一种自适应受力类关节机构及具有该机构的外骨骼装置的制作方法

本发明涉及医疗辅具技术领域，尤其涉及一种自适应受力类关节机构及具有该机构的外骨骼装置。

背景技术：

随着人体老年化，人体肌力和机能会逐渐老化或退化，造成关节灵活性变差甚至残疾的患者不断增加；此外，基于意外事故等原因而导致关节功能损伤的患者，在临床上也有一定比例的存在。众所周知，关节出现上述障碍后，大多通过外科手术更换人造关节改善患者的日常行为能力，不仅给家庭和社会增加了负担，还会对患者自身的生理和心理造成严重的影响。为此，现有技术提出了辅助用的外骨骼技术，以期助力于老人的关节使用姿态，帮助下关节功能丧失的残障人士，可提高肢体功能障碍人士活动能力；例如，提高膝关节活动障碍患者的行走能力。

现有技术中，辅助用外骨骼可分为自带动力式和非动力式。其中，自带动力式的外骨骼虽然能够有效地主动提供助力给关节，但其动力传动结构比较复杂，电池能耗较大，成本较为昂贵；尤其是，重量及外形比较庞大，并不适用于患者长期穿戴。而非动力式外骨骼的关节通常采用刚性结构合成承载机构，受其自身结构的限制，存在运动形态死板、机械的问题，无法适应人体关节运动的应力变化，直接影响到行动障碍患者的使用体验。

此外，针对士兵、消防员、救生员等特殊职业者，需要携带武器装备、灭火装置、救生用品等其它机械设备，显然地，良好性能的辅助用外骨骼，同样能够协助上述特殊职业者获取局部关节的机动优势，提高特殊条件下的机动能力。

有鉴于此，亟待针对现有外骨骼的类关节机构进行结构优化，在满足安全性和可靠性要求的基础上，有效地提升类关节使用者的用户体验，为提高外骨骼装置的辅助性能提供可靠保障。

技术实现要素：

针对上述缺陷，本发明解决的技术问题在于提供一种结构优化的类关节机构，以解决现在技术所存在的运动形态死板、机械，以及控制复杂且价格较高的问题。

本发明提供了一种自适应受力类关节机构，包括相适配的第一本体和第二本体，所述第一本体和第二本体分别用于与通过关节相对运动的两个人体部位固定连接，以适应人体关节运动；所述第一本体与第二本体之间相适配的配合面具有滑动配合副，且，在所述关节的运动平面内，所述滑动配合副的投影呈圆弧状，以限制所述第一本体相对于所述第二本体转动的往复运动轨迹；所述转动的圆心位于所述第二本体上；其中，所述第一本体为刚性件，所述第二本体的形成所述滑动配合副的配合面设置于自刚性基体延伸形成的弹性部上。

优选地，位于初始位置的所述第一本体与第二本体相适配的配合面配置为：在所述关节的运动平面内的投影为两个圆弧相连形成的“S”形。

优选地，位于初始位置的所述第一本体与第二本体相适配的配合面配置为：在所述关节的运动平面内的投影为两个圆弧形成的“C”形。

优选地，所述第二本体具有两个相向延伸的弹性部，并交汇位置处的两个所述弹性部呈截面递减的趋势变化，两个所述弹性部中的一者的外延伸段包覆于另一者的外侧。

优选地，两个所述弹性部上均具有限位部，一者上的限位部位于另一弹性部的外侧，以限制两者在与所述运动平面垂直的方向上的相对位置。

优选地，自初始位置至极限位置，所述第一本体相对第二本体的转动角度α配置为：α≤100°；在所述关节的运动平面内，位于初始位置的所述第一本体的配合面几何中心，与所述第二本体的两个所述弹性部的交汇点重合。

优选地，还包括：关节弹性件，具有折弯环绕形成的弹性本体，其一端铰接于所述第二本体的转动圆心的位置处，其另一端固定于所述第一本体。

优选地，形成所述滑动本合副的所述第一本体外表面与第二本体外表面上，一者上具有滑动限位部，另一者上设置有沿转动轨迹开设的与所述滑动限位部适配的限位槽。

本发明还提供一种外骨骼装置，包括：第一绷带和第二绷带，分别用于与通过关节相对运动的两个人体部位绑扎固定；第一卡箍和第二卡箍，分别与所述第一绷带和第二绷带包覆固定连接；如前所述的自适应受力类关节机构，其中，所述第一本体和第二本体的非配合端，分别与所述第一卡箍和第二卡箍固定连接；和助力作动筒，其筒端和杆端分别铰接于所述第一卡箍和第二卡箍，并配置为：所述第一本体自初始位置至极限位置转动时，所述助力作动筒储备弹性变形能，并在所述第一本体自极限位置转动至初始位置时，释放所述弹性变形能。

