CN111805512A - 一种膝关节外骨骼 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种膝关节外骨骼，其特征在于，包括大腿组件和小腿组件；所述大腿组件与所述小腿组件通过至少一个旋转连接件连接，并且可以相对旋转；当所述膝关节外骨骼被穿戴使用时，所述旋转连接件位于膝关节的左侧和/或右侧。本发明通过旋转连接件在人体膝关节左侧和/或右侧提供复位助力和传导负重压力，提高了膝关节外骨骼与人体的贴合度，让使用者有更好的体验。

Description

一种膝关节外骨骼

技术领域

本发明属于穿戴设备技术领域，具体涉及一种膝关节外骨骼装置。

背景技术

外骨骼机器人是一种可穿戴在人体身体外部，并根据人体运动姿态或人脑意念，采用外部能源或便携式能源进行机械助力的主动式机械系统。这种装备在军事领域，可以使士兵携带更多的武器装备，增强士兵的运动能力，有效提高单兵的作战能力；在民用领域，可以广泛应用于登山、旅游、消防、救灾等需要背负沉重物资，而交通工具又无法通行的场景；在医疗领域，外骨骼机器人还可以用于辅助残疾人、老年人行走，也可以帮助暂时丧失运动能力的患者进行机能恢复训练。因此，具有很广阔的应用前景。

但是，要推广外骨骼技术的实际应用还存在的许多的挑战。例如，虽然外骨骼能够帮助人体减轻承重负担，但是却容易因为机械结构施加助力的不平衡、不均匀，使用户感觉被不灵活的机械束缚或者被架住而导致用户体验较差。因此，如何提高用户体验，使外骨骼装备与人体在同构运动时更加流畅、和谐，是本发明尝试解决的技术问题。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明提供一种新型膝关节外骨骼，其包括大腿组件和小腿组件；所述大腿组件与所述小腿组件通过至少一个旋转连接件连接，并且所述大腿组件与所述小腿组件可以相对旋转；当所述膝关节外骨骼被穿戴使用时，所述旋转连接件位于膝关节的左侧和/或右侧。

其中，所述旋转连接件为一个，且当所述膝关节外骨骼被穿戴使用时，所述旋转连接件位于所述膝关节的左侧或右侧，使得所述膝关节适应于人体腿部的屈曲/伸展/外展/内收/外旋/内旋。

其中，所述旋转连接件为两个，且当所述膝关节外骨骼被穿戴使用时，两个所述旋转连接件分别位于膝关节的左右两侧，使得所述膝关节适应于人体腿部的屈曲/伸展/外展/内收/外旋/内旋。

进一步地，所述旋转连接件上设置有拉线。

进一步地，所述大腿组件与所述小腿组件中均设置有拉线槽；所述拉线被放置在所述拉线槽中，并且可以在所述拉线槽中移动。

进一步地，所述大腿组件中设置有弹性蓄能装置；所述小腿组件中设置有调节装置，用于调整所述拉线的长度。

其中，所述弹性蓄能装置为扭簧、拉簧、压簧或气推杆。

进一步地，所述调节装置包括螺栓、调节块，所述调节块中设置有螺纹凹槽，所述螺栓可以在所述螺纹凹槽中移动，所述拉线被放置在所述螺纹凹槽中，并由所述螺栓固定。优选地，所述拉线由所述螺栓下压固定在所述螺纹凹槽中的一个预先设定的位置。

其中，所述弹性蓄能装置上设置有多个导向槽，所述拉线被放置在所述多个导向槽中，所述拉线的移动带动所述弹性蓄能装置的蓄能和或释能。

其中，所述弹性蓄能装置采用气推杆结构，所述拉线通过所述多个导向槽被缠绕在所述气推杆结构上，所述气推杆结构在所述拉线的移动下蓄能或释能。

其中，所述旋转连接件采用至少一个偏心轮机构。

进一步地，所述旋转连接件上均设置有限位机构，当人体膝关节恢复直立时，使所述两个旋转连接件停止旋转。

其中，所述大腿组件与所述小腿组件均采用弧面结构，所述弧面结构能紧密地贴合在人体的大腿或小腿上。

其中，所述小腿组件包括用于当人体膝关节弯曲时，向人体小腿提供反向转矩的小腿曲面挡板。

进一步地，所述小腿曲面挡板包括贴合于髌骨下方的第一前曲面挡块，以及与所述第一前曲面挡块相连，且贴合于跟腱的第一后曲面挡块。

其中，所述大腿组件包括用于向人体大腿提供助力转矩的大腿曲面挡板。

进一步地，所述大腿曲面挡板包括贴合于腘绳肌的第二后曲面挡块。

进一步地，所述大腿曲面挡板还包括与所述第二后曲面挡块相连，且贴合于股直肌的第二前曲面挡块。

进一步地，所述膝关节外骨骼还包括用于防止所述膝关节外骨骼滑落的至少一个弹性绑缚机构。

进一步地，所述大腿组件上设置有与躯干部外骨骼连接的上肢连接件；所述小腿组件上设置有与脚部外骨骼连接的下肢连接件。优选地，所述上肢连接件和/或所述下肢连接件位采用玻纤片。

进一步地，所述大腿组件和/或小腿组件上设置有连接件长度调节机构。

其中，所述旋转连接件采用能够适应不同腿型，且提供回弹力的柔性连接结构；且当所述膝关节外骨骼被穿戴使用时，所述柔性连接结构适应于人体膝关节的屈曲/伸展/外展/内收/内旋/外旋运动。

