一种仿生肌肉变刚度外骨骼机械装置

【技术领域】

本发明属于可应用于辅助医疗机械结构设计领域，具体涉及一种仿生肌肉变刚度外骨骼机械装置。

【背景技术】

在医学治疗中，对于不同程度下的骨骼以及肌肉类的损伤以及萎缩，轻者会影响患者的运动能力，严重对于人体的机能有较大的影响，对该类病症进行有效地辅助医疗器械设计以及资源整合已然成为医学治疗行业所广泛关注的重点。尤其对于一些力学变化的运动要求，其本质是力学刚度的变化，急需一种既能满足变刚度的辅助外骨骼设计要求同时还能保证运动质量的装置，进而可以满足变刚度、高效地自由度表现的辅助外骨骼设计可以在患者中的长时间使用需要。这种一种仿生肌肉变刚度外骨骼机械装置在满足相关设备使用需要的基础上，对于多元化的运动要求迫切需要相关外骨骼进行结构创新，其相关设计已然成为未来工业智能化发展的重要方向，尤其对于如何高效且灵活的实现的多功能变刚度设计，进而可以在结合机械控制的基础上可以有效地结合当地的环境条件而进行适时调整，进而提高多功能的应用。在辅助外骨骼设计装置机械领域中，采取稳定高效、智能调整的机械控制装置有着广泛的应用前景，良好高效的机械控制装置运行会有效保证输出主体的平稳有效，在现有的相关机械设计方案，相关成熟且可靠的控制手段还相对较少。在现有的机械装置中，有的方案是通过气动力或者液压力来电动多元实现变刚度控制，或者直接通过石膏浇筑方式来实现对于不同规格特定方案设计等，其相关方案均存在着较大的问题。首先通过电动来实现控制，最大的问题在于相关配套的设备较为庞杂，装置复杂且效率较差、辅助外骨骼设计成本高等问题；其次通过石膏浇筑方式是不能满足人体对装置较高且具灵活性，其存在使用效率低下，适应状况差以及对于尺寸限制性大等；所以使用一种仿生肌肉变刚度外骨骼机械装置来对进行控制十分必要。现有的机械控制装置往往存在防护性能差，经济效益差，传动精确性程度低等问题，难以满足工程实践建设需要。目前已有的传动结构较为复杂，使用率低下，使用范围相对局限，不仅成本高昂，而且装配复杂，最终使得生产成本相对较高。

目前对于辅助外骨骼设计机械结构装置及方法领域，现存的相关控制手段存在结构复杂，造价昂贵，效果不佳，过程复杂以及经济性低且运动自由度度差等缺点，设计辅助外骨骼设计机械结构装置已然成为机械控制装置及方法领域的主流趋势。在所有的控制方式中，被动机械控制手段以其高效传动比于其他手段可靠性，在各工程实践领域中均应用广泛。将其用于辅助外骨骼设计过程中，不仅可以保障传动的精确稳定，并且可以根据实际需求而进行及时有效地拓展也是具有重要的现实性工程实践作用的。

【发明内容】

为了克服现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种仿生肌肉变刚度外骨骼机械装置，该装置具有造价低廉，原理结构简单，对环境要求低，控制效果好等优点。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

