CN111920651B - 一种外骨骼关节自锁机构、膝关节和仿生康复机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种外骨骼关节自锁机构、膝关节和仿生康复机器人，其中自锁机构包括第一基座、旋转外扩锁件、第二基座和锁止驱动件；所述旋转外扩锁件包括第一旋转架和第二旋转架，所述第一旋转架和所述第二旋转架的外侧具有第一摩擦面；所述第一旋转架和所述第二旋转架一端枢接；所述第二基座可转动地安装在所述第一基座，所述第二基座的内壁形成有围设于第一摩擦面的第二摩擦面；所述锁止驱动件可施加/撤销一推离所述第一旋转架的自由端和所述第二旋转架的自由端的作用力，以使所述第一摩擦面紧贴锁止/松开解锁所述第二摩擦面。本发明通过采用控制摩擦力的方式锁定和解锁关节更符合关节处的活动习惯，也更加安全。

Description

一种外骨骼关节自锁机构、膝关节和仿生康复机器人

技术领域

本发明涉及医疗康复器械技术领域，尤其涉及一种外骨骼关节自锁机构、膝关节和仿生康复机器人。

背景技术

随着医疗科学技术的不断发展，康复治疗成为一门促进患者和残疾人身心功能康复的新的治疗学科，同时也是一门新的技术专业。它的目的是使人们能够尽可能地恢复日常生活、学习、工作和劳动，以及社会生活的能力，融入社会，改善生活质量。

由于脑血管病、脑外伤等病因导致肢体失去活动能力，肌肉萎缩的患者，往往靠借助外力来辅助站立、辅助行走来进行康复治疗，因此在辅助行走等康复机器人技术被大量开发于世，例如：

①有自锁功能的膝关节结构：“河北工业大学”“一种仿人体膝关节运动曲线的穿戴式下肢助行外骨骼”，专利授权公告号CN 210872826 U：

此种下肢助力外骨骼的膝关节，大腿电机启动后，转动经大腿一号连接法兰盘传递到大腿扭矩传感器，大腿扭矩传感器带动大腿二号连接法兰盘转动，大腿二号连接法兰盘的输出端将动力传递给丝杠，通过丝杠的来回转动，带动丝杆上的滑台上、下移动，从而使得大腿副支撑带动小腿主支撑伸缩，从而实现膝关节的转动。这种结构的膝关节结构虽然有自锁功能，但重量和体积较大，就膝关节选用电机的功率而言，能耗较大，缩短整机带电续航时间。

②“迈宝智能科技（苏州）有限公司”“能够站立态快速自锁的下肢负重助力外骨骼”，专利申请公布号CN 111409060 A：

该专利中的锁止机构包括：驱动器、节点盒、固定座、弹簧、锁止销、手动开关组件、路径盖、锁止把手、拉索套管上接头、拉索钢绳、拉索套管、锁止孔。

需要锁定关节时，穿戴者按下位于别处的开关，主控装置会向节点盒发送信号，节点盒控制驱动器的末端圆杆往上顶出，其末端圆杆往上顶出后，可使锁止销顶出，此时，弹簧被压缩，锁止销末端插入锁止孔。完成锁止单元激活状态后，驱动器可断电，由于内部丝杆结构，驱动器末端圆杆可实现直线状态自锁，也即锁止销无法退回。除此之外，穿戴者还可以手动拉动把手，带动拉索钢绳拉动钢绳下端顶柱顶出锁止销以实现锁定。

这种膝关节结构只能通过手动或遥控器控制关节的锁定和解锁。患者在行走过程中关节的锁定和解锁，需要人为频繁的控制干预，而不能自动智能化控制，操作及其繁琐容易带来操控失误，无法保护穿戴者安全，而且用户体验差，无法实现对人类行走状态的高度仿生。

③“加利福尼亚大学”“可控被动人工膝部”，专利申请公布号CN 104822346 A：

该专利中，扭簧的一端套在盘体上，另一端套在小腿连接件转轴上，且扭簧的半径略小于盘体。盘体固定在盖体上，用于保证扭簧不会绕盘体转动。扭簧的引出端穿过制动器的杆上的孔。因此，当制动器控制杆伸长或缩短时，引出端也会随之移动，进而引起扭簧被压缩或拉伸，压紧或松开转轴。这样就在大腿连接件和小腿连接件之间产生了阻力距，从而起到锁紧和解锁膝关节的功能。而在该专利所述实例中，制动器由角度传感器所控制，通过感知穿戴者大腿的摆动幅度决定制动器的工作状态，控制膝关节的开阖。

