膝关节姿态变换装置及下肢外骨骼机器人.pdf

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1、(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202111395253.X(22)申请日 2021.11.23(71)申请人 上海理工大学地址 200093 上海市杨浦区军工路516号 申请人 上海理微医疗科技发展有限公司(72)发明人 喻洪流李慧唐心意郭进程铭孟巧玲(74)专利代理机构 北京超凡宏宇专利代理事务所(特殊普通合伙)11463专利代理师 毕翔宇(51)Int.Cl.A61H 1/02(2006.01)A61H 3/02(2006.01)(54)发明名称一种膝关节姿态变换装置及下肢外骨骼机器人(57)摘要本申请涉及一种膝关节姿态变。

2、换装置及下肢外骨骼机器人，其中膝关节姿态变换装置包括：下肢外骨骼本体、膝关节变换组件以及控制单元；所述膝关节变换组件包括设置在所述下肢外骨骼本体上的锁定机构，以及与所述锁定机构连接的驱动机构，所述驱动机构与所述控制单元连接；所述锁定机构用于对所述下肢外骨骼本体上的膝关节进行锁止及解锁，所述控制单元通过所述驱动机构控制所述锁定机构在不同状态之间变换。通过设置的锁定机构，能够对下肢外骨骼本体上的膝关节进行锁止及解锁，满足使用者站立相膝关节的锁定和摆动相膝关节的解锁，可使其进行站立时伸展锁定，摆动时解锁屈曲，有效提高了下肢外骨骼本体在日常使用过程中的灵活性。权利要求书1页 说明书5页 附图2页CN 。

3、116138986 A2023.05.23CN 116138986 A1.一种膝关节姿态变换装置，其特征在于，包括：下肢外骨骼本体、膝关节变换组件以及控制单元；所述膝关节变换组件包括设置在所述下肢外骨骼本体上的锁定机构，以及与所述锁定机构连接的驱动机构，所述驱动机构与所述控制单元连接；所述锁定机构用于对所述下肢外骨骼本体上的膝关节进行锁止及解锁，所述驱动机构控制所述锁定机构在不同状态之间变换。2.根据权利要求1所述的膝关节姿态变换装置，其特征在于，所述下肢外骨骼本体包括分体连接的大腿杆件及小腿杆件，所述大腿杆件与所述小腿杆件的至少一部分相互重叠。3.根据权利要求2所述的膝关节姿态变换装置，其特。

4、征在于，所述大腿杆件与所述小腿杆件活动铰接，在重叠部位穿插安装有销轴。4.根据权利要求3所述的膝关节姿态变换装置，其特征在于，所述驱动机构包括连接在所述小腿杆件上的电动推杆，所述电动推杆包括安装在所述小腿杆件上的驱动电机以及连接在所述驱动电机上的伸缩杆。5.根据权利要求4所述的膝关节姿态变换装置，其特征在于，所述锁定机构包括设置在所述大腿杆件上的锁齿，以及与所述锁齿相互配合的棘爪，所述棘爪活动安装在所述小腿杆件上。6.根据权利要求5所述的膝关节姿态变换装置，其特征在于，所述锁齿设置在所述大腿杆件的底端，所述大腿杆件与所述锁齿为一体结构，所述销轴安装在所述大腿杆件与所述锁齿的交接处。7.根据权利。

5、要求5所述的膝关节姿态变换装置，其特征在于，所述棘爪与所述电动推杆连接，所述棘爪的一侧通过销钉铰接在所述小腿杆件上，另一侧与所述伸缩杆的末端相接。8.根据权利要求5所述的膝关节姿态变换装置，其特征在于，所述锁齿包括朝向所述棘爪的弯钩，所述棘爪包括能够与所述弯钩啮合的开口槽。9.一种下肢外骨骼机器人，其特征在于，包括权利要求18中任一项所述的膝关节姿态变换装置以及辅助拐杖，所述辅助拐杖上设置有控制组件，所述控制组件与所述膝关节姿态变换装置上的控制单元通讯连接。10.根据权利要求9所述的下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述控制组件包括控制按钮及信号发射模块，所述控制单元包括与所述信号发射模块通讯连接。

