有技术中存在的问题；

本发明提供了一种关节助力结构，其包括第一连接齿轮、第二连接齿轮、驱动齿轮、锁定装置、蓄力齿轮和蓄力装置；

第一连接齿轮和第二连接齿轮相啮合；

所述驱动齿轮设置在第一连接齿轮上，且驱动齿轮与第一连接齿轮设置在同一转轴上，且两者相对于转轴能够转动；

所述蓄力齿轮设置在第二连接齿轮上，所述蓄力齿轮和第二连接齿轮设置在同一转轴上，且两者相对于转轴能够转动；

所述锁定装置设置在第一连接齿轮上，且锁定装置使驱动齿轮相对于第一连接齿轮锁定或解锁；

所述蓄力齿轮与蓄力装置连接，蓄力齿轮与驱动齿轮相啮合。

优选的，所述关节助力结构还包括第一固定杆和第二固定杆；

所述第一连接齿轮固定在第一固定杆上，所述第二连接齿轮固定在第二固定杆上。

优选的，所述驱动齿轮靠近锁定装置的一侧为棘轮结构，另一侧为齿轮结构；

所述锁定装置包括棘爪和棘爪驱动装置，所述棘爪驱动装置固定在第一连接齿轮上并用于带动棘爪的伸缩；

所述棘轮结构与棘爪配合，齿轮结构与蓄力齿轮啮合。

优选的，所述棘爪驱动装置包括电磁铁、电机或气缸。

优选的，所述棘轮与棘爪相配合的一侧设置有多个齿。

优选的，所述蓄力齿轮为压杆齿轮，所述压杆齿轮与压杆连接，所述压杆齿轮通过压杆带动蓄力装置的运动。

优选的，所述压杆齿轮与棘轮的齿数比为2:1。

优选的，所述第一连接齿轮与第二连接齿轮的齿数比为1:1。

优选的，还包括双旋转轴连接结构，所述双旋转轴连接结构包括上旋转轴、下旋转轴，以及连接上旋转轴和下旋转轴的外盖；

所述第一连接齿轮和驱动齿轮与上旋转轴转动连接，所述第二连接齿轮和蓄力齿轮与下旋转轴转动连接。

优选的，所述蓄力装置包括模具弹簧、气弹簧或者液压弹簧。

有益效果：

通驱动齿轮、锁定装置、蓄力齿轮的设置，在需要蓄力时，通过锁定装置锁定驱动齿轮，当关节弯曲时，第一连接齿轮与带动驱动齿轮一起转动，驱动齿轮带动蓄力齿轮转动，驱动齿轮带动蓄力装置蓄力，当关节伸张时，蓄力装置进行力的释放，提供助力。当不要蓄力时，锁定装置解除对驱动齿轮的锁定，当关节弯曲时，驱动齿轮不随第一连接齿轮转动，此时，不进行蓄力。也就是说，通过驱动齿轮、锁定装置和蓄力齿轮的设定，在关节弯曲时可以选择是否通过蓄力装置进行蓄力，不需要蓄力时，关节运动不受阻碍，可以正常运动，蓄力时启动蓄力装置起到缓冲和储能的作用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明具体实施方式提供的关节助力结构的结构示意图；

图2为本发明具体实施方式提供的关节助力结构的另一个角度的结构示意图；

图3为本发明具体实施方式提供的关节助力结构的结构示意图(去除外盖)；

图4为本发明具体实施方式提供的关节助力结构的另一个角度的结构示意图(去除外盖)；

图5为本发明具体实施方式提供的关节助力结构在关节伸直，弹簧没有压缩的结构示意图；

图6为本发明具体实施方式提供的关节助力结构在关节伸直，弹簧没有压缩另一个角度的结构示意图；

图7为本发明具体实施方式提供的关节助力结构在关节弯曲，棘爪伸出，弹簧被压缩的结构示意图；

图8为本发明具体实施方式提供的关节助力结构在关节弯曲，棘爪伸出，弹簧被压缩另一个角度的结构示意图；

图9为本发明具体实施方式提供的关节助力结构在关节弯曲，棘爪缩回，弹簧没有压缩的结构示意图；

图10为本发明具体实施方式提供的关节助力结构在关节弯曲，棘爪缩回，弹簧没有压缩另一个角度的结构示意图。

附图标记说明：

1：第一连接齿轮、2：第二连接齿轮、3：驱动齿轮、4：蓄力齿轮、5：蓄力装置、6：第一固定杆、7：第二固定杆、8：棘爪、9：棘爪驱动装置。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1至图4所示，本实施方式提供了一种关节助力结构，其包括第一连接齿轮1、第二连接齿轮2、驱动齿轮3、锁定装置、蓄力齿轮4和蓄力装置5。