针对现有技术中的缺点，为此本发明才应运而生。

发明内容

鉴于上述情况，在外骨骼机器人中，去除膝关节处的动力装置（如电机组、液压缸等），可以降低整机的功耗，延长电池组的带电时间，提升整机续航；亦可以减轻整机的重量；而且还能带来降低成本等诸多利好。进一步的在膝关节处引入锁定和解锁的功能，可以大大提高外骨骼的安全性。为此，本发明提出一种外骨骼关节自锁机构、仿生膝关节和仿生康复机器人，本发明首要公开的一种外骨骼关节自锁机构包括：

第一基座，所述第一基座具有第一舱室；

旋转外扩锁件，所述旋转外扩锁件设于所述第一舱室内，所述旋转外扩锁件包括第一旋转架和第二旋转架，所述第一旋转架和所述第二旋转架的外侧具有第一摩擦面；所述第一旋转架和所述第二旋转架一端枢接，另一端为相对自由端；

第二基座，所述第二基座具有第二舱室；所述第二基座可转动地安装在所述第一基座上，所述第二舱室的内壁围设于所述旋转外扩锁件并形成匹配所述第一摩擦面的第二摩擦面；以及

锁止驱动件，所述锁止驱动件可施加/撤销一推离所述第一旋转架的自由端和所述第二旋转架的自由端的作用力，以使所述第一摩擦面紧贴锁止/松开解锁所述第二摩擦面。

采取以上技术方案，使得本发明具有以下技术效果：

本发明通过第一基座和第二基座的转动安装，然后将第一基座和第二基座固定在关节的肢体上，从而实现关节处的灵活转动；然后第一基座上的旋转外扩锁件和第二基座的内壁之间形成相互的摩擦面，初始状态下，第一旋转架、第二旋转架与第一基座之间不接触或者不产生自锁的摩擦作用力；转为自锁状态时，锁止驱动件驱动所述旋转外扩锁件进行外扩则摩擦面接触并进行自锁，而且驱动是渐进的，所以摩擦力的大小也是渐进的；这种采用控制摩擦力大小的方式锁定和解锁膝关节，这样膝关节的解锁和锁定不是瞬间完成的，而是随着摩擦力的增大和减小逐渐锁定和解锁，更符合关节处的活动习惯，也更加安全。

进一步的，所述第一旋转架和/或所述第二旋转架的自由端上设有一应力坡面，所述锁止驱动件具有一伸缩锁止部，所述伸缩锁止部具有施力坡面，所述施力坡面随所述伸缩锁止部的伸缩施力于所述应力坡面。应力坡面和施力坡面在相互滑动过程中，施力坡面对应力坡面施加一个作用力来分开第一旋转架和第二旋转架。

进一步的，所述第一旋转架与所述第二旋转架的所述应力坡面之间形成一倒梯形空间，所述伸缩锁止部的形状匹配于所述倒梯形空间。第一旋转架和第二旋转架形成的倒梯形空间能够让作用力更加地均匀。

进一步的，所述第一基座内还设有滑槽，所述锁止驱动件包括一驱动电机，所述伸缩锁止部为设于所述滑槽内的锁止滑块；所述驱动电机的驱动端具有一螺纹段，所述锁止滑块开设有一螺纹槽，所述螺纹段螺纹插设于所述螺纹槽。驱动电机能够通过减速机精确调整螺纹段的转动，从而精确调整锁止滑块的前进和后退，使整个自锁过程平稳且自然。

进一步的，所述第二基座通过一安装机构安装于所述第一基座，所述安装机构包括：

安装槽，所述安装槽开设于所述第二基座；

轴承，所述轴承的外圈固定安装于所述安装槽内；以及

转轴，所述转轴设于所述第一基座的第一舱室内，所述轴承的内圈固定安装于所述转轴上。

方便第一基座和第二基座的相对转动，且不会出现轴向上的易位，转动平稳。

进一步的，所述第一旋转架和所述第二旋转架的所述自由端之间通过弹性复位件相连。

本发明还公开了一种外骨骼膝关节，其特征在于，包括小腿连杆、大腿连杆和上述的外骨骼关节自锁机构；所述小腿连杆连接于所述第一基座，所述大腿连杆连接于所述第二基座。将自锁机构设于膝关节处，在站立时可以启动锁止驱动件完成自锁辅助站立，在行走时可以解锁完成膝关节处的活动。

