專利名稱：通過使用負(fù)載外骨骼來減少人在穩(wěn)定行走時(shí)的氧損耗的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及下肢外骨骼，更具體地，本發(fā)明涉及能減少穿用者的氧消耗和心率的 下肢外骨骼。
背景技術(shù)：
在大多數(shù)情況下，當(dāng)行走或攜帶重物時(shí)，普通人都要消耗大量氧氣。當(dāng)然，人的氧 消耗和心率根據(jù)體力運(yùn)動(dòng)的量而不同。在2007年國際類人機(jī)器人雜志，題目為“用于負(fù)載 增加的準(zhǔn)被動(dòng)式腿部外骨骼”的文章中，作者認(rèn)為發(fā)展了一種準(zhǔn)被動(dòng)式外骨骼，與標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載 背包相比增加了 10%的步行運(yùn)動(dòng)代謝值(COT)，同時(shí)，作者還認(rèn)為不含有關(guān)節(jié)彈簧或阻尼 開關(guān)(零阻尼外骨骼)的相似的外骨骼與標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載背包相比增加了 23%的COT。現(xiàn)有技術(shù)公開的準(zhǔn)被動(dòng)式外骨骼被認(rèn)為對(duì)使用者某些心臟的和其他生理參數(shù)造 成負(fù)面影響。因此，仍然需要一種簡(jiǎn)單的、易于操作的、快速的、且能實(shí)現(xiàn)基本目的的外骨骼 裝置，尤其是在穿用裝置時(shí)，能顯著降低人的氧消耗和心率的外骨骼裝置
發(fā)明內(nèi)容
上述目的通過一系列可被人穿用的下肢外骨骼的實(shí)施例得以實(shí)現(xiàn)。下肢外骨骼可 以與人連接，所述下肢外骨骼除了其他元件外，還包括可以與人的下肢連接的兩個(gè)腿部支 撐件；兩個(gè)膝關(guān)節(jié)，每個(gè)都可以在各自的小腿連接件和大腿連接件之間彎曲和伸展；外骨 骼軀干，與人的上身連接，且與腿部支撐件的大腿連接件旋轉(zhuǎn)連接，腿部支撐件和外骨骼軀 干之間能夠進(jìn)行彎曲和伸展；兩個(gè)髖部執(zhí)行器，其在外骨骼軀干和腿部支撐件之間產(chǎn)生扭 矩；和至少一個(gè)動(dòng)力單元，除了其他部件外，所述動(dòng)力單元可以對(duì)髖部執(zhí)行器提供動(dòng)力。在操作中，利用本發(fā)明的外骨骼在穿用者步行時(shí)降低氧消耗和心率。更具體地，使 用者與外骨骼連接，左邊和右邊(第一和第二)腿部支撐件與穿用者的下肢連接，穿用者的 上身與外骨骼軀干連接。當(dāng)處于步態(tài)邁步期的第一腿部支撐件撞擊地面，且進(jìn)入步態(tài)站立 期時(shí)，第一腿部支撐件的髖部執(zhí)行器快速產(chǎn)生第一單向扭矩，使第一外骨骼腿部相對(duì)于外 骨骼軀干向后運(yùn)動(dòng)。這個(gè)第一單向扭矩將外骨骼軀干向前推，直到第二腿部支撐件撞擊地 面，進(jìn)入步態(tài)站立期。當(dāng)?shù)诙炔恐渭M(jìn)入步態(tài)站立期，第二腿部支撐件的髖部執(zhí)行器快 速產(chǎn)生第一單向扭矩，第一腿部支撐件的髖部執(zhí)行器快速產(chǎn)生第二單向扭矩，在一個(gè)方向使第一腿部支撐件相對(duì)于外骨骼軀干向前運(yùn)動(dòng)，直到第一腿部支撐件離開地面，進(jìn)入步態(tài) 邁步期。與沒有使用外骨骼裝置的人相比，使用外骨骼裝置的人減少了步行時(shí)的能量消耗， 從而降低了人的氧消耗和心率。


結(jié)合以下附圖及說明，可以更清楚地了解本發(fā)明的其他特征及優(yōu)點(diǎn)，相同的符號(hào) 表示相同的元件，有關(guān)本發(fā)明的附圖如下圖1為本發(fā)明所述包括髖部執(zhí)行器的外骨骼的前視圖；圖2為圖1所示外骨骼的后視圖；圖3為步行周期中圖1所示髖部執(zhí)行器的扭矩曲線圖；圖4為步行周期中圖1所示髖部執(zhí)行器的總扭矩圖；圖5為髖部伸展運(yùn)動(dòng)時(shí)人的髖部扭矩(相對(duì)于周期時(shí)間的百分?jǐn)?shù)的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)) 圖；圖6為本發(fā)明動(dòng)力單元的示意圖；圖7為包括流量限制閥的本發(fā)明動(dòng)力單元的示意圖；圖8為包括三通閥的本發(fā)明動(dòng)力單元的示意圖；圖9為包括與信號(hào)處理器聯(lián)通的站立傳感器的本發(fā)明外骨骼的透視圖；圖10為包括髖部彈性元件的本發(fā)明外骨骼的透視圖；圖11為包括用于攜帶后面負(fù)載的連接支架的本發(fā)明外骨骼的透視圖；圖12為包括用于攜帶前面負(fù)載的伸展框架的本發(fā)明外骨骼的透視圖；圖13為包括髖部外展阻止器的本發(fā)明外骨骼的透視圖；圖14為包括片簧形式的髖部彈性元件的本發(fā)明的外骨骼的透視圖；圖15為包括兩個(gè)髖部彈性元件的本發(fā)明的外骨骼的透視圖；圖16為包括兩個(gè)髖部關(guān)節(jié)的本發(fā)明的外骨骼的透視圖；圖17為包括背包框架的本發(fā)明的外骨骼的透視圖；圖18為包括兩個(gè)髖部彈性元件和外骨骼足部的本發(fā)明的外骨骼的透視圖；圖19為圖18所示外骨骼的局部圖，詳細(xì)展示了大腿關(guān)節(jié)；圖20為圖18所示外骨骼的局部圖，詳細(xì)展示了壓縮_延伸裝置；圖21為包括鞋的本發(fā)明的外骨骼的透視圖；圖22為包括鞋墊的本發(fā)明的外骨骼的透視圖；圖23為包括球窩關(guān)節(jié)的圖18的外骨骼足部的局部圖；圖24為包括彈性元件的本發(fā)明的外骨骼足部的透視圖；圖25為包括外展_內(nèi)收彈性元件的本發(fā)明的外骨骼足部的透視圖；圖26為包括小腿旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的本發(fā)明的外骨骼足部的透視圖；圖27為與本發(fā)明外骨骼連接的受試者的氧消耗和不與本發(fā)明外骨骼連接的受試 者的氧消耗的比較圖；圖28為包括連為一體的站立傳感器的本發(fā)明的外骨骼足部的局部橫截面?zhèn)纫?圖；圖29為包括力傳感器的本發(fā)明的外骨骼足部的頂視圖30為包括連為一體的站立傳感器的本發(fā)明的鞋子的局部橫截面?zhèn)纫晥D；圖31為包括設(shè)置有鞋墊的站立傳感器的本發(fā)明的鞋子的局部橫截面?zhèn)纫晥D；圖32為包括整合進(jìn)鞋墊的力傳感器的本發(fā)明的鞋子的局部橫截面?zhèn)纫晥D；圖33為處于垂直承載位置的本發(fā)明外骨骼的側(cè)視圖；圖34為圖33所示外骨骼的局部透視圖；圖35為包括液壓旋轉(zhuǎn)泵的本發(fā)明外骨骼足部的透視圖；圖36描述了本發(fā)明鎖閉膝關(guān)節(jié)的功能；圖37為包括與扭矩發(fā)生器平行的膝蓋彈性元件的本發(fā)明的右邊腿部支撐件的側(cè)視圖；圖38為包括與扭矩發(fā)生器串聯(lián)的膝蓋彈性元件的本發(fā)明的右邊腿部支撐件的側(cè)視圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供了一種可以減少穿用者氧消耗的外骨骼裝置。如圖1所示，根據(jù)本發(fā) 明的第一實(shí)施例，可被人187穿戴的下肢外骨骼100可以減少穿用者的氧消耗。下肢外骨 骼100，除了其他的元件，包括兩個(gè)腿部支撐件101和102，該腿部支撐件101和102設(shè)定為 與人的下肢143和144連接，其在步態(tài)站立期擱置在支撐件表面(如地面)上。術(shù)語“步態(tài) 站立期”應(yīng)當(dāng)理解為當(dāng)向下的力施加到使用者的足部和與腿部支撐件101或102相關(guān)的 腿部，且腿部支撐件101或102與地面接觸時(shí)，腿部支撐件101或102所處的位置。腿部支 撐件包括大腿連接件103和104、以及小腿連接件105和106。在相應(yīng)的腿部支撐件步態(tài)邁 步期及步態(tài)站立期后期，兩個(gè)膝關(guān)節(jié)107和108使在腿部支撐件的小腿連接件和大腿連接 件之間發(fā)生彎曲和伸展(分別用膝蓋彎曲箭頭213和膝蓋伸展箭頭214表示)。術(shù)語“步 態(tài)邁步期”應(yīng)當(dāng)理解為當(dāng)向下的力沒有施加到使用者的足部和與腿部支撐件101或102關(guān) 聯(lián)的腿部，且腿部支撐件101或102不與支撐件表面(如地面)接觸時(shí)，腿部支撐件101或 102所處的位置。然而，在相應(yīng)的腿部支撐件步態(tài)站立期時(shí)，兩個(gè)膝關(guān)節(jié)107和108抵抗腿 部支撐件的小腿連接件和大腿連接件之間的彎曲。下肢外骨骼100還包括外骨骼軀干109。 外骨骼軀干109，除了其他部件外，包括上身結(jié)合組件150。外骨骼軀干109通過上身結(jié)合 組件150與人體的上身149連接。