通過使用下肢外骨骼來減少人的能量消耗的設備和方法
2023-09-16 12:04:30 4
專利名稱：通過使用下肢外骨骼來減少人的能量消耗的設備和方法
技術領域：
本發明主要涉及下肢外骨骼領域，尤其涉及能減少其穿用者的能源消耗的下肢外 骨骼領域。
背景技術：
許多情況下，正常人在行走或負重時常常會消耗大量能量。「A QUASI-PASSIVE LEGEXOSKELETON FOR LOAD-CARRYING AUGMENTATION" C. J. Walsh, K.Endo，and H. Herr, International Journal of Humanoid Robotics，2007—文試圖提高負重能力。然而，Walsh 等人教導的這種準被動外骨骼增加了其穿用者的耗氧量。具體來說，其描述的外骨骼無驅 動和動力單元，因此不能將動力從外骨骼轉移至人體。這意味著，無論其彈簧所處位置及強 度如何，這種系統都不會減少其穿用者的能量消耗。由於耗氧量與能量消耗成正比，因此穿 用者的耗氧量將不會減少。Popular Science Magazine (2008 年 5 月)出版的一篇文章描述了一種由 Sarcos 設計和製造的帶動力設備的外骨骼系統，該系統由一種稱為「讓道」(get out of the way) 的方法進行控制。這種方法測量穿用者施加在外骨骼上的力和扭矩，並基於測量結果驅動 外骨骼。這種「讓道」(get out of the way)控制方法在控制智能輔助設備中大量使用。 參見美國專利6，299, 139,6, 386，513和6，886，812。然而，由於從外骨骼到穿用者的力與穿 用者的運動方向相反，這種「讓道」(get out of the way)控制方法不僅不會減少穿用者的 能量消耗，事實上還增加了穿用者的能量消耗。基於以上可知，可以提供一種通用的、穿用時能減少穿用者的能量消耗的外骨骼 設備。提供一種減少其穿用者的能量消耗的外骨骼，允許穿用者在行走和攜帶重物的同時 減少能量消耗。特別地，本發明覆蓋了外骨骼設備的各種實施例，該外骨骼設備將減少穿用 者在步態站立期時的能量消耗。
發明內容
以上描述在可穿用的下肢外骨骼的數個實施例中得以實現。在此描述的下肢外 骨骼可設置為連接到人體，且除其他組件外還包括兩個腿部支撐件，可設置為連接到人的 下肢；兩個膝關節，每個都設置為允許相應的小腿連接件和大腿連接件之間的彎曲和伸展； 外骨骼軀幹，設置為連接到人的上身，並旋轉連接至腿部支撐件的大腿連接件，允許腿部支 撐件和外骨骼軀幹之間的彎曲和伸展；兩個髖部執行器，設置為在所述外骨骼軀幹和所述 腿部支撐件之間製造扭矩；除其他組件外，還包括至少一個動力單元，能夠為髖部執行器提 供動力。操作時，當穿用者穿著下肢外骨骼時，一個腿部支撐件處於步態站立期，另一個腿部支撐件處於步態邁步期，所述動力單元用於促使處於步態站立期的腿部支撐件的髖部執 行器產生扭矩曲線，從而使所述動力單元向處於步態站立期的腿部支撐件的髖部執行器提 供的能量大於未穿用時按相同軌跡移動外骨骼軀幹和處於步態站立期的腿部支撐件所需 的能量。
結合附圖閱讀以下具體說明後，將更清晰地理解本發明的特徵、方面及優點，附圖 中相似的特性代表相似的部件，其中圖1為本發明的外骨骼的正面透視圖；圖2為圖1的外骨骼的背面透視圖；圖3為處於步態站立期的本發明的外骨骼的一個替代例；圖4為圖3的外骨骼在步態站立期時沿前行方向的移動；圖5為處於步態站立期的圖3外骨骼的有關力和外形尺寸；圖6為本發明的動力單元的示意圖；圖7為包括流量限制閥的本發明的可替代動力單元的示意圖；圖8為包括三通閥的本發明的可替代動力單元的示意圖；圖9為包括步態站立傳感器及與其相連的信號處理器的本發明的可替代外骨骼 的透視圖；圖10為包括髖部彈性元件的本發明的可替代外骨骼的透視圖；圖11為包括用於承載後端負載的連接支架的本發明的可替代外骨骼的透視圖；圖12為包括用於承載前端負載的伸展框的本發明的可替代外骨骼的透視圖；圖13為包括髖部外展停止器的本發明的可替代外骨骼的透視圖；圖14為包括片簧形式的髖部彈性元件的本發明的可替代外骨骼的透視圖；圖15為包括兩個髖部彈性元件的本發明的可替代外骨骼的透視圖；圖16為包括兩個髖部連接件的本發明的可替代外骨骼的透視圖；圖17為包括背包框的本發明的可替代外骨骼的透視圖；圖18為包括兩個髖部彈性元件和外骨骼足部的本發明的可替代外骨骼的透視 圖；圖19為圖18的示意了大腿關節細節的外骨骼局部視圖，；圖20為圖18的示意了壓縮-伸長機構的細節的外骨骼局部視圖，；圖21為包括鞋子的本發明的可替代外骨骼的透視圖；圖22為包括鞋底的本發明的可替代外骨骼的透視圖；圖23為包括球窩關節的圖18的外骨骼足部的局部視圖；圖M為包括彈性元件的本發明的可替代外骨骼足部的透視圖；圖25為包括外展/內收彈性元件的本發明的可替代外骨骼足部的透視圖；圖沈為包括小腿旋轉關節的本發明的可替代外骨骼足部的透視圖；圖27為本發明的可替代外骨骼處於步態站立期時的力和外形尺寸；圖觀為包括集成式步態站立傳感器的本發明的可替代外骨骼足部的局部橫斷面 