CN117921631A - 一种可穿戴膝关节外骨骼机构 - Google Patents

Abstract

一种可穿戴膝关节外骨骼机构，包括腿部穿戴模块，包括大腿穿戴模块和小腿穿戴模块；连续体结构，包括多个依次串联的链节单元，相邻两个链节单元均可在设定角度范围内相对转动，且连续体结构的第一端与大腿穿戴模块连接，第二端与小腿穿戴模块连接，使连续体结构能够在驱动装置的作用力下为膝关节在蹲下起立过程中提供辅助力矩，以辅助使用者完成蹲下起立动作。

Description

一种可穿戴膝关节外骨骼机构

技术领域

本文涉及可穿戴膝关节外骨骼技术，尤指一种可穿戴膝关节外骨骼机构。

背景技术

外骨骼装置是一类用于辅助使用者进行肢体运动，提供助力以减轻使用者的运动负担的机械装置，其在助老助残、康复医疗和人体增强等领域具有广阔的应用前景。目前，外骨骼的研究主要应用于上肢的康复训练，以及下肢在行走步态下的步态助力。

传统的刚性外骨骼通常采用杆件等刚性结构模仿人体骨骼来起到支撑和承重的作用；同时在关节处采用串联弹性驱动器(SEA)，并联弹性驱动器(PEA)和可变刚度驱动器(VSA)等结构来在关节处驱动关节两端躯体的相对转动，并为使用者提供运动所需的辅助力矩。这类结构具有柔顺控制的特性，能够在控制过程中通过结构的弹性变形表现出一定的顺应性，防止使用者受伤；此外，这类驱动器所产生的是直接驱动关节的关节力矩，在关节转动范围内各处具有相同的力矩输出能力。但这类驱动器通常难以保证其转轴与人体关节转轴完全对齐，同时，有研究表明膝关节在运动过程中存在伴随转动的滑动，为非定轴转动。因此，这类外骨骼装置通常存在结构转轴与人体关节转轴不对齐而在关节处产生寄生力，进而影响使用者的舒适性，甚至导致使用者受伤的问题。

考虑到绳索作为一种柔性结构，可以发生弯曲变形，具有轻便且成本低廉的优点，近年来，绳索驱动已经被广泛地应用于各类外骨骼装置中,现有的装置大体可分为两类：一类是驱动电机直接布置在膝关节转轴处的，这类装置需要将驱动电机和减速箱布置在膝关节处，其结构较重，使用者活动下肢时不灵活；另一类是采用绳索驱动的装置，但其由于通常没有增加用于力臂放大的结构，因此提供的辅助力矩通常较小，难以满足下蹲到起立动作的力矩要求。

发明内容

本申请提供了一种可穿戴膝关节外骨骼机构，能够提供人体膝关节的辅助力矩，从而辅助人体完成深蹲起立动作。

本申请提供了一种可穿戴膝关节外骨骼机构，包括：

腿部穿戴模块，包括大腿穿戴模块和小腿穿戴模块；

连续体结构，包括多个依次串联的链节单元，相邻两个所述链节单元均可在设定角度范围内相对转动，且所述连续体结构的第一端与所述大腿穿戴模块连接，第二端与所述小腿穿戴模块连接，使所述连续体结构能够在驱动装置的作用力下为膝关节在蹲下起立过程中提供辅助力矩，以辅助使用者完成蹲下起立动作。