6、的信号接收模块。权利要求书1/1 页2CN 116138986 A2一种膝关节姿态变换装置及下肢外骨骼机器人技术领域0001本申请涉及下肢外骨骼机器人的膝关节结构，具体而言，涉及一种膝关节姿态变换装置及下肢外骨骼机器人。背景技术0002随着人口老龄化以及交通事故频发，我国的脑卒中患者和脊髓损伤患者数量呈现逐年增高的趋势。脑卒中引起的偏瘫以及脊髓损伤造成的截瘫，使得患者下肢功能障碍。长时间的卧床很容易引起继发性功能障碍，如压疮、关节活动障碍、肌肉挛缩、血栓形成等，同时也给患者本人带来身体和心理的严重伤害。穿戴式下肢外骨骼机器人可以帮助使用者站立行走、跨越障碍和上下楼梯等任务，借助下肢外骨骼机器人。

7、进行平地行走训练，可以提高患者康复训练的参与性，增强患者康复的信心。0003目前，现存下肢外骨骼机器人通常具有质量大、结构复杂等特点。为了保证下肢关节活动能力，大部分下肢外骨骼机器人都采用动力关节驱动，驱动电机直接作用在髋、膝、踝关节，使下肢外骨骼整体重量增加。另外，被动式外骨骼往往结构复杂，体积庞大，操作复杂，对使用者的要求较高，并且维护成本高，难度大。对于具有电机辅助等动力关节的下肢外骨骼来说，这类设备在通过控制电机的启动和关闭来控制各个关节的运动情况；而对于具有被动膝关节的下肢外骨骼机器人，这类设备很难自主来控制膝关节的运动。为了在行走过程中实现安全且符合人体的膝关节运动，一种能够实现下。

8、肢外骨骼的被动膝关节在行走时站立相伸展锁定和摆动相解锁屈曲的机构是极有必要的。发明内容0004本申请的目的是提供一种膝关节姿态变换装置及下肢外骨骼机器人，通过膝关节姿态变换装置能够实现安全的膝关节站立相伸展锁定、摆动相解锁屈曲的技术目的，方便使用者的康复操作。0005为了实现上述目的，第一方面，本发明提供一种膝关节姿态变换装置，包括：下肢外骨骼本体、膝关节变换组件以及控制单元；0006所述膝关节变换组件包括设置在所述下肢外骨骼本体上的锁定机构，以及与所述锁定机构连接的驱动机构，所述驱动机构与所述控制单元连接；0007所述锁定机构用于对所述下肢外骨骼本体上的膝关节进行锁止及解锁，所述控制单元通过。

9、所述驱动机构控制所述锁定机构在不同状态之间变换。0008在可选的实施方式中，所述下肢外骨骼本体包括分体连接的大腿杆件及小腿杆件，所述大腿杆件与所述小腿杆件的至少一部分相互重叠。0009在可选的实施方式中，所述大腿杆件与所述小腿杆件活动铰接，在重叠部位穿插安装有销轴。0010在可选的实施方式中，所述驱动机构包括连接在所述小腿杆件上的电动推杆，所述电动推杆包括安装在所述小腿杆件上的驱动电机以及连接在所述驱动电机上的伸缩杆。说明书1/5 页3CN 116138986 A30011在可选的实施方式中，所述锁定机构包括设置在所述大腿杆件上的锁齿，以及与所述锁齿相互配合的棘爪，所述棘爪活动安装在所述小腿杆。

10、件上。0012在可选的实施方式中，所述锁齿设置在所述大腿杆件的底端，所述大腿杆件与所述锁齿为一体结构，所述销轴安装在所述大腿杆件与所述锁齿的交接处。0013在可选的实施方式中，所述棘爪与所述电动推杆连接，所述棘爪的一侧通过销钉铰接在所述小腿杆件上，另一侧与所述伸缩杆的末端相接。0014在可选的实施方式中，所述锁齿包括朝向所述棘爪的弯钩，所述棘爪包括能够与所述弯钩啮合的开口槽。0015第二方面，本发明提供一种下肢外骨骼机器人，包括前述实施方式中任一项所述的膝关节姿态变换装置以及辅助拐杖，所述辅助拐杖上设置有控制组件，所述控制组件与所述膝关节姿态变换装置上的控制单元通讯连接。0016在可选的实施方。

11、式中，所述控制组件包括控制按钮及信号发射模块，所述控制单元包括与所述信号发射模块通讯连接的信号接收模块。0017本发明中的膝关节姿态变换装置，通过设置的锁定机构，能够对下肢外骨骼本体上的膝关节进行锁止及解锁，满足使用者站立相膝关节的锁定和摆动相膝关节的解锁，可使其进行站立时伸展锁定，摆动时解锁屈曲，有效提高了下肢外骨骼本体在日常使用过程中的灵活性。0018本发明中的下肢外骨骼机器人，通过辅助拐杖与膝关节姿态变换装置相结合，并使两者建立通讯连接，能够让使用者主动控制膝关节的姿势状态，膝关节姿态变换装置在接收控制信号后被动调整锁止状态，避免了使用者在站立支撑时膝关节的弯曲塌陷以及行走回弯时的僵直状。

