CN217620577U - 一种膝关节助力机构及外骨骼系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种膝关节助力机构及外骨骼系统，涉及机械关节的技术领域，膝关节助力机构中，第一腿部构件与第二腿部构件之间活动设置有第一联动件以及第二联动件，第一联动件与第二联动件均枢接于第一腿部构件及第二腿部构件，第二联动件形成有第二摆转线，在第二腿部构件处于直立位置时，第二摆转线由靠近第二腿部构件的一端至靠近第一腿部构件的一端朝第一联动件的方向倾斜。在外骨骼系统穿戴状态下，第二联动件会对第一腿部构件施加与机械外骨骼、负重对第一腿部构件所施加的作用力相反的反作用力，从而抵消至少部分由上述作用力对第一腿部构件所产生的力矩，减轻穿戴者直立状态下的负担，增加了穿戴者的负重范围，提高其作业效率。

Description

一种膝关节助力机构及外骨骼系统

技术领域

本公开涉及机械关节的技术领域，尤其涉及一种膝关节助力机构及外骨骼系统。

背景技术

机械外骨骼，是一种可让人体穿上的机器装置，机械外骨骼主要用于辅助穿戴者肢体进行运动，其在医学、建筑、军事等领域中已得到广泛的应用。

目前的机械外骨骼系统一般包括有源和无源两种形式。以无源机械外骨骼为例，其是一种不具驱动装置，仅通过机械结构辅助穿戴者关节部位进行运动的机械骨骼系统。现有的外骨骼膝关节组件中，一般采用大腿构件与小腿构件铰接的方式为人体膝关节提供活动自由度，在人体直立的状态下，机械外骨骼整体重量以及负重物重量G1G2传递至大腿骨架中的等效力值会对大腿组件施加F1的作用力，从而对穿戴者大腿构件产生一个绕膝关节组件向后摆转的力矩T1，为了平衡力矩T1，除去背带和腰带施加的反作用力，穿戴者大腿需要通过对大腿构件施加F2的作用力，让大腿构件产生一个与T1相反的力矩T2，尤其在负重较大的状态下，穿戴者保持站立姿势时腿部并不轻松，提高了穿戴者的体能消耗速度，降低了机械外骨骼的穿戴时长。

实用新型内容

本公开实施例的目的在于：提供一种膝关节助力机构及外骨骼系统，通过改变膝关节部分的结构，解决外骨骼系统负重较大的情况下，大腿向后摆转力矩较大等现有技术中存在的技术问题。

为达上述目的，本公开采用以下技术方案：

第一方面，提供一种膝关节助力机构，包括：

第一腿部构件；

第二腿部构件，与所述第一腿部构件分别提供腿部肢体穿戴空间；

所述第一腿部构件与所述第二腿部构件之间活动设置有第一联动件以及第二联动件，所述第一联动件与所述第二联动件提供膝关节活动自由度，以使所述第二腿部构件可相对于所述第一腿部构件摆转，在直立位置和屈膝位置之间往复运动；

所述第一联动件与所述第二联动件均枢接于所述第一腿部构件及所述第二腿部构件，所述第一联动件靠近设置于所述第一腿部构件及所述第二腿部构件的前侧，所述第二联动件靠近设置于所述第一腿部构件及所述第二腿部构件的后侧；

所述第二联动件形成有第二摆转线，在所述第二腿部构件处于直立位置时，所述第二摆转线由靠近所述第二腿部构件的一端至靠近所述第一腿部构件的一端朝所述第一联动件的方向倾斜。

作为一种可选的实施方式，所述第一联动件形成有第一摆转线，所述第一摆转线的长度大于所述第二摆转线的长度；

在所述第二腿部构件处于直立位置时，所述第一摆转线由靠近所述第二腿部构件的一端至靠近所述第一腿部构件的一端朝所述第二联动件的方向倾斜。

作为一种可选的实施方式，所述第一腿部构件、所述第二腿部构件、所述第一联动件、所述第二联动件中的一个或多个设置有限位结构，所述限位结构被配置为限制所述第一腿部构件与所述第二腿部构件的相对运动范围。

作为一种可选的实施方式，所述限位结构包括伸展限位块，所述伸展限位块设置于所述第一腿部构件、所述第二腿部构件、所述第一联动件以及所述第二联动件中的一个或多个；

所述伸展限位块被配置为限制所述第二腿部构件相对于所述第一腿部构件朝前摆转的活动范围。

作为一种可选的实施方式，所述限位结构包括后伸限位部，所述后伸限位部设置于所述第一腿部构件、所述第二腿部构件、所述第一联动件以及所述第二联动件中的一个或多个；

所述后伸限位部被配置为限制所述第二腿部构件相对于所述第一腿部构件朝后摆转的活动范围。

作为一种可选的实施方式，所述后伸限位部开设有屈曲限位槽，所述屈曲限位槽提供所述第二腿部构件的后伸摆转空间；

当所述第二腿部构件处于屈膝位置的极限位置时，所述第二腿部构件抵于所述屈曲限位槽的槽面。

作为一种可选的实施方式，还包括：

储能组件，设置在所述第一腿部构件与所述第二腿部构件之间，所述储能组件用于对所述第二腿部构件持续施加朝直立位置方向运动的作用力。

作为一种可选的实施方式，所述储能组件包括：

储能件，设置于所述第一腿部构件或所述第二腿部构件；

驱动绳，其第一端与所述储能件连接；

在所述储能件设置于所述第一腿部构件时，所述驱动绳的第二端与所述第二腿部构件固定连接；在所述储能件设置于所述第二腿部构件时，所述驱动绳的第二端与所述第一腿部构件固定连接；