第一连接齿轮1和第二连接齿轮2相啮合。

驱动齿轮3设置在第一连接齿轮1上，且驱动齿轮3与第一连接齿轮1设置在同一转轴上，且两者相对于转轴能够转动。

蓄力齿轮4设置在第二连接齿轮2上，蓄力齿轮4和第二连接齿轮2设置在同一转轴上，且两者相对于转轴能够转动。

锁定装置设置在第一连接齿轮1上，且锁定装置使驱动齿轮3相对于第一连接齿轮1锁定或解锁。

蓄力齿轮4与蓄力装置5连接，蓄力齿轮4与驱动齿轮3相啮合。

在本实施方式中，关节助力结构可以用在人体关节上，具体的，关节助力结构用在具备旋转特征的所有人体关节上，比如膝关节、肘关节、踝关节、胯关节等。

在本实施方式中，通驱动齿轮3、锁定装置、蓄力齿轮4的设置，在需要蓄力时，通过锁定装置锁定驱动齿轮3，当关节弯曲时，第一连接齿轮1与带动驱动齿轮3一起转动，驱动齿轮3带动蓄力齿轮4转动，驱动齿轮3带动蓄力装置5蓄力，当关节伸张时，蓄力装置5进行力的释放，提供助力。当不要蓄力时，锁定装置解除对驱动齿轮3的锁定，当关节弯曲时，驱动齿轮3不随第一连接齿轮1转动，此时，不进行蓄力。也就是说，通过驱动齿轮3、锁定装置和蓄力齿轮4的设定，在关节弯曲时可以选择是否通过蓄力装置5进行蓄力，不需要蓄力时，关节运动不受阻碍，可以正常运动，蓄力时启动蓄力装置5起到缓冲和储能的作用。

具体的，关节助力结构还包括第一固定杆6和第二固定杆7。

第一连接齿轮1固定在第一固定杆6上，第二连接齿轮2固定在第二固定杆7上。

第一固定杆6和第二固定杆7通过绑带等结构固定在人体上。需要说明的是，将连接齿轮(第一连接齿轮、第二连接齿轮)设置在固定杆上仅是本实施方式的优选方式，在一些情况下，也可以不采用固定杆，可以将连接齿轮与关节连接。因为，在连接齿轮工作过程中，仅部分轮齿啮合进行工作，在实际使用过程中，可以将连接齿轮设置成部分具有轮齿，部分为连接杆或连接板(连接杆)的结构，此种结构的连接齿轮就可以和关节进行连接。也就是说连接齿轮和固定杆可以是分体式结构，两者也可以做成一体式结构。

驱动齿轮3为靠近锁定装置的一侧为棘轮结构，另一侧为齿轮结构，锁定装置包括棘爪8和棘爪驱动装置9，所述棘爪驱动装置9固定在第一连接齿轮1上并用于带动棘爪8的伸缩。

棘轮结构与棘爪8配合，齿轮结构与蓄力齿轮4啮合。

棘爪驱动装置9包括电磁铁、电机或气缸。

棘轮与棘爪8相配合的一侧设置有多个齿，通过多个齿的设置，棘爪8可以有选择的与对应的某个齿进行配合。

蓄力齿轮4为压杆齿轮，压杆齿轮与压杆连接，压杆齿轮通过压杆带动蓄力装置5的运动。

压杆齿轮与棘轮的齿数比为2:1，第一连接齿轮1与第二连接齿轮2的齿数比为1:1。

关节助力结构还包括双旋转轴连接结构，双旋转轴连接结构包括上旋转轴、下旋转轴，以及连接上旋转轴和下旋转轴的外盖。

第一连接齿轮1和驱动齿轮3与上旋转轴转动连接，第二连接齿轮2和蓄力齿轮4与下旋转轴转动连接。

蓄力装置5包括模具弹簧、气弹簧或者液压弹簧。

参照图5至图10，为了对上述关节助力结构进行进一步的说明，本实施方式以膝关节助力结构为例进行详细的说明，需要说明的是，本实施方式以膝关节助力结构为例只是对关节助力结构进行详细的说明，并不做具体限定，具体的如以下所述：