本发明还公开了一种外骨骼仿生康复机器人，其特征在于，包括上述的外骨骼膝关节和踝足组件，所述踝足组件连接于所述外骨骼膝关节的所述小腿连杆。同上所述，在站立时可以启动锁止驱动件完成自锁辅助站立，在行走时可以解锁完成膝关节处的活动。

进一步的，还包括一控制单元，所述控制单元包括：

控制主板，所述控制主板控制连接于所述锁止驱动件；

测距传感器，所述测距传感器被设于所述踝足组件，测距所述踝足组件与行走面的距离，所述测距传感器信号连接于所述控制主板。

通过测量足部与行走面（地面）的距离来判断腿部是行走还是站立，在站立时，测距传感器与行走面的距离是最小的，则自锁辅助站立；测距传感器与行走面的距离变大时，则为行走或者预备行走，则渐进式解锁完成膝关节的活动。

进一步的，所述测距传感器包括但不限于红外测距传感器、激光测距传感器、超声测距传感器和雷达测距传感器。测距传感器旨在于测量踝足处和行走面的距离来具体判断，腿部是在站立状态还是离地抬腿准备行走的状态。

进一步的，还包括一锁止测量机构，所述锁止测量机构包括：

同步轴，所述同步轴同步转动于所述驱动电机的驱动轴；

信号发射件和信号接收件，所述信号发射件和信号接收件间隔相对设置；

测量转盘，所述测量转盘的自转中心连接于所述同步轴，所述测量转盘的边缘间距循环设置有信号有遮区和信号无遮区；所述测量转盘随同步轴转动而循环阻断/接通于所述信号发射件和所述信号接收件之间的信号联系。

通过同步轴同步反应驱动轴的转动，测量转盘也跟着转动，对达到自锁状态时，信号发射件和信号接收件之间经历了多少次信号有遮区和信号无遮区进行计数，从而可以知道测量转盘转过的角度，以此作为记载，可以防止驱动电机的过度转动损坏其他部件，亦可以控制达到这一角度的时间，从而控制自锁的快慢，仿生真实膝关节运动，提高了舒适度和安全性。

进一步的，所述信号发射件和所述信号接收件为一组红外收发光敏二极管对管。

进一步的，所述测量转盘为光栅码盘。

进一步的，所述驱动电机为同轴电机，所述同步轴与所述驱动电机的驱动轴被设置为同轴但不同端。

附图说明

图1是本发明外骨骼关节自锁机构的结构示意图。

图2是本发明外骨骼关节自锁机构的结构分解爆炸图。

图3是本发明外骨骼关节自锁机构中第一基座的结构图。

图4是本发明外骨骼关节自锁机构中应力坡面和施力坡面的示意图。

图5是本发明外骨骼关节自锁机构中驱动电机的结构图。

图6是本发明外骨骼关节自锁机构中测量转盘的结构图。

图7是本发明外骨骼关节自锁机构中驱动电机的剖视图。

图8是本发明外骨骼膝关节的结构示意图。

图9是本发明外骨骼仿生康复机器人的结构示意图。

图10是本发明外骨骼仿生康复机器人中踝足组件的结构示意图。

图11是本发明外骨骼仿生康复机器人中踝足组件的装配图。

图12是本发明外骨骼仿生康复机器人的整体剖视图。

图13是本发明外骨骼仿生康复机器人遥控器的功能示意图。

其中：

第一基座	1
		第二基座	2
角度限位块	11
		第一旋转架	31
应力坡面	311
		第二旋转架	32
刹车片	33
		弹性复位件	34
外盖板	4
		转轴	51
轴承	52
		卡簧	53
驱动电机	61
		微型直流马达	611
减速箱	612
		安装轴承	613
螺纹段	614
		锁止滑块	62
施力坡面	621
		光栅码盘	71
信号有遮区	711
		信号无遮区	712
红外收发光敏二极管对管	72
		控制主板	73
同步轴	74
		小腿连杆	8
踝足组件	9
		测距传感器	91
测距传感器支架	92
		第三基座	93
第四基座	94
		踝足转轴	95
踝足轴承	96