所述第一腿部构件靠近所述第二腿部构件的一端形成有绕线部；和/或

所述第二腿部构件靠近所述第一腿部构件的一端形成有绕线部；

所述绕线部位于所述第二腿部构件的摆转中心的周部形成有绕线面，所述驱动绳至少部分抵绕于所述绕线面，在所述第二腿部构件处于直立位置的状态下，所述驱动绳与所述绕线面的抵绕长度，小于所述第二腿部构件处于屈膝位置的状态下所述驱动绳与所述绕线面的抵绕长度以使在屈膝位置状态下所述驱动绳驱动所述储能件往储能方向运动。

作为一种可选的实施方式，所述绕线部为凸轮，所述凸轮与所述第一腿部构件或所述第二腿部构件固定连接，所述绕线面形成于所述凸轮的构造曲面侧。

作为一种可选的实施方式，所述储能件为压簧，所述压簧沿所述第一腿部构件或所述第二腿部构件的长度方向设置；

在所述压簧设置于所述第一腿部构件时，所述驱动绳的第二端与所述第二腿部构件固定连接；在所述储能件设置于所述第二腿部构件时，所述驱动绳的第二端与所述第一腿部构件固定连接。

作为一种可选的实施方式，在所述压簧设置于所述第一腿部构件的状态下，所述第一腿部构件内形成有中空的导向腔，所述导向腔沿所述第一腿部构件长度方向设置；

在所述压簧设置于所述第二腿部构件的状态下，所述第二腿部构件内形成有中空的导向腔，所述导向腔沿所述第二腿部构件长度方向设置；

所述导向腔的一侧腔壁开设有与外部环境连通的开口，所述开口提供所述驱动绳穿入所述导向腔的空间，所述压簧沿所述导向腔的长度方向设置，所述压簧远离所述绕线部的一端可相对于所述导向腔运动。

作为一种可选的实施方式，所述压簧远离所述绕线部的一端设置有限位件，在所述压簧的储能方向上，所述限位件与所述压簧相抵接；

所述驱动绳的第二端从所述压簧的中部穿入并与所述限位件连接。

第二方面，提供一种外骨骼系统，包括：

如上所述的膝关节助力机构。

本公开的有益效果为：该膝关节助力机构中，其第一腿部构件与第二腿部构件之间活动设置有第一联动件以及第二联动件，使第一腿部构件、第二腿部构件、第一联动件以及第二联动件之间构成四连杆机构，达到第二腿部构件相对于第一腿部构件摆转的过程中，第二腿部构件的转动中心的瞬心轨迹尽可能地与穿戴者膝关节的转动中心的瞬心轨迹相契合，提高人机顺应性。

其中，在外骨骼系统穿戴状态下，第一联动件与第二联动件分别靠近人体膝关节前侧和后侧设置，第二腿部构件处于直立位置的状态下，第二联动件的第二摆转线在由靠近第二腿部构件的一端至靠近第一腿部构件的一端朝第一联动件的方向倾斜，这样，第二腿部构件在直立位置时就能够对第一腿部构件提供一定的支撑，第二联动件会对第一腿部构件施加与机械外骨骼、负重对第一腿部构件所施加的作用力相反的反作用力，从而抵消至少部分由上述作用力对第一腿部构件所产生的力矩，减轻穿戴者直立状态下的负担，增强直立状态下的系统稳定性，延长了外骨骼系统的穿戴时长，也增加了穿戴者的负重范围，提高其作业效率。

附图说明

下面根据附图和实施例对本公开作进一步详细说明。

图1为本公开实施例所述外骨骼系统结构受力分析图；

图2为本公开实施例所述外骨骼系统整体结构示意图；

图3为本公开实施例所述膝关节助力机构整体结构示意图之一(直立位置)；

图4为图3的A部放大视图；

图5为本公开实施例所述膝关节助力机构瞬心轨迹示意图；

图6为本公开实施例所述膝关节助力机构整体结构示意图之二(屈膝位置)；

图7为本公开实施例所述膝关节助力机构爆炸图；

图8为本公开实施例所述膝关节主力机构剖面图；

图9为本公开实施例所述绕线部结构示意图；

图10为本公开实施例所述绕线部剖面图。

图中：10、膝关节助力机构；11、第一腿部构件；111、储能件；112、绕线部；1121、绕线面；113、导向腔；114、限位件；115、伸展限位块；116、屈曲限位槽；117、外侧盖体；118、内侧盖体；12、第二腿部构件；121、连接板件；122、肢体固定杆；13、第一联动件；131、第一摆转线；132、第一枢转点；133、第二枢转点；14、第二联动件；141、第二摆转线；142、第三枢转点；143、第四枢转点；15、驱动绳；20、背架；30、髋关节模组；40、腿部模组；50、鞋履组件。

具体实施方式

为使本公开解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面对本公开实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

在本公开的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。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公开中的具体含义。

在本公开中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

本实施例提供一种膝关节助力机构10，参考图1-图2，为本实施例所述膝关节助力机构10的整体结构示意图，膝关节助力机构10作为外骨骼系统中，腿部模组40的其中一部分骨骼结构，用于提供穿戴者膝关节的活动自由度，并对穿戴者小腿施加辅助作用力。其旨意在于，让膝关节助力机构10具有一定能够支撑外骨骼系统及负重物重力的反作用力F3，从而减轻穿戴者腿部负担，降低穿戴者腿部负重感，提高穿戴者在穿戴外骨骼系统的状态下的负重能力。