该涉及到的一种仿生肌肉变刚度外骨骼机械装置，该装置包括上臂装置、膝关节装置、下臂装置和驱动放大装置共四部分，上臂固定圈接头部位通过螺栓与人体上臂紧密贴合定位，中部穿过上臂夹板一端的中空扣；橡胶齿条I另一端通过螺钉连接于活页I一侧；活页I另一侧通过螺钉连接于上支板顶部；上支板端部通过螺钉连接于上悬臂板一侧，上悬臂板顶部通过螺钉连接于上支座，上支座一端焊接于上双曲梁一端，上双曲梁另一端通过螺钉连接于限位块I外侧面，限位块I通过旁侧的螺钉预紧程度实现紧固限位，限位块I内部设有两通孔并夹有紧固橡胶套I，外侧紧固橡胶套I介于上臂连杆I和限位块I之间，内侧紧固橡胶套I介于上臂连杆II和限位块I之间，上臂连杆I和上臂连杆II通过限位块I贴合人体肌肉外廓；上臂连杆I中部安装有转筒I贴合人体股肌外侧；上臂连杆II卡合于橡胶齿条I的两齿之间，橡胶齿条I通过螺钉固定于上臂夹板内侧。上悬臂板通孔穿过有上连接曲杆，上连接曲杆中部安装有上关节转筒，上连接曲杆通过焊接有端部中空板实现曲杆保持臂向往复滑动，其端部板通过铆接连接有曲面弹簧上端，曲面弹簧下端通过铆接连接于下连接曲杆的端部中空板。曲杆两端部通过六角螺栓限位，避免脱离上连接曲杆和下连接曲杆的端部中空板限位作用。下连接曲杆中部安装有下关节转筒。曲杆中部穿过有固定环，固定环通过绑带捆绑于人体膝关节处。下臂固定圈接头部位通过螺栓与人体下臂紧密贴合定位，中部穿过下臂夹板一端的中空扣；橡胶齿条II另一端通过螺钉连接于活页II一侧；活页II另一侧通过螺钉连接于下支板顶部；下支板端部通过螺钉连接于下悬臂板一侧，下悬臂板顶部通过螺钉连接于下支座，下支座一端焊接于下双曲梁一端，下双曲梁一端另一端通过螺钉连接于限位块II外侧面，限位块II通过旁侧的螺钉预紧程度实现紧固限位，限位块II内部设有两通孔并夹有紧固橡胶套II，外侧紧固橡胶套II介于下臂连杆I和限位块II之间，内侧紧固橡胶套II介于下臂连杆II和限位块II之间，下臂连杆I和下臂连杆II通过限位块II贴合人体肌肉外廓；下臂连杆I中部安装有转筒II贴合人体股肌外侧；下臂连杆II卡合于橡胶齿条II的两齿之间，橡胶齿条II通过螺钉固定于橡胶齿条内侧。驱动放大装置分为驱动放大上臂装置、定位装置和驱动放大下臂装置三部分；驱动放大上臂装置通过联动块I固定在上臂连杆II中部，联动块I通过螺钉连接于滑动支座I上表面，滑动支座I中转动装配于驱动放大上臂一端，驱动放大上臂另一端通过螺钉连接于转动活页I，转动活页I通过螺钉连接于定位滑块侧面；驱动放大上臂中部开有通孔穿过有连接环I，连接环I穿过连接于中位滑动支座I，中位滑动支座I通过螺钉连接于上臂夹板中部；定位滑块中空滑动于T型滑杆上，T型滑杆一端套有限位环，T型滑杆另一端通过螺钉连接于连接板一端，连接板另一端通过螺钉连接于上连接曲杆端部；驱动放大下臂装置通过联动块II固定在下臂连杆II中部，联动块II通过螺钉连接于滑动支座II上表面，滑动支座II中转动装配于驱动放大下臂一端，驱动放大下臂另一端通过螺钉连接于转动活页II，转动活页II通过螺钉连接于定位滑块侧面；驱动放大下臂中部开有通孔穿过有连接环II，连接环II穿过连接于中位滑动支座II，中位滑动支座II通过螺钉连接于下臂夹板中部。一种仿生肌肉变刚度外骨骼机械装置的方法为：通过上臂固定圈将上臂装置的上臂夹板固定于人体上臂外侧；上臂连杆I和上臂连杆II通过限位块I紧锢于上臂肌肉凹面，通过上臂肌肉的伸缩变形通过驱动放大装置而带动其上臂连杆I，进而带动上臂连杆II弹性卡合于橡胶齿条I的特定齿位，上述运动会拉压上双曲梁实现变刚度，即当肌肉舒张时上双曲梁回弹则外骨骼整体表现出较大刚度而降低身体负载对臂肢的压迫，当肌肉压缩时上双曲梁回弹则外骨骼整体表现出较小刚度而降低外骨骼对臂肢的压迫性；上连接曲杆通过焊接有端部中空板实现曲杆保持臂向往复滑动，其端部板通过铆接连接有曲面弹簧上端，曲面弹簧下端通过铆接连接于下连接曲杆的端部中空板相比其他类型的控制方法，通过上述方法将上臂装置与下臂装置实现紧密连接的同时，可根据人体关键肌肉处的变形而实现实时调整，保障了整个外骨骼工作的流畅性，下臂装置同上臂装置工作原理相同，作用方向相反。该传动方式更加高效可靠，可有效地简化原有辅助外骨骼设计手段的机械结构能力不足，满足各类辅助外骨骼设计尺寸的变化要求基础上，提高机械辅助效果而降低产品制造成本。

【附图说明】

图1为本机械装置的三维视图I。

图2为本机械装置(不含驱动放大装置)的三维视图I。

图3为本机械装置(不含驱动放大装置)的三维视图II。

图4为本机械装置的三维视图II。

图5为本机械装置的曲梁变刚度曲线示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图来对本发明作进一步的说明。