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1、图2和图3，本发明首要提出一种外骨骼关节自锁机构，该机构包括第一基座1、旋转外扩锁件、第二基座2和锁止驱动件；其中，所述第一基座1具有第一舱室；所述旋转外扩锁件设于所述第一舱室内，所述旋转外扩锁件包括第一旋转架31和第二旋转架32，所述第一旋转架31和所述第二旋转架32的外侧具有第一摩擦面；所述第一旋转架31和所述第二旋转架32一端枢接，另一端为相对自由端；所述第二基座2具有第二舱室；所述第二基座2可转动地安装在所述第一基座上，所述第二舱室的内壁围设于所述旋转外扩锁件并形成匹配所述第一摩擦面的第二摩擦面；所述锁止驱动件可施加/撤销一推离所述第一旋转架31的自由端和所述第二旋转架32的自由端的作用力，以使所述第一摩擦面紧贴锁止/松开解锁所述第二摩擦面。本发明通过第一基座1和第二基座2的转动安装，然后将第一基座1和第二基座2固定在关节的肢体上，从而实现关节处的灵活转动；然后第一基座1上的旋转外扩锁件和第二基座2的内壁之间形成相互的摩擦面，初始状态下，第一旋转架31、第二旋转架32与第一基座之间不接触或者不产生自锁的摩擦作用力；转为自锁状态时，锁止驱动件驱动所述旋转外扩锁件进行外扩则摩擦面接触并进行自锁，而且驱动是渐进的，所以摩擦力的大小也是渐进的；这种采用控制摩擦力大小的方式锁定和解锁膝关节，这样膝关节的解锁和锁定不是瞬间完成的，而是随着摩擦力的增大和减小逐渐锁定和解锁，更符合关节处的活动习惯，也更加安全。

以下通过具体实施方式结合说明书附图进行详细说明：

针对第一旋转架31和第二旋转架32的枢接，在本实施例中的实施结构表示为：第一旋转架31和第二旋转架32的端部均设有一耳板，两个耳板上开设有孔，两个耳板叠设在一起后再由枢接安装轴插入安装。

在关节处的设计应该偏向于空间的利用性，要使得整体部件空间布局合理、紧凑，降低整体的体积，因此将锁止驱动件给予的作用力通过两个作用力面来实现分化和分解。具体的，所述第一旋转架31和/或所述第二旋转架32的自由端上设有一应力坡面，所述锁止驱动件具有一伸缩锁止部，所述伸缩锁止部具有施力坡面621，所述施力坡面621随所述伸缩锁止部的伸缩施力于所述应力坡面。这样设置的话，应力坡面和施力坡面621在相互滑动过程中，施力坡面621对应力坡面施加一个作用力来分开第一旋转架31和第二旋转架32，使得整体结构扁平化，更符合关节处的穿戴与安装。

但是上述值得一提的是，第一旋转架31和第二旋转架32的作用力面设置方式有三种（本实施例只是结合附图着重体现了一种）：

1、第一旋转架31设有应力坡面311，伸缩锁止部上对应第一旋转架31的位置处设有与之对应的应力坡面311，这样的话，伸缩锁止部推离第一旋转架31，使得第一旋转架31上的第一摩擦面与第二基座2之间产生摩擦力实现自锁。

2、同理于上，第二旋转架32设有应力坡面，伸缩锁止部上对应第二旋转架32的位置处设有与之对应的应力坡面，这样的话，伸缩锁止部推离第二旋转架32，使得第二旋转架32上的第一摩擦面与第二基座2之间产生摩擦力实现自锁。

3、请参阅图4并如上述所记载，第一旋转架31与第二旋转架32均设有应力坡面，二者可对称相应，也可不对称相应，以图5所述为例，二者构成一个等边的倒梯形空间。具体的，所述第一旋转架31与所述第二旋转架32的所述应力坡面之间形成一倒梯形空间，所述伸缩锁止部的形状匹配于所述倒梯形空间，第一旋转架31和第二旋转架32形成的倒梯形空间能够让作用力更加地均匀。

综合而言，第三种在具体实施的时候效果为最佳，自锁时施力均匀，第一旋转架31和第二旋转架32外扩对称稳定，但并不是说第一种和第二种方式不能达到自锁效果，虽未附以具体图示，但是本领域内的技术人员应该能够毫无疑义地得出其结构。

还值得一提的是第一摩擦面和第二摩擦面的表现形式，本实施例记载以下三种：

1、第一摩擦面由第一旋转架31和第二旋转架32的外壁面来形成，其外壁可被设置为摩擦纹路等，第二摩擦面同理被设置为内壁的摩擦纹路；

2、第一摩擦面和第二摩擦面可被设置为特殊材料，比如尼龙类制品、橡胶类制品，对应被贴设在第一旋转架31、第二旋转架32和第一基座1上；

3、第一摩擦面是由第一摩擦件提供，具体的，第一旋转架31的外侧和第二旋转架32的外侧均设有槽口，两个第一摩擦件被对应安装在第一旋转架31和第二旋转架32的槽口内。优选的，第一摩擦面经试验被选取为刹车片33；进一步的，第二摩擦面可被设置为上述第一种或第二种所记载的方案。