本实施方式的膝关节助力机构10可应用于有源外骨骼系统以及无源外骨骼系统中，而特别针对无源外骨骼而言，本申请的发明人经过长期研究发现：从事物流搬运、建筑搬运、汽车装配、飞机装配、消防救援、环卫、军事等情景领域的作业人员需要携带负重物，对此，负重物及外骨骼系统的重量会通过处于大腿的腿部构件传递至膝关节组件上，位于腿部模组40的膝关节处，第一腿部构件11以及第二腿部构件12的铰接处，在穿戴者处于站立的状态下，外骨骼会同样处于直立或接近直立的状态，而在此状态下，以穿戴者背部背负有负重物为例，F1作用力通过第一腿部构件11传递到膝关节助力机构10处，从而对第一腿部构件11产生绕第二腿部构件12并朝人体后侧方向旋转的力矩T1，而为了平衡力矩T1，人体则需通过第一腿部构件11上的穿戴组件对第一腿部构件11施加与力矩T1相反的力矩T2来维持站立状态下的身体平衡，从而增加了穿戴者的身体负担。为此，本申请提供了如下实施例。

这里需要说明的是，本实施方式的第一腿部构件11用于穿戴在人体大腿上，第二腿部构件12用于穿戴在人体小腿上，第一腿部构件11与第二腿部构件12之间的连接处可以正对人体膝关节，从而匹配人体腿部构造，但在其他实施方式中，第一腿部构件11也可设置在人体小腿上，相应的，第二腿部构件12也可设置在人体大腿上，对此，本实施方式不作进一步限定。

参考图1-图3，为本实施例所述外骨骼系统直立状态，即后续所述的第二腿部构件12处于直立位置的主视图，在对该方案进行详细说明之前，需要说明的是，在本实施方式中，对于第一腿部构件11、第二腿部构件12、第一联动件13、第二联动件14及外骨骼系统中的其他各部件而言，在穿戴者穿戴状态下，各部件靠近穿戴者腿部的一侧为各部件的内侧；各部件远离穿戴者腿部的一侧为各部件的外侧；在外骨骼系统使用状态下，穿戴者向其正前方前行的方向为外骨骼系统中各部件的前侧方向，即为附图中箭头所指示的“前”的方向；反之，穿戴者向其正后方后退的方向为外骨骼系统中各部件的后侧方向，即为附图中箭头所指示的“后”的方向。

本实施方式所述的直立状态、直立位置以及站立状态，指的是穿戴者双腿处于接近合拢或合拢的状态，并且，穿戴者双腿所延伸的方向与重力方向基本重合，即，与穿戴者大腿绑定的第一腿部构件11，以及与穿戴者小腿绑定的第二腿部构件12的夹角呈180°或接近180°的状态，可以理解的是，根据不同穿戴者的站立习惯，其在站立状态下，大腿与小腿的夹角不一定完全为180°的状态，因此，本实施方式对直立位置的第一腿部构件11与第二腿部构件12的夹角不作具体限定，其具体为，直立位置下，第一腿部构件11与第二腿部构件12的夹角大于屈膝位置下，第一腿部构件11与第二腿部构件12的夹角。本实施方式暂以直立位置的第一腿部构件11与第二腿部构件12夹角为180°为示例性说明。

参考图1-图2，本实施方式提供一种外骨骼系统，一般而言，无源外骨骼系统包括背架20、髋关节模组30、腿部模组40以及鞋履组件50，为了让外骨骼系统能够穿戴于人体，并协助穿戴者肢体的运动，上述各部分的部件均设置有穿戴组件，提供穿戴者的穿戴空间，穿戴组件一般为适配不同肢体尺寸、线条的柔性穿戴带，其具体结构在此不作具体赘述。

背架20用于固定机械外骨骼与穿戴者的腰背部分，并且具备承载负重的功能，而在有源外骨骼结构中，背架20一般采用腰部组件(图未示)进行替换，与穿戴者腰部进行绑定，有利于提高外骨骼系统各部位的定位精度以及人机契合度，当然，本实施方式中的背架20也同样具有该功能，相比于有源外骨骼，由于无源外骨骼的关节驱动均需通过穿戴者驱动，因此，无源负重的状态下人体自身需承担的负重比例较大。髋关节模组30的第一侧与背架20穿戴于穿戴者腰部的一端固定连接，髋关节模组30的第二侧与腿部模组40活动连接，一般而言，髋关节模组30为了适配人体髋关节构造，髋关节模组30一般会具备两个或以上的活动自由度，从而提供人体髋关节的活动自由度。而腿部模组40则包括本实施方式所述的，绑定于大腿的第一腿部构件11以及绑定于小腿的第二腿部构件12，第一腿部构件11的一端与髋关节模组30可转动地连接，提供人体大腿，也可以说是髋关节部分的自由度，第一腿部构件11的另一端与第二腿部构件12活动连接从而为人体膝关节提供摆转自由度。鞋履组件50提供穿戴者鞋足部的固定空间，一般而言，鞋履组件50包括用于固定穿戴者鞋履的基板以及环绕基板设置的穿戴组件，但也有一种设置方式，鞋履组件50包括鞋履，穿戴者可直接将足部穿入外骨骼系统本身自带的鞋履当中，完成与鞋履组件50的穿戴。鞋履组件50通过与第二腿部构件12活动连接，形成踝关节组件，提供穿戴者踝关节活动自由度。