側視圖四為包括力傳感器的本發明的可替代外骨骼足部的俯視透視圖；圖30為包括集成式步態站立傳感器的本發明的可替代鞋子的局部橫斷面側視 圖；圖31為包括安裝在鞋底的步態站立傳感器的本發明的可替代鞋子的局部橫斷面 側視圖；圖32為包括將力傳感器納入鞋底的本發明的可替代鞋子的局部橫斷面側視圖；圖33為本發明的可替代外骨骼在垂直收納位置進行攜帶的側視圖；圖34為圖33的外骨骼的局部透視圖；圖35為包括液壓旋轉阻尼器的本發明的可替代外骨骼足部的透視圖；圖36為本發明的膝蓋液壓迴路的示意圖；圖37為包括三通閥的本發明的可替代膝蓋液壓迴路的示意圖；圖38為包括止回閥的本發明的可替代膝蓋液壓迴路的示意圖；圖39為包括三通閥和止回閥的本發明的可替代膝蓋液壓迴路的示意圖；圖40為包括雙通閥和止回閥的本發明的可替代膝蓋液壓迴路的示意圖；圖41示意了與本發明相對應的鎖膝關節的功能；圖42為本發明的可替代腿部支撐件的側視圖，該可替代腿部支撐件包括與扭矩 發生器並聯的膝關節彈性元件；圖43為本發明的可替代腿部支撐件的側視圖，該可替代腿部支撐件包括與扭矩 發生器串聯的膝關節彈性元件；圖44為閉環控制器的使用圖示，該閉環控制器用於控制本發明中相應的力；圖45為本發明的外骨骼的一個替代例的側視圖，該替代例包括不與地面接觸的 腿部。
具體實施例方式對應於本發明的一個實施例，圖1為示意了可由人187穿用、能減少穿用者行走時 的能量消耗的下肢外骨骼100的透視圖。所述下肢外骨骼100除其他組件外，包括兩個腿 部支撐件101和102，該腿部支撐件101和102設置為連接到人的下肢143和144，並設置 為在步態站立期時可擱置在支撐物表面上(例如地面)。術語「步態站立期」應當理解為，是指對使用者的與腿部支撐件101或102相連的 足部和腿部施力時，腿部支撐件101或102所在的位置。除其他組件外，所述腿部支撐件還 包括大腿連接件103和104，以及小腿連接件105和106。兩個膝關節107和108設置為， 在相應的腿部支撐件步態邁步期，允許腿部支撐件的小腿連接件和大腿連接件之間的彎曲 和伸展(分別如膝關節彎曲箭頭213和膝關節伸展箭頭214所示)。術語「步態邁步期」應當理解為，是指未對使用者的與腿部支撐件101或102相連 的足部或腿部施力時，腿部支撐件101或102所在的位置。然而，一些實施例中，兩個膝關 節107和108設置為在相應的腿部支撐件步態站立期時，抵抗腿部支撐件的小腿連接件和 大腿連接件之間的彎曲。除其他組件外，下肢外骨骼100還包括外骨骼軀幹109。除其他組 件外，外骨骼軀幹109還包括上身接口裝置150。外骨骼軀幹109可設置為通過上肢接口裝 置150連接到人的上身149。
13
人的上身149是指大腿以上的任何位置，包括髖部。上身接口裝置150的例子包 括但不限於背心、皮帶、綁帶、肩帶、胸帶、石膏、背帶和腰帶等一個部件或多個部件的組合。 外骨骼軀幹109在髖部彎曲-伸展關節125和1 處旋轉連接至腿部支撐件101和102， 使腿部支撐件101和102分別圍繞髖部彎曲-伸展軸151和152進行髖部彎曲和伸展旋轉 (分別如髖部伸展箭頭215和髖部彎曲箭頭216所示)。所述腿部支撐件101和102可設置為通過下肢接口帶135和136連接至人的下肢 143和144。所述人的下肢143和144應當理解為，是指大腿以上的任何位置。在一些實施 例中，如圖1所示，下肢接口帶135和136連接至大腿連接件103和104。在一些實施例中， 如圖2所示，下肢接口帶135和136連接至小腿連接件105和106。在一些實施例中，下肢 接口帶同時連接至小腿連接件和大腿連接件。每個下肢接口帶135和136包括但不限於綁 帶、條狀物、C形支架、石膏和彈性體中的一個部件或多個部件的組合。操作時，通過藉助下 肢接口帶135和136連接至兩個腿部支撐件101和102，人187通過上身接口裝置150(圖 1中的例子所示的簡單皮帶)連接至(或穿用)下肢外骨骼100。除其他組件外，下肢外骨骼100還包括兩個髖部執行器145和146，該髖部執行器 145和146可設置為在外骨骼軀幹109和腿部支撐件101和102之間產生扭矩。右髖部執 行器145如圖1所示，左髖部執行器146如圖2所示。除其他組件外，下肢外骨骼100還包 括至少一個動力單元201，該動力單元201能夠提供動力，並連接至髖部執行器145和146。 在一些實施例中，只有一個動力單元201向髖部執行器145和146提供動力。在一些實施 例中，每個髖部執行器都接受來自單獨動力單元的動力。髖部執行器145和146包括任何 能夠產生扭矩的設備或設備的組合。髖部執行器145和146的例子包括但不限於電動機， 所述電動機包括但不限於AC(交流)電動機、刷式DC(直流)電動機、無刷直流電動機、電 子整流電動機(ECMs)、步進電動機、液壓執行器、氣動執行器以及其組合。