在本实施例中，着重记载的是第三种，但并不认为第一种和第二种不能实施和达到摩擦自锁的效果，虽未附与具体图示，但本领域内的技术人员应该能够毫无疑义地得出其结构。

进一步的，所述第一基座1内还设有滑槽，用来配合伸缩锁止部达到机械结构意义上的伸缩。而锁止驱动件是自锁机构的动力所在，优选的，所述锁止驱动件包括一驱动电机61，所述伸缩锁止部为设于所述滑槽内的锁止滑块62；所述驱动电机61的驱动端具有一螺纹段614，所述锁止滑块62开设有一螺纹槽，所述螺纹段614螺纹插设于所述螺纹槽。具体的，锁止滑块62在滑槽内不能伴随螺纹段614做轴向的转动，因此螺纹段614在此处承担了一个丝杆的作用，通过自转的方向带动了锁止滑块62在滑槽中的往复运动。使得驱动电机61能够通过减速箱612精确调整螺纹段614的转动，从而精确调整锁止滑块62的前进和后退，使整个自锁过程精确、平稳且自然。

人体关节往往是两个肢体的连接处，配合两个肢体进行相对的转动。作为本实施例一较佳的实施方式，请结合图1、图2和图3，所述第二基座2通过一安装机构安装于所述第一基座1，所述安装机构包括安装槽、轴承52和转轴51；具体的，所述安装槽开设于所述第二基座2；所述轴承52的外圈固定安装于所述安装槽内；所述转轴51设于所述第一基座1的第一舱室内，所述轴承52的内圈固定安装于所述转轴51上。优选的，安装槽也可以设置为图2所述的通槽，然后用卡簧53进一步进行固定安装。如此结构可以方便第一基座1和第二基座2的相对转动，且不会出现轴向上的易位，转动平稳。

作为本实施例一较佳实施方式，所述第一旋转架31和所述第二旋转架32的自由端之间通过弹性复位件34相连。可以帮助第一旋转架和第二旋转架快速脱离第一基座。

进一步的，弹性复位件34优选为拉伸弹簧，亦或是可选用弹性树脂、橡胶，弹性复位件的目的旨在于对第一旋转架31和第二旋转架32的复位拉伸，凡是一切能够达到这一目的都应被包括在弹性复位件的选择范围之内。

值得一提的是，当不使用弹性复位件34，当锁止驱动件解锁后，自可实现关节转动，只不过增设弹性复位件34使得方案更优。

作为本实施例一较佳实施方式，请结合图4、图5、图6和图7，驱动电机61具体包括微型直流马达611、减速箱612、安装轴承613；所述减速箱612安装于微型直流马达611上，驱动轴通过安装轴承613来进行位置的限定，整个驱动电机61安装在第一基座1内，是通过安装槽的形式来实现的，第一基座1上开设有形状位置与驱动电机61相适配的槽来配合安装限位，以槽的形式来卡设驱动电机为现有技术，故不做多余描述。

作为本实施例一较佳实施方式，请参阅图2，本发明还包括一外盖板4，该外盖板4是安装在第一基座1上，用来盖住驱动电机61等部件的，其通过“柱与槽”的方式设置，在第一基座1上开槽，然后再外盖板4上设置柱，将柱插在槽以后进行限位，然后再螺栓过孔连接或者螺钉打孔连接。

采用以上技术方案，具备以下技术效果：

1、其摒弃了电机组或液压缸的结构，是通过摩擦力进行自锁，摩擦力的大小一方面是取决于压力，另一方面取决于摩擦系数，因此对动力的需求不高，进而可以降低整体的功耗，延长电池的带电时间，提升整体续航，也可以减轻整机的重量，降低成本等。

2、该自锁机构使用范围广，因为其结构紧凑、体积小，可应用于膝关节的自锁，或者是其他地方的自锁，不局限在外骨骼机器人上。

请参阅图8，本发明还提供了一种外骨骼膝关节，包括小腿连杆8、大腿连杆和上述的外骨骼关节自锁机构；所述小腿连杆8连接于所述第一基座1，所述大腿连杆连接于所述第二基座2。将自锁机构设于膝关节处，在站立时可以启动锁止驱动件完成自锁辅助站立，在行走时可以解锁完成膝关节处的活动。