人體上身149的意思是在大腿上的任何部位，包括屁股。 上身結(jié)合組件150包括一個(gè)部件或幾個(gè)部件的組合，包括但不限于馬甲、帶子、皮帶、肩帶、 胸帶、石膏固定、背帶和腰帶。外骨骼軀干109在髖部彎曲-伸展關(guān)節(jié)125和126處與腿 部支撐件101和102旋轉(zhuǎn)連接，使腿部支撐件101和102分別繞髖部彎曲-伸展軸151和 152而實(shí)現(xiàn)髖部彎曲旋轉(zhuǎn)和髖部伸展旋轉(zhuǎn)(分別用髖部伸展箭頭215和髖部彎曲箭頭216 表示)。腿部支撐件101和102通過下肢結(jié)合帶135和136與人的下肢143和144連接。如圖1所示的實(shí)施例中，下肢結(jié)合帶135和136與大腿連接件103和104連接。如 圖2所示的實(shí)施例中，下肢結(jié)合帶135和136與小腿連接件105和106連接。在一些實(shí)施 例中，下肢結(jié)合帶與大腿連接件和小腿連接件都連接。每個(gè)下肢結(jié)合帶135和136包括一 個(gè)組件或幾個(gè)組件的結(jié)合，包括但不限于帶子、桿、C型支架、閥桿和人造橡膠。在操作中，人 187通過上身結(jié)合組件150 (如圖1所示的簡(jiǎn)單的帶子)連接(或穿戴)下肢外骨骼100， 且通過下肢結(jié)合帶135和136與兩個(gè)腿部支撐件101和102連接。下肢外骨骼100，除了其他元件外，還包括兩個(gè)髖部執(zhí)行器145和146，其在外骨骼軀干109和腿部支撐件101和102 之間產(chǎn)生扭矩。右邊髖部執(zhí)行器145如圖1所示，左邊髖部執(zhí)行器146如圖2所示。下肢 外骨骼100除了其他元件外，還包括至少一個(gè)能提供動(dòng)力且與髖部執(zhí)行器145和146連接 的動(dòng)力單元201。在一些實(shí)施例中，只有一個(gè)動(dòng)力單元201對(duì)髖部執(zhí)行器145和146提供動(dòng) 力。在一些實(shí)施例中，每個(gè)髖部執(zhí)行器接收單個(gè)動(dòng)力單元提供的動(dòng)力。髖部執(zhí)行器145和 146包括可以提供轉(zhuǎn)矩的任何組件或組件的組合，包括但不限于電機(jī)(包括但不限于AC 交流電機(jī)、筆刷型DC直流電機(jī)、無刷DC電機(jī)、電子整流電機(jī)ECMs、步進(jìn)電機(jī))、液動(dòng)裝置、氣 動(dòng)裝置和其結(jié)合。在一些實(shí)施例中，髖部執(zhí)行器145和146由壓縮空氣提供能量。在一些 實(shí)施例中，外骨骼軀干109能夠支承人187后的后面承重。當(dāng)145和146產(chǎn)生適當(dāng)?shù)呐ぞ貢r(shí)，下肢外骨骼100可以減少其穿用者的能量支出 和氧消耗。通過觀察圖3可以很好地說明下肢外骨骼100的操作。圖3展示了在步行周期 中髖部執(zhí)行器145和146施加到外骨骼軀干109上的扭矩，其中Tl和T2分別表示右邊腿 部支撐件101和左邊腿部支撐件102撞擊地面130的情況。在操作中，當(dāng)人187穿戴下肢 外骨骼100，右邊腿部支撐件101在左邊腿部支撐件102之前撞擊地面130，且進(jìn)入步態(tài)站 立期(即Ti時(shí)刻)，動(dòng)力單元201使右邊腿部支撐件101的髖部執(zhí)行器145產(chǎn)生第一單向 扭矩，其作用是使右邊腿部支撐件101相對(duì)于外骨骼軀干109向后運(yùn)動(dòng)，直至處于步態(tài)邁步 期的左邊腿部支撐件102撞擊地面130 (即T2)。也就是說，由髖部執(zhí)行器145施加到外骨 骼軀干109的第一單向扭矩在時(shí)間Tl和T2之間是有效的。當(dāng)右邊腿部支撐件101在地面 130上時(shí)，這個(gè)扭矩以往前速度方向推動(dòng)外骨骼軀干109。第一單向扭矩足夠大，就可以減 少穿用者的氣力，從而減少穿用者的能量支出和氧消耗。T3表示右邊腿部支撐件101離開 地面130、且進(jìn)入步態(tài)邁步期的時(shí)間。T2和T3之間的時(shí)間在該發(fā)明中被稱為雙步態(tài)站立， 這是因?yàn)閮蓚€(gè)腿部支撐件都處于步態(tài)站立期。當(dāng)左邊腿部支撐件102撞擊地面130時(shí)，動(dòng)力單元201執(zhí)行兩種操作1)它使左邊腿部支撐件102的髖部執(zhí)行器146產(chǎn)生相同的第一單向扭矩，其使左邊腿部支撐件102相 對(duì)于外骨骼軀干109向后運(yùn)動(dòng)(當(dāng)左邊腿部支撐件102在地面上時(shí)，這個(gè)扭矩推動(dòng)外骨骼 軀干109向前運(yùn)動(dòng))，2)它促使髖部執(zhí)行器145產(chǎn)生第二單向扭矩，使右邊腿部支撐件102 相對(duì)于外骨骼軀干109向前運(yùn)動(dòng)而起作用。直至右邊腿部支撐件101離開地面(即T3)第 二單向扭矩都是有效的。T4表示右邊腿部支撐件101再次撞擊地面130、重新進(jìn)入步態(tài)站 立期的時(shí)間。在一些實(shí)施例中，只有腿部支撐件130與地面130接觸的T3之后、T4之前， 動(dòng)力單元使右邊腿部支撐件101的髖部執(zhí)行器145產(chǎn)生邁步扭矩，其作用是以一個(gè)方向使 所述右邊腿部支撐件101相對(duì)于外骨骼軀干109向前運(yùn)動(dòng)。這個(gè)邁步扭矩足夠大時(shí)就會(huì)減 少穿用者邁腿時(shí)的氣力，從而減少穿用者的能量支出和氧損耗。從圖3可以看出，髖部執(zhí)行 器146的扭矩與髖部執(zhí)行器145的扭矩相同，但時(shí)間改變了。由于第二單向扭矩僅在雙步態(tài)站立期(T2和T3之間)有效，兩個(gè)髖部執(zhí)行器145 和146在雙步態(tài)站立期間施加到外骨骼軀干109的總扭矩，與第一單向扭矩和第二單向扭 矩的代數(shù)相加相等。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，第二單向扭矩的大小通常比第一單向扭矩 的大小要小。這確保了在雙步態(tài)站立期，髖部執(zhí)行器145和146施加到外骨骼軀干109的 總扭矩為單向的，推動(dòng)外骨骼軀干109和人187向前。圖4展示了在步行周期中由髖部執(zhí)行器145和146施加到外骨骼軀干109上的總扭矩。在步行周期中這個(gè)扭矩是單向的，其推動(dòng)外骨骼軀干109和人187向前，使其穩(wěn)定步 行。也就是說，髖部執(zhí)行器145和146對(duì)外骨骼軀干109的扭矩的總和，總是以髖部伸展的 方向起作用。這使人187能量支出少。能量支出少使氧消耗少。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中。髖部執(zhí)行器145和146對(duì)外骨骼軀干109的扭矩總和 通常是不變的。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，髖部執(zhí)行器145和146對(duì)外骨骼軀干109的扭 矩總和在任何時(shí)候 都會(huì)下降超過其最大值的50%，優(yōu)選下降超過最大值的30%。最大值應(yīng) 當(dāng)理解為在外骨骼前進(jìn)過程中的任何時(shí)候，髖部執(zhí)行器145和146施加到外骨骼軀干109 的最大扭矩。這確保了使用者可以舒適地行走，而不會(huì)有外骨骼軀干109和人上身149的 大的扭矩變化。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，第二單向扭矩為0。意思是當(dāng)腿部支撐件撞擊地面， 已經(jīng)在地面上的、相反的腿部支撐件的髖部執(zhí)行器不再產(chǎn)生扭矩。例如，如果右邊腿部支撐 件101處于步態(tài)站立期，且左邊腿部支撐件102撞擊地面130，右邊腿部支撐件101的髖部 執(zhí)行器145將停止施加扭矩。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，第一單向扭矩通常不變，這可以使使用者更舒適。在本 發(fā)明的一些實(shí)施例中，第二單向扭矩通常不變，這可以使使用者更舒適。在本發(fā)明的一些實(shí) 施例中，第一單向扭矩通常在單步態(tài)站立期(當(dāng)只有一個(gè)腿部支撐件處于步態(tài)站立期時(shí)) 降低其值，這使使用者更舒適。需要注意的是，生物力學(xué)教導(dǎo)我們，在步態(tài)站立期人類髖部扭矩是雙向的。圖5展 不了從以下文獻(xiàn)(“Stair ascent and descent at different inclinations" , Robert Riener, Marco Rabuffetti, Carlo Frigo, Gait and Posture, Volume 15,Issue 1, Pages 32-44(February 2002))試驗(yàn)測(cè)量的人類髖部扭矩。