12、态，提高使用者在康复训练过程中的安全性以及灵活性。0019本申请的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。附图说明0020为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。0021图1为本申请实施例提供的膝关节姿态变换装置的结构示意图；0022图2为本申请实施例提供的膝关节锁定状态下的结构示意图；0023图3为本申请实施例提供的膝关节解锁状态下的结构示意图。0024图标：002。

13、51大腿杆件；11锁齿；12弯钩；00262小腿杆件；21棘爪；22销钉；23开口槽；00273电动推杆；31驱动电机；32伸缩杆；00284销轴。具体实施方式0029为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例说明书2/5 页4CN 116138986 A4中的附图，对本申请实施例中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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。0030在本申请的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”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，或。

14、者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。0031在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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。0032参见图1图3，本申请。

15、提供的一种膝关节姿态变换装置，包括：下肢外骨骼本体、膝关节变换组件以及控制单元；所述膝关节变换组件包括设置在所述下肢外骨骼本体上的锁定机构，以及与所述锁定机构连接的驱动机构，所述驱动机构与所述控制单元连接；所述锁定机构用于对所述下肢外骨骼本体上的膝关节进行锁止及解锁，所述控制单元通过所述驱动机构控制所述锁定机构在不同状态之间变换。0033本发明中的膝关节姿态变换装置，主要应用于下肢外骨骼机器人，具体对下肢外骨骼本体上的膝关节进行姿态的变换，以满足使用者在站立时的锁止，使下肢外骨骼保持笔直状态；以及使用者在行走时的解锁，使膝关节能够回弯屈膝。0034通过膝关节变换组件所包括的锁定机构，能够对下肢。

16、外骨骼本体上的膝关节进行锁止或者解锁，通过控制单元以及驱动机构能够控制锁定机构在锁止以及解锁的不同姿态之间变换，从而满足下肢外骨骼的上述使用需求。0035本实施例中的下肢外骨骼本体具体包括分体连接的大腿杆件1及小腿杆件2，为了满足下肢外骨骼本体整体的结构稳固性，大腿杆件1与小腿杆件2的至少一部分相互重叠，具体地，大腿杆件1的底端与小腿杆件2的顶端之间进行重叠，构成在厚度方向上的叠层，提高了连接处的结构强度。0036大腿杆件1及小腿杆件2两者之间具体为可活动连接的关系，更进一步地，为了保持人体行走时的协调性，小腿杆件2能够相对大腿杆件1活动折弯。具体地，大腿杆件1与小腿杆件2通过销轴4活动铰接，。

17、销轴4具体穿插安装在大腿杆件1与小腿杆件2重叠部位的中部，通过穿插在厚度较大的叠加部位，能够保证活动时的可靠稳定。0037本实施例中的锁定机构包括设置在大腿杆件1上的锁齿11，以及与锁齿11相互配合的棘爪21，锁齿11固定设置在大腿杆件1的末端，棘爪21可活动地安装在小腿杆件2上，通过可活动的棘爪21与锁齿11之前的配合，能够实现锁定机构的锁止状态及解锁状态。0038棘爪21的活动主要是通过驱动机构来带动的，驱动机构包括连接在小腿杆件2上的电动推杆3，电动推杆3包括固定安装在小腿杆件2上的驱动电机31以及连接在驱动电机31上的伸缩杆32。驱动机构与锁定机构的连接中，伸缩杆32的伸出末端具体连接。

18、在棘爪21上，在运行时通过伸缩杆32的伸缩能够带动棘爪21在小腿杆件2上翻转，当伸缩杆32向上伸出时，棘爪21与锁齿11相互啮合构成锁定机构的锁止状态，当伸缩杆32向下收缩时，棘爪21说明书3/5 页5CN 116138986 A5脱离与锁齿11的啮合，以使锁定机构由锁止状态变换为解锁状态，通过锁定机构在不同状态之间的来回切换，能够对下肢外骨骼本体上的膝关节进行锁止以及解锁，从而满足膝关节在不同使用状态下的姿态变换。0039本实施例中的锁定机构在锁止状态下，大腿杆件1以及小腿杆件2由于受到运动上的限止，不能以销轴4为基点进行折弯转动，仅能使大腿杆件1与小腿杆件2之间保持相对笔直的锁止状态，在该。