在一些實施例中， 所述髖部執行器145和146由壓縮氣體供給動力。在一些實施例中，所述外骨骼軀幹109 可設置為在人187的後方承載後端負載。圖3示意了下肢外骨骼100的一種形態，其中，右腿支撐件101和人的右下肢143 處於步態站立期，左腿支撐件102和人的左下肢144處於步態邁步期(圖3未示意左腿支 撐件10 。應注意，本實施例中的外骨骼軀幹109的設計為沿著人的背部伸展，以承載後 端負載118。還應注意，以下分析顯然也適用於當右腿支撐件101處於步態邁步期、左腿支 撐件102處於步態站立期時的相反形態。圖4示意了當穿用者在前行方向162上行進時， 右腿支撐件101在步態站立期時，下肢外骨骼100的三種形態。右腿支撐件101上的字母 A(—個步態站立期的起始)、B( —個步態站立期的中間某處)和C( 一個步態站立期的尾 聲)分別示意了這些形態。基於觀察可推斷出，人的上身149和外骨骼軀幹109在移動時 幾乎不旋轉，從而使人的上身149和外骨骼軀幹109相對於地面130的保持相對恆定角度。操作時，當右腿支撐件101處於步態站立期、左腿支撐件102處於步態邁步期時， 動力單元201設置為使右腿支撐件101的相應右髖部執行器145產生扭矩曲線。該扭矩 曲線使得下肢外骨骼100和人187從形態A變換到形態C(如圖4所示)，其中右腿支撐 件101和人的右下肢143處於步態站立期。人體的前行方向162大致平行於地面130。 在右腿支撐件101處於步態站立期時，當下肢外骨骼100和人187從形態A變換到形態 C時，右髖部執行器145產生機械功WACTUATOK。右腿支撐件101和外骨骼軀幹109的總機械能(動能加勢能)，包括外骨骼軀幹109上的任何負載(即，無正在邁步的左腿支撐件 102的下肢外骨骼100)，在形態A時為Ea。右腿支撐件101和外骨骼軀幹109的總機械 能(動能加勢能)包括外骨骼軀幹109上的任何負載(即，無正在邁步的左腿支撐件102 的下肢外骨骼100)，在形態C時為&。在右腿支撐件101處於步態站立期時，由摩擦和其 他損失造成的能量浪費由為E·。在外骨骼100由A變換到C的過程中，如果Wactuatok(右 髖部執行器145產生的機械功)大於(E。-Ea+Emss)的值，則能量從下肢外骨骼100轉移 到人187，且該能量等於
權利要求
1.一種可連接到人的下肢的外骨骼設備，包括兩個腿部支撐件，可連接到所述人的下肢，並在步態站立期時擱置在地面上，其中每個 所述腿部支撐件包括大腿連接件和小腿連接件；兩個膝關節，每個膝關節均使相應的小腿連接件和相應的大腿連接件之間能夠進行彎 曲和伸展；外骨骼軀幹，可連接到所述人的上身，並能夠可旋轉地連接至所述腿部支撐件的所述 大腿連接件，且所述腿部支撐件和所述外骨骼軀幹之間能夠進行彎曲和伸展；兩個髖部執行器，用於在所述外骨骼軀幹和所述腿部支撐件之間產生扭矩；以及至少 一個動力單元，其能夠向所述髖部執行器提供動力，其中，當所述可連接到人的下肢的外骨骼設備被所述人穿用時，一個腿部支撐件處於 步態站立期，而另一個腿部支撐件處於步態邁步期，所述至少一個動力單元用於使處於步 態站立期的所述腿部支撐件的髖部執行器產生扭矩曲線，從而使得從所述外骨骼軀幹作用 到人的上身的力沿著人的前行方向。
2.根據權利要求1所述的外骨骼設備，其特徵在於，所述外骨骼設備進一步包括力傳 感器，該力傳感器用於測量所述外骨骼軀幹與所述人的上身之間的力，其中，信號處理器確 保作用在人的上身的力總是沿著人的前行方向。
3.根據權利要求1所述的外骨骼設備，其特徵在於，每個所述髖部執行器包括一個液 壓髖部執行器，而能夠提供液壓動力的所述動力單元，除其他組件外，還包括至少一個液壓 迴路，該液壓迴路可連接到至少一個所述液壓髖部執行器，並調節流入和流出所述液壓髖 部執行器的液壓流。
4.根據權利要求3所述的外骨骼設備，其特徵在於，所述液壓迴路除其他組件外，還包 括一個連接到電動機的液壓泵，其中，當一個所述腿部支撐件處於步態站立期時，所述液壓 泵將液壓流注入處於步態站立期的所述腿部支撐件的所述液壓髖部執行器。
5.根據權利要求4所述的外骨骼設備，其特徵在於，所述液壓迴路除其他組件外，還包 括流量限制閥，該流量限制閥能改變環繞液壓泵的液壓流的流向，其中，當與相應液壓髖部 執行器相連的所述腿部支撐件處於步態站立期時，所述流量限制閥不改變環繞所述液壓泵 的液壓流的流向。
6.根據權利要求4所述的外骨骼設備，其特徵在於，所述液壓迴路除其他組件外，還包 括三通閥，其中，當所述腿部支撐件處於步態站立期時，所述三通閥將處於步態站立期的所 述腿部支撐件的所述液壓髖部執行器連接到所述液壓泵；否則，所述三通閥改變環繞所述 液壓泵的液壓流的流向。
7.根據權利要求1所述的外骨骼設備，其特徵在於，所述外骨骼設備進一步包括至少 一個信號處理器，其中，所述信號處理器除其他功能外，還計算所述扭矩曲線。
