外骨骼

技术领域

本发明属于医护设备技术领域，具体而言，涉及一种外骨骼。

背景技术

近年来，随着人口老龄化日益严峻，因功能衰退导致下肢各关节灵活性变差甚至残疾的老年人不断增加。下肢功能受损患者不仅要进行手术与药物治疗，而且需进行合理的康复训练，这会帮助此类患者提高肢体运动功能，改善各关节肌肉组织，最终帮助患者恢复迈步行走能力。

在患者恢复过程中，如果家人或护工不在身边的情况下，患者难以自行进行锻炼，这为恢复过程带来很大的不便。

发明内容

本发明旨在解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

有鉴于此，本发明提出了一种外骨骼，包括：背部支撑组件，用于支撑使用者的背部；髋关节支撑组件，与背部支撑组件相连接，用于支撑使用者的髋部，髋关节支撑组件能够随髋部运动；膝关节支撑组件，与髋关节支撑组件相连接，用于支撑使用者的膝部，膝关节支撑组件能够随膝部运动；踝关节支撑组件，与踝关节支撑组件相连接，用于支撑使用者的踝关节，踝关节支撑组件能够随踝关节运动；变胞组件，与髋关节支撑组件和膝关节支撑组件相连接，变胞组件位于第一状态下，变胞组件能够转动并与膝关节支撑组件同步运动，变胞组件位于第二状态下，变胞组件能够伸缩并支撑髋关节支撑组件。

另外，根据本发明提供的上述技术方案中的外骨骼，还可以具有如下附加技术特征：

在上述技术方案中，背部支撑组件包括：靠背，用于支撑使用者的背部；靠垫，用于支撑使用者的腰部；髋背连接件，靠背和靠垫与髋背连接件相连接，髋背连接件与髋关节支撑组件相连接。

在上述任一技术方案中，髋关节支撑组件包括：髋关节静平台，与髋背连接件相连接；第一驱动件，第一驱动件的第一端与髋关节静平台转动连接；髋关节动平台，与第一驱动件的第二端转动连接，第一驱动件用于推动或拉动髋关节动平台；第一拘束件，第一拘束件的第一端与髋关节静平台转动连接，第一拘束件的第二端与髋关节动平台固定连接。

在上述任一技术方案中，髋关节静平台和髋关节动平台为弧形结构。

在上述任一技术方案中，膝关节支撑组件包括：安装杆，安装杆的第一端与髋关节支撑组件相连接；膝关节盖，安装杆的第二端与膝关节盖相连接；第二驱动件，与安装杆相连接；腿部支撑件，与第二驱动件相连接，第二驱动件用于驱动腿部支撑件相对膝关节盖转动；腿部连接杆，与腿部支撑件相连接，腿部连接杆用于与踝关节支撑组件相连接；腿部固定件，与腿部连接杆相连接，用于支撑使用者的腿部。

在上述任一技术方案中，第二驱动件包括：电机，与安装杆相连接；第一锥齿轮，与电机的输出轴相连接；转轴，转动连接于膝关节盖，腿部支撑件与转轴相连接；第二锥齿轮，与转轴相连接，第二锥齿轮与第一锥齿轮相啮合。

在上述任一技术方案中，踝关节支撑组件包括：踝关节连接件，与腿部连接杆相连接；踝关节静平台，与踝关节连接件；第三驱动件，第三驱动件的第一端与踝关节静平台转动连接；踝关节动平台，与第三驱动件的第二端转动连接；第二拘束件，第二拘束件的第一端与踝关节静平台转动连接，第二拘束件的第二端与踝关节动平台转动连接。

在上述任一技术方案中，变胞组件包括：第一连杆组件，第一连杆组件的第一端与髋关节支撑组件相连接；第二连杆组件，第二连杆组件的第一端与膝关节支撑组件相连接，第一连杆组件的第二端与第二连杆组件的第二端相连接，第二连杆组件能够伸缩；锁定件，与第一连杆组件和第二连杆组件相连接，锁定件锁定第一连杆组件和第二连杆组件时，锁定件限制第一连杆组件和第二连杆组件相对转动，锁定件解除对第一连杆组件和第二连杆组件的锁定时，第一连杆组件和第二连杆组件与膝关节支撑组件同步转动。