其中，所述柔性连接结构包括与所述大腿组件转动连接的大腿连接件，与所述小腿组件固定连接的小腿连接件，以及能够提供回弹力的弹性部件，其中，所述弹性部件的头部和尾部分别与所述大腿连接件和所述小腿连接件相连。

进一步地，所述柔性连接结构还包括用于包覆所述弹性部件，由柔性材料制成的包覆件，且所述包覆件分别于所述大腿连接件和所述小腿连接件以可拆卸的方式连接。

进一步地，所述大腿连接件、所述小腿连接件、所述弹性部件和所述包覆件采用镶嵌注塑的方式一体成型而成。

其中，所述弹性部件的头部和尾部通过第一次镶嵌注塑的方式分别内嵌在所述大腿连接件和所述小腿连接件内，而所述弹性部件经过第一次镶嵌注塑后的中间裸露部分，通过二次镶嵌注塑的方式内嵌在所述包覆件内，且所述包覆件的两端分别与所述大腿连接件和所述小腿连接件紧密贴合。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的膝关节外骨骼，通过在膝关节中设置至少一个与人体膝关节相贴合的旋转连接件以提供复位助力和传导负重压力，提高了用户体验。

本发明提供的膝关节外骨骼，可采用在膝关节两侧位置布置助力的方式来使该膝关节外骨骼在转动或复位过程中受力更加均匀、平衡，使该膝关节外骨骼在使用过程中更加协调和稳定。

本发明提供的膝关节外骨骼，也可采用在膝关节单侧设置旋转连接件，即单侧布置助力的方式，且该旋转连接件具有柔性偏摆机构，使装置可以适应人体膝关节不同腿型，还能带回馈力地允许外骨骼适应膝关节适量的外展/内收运动/外旋/内旋。

另外，通过使大腿部件与小腿部件在膝盖位置分别分叉后转动连接，并形成便于膝盖活动的护膝孔，使得膝关节转动与该外骨骼的转动不会产生运动偏移，让外骨骼能够更好的跟随膝关节的运动。

另外，本发明中的大腿组件和小腿组件，采用了包裹腿部的框架设置，让该外骨骼更贴合人体腿部结构，从而穿戴该外骨骼更加舒适。

另外，本发明中的旋转连接件采用柔性连接结构时，该柔性连接结构采用镶嵌注塑一体成型的方式制成，从而使得当穿戴该外骨骼时，无需组装该柔性连接结构，同时，由于一体成型，使得该柔性连接结构更加稳固，并贴合人体结构。

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。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1a为本发明一种膝关节外骨骼实施例结构示意图(透视图)；

图1b为本发明一种膝关节外骨骼实施例结构示意图(侧视图)；

图1c为本发明一种膝关节外骨骼实施例结构示意图(侧视图)；

图2a为本发明一种膝关节外骨骼实施例结构示意图(仰视图)；

图2b为本发明一种膝关节外骨骼实施例结构示意图(俯视图)；

图3为本发明一种膝关节外骨骼实施例结构示意图(正视图)；

图4a为本发明一种膝关节外骨骼实施例结构示意图(后视图)；

图4b为本发明一种膝关节外骨骼实施例结构示意图(后视图)；

图5为本发明一种膝关节外骨骼实施例结构爆炸图；

图6a为本发明一种膝关节外骨骼实施例长度调节机构爆炸图；

图6b为本发明一种膝关节外骨骼实施例长度调节机构爆炸图；

图6c为本发明一种膝关节外骨骼实施例长度调节机构俯视图；

图7a为本发明一种膝关节外骨骼实施例旋转连接件结构示意图；

图7b为本发明一种膝关节外骨骼实施例旋转连接件转动示意图；

图7c为本发明一种膝关节外骨骼实施例旋转连接件转动示意图；

图7d为本发明一种膝关节外骨骼实施例旋转连接件转动示意图；

图8a为本发明一种膝关节外骨骼实施例气推杆爆炸图；

图8b为本发明一种膝关节外骨骼实施例气推杆结构示意图；

图8c为本发明一种膝关节外骨骼实施例在弹性蓄能装置设置一组或多组滑轮结构示意图；

图9a为本发明另一种膝关节外骨骼实施例结构示意图；

图9b为图9a中旋转连接件的爆炸图；

图9c为反映图9b中旋转连接件各部件相配合的示意图；

图9d为反映图9b中大腿连接件、小腿连接件和弹性部件经过第一次镶嵌注塑后的局部剖视图；

图9e为反映图9d中的结构经过第二次镶嵌注塑后一体成型得到柔性连接结构的局部剖视图；

图10a为本发明一种膝关节外骨骼实施例结构示意图；

图10b为图10a所示膝关节外骨骼的穿戴示意图；

图10c为本发明一种设置有弹性绑缚机构的膝关节外雇骨骼的穿戴示意图；

图10d为反应人体腿部弯曲时膝关节外骨骼和人体腿部的受力示意图；

图10e为反应图10c中弹性绑缚机构与大腿组件和小腿组件相配合的结构示意图；

图10f为反应图10d中弹性绑缚机构与大腿组件和小腿组件相配合的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种膝关节外骨骼，其包括大腿组件和小腿组件，且该大腿组件和小腿组件通过至少一个旋转连接件连接，使得该大腿组件和小腿组件可相对旋转，且当该膝关节外骨骼被穿戴使用时，该旋转连接件位于该膝关节的左侧和/或右侧，使得该膝关节能够适应于人体腿部的屈曲/伸展/外展/内收/外旋/内旋。