优选地，所述外骨骼装置为膝关节外骨骼装置，所述第一绷带和第二绷带分别用于绑扎在膝关节两侧的大腿和小腿上；所述膝关节外骨骼装置还包括：第一支撑件，一端固定于所述第一卡箍上，另一端用于支撑固定于使用者的鞋上；第二支撑件，一端固定于所述第二卡箍上，另一端用于支撑固定于使用者的腰部或者臀部。

由上述方案可知，本方案提供的类关节机构由具有适配滑动配合副的第一本体和第二本体构成，在关节的运动平面内，该滑动配合副的投影呈圆弧状，且转动圆心位于第二本体上。其中，第一本体为刚性件，第二本体自其刚性基体延伸形成弹性部，与第一本体形成滑动配合副的配合面位于该弹性部。实际使用时，将第一本体和第二本体分别固定于关节两侧的人体部位，即可。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

首先，在关节动态承载的过程中，类关节自身具备弹性与刚性互动的结构，随着人体关节姿态的变化，其受力面随之动态变化，且弹性部能够良好的吸收并适应动态载荷；实际使用过程中，第二本体的配合弹性部在第一本体的作用下可形成弹性应变，其应变随承载变化释放或者聚集应力，提供关节在往复运动中所需要的承载能力。也就是说，本方案提供的类关节机构的受力方向与大小为变化的矢量，并由此合成自适应受力状况不断改变的机构，可有效适应人体关节运动的应力变化，从而大大提升使用者的用户体验。同时，本方案具有结构简单可靠、工艺性较好的特点，制造成本可控，穿戴轻巧、方便且能提供柔顺性的关节辅具，为类关节机构的普适性推广提供了可靠的保障。

其次，在本发明优选方案具有两个相向延伸的弹性部，分别自第二本体的刚性基体相向延伸，交汇位置处的两个弹性部呈截面递减的趋势变化，两个弹性部中的一者的外延伸段包覆于另一者的外侧。如此设置，在获得可靠动作关系的基础上，使得整个机构在与关节转动平面垂直的方向上具有较小的外形尺寸，最大程度降低类关节机构辅具对使用者日常行为的影响，进一步提升用户体验。

再次，本发明的另一优选方案增设有关节弹性件，该关节弹性件设置在第一本体与第二本体之间，该关节弹性件具有折弯环绕形成的弹性本体，其一端铰接于第二本体的转动圆心的位置处，其另一端固定于第一本体；如此设置，关节弹性件可约束第一、第二本体间的相对运动轨迹，并可在承载中随动，因此，在有效提升类关节机构运动可靠性的同时，兼具自适应受力变化的良好性能。

最后，本发明提供的外骨骼装置包括前述类关节机构，同样具备上述有益技术效果。此外，本方案所述外骨骼装置设置有助力作动筒，采用气压储能、作功的模式；以应用于膝关节为例，在大腿相对小腿折弯转动时，助力作动筒储能，在大腿相对小腿转动直立时，支撑活动杆在助力作动筒储能的作用下延伸作功，从而协助人体克服类关节两构件在挤压吻合过程产生的阻力，具有较佳的协调适配性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1为第一实施例所述自适应受力类关节机构的示意图；

图2为第一实施例所述自适应受力类关节机构的转动姿态示意图；

图3为第一实施例所述第二本体的整体结构示意图；

图4为第一实施例所述第一本体的整体结构示意图；

图5为第二实施例所述自适应受力类关节机构的示意图；

图6为第二实施例所述自适应受力类关节机构的转动姿态示意图；

图7为第二实施例所述第二本体的整体结构示意图；

图8为第二实施例所述第一本体的整体结构示意图；

图9为第三实施例所述外骨骼装置的使用状态示意图。

图1-9中：

第一本体1、1′、1″；原点1-1；限位槽1-2；非配合端1-3；第二本体2、2′、2″；第一弹性部2-1′、2-1″；第二弹性部2-2′、2-2″；刚性基体2-3；限位部2-4；滑动限位部2-5；非配合端2-6；限位块2-7；配合面3′、3″；第一段圆弧3-1′、3-1″；第二段圆弧3-2′、3-2″；交汇点4；往复运动轨迹5；水平基准线6；垂直基准线7；关节弹性件8；圆心O；