请参阅图9~图13，再结合图1~图5，本发明还提供了一种外骨骼仿生康复机器人，包括上述的外骨骼膝关节和踝足组件9，所述踝足组件9连接于所述外骨骼膝关节的所述小腿连杆8。同上所述，在站立时可以启动锁止驱动件完成自锁辅助站立，在行走时可以解锁完成膝关节处的活动。

以下通过具体实施方式结合说明书附图进行详细说明：

请结合图11和图12，为了更好地提升患者的使用体验，作为本实施例一较佳实施方式，本发明还包括一控制单元，所述控制单元包括控制主板73和测距传感器91，其中，所述控制主板73控制连接于所述锁止驱动件；所述测距传感器91被设于所述踝足组件9，测量所述踝足组件9与行走面的距离，所述测距传感器91信号连接于所述控制主板73。通过测量足部与行走面（地面）的距离来判断腿部是行走还是站立，在站立时，测距传感器91与行走面的距离是最小的，则自锁辅助站立；测距传感器91与行走面的距离变大时，则为行走或者预备行走，则渐进式解锁完成膝关节的活动。

如图11所示，踝足组件9和小腿连杆8也是转动相连，其连接方式在结构上同理于第一基座1与第二基座2的方式，具体的，小腿连杆8上设有第三基座93，踝足组件9上设有第四基座94，所述第三基座93上设有踝足转轴95，所述第四基座94上设有踝足轴承96，所述第四基座94通过所述踝足组件9安装于所述第三基座93上。

优选的，测距传感器91安装在第三基座93面向行走面的一端，安装在第三基座93里面之后，配合一测距传感器支架92进行固定，测距传感器支架92不遮挡测距传感器91的测距传感。

进一步的，还包括一遥控器，遥控器上设有基础的功能控制模块与控制主板73通信联系。遥控器作为控制单元一外在表现和控制形式，其本身的技术只是预设程序的标准元器件，不做多余说明；其具体实现的功能如下:

参考图11和图12，当切换至“坐下”模式时，测距传感器91瞬间关闭，然后驱动电机61自动复位并使得锁止滑块62退至底端，在弹性复位件34（拉伸弹簧）的作用下，第一旋转架31和第二旋转架32沿枢接的轴转动贴合，同时带动第一旋转架31和第二旋转架32上两处刹车片33转动并与大腿连杆的第二基座2内壁形成间隙配合，此时第一基座1和第二基座2实现解锁可以自由转动，但第一基座1和第二基座2设有旋转角度机械限位，旋转机械限位即在关节站立呈180°时候第一基座1和第二基座2通过角度限位块11（第一基座1上有图示体现，第二基座2也设有角度限位块，只是未有图示体现，但位置与之对应，能无疑义得出两个角度限位块11在关节站立呈180°时相互抵定）相互限位限止，保证患者只能在人体工程学角度范围内运动，防止反关节转动给患者带来二次伤害，此时患者可以完成坐下动作；

当患者被扶起后，切至“站立”模式，测距传感器91仍未开启，驱动电机61迅速工作，推动锁止滑块62至顶端最大位移处，第一旋转架31和第二旋转架32在锁止滑块62的推动下，迅速张开，同时使得两处刹车片33挤压摩擦第二基座2内壁并将第二基座2和旋转外扩组件抱死，进而实现第二基座2和第一基座1的抱死，锁止转动自由度，实现患者辅助站立；

当切换至“行走”模式时，测距传感器91被激活工作。站立行走前，左右两膝关节自锁机构均被锁止禁止转动用于支撑人体体重。行走初，当人体重心移至右腿后，左侧大腿转动上升，而左侧大腿转动上升时带动小腿及踝关节上升，测距传感器91检测到初始距离数值变化，及时反馈启动驱动电机61工作，锁止滑块62回位带动刹车片33复位，实现解锁左侧膝关节完成屈膝。然后患者缓慢向前转移重心至左腿，在左小腿及踝关节下落过程中，测距传感器91检测到距离数值变小逐渐恢复至初始值，再次启动驱动电机61推动锁止滑块62，在左脚落地前缓慢加大摩擦力至落地时实现完全锁止并支撑人体体重。

左腿支撑，右腿迈步行走其作用原理相同，如此循环往复，完成行走动作，助力患者下肢的康复。

进一步的，所述测距传感器91包括但不限于红外测距传感器91、激光测距传感器91、超声测距传感器91和雷达测距传感器91。测距传感器91旨在于测量踝足处和行走面的距离来具体判断，腿部是在站立状态还是离地抬腿准备行走的状态。