实施例1

参见图1a，在一些实施例中，本发明公开了一种膝关节外骨骼，其包括大腿组件100和小腿组件200；该大腿组件100与小腿组件200通过两个旋转连接件700连接，使得该大腿组件100和小腿组件200可以相对旋转；当膝关节外骨骼被穿戴使用时，两个旋转连接件700分别位于膝关节外骨骼的左右两侧(也即分别位于人体膝关节的内外两侧)，从而实现外骨骼腿部的屈曲和伸展。

在一些实施例中，大腿组件100采用能够与人体大腿相贴合的结构，小腿组件200采用能够与人体小腿相贴合的结构。例如，为了提高稳定性和舒适度，该大腿组件100和小腿组件200可分别贴合于人体大腿和小腿的前侧和左右两侧，参见图1a。

在一些实施例中，两个旋转连接件700上设置有至少一条拉线800，至少一条拉线800绕过两个旋转连接件700。具体地，该拉线可采用钢丝制成。在其他实施例中，该拉线也可采用尼龙绳索等韧性且牢固的材料制成。

在一些实施例中，大腿组件100与小腿组件200中均设置有拉线槽802，参见图4b；拉线800被放置在所述拉线槽802中，并且可以在拉线槽802中移动。

在一些实施例中，大腿组件100中设置有弹性蓄能装置600；小腿组件200中设置有调节装置500，用于调整拉线800的长度，参见图2a和图4a、图4b。

在一些实施例中，弹性蓄能装置600为扭簧、拉簧、压簧或气推杆。

在一些实施例中，大腿组件100上设置有弹性蓄能装置调节孔110，参见图3和图5，让使用者可以通过该弹性蓄能装置调节孔110对弹性蓄能装置600的参数进行调节(例如，拧紧或拧松扭簧；调节气推杆与其缸体的相对位置，拉长或缩短气推杆能够移动的空间)。

参见图5，在一些实施例中，调节装置500包括螺栓506、调节块502，调节块502中设置有螺纹凹槽，螺栓506可以在螺纹凹槽中移动，拉线800被放置在螺纹凹槽中，并由螺栓506下压固定在螺纹凹槽中的一个预先设定的位置。在一些实施例中，调节装置500还包括有调节装置盖504。当调节装置盖504与螺栓506和调节块502被组装起来时，调节装置盖504与螺栓506相接触，并且具有匹配的纹路，使螺栓506不会因拉线800的摩擦而出现转动的情况。当需要旋转螺栓506来调节拉线800的活动长度时，用户可以从小腿组件200上设置的调节孔210插入螺丝刀，将螺栓506推离调节装置盖504，并旋转螺栓506使其在调节块502中移动。当螺栓506向调节块502底部移动，迫使拉线800向下移动，使拉线800在整个膝关节外骨骼中的移动路径增长，增大了拉线800施加在弹性蓄能装置600上的压力，增大了膝关节外骨骼的弹性蓄能，即能在人体膝关节外骨骼恢复直立时提供更大的复位助力。

参见图8a、图8b和图8c，在一些实施例中，弹性蓄能装置600上设置有多个导向槽612，拉线800被放置在多个导向槽612中，拉线800的移动带动弹性蓄能装置600的蓄能或释能。多个导向槽612能够引导拉线800的移动方向，避免了拉线800在移动过程中可能移位的问题。

在一些实施例中，弹性蓄能装置600采用气推杆结构，包括压盖606、推杆外框608、推杆609、缸体610。压盖606盖住推杆外框608，压住拉线800，让其只能绕推杆外框608移动。推杆609设置在推杆外框608的下部，插入缸体610，在缸体610内上下移动，进行储能和释能。气推杆结构还可以包括一个气推杆盖604，保护弹性蓄能装置600，并且避免拉线800移动到拉线槽802以外的位置。

在一些实施例中，拉线800通过多个导向槽612被缠绕在气推杆结构上，气推杆结构在拉线800的移动下蓄能或释能。

在一些实施例中，两个旋转连接件700均采用偏心轮机构。在一些实施例中，两个旋转连接件700中的每一个旋转连接件都由多个偏心轮机构组成。

参见图7a、图7b和图7c，在一些实施例中，旋转连接件700上设置有两个旋转轴心：第一旋转轴心702和第二旋转轴心704，当人体膝关节直立时，拉线800仅绕过第二旋转轴心704，当人抬腿时，膝关节弯曲，大腿组件中的大腿转轴102和小腿组件中的小腿转轴201相对旋转(如图7a、图7b和图7c中沿a方向)，拉线800在旋转连接件700内的路径变长，需要先绕过第一旋转轴心702，再绕过第二轴心704。因为拉线800在膝关节外骨骼中的总长度固定，在旋转连接件700中的路径变长，导致拉线800向弹性蓄能装置600施加压力–例如，当弹性蓄能装置600采用气推杆机构时，人体膝关节弯曲，使所述拉线800沿c方向下拉气推杆，进行弹性蓄能。如果弹性蓄能装置600采用的是扭簧、拉簧、压簧等机构，那么拉线800就将拉力施加在扭簧、拉簧或压簧，实现弹性蓄能。当人体膝关节恢复直立的过程中，拉线800在旋转连接件700内的路径变短，弹性蓄能装置600中所储蓄的能量得以释放，从而给膝关节恢复直立提供复位助力。另外，因为所释放出的能量将通过拉线800均匀地、平衡地传递到膝关节两侧的旋转连接件700，即同时给人体膝关节在两侧均匀地、平衡地进行复位助力，这将规避现有技术中膝关节复位助力往往只在单侧进行，会使人体产生一种被外部机械结构“捆绑”、“架住”的不适感觉的问题，从而改善了外骨骼装备使用者的体验。