在膝关节助力结构中，第一固定杆6为大腿固定杆，第一连接齿轮1为大腿连接齿轮，第二固定杆7为小腿固定杆，第二连接齿轮2为小腿连接齿轮，驱动齿轮3为棘轮，锁定装置包括电磁铁和棘爪8，蓄力齿轮4压杆齿轮，蓄力装置5为模具弹簧，膝关节助力结构的具体结构如以下所示：

大腿固定杆作用是通过绑带等结构和大腿固定在一起。大腿连接齿轮和电磁铁均安装在大腿固定杆上。

大腿连接齿轮一个作用是为棘爪8提供运动通道，让棘爪8可以上下移动。另一个作用是和小腿连接齿轮双旋转轴连接结构连接，让大腿固定杆、大腿连接齿轮组成的结构可以随着关节进行旋转。

电磁铁和棘爪8连接，电磁铁默认状态是伸出，通电后缩回，为棘爪8的运动提供动力。棘爪8在大腿连接齿轮的孔中滑动，伸出时，棘爪8和棘轮接触，形成力的传导路径，缩回时，棘爪8和棘轮脱离接触。

双旋转轴连接结构包括两个外盖和两个旋转轴。

大腿连接齿轮和棘轮在上旋转轴上旋转，小腿连接齿轮、压杆齿轮在下旋转轴旋转。

棘轮的作用，是当关节往弯曲方向旋转时，由棘爪8推动棘轮，棘轮推动与之啮合的压杆齿轮，压杆齿轮推动弹簧压杆，弹簧压杆推动弹簧压块，弹簧压块同时推动3个模具弹簧，实现力传导，从而让关节弯曲的力量被弹簧储存起来。

当关节往伸张方向旋转时，棘轮无法被棘爪8固定，所以不会压缩弹簧。当棘爪8收回时，关节弯曲，棘爪8不会推动棘轮，因此也不会压缩弹簧。棘轮上有5个齿，在任意弯曲角度，只要棘爪8落下，就会和棘轮的某个齿靠近，弯曲的时候就会快速实现力的传导，从而让弹簧被压缩。

棘轮和压杆齿轮啮合，齿数比为2:1。大腿连接齿轮和小腿连接齿轮啮合，齿数比为1:1。

因此当关节弯曲时，棘轮，压杆齿轮和小腿连接齿轮的旋转角速度是不同的，这个速度差，使得压杆齿轮在以小腿连接齿轮为参考系时，可以向下转动，推动弹簧压杆实现弹簧的压缩。

钢轴套的作用是形成和弹簧压杆的滚动摩擦，从而减小摩擦系数，降低摩擦阻力。

小腿固定杆的作用，是通过绑带等和小腿固定在一起。在小腿固定杆上，安装有弹簧后固定件，小腿连接齿轮，2个弹簧上导杆和2个弹簧内导杆。这个结构组成一个弹簧固定框架，用于安装弹簧，限制弹簧的移动，并让弹簧可以沿着弹簧内导杆的方向被压缩。

3个模具弹簧被安装在固定框架内，弹簧压块也安装在弹簧内导杆上，当压杆齿轮推动弹簧压杆时，弹簧压杆就推动弹簧压块，从而实现弹簧的压缩。

弹簧压杆安装在小腿连接齿轮上，小腿连接齿轮上有一个孔，可供弹簧压杆滑动。

综上所述，本实施方式提供的关节助力结构具有以下优点：

可以通过电磁铁，控制关节弯曲的时候是否使用弹簧储存能量。需要的时候就储存，然后伸展的时候会有助力。不需要的时候就不储存，伸展的时候就没有助力。这个特点的意义在于，当膝盖悬空弯曲的时候，可以让膝盖不受到阻力，这样在行走的时候，就不会有弯曲的阻力。而且膝盖在地面上弯曲，需要支撑人体重量的时候，又可以启用弹簧，起到缓冲和储能的作用，让后续膝盖伸直更省力。

通过结构设计，可以使用模具弹簧来储存弹簧势能。模具弹簧的力量大，体积小，单位体积弹簧势能的储存量远高于普通压缩或拉伸弹簧、扭簧、涡卷弹簧等储能结构。因此使得整个结构具有尺寸小，输出扭矩大的特点。

通过棘轮结构的设计，使得关节在伸张的时候，不会触发弹簧储存能量。只有在关节弯曲的时候，才可以通过电磁铁启动弹簧储存能量的功能。同时，在关节任意弯曲角度，都可以快速启动弹簧储存能量的功能。

助力结构具有双旋转轴，更加贴合人体关节弯曲的特点。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。