8.根據權利要求7所述的外骨骼設備，其特徵在於，所述信號處理器控制處於步態站 立期的所述腿部支撐件的所述髖部執行器，以確保所述扭矩曲線大於下式所示的值
9.根據權利要求1所述的外骨骼設備，其特徵在於所述外骨骼軀幹進一步允許每個 所述腿部支撐件關於大致平行於地面的外展-內收軸旋轉。
10.根據權利要求1所述的外骨骼設備，其特徵在於，所述外骨骼軀幹進一步包括兩個 髖部連接件，該髖部連接件可旋轉地連接至相應的大腿連接件，以使所述腿部支撐件相對 於所述外骨骼軀幹進行彎曲和伸展；其中，所述髖部連接件彼此可旋轉地連接，以使腿部支 撐件進行外展。
11.根據權利要求1所述的外骨骼設備，其特徵在於，所述外骨骼軀幹進一步包括兩個 髖部連接件，該髖部連接件可旋轉地連接至相應的大腿連接件，以使所述腿部支撐件相對 於所述外骨骼軀幹進行彎曲和伸展；其中，所述髖部連接件彼此可旋轉地連接，以使腿部支 撐件進行內收。
12.根據權利要求1所述的外骨骼設備，其特徵在於，當所述外骨骼軀幹連接到所述人 的上身時，所述外骨骼軀幹用於在所述人的後方承載後端負載。
13.根據權利要求1所述的外骨骼設備，其特徵在於，所述外骨骼軀幹進一步包括伸展 框，當所述外骨骼軀幹連接到所述人的上身時，該伸展框用於在所述人的前方承載前端負載。
14.根據權利要求10所述的外骨骼設備，其特徵在於，所述外骨骼軀幹進一步包括髖 部彈性元件，該髖部彈性元件用於在所述髖部連接件之間施加扭矩。
15.根據權利要求11所述的外骨骼設備，其特徵在於，所述外骨骼軀幹進一步包括髖 部彈性元件，該髖部彈性元件用於在所述髖部連接件之間施加扭矩。
16.根據權利要求10所述的外骨骼設備，其特徵在於，所述外骨骼軀幹進一步包括髖 部外展停止器，該髖部外展停止器用於限制所述髖部連接件相對於彼此的外展。
17.根據權利要求1所述的外骨骼設備，其特徵在於，所述外骨骼軀幹進一步包括連接 支架，該連接支架用於將負載的重量轉移至所述外骨骼軀幹。
18.根據權利要求17所述的外骨骼設備，其特徵在於，所述外骨骼軀幹進一步包括兩 個髖部連接件，該髖部連接件可旋轉地連接至相應的大腿連接件，以使所述腿部支撐件相 對於所述外骨骼軀幹進行彎曲和伸展；其中，所述髖部連接件通過兩個髖部外展-內收關 節可旋轉地連接至所述連接支架，以使所述腿部支撐件關於兩根外展-內收軸進行旋轉。
19.根據權利要求18所述的外骨骼設備，其特徵在於，所述兩根外展-內收軸大致相互 平行。
20.根據權利要求18所述的外骨骼設備，其特徵在於，所述兩根外展-內收軸相互重合。
21.根據權利要求17所述的外骨骼設備，其特徵在於，所述負載為一個物體，該物體 選自以下各項背包、另一個人、嬰兒背袋、食物容器、袋子、水壺、工具箱、桶、彈藥、武器、寢 具、急救用品、高爾夫球袋、郵袋、攝像機、吹葉機、壓縮機、機電機器及以上各項的組合。
22.根據權利要求18所述的外骨骼設備，其特徵在於，所述外骨骼軀幹進一步包括髖 部外展-內收彈性元件，該髖部外展-內收彈性元件用於在所述髖部連接件和所述連接支 架之間施加扭矩。
23.根據權利要求17所述的外骨骼設備，其特徵在於，所述連接支架進一步包括伸展 框，當所述外骨骼軀幹連接到所述人的上身時，該伸展框用於在所述人的前方承載所述負載。
24.根據權利要求17所述的外骨骼設備，其特徵在於，所述外骨骼軀幹包括人體接口 裝置，該人體接口裝置能夠將所述人的上身連接到下肢外骨骼。
25.根據權利要求M所述的外骨骼設備，其特徵在於，所述人體接口裝置能夠將所述 人的重量的一部分轉移到所述外骨骼軀幹。
26.根據權利要求M所述的外骨骼設備，其特徵在於，所述人體接口裝置包括一個元 件或多個元件的組合，所述元件選自背心、皮帶、綁帶、肩帶、胸帶、石膏、背帶和腰帶。
27.根據權利要求1所述的外骨骼設備，其特徵在於，每個所述腿部支撐件進一步包括 大腿外展-內收關節，該大腿外展-內收關節設置為允許各腿部支撐件進行外展。
28.根據權利要求27所述的外骨骼設備，其特徵在於，所述外展-內收關節大致位於所 述彎曲-伸展關節的下方。
29.根據權利要求1所述的外骨骼設備，其特徵在於，每個所述腿部支撐件的所述大腿 部分進一步包括大腿外展-內收關節，該大腿外展-內收關節設置為允許所述腿部支撐件 進行外展。
30.根據權利要求四所述的外骨骼設備，其特徵在於，所述外展-內收關節大致位於所 述髖部彎曲-伸展關節的下方。
31.根據權利要求1所述的外骨骼設備，其特徵在於，每個所述腿部支撐件進一步包括 腿部旋轉關節，該腿部旋轉關節設置為允許所述腿部支撐件旋轉。
32.根據權利要求31所述的外骨骼設備，其特徵在於，所述腿部旋轉關節大致位於所 述膝蓋彎曲-伸展關節的上方。
33.根據權利要求31所述的外骨骼設備，其特徵在於，所述腿部旋轉關節進一步包括 腿部旋轉彈性元件，該腿部旋轉彈性元件產生恢復扭矩，該恢復扭矩使腿部支撐件基本返 回至中位。