如图1-图3所示，本发明涉及的一种仿生肌肉变刚度外骨骼机械装置，该装置包括上臂装置1、膝关节装置2、下臂装置3和驱动放大装置4共四部分，上臂固定圈1-1接头部位通过螺栓与人体上臂紧密贴合定位，中部穿过上臂夹板1-2一端的中空扣；橡胶齿条I 1-12另一端通过螺钉连接于活页I1-3一侧；活页I 1-3另一侧通过螺钉连接于上支板1-4顶部；上支板1-4端部通过螺钉连接于上悬臂板1-5一侧，上悬臂板1-5顶部通过螺钉连接于上支座1-6，上支座1-6一端焊接于上双曲梁1-7一端，上双曲梁1-7另一端通过螺钉连接于限位块I1-8外侧面，限位块I1-8通过旁侧的螺钉预紧程度实现紧固限位，限位块I1-8内部设有两通孔并夹有紧固橡胶套I 1-9，外侧紧固橡胶套I 1-9介于上臂连杆I 1-10和限位块I 1-8之间，内侧紧固橡胶套I 1-9介于上臂连杆II 1-11和限位块I 1-8之间，上臂连杆I 1-10和上臂连杆II 1-11通过限位块I 1-8贴合人体肌肉外廓；上臂连杆I 1-10中部安装有转筒I 1-13贴合人体股肌外侧；上臂连杆II 1-11卡合于橡胶齿条I 1-12的两齿之间，橡胶齿条I 1-12通过螺钉固定于上臂夹板1-2内侧。上悬臂板1-5通孔穿过有上连接曲杆2-1，上连接曲杆2-1中部安装有上关节转筒2-5，上连接曲杆2-1通过焊接有端部中空板实现曲杆2v2保持臂向往复滑动，其端部板通过铆接连接有曲面弹簧2-3上端，曲面弹簧2-3下端通过铆接连接于下连接曲杆2-4的端部中空板。曲杆2-2两端部通过六角螺栓限位，避免脱离上连接曲杆2-1和下连接曲杆2-4的端部中空板限位作用。下连接曲杆2-4中部安装有下关节转筒2-6。曲杆2-2中部穿过有固定环2-7，固定环2-7通过绑带2-8捆绑于人体膝关节处。下臂固定圈3-1接头部位通过螺栓与人体下臂紧密贴合定位，中部穿过下臂夹板2-2一端的中空扣；橡胶齿条II 3-12另一端通过螺钉连接于活页II 3-3一侧；活页II3-3另一侧通过螺钉连接于下支板3-4顶部；下支板3-4端部通过螺钉连接于下悬臂板3-5一侧，下悬臂板3-5顶部通过螺钉连接于下支座3-6，下支座3-6一端焊接于下双曲梁3-7一端，下双曲梁3-7一端另一端通过螺钉连接于限位块II3-8外侧面，限位块II3-8通过旁侧的螺钉预紧程度实现紧固限位，限位块II 3-8内部设有两通孔并夹有紧固橡胶套II 3-9，外侧紧固橡胶套II 3-9介于下臂连杆I 3-10和限位块II 3-8之间，内侧紧固橡胶套II3-9介于下臂连杆II 3-11和限位块II3-8之间，下臂连杆I 3-10和下臂连杆II 3-11通过限位块II 3-8贴合人体肌肉外廓；下臂连杆I 3-10中部安装有转筒II3-13贴合人体股肌外侧；下臂连杆II 3-11卡合于橡胶齿条II 3-12的两齿之间，橡胶齿条II 3-12通过螺钉固定于橡胶齿条1-12内侧。驱动放大装置4分为驱动放大上臂装置4-1、定位装置4-2和驱动放大下臂装置4-3三部分；驱动放大上臂装置4-1通过联动块I 4-1-1固定在上臂连杆II 1-11中部，联动块I 4-1-1通过螺钉连接于滑动支座I 4-1-2上表面，滑动支座I 4-1-2中转动装配于驱动放大上臂4-1-3一端，驱动放大上臂4-1-3另一端通过螺钉连接于转动活页I 4-1-4，转动活页I 4-1-4通过螺钉连接于定位滑块4-2v1侧面；驱动放大上臂4-1-3中部开有通孔穿过有连接环I 4-1-5，连接环I 4-1-5穿过连接于中位滑动支座I 4-1-6，中位滑动支座I 4-1-6通过螺钉连接于上臂夹板1-2中部；定位滑块4-2-1中空滑动于T型滑杆4-2-2上，T型滑杆4-2-2一端套有限位环4-2-3，T型滑杆4-2-2另一端通过螺钉连接于连接板4-2-4一端，连接板4-2-4另一端通过螺钉连接于上连接曲杆2-1端部；驱动放大下臂装置4-3通过联动块II4-3-1固定在下臂连杆II 3-11中部，联动块II 4-3-1通过螺钉连接于滑动支座II 4-3-2上表面，滑动支座II 4-3-2中转动装配于驱动放大下臂4-3-3一端，驱动放大下臂4-3-3另一端通过螺钉连接于转动活页II 4-3-4，转动活页II 4-3-4通过螺钉连接于定位滑块4-2-1侧面；驱动放大下臂4-3-3中部开有通孔穿过有连接环II 4-3-5，连接环II 4-3-5穿过连接于中位滑动支座II 4-3-6，中位滑动支座II 4-3-6通过螺钉连接于下臂夹板3-2中部。

本发明的装置具有以下优点：

本发明的机械系统方法可有效实现辅助人体臂肢损伤以及萎缩，其结构具有造价低廉，原理结构相对以往的控制手段更为简单，高效。该类装置可以实现机械系统多功能运动，辅助外骨骼效果好效率高的特点。核心在通过智能化的变刚度设计，而实现机械系统的有效传动，在保证产品较好的机械控制性的同时，也增强了系统运动性，进而降低了产品成本，对于后续的相关智能化辅助外骨骼设计有重要影响。本发明的机械装置可有效实现辅助外骨骼设计更加智能化方向拓展，其结构具有造价低廉且适用面广，通过该装置了有效地降低变刚度的控制成本，进而提高医疗辅助效率，有助于患者康复。