更具體地，圖5闡述了在早期站立期， 人類髖部扭矩是正的，但是在步態(tài)站立期變?yōu)樨?fù)的，改變了方向。本發(fā)明優(yōu)選提供了 一種在 步態(tài)站立期完全單向的髖部扭矩，其是以經(jīng)驗(yàn)測(cè)定的，以產(chǎn)生減少氧消耗的預(yù)期的效果。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，在步態(tài)邁步期，邁步扭矩為單向的，使腿部支撐件向前 邁步。為了節(jié)省能量，在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，邁步扭矩為零。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，邁步扭矩與邁步的腿部支撐件的角速度(相對(duì)于外骨 骼軀干109或地面130)成比例的，且以增加邁步的腿部支撐件的角速度的方向起作用。一 般來說，如果腿部支撐件101處于步態(tài)邁步期，邁步扭矩可能通過以下各項(xiàng)的總和而產(chǎn)生， 包括在增加腿部支撐件101的角速度的方向，與腿部支撐件101的角速度成比例的扭矩； 在增加腿部支撐件101的角加速度(相對(duì)于外骨骼軀干109或地面130)的方向，與腿部支 撐件101的角加速度成比例的扭矩；與腿部支撐件101的髖部角度的正弦成比例的扭矩， 其是以抵消由于重力而施加在腿部支撐件101上的扭矩的方向而起作用的。例如，如果腿 部支撐件101的髖部執(zhí)行器145產(chǎn)生邁步扭矩，其包括與腿部支撐件101的髖部角度的正 弦成比例的扭矩，且是以抵消由于重力而施加在腿部支撐件101上的扭矩的方向而起作用 的，然后，穿用者施加少量扭矩或不用施加扭矩到腿部支撐件101，而在靜態(tài)意義上升高外 骨骼腿部101。在另一個(gè)相似例子中，如果腿部支撐件101的髖部執(zhí)行器145產(chǎn)生邁步扭 矩，其是以增加腿部支撐件101的角加速度的方向，與腿部支撐件101的角加速度(相對(duì)于 外骨骼軀干109或地面130)成比例的扭矩，然后腿部支撐件101的有效慣性減小了，且腿 部支撐件101變得更容易加速(感覺變輕)，這在當(dāng)邁步的腿必須快速加速的邁步早期尤其有利。當(dāng)然，如果測(cè)量法和扭矩之間的比例常數(shù)選擇太大，處于步態(tài)邁步期的腿部支撐件 101變得不穩(wěn)。在實(shí)際中，最好試驗(yàn)測(cè)定合適的比例常數(shù)。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，邁步扭矩的大小通常在邁步周期后減小，以使腿在邁 步末期自然減速。邁步周期應(yīng)當(dāng)理解為腿處于步態(tài)邁步期，以邁步早期開始、經(jīng)過邁步的 中間點(diǎn)、以邁步后期終止的時(shí)間。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，邁步扭矩在邁步后期接近為 零。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，邁步扭矩的大小經(jīng)過邁步周期后減小，直到在邁步后期轉(zhuǎn)變 方向 。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，當(dāng)右邊腿部支撐件101處于單步態(tài)站立期(即左邊 腿部支撐件處于步態(tài)邁步期)，第一單向扭矩可能為包括與腿部支撐件102的髖部執(zhí)行器 146產(chǎn)生的邁步扭矩的負(fù)數(shù)成比例的成分的總和；在一些實(shí)施例中，這個(gè)成分與腿部支撐 件102的髖部執(zhí)行器146產(chǎn)生的邁步扭矩的負(fù)數(shù)相等。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，每個(gè)髖部執(zhí)行器145和146包括液壓髖部執(zhí)行器。在 這些實(shí)施例中，至少有一個(gè)動(dòng)力單元201向髖部執(zhí)行器145和146提供水能。在一些實(shí)施 例中，只有一個(gè)動(dòng)力單元201向髖部執(zhí)行器145和146提供水能。在一些實(shí)施例中，每個(gè)液 壓髖部執(zhí)行器從單個(gè)動(dòng)力單元中獲得水能。在一些實(shí)施例中，動(dòng)力單元201，如圖6所示， 除了其他元件外，包括至少一個(gè)液壓回路194，該液壓回路194與至少一個(gè)液壓髖部執(zhí)行器 145和146連接，且調(diào)節(jié)水流流入或流出液壓髖部執(zhí)行器145和146。在一些實(shí)施例中，液 壓髖部執(zhí)行器145和146為活塞式液壓缸。在一些實(shí)施例中，液壓髖部執(zhí)行器145和146 為旋轉(zhuǎn)葉片式液壓執(zhí)行器。如圖6所示的實(shí)施例中，液壓回路194，除了其他元件外，包括與 電機(jī)241連接的液壓泵240。通過控制電機(jī)241，圖3的扭矩曲線可以應(yīng)用于髖部執(zhí)行器145和146。由于扭矩 是液壓和髖部執(zhí)行器幾何學(xué)的函數(shù)，髖部執(zhí)行器扭矩可以通過在電機(jī)241上設(shè)立閉合控制 環(huán)而得以控制，而閉合控制環(huán)的設(shè)立是通過測(cè)定液壓作為反饋?zhàn)兞慷鴮?shí)現(xiàn)的。在一些實(shí)施 例中，髖部執(zhí)行器扭矩可以通過在電機(jī)241上設(shè)立閉合控制環(huán)而得以控制遵循圖3所示的 軌道，而閉合控制環(huán)的設(shè)立是通過測(cè)定髖部執(zhí)行器扭矩或扭力作為反饋?zhàn)兞慷鴮?shí)現(xiàn)的。如圖7所示的實(shí)施例中，液壓回路194，除了其他元件之外，還包括水流調(diào)節(jié)控制 閥200，其可以使在液壓泵240周圍的液壓右邊髖部執(zhí)行器145的水流改道。在操作中，當(dāng) 液壓泵240使用時(shí)，水流調(diào)節(jié)控制閥200就關(guān)閉。在操作中，當(dāng)有必要減少能量消耗時(shí)，電機(jī) 241就不會(huì)供能。在那種情況下，水流調(diào)節(jié)控制閥200將會(huì)被打開，這樣不供能的電機(jī)241 和泵240將不會(huì)阻止右邊髖部執(zhí)行器145的運(yùn)動(dòng)。如圖8所示的實(shí)施例中，液壓回路194，除了其他元件之外，還包括三通閥242。在 操作中，當(dāng)動(dòng)力單元201對(duì)右邊髖部執(zhí)行器145提供水能時(shí)，三通閥242將液壓右邊髖部執(zhí) 行器145與液壓泵240連接。在操作中，當(dāng)有必要減少能量消耗時(shí)，電機(jī)241就不會(huì)供能。 在那種情況下，三通閥242將會(huì)使在液壓泵240周圍的液壓右邊髖部執(zhí)行器145的水流改 道，這樣不供能的電機(jī)241和泵240將不會(huì)阻止右邊髖部執(zhí)行器145的運(yùn)動(dòng)。液壓髖部執(zhí)行器145和146包括任何可以將加壓水流轉(zhuǎn)化為力或扭矩的液壓調(diào) 節(jié)器或液壓調(diào)節(jié)器的組合。液壓調(diào)節(jié)器包括但不限于線性活塞式液壓缸、旋轉(zhuǎn)液壓調(diào)節(jié) 器、齒輪齒條型旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)器和旋轉(zhuǎn)葉片式液壓執(zhí)行器，通過推擠運(yùn)動(dòng)表面，加壓水流產(chǎn)生力 或扭矩。水流調(diào)節(jié)控制閥200包括任何可以起控制作用的閥或閥的組合。水流調(diào)節(jié)控制閥200包括但不限于流量限制閥、壓力控制閥、針葉控制閥、電磁閥和雙位閥。 液壓泵240包括任何可以起控制作用的泵或泵組合。泵240包括但不限于齒輪 泵、葉輪泵、軸向活塞泵和徑向活塞泵。電機(jī)241包括任何可以驅(qū)動(dòng)液壓泵240的裝置和裝置的組合。電機(jī)241包括但不 限于AC(交流)電機(jī)、筆刷型DC(直流)電機(jī)、無刷DC電機(jī)、電子整流發(fā)電機(jī)(ECMs)、步進(jìn) 電機(jī)和其組合。盡管我們說電機(jī)241轉(zhuǎn)動(dòng)液壓泵240，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該知道電機(jī)241和 液壓泵240可以有其他無旋結(jié)合的形式，例如線性往復(fù)電機(jī)。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，下肢外骨骼100至少包括一個(gè)可以控制髖部執(zhí)行器 145和146的信號(hào)處理器159。