34.根據權利要求1所述的外骨骼設備，其特徵在於，所述腿部支撐件的所述大腿連接 件進一步包括壓縮-伸長機構，該壓縮-伸長機構使得所述髖部彎曲-伸展關節與所述膝 蓋彎曲-伸展關節之間的距離可改變。
35.根據權利要求34所述的外骨骼設備，其特徵在於，所述壓縮-伸長機構包括腿部壓 縮-伸長彈性元件，該腿部壓縮-伸長彈性元件提供恢復力，該恢復力使所述腿部支撐件基 本返回至中位形態。
36.根據權利要求1所述的外骨骼設備，其特徵在於，所述大腿連接件包括下肢接口帶，該下肢接口帶用於將所述人連接到所述腿部支撐件。
37.根據權利要求1所述的外骨骼設備，其特徵在於，所述小腿連接件包括下肢接口 帶，該下肢接口帶用於將所述人連接到所述腿部支撐件。
38.根據權利要求1所述的外骨骼設備，其特徵在於，每個所述腿部支撐件進一步包括 至少一個膝蓋彈性元件，該膝蓋彈性元件用於促使各膝關節彎曲。
39.根據權利要求1所述的外骨骼設備，其特徵在於，每個所述腿部支撐件進一步包括 至少一個膝蓋彈性元件，該膝蓋彈性元件設置為促使各膝關節伸展。
40.根據權利要求1所述的外骨骼設備，其特徵在於，每個所述腿部支撐件進一步包括 外骨骼足部，該外骨骼足部設置為分別連接至所述人的兩隻腳，並連接至各小腿連接件，以 將力從所述小腿連接件轉移到地面。
41.根據權利要求40所述的外骨骼設備，其特徵在於，每個所述外骨骼足部進一步包 括鞋或靴子，該鞋或靴子可由所述人穿著，以將所述外骨骼足部連接到所述人的腳。
42.根據權利要求40所述的外骨骼設備，其特徵在於，每個所述外骨骼足部進一步包 括外骨骼鞋墊，該外骨骼鞋墊可插入所述人的鞋或靴子內部，以將所述外骨骼足部連接到 所述人的腳。
43.根據權利要求1所述的外骨骼設備，其特徵在於，每個所述腿部支撐件進一步包 括一個外骨骼足部，所述外骨骼足部設置為分布連接到所述人的兩隻腳，並可旋轉地連接 至各小腿連接件，以將力從所述小腿連接件轉移到地面；所述外骨骼足部圍繞踝關節蹠 屈-背屈軸旋轉，該踝關節蹠屈-背屈軸大致平行於所述人的踝關節的蹠屈-背屈軸。
44.根據權利要求43所述的外骨骼設備，其特徵在於，每個所述腿部支撐件進一步包 括至少一個踝關節蹠屈-背屈彈性元件，用於阻止各所述外骨骼足部圍繞踝關節蹠屈-背 屈軸的旋轉。
45.根據權利要求1所述的外骨骼設備，其特徵在於，每個所述腿部支撐件進一步包括 一個外骨骼足部，該外骨骼足部設置為分別連接到所述人的兩隻腳，並可旋轉地連接至各 小腿連接件，以將力從所述小腿連接件轉移到地面；所述外骨骼足部圍繞腳踝外展-內收 軸旋轉，該腳踝外展-內收軸大致平行於人腳踝的外展-內收軸。
46.根據權利要求45所述的外骨骼設備，其特徵在於，每個所述腿部支撐件進一步包 括至少一個腳踝外展-內收彈性元件，該腳踝外展-內收彈性元件用於阻止各外骨骼足部 圍繞所述腳踝外展-內收軸的旋轉。
47.根據權利要求1所述的外骨骼設備，其特徵在於，每個所述腿部支撐件進一步包括 一個外骨骼足部，該外骨骼足部設置為分別連接到所述人的兩隻腳，並可旋轉地連接至各 小腿連接件，以將力從所述小腿連接件轉移到地面；所述外骨骼足部圍繞腳踝旋轉軸旋轉， 該腳踝旋轉軸大致平行於人腳踝的旋轉軸。
48.根據權利要求47所述的外骨骼設備，其特徵在於，每個所述腿部支撐件進一步包 括至少一個彈性元件，該彈性元件用於阻止各外骨骼足部圍繞所述腳踝旋轉軸旋轉。
49.根據權利要求1所述的外骨骼設備，其特徵在於每個所述腿部支撐件進一步包括 至少一個步態站立傳感器，該步態站立傳感器輸出步態信號，表明所述腿部支撐件是否處 於步態站立期。
50.根據權利要求49所述的外骨骼設備，其特徵在於，所述步態站立傳感器連接至所述腿部支撐件的小腿連接件。
51.根據權利要求49所述的外骨骼設備，其特徵在於，所述步態站立傳感器位於人的 鞋內。
52.根據權利要求49所述的外骨骼設備，其特徵在於，所述步態站立傳感器位於人的 鞋底內。
53.根據權利要求49所述的外骨骼設備，其特徵在於，所述步態站立傳感器可連接至 人的鞋的底部。
54.根據權利要求40所述的可連接到人的下肢的外骨骼設備，其特徵在於，每個所述 外骨骼足部包括至少一個步態站立傳感器，該步態站立傳感器用於輸出步態信號，表明所 述腿部支撐件是否處於步態站立期。
55.根據權利要求M所述的外骨骼設備，其特徵在於，所述步態站立傳感器為壓力傳 感器，該壓力傳感器用於測量所述外骨骼足部內的腔體中的介質的壓力。
56.根據權利要求1所述的外骨骼設備，其特徵在於，每個所述腿部支撐件進一步包括 扭矩發生器，每個扭矩發生器設置為在步態邁步期時允許所述膝關節彎曲，在步態站立期 時阻止所述膝關節彎曲，從而將力轉移到地面。
57.根據權利要求56所述的外骨骼設備，其特徵在於，所述扭矩發生器為液壓活塞汽 缸，可以通過控制液壓閥中的流體流量來控制所述液壓活塞汽缸的阻力。
58.根據權利要求56所述的外骨骼設備，其特徵在於，所述扭矩發生器為液壓活塞汽 缸，該液壓活塞汽缸的阻抗可通過控制液壓閥來進行控制。