在上述任一技术方案中，锁定件包括：安装板；销轴，与安装板相连接，转轴上设有安装孔，销轴能够插接至安装孔内；第一限位杆，与安装板相连接，第一连杆组件上设有第一轴孔和第一连接孔；第二限位杆，与安装板相连接，第二连杆组件上设有第二轴孔和第二连接孔；其中，在第一状态下，销轴插接第一轴孔、第二轴孔和安装孔内，第一限位杆与第一连接孔分离，第二限位杆与第二连接孔分离，在第二状态下，销轴与安装孔分离，第一限位杆插接至第一连接孔内，第二限位杆插接至第二连接孔内。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1示出了本发明的实施例中外骨骼的结构示意图之一；

图2示出了图1中A处的放大图；

图3示出了图1中B处的放大图；

图4示出了本发明的实施例中外骨骼的结构示意图之二；

图5示出了图4中C处的放大图；

图6示出了图4中D处的放大图；

图7示出了本发明的实施例中外骨骼的结构示意图之三；

图8示出了图7中E处的放大图；

图9示出了本发明的实施例中外骨骼处于下蹲状态的示意图之一；

图10示出了本发明的实施例中外骨骼处于下蹲状态的示意图之二。

附图标记：

100背部支撑组件，110靠背，120靠垫，130髋背连接件，200髋关节支撑组件，210髋关节静平台，220第一驱动件，230髋关节动平台，240第一约束件，300膝关节支撑组件，310安装杆，320膝关节盖，330第二驱动件，332第一锥齿轮，333转轴，334第二锥齿轮，340腿部支撑件，350腿部连接杆，360腿部固定件，400踝关节支撑组件，410踝关节连接件，420踝关节静平台，430第三驱动件，440踝关节动平台，450第二约束件，500变胞组件，510第一连杆组件，511第一连接孔，512第一轴孔，520第二连杆组件，521第一杆体，522第二杆体，523弹簧，524第二连接孔，530锁定件，531安装板，532销轴，533第一限位杆，534第二限位杆，610角接触球轴承，620薄壁轴承，630万向副精细十字转轴，640万向副转轴。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

下面参照图1至图10描述根据本发明的一些实施例提供的外骨骼。

结合图1和图4所示，在本发明的实施例中，提出了一种外骨骼，包括：背部支撑组件100、髋关节支撑组件200、膝关节支撑组件300、踝关节支撑组件400和变胞组件500。背部支撑组件100用于支撑使用者的背部，髋关节支撑组件200与背部支撑组件100相连接，并用于支撑使用者的髋部，髋关节支撑组件200能够随髋部运动。膝关节支撑组件300与髋关节支撑组件200相连接，并用于支撑使用者的膝部，膝关节支撑组件300能够随膝部运动。踝关节支撑组件400与踝关节支撑组件400相连接，并用于支撑使用者的踝关节，踝关节支撑组件400能够随踝关节运动。变胞组件500与髋关节支撑组件200和膝关节支撑组件300相连接，变胞组件500位于第一状态下，变胞组件500能够转动并与膝关节支撑组件300同步运动，变胞组件500位于第二状态下，变胞组件500能够伸缩并支撑髋关节支撑组件200。

当使用者穿戴外骨骼时，使用者的背部与背部支撑组件100贴合，因此使用者的背部能够被有效支撑。髋关节支撑组件200与背部支撑组件100相连接，使用者的髋关节在运动过程中，髋关节支撑组件200与髋关节同步运动，因此髋关节支撑组件200能够一直对髋关节起到支撑作用。膝关节支撑组件300与髋关节支撑组件200相连接，使用者的膝关节在运动过程中，膝关节支撑组件300与膝关节同步运动，因此膝关节支撑组件300能够一直对使用者的膝关节起到支撑作用。踝关节支撑组件400与膝关节支撑组件300相连接，使用者的踝关节在运动过程中，踝关节支撑组件400与膝关节同步运动，因此踝关节支撑组件400能够一直对使用者的踝关节起到支撑作用。

在用户进行康复训练时，背部支撑组件100、髋关节支撑组件200、膝关节支撑组件300和踝关节支撑组件400能够与使用者协同动作，即使家人或护工不在身边，使用者也可以在外骨骼的支撑下自行进行康复训练，提高使用者在康复过程中的便利性和自主性。

由于背部支撑组件100、髋关节支撑组件200、膝关节支撑组件300和踝关节支撑组件400能够与使用者协同动作，因此，使用者处于不同姿势时，背部支撑组件100、髋关节支撑组件200、膝关节支撑组件300和踝关节支撑组件400均能够对使用者的背部、髋关节、膝关节和踝关节进行有效支撑，提高回复过程中的安全性。