自适应受力类关节机构10、第一卡箍20、第二卡箍30、第一绷带40、第二绷带50、助力作动筒60、支撑活动杆61、支点62、第一支撑件70、第二支撑件80。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例的核心在于提供一种自适应受力类关节机构，包括相适配的第一本体1′、1″和第二本体2′、2″，第一本体1′、1″和第二本体2′、2″分别用于与通过关节相对运动的两个人体部位固定连接，以适应人体关节运动，从而达成辅助关节运动的功能。

上述应用关系与现有技术大致相同，区别在于：第一本体1′、1″与第二本体2′、2″之间相适配的配合面3′、3″具有滑动配合副，且，在适配关节的运动平面内，该滑动配合副的投影呈圆弧状，以限制第一本体1′、1″相对于第二本体2′、2″转动的往复运动轨迹；转动的圆心O位于第二本体2′、2″上；同时，第一本体1′、1″为刚性件，第二本体2′、2″的形成滑动配合副的配合面设置于自刚性基体延伸形成的弹性部上。由此，承载过程中的受力方向与大小为变化的矢量，并由此合成自适应受力状况不断改变的机构，适配的弹性结构件和刚性结构件可刚柔并济地适应人体关节运动的应力变化；具有结构简单可靠、工艺性较好的特点。

不失一般性，下述实施例以适配膝关节为应用主体进行描述，应当理解，本发明所述自适应受力类关节机构可应用于任何人体关节部位需要建立辅助外骨骼的应用情境，而非局限于下肢膝关节。

需要说明的是，本文中，“关节的运动平面内”是与图1所示图形线条所在平面相平行的几何平面，以该理论几何平面进行表述，可以清楚示明构件及构件间的相对位置关系，显然，相应参照基准的使用对本方案的保护范围并非构成限制。此外，为了进一步详细说明本发明工作原理，定义以下描述基准：

“6”为水平基准线；

“7”为垂直基准线(过转动圆心O)；

“1-1”为转动过程的原点，位于第一本体1′、1″的上端位置；

“5”为原点1-1的往复运动轨迹示意，当原点1-1在垂直基准线7上时，设定其角度位置为0°(初始位置)；当“1-1”原点在水平基准线6上时，设定其角度位置为90°(极限位置，这里的90°为图示优选设定，该极限位置可以根据实际位置设定为100°)。

实施例1

请参见图1和图2，其中，图1为本实施例所述自适应受力类关节机构的结构示意图，图2为本实施例所述自适应受力类关节机构的一个转动过程姿态的示意图。

如图1所示，该类关节机构的第一本体1′与第二本体2′位于初始位置，相适配的配合面3′配置为：在关节的运动平面内的投影为两个圆弧相连形成的“S”形。

位于初始位置的第一本体1′可绕圆心O相对于第二本体2′转动，图中所示，“S”形态的配合面3′由两段圆弧：第一段圆弧3-1′和第二段圆弧3-2′圆滑过渡构成，两者具有交汇点4。第一段圆弧3-1′的半径R1和第二段圆弧3-2′的半径R2的曲率半径可以相同或不同，只要满足使用要求均在本申请请求保护的范围内。

下面简要说明本实施例所述类关节机构的工作机理：

首先，当第一本体1′的原点1-1沿往复运动轨迹5自90°方向至0°方向转动时，原点1-1连接圆心O的连线与垂直基准线7夹角α(即第一本体相对第二本体的转动角度)不断减小，直至为0°(即原点1-1连接圆心O的连线与垂直基准线7重合)；反之，转动夹角α加大，最大为90°(即原点1-1连接圆心O的连线与水平基准线6重合)。

显然，在上述转动过程，作用于垂直基准位置的载荷，随夹角α不断减小而不断加大。在0°位置为最大，反之不断减小。该运动过程，当原点1-1自90°方向至0°方向沿往复运动轨迹5转动时，配合面3′的接触(吻合)面积迅速加大，即第一段圆弧3-1′和第二段圆弧3-2′连接点越过交汇点4时，发生跳跃式全接触(全吻合)；反之，发生跳跃式脱离。

本方案中，第二本体2′的配合面设置于自刚性基体延伸形成的第一弹性部2-1′和第二弹性部2-2′上。来自上方的载荷作用于配合面3′上的角度和大小均动态变化，如图1所示，在所述关节的运动平面内，位于初始位置的第一本体1′的配合面几何中心(第一段圆弧3-1′和第二段圆弧3-2′圆滑过渡拐点)，与第二本体2′的两个弹性部的交汇点4重合。因此，第一弹性部2-1′和第二弹性部2-2′在配合面3′区位上的反应不同，其弹性应变的程度与接触(吻合)面积的大小，作用于垂直方向力的大小完全同步。