在一个示例性实施例中，所述链节单元的转动轴线与所述可穿戴膝关节外骨骼机构在受力状态的展开平面垂直。

在一个示例性实施例中，所述连续体结构的第一端设置成与所述驱动装置相连，所述连续体结构设置成能够在柔性状态与刚性状态之间切换；

基于所述腿部穿戴模块处于直立状态，所述连续体结构处于柔性状态，任意相连的两个所述链节单元可在所述设定角度范围内转动；

基于所述腿部穿戴模块处于下蹲状态，所述连续体结构在所述驱动装置的拉力作用下达到角度范围的极限而处于刚性状态，使任意相邻的两个所述链节单元均保持相对静止。

在一个示例性实施例中，所述链节单元的沿所述连续体结构的伸长方向的相对两端均设有活动连接部，相邻所述链节单元的活动连接部转动连接；

任意相邻两个所述链节单元还设有相互配合的限位部，以将相邻两个所述链节单元的转动角度限制在所述设定角度范围内。

在一个示例性实施例中，相邻所述链节单元的限位部设置成采用柔性限位件连接以限制相邻所述链节单元的相对转动角度范围。

在一个示例性实施例中，所述限位部包括设于所述链节单元的背离所述腿部穿戴模块的一端的拉环或拉杆，所述柔性限位件为绳索。

在一个示例性实施例中，所述链节单元的活动连接部设有安装孔，所述安装孔内设有轴套并且在所述安装孔的孔口外侧设有垫片，相邻所述链节单元采用穿过所述安装孔的转动轴连接，所述轴套和垫片分别止挡所述转动轴与所述链节单元接触。

在一个示例性实施例中，所述连续体结构的第一端设有系结单元，所述系结单元的一端能够与所述驱动装置的拉绳连接，另一端与相邻的所述链节单元转动连接；所述系结单元的转动轴线与相邻所述链节单元的转动轴线平行。

在一个示例性实施例中，所述大腿穿戴模块包括一个或多个间隔设置的第一固定环、设于所述第一固定环的导向座、以及安装于所述导向座并可相对所述导向座转动的导向部，所述导向部供所述驱动装置的拉绳穿过与所述第一端连接。

在一个示例性实施例中，所述小腿穿戴模块包括一个或多个间隔设置的第二固定环、以及设于所述第二固定环的固定座，所述连续体结构的第二端与所述固定座固定连接或可转动连接。

在一个示例性实施例中，所述第一固定环和所述第二固定环均包括弧形架、以及与所述弧形架配合插接并可调节长度的栓带。

在一个示例性实施例中，所述的膝关节外骨骼机构还包括连接所述连续体结构的驱动装置，所述驱动装置包括驱动电机、与所述驱动电机配合安装的滚筒、以及缠绕于所述滚筒的拉绳，所述拉绳与连续体结构的第一端连接，所述驱动电机设置成带动所述滚筒转动收放所述拉绳以向所述连续体结构施加拉力，提供所述连续体结构对膝关节施加的辅助力矩。

在一个示例性实施例中，所述的膝关节外骨骼机构还包括拉力传感器，所述拉力传感器的一端与所述连续体结构的第一端连接，另一端与所述拉绳连接，所述拉力传感器检测所述拉绳对所述连续体结构的拉力并反馈至所述驱动装置，所述驱动装置根据所述拉力传感器反馈的拉力信息控制对所述连续体结构的拉力大小。

在一个示例性实施例中，所述辅助力矩根据所述连续体结构的等效索结点坐标p_c和等效转轴坐标p_k以及鲍登线在绳索导向装置上出绳点坐标b₀确定；

所述等效索结点坐标p_c采用如下方式确定：

步骤一、取i＝1；

步骤二、由鲍登线在绳索导向装置上出绳点坐标b₀和前一链节单元的末端转轴坐标a_i，得到预估绳索方向[Δx Δy Δz]^T；

步骤三、根据所得到的预估绳索方向[Δx Δy Δz]^T和前i-1节链节单元的相对转动角度α₁…α_i-1，确定第i节链节单元相对前一链节单元的预估偏转角度

步骤四、所述得到的预估偏转角度和所设定的转动角度限制值(α_i)_max，确定第i节链节单元相对前一链节单元的实际偏转角度α_i，并确定后一链节单元末端转轴坐标a_i，若则/>且取连续体结构的等效索结点为p_c＝a_i-1，并结束计算；