信號(hào)處理器159包括選自以下類似裝置的元件或元件的組 合模擬計(jì)算模塊；數(shù)位元件，包括但不限于小規(guī)模，中規(guī)模和大規(guī)模集成電路，特殊領(lǐng)域 集成電路，編程門數(shù)組，編程邏輯數(shù)組；機(jī)電數(shù)組，固態(tài)開關(guān)，MOSFET開關(guān)和數(shù)位計(jì)算模塊 包括但不限于微電腦、微處理器、微控制器、編程邏輯控制器。在操作中，為了降低穿用者 的氧消耗，信號(hào)處理器159估計(jì)如圖3所示的扭矩曲線。然后這個(gè)扭矩由髖部執(zhí)行器145 和146在其各自的步態(tài)站立期產(chǎn)生。在一些髖部執(zhí)行器145和146為液壓調(diào)節(jié)器的實(shí)施例中，由電機(jī)241控制的信號(hào) 處理器159為髖部執(zhí)行器145和146估計(jì)扭矩曲線(如圖3所示)。由于扭矩是液壓和髖 部執(zhí)行器幾何學(xué)的函數(shù)，如圖8所示的實(shí)施例中，髖部執(zhí)行器扭矩可以通過在電機(jī)241上引 起閉合控制環(huán)(測(cè)定液壓作為反饋?zhàn)兞?而得以控制。壓力傳感器236測(cè)定水流的壓力， 信號(hào)處理器159確保壓力調(diào)整至預(yù)期值。在一些實(shí)施例中，可以控制髖部執(zhí)行器扭矩以遵 循圖3的結(jié)構(gòu)，這是通過測(cè)定髖部執(zhí)行器扭矩或力作為反饋?zhàn)兞?，而在電機(jī)241上引起閉合 控制環(huán)而實(shí)現(xiàn)的。在一些實(shí)施例中，信號(hào)處理器159安裝在外骨骼軀干109上。在另一些實(shí)施例中， 信號(hào)處理器159位于動(dòng)力單元201內(nèi)。信號(hào)處理器159可以為由液壓或氣壓回路組成的簡(jiǎn) 單的機(jī)械裝置，或其也可以包括電子元件。如圖9所示的實(shí)施例中，下肢外骨骼100的每個(gè)腿部支撐件至少包括一個(gè)站立傳 感器，其產(chǎn)生站立信號(hào)，提示腿部支撐件是否處于步態(tài)站立期。例如，腿部支撐件101包括 站立傳感器160，其產(chǎn)生站立信號(hào)219。站立信號(hào)219提示腿部支撐件101是否處于步態(tài)站 立期。同樣地，在圖6所示的實(shí)施例中，腿部支撐件102包括站立傳感器161，其產(chǎn)生站立 信號(hào)220。站立信號(hào)220提示腿部支撐件102是否處于步態(tài)站立期。在一些實(shí)施例中，站 立傳感器160和161分別與小腿連接件腿部支撐件101和102連接。在操作中，信號(hào)處理 器159根據(jù)圖3的形狀估計(jì)扭矩曲線，這取決于站立信號(hào)219和220提示腿部支撐件101 和102是處于步態(tài)站立期還是步態(tài)邁步期。在一些實(shí)施例中，站立傳感器160和161位于 人類鞋子(或靴子)鞋底內(nèi)。在一些實(shí)施例中，站立傳感器160和161位于人類鞋子(或 靴子)內(nèi)。在一些實(shí)施例中，站立傳感器160和161與人類鞋子或靴子底部連接。更進(jìn)一步地，觀察圖1所示的外骨骼的幾何學(xué)，外骨骼軀干109，加上其他的元件， 包括兩個(gè)髖部連接件114和115，其與髖部彎曲-伸展關(guān)節(jié)125和126處的大腿連接件103 和104旋轉(zhuǎn)連接，使腿部支撐件101和102分別繞髖部彎曲-伸展軸151和152彎曲和伸 展。在一些實(shí)施例中，髖部連接件114和115在髖部外展-內(nèi)收關(guān)節(jié)113彼此旋轉(zhuǎn)連接，使 腿部支撐件101和102外展和/或內(nèi)收。腿部支撐件101和102的外展和內(nèi)收分別用箭頭217和218表示。圖10所示為本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，其中外骨骼軀干109還包括髖部彈性元件 116，其在髖部連接件114和115之間施加扭矩。髖部彈性元件116包括但不限于人造橡膠、 橡皮拉力器、彈簧索和其組合。髖部彈性元件116的硬度應(yīng)當(dāng)為其力可以支撐住步態(tài)邁步 期的腿部支撐件101或102的重量。在一些實(shí)施例中，外骨骼軀干109為可以支撐人187后的后面負(fù)載118。圖11為 透視圖，其中外骨骼軀干109除了其他元件外，還包括連接支架117，其可以將后面負(fù)載118 的重量轉(zhuǎn)移至外骨骼軀干109。如圖12所示的實(shí)施例中，連接支架117還包括延伸框架119和120，用于支撐人 187前的前面負(fù)載154。后面負(fù)載118和前面負(fù)載154包括但不限于背包、童車、食品容器、 麻布袋、箱子、水壺、工具箱、桶、彈藥、武器、被褥、急救設(shè)備、高爾夫包、郵件袋、相機(jī)、一般 設(shè)備、吹風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、電機(jī)和其組合。在一些實(shí)施例中，后面負(fù)載118和/或前面負(fù)載154 可以為人187攜帶的另一個(gè)人。在一些實(shí)施例中，外骨骼軀干109通過人體上身結(jié)合組件 150支撐人187的一部分重量。如圖13所示的實(shí)施例中，還包括髖部外展阻止器211，其限制或阻止髖部連接件 114和115相對(duì)于彼此外展。如圖13所示的實(shí)施例中，髖部外展阻止器211利用鋼纜制備 而成。鋼纜髖部外展阻止器211阻止腿部支撐件101和102外展超過一定角度，但是允許 腿部支撐件101和102的外展。

圖14所示為另一個(gè)實(shí)施例的透視圖，其中外骨骼軀干109包括兩個(gè)髖部連接件 114和115，其與大腿連接件103和104旋轉(zhuǎn)連接，使腿部支撐件101和102相對(duì)于外骨骼 軀干109彎曲和伸展，其中髖部連接件114和115彼此連接，使腿部支撐件101和102外展 和/或內(nèi)收。如圖14所示的實(shí)施例中，這是通過片簧作為髖部彈性元件153而實(shí)現(xiàn)的。圖15所示為另一個(gè)實(shí)施例的透視圖，其中外骨骼軀干109，除了其他元件外，還包 括連接支架117，用于將后面負(fù)載118的重量轉(zhuǎn)移至外骨骼軀干109。外骨骼軀干還包括兩 個(gè)髖部連接件114和115，其與大腿連接件103和104旋轉(zhuǎn)連接，使腿部支撐件101和102 相對(duì)于外骨骼軀干109彎曲和伸展。髖部連接件114和115通過兩個(gè)髖部外展-內(nèi)收關(guān)節(jié) 176和177而與連接支架117旋轉(zhuǎn)連接，繞兩個(gè)髖部外展-內(nèi)收軸178和179旋轉(zhuǎn)。在一些 實(shí)施例中，髖部外展-內(nèi)收軸178和179通常彼此平行。在一些實(shí)施例中，髖部外展-內(nèi)收 關(guān)節(jié)176和177彼此相同。而且，如圖9-12所示的實(shí)施例中，髖部外展-內(nèi)收關(guān)節(jié)176和 177彼此相同，形成髖部外展-內(nèi)收關(guān)節(jié)113，而髖部外展-內(nèi)收軸178和179變?yōu)橐粋€(gè)髖 部外展-內(nèi)收軸112。如圖16所示的實(shí)施例中，外骨骼軀干109還包括髖部外展-內(nèi)收彈性元件121和 122，其對(duì)髖部連接件114和115、以及連接支架117之間提供扭矩。髖部外展_內(nèi)收彈性 元件包括但不限于拉伸彈簧、壓縮彈簧、氣壓彈簧、氣墊、橡膠、橡皮拉力器、彈簧索和其組 合。髖部外展-內(nèi)收彈性元件121和122的硬度應(yīng)當(dāng)為其力可以在步態(tài)邁步期時(shí)支撐腿部 支撐件101和102的重量，有助于人行走時(shí)使負(fù)載垂直。如圖17所示的實(shí)施例中，髖部連接件114和115與連接支架117連接。在如17 所示的實(shí)施例中，這是通過髖部彈性元件153(在該實(shí)施例中為片簧)而實(shí)現(xiàn)的。如圖17所示的實(shí)施例中，外骨骼軀干109包括背包框架180，可以使背包與下肢外骨骼100連接。在一些實(shí)施例中，背包框架180與連接支架117連接。在該圖中，為清楚 起見，省略了上身結(jié)合組件150(如帶子和肩帶)；然而，在一些實(shí)施例中，上身結(jié)合組件150 可以與背包框架180或連接支架117連接。圖18為 另一個(gè)實(shí)施例的透視圖，其中腿部支撐件101和102還包括大腿外展-內(nèi) 收關(guān)節(jié)123和124，其使腿部支撐件101和102分別繞外展-內(nèi)收軸202和203外展和/或 內(nèi)收。在一些實(shí)施例中，大腿外展-內(nèi)收關(guān)節(jié)123和124位于髖部彎曲-伸展關(guān)節(jié)125和 126之下。