59.根據權利要求56所述的外骨骼設備，其特徵在於，所述扭矩發生器選自摩擦制動 器、粘性式摩擦制動器和磁流體設備等。
60.根據權利要求1所述的外骨骼設備，其特徵在於，每個所述腿部支撐件進一步包括 扭矩發生器，每個所述扭矩發生器包括液壓活塞汽缸和動力單元，該動力單元除其他組件 外，還包括至少一個膝蓋液壓迴路，該膝蓋液壓迴路可連接至所述液壓活塞汽缸；所述膝蓋 液壓迴路用於調節流入扭矩發生器的液流。
61.根據權利要求60所述的外骨骼設備，其特徵在於，當腿部支撐件處於步態站立期 時，所述膝蓋液壓迴路設置為將液流限制在處於步態站立期的腿部支撐件的所述液壓活塞 汽缸內。
62.根據權利要求60所述的外骨骼設備，其特徵在於，當腿部支撐件處於步態邁步期 時，所述膝蓋液壓迴路設置為允許液流流入處於步態邁步期的腿部支撐件的所述液壓活塞 汽缸內。
63.根據權利要求60所述的外骨骼設備，其特徵在於，當腿部支撐件處於步態站立期 時，所述膝蓋液壓迴路用於增大處於步態站立期的腿部支撐件的所述膝關節的彎曲阻力。
64.根據權利要求60所述的外骨骼設備，其特徵在於，當腿部支撐件處於步態邁步期 時，所述膝蓋液壓迴路用於減小處於步態邁步期的腿部支撐件的所述膝關節的彎曲阻力。
65.根據權利要求60所述的外骨骼設備，其特徵在於，每個腿部支撐件進一步包括至 少一個步態站立傳感器，該步態站立傳感器輸出步態信號，以表明所述腿部支撐件是否處 於步態站立期。
66.根據權利要求60所述的外骨骼設備，其特徵在於，所述膝蓋液壓迴路包括一個膝蓋驅動流量限制閥，該膝蓋驅動流量限制閥將所述活塞汽缸連接至液壓蓄能器；所述膝蓋 驅動流量限制閥設置為在步態站立期時限制液體流量，在步態邁步期時使液流通過時的阻 力最小化。
67.根據權利要求60所述的外骨骼設備，其特徵在於，所述膝蓋液壓迴路包括液壓三 通閥，該液壓三通閥或通過非驅動式流量限制閥、或通過旁路管線，將所述活塞汽缸連接至 液壓蓄能器；在步態站立期時，所述三通閥設置為通過所述非驅動式流量限制閥，將所述活 塞汽缸連接至所述液壓蓄能器；在步態邁步期時，所述三通閥設置為通過所述旁路管線，將 所述活塞汽缸連接至所述液壓蓄能器。
68.根據權利要求60所述的外骨骼設備，其特徵在於，所述膝蓋液壓迴路包括膝蓋驅 動流量限制閥和止回閥，該止回閥用於將所述活塞汽缸連接至液壓蓄能器；其中，所述膝蓋 驅動流量限制閥設置為在步態站立期時限制液體流量，在步態邁步期時使液流通過時的阻 力最小化，且所述止回閥設置為使所述腿部支撐件在任何時候受到的伸展阻力最小化。
69.根據權利要求60所述的外骨骼設備，其特徵在於，所述膝蓋液壓迴路包括液壓三 通閥和止回閥，其中在步態站立期時，所述液壓三通閥通過所述非驅動式流量限制閥、將所述活塞汽缸連 接至所述液壓蓄能器，在步態邁步期時，所述液壓三通閥通過所述旁路管線將所述活塞汽 缸連接至所述液壓蓄能器，並且所述止回閥設置為使所述腿部支撐件在任何時候受到的伸展阻力最小化。
70.根據權利要求60所述的外骨骼設備，其特徵在於，所述膝蓋液壓迴路包括雙通閥 和止回閥，該雙通閥能夠在一組不同大小的閥孔或完全打開的閥孔之間進行選擇，該止回 閥將所述活塞汽缸連接至所述液壓蓄能器，其中在步態站立期時，所述雙通閥設置為限制液流，在步態邁步期時，所述雙通閥設置為使 液流通過時的壓力最小化，並且所述止回閥設置為使所述腿部支撐件在任何時候受到的伸展阻力最小化。
71.可連接到人體的下肢外骨骼；所述下肢外骨骼除其他組件外，還包括兩個腿部支撐件，可連接到所述人的下肢，並設置為在步態站立期時擱置在地面上，其 中每個所述腿部支撐件包括大腿連接件和小腿連接件；兩個膝關節，每個膝關節均使相應的小腿連接件和相應的大腿連接件之間能夠進行彎 曲和伸展；外骨骼軀幹，可連接到所述人的上身，並可旋轉地連接至所述腿部支撐件的所述大腿 連接件，且所述腿部支撐件和所述外骨骼軀幹之間能夠進行彎曲和伸展；兩個髖部執行器，用於在所述外骨骼軀幹和所述腿部支撐件之間產生扭矩；以及至少 一個動力單元，能夠為所述髖部執行器提供動力，其中，當一個腿部支撐件處於步態站立期、另一個腿部支撐件處於步態邁步期時，至少 一個所述動力單元設置為使處於步態站立期的所述腿部支撐件的髖部執行器產生扭矩曲 線，使得在步態站立期時，將機械能從所述外骨骼軀幹轉移到所述人，以減少在所述步態站 立期時穿用者運動所需的能量。