如图3-图7所示，为本实施例所述膝关节助力机构10的整体结构示意图，其包括第一腿部构件11以及第二腿部构件12，本实施方式中，第一腿部构件11与第二腿部构件12可以为钣金件、型材件、注塑件、铸造件等通过不同工艺加工成型的构件，并根据第一腿部构件11与第二腿部构件12所需的结构强度，增加构件厚度，或在构件上加工加强筋等结构，第一腿部构件11与第二腿部构件12分别提供腿部肢体穿戴空间，具体的，第一腿部构件11与第二腿部构件12上均安装有位于同侧的穿戴组件，以用于绑定穿戴者的大腿与小腿，从而让穿戴者腿部进行活动的过程中，可通过穿戴组件对第一腿部构件11或第二腿部构件12施加相应的作用力，让其跟随穿戴者腿部的运动方向、角度以及速度等。

为了让腿部模组40能够为穿戴者腿部提供相应的支撑，助力穿戴者腿部运动，第一腿部构件11与第二腿部构件12之间活动设置有第一联动件13以及第二联动件14，第一联动件13与第二联动件14组成腿部模组40的活动组件，第一联动件13与第二联动件14提供膝关节活动自由度，以使第二腿部构件12可相对于第一腿部构件11摆转，在直立位置和屈膝位置之间往复运动。

本实施方式中，第一腿部构件11与第二腿部构件12可沿人体腿部长度方向延伸，第一腿部构件11的长度与穿戴者大腿长度相匹配，第二腿部构件12长度与穿戴者小腿长度相匹配，以使第一联动件13与第二联动件14均处于穿戴者的膝关节处。第一腿部构件11与第二腿部构件12可以为长杆状结构，也可以为与人体腿部外周结构相匹配的，能够包覆在人体腿部外周的不规则结构件，在这一实施方式中，第一腿部构件11与第二腿部构件12可直接穿戴在穿戴者的大腿及小腿处，而大致呈长杆状结构、条状结构等分别沿穿戴者大腿及小腿长度方向延伸的结构，则需要通过穿戴组件配合穿戴。本实施方式以简单易懂的第一腿部构件11与第二腿部构件12均为长杆状结构为例，本实施方式以直立位置时第二腿部构件12与第一腿部构件11之间的夹角为180°，而屈膝位置时，第二腿部构件12与第一腿部构件11的夹角可以在0-155°的范围进行取值，一般而言，屈膝位置的最小角度不宜小于一般人体在最大屈膝状态下大腿与小腿之间的相对角度，从而让腿部模组40能够有效保护穿戴者的膝关节，而上述屈膝位置的角度范围取值，一般视乎穿戴者腿部在屈膝状态下的幅度而定，也可以根据大数据取值在适于大多数人群的角度范围，本实施例对此不作具体限定。

具体的，为了匹配人体膝关节活动特性，增加穿戴者活动过程中的顺应性，第一联动件13与第二联动件14均枢接于第一腿部构件11及第二腿部构件12，以使第一腿部构件11、第二腿部构件12、第一联动件13以及第二联动件14之间构成四连杆机构，具体的，第一联动件13靠近设置于第一腿部构件11及第二腿部构件12的前侧，第二联动件14靠近设置于第一腿部构件11及第二腿部构件12的后侧，分别用于匹配人体膝关节的前侧较大摆转角度的运动及后侧较小摆转角度的运动。这里所述的前侧与后侧，并非说明第一联动件13一定是设置在腿部模组40的最前侧，而第二联动件14一定是设置在腿部模组40的最后侧，两构件的其前侧和后侧是相对的，具体，第一联动件13相对于第二联动件14而言，其位于第二联动件14的前侧，在穿戴状态下，第一联动件13靠近穿戴者膝关节的前侧设置，相对的，第二联动件14相对于第一联动件13而言，其位于第一联动件13的后侧，在穿戴状态下，第二联动件14靠近穿戴者膝关节的后侧设置。

第一腿部构件11与第二腿部构件12之间通过设置第一联动件13与第二联动件14，形成能够与穿戴者膝关节运动过程中的瞬心轨迹大致或完全重合的四连杆机构，从而提高人机交互的顺应性。

为了解决上述第一腿部构件11具有较大朝人体后侧旋转力矩的问题，第二联动件14形成有第二摆转线141，第二摆转线141为第二联动件14与第一腿部构件11的枢转点，以及第二联动件14与第二腿部构件12的枢转点之间的连线，在第二腿部构件12处于直立位置时，第二摆转线141由靠近第二腿部构件12的一端至靠近第一腿部构件11的一端朝第一联动件13的方向倾斜。