变胞组件500位于髋关节支撑组件200和膝关节支撑组件300之间，变胞组件500能够在第一状态和第二状态之间切换，第一状态和第二状态适用于不同的使用场景。

具体地，当变胞组件500位于第一状态的情况下，此时变胞组件500中的一部分结构能够相互转动，从而使得变胞组件500与膝关节支撑组件300同步运动，在此使用场景下，外骨骼适用于人体迈步行走的状态，变胞组件500能够对膝关节组件支撑，保证膝关节组件在受力时的稳定性。当变胞组件500位于第二状态的情况下，变胞组件500不能进行转动，此时变胞组件500能够进行伸缩运动。变胞组件500能够对髋关节支撑组件200进行支撑，此种使用状态下，外骨骼适用于人体蹲坐的状态。由此可见，外骨骼可针对不同的工作环境发生变形，使其能实现辅助人体迈步行走与蹲坐两种功能，提高外骨骼的功能性，有利于辅助使用者提高恢复效果。

如图1所示，在上述实施例中，背部支撑组件100包括：靠背110、靠垫120和髋背连接件130，靠背110用于支撑使用者的背部，靠垫120用于支撑使用者的腰部，靠背110和靠垫120与髋背连接件130相连接，髋背连接件130与髋关节支撑组件200相连接。

髋背连接件130与髋关节支撑组件200相连接，因此髋背连接件130不易发生晃动。靠背110和靠垫120均安装在髋背连接件130上，从而使得靠背110和靠垫120不易发生晃动。使用者在穿戴外骨骼的情况下，靠背110对使用者的背部进行支撑，靠垫120对使用者的腰部进行支撑。由于使用者的背部和腰部被有效支撑，使用者在练习行走、蹲坐过程中，背部和腰部不易发生扭伤，从而可以提高使用者的使用安全性。

示例性地，靠背110和靠垫120通过螺钉锁紧于髋背连接件130，或者靠背110和靠垫120焊接固定于髋背连接件130。

结合图1和图9所示，在上述任一实施例中，髋关节支撑组件200包括：髋关节静平台210、第一驱动件220、髋关节动平台230和第一约束件240。髋关节静平台210与髋背连接件130相连接，第一驱动件220的第一端与髋关节静平台210转动连接，髋关节动平台230与第一驱动件220的第二端转动连接，第一驱动件220用于推动或拉动髋关节动平台230。第一约束件240的第一端与髋关节静平台210转动连接，第一约束件240的第二端与髋关节动平台230固定连接。

髋关节静平台210与髋背连接件130相连接，第一驱动件220位于髋关节静平台210和髋关节动平台230之间，且第一驱动件220的两端分别与髋关节静平台210和髋关节动平台230转动连接。第一驱动件220能够推动或拉动髋关节动平台230，使得髋关节动平台230能够相对髋关节静平台210运动。第一约束件240的两端分别与髋关节静平台210和髋关节动平台230相连接，且第一约束件240与髋关节静平台210转动连接，在第一约束件240的限制下，髋关节动平台230仅能够相对髋关节静平台210转动。

当使用者的髋关节运动时，在第一驱动件220的驱动件，髋关节动平台230与髋关节一同动作，从而使得髋关节静平台210和髋关节动平台230能够稳定地对使用者的髋部进行支撑，提高使用者恢复过程中的安全性。

示例性地，第一驱动件220为电动推杆。

示例性地，髋关节静平台210通过螺钉锁定于髋背连接件130，或者髋关节静平台210通过焊接的方式固定于髋背连接件130。第一驱动件220的第一端通过万向副精细十字转轴630与髋关节静平台210相连接，第一驱动件220的第二端通过万向轴与髋关节动平台230连接。第一约束件240的第一端通过十字转轴与髋关节静平台210相连接，第一约束件240的第二端焊接与髋关节动平台230。

如图9所示，在上述任一实施例中，髋关节静平台210和髋关节动平台230为弧形结构。

髋关节静平台210和髋关节动平台230需要对用户的髋关节进行支撑，将髋关节静平台210和髋关节动平台230加工为弧形结构，使得髋关节静平台210和髋关节动平台230能够对使用者的髋关节形成包裹，增大髋关节静平台210和髋关节动平台230与髋关节的接触面积，从而有利于提高对髋关节的支撑稳定性。

结合图1、图2、图6和图9所示，在上述任一实施例中，膝关节支撑组件300包括：安装杆310、膝关节盖320、第二驱动件330、腿部支撑件340、腿部连接杆350和腿部固定件360。安装杆310的第一端与髋关节支撑组件200相连接，安装杆310的第二端与膝关节盖320相连接。第二驱动件330与安装杆310相连接，腿部支撑件340与第二驱动件330相连接，第二驱动件330用于驱动腿部支撑件340相对膝关节盖320转动。腿部连接杆350，与腿部支撑件340相连接，腿部连接杆350用于与踝关节支撑组件400相连接，腿部固定件360与腿部连接杆350相连接，用于支撑使用者的腿部。