在一些实施例中(如图8c)，弹性蓄能装置600的上下设置一组或多组滑轮614，拉线800被绕在一组或多组滑轮上614，这样可以使拉线800的位移所带来的气推杆的移动减小，一方面使气推杆的运动更加稳定和平稳，还能够减小弹性蓄能装置600的整体体积，让膝关节外骨骼的外形更加轻便小巧。根据不同实施例中的实际需求，可以将一组或多组滑轮614设置为(i)定滑轮、(ii)动滑轮或者(iii)定滑轮和动滑轮的组合。

在一些实施例中，两个旋转连接件700上均设置有限位机构(706、708)，当人体膝关节恢复直立时，使两个旋转连接件700停止旋转(即沿图7a中方向b)。

在一些实施例中，限位机构采用挡块结构(706、708)，当人体膝关节恢复直立后，挡块结构(706、708)碰撞在一起，避免旋转连接件继续反向旋转(即沿图7a中方向b)。

在一些实施例中，大腿组件100与小腿组件200均采用弧面结构，该弧面结构能紧密地贴合在人体的大腿或小腿上。

在一些实施例中，大腿组件100上设置有与躯干部外骨骼/躯干部外骨骼连接件902连接的上肢连接件900，大腿组件100上设置有对接口108，让上肢连接件900可以通过对接口108插入大腿组件100。

在一些实施例中，小腿组件200上设置有与脚部外骨骼连接的下肢连接件903，小腿组件200上设置有对接口208，让下肢连接件903可以通过对接口208插入小腿组件200。

在一些实施例中，上肢连接件900和/或下肢连接件903均采用玻纤片。

在一些实施例中，大腿组件100和/或小腿组件200上设置有连接件长度调节机构(104、204)，让膝关节外骨骼可以适用于不同身高和体型的用户。连接件长度调节机构(104、204)包括第一按钮404a、第二按钮404b、卡榫408、固定滑槽410；第一按钮404a和第二按钮404b的上部和下部均设移动滑槽412；卡榫408上设置有金属柱414，金属柱414被同时放置在固定滑槽410与移动滑槽412中，其运行轨迹只能是固定滑槽410、第一按钮404a和第二按钮404b上移动滑槽412的交点(图6c)。当膝关节外骨骼使用者按压第一按钮404a(沿x方向移动)和第二按钮404b(沿x’方向移动)时，金属柱414沿固定滑槽410所预先设置的方向移动(沿y方向移动)，带动卡榫408，将其从固定滑槽410从滑出，留出空间让上肢连接件900和下肢连接件903可以分别在大腿组件100和小腿组件200中移动，从而实现对上肢连接件900和下肢连接件903的长度调节。在一些实施例中，连接件长度调节机构(104、204)还包括长度调节盖402，将连接件长度调节机构(104、204)内的零部件遮盖起来。

实施例2

在一些实施例中，本发明的膝关节外骨骼为可进行单自由度旋转的膝关节主体，其中，该膝关节主体分为两个部分，以图3所示的膝关节主体，位于上方的是大腿组件100，可方便地贴合于使用者的大腿上，同时，大腿组件100向上可以与人体躯干部外骨骼(例如，位于人体腰部的髋关节)/人体躯干部外骨骼连接件902连接，也可以向下与小腿组件200连接。位于下方的小腿组件200用于贴合使用者的小腿，同时，分别连接大腿组件100和脚部外骨骼/脚部组件。在一些实施例中，该脚部外骨骼/脚部组件可以被设置在鞋身上，也可以被设置为鞋套的形式。

在一些实施例中，该大腿组件100和小腿组件200的材质可以是金属或非金属，例如碳纤维、铝合金、钛合金、美合金、工程塑料、光敏树脂复合材料等。

在一些实施例中，大腿组件100和小腿组件200之间设有旋转连接部700，该旋转连接部700可以采用双侧单轴的形式，也可以采用双侧双轴的形式，从而实现大腿组件100与小腿组件200之间的相对转动，进而使得外骨骼腿部的屈曲和伸展。

如图3所示，在一些实施例中，大腿组件100包括大腿上延伸部101和大腿下延伸部102，设置所述大腿上延伸部101的目的是为了让所述大腿组件100可以连接人体躯干部外骨骼机构(例如，髋关节)/人体躯干部外骨骼连接件902，与人体躯干部外骨骼机构/人体躯干部外骨骼连接件902连接可以将负重的压力通过膝关节外骨骼、脚部外骨骼导向地面，从而实现外骨骼的承重效果。

在一些实施例中，大腿上延伸部101向上延伸终止于人体大腿根部外侧，具体地，大腿上延伸部101包括沿人体大腿外侧长度方向延伸的第一支杆101a和设置贴靠在人体大腿正面(即与人面孔在同一面)的第二支杆101b。第一支杆101a上设置有第一长度调节装置104。

在一些实施例中，第一长度调节装置104设置在第一支杆101a的上部。第一支杆101a上可设置绑护，方便使用者将大腿组件100捆绑在大腿上，有利于实现人体与外骨骼机构的贴合，让使用者的体验更佳。第二支杆101b的内侧(使用时，与人体大腿贴合的一侧)设置有弹性蓄能装置600。