這些關(guān)節(jié)在圖19中放大了，其是圖18中相同實(shí)施例的部分示意圖。如圖19所示的實(shí)施例中，右邊腿部支撐件101包括大腿內(nèi)收阻止器185，其限制或 阻止右邊大腿連接件103在大腿外展-內(nèi)收關(guān)節(jié)123和124處內(nèi)收。右邊腿部支撐件101 的外展和內(nèi)收分別用箭頭227和228表示。在圖19所示的實(shí)施例中，右邊大腿外展-內(nèi)收 關(guān)節(jié)123包括大腿內(nèi)收阻止器185，其承載在大腿阻止器表面186上。大腿內(nèi)收阻止器185 限制大腿外展_內(nèi)收關(guān)節(jié)123內(nèi)收。在步態(tài)站立期右邊大腿外展_內(nèi)收關(guān)節(jié)123的自由 內(nèi)收使右邊髖部連接件114在站立時(shí)沿著箭頭204向下運(yùn)動(dòng)，從而減少負(fù)載。這種大腿外 展-內(nèi)收關(guān)節(jié)123和124的僅內(nèi)收關(guān)節(jié)有利于使人自然蹲坐。在一些實(shí)施例中，如圖18和 19所示，這種內(nèi)收關(guān)節(jié)通常位于髖部彎曲_伸展關(guān)節(jié)125和126之下。如圖18和19所示的實(shí)施例中，腿部支撐件101和102還包括腿部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)127 和128，使腿部支撐件101和102可以旋轉(zhuǎn)。腿部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)127和128通常位于膝關(guān)節(jié)107 和108之上。線164和165表示腿部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)127和128的腿部旋轉(zhuǎn)軸。圖19和20中， 這是通過在右邊髖部旋轉(zhuǎn)軸166和右邊髖部旋轉(zhuǎn)軸頸168之間提供滑動(dòng)觸點(diǎn)而實(shí)現(xiàn)的。為 簡(jiǎn)單起見，省略了阻止拉開的關(guān)節(jié)中的部分，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知道有很多使軸保 留在軸頸中的方法。如圖20所示的實(shí)施例中，腿部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)127和128還包括旋轉(zhuǎn)彈性元件129。該 旋轉(zhuǎn)彈性元件129作為抗扭彈簧，提供回復(fù)扭矩，如圖18所示，該回復(fù)扭矩使腿部支撐件從 伸展位置回復(fù)到中間位置。旋轉(zhuǎn)彈性元件129可以用很多方式制備，當(dāng)使用彈性材料來制 備該元件時(shí)，如圖20所示截面圖尤其有利。為利于說明，旋轉(zhuǎn)彈性元件129部分偏離。如圖19和20所示的實(shí)施例中，腿部支撐件101和102還包括壓縮-延長(zhǎng)裝置131 和132，其可以改變外骨骼軀干109和各自的膝蓋彎曲-伸展關(guān)節(jié)107和108之間的距離。 在一些實(shí)施例中，壓縮_延長(zhǎng)裝置131和132可以改變髖部彎曲-伸展關(guān)節(jié)125和126與 各自的彎曲_伸展膝關(guān)節(jié)107和108之間的距離。壓縮-延長(zhǎng)裝置通過使右邊髖部旋轉(zhuǎn)軸 166滑進(jìn)右邊髖部旋轉(zhuǎn)軸頸(只展示了右邊腿部支撐件101)而收縮。腿部旋轉(zhuǎn)彈性元件 129可以滑進(jìn)間隙腔170里。在一些實(shí)施例中，壓縮-延長(zhǎng)裝置131和132還包括右邊腿部 壓縮-延長(zhǎng)彈性元件133。腿部壓縮-延長(zhǎng)彈性元件起彈簧的作用，提供回復(fù)力，該回復(fù)力 使腿部支撐件從伸展結(jié)構(gòu)回復(fù)到中間結(jié)構(gòu)。在圖20所示的實(shí)施例中，以螺旋壓縮彈簧來說 明。如圖18所示的實(shí)施例中，外骨骼髖部機(jī)械外蓋171可以覆蓋外骨骼的一些元件， 包括部分髖部連接件114和115、髖部彈性元件153或外展-內(nèi)收髖部彈性元件121和122。如圖18所示的實(shí)施例中，腿部支撐件101和102還包括外骨骼足部139和140， 其分別與小腿連接件105和106連接，使小腿連接件105和106的力轉(zhuǎn)移至地面。在操作 中，外骨骼足部139和140與人187的足部連接。如圖18所示的實(shí)施例中，與人的足部連接是通過使用 蛤殼式固定裝置205和206而實(shí)現(xiàn)的，這就像有時(shí)在現(xiàn)代滑雪鞋上所見。然而， 有許多方法可以實(shí)現(xiàn)連接，如在不同類型的滑雪橇、滑雪板、滑雪鞋和其他這樣的設(shè)備中可 見。如圖21所示的實(shí)施例中，外骨骼足部139和140包括外骨骼鞋188和189，由人187穿 著，從而使外骨骼足部139和140與人187的足部連接。如圖22所示的實(shí)施例中，外骨骼 足部139和140包括外骨骼鞋墊157和158，可插入到人的鞋內(nèi)，使外骨骼足部139和140 與人187的足部連接。鞋墊157和158是靈活的，從而在人運(yùn)動(dòng)如蹲坐時(shí)可以與人的足部 的彎曲度相配合。而且鞋墊側(cè)面支撐件212可以具有模仿人類足部踝運(yùn)動(dòng)的自由度。如圖18所示的實(shí)施例中，外骨骼足部139和140與小腿連接件105和106連接。 這是利用踝彈性元件181和182實(shí)現(xiàn)的。圖23展示了右邊外骨骼足部139的特寫圖。在 該實(shí)施例中，右邊踝彈性元件181是由被圓環(huán)形橡膠元件230環(huán)繞的金屬球窩式關(guān)節(jié)231 而構(gòu)成，其在所有旋轉(zhuǎn)方向都具有可塑性。在一些實(shí)施例中，外骨骼足部139和140繞相對(duì)于小腿連接件105和106的兩個(gè)跖 屈_背屈軸旋轉(zhuǎn)。圖24為這種外骨骼的實(shí)施例，其中右腳踝跖屈_背屈軸172通常與人腳 踝的跖屈_背屈軸平行。在一些實(shí)施例中，每個(gè)腿部支撐件還包括至少一個(gè)腳踝跖屈_背 屈彈性元件141，可以抵抗每個(gè)外骨骼足部繞右腳踝跖屈-背屈軸172的旋轉(zhuǎn)。在一些實(shí)施例中，外骨骼足部139和140繞相對(duì)于小腿連接件105和106的兩個(gè) 腳踝外展_內(nèi)收軸而旋轉(zhuǎn)。圖25為這樣的外骨骼的實(shí)施例，其中右腳踝外展_內(nèi)收軸174 通常與人腳踝的外展-內(nèi)收軸平行。在一些實(shí)施例中，每個(gè)腿部支撐件還包括至少一個(gè)腳 踝外展_內(nèi)收彈性元件142，可以抵抗右邊外骨骼足部139繞右腳踝外展-內(nèi)收軸174的旋 轉(zhuǎn)。在一些實(shí)施例中，外骨骼足部139和140繞相對(duì)于小腿連接件105和106的兩個(gè) 腳踝旋轉(zhuǎn)軸而旋轉(zhuǎn)。如圖26所示的實(shí)施例中，其是利用小腿旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)207而實(shí)現(xiàn)的，其功 能與腿部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)127相似。圖26為這樣的外骨骼的實(shí)施例，其中右腳踝旋轉(zhuǎn)軸147通常 與人腳踝的旋轉(zhuǎn)軸平行。在一些實(shí)施例中，腳踝處可以包括彈性元件，其可以抵抗右邊外骨 骼足部139繞右邊腳踝旋轉(zhuǎn)軸147的旋轉(zhuǎn)。代謝試驗(yàn)表明與不使用外骨骼100來攜帶重物相比，當(dāng)使用外骨骼100來攜帶重 物時(shí)，氧消耗降低了。圖27總結(jié)了四次試驗(yàn)。在每個(gè)試驗(yàn)中，前面穿著14. 3kg的馬甲(在 外骨骼試驗(yàn)中懸掛在外骨骼上)，外部框架背包上連接有21. Ikg的負(fù)載(在外骨骼試驗(yàn)中 連接在外骨骼100上)，背包的重心位于受試者后背后20cm處。此外，受試者穿戴1. 4kg頭 盔(沒有經(jīng)外骨骼100攜帶)。每個(gè)試驗(yàn)進(jìn)行10分鐘，平均最后兩分鐘的數(shù)據(jù)。外骨骼100 如前所述產(chǎn)生扭矩曲線。與不使用外骨骼100相比，當(dāng)使用外骨骼100時(shí)每個(gè)受試者的代 謝率下降14%。如圖28所示的實(shí)施例中，站立傳感器160和161整合進(jìn)外骨骼足部139和140內(nèi)。 在圖28所示的實(shí)施例中，站立傳感器160是測(cè)定媒介191的壓力的壓力傳感器，位于右邊 外骨骼足部139內(nèi)的站立傳感器孔洞內(nèi)。圖23所示的實(shí)施例中，試管被用作站立傳感器孔 洞192。