安装杆310的第一端安装在髋关节动平台230上，安装杆310的第二端与膝关节盖320相连接，第二驱动件330能够驱动腿部支撑件340相对膝关节盖320转动，从而使得膝关节支撑组件300能够与使用者的膝关节协同动作。在腿部支撑件340相对膝关节盖320转动的情况下，腿部固定件360能够对用户的腿部进行支撑，在腿部被支撑的情况下，腿部固定件360能够分担膝关节的一部分压力，从而降低膝关节的受力程度，进而对使用者的膝关节起到保护作用。

示例性地，安装杆310的第一端通过螺钉锁定在髋关节动平台230上，或者髋关节动平台230上通过焊接的方式固定于髋关节动平台230。膝关节盖320通过螺钉锁定在安装杆310上，或者膝关节盖320通过焊接的方式固定于安装杆310。腿部连接杆350与腿部支撑件340的连接方式、以及腿部固定件360与腿部连接杆350的连接方式同上，在此不再赘述。

在一种可能的应用中，腿部固定件360为U形结构，从而可以对使用者的腿部进行包裹。

结合图4、图6、图7和图8所示，在上述任一实施例中，第二驱动件330包括：电机、第一锥齿轮332、转轴333和第二锥齿轮334。电机与安装杆310相连接，第一锥齿轮332与电机的输出轴相连接，转轴333转动连接于膝关节盖320，腿部支撑件340与转轴333相连接，第二锥齿轮334与转轴333相连接，第二锥齿轮334与第一锥齿轮332相啮合。

电机安装在安装杆310上，电机用于驱动第一锥齿轮332转动，第一锥齿轮332和第二锥齿轮334相啮合，因此第一锥齿轮332能够带动第二锥齿轮334转动。第二锥齿轮334套设在转轴333上，且第二锥齿轮334与转轴333同步转动，因此，在第二锥齿轮334转动时，转轴333随第二锥齿轮334一同转动。腿部支撑件340与转轴333相连接，腿部支撑件340能够腿转轴333一同转动。

在使用者的膝盖需要弯曲时，在电机的驱动下，腿部支撑件340能够相对膝关节盖320转动，从而使得膝关节支撑组件300与膝关节同步运动，可以对使用者的膝关节进行稳定支撑。

在一种可能的应用中，安装杆310位空心结构，电机安装在安装杆310内，从而减少第二驱动件330的占用空间。

在一种可能的应用中，电机的输出轴通过角接触球轴承610与第一锥齿轮332相连接，第二锥齿轮334通过薄壁轴承620与转轴333相连接。

结合图1和图3所示，在上述任一实施例中，踝关节支撑组件400包括：踝关节连接件410、踝关节静平台420、第三驱动件430、踝关节动平台440和第二约束件450。踝关节连接件410与腿部连接杆350相连接，踝关节静平台420与踝关节连接件410。第三驱动件430的第一端与踝关节静平台420转动连接，踝关节动平台440与第三驱动件430的第二端转动连接。第二约束件450的第一端与踝关节静平台420转动连接，第二约束件450的第二端与踝关节动平台440转动连接。

踝关节连接件410用于连接腿部连接杆350和踝关节静平台420，第三驱动件430位于踝关节静平台420和踝关节动平台440之间，且第三驱动件430的两端分别与踝关节静平台420和踝关节动平台440转动连接。第三驱动件430能够推动或拉动踝关节动平台440，使得踝关节动平台440能够相对踝关节静平台420运动。第二约束件450的两端分别与踝关节静平台420和踝关节动平台440相连接，且第二约束件450与踝关节静平台420转动连接，在第二约束件450的限制下，与踝关节动平台440仅能够相对与踝关节静平台420转动。

当使用者的与踝关节运动时，在第三驱动件430的驱动件，与踝关节动平台440与踝关节一同动作，从而使得与踝关节静平台420和与踝关节动平台440能够稳定地对使用者的与踝部进行支撑，提高使用者恢复过程中的安全性。