在本实施方式的第一腿部构件11与第二腿部构件12均为长杆状结构的基础上，如图3-图4所示，可以理解的，第一腿部构件11与第二腿部构件12分别形成有中心线L1以及L2，上述外骨骼系统以及负重物对第一腿部构件11所施加的作用力L1会沿着第一腿部构件11的中心线L1传递至第一联动件13与第二联动件14上，此时，在第二腿部构件12处于直立位置的状态下，第二摆转线141与第一腿部构件11的中心线L1呈负角度设置，具体角度为F°，即，第二摆转线141由枢接第一腿部构件11的一端至枢接第二腿部构件12的一端朝穿戴者正后方倾斜。上述设置的负角度F°是为了平衡传递至四连杆机构所受的压力。如果第二联动件14为正角度，即由枢转第一腿部构件11的一端至枢转第二腿部构件12的一端朝前侧方向倾斜的设置方式，单独的四连杆机构处所受的压力无法达到相对平衡的状态，需要借助穿戴者对第一腿部构件11以及辅助人体膝关节运动的储能组件才能保持平衡。而通过上述负角度F°的结构，单独的四连杆机构较容易处于力平衡状态，第二腿部构件12在直立位置时就能够对第一腿部构件11提供一定的支撑，第二联动件14的倾斜设置方式，第二联动件14会对第一腿部构件11施加与机械外骨骼、负重对第一腿部构件11所施加的作用力相反的反作用力F3，从而抵消至少部分由上述作用力对第一腿部构件11所产生的力矩T1。另外，需要说明的是，为了避免对穿戴者的膝关节运动构成影响，上述的负角度F°不易过大，负角度F°与四连杆平衡、各部件的结构尺寸以及第一联动件13、第二联动件14的旋转半径等有关，若负角度F°设置过大，上述因素都会变大，从而对穿戴者的站立状态以及运动状态构成影响，四连杆机构的瞬心轨迹也会与穿戴者膝关节瞬心轨迹存在较大偏差。

进一步的，第一联动件13形成有第一摆转线131，第一摆转线131的长度大于第二摆转线141的长度，在第二腿部构件12处于直立位置时，第一摆转线131由靠近第二腿部构件12的一端至靠近第一腿部构件11的一端朝第二联动件14的方向倾斜。

如图4所示，第一联动件13与第一腿部构件11之间构成第一枢转点132，第一联动件13与第二腿部构件12之间构成第二枢转点133，第二联动件14与第一腿部构件11之间构成第三枢转点142，第二联动件14与第二腿部构件12之间构成第四枢转点143，第一枢转点132与第二枢转点133的连线构成上述的第一摆转线131，第三枢转点142与第四枢转点143的连线构成上述的第二摆转线141。第一枢转点132与第三枢转点142之间，以及第二枢转点133与第四枢转点143之间间隔设置，以使第一联动件13与第二联动件14之间具有供第一腿部构件11与第二腿部构件12作相对运动的联动间隙。可以理解的，第一摆转线131与第二摆转线141之间大致呈“八”字形设置，从而让作用力F1能够分别在第一联动件13与第二联动件14上分别形成分力，平衡传递至四连杆机构的两根旋转的联动件所受的压力。进一步降低穿戴者在直立状态下的腿部负担。

可以理解的是，为了让穿戴者膝关节能够顺畅运动，第一枢转点132、第二枢转点133、第三枢转点142以及第四枢转点143的枢转轴线相互平行，即，上述各枢转点的枢转轴线可以与穿戴者膝关节的摆转轴线相互平行，最大程度提高人体关节与机械关节之间的匹配度。进一步，第一枢转点132、第二枢转点133以及第四枢转点143的连线所形成的夹角，以及第三枢转点142、第四枢转点143以及第二枢转点133的连线所形成的夹角均为锐角，从而让第一枢转点132、第二枢转点133、第三枢转点142以及第四枢转点143依次相连的连线形成梯形或接近与三角形的结构，梯形及接近于三角形的支撑结构相比矩形、平行四边形等结构而言，其支撑强度更高，有力度膝关节助力机构对穿戴者膝关节的支撑。

本实施方式中，第一联动件13与第二联动件14可以为钣金件、型材件、注塑件、铸造件等通过不同工艺加工成型的构件，并根据第一腿部构件11与第二腿部构件12所需的结构强度，增加构件厚度，或在构件上加工加强筋等结构。本实施方式的第一联动件13与第二联动件14为条形板状结构。并且第一联动件13与第二联动件14可以为沿直线延伸的结构，也可以为弧形或其他不规则形状的结构件，其只要能够满足上述各枢转点的设置方式即可。

在第二腿部构件12由直立位置朝屈膝位置运动过程中，第一联动件13顺应人体膝关节的前侧运动，跟随穿戴者膝盖的前侧作较大幅度的摆转，第二联动件14顺应人体膝关节的后侧运动，其组合成一个可以向后旋转的四边形结构，如图5所示，为便于了解四连杆运动模式，取第二枢转点133与第四枢转点143之间的连线中心点A点为说明对象。

而为了保护穿戴者的膝关节，避免穿戴者的膝关节过度伸展、屈曲，第一腿部构件11、第二腿部构件12、第一联动件13、第二联动件14中的一个或多个设置有限位结构，限位结构被配置为限制第一腿部构件11与第二腿部构件12的相对运动范围。

如图3-图7、图9所示，具体的，限位结构包括伸展限位块115，如上所述，伸展限位块115可设置在第一腿部构件11、第二腿部构件12、第一联动件13以及第二联动件14中的一个或多个上，其用于限制第二腿部构件12相对于第一腿部构件11朝前摆转的自由度及范围，避免穿戴者膝关节过度伸展。

本实施方式中，伸展限位块115设置在第一腿部构件11设置有第一联动件13和/或第二联动件14的一侧，并具体凸出设置在第三枢转点142的前侧。在第一联动件13与第二联动件14随第一腿部构件11、第二腿部构件12运动伸展过程中，第二联动件14会绕第三枢转点142朝前摆转运动，当第二联动件14抵顶于伸展限位块115的表面时，即第一联动件13、第二联动件14会对第二腿部构件12的前侧运动方向进行限制，第二腿部构件12无法继续朝膝关节活动机构前侧运动。