进一步的，请参阅图6和图7，还包括一锁止测量机构，所述锁止测量机构包括同步轴74、信号发射件、信号接收件和测量转盘；其中，所述同步轴74同步转动于所述驱动电机61的驱动轴；所述信号发射件和信号接收件间隔相对设置；所述测量转盘的自转中心连接于所述同步轴74，所述测量转盘的边缘间距循环设置有信号有遮区711和信号无遮区712；所述测量转盘随同步轴74转动而循环阻断/接通于所述信号发射件和所述信号接收件之间的信号联系。通过同步轴74同步反应驱动轴的转动，测量转盘也跟着转动，对达到自锁状态时，信号发射件和信号接收件之间经历了多少次信号有遮区711和信号无遮区712进行计数，从而可以知道测量转盘转过的角度，以此作为记载，可以防止驱动电机61的过度转动损坏其他部件，亦可以控制达到这一角度的时间，从而控制自锁的快慢，仿生真实膝关节运动，提高了舒适度和安全性。

作为本实施例一较佳实施方式，所述信号发射件和所述信号接收件为一组红外收发光敏二极管对管72。进一步的，所述测量转盘为光栅码盘71。

为控制滑块进给行程，实现摩擦力可调可控，引入光栅码盘71和红外收发光敏二极管对管72用于计数，二者之间通过红外线通讯，能在联络断开、接通时发出电信号。当驱动电机61带动光栅码盘71由初始位置转动后，每转动一定角度，就会遮挡对管和之间的红外通信，通过统计通信被遮蔽的次数，就可以计算出同步轴转动过的角度。而实现膝关节完全解锁和锁定需要的同步轴转动角度可以通过计算或试验得出。当驱动电机61的转动角度达到这一数值时，就可以通过控制电路发送信号使其停止转动，以实现膝关节的完全解锁和锁定。同时，限制驱动电机61的最大转动角度，还可以防止损坏电机和机械结构。又因设有减速箱612，放大光栅码盘71转动角度和锁止滑块62进给距离间的数值差，可以提高控制精度。另一方面，由于膝关节的解锁-锁定是由刹车片33与第二基座2内壁之间的摩擦力控制的，可以通过控制锁止滑块62的进给速度和进给行程，实现控制这一摩擦力的大小和变化速率，实现膝关节在解锁-部分锁定-锁定状态之间的切换。这就在锁定和解锁状态之间加入了部分锁定这一缓冲状态，此时摩擦力得以部分保留，关节转动的速率受到限制，避免状态突然转换可能造成的危险，仿生真实膝关节运动，提高了舒适度和安全性。

进一步的，所述驱动电机61为同轴电机，所述同步轴74与所述驱动电机61的驱动轴被设置为同轴但不同端。

采取以上技术方案，具有以下技术效果：

1. 本专利通过电机带动锁止滑块，改变刹车片与摩擦面的摩擦力控制膝关节的开阖，与现有技术中利用扭簧与摩擦表面之间的摩擦力来产生力矩相比更加可靠、耐用，且结构上更容易维护和更换；

2. 本专利可以通过控制电机转速和转动圈数，控制刹车片与摩擦面之间摩擦力的变化量和变化速度，以实现逐渐改变摩擦力和保留部分摩擦力的功能。而现有技术中，膝关节开阖时摩擦力急剧变化。因此本专利对于穿戴者更加舒适、安全，具有仿生的特点；

3. 现有技术中，是通过角度传感器测量穿戴者大腿的摆动角度，控制膝关节的开阖。本专利是利用距离传感器，通过测量足踝抬起或放下来控制膝关节的开阖，放大了测量区间，所以对于轻微的变化更加敏感。

4.本发明既可以通过遥控器等方式手动控制膝关节的解锁和锁定，在穿戴者坐下、站起、站立的过程中保护穿戴者，节约电能，还能在穿戴者行走的过程中，自动控制膝关节在迈步的不同阶段解锁和锁定，模仿人类走路时膝关节的状态，使外骨骼的运动更加自然、舒适；

5.本发明采用控制摩擦力大小的方式锁定和解锁膝关节，这样膝关节的解锁和锁定不是瞬间完成的，而是随着摩擦力的增大和减小逐渐锁定和解锁，更符合穿戴者的走路习惯，也更加安全；

6.本发明结构紧凑，体积小，能耗低，延长续航工作时间。

需要说明的是，文中表述所涉及的“/”是可选项意思，被释义为“或”的意思。本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出多种变化。因而，在不违反本发明的权利要求宗旨的前提下，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为保护范围。