第一支杆101a的两端分别与第二支杆101b的两端连接，从而形成一个能够覆盖、适应人体大腿的中空刚性框架(即，图3的中空部位106)，使该大腿组件100更贴合人体大腿的轮廓，从而穿戴该大腿组件100更加舒适。刚性框架的中部可以设置为镂空结构，使该大腿组件100在增加覆盖人体大腿面积的情况下，也能够减少大腿组件100自身的重量，不仅减少了膝关节外骨骼所带来的自重，而且让使用者能够更长时间地穿戴该膝关节外骨骼。

在一些实施例中，第一支杆101a与第二支杆101b可以是一个一体成型的机构，即没有中空部位106。

在一些实施例中，大腿上延伸部101的下端连接有大腿下延伸部102，所述大腿下延伸部102向下延伸，在人体膝盖上方分叉，并通过第一上连接部102a、第二上连接部102b终止于人体膝盖的两侧，从而形成上凹的上膝孔103，大腿组件100通过第一上连接部102a、第二上连接部102b与小腿组件200连接。

在一些实施例中，小腿组件200包括小腿上延伸部201和小腿下延伸部202，小腿上延伸部201向上延伸，在人体膝盖下方分叉，并通过第一下连接部201a、第二下连接部201b终止于人体膝盖的两侧，从而形成下凹的下膝孔203。而第一上连接部102a与第一下连接部201a连接、第二上连接部102b与第二下连接部201b连接，使大腿组件100与小腿组件200连接形成一个整体结构。

在一些实施例中，第一上连接部102a由两个可以互相嵌合在一起的转动片组成102a(i)、102a(ii)，参见图5；第一上连接部102b也由两个可以互相嵌合在一起的转动片组成102b(i)、102b(ii)，参见图5。两个转动片102a(i)、102a(ii))将第一下连接部201a夹在中间，组成一旋转连接件700；同理，该两个转动片102b(i)、102b(ii)将第二下连接部201b夹在中间，组成一旋转连接件700。

另外，上膝孔103与下膝孔203连接形成便于容纳人体膝盖、以及便于人体膝关节活动的护膝孔。

小腿上延伸部201的下端连接有小腿下延伸部202，小腿下延伸部202沿人体小腿正面(即与人面孔同一面)向下延伸，并通过第二长度调节装置204终止于人体小腿与脚踝连接处位置。在本实施例中，设置第二长度调节装置204是用于连接使用者的鞋身，或者使用者穿戴的鞋套。

第一上连接部102a、第二上连接部102b和第一下连接部201a、第二下连接部201b在连接的处设置有拉线通道。

为了使膝关节主体跟随人体腿部运动，本发明的膝关节外骨骼还设置助力复位组件。具体地，助力复位组件包括弹性蓄能装置600和滑槽调节装置500，弹性蓄能装置600和滑槽调节装置500通过拉线800连接，使该膝关节外骨骼在跟随人体膝关节弯曲过程中蓄能(参见图7，沿a方向转动)，在跟随人体腿部伸直过程中(参见图7，沿b方向转动)释放弹力而助力。

实施例3

一种膝关节外骨骼,包括可进行单自由度旋转的膝关节主体，膝关节主体包括大腿组件100和小腿组件200，该大腿组件100与小腿组件200之间转动连接，其中，膝关节主体内设置有助力复位组件，该助力复位组件用于当膝关节主体转动时，适应人体腿部的运动。

在一些实施例中，该助力复位组件包括设置在大腿组件100上的弹性蓄能装置600，用于在大腿组件100和小腿组件200被动转动时蓄能，在大腿组件100和小腿组件200伸直的过程中释放弹力而助力。

在一些实施例中，该助力复位组件还包括设置在小腿组件200上的滑槽调节装置500，该滑槽调节装置500通过拉线800与弹性蓄能装置600连接。

在一些实施例中，膝关节主体的两侧沿长度方向对称设置有第一、第二拉线通道，其中，拉线800的尾端设置在第一拉线通道内，拉线800的自由端依次穿过第一拉线通道、弹性蓄能装置600、第二拉线通道和滑槽调节装置500后，与拉线800的尾端连接。

在一些实施例中(如图8c)，弹性蓄能装置600的活动端设置有滑轮614或第一弧形凸块，拉线800的自由端穿过第一拉线通道后，绕过滑轮614或第一弧形凸块，再穿过第二拉线通道和滑槽调节装置500后，与拉线800的尾端连接。

在一些实施例中，滑槽调节装置500包括滑槽座和滑块，滑块滑动设置在滑槽座中，滑块的前端伸出滑槽座形成有第二弧形凸块，拉线800的自由端穿过第一拉线通道后，绕过滑轮614或第一弧形凸块，再穿过第二拉线通道和滑槽调节装置500的前端后，与拉线800的尾端连接。

在一些实施例中，大腿组件100包括大腿上延伸部101和大腿下延伸部102，大腿上延伸部101向上延伸终止于大腿根部外侧；大腿上延伸部101下端连接有大腿下延伸部102，大腿下延伸部102在膝盖上方分叉，并通过第一、第二上连接部(102a，102b)终止于膝盖的两侧；

在一些实施例中，小腿组件200包括小腿上延伸部201和小腿下延伸部202，小腿上延伸部201在膝盖下方分叉，并通过第一、第二下连接部(201a，201b)终止于膝盖的两侧；小腿上延伸部201下端连接有所述小腿下延伸部202，小腿下延伸部202从小腿正面向下延伸至脚踝位置。

在一些实施例中，所述第一上连接部102a转动连接于所述第一下连接部201a，且所述第二上连接部102b转动连接于所述第二下连接部201b，从而形成便于膝盖活动的护膝孔。