接上述，限位结构还包括限位部，限位部上可开设屈曲限位槽116，屈曲限位槽116提供第二腿部构件12的后伸摆转空间，同样，屈曲限位槽116可设置在第一腿部构件11、第二腿部构件12、第一联动件13及第二联动件14中的一个或多个上，其用于限制第二腿部构件12相对于第一腿部构件11朝后摆转的自由度及范围，避免穿戴者膝关节过度屈曲，当第二腿部构件12处于屈膝位置的极限位置时，第二腿部构件12抵于屈曲限位槽116的槽面。

为了确保膝关节活动机构整体的紧凑性，屈曲限位槽116开设于第一腿部构件11的后侧，在第二联动件14随第一联动件13、第二联动件14绕第一腿部构件11运动屈曲，朝屈膝方向运动的过程中，第二联动件14会绕第三枢转点142朝前摆转运动，当第二腿部构件12朝后侧摆转并抵顶于屈曲限位槽116内时，即第二腿部构件12则无法继续朝膝关节活动机构后侧运动。

需要说明的是，第二腿部构件12相对于第一腿部构件11朝后摆转自由度，主要可以通过第一腿部构件11与第二腿部构件12相抵实现，屈曲限位槽116在第一腿部构件11与第二腿部构件12相对摆转时还能够起到避空的作用，让第二腿部构件12具有更大范围的摆转角度，但有不会对膝关节助力机构整体结构强度起到太大的影响。

如图8-图10所示，为了对穿戴者膝关节提供助力，膝关节助力机构10还包括储能组件，储能组件设置在第一腿部构件11与第二腿部构件12之间，储能组件用于对第二腿部构件12持续施加朝直立位置方向运动的作用力。从而让穿戴者在屈膝状态往直立状态运动的过程中，让储能组件释放其所存储的势能，辅助穿戴者完成上述的运动过程，降低运动者在上述运动过程中腿部所需释放的作用力。

在第一腿部构件11相对固定的状态下，储能组件会对第二腿部构件12产生一定的助力扭矩，若储能组件为压簧，则压簧在第二腿部构件12处于直立位置的状态下具有一定的初始压缩量，若储能组件为拉簧，则拉簧在第二腿部构件12处于直立位置的状态下具有一定的初始拉伸量，若储能组件为扭簧，则压簧在第二腿部构件12处于直立位置的状态下具有一定的初始旋转压缩量，但是因为穿戴者在行走状态下人曲腿时需要人的腿部施力克服相应扭矩的反向作用力，如果储能组件的初始压缩量较大，则曲腿时人受到的阻力越大，因此，储能组件的初始储能系数设置不宜过大，储能组件对穿戴者在直立状态下有一定辅助其克服扭矩T1的作用，但由于上述原因，导致储能组件提供的初始储能系数较小，负重保持站立状态时人腿也并不太轻松。

一实施方式中，储能组件可以为扭簧，通过转轴穿接在第一腿部构件11与第二腿部构件12之间，从而让扭簧对第二腿部构件12持续施加朝向直立位置方向运动的作用力。

另一实施方式中，储能组件可以为压簧或拉簧，在该情况下，第一腿部构件11与第二腿部构件12之间则需要设置相应能够改变压簧和扭簧的弹性势能方向的结构。如设置凸轮以及顶杆，在第二腿部构件12运动的过程中，凸轮通过驱动顶杆压缩压簧，从而让压簧对凸轮施加反作用力，驱使第二腿部构件12复位等相关的结构。

本实施方式中，储能组件包括储能件111以及驱动绳15，储能件111设置于第一腿部构件11或第二腿部构件12，驱动绳15的第一端与储能件111连接，用于驱动储能件111往储能方向运动。在储能件111设置于第一腿部构件11时，驱动绳15的第二端与第二腿部构件12固定连接；在储能件111设置于第二腿部构件12时，驱动绳15的第二端与第一腿部构件11固定连接。

第一腿部构件11靠近第二腿部构件12的一端形成有绕线部112；和/或第二腿部构件12靠近第一腿部构件11的一端形成有绕线部112，本实施方式以第一腿部构件11靠近第二腿部构件12的一端设置有绕线部112为例，储能件111设置于第一腿部构件11，即驱动线的第二端固定连接于第二腿部构件12。

绕线部112位于第二腿部构件12的摆转中心的周部形成有绕线面1121，驱动绳15至少部分抵绕于绕线面1121，在第二腿部构件12处于直立位置的状态下，驱动绳15与绕线面1121的抵绕长度，小于第二腿部构件12处于屈膝位置的状态下，驱动绳15与绕线面1121的抵绕长度，以使在屈膝位置状态下，驱动绳15驱动储能件111往储能方向运动。在第二腿部构件12从直立位置往屈膝位置运动的过程中，驱动绳15会被绕线部112以类似于收卷的方式收卷，从而让驱动绳15沿绕线部112周部设置的绕线面1121方向收卷。

具体的，绕线部112为凸轮，在凸轮的轴向方向上，绕线面1121可以为弧线、折线、曲线等，第一联动件13与第二联动件14的一端枢接于凸轮，凸轮与第一腿部构件11或第二腿部构件12固定连接，并且，为了提高膝关节助力机构10的稳定性，凸轮的外侧和内侧分别各设置有一组第一联动件13以及第二联动件14，绕线面1121形成于凸轮的构造曲面侧，本实施方式中，驱动绳15位于凸轮的前侧，凸轮的构造曲面侧实为在凸轮外周形成的能够体现出曲率变化的表面。