19、状态下，能够有效防止在膝关节处出现塌陷，尤其是防止丧失部分运动功能康复者在不受控制下的被动弯曲，防止出现意外损伤。0040当棘爪21脱离与锁齿11的啮合转变为解锁状态时，小腿杆件2能够以销轴4为基点，相对大腿杆件1进行回弯屈曲，从而进行正常的屈膝行走。通过两种不同状态的相互变换，能够便于使用者进行康复训练，并在一定程度上提高了使用安全性。0041锁齿11具体设置在大腿杆件1的底端，优选地锁齿11与大腿杆件1为一体成型结构，为了使锁齿11能够更加有效地与棘爪21配合，保证两者的配合空间，销轴4具体安装在大腿杆件1与锁齿11的交接处，通过该种设置方式，同时也能够避免锁齿11与销轴4之间出现干涉，增。

20、强各自运动的顺畅程度。0042基于上文已述的棘爪21与伸缩杆32之间的连接，本实施例中的棘爪21的一侧通过销钉22铰接在小腿杆件2上，另一侧与伸缩杆32的末端相接。销钉22构成了棘爪21在小腿杆件2上的翻转基点，而伸缩杆32则更加可靠的带动棘爪21进行翻转，保证了锁定机构在不同状态之间变换的可靠性。0043本实施例中的锁齿11为单方向锁齿11，锁齿11包括朝向所述棘爪21的弯钩12，棘爪21包括能够与弯钩12啮合的开口槽23，开口槽23具体为直角槽，弯钩12的端面设置有能够对接在直角槽拐角部位的平面，通过平面与直角槽之间的对接卡合，保证了锁定机构的锁定效果，使膝关节的锁止更加稳固。0044当电。

21、机推杆在站立相向上推动棘爪21，推动棘爪21向上卡住单方向锁齿11，锁定机构激活，棘爪21与单方向锁齿11啮合，则膝关节实现锁定，此时膝关节处于站立且不能屈曲；当电机推杆向下复位时，棘爪21同步从锁齿11脱离实现复位，锁定机构失效，从而膝关节实现解锁，使用者可进行膝盖屈曲；0045在锁定状态时，棘爪21卡在所述单方向锁齿11一侧；在解锁状态时，棘爪21与单方向锁齿11脱离，在自身重力下也进行复位，解除对单方向锁齿11的锁定。0046当使用者只需一条腿使用下肢外骨骼时，本实施例中的膝关节姿态变换装置只需配备一组；当使用者需要两条腿均需使用下肢外骨骼时，膝关节姿态变换装置可配备两组。0047除了采。

22、用电动推杆，电磁推杆以及蜗轮蜗杆等其他机构也可应用于锁定机构的驱动，这里不再赘述。0048本发明中还提供了一种下肢外骨骼机器人，包括上述膝关节姿态变换装置以及辅助拐杖，辅助拐杖上设置有控制组件，控制组件与膝关节姿态变换装置上的控制单元通讯连接。通过辅助拐杖能够协助使用者进行康复训练，并且通过辅助拐杖与膝关节姿态变换装置之间的通讯连接，能够让使用者在运动时自主控制膝关节的状态，更加灵活地进行下肢外骨骼机器人的应用。0049辅助拐杖上的控制组件包括控制按钮，以及与控制按钮电连接的信号发射模块，控制按钮包括膝关节的锁定按钮以及解锁按钮，在对控制按钮进行按压时能够通过信号发说明书4/5 页6CN 11。

23、6138986 A6射模块将锁定或者解锁信号发送至膝关节姿态变换装置上的控制单元，控制单元包括与信号发射模块通讯连接的信号接收模块，信号接收模块在接收到相应信号后传输至控制单元，并通过控制单元控制驱动机构输出相应的动作，完成膝关节的锁定或者解锁。0050本发明中的膝关节姿态变换装置及下肢外骨骼机器人具有结构简单，重量轻，便于使用且生产成本低的特点，相较于结构复杂的下肢外骨骼，更加有利于丧失下肢运动功能的康复者的使用。0051通过利用辅助拐杖以及电动推杆来辅助膝关节的锁定与解锁，相对于完全被动解锁结构，更加智能与安全；利用棘爪与单方向锁齿实现膝关节的解锁屈曲以及站立锁定，保证了使用的安全性能；被动屈膝的膝关节姿态变换装置采用电机推杆主动解锁，结构简单，解锁便易，且衔接动作更加安全可靠。0052需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例中的特征可以相互结合。0053以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。说明书5/5 页7CN 116138986 A7图1图2说明书附图1/2 页8CN 116138986 A8图3说明书附图2/2 页9CN 116138986 A9。