在一些实施例中，第一上连接部102a与第一下连接部201a通过转动连接装置连接，转动连接装置包括设置在第一上连接部102a。

在一些实施例中，大腿上延伸部101包括沿大腿外侧长度方向延伸的第一支杆101a，第一支杆101a上设有用于连接人体上躯干外骨骼的第一长度调节装置。

在一些实施例中，大腿上延伸部101还包括设置在大腿正面的第二支杆101b，弹性蓄能装置600设置在第二支杆101b上。

在一些实施例中，第二支杆101b的两端分别与第一支杆101a的两端连接形成刚性框架，用于覆盖住大腿。

在一些实施例中，小腿下延伸部202上设有用于连接鞋身的第二长度调节装置。

实施例4

参见图9a、图9b、图9c和图9d，在一些实施例中，本发明公开了一种膝关节外骨骼，其包括可进行多自由度旋转的膝关节主体，其包括大腿组件100和小腿组件200；该大腿组件100与小腿组件200通过一旋转连接件700连接，使得该大腿组件100和小腿组件200可以相对旋转。当该膝关节外骨骼被穿戴使用时，该大腿组件100和小腿组件200均贴合于人体大腿和小腿的外侧，相应地，该旋转连接件700也位于人体膝关节的外侧，即对应于人体左腿的膝关节外骨骼中的该旋转连接件700位于该膝关节外骨骼的左侧(也即人体左腿的外侧)；对应于右腿的膝关节外骨骼中的该旋转连接件700位于该膝关节外骨骼的右侧(也即人体右腿的外侧)。

在一些实施例中，该旋转连接件700采用能够适应于不同腿型(如X型、O型和I型)的柔性连接结构，其与大腿组件100通过一偏心轮机构转动连接，同时与小腿组件柔性连接，即该形成一柔性偏摆机构，使得外骨骼腿部可适应于人体大腿和小腿的屈曲或伸展、外展或内收、外旋或内旋。

参见图9a，以该旋转连接件与大腿组件之间的连接点为圆心，构建坐标系，分别得到垂直轴I1、冠状轴I2和矢状轴I3。当小腿组件200以垂直轴I1为转轴相对于大腿组件100转动(转动角度在10°以内，参见图9a中方向m1或m2)时，可实现内旋或外旋，从而适应于人体小腿/腿部的内旋或外旋；当小腿组件200以冠状轴I2为转轴相对于大腿组件100转动(参见图9a中方向m3或m4)时，实现屈曲或伸展，从而适应于人体腿部的屈曲或伸展；当小腿组件200以矢状轴I3为转轴相对于大腿组件100转动(参见图9a中方向m5或m6)时，实现外展或内收，从而适应于人体小腿/腿部的外展或内收。

在其他实施例中，该旋转连接件700也可以贴合于该膝关节外骨骼的内侧；或者，为了使得着力更加均衡，也可在该膝关节外骨骼的左右两侧都设置该旋转连接件700。

在一些实施例中，大腿组件100采用能够与人体大腿相贴合的结构，小腿组件200采用能够与人体小腿相贴合的结构。例如，为了提高稳定性和舒适度，该大腿组件和小腿组件可分别贴合于人体大腿和小腿的外侧和前后两侧，参见图9a，当然，也可采用上述实施例中的各种结构，并进行适应性的调整。

在一些实施例中，参见图9b，该柔性连接结构包括与大腿组件100旋转连接的大腿连接件721，与小腿组件200固定连接的小腿连接件722，以及能够提供回弹力的弹性部件723，其中，该大腿连接件721为一偏心轮，且该弹性部件723的头部和尾部分别与该大腿连接件721和该小腿组件722相连，使得该柔性连接结构形成一个柔性偏摆机构，从而使得该小腿组件200可相对于该大腿组件100屈曲或伸展、外展或内收，以及外旋或内旋，进而更加适应于人体腿部或膝关节的运动，同时能够提供一定的回弹力或缓冲。具体地，参见图9c和图9d，该大腿连接件721内设置有一用于容纳该弹性部件723头部的第一容纳腔，以及贯通该第一容纳腔的，用于与大腿组件100上的转轴相配合的轴孔721-1(该轴孔721-1并不是位于该大腿连接件721的中心，即该大腿连接件721实际上为一个偏心轮)，相应地，该轴孔721-1的孔壁即形成了轴套721-2，从而将该大腿连接件721与大腿组件100对接时，可将大腿组件100上的转轴与该轴孔721-1配合，使得该大腿连接件721与该大腿组件100转动连接；相应地，该弹性部件723头部开设有一安装孔723-1，其与该大腿连接件721上的轴孔721-1相对应，从而当将该弹性部件723的头部放置于该第一容纳腔时，该安装孔723-1紧密套设在该轴套721-2上，从而使得该弹性部件723可随着该大腿连接件721一起转动。

参见图9c和图9d，该小腿连接件722上开设有一用于容纳该弹性部件723尾部的第二容纳腔，从而当将该弹性部件723尾部镶嵌在该第二容纳腔，即通过该弹性部件723将该大腿连接件721和小腿连接件722进行柔性连接，从而使得膝关节在运动过程中，由该大腿连接件、小腿连接件和该弹性部件共同作用以提供一定的助力和回弹力。