上述分析可知，完全同步的弹性应变形成了类关节存在对应的内应力，提供机构在往复运动中所需要的承载能力。其中，配合面3′的接触(吻合)区域为过盈状态，即第二本体2′在第一本体1′的挤压下形成弹性应变，其应变随承载变化释放或者聚集应力，提供关节在往复运动中所需要的承载能力。

进一步如图3所示的第二本体2′，该图为本实施例所述第二本体的整体结构示意图。

第一弹性部2-1′和第二弹性部2-2′自其刚性基体2-3相向延伸形成，一者向上折弯延伸，另一者向下折弯延伸，以形成“S”形配合面。图中所示，第一弹性部2-1′和第二弹性部2-2′的延伸根部与刚性基体2-3之间围合中空。为了使得整个机构的外形尺寸得以有效控制，交汇位置(交汇点4所在局部区域)处的两个弹性部呈截面递减的趋势变化，两个弹性部中的一者的外延伸段包覆于另一者的外侧，第一弹性部2-1′和第二弹性部2-2′与刚性基体2-3的厚度大致相同；也就是说，在获得可靠动作关系的基础上，将轴向尺寸控制为最小，使得整个机构在与关节转动平面垂直的方向上具有较小的外形尺寸。

由于第一弹性部2-1′和第二弹性部2-2′具有一定弹性，为避免在实际使用中过大作用力形变后复位轨迹错位，两个弹性部上均具有限位部2-4，一者上的限位部2-4位于另一弹性部的外侧，以限制两者在与关节运动平面垂直的方向上的相对位置。具体来说，限位部2-4可以采用不同的方式与相应弹性部固定连接，优选采用一体铸造或注塑的方式成型。

此外，进一步结合图4所示，该图示出了本实施例所述第一本体1′的整体结构示意图。

如图所示，形成滑动本合副的第一本体1′外表面上设置有沿转动轨迹开设的限位槽1-2，与第二本体2′外表面上设置有相应的滑动限位部2-5，组装完成后，滑动限位部2-5内置于限位槽1-2中，以确保滑动配合副的良好适配关系。当然，限位槽与滑动限位部也可以反向设置，也即，滑动限位部设置在第一本体上，限位槽设置在第二本体上，只要能够获得滑动配合副良好适配关系均可。

此外，本方案所述自适应受力类关节机构可以增设关节弹性件8，具有折弯环绕形成的弹性本体，中部折弯环绕成别针状，其一端铰接于第二本体2′的转动圆心O的位置处，其另一端固定于第一本体1′。如此设置，关节弹性件8可约束第一、第二本体间的相对运动轨迹，并可在承载中随动，因此，在有效提升类关节机构运动可靠性的同时，兼具自适应受力变化的良好性能。

实施例2

请一并参见图5和图6，其中，图5为本实施例所述自适应受力类关节机构的示意图；图6为本实施例所述自适应受力类关节机构的转动姿态示意图。

与第一实施例相同的是，本实施例所述自适应受力类关节机构包括第一本体1″、第二本体2″和关节弹性件8构成，位于初始位置的第一本体1″可绕圆心O相对于第二本体2″转动。

本方案的区别在于，位于初始位置的第一本体1″与第二本体2″相适配的配合面配置为：在关节的运动平面内的投影为两个圆弧形成的“C”形。为了清楚示明本方案与第一实施例的区别和联系，附图中相同功能部件和结构采用了相同的标记进行标示。

图中所示，“C”形态的配合面3″由两段圆弧：第一段圆弧3-1″和第二段圆弧3-2″圆滑过渡构成，两者具有交汇点4。同样地，第一段圆弧3-1″的半径R1和第二段圆弧3-2″的半径R2的曲率半径可以相同或不同。

请参见图7，该图为本实施例所述第二本体2″的整体结构示意图。

第一弹性部2-1″和第二弹性部2-2″自其刚性基体2-3相向延伸形成，两者交汇后均向下折弯延伸，形成“C”形配合面。同样地，为了使得整个机构的外形尺寸得以有效控制，交汇位置(交汇点4所在局部区域)处的两个弹性部呈截面递减的趋势变化，两个弹性部中的一者的外延伸段包覆于另一者的外侧，第一弹性部2-1″和第二弹性部2-2″与刚性基体2-3的厚度大致相同。具体地，第一本体1″的整体结构示意图请参见图8。