在某些情況下，站立信號(hào)219和220可以表現(xiàn)為媒介191的形式，在小試管內(nèi)從站 立傳感器孔洞192傳送站立信號(hào)219和220到信號(hào)處理器159。圖29為另一個(gè)實(shí)施例，其中站立傳感器160為與右邊外骨骼足部139相連的力傳 感器。在圖30所示的實(shí)施例中，站立傳感器160位于人的鞋內(nèi)如鞋墊內(nèi)，其輸出的信號(hào)表示人足部底的氣力。這種類型在本發(fā)明圖21或22所示的實(shí)施例中尤其有利。如圖31所 示的實(shí)施例中，站立傳感器160與人鞋底相連，感應(yīng)人足部底的氣力。如圖32所示的實(shí)施 例中，站立傳感器160位于人的鞋墊內(nèi)，感應(yīng)人足部底的氣力。在一些實(shí)施例中，站立傳感 器160和161分別與小腿連接件105和106相連。站立傳感器包括有指示功能的任何傳感器或傳感器的組合。站立傳感器160包括 但不限于力傳感器、基于應(yīng)變計(jì)的力傳感器、壓電力傳感器、氣力感應(yīng)電阻器、壓力傳感器、 電閘、磁帶交換器和其組合。在一些實(shí)施例中，站立傳感器160為開關(guān)，表示存在的力大于 人187的足部底的臨界力。圖33所示為附加的大腿外展_內(nèi)收關(guān)節(jié)235，包含在外骨骼內(nèi)以使腿部在沒有使 用外骨骼、但需要攜帶時(shí)，可以放置在垂直位置。右邊腿部支撐件101可以沿著附加的右邊 大腿外展-內(nèi)收軸237而外展(如圖34所示)。這在人187不再攜帶非常重的負(fù)載但需要 搬運(yùn)下肢外骨骼100時(shí)是可取的。在那種情況下，操作者可以解開外骨骼的右邊腿部支撐 件101，朝外邁腿直到右邊外骨骼足部139超過操作者的頭部。然后通過彎曲右邊膝關(guān)節(jié) 107和/或旋轉(zhuǎn)右邊腿部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)127，腿部可以裝載在操作者的后面，如圖33所示。這是 可能發(fā)生的，因?yàn)橛疫叴笸韧庹?內(nèi)收關(guān)節(jié)123和附加的右邊大腿外展-內(nèi)收關(guān)節(jié)125允許 分別繞右邊大腿外展_內(nèi)收軸202和附加的右邊大腿外展-內(nèi)收軸237旋轉(zhuǎn)約90度。因 此總的外展超過180度。這可通過一個(gè)能夠做180°外展-內(nèi)收運(yùn)動(dòng)的大腿外展_內(nèi)收關(guān) 節(jié)而實(shí)現(xiàn)，但是設(shè)計(jì)這樣一個(gè)關(guān)節(jié)會(huì)使設(shè)計(jì)者將關(guān)節(jié)的樞轉(zhuǎn)點(diǎn)從操作者處向外移動(dòng)很多， 這會(huì)導(dǎo)致外骨骼更寬。這是一種 不可取的但可行的替代性設(shè)計(jì)。在一些實(shí)施例中，下肢外骨骼100 (如圖1所示)包括兩個(gè)扭矩發(fā)生器110和111， 其使膝關(guān)節(jié)107和108在步態(tài)邁步期彎曲，阻止膝關(guān)節(jié)107和108在步態(tài)站立期彎曲，從而 使下肢外骨骼100承受負(fù)載，將負(fù)載力(如負(fù)載重)轉(zhuǎn)移至地面。在一些實(shí)施例中，扭矩發(fā)生器110和111為液壓扭矩發(fā)生器。這些實(shí)施例中，扭矩 發(fā)生器110和111為活塞式液壓缸，其中活塞相對(duì)于汽缸的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生流入或流出汽缸的液 壓水流。在操作中，流入或流出汽缸的液壓水流可以利用液壓閥控制。液壓閥的孔徑越小， 在給定速度下，需要更多的力以使活塞相對(duì)于汽缸運(yùn)動(dòng)。也就是說，活塞相對(duì)于汽缸運(yùn)動(dòng)需 要的阻尼越大，液壓閥孔徑尺寸就應(yīng)當(dāng)越小。如果液壓閥孔徑很大，這樣只需要小的力量就 可以使活塞相對(duì)于汽缸運(yùn)動(dòng)。在這里，液壓扭矩發(fā)生器110和111的阻抗定義為需要的力 量與頻率范圍內(nèi)的速度的比例。根據(jù)這個(gè)定義，液壓閥孔徑尺寸越小，液壓扭矩發(fā)生器的阻 抗就越大。如圖35所示的實(shí)施例中，扭矩發(fā)生器110和111為液壓旋轉(zhuǎn)阻尼器，其產(chǎn)生的扭 矩可以由液壓閥控制。液壓閥孔徑尺寸越小，在給定的速度下，需要更大的扭矩以使液壓旋 轉(zhuǎn)阻尼器旋轉(zhuǎn)。也就是說，旋轉(zhuǎn)液壓旋轉(zhuǎn)阻尼器需要的阻尼越大，液壓閥孔徑尺寸就應(yīng)當(dāng)越 小。在這里，液壓旋轉(zhuǎn)阻尼器110和111的阻抗定義為需要的扭矩與頻率范圍內(nèi)的角速度 的比例。根據(jù)這個(gè)定義，液壓閥孔徑尺寸越小，液壓旋轉(zhuǎn)阻尼器的阻抗就越大。在一些實(shí)施例中，扭矩發(fā)生器110和111為摩擦制動(dòng)器，其中一個(gè)可以通過控制摩 擦扭矩而控制膝關(guān)節(jié)107和108的電阻扭矩。在另一些實(shí)施例中，扭矩發(fā)生器110和111 是基于摩擦制動(dòng)器的粘性，其中一個(gè)可以通過控制液體的粘度而控制膝關(guān)節(jié)107和108的 電阻扭矩。在另一些實(shí)施例中，扭矩發(fā)生器110和111為磁流變液體設(shè)備，其中一個(gè)可以通過控制磁流變液體的粘度而控制膝關(guān)節(jié)107和108的電阻扭矩。本領(lǐng)域技術(shù)人員知道上述 任意一種設(shè)備可以安裝在本發(fā)明中，以圖35所示的液壓旋轉(zhuǎn)阻尼器相應(yīng)的方式運(yùn)作。在一些實(shí)施例中，信號(hào)處理器159用于控制扭矩發(fā)生器110和111。信號(hào)處理器 159控制膝關(guān)節(jié)107和108彎曲的阻力，就像站立信號(hào)219和220的功能。例如，當(dāng)右邊站 立傳感器160檢測(cè)到右邊腿部支撐件101處于步態(tài)站立期時(shí)，信號(hào)處理器159將增加右邊 扭矩發(fā)生器110的阻尼，這樣右邊膝關(guān)節(jié)107抵抗彎曲。相反，當(dāng)右邊站立傳感器160檢測(cè) 右邊腿部支撐件101處于步 態(tài)邁步期時(shí)，信號(hào)處理器159將降低右邊扭矩發(fā)生器110的阻 尼，這樣右邊膝關(guān)節(jié)107彎曲不受阻力。同樣的，當(dāng)站立傳感器160檢測(cè)到左邊腿部支撐件 102處于步態(tài)站立期時(shí)，信號(hào)處理器159將增加左邊扭矩發(fā)生器111的阻尼，這樣左邊膝關(guān) 節(jié)108抵抗彎曲。相反，當(dāng)左邊站立傳感器161檢測(cè)左邊腿部支撐件102處于步態(tài)邁步期 時(shí)，信號(hào)處理器159將降低左邊扭矩發(fā)生器111的阻尼，這樣左邊膝關(guān)節(jié)108彎曲不受阻 力。扭矩發(fā)生器110和111的大阻尼導(dǎo)致步態(tài)站立期膝關(guān)節(jié)107和108彎曲需要的阻力大。 相反，扭矩發(fā)生器110和111的小阻尼導(dǎo)致步態(tài)邁步期膝關(guān)節(jié)107和108彎曲需要的阻力 小。在一些實(shí)施例中，信號(hào)處理器159安裝在扭矩發(fā)生器110和111上。在實(shí)際中，在步態(tài)站立期膝關(guān)節(jié)107和108彎曲需要的阻力不是常數(shù)。在一些實(shí) 施例中，步態(tài)站立期初期(站立周期的起始20% )彎曲的阻力可能極高(即膝關(guān)節(jié)107和 108在站立初期是鎖定的)。步態(tài)站立期中期(站立周期的20%-80%)彎曲的阻力下降， 但膝關(guān)節(jié)107和108還是可以彎曲一定角度。步態(tài)站立期末期(站立周期的最后20%)彎 曲的阻力很低，但仍為非零，這樣膝關(guān)節(jié)107和108可以彎曲，為步態(tài)邁步期做準(zhǔn)備。在一些實(shí)施例中，腿部支撐件101和102使膝關(guān)節(jié)107和108在步態(tài)邁步期可以 分別彎曲，通過鎖定膝蓋而抵抗步態(tài)站立期膝關(guān)節(jié)107和108的分別彎曲。圖36所示為鎖 定的膝蓋。實(shí)際上，圖36所示為兩種位置的右邊腿部支撐件101。更具體地，右邊小腿連接 件105包括小腿阻止器209，其在膝蓋高度伸展時(shí)支撐在大腿阻止器210上。處于高度伸展 的右邊膝關(guān)節(jié)107的角度用圖36A來說明。由于這個(gè)角度小于180度，膝關(guān)節(jié)107或108 接近高度伸展時(shí)將“過中心”，意味著如果腿部支撐件101或102有壓縮負(fù)載，膝蓋將背著阻 止器而鎖定，就是如圖36中所說明的右邊腿部支撐件101的情況。