在第二腿部构件12相对于第一腿部构件11运动的过程中，第二腿部构件12会牵引驱动绳15运动，从而让驱动绳15的第二端沿第二腿部构件12的运动轨迹逐渐改变与第一端之间的角度，随着第二腿部构件12往屈膝位置逐渐运动，驱动绳15抵绕于凸轮的绕绳面的长度也越来越大，即，驱动绳15第一端至其第二端的走线轨迹会越来越长，而在驱动绳15第一端与第二腿部构件12相对固定的情况下，驱动绳15的第二端会开始往凸轮方向收缩，从而拉动储能件111拉伸或压缩，此时，储能件111会对驱动绳15持续施加一个复位弹性力，从而让驱动绳15绷紧并抵紧绕绳面，驱动绳15会对绕绳面持续施加一个向后的作用力，并对第二腿部构件12产生朝直立位置方向运动的力矩，最终完成储能，待穿戴者由屈膝状态运动至直立状态的过程中，储能件111释放所储蓄的能量，从而让驱动绳15拉动第二腿部构件12，对穿戴者膝关节提供助力。

具体的，本实施方式中的储能件111为压簧，压簧沿第一腿部构件11或第二腿部构件12的长度方向设置，驱动绳15的第二端与第二腿部构件12固定连接。

当然，储能件111也可以为拉簧，在储能件111为拉簧的状态下，驱动绳15的第二端与拉簧靠近凸轮的一端连接。

为了让压簧在压缩或复位的过程中能够更为稳定，第一腿部构件11内形成有中空的导向腔113，导向腔113沿第一腿部构件11长度方向设置。如图7所示，而为了便于导向腔113的加工，第一腿部构件11包括外侧盖体117以及内侧盖体118，外侧盖体117与内侧盖体118可相互盖合，从而围合形成上述的导向腔113。

在导向腔113的一侧腔壁开设有与外部环境连通的开口，开口提供驱动绳15穿入导向腔113的空间，压簧沿导向腔113的长度方向设置，压簧远离绕线部112的一端可相对于导向腔113运动，并且，该开口也可以对驱动绳15所延伸的方向进行限制，避免驱动绳15在延伸往第二腿部构件12的过程中选择最短路径，影响了其驱动储能件111储能的效果。

而为了便于第二腿部构件12与驱动绳15的连接，第二腿部构件12包括有连接板件121以及肢体固定杆122，连接板件121内形成有贯通连接板件121相对两侧的通孔，肢体固定杆122提供穿戴者小腿的固定空间，肢体固定杆122用于与连接板件121连接的一端形成有安装槽，驱动绳15的第二端通过固定穿接于上述通孔，并让连接板件121通过安装槽固定安装于肢体固定杆122，从而完成第二腿部构件12的安装。

压簧远离绕线部112的一端设置有限位件114，在压簧的储能方向上，限位件114与压簧相抵接，驱动绳15的第二端从压簧的中部穿入并与限位件114连接。

本实施方式的储能组件具体方案相对于扭簧以及上述的凸轮驱动压簧的结构而言，若要达到同样的扭矩要求，扭簧的尺寸和结构尺寸会很大，属于宽度较大的那种形式(压簧属于长度较大的形式)，且扭簧的扭矩、寿命并不优秀。凸轮顶压簧的方式较为复杂，需要将圆周运动转换为直线运动，因此凸轮前端需设置一根顶杆，会多出两个转动副，且要实现同样的压缩量，凸轮顶压簧的结构中的顶杆长度会较长，这样整体结构尺寸就会变得较大。本实施方式中提到的驱动绳15、凸轮、压簧的结构，结构紧凑，无需过多传动结构。通过控制凸轮形线实现压缩量。

本实施方式中，驱动绳15的第一端与第二端均设置有卡头，从而卡置在通孔以及限位件114上，避免驱动绳15脱出相应的构件。

通过上述的储能组件以及第一联动件13、第二联动件14的设置，能够有效对外骨骼系统以及负重物对第一腿部构件11产生的力矩T1进行支撑，从而大大降低了穿戴者在直立状态下其大腿的负担，达到了提高穿戴者的负重能力以及穿戴时间，也让穿戴者的作业效率得以提高。

于本文的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、等方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，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公开的限制。此外，术语“第一”、“第二”，仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

以上结合具体实施例描述了本公开的技术原理。这些描述只是为了解释本公开的原理，而不能以任何方式解释为对本公开保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本公开的其它具体实施方式，这些方式都将落入本公开的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种膝关节助力机构，其特征在于，包括：

第一腿部构件和第二腿部构件(12)，所述第一腿部构件与所述第二腿部构件(12)分别用于提供腿部肢体穿戴空间；

所述第一腿部构件与所述第二腿部构件(12)之间活动设置有第一联动件(13)以及第二联动件(14)，所述第一联动件(13)与所述第二联动件(14)提供膝关节活动自由度，以使所述第二腿部构件(12)可相对于所述第一腿部构件摆转，在直立位置和屈膝位置之间往复运动；

所述第一联动件(13)与所述第二联动件(14)均枢接于所述第一腿部构件及所述第二腿部构件(12)，所述第一联动件(13)靠近设置于所述第一腿部构件及所述第二腿部构件(12)的前侧，所述第二联动件(14)靠近设置于所述第一腿部构件及所述第二腿部构件(12)的后侧；

所述第二联动件(14)形成有第二摆转线(141)，在所述第二腿部构件(12)处于直立位置时，所述第二摆转线(141)由靠近所述第二腿部构件(12)的一端至靠近所述第一腿部构件的一端朝所述第一联动件(13)的方向倾斜。