步骤五、否则若则取α_i＝(α_i)_max，并确定后一链节单元末端转轴坐标a_i；

步骤六、取i＝i+1；若i＞n，取连续体结构的等效索结点为p_c＝a_i-1，并结束计算；否则，重复步骤二至步骤六；

其中，i表示链节单元的序号；n表示所有链节单元的数量；a_i-1表示第i个链节单元的始端转轴与展开平面的交点A_i-1的坐标；a_i表示第i个链节单元的终端转轴与展开平面的交点A_i坐标；l_i表示始端转轴与终端转轴间的距离；||A_i-1A_i||₂表示点A_i-1和点A_i之间的距离；α_i表示第i个链节单元与第i-1个链节单元间的夹角。

与相关技术相比，本申请实施例的可穿戴膝关节外骨骼机构能够在人体下蹲起立动作时，提供人体膝关节的辅助力矩，从而辅助人体完成深蹲起立动作，并在驱动装置提供作用力一定的情况下，能够尽可能提高该结构在膝关节处所产生的辅助力矩，且柔顺性好，便于人体穿戴、防止对身体行动产生不便或伤害。

本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的其他优点可通过在说明书以及附图中所描述的方案来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本申请技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。

图1为本申请实施例的可穿戴膝关节外骨骼机构穿戴在人体腿部上的整体视图；

图2为本申请实施例可穿戴膝关节外骨骼机构穿戴在人体腿部上的在人体站立时的侧部视图；

图3为本申请实施例可穿戴膝关节外骨骼机构穿戴在人体腿部上的在人体下蹲时的侧部视图；

图4为图3的侧视方向视图；

图5为本申请实施例可穿戴膝关节外骨骼机构的连续体结构的局部放大视图；

图6为本申请实施例可穿戴膝关节外骨骼机构的连续体结构的链节单元立体视图；

图7为本申请实施例可穿戴膝关节外骨骼机构的上半部分放大视图；

图8为本申请实施例可穿戴膝关节外骨骼机构的下半部分放大视图；

图9为本申请实施例可穿戴膝关节外骨骼机构的驱动装置立体视图；

图10为本申请实施例可穿戴膝关节外骨骼机构的几何参数示意图。

具体实施方式

本申请描述了多个实施例，但是该描述是示例性的，而不是限制性的，并且对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，在本申请所描述的实施例包含的范围内可以有更多的实施例和实现方案。尽管在附图中示出了许多可能的特征组合，并在具体实施方式中进行了讨论，但是所公开的特征的许多其它组合方式也是可能的。除非特意加以限制的情况以外，任何实施例的任何特征或元件可以与任何其它实施例中的任何其他特征或元件结合使用，或可以替代任何其它实施例中的任何其他特征或元件。

本申请包括并设想了与本领域普通技术人员已知的特征和元件的组合。本申请已经公开的实施例、特征和元件也可以与任何常规特征或元件组合，以形成由权利要求限定的独特的发明方案。任何实施例的任何特征或元件也可以与来自其它发明方案的特征或元件组合，以形成另一个由权利要求限定的独特的发明方案。因此，应当理解，在本申请中示出和/或讨论的任何特征可以单独地或以任何适当的组合来实现。因此，除了根据所附权利要求及其等同替换所做的限制以外，实施例不受其它限制。此外，可以在所附权利要求的保护范围内进行各种修改和改变。

此外，在描述具有代表性的实施例时，说明书可能已经将方法和/或过程呈现为特定的步骤序列。然而，在该方法或过程不依赖于本文所述步骤的特定顺序的程度上，该方法或过程不应限于所述的特定顺序的步骤。如本领域普通技术人员将理解的，其它的步骤顺序也是可能的。因此，说明书中阐述的步骤的特定顺序不应被解释为对权利要求的限制。此外，针对该方法和/或过程的权利要求不应限于按照所写顺序执行它们的步骤，本领域技术人员可以容易地理解，这些顺序可以变化，并且仍然保持在本申请实施例的精神和范围内。