在第一本体1″相对于第二本体2″的转动过程中，作用于垂直基准位置的载荷，随夹角α不断减小而不断加大。在0°位置为最大，反之不断减小。该运动过程，当原点1-1自90°方向至0°方向沿往复运动轨迹5转动时，配合面3′的接触(吻合)面积渐进式加大；反之，渐进式减少。

进一步地，为了完全规避第一本体1″与第二本体2″非正常脱离，可以在第二本体2″上设置一限位块2-7，第一本体1″自90°方向至0°方向转动至初始位置时，该限位块2-7与第一本体1″的端部相抵，如此设置，即便是存在异常反弹力，也能够限制第一本体1″相对于第二本体2″继续转动。

其他构成与连接关系与第一实施例相同，本方案不再赘述。

可以理解的是，上述两个优选的自适应受力类关节机构，可应用于下肢膝关节，也可以应用于上肢肘关节和肩关节部位。具体通过第一本体1′、1″的非配合端1-3和第二本体2′、2″的非配合端2-6，与连接件固定连接即可构成外骨骼装置。下面针对第三实施例进行详细描述。

实施例3

请参见图9，该图示出了本实施例所述外骨骼装置的使用状态示意图。

如图所示，该外骨骼装置包括前述自适应受力类关节机构10，其第一本体1的非配合端1-3和第二本体2的非配合端2-6分别与第一卡箍20和第二卡箍30固定连接，同时，第一绷带40和第二绷带50分别与通过膝关节相对运动的大腿和小腿绑扎固定；然后，第一卡箍20和第二卡箍30分别与第一绷带40和第二绷带50包覆固定连接。由此，完成外骨骼装置的预安装固定，为膝关节伤、损者提供行走支持。

其中，助力作动筒60的筒端和杆端分别铰接于第一卡箍20和第二卡箍30，并配置为：第一本体1自初始位置至极限位置转动时，助力作动筒储备弹性变形能，并在第一本体1自极限位置转动至初始位置时，释放所述弹性变形能。

具体地，助力作动筒60的支撑活动杆61收缩至最低位置时，助力作动筒60围绕其支点62转动指向90°方向，并应该达到90°位置。可以理解的是，用于储能的助力作动筒60也可以采用其他形式的技术手段实现，只要能够储备大腿转动过程的变形能并可释放能量，从而助力于人体克服第一本体1与第二本体2之间挤压吻合过程产生的阻力，均在本申请请求保护的范围内。

人体运动过程中，当大腿相对小腿弯曲转动时，第一卡箍20、第一绷带40和第一本体1围绕转动圆心O转动，关节弹性件的的一端同时旋转；助力作动筒60的支撑活动杆61伸出或缩回；同时，助力作动筒60围绕其铰接支点62转动。

其中，第一绷带40和第二绷带50可以采用气囊绷带，以便作用于绑扎部分的舒适度。实际使用时，通过气囊绷带内可调整的气压向人体的大、小腿部柔性化均匀传递。

其中，为确保第二本体2的圆心O可靠地与膝关节转动中心重合，顺承载的垂直方向以脚跟锁紧点为支点，具体如图中所示的使用者的鞋上，以一端固定于第一卡箍20上第一支撑件70提供刚性支撑，并可以螺旋调整适应不同实际使用要求；沿水平方向，第一卡箍20的可以设置调整结构，通过调整第一卡箍20围合尺寸实现补偿性变化。

其中，为确保第一本体1的位置正确，实现准确、可靠地吻合第二本体2的接触面，同时自适应承载所需应力的挤压与释放，始终处于稳定、一致的状态。沿水平方向，第二卡箍30的可以设置调整结构，通过调整第二卡箍30围合尺寸实现补偿性变化；顺承载的垂直方向的准确位置，由助力作动筒60调整确定。与此同时，关节弹性件8在随动过程、始终约束第一本体1与第二本体2的相对运动轨迹，进一步确保这一状态的可靠与稳定。

此外，可选择性的设置第二支撑件80，一端固定于第二卡箍30上，另一端用于支撑固定于使用者的腰部或者臀部(图中未详细示出)。这样，当使用者体重校大，第一卡箍20与第一绷带40传递的载荷不能满足人体关节处所能实现的承载，则载荷可以经由第二支撑件80向人体腋下、臀部或尾椎骨传递。

需要说明的是，本实施例所述外骨骼装置以应用于膝关节为主体进行原理性说明，采用本方案的核心构思也可以应用于肘关节等其他关节部位。

最后，还需要说明的是，在本文中使用的术语"包括'\"包含"或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句"包括一个…"限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。