2.根据权利要求1所述的膝关节助力机构，其特征在于，所述第一联动件(13)形成有第一摆转线(131)，所述第一摆转线(131)的长度大于所述第二摆转线(141)的长度；

在所述第二腿部构件(12)处于直立位置时，所述第一摆转线(131)由靠近所述第二腿部构件(12)的一端至靠近所述第一腿部构件的一端朝所述第二联动件(14)的方向倾斜。

3.根据权利要求1所述的膝关节助力机构，其特征在于，所述第一腿部构件、所述第二腿部构件(12)、所述第一联动件(13)、所述第二联动件(14)中的一个或多个设置有限位结构，所述限位结构被配置为限制所述第一腿部构件与所述第二腿部构件(12)的相对运动范围。

4.根据权利要求3所述的膝关节助力机构，其特征在于，所述限位结构包括伸展限位块(115)，所述伸展限位块(115)设置于所述第一腿部构件、所述第二腿部构件(12)、所述第一联动件(13)以及所述第二联动件中的一个或多个；

所述伸展限位块(115)被配置为限制所述第二腿部构件(12)相对于所述第一腿部构件朝前摆转的活动范围。

5.根据权利要求3所述的膝关节助力机构，其特征在于，所述限位结构包括后伸限位部，所述后伸限位部设置于所述第一腿部构件、所述第二腿部构件(12)、所述第一联动件(13)以及所述第二联动件中的一个或多个；

所述后伸限位部被配置为限制所述第二腿部构件(12)相对于所述第一腿部构件朝后摆转的活动范围。

6.根据权利要求5所述的膝关节助力机构，其特征在于，所述后伸限位部开设有屈曲限位槽(116)，所述屈曲限位槽(116)提供所述第二腿部构件(12)的后伸摆转空间；

当所述第二腿部构件(12)处于屈膝位置的极限位置时，所述第二腿部构件(12)抵于所述屈曲限位槽(116)的槽面。

7.根据权利要求1所述的膝关节助力机构，其特征在于，还包括：

储能组件，设置在所述第一腿部构件与所述第二腿部构件(12)之间，所述储能组件用于对所述第二腿部构件(12)持续施加朝直立位置方向运动的作用力。

8.根据权利要求7所述的膝关节助力机构，其特征在于，所述储能组件包括：

储能件(111)，设置于所述第一腿部构件或所述第二腿部构件(12)；

驱动绳(15)，其第一端与所述储能件(111)连接；

在所述储能件(111)设置于所述第一腿部构件时，所述驱动绳(15)的第二端与所述第二腿部构件(12)固定连接；在所述储能件(111)设置于所述第二腿部构件(12)时，所述驱动绳(15)的第二端与所述第一腿部构件固定连接；

所述第一腿部构件靠近所述第二腿部构件(12)的一端形成有绕线部(112)；和/或

所述第二腿部构件(12)靠近所述第一腿部构件的一端形成有绕线部(112)；

所述绕线部(112)位于所述第二腿部构件(12)的摆转中心的周部形成有绕线面(1121)，所述驱动绳(15)至少部分抵绕于所述绕线面(1121)，在所述第二腿部构件(12)处于直立位置的状态下所述驱动绳(15)与所述绕线面(1121)的抵绕长度小于所述第二腿部构件(12)处于屈膝位置的状态下所述驱动绳(15)与所述绕线面(1121)的抵绕长度，以使在屈膝位置状态下，所述驱动绳(15)驱动所述储能件(111)往储能方向运动。

9.根据权利要求8所述的膝关节助力机构，其特征在于，所述绕线部(112)为凸轮，所述凸轮与所述第一腿部构件或所述第二腿部构件(12)固定连接，所述绕线面(1121)形成于所述凸轮的构造曲面侧。

10.根据权利要求8所述的膝关节助力机构，其特征在于，所述储能件(111)为压簧，所述压簧沿所述第一腿部构件或所述第二腿部构件(12)的长度方向设置；

在所述压簧设置于所述第一腿部构件时，所述驱动绳(15)的第二端与所述第二腿部构件(12)固定连接；在所述储能件(111)设置于所述第二腿部构件(12)时，所述驱动绳(15)的第二端与所述第一腿部构件固定连接。

11.根据权利要求10所述的膝关节助力机构，其特征在于，在所述压簧设置于所述第一腿部构件的状态下，所述第一腿部构件内形成有中空的导向腔(113)，所述导向腔(113)沿所述第一腿部构件长度方向设置；

在所述压簧设置于所述第二腿部构件(12)的状态下，所述第二腿部构件(12)内形成有中空的导向腔(113)，所述导向腔(113)沿所述第二腿部构件(12)长度方向设置；

所述导向腔(113)的一侧腔壁开设有与外部环境连通的开口，所述开口提供所述驱动绳(15)穿入所述导向腔(113)的空间，所述压簧沿所述导向腔(113)的长度方向设置，所述压簧远离所述绕线部(112)的一端可相对于所述导向腔(113)运动。

12.根据权利要求10所述的膝关节助力机构，其特征在于，所述压簧远离所述绕线部(112)的一端设置有限位件(114)，在所述压簧的储能方向上，所述限位件(114)与所述压簧相抵接；

所述驱动绳(15)的第二端从所述压簧的中部穿入并与所述限位件(114)连接。

13.一种外骨骼系统，其特征在于，包括：

如权利要求1-12中任一项所述的膝关节助力机构(10)。

Images