示例性地，第三驱动件430为电动推杆。

示例性地，第一约束件240和第二约束件450为拘束支链。

示例性地，踝关节连接件410作为中间部件，可以通过锁紧件或焊接的方式连接腿部连接杆350和踝关节静平台420。

第三驱动件430的第一端通过万向副转轴640与踝关节静平台420相连接，第三驱动件430的第二端通过万向轴与踝关节动平台440相连接。

在一种可能的应用中，踝关节静平台420为环形结构，使用者的脚部可以穿过踝关节静平台420，踝关节静平台420能够对踝关节进行稳定支撑。踝关节动平台440为平板状结构，踝关节动平台440与使用者的脚部稳定贴合。

结合图1、图2、图5、图9和图10所示，在上述任一实施例中，变胞组件500包括：第一连杆组件510、第二连杆组件520和锁定件530，第一连杆组件510的第一端与髋关节支撑组件200相连接，第二连杆组件520的第一端与膝关节支撑组件300相连接，第一连杆组件510的第二端与第二连杆组件520的第二端相连接，第二连杆组件520能够伸缩。锁定件530与第一连杆组件510和第二连杆组件520相连接，锁定件530锁定第一连杆组件510和第二连杆组件520时，锁定件530限制第一连杆组件510和第二连杆组件520相对转动，锁定件530解除对第一连杆组件510和第二连杆组件520的锁定时，第一连杆组件510和第二连杆组件520与膝关节支撑组件300同步转动。

第一连杆组件510和第二连杆组件520转动连接。变胞组件500处于第一状态的情况下，锁定件530未对第一连杆组件510和第二连杆组件520进行锁定，此时第二连杆组件520能够相对第一连杆组件510转动，且变胞组件500与膝关节支撑组件300同心设置，从而使得第一连杆组件510和第二连杆组件520能够随膝关节支撑组件300同步转动。

当锁定件530对第一连杆组件510和第二连杆组件520进行锁定时，第二连杆组件520不能相对第一连杆组件510转动，在使用者蹲坐时，第二连杆组件520能够伸缩，从而对髋关节支撑组件200起到支撑作用，提高髋关节支撑组件200对使用者的支撑稳定性。

结合图5、图9和图10所示，在上述任一实施例中，锁定件530包括：安装板531、销轴532、第一限位杆533和第二限位杆534。销轴532与安装板531相连接，转轴333上设有安装孔，销轴532能够插接至安装孔内。第一限位杆533和第二限位杆534与安装板531相连接，第一连杆组件510上设有第一轴孔512和第一连接孔511，第二连杆组件520上设有第二轴孔和第二连接孔524。在第一状态下，销轴532插接第一轴孔512、第二轴孔和安装孔内，第一限位杆533与第一连接孔511分离，第二限位杆534与第二连接孔524分离，在第二状态下，销轴532与安装孔分离，第一限位杆533插接至第一连接孔511内，第二限位杆534插接至第二连接孔524内。

当使用者具有行走锻炼的需求时，可以将销轴532依次穿过第一轴孔512、第二轴孔和安装孔，使得变胞组件500能够与膝关节支撑组件300同步转动。当使用者具有蹲坐锻炼的需求时，可以将销轴532与安装孔分离，此时变胞组件500不再与膝关节支撑组件300同步转动。将第一限位杆533插接至第一连接孔511，第二限位杆534插接至第二连接孔524内，由于第一限位杆533和第二限位杆534的相对位置不易发生变化，从而能够限制第二连杆组件520相对第一连杆组件510转动。此时第二连杆组件520在受力时能够被压缩，从而对用户的蹲坐过程起到缓冲的支撑作用。

在一种可能的应用中，第二连杆组件520包括：第一杆体521和第二杆体522，第一杆体521套设于第二杆体522，在第一杆体521和第二杆体522之间设置弹簧523，第一杆体521能够相对第二杆体522滑动并压缩弹簧523。

在本发明的实施例中，外骨骼具有良好的平稳定性、传动效率高的优点，并凭借变胞组件500可针对不同的工作环境进行结构转换，使其能够实现辅助人体迈步行走与蹲坐两种功能，具有良好的医疗康复功能。

髋关节、膝关节与踝关节均采用电机驱动，其相对于气动与液压驱动，具有高集成度、高精度、易控制、易安装等优点，还可以减少结构体积，降低外骨骼的总体种类，让外骨骼在日常使用时更为便利。

将外骨骼设计为单自由度转动的串联直驱结构，使患者获得更好的使用感，锥齿轮的传动具有良好的运动平稳性、传动系统布局更加灵活、传动效率更加高效、同体积下可拥有更高的减速比。

外骨骼整体可完成空间10自由度运动，可实现髋关节前屈/后伸、外展/内收，膝关节前屈/后伸以及踝关节前屈/后伸、内翻/外翻的串并联混联式下肢外骨骼。

在本发明中，术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明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实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。