72.可連接到人體的下肢外骨骼；所述下肢外骨骼除其他組件外，還包括兩個腿部支撐件，可連接到所述人的下肢，並設置為在步態站立期時擱置在地面上，其中每個所述腿部支撐件包括大腿連接件和小腿連接件；兩個膝關節，每個膝關節均使相應的小腿連接件和相應的大腿連接件之間能夠進行彎 曲和伸展；外骨骼軀幹，可連接到所述人的上身，並可旋轉地連接至所述腿部支撐件的所述大腿 連接件，且所述腿部支撐件和所述外骨骼軀幹之間能夠進行彎曲和伸展；兩個髖部執行器，用於在所述外骨骼軀幹和所述腿部支撐件之間產生扭矩；以及 至少一個動力單元，能夠為所述髖部執行器提供動力，其中，當所述下肢外骨骼被所述人穿用時，且一個腿部支撐件處於步態站立期、另一個 腿部支撐件處於步態邁步期時，至少一個所述動力單元設置為使處於步態站立期的所述腿 部支撐件的髖部執行器產生扭矩曲線，這樣，由所述至少一個動力單元向處於步態站立期 的腿部支撐件的所述髖部執行器提供的能量大於未被所述人穿用時、以相同軌跡移動所述 外骨骼軀幹和所述腿部支撐件所需的能量。
73.可連接到人體的下肢外骨骼；所述下肢外骨骼除其他組件外，還包括兩個腿部支撐件，可連接到所述人的下肢，並設置為在步態站立期時擱置在地面上，其 中每個所述腿部支撐件包括大腿連接件和小腿連接件；兩個膝關節，每個膝關節使相應的小腿連接件和相應的大腿連接件之間能夠進行彎曲 和伸展；外骨骼軀幹，可連接到所述人的上身，並可旋轉地連接至所述腿部支撐件的所述大腿 連接件，且所述腿部支撐件和所述外骨骼軀幹之間能夠進行彎曲和伸展；兩個髖部執行器，用於在所述外骨骼軀幹和所述腿部支撐件之間產生扭矩；以及 至少一個動力單元，能夠為所述髖部執行器提供動力，其中，當所述下肢外骨骼被所述人穿用時、且一個腿部支撐件處於步態站立期、另一個 腿部支撐件處於步態邁步期時，所述至少一個動力單元設置為使處於步態站立期的所述腿 部支撐件的髖部執行器產生扭矩曲線，該扭矩曲線大於未被所述人穿用時、以相同軌跡移 動所述外骨骼軀幹和所述腿部支撐件所需的扭矩。
74.可連接到人體的下肢外骨骼；所述下肢外骨骼除其他組件外，還包括 兩個腿部支撐件，可連接到所述人的下肢；外骨骼軀幹，可連接到所述人的上身，並可旋轉地連接至所述腿部支撐件的所述大腿 連接件，所述腿部支撐件和所述外骨骼軀幹之間能夠進行彎曲和伸展；至少一個髖部執行器，該髖部執行器連接到每個腿部支撐件，並用於在所述腿部支撐 件上產生扭矩；以及至少一個動力單元，能夠為所述髖部執行器提供動力，其中，當所述下肢外骨骼被所述人穿用時，所述至少一個動力單元使處於步態站立期 的所述腿部支撐件的所述髖部執行器產生扭矩曲線，以使從所述外骨骼軀幹作用到所述人 的上身的力沿著人的前行方向。
75.根據權利要求74所述的下肢外骨骼，其特徵在於，所述執行器設置為在所述外骨 骼軀幹和所述腿部支撐件之間產生扭矩。
76.根據權利要求74所述的下肢外骨骼，其特徵在於，所述腿部支撐件設置為在步態 站立期時擱置在地面上，其中每個所述腿部支撐件包括大腿連接件和小腿連接件。
77.根據權利要求74所述的下肢外骨骼，其特徵在於，所述下肢外骨骼進一步包括力 傳感器，該力傳感器用於測量所述外骨骼軀幹與所述人的上身之間的力，其中，信號處理器 確保作用在人的上身的力總是沿著人的前行方向。
78.可連接到人體的下肢外骨骼；所述下肢外骨骼除其他組件外，還包括 兩個腿部支撐件，可連接到所述人的下肢；外骨骼軀幹，可連接到所述人的上身，並可旋轉地連接至所述腿部支撐件的所述大腿 連接件，所述腿部支撐件和所述外骨骼軀幹之間能夠進行彎曲和伸展；至少一個髖部執行器，該髖部執行器連接到每個腿部支撐件，並設置為在所述腿部支 撐件上產生扭矩；以及至少一個動力單元，能夠為所述髖部執行器提供動力，其中，當所述下肢外骨骼被所述人穿用時，所述至少一個動力單元設置為使連接到人 的下肢的、處於步態站立期的所述腿部支撐件的髖部執行器產生扭矩曲線，使得在所述步 態站立期時將機械能從所述外骨骼軀幹轉移到所述人，以減少在所述步態站立期時穿用者 運動所需的能量。
79.根據權利要求78所述的下肢外骨骼，其特徵在於，所述執行器設置為在所述外骨 骼軀幹和所述腿部支撐件之間產生扭矩。
80.根據權利要求78所述的下肢外骨骼，其特徵在於，所述腿部支撐件設置為在步態 站立期時擱置在地面上，其中每個所述腿部支撐件包括大腿連接件和小腿連接件。
81.可連接到人體的下肢外骨骼；所述下肢外骨骼除其他組件外，還包括 兩個腿部支撐件，可連接到所述人的下肢；外骨骼軀幹，可連接到所述人的上身，並可旋轉地連接至所述腿部支撐件的所述大腿 連接件，所述腿部支撐件和所述外骨骼軀幹之間能夠進行彎曲和伸展；至少一個髖部執行器，該髖部執行器連接到每個腿部支撐件，並設置為在所述腿部支 撐件上產生扭矩；以及至少一個動力單元，能夠為所述髖部執行器提供動力，其中，當所述下肢外骨骼被所述人穿用時，所述至少一個動力單元設置為使處於步態 站立期的所述腿部支撐件的髖部執行器產生扭矩曲線，這樣，由所述至少一個動力單元向 連接到人的下肢的、處於步態站立期的所述腿部支撐件的髖部執行器提供的能量大於未被 所述人穿用時、以相同軌跡移動所述外骨骼軀幹和所述腿部支撐件所需的能量。
82.根據權利要求81所述的下肢外骨骼，其特徵在於，所述執行器用於在所述外骨骼 軀幹和所述腿部支撐件之間產生扭矩。
83.根據權利要求81所述的下肢外骨骼，其特徵在於，所述腿部支撐件設置為在步態 站立期時擱置在地面上，其中每個所述腿部支撐件包括大腿連接件和小腿連接件。