如图1-图10所示，本申请实施例提供一种可穿戴膝关节外骨骼机构100，包括腿部穿戴模块1和连续体结构2。腿部穿戴模块1包括大腿穿戴模块11和小腿穿戴模块12，大腿穿戴模块11用于穿戴在人体的大腿上，小腿穿戴模块12用于穿戴在人体的小腿上。连续体结构2包括多个依次串联的链节单元20，任意相邻两个链节单元20均可在设定角度范围内相对转动，且连续体结构2的第一端与大腿穿戴模块11连接，第二端与小腿穿戴模块12连接，使连续体结构2能够在驱动装置3的作用力下为膝关节在蹲下起立过程中提供辅助力矩，以辅助使用者完成蹲下起立动作。

本申请实施例的可穿戴膝关节外骨骼机构100能够在人体下蹲起立动作时，提供人体膝关节的辅助力矩，从而辅助人体完成深蹲起立动作，并在驱动装置提供作用力一定的情况下，能够尽可能提高该结构在膝关节处所产生的辅助力矩，且柔顺性好，便于人体穿戴、防止对身体行动产生不便或伤害。

如图2、图4所示，本申请实施例的链节单元20的转动轴线与可穿戴膝关节外骨骼机构100在受力状态(人体下蹲状态时的形态)的展开平面垂直，从而链节单元20转动方向与人体腿部弯折方向对应，可跟随拉绳作用力方向的改变而伸直或弯折。展开平面与人体的矢状面几乎平行，人体膝关节转轴垂直展开平面。如图1-图4所示，连续体结构2的第一端设置成与驱动装置3相连，连续体结构2设置成能够在柔性状态(人体未下蹲无受力状态)与刚性状态(人体下蹲受力状态)之间切换。基于腿部穿戴模块1处于直立状态，连续体结构2处于柔性状态，任意相连两个所述链节单元20可在设定角度范围内转动(参图2所示)；基于腿部穿戴模块1处于下蹲状态，连续体结构2在驱动装置3的拉力作用下达到转动范围限制处于刚性状态，使任意相邻两个链节单元20均保持相对静止(参图3所示)。

如图5、图6所示，链节单元20的沿连续体结构2的伸长方向的相对两端均设有活动连接部201，相邻链节单元20的活动连接部转动连接。任意相邻两个链节单元20还设有相互配合的限位部202，以将相邻两个链节单元20的转动角度限制在设定角度范围内。

本实施例的相邻链节单元20的限位部202设置成采用柔性限位件连接以限制相邻链节单元20的相对转动角度范围。示例性的，限位部202包括设于链节单元20的背离腿部穿戴模块1的一端的拉环或拉杆，柔性限位件为绳索。

本申请实施例的连续体结构2通过设置限位部202，能够实现相邻两链节单元20的转动角度受到限制，并且通过合理调节绳索的系结长度，可以限制相邻两个链节单元20的最大相对转动角度为所期望的特定值。

如图5、图6所示，相邻链节单元20的活动连接部201可采用转动轴A转动连接，转动轴A可采用销钉。在链节单元20末端的活动连接部201上设置安装孔，并在安装孔安装轴套20a，在安装孔的外侧安装有垫片20b，相邻链节单元20采用穿过安装孔的转动轴A连接，轴套20a和垫片20b分别止挡转动轴A的与链节单元20接触。轴套20a和垫片20b均采用聚四氟乙烯材质。

轴套20a的外圈与链节单元20的上侧安装孔配合，销钉A从聚四氟乙烯轴套20a的中心孔中穿过，与聚四氟乙烯轴套20a和聚四氟乙烯垫片20b的内圈同轴配合。销钉A同时从相邻链节单元20下侧的两个同轴孔中穿过，使销钉A成为相邻两个链节单元20的转轴，可以在一定范围内相对自由转动。聚四氟乙烯轴套20a和聚四氟乙烯垫片20b用于将所述销钉A和链节单元20隔离开，降低销钉A和链节单元20之间的摩擦，使连续体结构2的相邻两个链节单元20之间转动更顺滑。销钉A远离销钉头的一侧具有螺纹，通过圆螺母B等紧固件使得相邻两链节单元20之间轴向锁紧。

如图7所示，连续体结构2的第一端设有系结单元21，系结单元21的一端能够与驱动装置3的拉绳30连接，另一端与相邻的链节单元20转动连接。系结单元21的转动轴线与相邻链节单元20的转动轴线平行。