Claims (13)

1.一种外骨骼关节自锁机构，其特征在于，包括：

第一基座，所述第一基座具有第一舱室；

旋转外扩锁件，所述旋转外扩锁件设于所述第一舱室内，所述旋转外扩锁件包括第一旋转架和第二旋转架，所述第一旋转架和所述第二旋转架的外侧具有第一摩擦面；所述第一旋转架和所述第二旋转架一端枢接，另一端为相对自由端；

第二基座，所述第二基座具有第二舱室；所述第二基座可转动地安装在所述第一基座上，所述第二舱室的内壁围设于所述旋转外扩锁件并形成匹配所述第一摩擦面的第二摩擦面；以及

锁止驱动件，所述锁止驱动件可施加/撤销一推离所述第一旋转架的自由端和所述第二旋转架的自由端的作用力，以使所述第一摩擦面紧贴锁止/松开解锁所述第二摩擦面；进一步的，所述第一旋转架和/或所述第二旋转架的自由端上设有应力坡面，所述锁止驱动件具有一伸缩锁止部，所述伸缩锁止部具有施力坡面，所述施力坡面随所述伸缩锁止部的伸缩施力于所述应力坡面。

2.根据权利要求1所述的外骨骼关节自锁机构，其特征在于：所述第一旋转架与所述第二旋转架的所述应力坡面之间形成一倒梯形空间，所述伸缩锁止部的形状匹配于所述倒梯形空间。

3.根据权利要求1所述的外骨骼关节自锁机构，其特征在于：所述第一基座内还设有滑槽，所述锁止驱动件包括一驱动电机，所述伸缩锁止部为设于所述滑槽内的锁止滑块；所述驱动电机的驱动端具有一螺纹段，所述锁止滑块开设有一螺纹槽，所述螺纹段螺纹插设于所述螺纹槽。

4.根据权利要求1所述的外骨骼关节自锁机构，其特征在于：所述第二基座通过一安装机构安装于所述第一基座，所述安装机构包括：

安装槽，所述安装槽开设于所述第二基座；

轴承，所述轴承的外圈固定安装于所述安装槽内；以及

转轴，所述转轴设于所述第一基座的第一舱室内，所述轴承的内圈固定安装于所述转轴上。

5.根据权利要求1所述的外骨骼关节自锁机构，其特征在于：所述第一旋转架和所述第二旋转架的所述自由端之间通过弹性复位件相连。

6.一种外骨骼膝关节，其特征在于，包括小腿连杆、大腿连杆和上述权利要求3所述的外骨骼关节自锁机构；所述小腿连杆连接于所述第一基座，所述大腿连杆连接于所述第二基座。

7.一种外骨骼仿生康复机器人，其特征在于，包括权利要求6所述的外骨骼膝关节和踝足组件，所述踝足组件连接于所述外骨骼膝关节的所述小腿连杆。

8.根据权利要求7所述的外骨骼仿生康复机器人，其特征在于：还包括一控制单元，所述控制单元包括：

控制主板，所述控制主板控制连接于所述锁止驱动件；

测距传感器，所述测距传感器被设于所述踝足组件，测距所述踝足组件与行走面的距离，所述测距传感器信号连接于所述控制主板。

9.根据权利要求8所述的外骨骼仿生康复机器人，其特征在于：所述测距传感器包括但不限于红外测距传感器、激光测距传感器、超声测距传感器和雷达测距传感器。

10.根据权利要求8所述的外骨骼仿生康复机器人，其特征在于：还包括一锁止测量机构，所述锁止测量机构包括：

同步轴，所述同步轴同步转动于所述驱动电机的驱动轴；

信号发射件和信号接收件，所述信号发射件和信号接收件间隔相对设置；

测量转盘，所述测量转盘的自转中心连接于所述同步轴，所述测量转盘的边缘间距循环设置有信号有遮区和信号无遮区；所述测量转盘随同步轴转动而循环阻断/接通于所述信号发射件和所述信号接收件之间的信号联系。

11.根据权利要求10所述的外骨骼仿生康复机器人，其特征在于：所述信号发射件和所述信号接收件为一组红外收发光敏二极管对管。

12.根据权利要求11所述的外骨骼仿生康复机器人，其特征在于：所述测量转盘为光栅码盘。

13.根据权利要求10所述的外骨骼仿生康复机器人，其特征在于：所述驱动电机为同轴电机，所述同步轴与所述驱动电机的驱动轴被设置为同轴但不同端。

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