84.可連接到人體的下肢外骨骼；所述下肢外骨骼除其他組件外，還包括兩個腿部支 撐件，可連接到所述人的下肢；外骨骼軀幹，可連接到所述人的上身，並可旋轉地連接至所述腿部支撐件的所述大腿 連接件，所述腿部支撐件和所述外骨骼軀幹之間能夠進行彎曲和伸展；至少一個髖部執行器，該髖部執行器連接到每個腿部支撐件，並設置為在所述腿部支 撐件上產生扭矩；以及至少一個動力單元，能夠為所述髖部執行器提供動力，其特徵在於，當所述下肢外骨骼被所述人穿用時，所述至少一個動力單元設置為使連 接到人的下肢的、處於步態站立期的所述腿部支撐件的所述執行器產生扭矩曲線，這樣，當 所述下肢外骨骼被所述人穿用時，所述扭矩曲線基本大於未被所述人穿用時、以相同軌跡 移動所述外骨骼軀幹和所述腿部支撐件所需的能量。
85.根據權利要求84所述的下肢外骨骼，其特徵在於，所述執行器設置為在所述外骨 骼軀幹和所述腿部支撐件之間產生扭矩。
86.根據權利要求84所述的下肢外骨骼，其特徵在於，所述腿部支撐件設置為在步態 站立期時擱置在地面上，其中每個所述腿部支撐件包括大腿連接件和小腿連接件。
87.一種減少人在運動時的能量消耗的方法，所述人與外骨骼設備相連，該外骨骼設備 包括至少一個動力單元，兩個腿部支撐件，該腿部支撐件用於將所述人的下肢可旋轉地連 接至外骨骼軀幹，兩個髖部執行器，該髖部執行器用於在所述腿部支撐件和所述外骨骼軀 幹之間產生扭矩，所述方法包括在步態站立期時，從所述至少一個動力單元提供能量給連 接到人的下肢的所述腿部支撐件的所述髖部執行器，其中，所述能量至少等於當未被所述 人穿用時、以相同軌跡移動處於步態站立期的所述外骨骼軀幹和所述腿部支撐件所需的能 量。
88.一種減少人在運動時的能量消耗的方法，所述人與外骨骼設備相連，該外骨骼設備 包括至少一個動力單元，兩個腿部支撐件，該腿部支撐件用於將所述人的腿旋轉連接至外 骨骼軀幹，兩個髖部執行器，該髖部執行器用於在所述腿部支撐件和所述外骨骼軀幹之間 產生扭矩，所述方法包括由所述至少一個動力單元向連接到人的下肢的、處於步態站立期 的所述腿部支撐件的所述髖部執行器提供能量；以及在處於步態站立期的所述腿部支撐件 的所述髖部執行器上產生扭矩，其中，所述扭矩至少等於當未被所述人穿用時、以相同軌跡 移動處於步態站立期的所述外骨骼軀幹和所述腿部支撐件所需的扭矩。
89.一種減少人在運動時的能量消耗的方法，所述人與外骨骼設備相連，該外骨骼設備 包括至少一個動力單元，兩個腿部支撐件，該腿部支撐件用於將所述人的腿可旋轉地連接 至外骨骼軀幹，兩個髖部執行器，該髖部執行器用於在所述腿部支撐件和所述外骨骼軀幹 之間產生扭矩，所述方法包括由所述至少一個動力單元向連接到人的下肢的、處於步態站 立期的所述腿部支撐件的所述髖部執行器提供能量；通過使用處於步態站立期的所述腿部 支撐件的所述髖部執行器，產生從所述外骨骼軀幹作用到人的上身的力，其中，從所述外骨 骼軀幹作用到人的上身的所述力沿著人的前行方向。
90.一種減少人在運動時的能量消耗的方法，所述人與外骨骼設備相連，該外骨骼設備 包括至少一個動力單元，兩個腿部支撐件，該腿部支撐件用於將所述人的腿可旋轉地連接 至外骨骼軀幹，以及兩個髖部執行器，該髖部執行器用於在所述腿部支撐件和所述外骨骼 軀幹之間產生扭矩，所述方法包括由所述至少一個動力單元向連接到人的下肢的、處於步 態站立期的所述腿部支撐件的所述髖部執行器提供能量，並在處於步態站立期的所述腿部 支撐件的所述髖部執行器上產生扭矩曲線，這樣，在步態站立期時，可將機械能從所述下肢 外骨骼轉移到所述人。
全文摘要
一種連接到人的外骨骼設備(100)，包括腿部支撐件(101，102)，可連接到人的下肢，並設計為在步態站立期時擱置在地面上，其中每個腿部支撐件(101，102)具有大腿連接件(104，105)和小腿連接件(106，107)；兩個膝關節(107，108)，每個膝關節均使相應的小腿連接件(106，107)和相應的大腿連接件(104，105)之間能夠進行彎曲和伸展；外骨骼軀幹(109)，可連接到所述人的上身，並能夠可旋轉地連接至所述腿部支撐件(101，102)的所述大腿連接件(104，105)，使得所述腿部支撐件(101，102)和所述外骨骼軀幹(109)之間能夠進行彎曲和伸展；兩個髖部執行器(145，146)，用於在所述外骨骼軀幹(109)和所述腿部支撐件(101，102)之間產生扭矩；以及至少一個動力單元(201)，其能夠向所述髖部執行器(145，146)提供動力。在使用中，向髖部執行器(145，146)提供動力，該動力的大小能減少使用者在步行期間所消耗的能量。
文檔編號A61F2/74GK102088933SQ200980118130
公開日2011年6月8日 申請日期2009年5月19日 優先權日2008年5月20日
發明者內森·哈丁, 庫爾特·阿蒙森, 荷梅勇·卡札若尼 申請人:伯克利仿生技術公司