如图7所示，大腿穿戴模块11包括一个或多个间隔设置的第一固定环110、设于第一固定环110上的导向座111、以及安装于导向座111并可相对导向座111转动的导向部112。导向部112供驱动装置3的拉绳30穿过与连续体结构2的第一端连接。导向部112能够适应使用者下蹲起立动作过程中的拉绳30出绳方向。

第一固定环110包括弧形架110a、以及与弧形架110a配合插接并可调节长度的栓带110b。将第一固定环110分成前部分的弧形架110a和后部分的栓带110b，一方面能够增加与链节单元20连接的强度，另一方面能够便于与人体腿部的锁紧。其中，导向部112通过销钉C固定在与第一固定环110相连接的导向座111上。

其中，栓带110b设置卡扣1101，弧形架110a设置插口(附图为连接状态未能展示)，卡扣1101可插接在插口内，从而可实现自由取下或插上，以便于使用者进行穿戴。其中，卡扣1101固定有带扣1102，用于栓带110b从带扣1102的孔中穿过并缠绕在其上，实现栓带110b的固定，同时方便不同的使用者根据其体型调节大腿环固定带的长度。使用者使用本发明时，通过大腿模块11将装置与使用者的大腿固定为一体。

如图8所示，小腿穿戴模块12包括一个或多个间隔设置的第二固定环120、及设于第二固定环120的固定座121，连续体结构2的第二端与固定座121设置为固定连接或者可转动连接。同样的，第二固定环120包括弧形架120a、以及与弧形架120a配合插接并可调节长度的栓带120b，栓带120b设置卡扣1201，弧形架120a设置与卡扣配合插接的插口。同理，将第二固定环121分成前部分的弧形架120a和后部分的栓带120b，一方面能够增加连接的强度，另一方面能够便于与人体腿部的锁紧。具体可参照大腿穿戴模块11，在此不赘述。

如图1、图9所示，本申请实施例的膝关节外骨骼机构100还包括连接连续体结构2的驱动装置3，包括安装框架301、安装于安装框架301上的两组驱动单元302、两组电机安装板303和分别安装在两组驱动单元输出轴上的滚筒31。驱动单元302包括直流电机3020和减速器3021，驱动单元302安装在电机安装板303上。其中，直流电机3020有一个输出轴，减速器3021有一个输出轴和一个输入轴，直流电机3020的输出轴连接减速器3021的输入轴，减速器3021通过内部的齿轮系实现输入轴和输出轴的速比关系，减速器3021的输出轴连接滚筒31。两组驱动单元302带动两个滚筒31，用于独立驱动两条拉绳30，进而可以同时为使用者的双腿进行助力。

拉绳30的第一端与连续体结构连接，第二端固定连接在滚筒31上，并缠绕于滚筒31上。拉绳30与滚筒31的具体固定方式为，滚筒31的端面上开有螺钉孔，利用紧定螺钉压紧拉绳30的绳端实现对拉绳30的固定。其中，拉绳30可采用鲍登线。

驱动单元302设置成带动滚筒31转动收放拉绳30以向连续体结构2施加拉力，提供对连续体结构2的辅助力矩。其具体形式为，直流电机3020经过减速器3021带动滚筒31收放拉绳30，进而通过拉绳30借助连续体结构2为膝关节施加辅助力矩，从而完成对使用者腿部膝关节的助力。

如图7所示，本申请实施例的膝关节外骨骼机构100还包括拉力传感器4，拉力传感器4的一端与连续体结构2的第一端连接，另一端与拉绳30连接，用于检测拉绳30施加于连续体结构2的拉力并反馈至驱动装置3。驱动装置3根据拉力传感器4反馈的拉力信息对连续体结构2施加的实际拉力大小进行准确控制。拉力传感器4可通过闭环反馈实现对绳索拉力的准确控制。