有了這個(gè)認(rèn)識(shí)，本領(lǐng)域 技術(shù)人員知道不同的過中心機(jī)制都可用于促使腿部支撐件上的負(fù)載向量經(jīng)過膝關(guān)節(jié)前面。在一些實(shí)施例中，下肢外骨骼100還包括促使膝關(guān)節(jié)107和108彎曲的膝蓋彈性 元件232。這減少了步態(tài)邁步期彎曲膝關(guān)節(jié)107和108所需要的人的力量。在一些實(shí)施例， 如圖37所示，膝蓋彈性元件232與扭矩發(fā)生器110和111平行。如圖38所示的實(shí)施例中， 膝蓋彈性元件232與扭矩發(fā)生器110和111串聯(lián)。在一些實(shí)施例中，下肢外骨骼100包括 促使膝關(guān)節(jié)107和108伸展的膝蓋彈性元件232。一般來說，根據(jù)本發(fā)明，有很多方法和位 置來安裝膝蓋彈性元件232以促使膝關(guān)節(jié)107和108的彎曲和/或伸展。可以知道，膝蓋 彈性元件232還可以用于圖36所示的外骨骼中。根據(jù)試驗(yàn)，本發(fā)明的外骨骼顯著減少了穿用者的氧消耗。在評(píng)價(jià)過程中，當(dāng)使用本 發(fā)明的外骨骼，以2MPH的速度沒有有效負(fù)載步行時(shí)，使用者的氧消耗減少5-12%。當(dāng)使用 者攜帶負(fù)載時(shí)，效果更顯著。例如，當(dāng)使用本發(fā)明的外骨骼，2MPH的速度，攜帶81磅負(fù)載時(shí)， 使用者的氧消耗減少15%。因此，本發(fā)明的負(fù)載外骨骼使使用者的氧消耗顯著減少。盡管 描述了不同的模擬實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員知道，在任何情況下，對(duì)本發(fā)明作出的不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的不同的變化和/或修改，均應(yīng)當(dāng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。因此,不同的實(shí)施 例僅是示例性說明，而非起限制性作用。本發(fā)明的保護(hù)范圍以以下權(quán)利要求書為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種下肢外骨骼，該下肢外骨骼可與人連接；所述下肢外骨骼除了其他元件外，還 包括與使用者的上肢連接的外骨骼軀干；第一腿部支撐件和第二腿部支撐件，每個(gè)腿部 支撐件分別包括可旋轉(zhuǎn)地連接至外骨骼軀干的大腿連接件，其中所述第一腿部支撐件和第 二腿部支撐件與使用者的下肢連接，且在步態(tài)站立期擱置在地面上，在步態(tài)邁步期相對(duì)于 地面運(yùn)動(dòng)；第一髖部執(zhí)行器和第二髖部執(zhí)行器，分別在所述外骨骼軀干和所述第一和第二 腿部支撐件之間產(chǎn)生扭矩；至少一個(gè)動(dòng)力單元，除了其他元件外，該動(dòng)力單元可以為所述髖 部執(zhí)行器提供能量，其中，在穩(wěn)定行走的每個(gè)周期中，所述動(dòng)力單元以以下方式激活所述髖 部執(zhí)行器a)當(dāng)所述第一腿部支撐件撞擊地面且進(jìn)入步態(tài)站立期時(shí)，所述第一腿部支撐件 的髖部執(zhí)行器快速產(chǎn)生第一單向扭矩，使所述第一腿部支撐件相對(duì)于所述外骨骼軀干向后 運(yùn)動(dòng)，因而向前推動(dòng)所述外骨骼軀干，直至所述第二腿部支撐件撞擊地面時(shí)為止，b)當(dāng)所述 第二腿部支撐件撞擊地面且進(jìn)入步態(tài)站立期時(shí)，所述第二腿部支撐件的髖部執(zhí)行器快速產(chǎn) 生第二單向扭矩，該第二單向扭矩使所述第一腿部支撐件相對(duì)于所述外骨骼軀干在一個(gè)方 向上向前運(yùn)動(dòng)，直至所述第一腿部支撐件離開地面時(shí)為止。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述第二單向扭矩比所述第一單 向扭矩小。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述第一單向扭矩為常數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的下肢外骨骼，其特征在于，所示第二單向扭矩為常數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述第一腿部支撐件離開所述地 面并進(jìn)入步態(tài)邁步期時(shí)，所述第一腿部支撐件的髖部執(zhí)行器產(chǎn)生邁步扭矩，以使所述第一 腿部支撐件相對(duì)于所述外骨骼軀干向前運(yùn)動(dòng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述邁步扭矩等于所述第二單向 扭矩。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的下肢外骨骼，其特征在于，當(dāng)所述第一腿部支撐件處于步態(tài) 站立期、且所述第二腿部支撐件處于步態(tài)邁步期時(shí)，所述第一單向扭矩的值下降。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述髖部執(zhí)行器施加到所述外骨 骼軀干上的扭矩總和總是作用在髖部伸展方向上。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述髖部執(zhí)行器施加到所述外骨 骼軀干上的扭矩總和為常數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述髖部執(zhí)行器施加到所述外骨 骼軀干上的扭矩總和在任何時(shí)候都不低于其最大值的50%。
11.根據(jù)權(quán)利要求5所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述髖部執(zhí)行器施加到所述外骨 骼軀干上的扭矩總和總是作用于髖部伸展方向。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述髖部執(zhí)行器施加到所述外 骨骼軀干上的扭矩總和為常數(shù)。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述髖部執(zhí)行器施加到所述外 骨骼軀干上的扭矩總和在任何時(shí)候都不低于其最大值的50%。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述第二單向扭矩為零。
15.根據(jù)權(quán)利要求5所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述邁步扭矩在步態(tài)邁步期是單 向的。
16.根據(jù)權(quán)利要求5所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述邁步扭矩為零。
17.根據(jù)權(quán)利要求5所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述邁步扭矩的幅度在整個(gè)步態(tài) 邁步期是逐漸減小的。
18.根據(jù)權(quán)利要求5所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述邁步扭矩等于所述第二單向扭矩。
19.根據(jù)權(quán)利要求5所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述邁步扭矩以等于所述第二單 向扭矩的值開始，然后在整個(gè)步態(tài)邁步期逐漸減小。
20.根據(jù)權(quán)利要求5所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述邁步扭矩在步態(tài)邁步期的后 期接近為零。
21.根據(jù)權(quán)利要求5所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述邁步扭矩的幅度在整個(gè)步態(tài) 邁步期逐漸減小，直至所述邁步扭矩在步態(tài)邁步期的后期改變方向。
22.根據(jù)權(quán)利要求5所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述邁步扭矩包括一個(gè)扭矩，該 扭矩與所述第一腿部支撐件相對(duì)于所述外骨骼軀干的角速度成比例，且該扭矩作用在增加 所述角速度的方向上。
23.根據(jù)權(quán)利要求5所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述邁步扭矩包括一個(gè)扭矩，該 扭矩與所述第一腿部支撐件相對(duì)于地面的角速度成比例，且該扭矩作用在增加所述角速度 的方向上。