在一些实施例中，该大腿连接件721和小腿连接件722均采用尼龙或其他柔性材料制成，而该弹性部件723采用弹簧钢片。

在一些实施例中，该旋转连接件700上设置有一拉线800，其绕过该旋转连接件700中的该大腿连接件721(即偏心轮)的旋转轴心并分别连接于大腿组件中的蓄能装置和小腿组件中的调节装置。

在一些实施例中，参见图9c和图9e，为了保证舒适度，同时能够适应于该弹性部件723的外旋或内旋、外展或内收，该柔性连接结构还包括用于连接该大腿连接件721和小腿连接件722，并包裹上述弹性部件723中部的包覆件724，即通过该大腿连接件721中的第一容纳腔包覆该弹性部件723的头部和小腿连接件722中的第二容纳腔包覆该弹性部件723的尾部，以及该包覆件724包覆该弹性部件723的中部，使得该弹性部件723完整地被包覆，参见图9c，从而很好地为该弹性部件723提供了保护层，同时也使得整体结构更加美观，并贴合人体膝关节。在一些实施例中，该包覆件采用柔性材料制成，如硅胶。

在一些实施例中，该包覆件724与该大腿连接件721和小腿连接件722之间采用榫接。

在一些实施例中，该大腿连接件721、小腿连接件722、弹性部件和该包覆件采用镶嵌注塑的方式一体成型而成。具体地，首先将预设厚度和形状的钢片进行热处理，使其具有弹簧钢的弹性和韧性，得到弹簧钢片(即弹性部件723)；然后将该弹簧钢片723放入预先准备好的第一套注塑模具中进行尼龙材料的一次镶嵌注塑，从而将弹簧钢片的头部和尾部分别镶嵌在大腿连接件721的第一容纳腔和小腿连接件722的第二容纳腔内，而该弹簧钢片的中间部分则裸露在外，参见图9d；完成第一次镶嵌注塑后，将工件从第一套模具中取出，并放入预先准备好的第二套嵌件注塑模具中，将弹簧钢片723的中间裸露部分通过柔性材料进行第二次镶嵌注塑，从而得到该柔性连接结构，参见图9e。其中尼龙材料上的若干个孔用于在镶嵌注塑工艺中用于将弹簧钢片定位到指定位置的定位顶点。通过镶嵌注塑一体成型的该柔性连接结构，使得该膝关节外骨骼被穿戴时，无需进行部件组装，节约资源的同时也提高了用户体验，另一方面，也使得膝关节外骨骼更加牢固和稳定，也更加贴合于人体膝关节的生理结构。

实施例5

在一些实施例中，本发明的膝关节外骨骼为可进行多自由度旋转的膝关节主体，其中，该膝关节主体分为两个部分，以图10a和图10b所示的膝关节主体，位于上方的是大腿组件100，贴合于使用者的大腿曲面前后两侧和外侧，位于下方的小腿组件200用于贴合使用者的小腿，且该大腿组件100与小腿组件200通过中间的旋转连接件700连接。

在一些实施例中，该小腿组件200包括用于当膝关节主体弯曲时，向人体小腿提供反向转矩(参见图10d中的箭头T2)的小腿曲面挡板。具体地，该小腿曲面挡板包括贴合于人体小腿髌骨正下方的第一前曲面挡块205、贴合于靠近人体小腿跟腱处的第一后曲面挡块206，以及连接该第一前曲面挡块205和第一后曲面挡块206的第一连接块207。

在一些实施例中，该第一前曲面挡块205、第一后曲面挡块206和第一连接块207一体成型形成该小腿曲面挡板。

在一些实施例中，该大腿组件100包括用于当膝关节外骨骼进行完全或伸展时，向人体大腿提供反向转矩(参见图10d中的箭头T1)的大腿曲面挡板。具体地，该大腿曲面挡板包括贴合于人体大腿腘绳肌的第二后曲面挡块107；进一步地，该大腿曲面挡板还包括与该第二后曲面挡块107相连，并贴合于股直肌的第二前曲面挡块105，通过设置该第二前曲面挡板105使得该大腿组件100能够更加稳固地贴合于使用者的大腿。

通常，当使用者的人体膝关节弯曲时，旋转连接件700将向该小腿组件200传导一个向上的作用力，同时，人体小腿也将分别给予一定的作用力F2和F3作用于该第一前曲面挡块205和第一后曲面挡块206，因此，为了防止因无第一前曲面挡块205向小腿施加一个反作用力而导致小腿组件沿小腿肚向上滑动，或者因无第一后曲面挡块206向小腿施加一个反作用力，而导致小腿组件沿髌骨向上滑动，甚至脱离人体小腿，设置了该第一前曲面挡块205和第一后曲面挡块206，从而使得小腿组件能够稳定地贴合于使用者的小腿。

参见图10d，当使用者的膝关节弯曲压迫该膝关节外骨骼的大腿组件中的弹性蓄能装置时，人体大腿将给予一定的作用力F1作用于该大腿组件100中的第二后曲面挡块107，同时，人体小腿也将分别给予一定的作用力F2和F3作用于小腿组件200中的第一前曲面挡块205和第一后曲面挡块206，相应地，该小腿组件200中的第一前曲面挡块208和第一后曲面挡块206则向人体小腿施加一个逆时针的反向转矩(参见图10d中箭头T2)，其大小与上述弹性蓄能装置通过旋转连接件700中的偏心轮施加在膝关节处的转矩大小相同，而该大腿组件100中的第二后曲面挡块107则向人体大腿施加一个顺时针的助力转矩(参见图10d中箭头T1)，以帮助人体爬升台阶、伸展膝关节。