驱动装置3可实现人体的下蹲起立过程为连续体结构2提供合适拉力，并实现增大力臂的作用，驱动装置3可实现人体的起立过程中回收拉绳。

如图10所示，本申请实施例的穿戴膝关节外骨骼机构100提供的辅助力矩可采用如下方式确定：

连续体结构2所提供的膝关节辅助力矩与链节单元20的长度l₁,l₂,...,l_n和每两个相邻单元的最大转动角度(α₁)_max,(α₂)_max,...,(α_n)_max、以及鲍登线在绳索导向装置上出绳点坐标b₀有关，即其所能产生的辅助力矩的大小，近似等于拉绳30拉力与该连续体结构2相对膝关节的等效力臂的乘积。

为确定结构参数l₁,l₂,...,l_n和(α₁)_max,(α₂)_max,...,(α_n)_max对辅助力矩的影响，便于指导设计，以下给出连续体结构2相对膝关节等效力臂和辅助力矩的估算方法。连续体结构2相对使用者膝关节转轴的等效力臂可以通过人体的姿态和连续体结构2的参数估算得到，连续体结构2相对使用者膝关节转轴等效力臂r_knee和对膝关节提供的辅助力矩τ_assist的估算方法如下：

以连续体结构2所连接的固定座121上的连续体结构2的链节单元20的始端转轴与展开平面的交点为原点O，由该连续体结构2与固定座121相连接的链节单元20的始端转轴中心指向终端转轴方向为y轴正方向，在展开平面内建立坐标系xOy。记连续体结构由n个链节单元20和1个系结单元21组成；记第i个连续体结构链节单元20的始端转轴与展开平面的交点为A_i-1，其坐标记为a_i-1，终端转轴与展开平面的交点为A_i，记其坐标为a_i，其始端转轴与终端转轴间的距离||A_i-1A_i||₂为l_i；记第i个连续体结构链节单元与第i-1个连续体结构链节单元间的夹角为α_i，其夹角满足范围α_i≤(α_i)_max；记鲍登线在绳索导向装置上的出绳点为B₀，记其坐标为b₀。

在展开平面内考虑该问题，即将该问题简化为平面内的几何问题，考虑到连续体结构2的等效索结点即为结构中第一个自由链节单元始端转轴的坐标，亦即结构中最后一个达到限位链节单元的末端转轴坐标，故可按如下的迭代方法计算连续体结构的等效索结点坐标p_c：

首先，从靠近小腿端的链节单元20起始端开始，依次计算每个链节单元20末端转轴的坐标。亦即根据鲍登线在拉绳30导向装置上出绳点坐标b₀和前一链节单元20的末端转轴坐标a_i-1计算后一链节单元末端转轴坐标a_i，按照如下算法进行迭代计算。

(1)取i＝1；

(2)(由鲍登线在绳索导向装置上出绳点坐标b₀和前一链节单元的末端转轴坐标a_i计算预估绳索方向[Δx Δy Δz]^T)计算[Δx Δy Δz]^T＝b₀-a_i；其中Δx,Δy,Δz表示绳索对应的方向向量的x方向分量，y方向分量和z方向分量。

(3)根据上一步计算得到的预估绳索方向[Δx Δy Δz]^T和前i-1节链节的相对转动角度α₁…α_i-1计算第i节链节单元相对前一链节单元的预估偏转角度计算公式：α_j表示第j个连续体结构链节单元与第j-1个连续体结构链节单元间的夹角。

(4)根据第i节链节单元相对前一链节单元的预估偏转角度和所设定的转动角度限制值(α_i)_max计算第i节链节单元相对前一链节单元的实际偏转角度α_i；若/>则取并计算后一链节单元末端转轴坐标a_i，计算公式：/>且取连续体结构的等效索结点为p_c＝a_i-1，并结束计算；