在一些实施例中，该小腿组件200还包括分别与该小腿曲面挡板和旋转连接件700相连的小腿连接件安装座209；相应地，该大腿组件100还包括分别于该大腿曲面挡板和旋转连接件700相连的大腿连接件安装座109；即该小腿连接件安装座209与上述实施例4中小腿连接件722相配合，而该大腿连接件安装座109与上述实施例4中大腿连接件721相配合，从而使得该膝关节主体能够实现多自由度旋转，从而适应于人体膝关节的屈曲/伸展/外旋/内旋/外展/内收。

在一些实施例中，为了防止该膝关节外骨骼在使用过程中，因重力滑落，从而导致该膝关节外骨骼的转轴与使用者的膝关节转换不同轴的现象，还在该小腿组件200和/或大腿组件100上设置至少一个弹性绑缚机构，参见图10c、图10d、图10e和图10f。

在一些实施例中，该小腿组件200还包括贴合于人体小腿腿肚的第一弹性绑缚机构211。参见图10e和图10f，具体地，该第一弹性绑缚机构211为一弹性绑缚带，其一端与该小腿连接件安装座209连接，另一端绕过小腿肚并与第一前曲面挡块205相连(可通过卡扣等可拆卸方式连接)。由于膝关节下方的小腿肚区域为正椎体结构，即该小腿肚的横截面随水平高度的下降逐渐变大，因此，当将该弹性绑缚带紧贴在小腿肚位置时，只有少量的拉扯或松弛，从而保证了该弹性绑缚机构211拥有较为恒定的绑缚拉力，进而使得膝关节外骨骼在该弹性绑缚机构的作用下始终固定在与人体膝关节同轴位置。

在一些实施例中，该大腿组件100还包括贴合于大腿腿肚的第二弹性绑缚机构111。参见图10e和图10f，具体地，该第二弹性绑缚机构为一弹性绑缚带，其一端与该第二后曲面挡块107的尾端/自由端(即向大腿内侧延伸的一端)连接，另一端绕过大腿腿肚并与第二前曲面挡块105的尾端/自由端(即向大腿内侧延伸的一端)连接。

在一些实施例中，该旋转连接件也包括上述实施例中的拉线，相应的，该大腿组件和小腿组件中也设置有相应的拉线槽，其工作原理相同或相似，这里不再赘述。

在一些实施例中，大腿组件100中也设置有弹性蓄能装置600；小腿组件200中设置有调节装置500；其工作原理与上述实施例中的工作原理相同，这里不再赘述。

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，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种膝关节外骨骼，其特征在于，包括大腿组件和小腿组件；所述大腿组件与所述小腿组件通过至少一个旋转连接件连接，且所述大腿组件与所述小腿组件可相对旋转；当所述膝关节外骨骼被穿戴使用时，所述旋转连接件位于膝关节的左侧和/或右侧。

2.如权利要求1所述的膝关节外骨骼，其特征在于，所述旋转连接件为一个，且当所述膝关节外骨骼被穿戴使用时，所述旋转连接件位于所述膝关节的左侧或右侧；或者，所述旋转连接件为两个，且当所述膝关节外骨骼被穿戴使用时，两个所述旋转连接件分别位于膝关节的左右两侧，使得所述膝关节适应于人体腿部的屈曲/伸展/外展/内收。

3.如权利要求1或2所述的膝关节外骨骼，其特征在于，所述旋转连接件上设置有拉线，所述大腿组件与所述小腿组件中均设置有拉线槽；所述拉线被放置在所述拉线槽中，并且可以在所述拉线槽中移动。

4.如权利要求1至3中任一所述的膝关节外骨骼，其特征在于，所述大腿组件中设置有弹性蓄能装置；所述小腿组件中设置有调节装置，用于调整所述拉线的长度。

5.如权利要求1至4中任一所述的膝关节外骨骼，其特征在于，所述旋转连接件采用至少一个偏心轮机构。

6.如权利要求1至5中任一所述的膝关节外骨骼，其特征在于，所述大腿组件与所述小腿组件均采用弧面结构，所述弧面结构能紧密地贴合在人体的大腿或小腿上；优选地，所述小腿组件包括用于当人体膝关节弯曲时，向人体小腿提供反向转矩的小腿曲面挡板；和/或，所述大腿组件包括用于向人体大腿提供助力转矩的大腿曲面挡板。

7.如权利要求1至6所述的膝关节外骨骼，其特征在于，还包括用于防止所述膝关节外骨骼滑落的至少一个弹性绑缚机构。

8.如权利要求1至7中任一所述的膝关节外骨骼，其特征在于，所述旋转连接件采用能够适应不同腿型，且提供回弹力的柔性连接结构；且当所述膝关节外骨骼被穿戴使用时，所述柔性连接结构适应于人体膝关节的屈曲/伸展/外展/内收/内旋/外旋运动。

9.如权利要求1至8所述的膝关节外骨骼，其特征在于，所述柔性连接结构包括与所述大腿组件转动连接的大腿连接件，与所述小腿组件固定连接的小腿连接件，以及能够提供回弹力的弹性部件，其中，所述弹性部件的头部和尾部分别与所述大腿连接件和所述小腿连接件相连；还包括用于包覆所述弹性部件，由柔性材料制成的包覆件，且所述包覆件分别于所述大腿连接件和所述小腿连接件以可拆卸的方式连接。

10.如权利要求9所述的膝关节外骨骼，其特征在于，所述大腿连接件、所述小腿连接件、所述弹性部件和所述包覆件采用镶嵌注塑的方式一体成型而成。

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