(5)否则若则取α_i＝(α_i)_m；同时有/>其中j为求和运算的下标，在计算过程中j会被消去，在最终计算结果中不含有j。

(6)取i＝i+1；若i＞n，取连续体结构的等效索结点为p_c＝a_i-1，并结束计算；否则，重复步骤(2)至步骤(6)。

记膝关节的等效转轴坐标为p_k，根据上述计算得到的连续体结构等效出索点坐标p_c，计算得到对应的等效力臂为r_knee＝((p_c-p_k)×(b₀-p_c))·n_z，其中n_z＝[0 0 1]^T，n_z为展开平面对应的单位法向量，用于描述方向，其所指向的方向与膝关节转轴所在直线近似平行。进一步地，可以根据等效力臂r_knee和鲍登线上的绳索拉力f_c计算得到对膝关节的辅助力矩τ_assist，为τ_assist＝r_kneef_c。

由上述推导可确定本申请实施例的可穿戴膝关节外骨骼机构100在使用者下蹲时具有较大的等效力臂，因此可以提供较大的膝关节辅助力矩。同时，以上的公式可以指导尺寸设计。

本申请实施例的可穿戴膝关节外骨骼机构100的特点是在人体下蹲过程中使得拉绳拉力相对膝关节的等效力臂逐渐增大，以此来增大对膝关节的辅助力矩。

本申请实施例的可穿戴膝关节外骨骼机构100在使用者下蹲时，能够使得拉绳相对膝关节转轴的等效力臂增大，故使得机构能够对膝关节提供较大的辅助力矩。可穿戴膝关节外骨骼机构100结构简单轻便，在使用者处于深蹲位姿时，相对膝关节的等效力臂大。

在本申请中的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“一侧”、“另一侧”、“一端”、“另一端”、“边”、“相对”、“四角”、“周边”、“口字结构”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申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的结构具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“直接连接”、“间接连接”、“固定连接”、“安装”、“装配”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；术语“安装”、“连接”、“固定连接”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申请中的具体含义。

虽然本申请所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本申请而采用的实施方式，并非用以限定本申请。任何本申请所属领域内的技术人员，在不脱离本申请所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本申请的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定为准。

Claims (14)

1.一种可穿戴膝关节外骨骼机构，其特征在于，包括：

腿部穿戴模块，包括大腿穿戴模块和小腿穿戴模块；

连续体结构，包括多个依次串联的链节单元，相邻两个所述链节单元均可在设定角度范围内相对转动，且所述连续体结构的第一端与所述大腿穿戴模块连接，第二端与所述小腿穿戴模块连接，使所述连续体结构能够在驱动装置的作用力下为膝关节在蹲下起立过程中提供辅助力矩，以辅助使用者完成蹲下起立动作。

2.根据权利要求1所述的膝关节外骨骼机构，其特征在于，所述链节单元的转动轴线与所述可穿戴膝关节外骨骼机构的在受力状态的展开平面垂直。

3.根据权利要求1所述的膝关节外骨骼机构，其特征在于，所述第一端设置成与所述驱动装置相连，所述连续体结构设置成能够在柔性状态与刚性状态之间切换；

基于所述腿部穿戴模块处于直立状态，所述连续体结构处于柔性状态，任意相连的两个所述链节单元可在所述设定角度范围内转动；

基于所述腿部穿戴模块处于下蹲状态，所述连续体结构在所述驱动装置的拉力作用下达到角度范围的极限而处于刚性状态，使任意相邻的两个所述链节单元均保持相对静止。

4.根据权利要求3所述的膝关节外骨骼机构，其特征在于，所述链节单元的沿所述连续体结构的伸长方向的相对两端均设有活动连接部，相邻所述链节单元的活动连接部转动连接；

任意相邻两个所述链节单元还设有相互配合的限位部，以将相邻两个所述链节单元的转动角度限制在所述设定角度范围内。

5.根据权利要求4所述的膝关节外骨骼机构，其特征在于，相邻所述链节单元的限位部设置成采用柔性限位件连接以限制相邻所述链节单元的相对转动角度范围。

6.根据权利要求5所述的膝关节外骨骼机构，其特征在于，所述限位部包括设于所述链节单元的背离所述腿部穿戴模块的一端的拉环或拉杆，所述柔性限位件为绳索。

7.根据权利要求4所述的膝关节外骨骼机构，其特征在于，所述链节单元的活动连接部设有安装孔，所述安装孔内设有轴套并且在所述安装孔的孔口外侧设有垫片，相邻所述链节单元采用穿过所述安装孔的转动轴连接，所述轴套和垫片分别止挡所述转动轴与所述链节单元接触。

8.根据权利要求3所述的膝关节外骨骼机构，其特征在于，所述连续体结构的第一端设有系结单元，所述系结单元的一端能够与所述驱动装置的拉绳连接，另一端与相邻的所述链节单元转动连接；所述系结单元的转动轴线与相邻所述链节单元的转动轴线平行。

9.根据权利要求8所述的膝关节外骨骼机构，其特征在于，所述大腿穿戴模块包括一个或多个间隔设置的第一固定环、设于所述第一固定环的导向座、以及安装于所述导向座并可相对所述导向座转动的导向部，所述导向部供所述驱动装置的拉绳穿过与所述连续体结构的第一端连接。

10.根据权利要求9所述的膝关节外骨骼机构，其特征在于，所述小腿穿戴模块包括一个或多个间隔设置的第二固定环、以及设于所述第二固定环的固定座，所述连续体结构的第二端与所述固定座固定连接或可转动连接。

11.根据权利要求10所述的膝关节外骨骼机构，其特征在于，所述第一固定环和所述第二固定环均包括弧形架、以及与所述弧形架配合插接并可调节长度的栓带。

12.根据权利要求1-11任意一项所述的膝关节外骨骼机构，其特征在于，还包括连接所述连续体结构的驱动装置，所述驱动装置包括驱动电机、与所述驱动电机配合安装的滚筒、以及缠绕于所述滚筒的拉绳，所述拉绳与连续体结构的第一端连接，所述驱动电机设置成带动所述滚筒转动收放所述拉绳以向所述连续体结构施加拉力，提供所述连续体结构对膝关节施加的辅助力矩。

13.根据权利要求12所述的膝关节外骨骼机构，其特征在于，还包括拉力传感器，所述拉力传感器的一端与所述连续体结构的第一端连接，另一端与所述拉绳连接，所述拉力传感器检测所述拉绳对所述连续体结构的拉力并反馈至所述驱动装置，所述驱动装置根据所述拉力传感器反馈的拉力信息控制对所述连续体结构的拉力大小。

14.根据权利要求1-11任意一项所述的膝关节外骨骼机构，其特征在于，所述辅助力矩根据所述连续体结构的等效索结点坐标p_c和等效转轴坐标为p_k以及鲍登线在绳索导向装置上出绳点坐标b₀确定；

所述等效索结点坐标p_c采用如下方式确定：

步骤一、取i＝1；

步骤二、由鲍登线在绳索导向装置上出绳点坐标b₀和前一链节单元的末端转轴坐标a_i，得到预估绳索方向；

步骤三、根据所得到的预估绳索方向和前i-1节链节单元的相对转动角度α₁…α_i-1，确定第i节链节单元相对前一链节单元的预估偏转角度

步骤四、所述得到的预估偏转角度和所设定的转动角度限制值α_i＝(α_i)_max，确定第i节链节单元相对前一链节单元的实际偏转角度α_i，并确定后一链节单元末端转轴坐标a_i，若则/>且取连续体结构的等效索结点为p_c＝a_i-1，并结束计算；

步骤五、否则若则取α_i＝(α_i)_m，则/>

步骤六、取i＝i+1；若i＞n，取连续体结构的等效索结点为p_c＝a_i-1，并结束计算；否则，重复步骤二至步骤六；

其中，i表示链节单元的序号；n表示所有链节单元的数量；a_i-1表示第i个链节单元的始端转轴与展开平面的交点A_i-1的坐标；a_i表示第i个链节单元的终端转轴与展开平面的交点A_i坐标；l_i表示始端转轴与终端转轴间的距离；||A_i-1A_i||₂表示点A_i-1和点A_i之间的距离；α_i表示第i个链节单元与第i-1个链节单元间的夹角。