24.根據(jù)權(quán)利要求5所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述邁步扭矩包括一個(gè)扭矩，該 扭矩與所述第一腿部支撐件相對(duì)于所述外骨骼軀干的角加速度成比例，且該扭矩作用在增 加所述角加速度的方向上。
25.根據(jù)權(quán)利要求5所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述邁步扭矩包括一個(gè)扭矩，該 扭矩與所述第一腿部支撐件相對(duì)于地面的角加速度成比例，且該扭矩作用在增加所述角加 速度的方向上。
26.根據(jù)權(quán)利要求5所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述邁步扭矩包括一個(gè)扭矩，該 扭矩與所述第一腿部支撐件相對(duì)于所述外骨骼軀干的髖部角度的正弦值成比例，且該扭矩 作用在所述第一腿部支撐件的重力方向的反方向上。
27.根據(jù)權(quán)利要求5所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述邁步扭矩包括一個(gè)扭矩，該 扭矩與所述第一腿部支撐件相對(duì)于地面的髖部角度的正弦值成比例，且該扭矩作用在所述 第一腿部支撐件的重力方向的反方向上。
28.根據(jù)權(quán)利要求5所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述第一單向扭矩是與所述腿部 支撐件在步態(tài)邁步期的所述邁步扭矩的負(fù)值成比例的項(xiàng)的總和。
29.根據(jù)權(quán)利要求1所述的下肢外骨骼，其特征在于，每個(gè)所述髖部執(zhí)行器包括液壓髖 部執(zhí)行器。
30.根據(jù)權(quán)利要求28所述的下肢外骨骼，其特征在于，能夠提供液壓能量的所述動(dòng)力 單元包括至少一個(gè)液壓回路，且該動(dòng)力單元還對(duì)流入和流出所述液壓髖部執(zhí)行器的液壓流 體流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，所述液壓回路可連接至至少一個(gè)所述液壓髖部執(zhí)行器。
31.根據(jù)權(quán)利要求28所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述液壓髖部執(zhí)行器為活塞式 液壓缸。
32.根據(jù)權(quán)利要求28所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述液壓髖部執(zhí)行器為旋轉(zhuǎn)葉片式液壓執(zhí)行器。
33.根據(jù)權(quán)利要求29所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述液壓回路除其他元件外，還 包括與電機(jī)連接的液壓泵，其中所述液壓泵將液壓流體注入所述腿部支撐件的所述液壓髖 部執(zhí)行器。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述液壓回路除其他元件外，還 包括與所述液壓泵連接的液壓儲(chǔ)油器，且所述液壓回路容納所述液壓流體。
35.根據(jù)權(quán)利要求33所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述液壓回路除其他元件外，還 包括流量限制閥，該流量限制閥能夠在所述液壓泵未使用時(shí)，改變液壓流體環(huán)繞所述液壓 泵的流動(dòng)方向。
36.根據(jù)權(quán)利要求33所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述液壓回路除其他元件外， 還包括三通閥，當(dāng)液壓泵使用時(shí)，所述三通閥將所述液壓髖部執(zhí)行器連接至所述液壓泵；否 貝U，當(dāng)液壓泵未使用時(shí)，所述三通閥改變液壓流體環(huán)繞所述液壓泵的流動(dòng)方向。
37.根據(jù)權(quán)利要求1所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述外骨骼還包括至少一個(gè)信號(hào) 處理器，所述信號(hào)處理器除了其他任務(wù)外、還控制所述髖部執(zhí)行器。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述信號(hào)處理器包括一個(gè)元件 或多個(gè)元件的組合，所述元件選自模擬裝置；模擬計(jì)算模塊；數(shù)字裝置，包括但不限于小 規(guī)模集成電路、中規(guī)模集成電路、大規(guī)模集成電路、特定應(yīng)用集成電路、可編程門陣列和可 編程邏輯陣列；數(shù)字計(jì)算模塊，包括但不限于微型計(jì)算機(jī)、微處理器、微控制器、可編程邏 輯控制器。
39.根據(jù)權(quán)利要求37所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述信號(hào)處理器包括一個(gè)元件 或多個(gè)元件的組合，所述元件選自機(jī)電繼電器、固態(tài)開關(guān)或MOSFET開關(guān)。
40.根據(jù)權(quán)利要求37所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述信號(hào)處理器計(jì)算所述扭矩 曲線。
41.根據(jù)權(quán)利要求37所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述信號(hào)處理器控制處于步態(tài) 站立期的所述腿部支撐件的髖部執(zhí)行器，以在每個(gè)穩(wěn)定步行周期確保a)當(dāng)?shù)谝煌炔恐?件撞擊地面且進(jìn)入步態(tài)站立期時(shí)，所述第一腿部支撐件的髖部執(zhí)行器快速產(chǎn)生第一單向扭 矩，使所述第一腿部支撐件相對(duì)于所述外骨骼軀干向后運(yùn)動(dòng)，因而向前推動(dòng)所述外骨骼軀 干，直至所述第二腿部支撐件撞擊地面時(shí)為止，b)當(dāng)所述第二腿部支撐件撞擊地面且進(jìn)入 步態(tài)站立期時(shí)，所述第二腿部支撐件的髖部執(zhí)行器快速產(chǎn)生第二單向扭矩，以使所述第一 腿部支撐件相對(duì)于所述外骨骼軀干向前運(yùn)動(dòng)，直至所述第一腿部支撐件離開地面時(shí)為止。
42.根據(jù)權(quán)利要求37所述的下肢外骨骼，其特征在于，每個(gè)腿部支撐件還包括至少一 個(gè)站立傳感器，所述站立傳感器產(chǎn)生指示所述腿部支撐件是否處于步態(tài)站立期的站立信 號(hào)，當(dāng)所述站立信號(hào)指示所述腿部支撐件處于步態(tài)站立期時(shí)，所述信號(hào)處理器產(chǎn)生所述扭 矩曲線。
43.根據(jù)權(quán)利要求1所述的下肢外骨骼，其特征在于，每個(gè)所述腿部支撐件還包括外骨 骼足部，所述外骨骼足部與所述人的足部和所述小腿連接件相連，以使來自所述小腿連接 件的力轉(zhuǎn)移至地面。
44.根據(jù)權(quán)利要求1所述的下肢外骨骼，其特征在于，每個(gè)所述腿部支撐件還包括至少 一個(gè)站立傳感器，所述站立傳感器產(chǎn)生站立信號(hào)，以指示所述腿部支撐件是否處于步態(tài)站立期。
45.根據(jù)權(quán)利要求44所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述站立傳感器與所述腿部支 撐件的小腿連接件連接。
46.根據(jù)權(quán)利要求44所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述站立傳感器位于人的鞋內(nèi)。
47.根據(jù)權(quán)利要求44所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述站立傳感器位于人的鞋底內(nèi)。
48.根據(jù)權(quán)利要求44所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述站立傳感器與人的鞋的底 部連接。
49.根據(jù)權(quán)利要求43所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述外骨骼足部包括至少一個(gè) 站立傳感器，以產(chǎn)生指示所述腿部支撐件是否處于步態(tài)站立期的站立信號(hào)。
50.根據(jù)權(quán)利要求1所述的下肢外骨骼，其特征在于，每個(gè)所述腿部支撐件還包括扭矩 發(fā)生器，每個(gè)扭矩發(fā)生器用于在步態(tài)邁步期使各自相應(yīng)的膝關(guān)節(jié)能夠彎曲，而在步態(tài)站立 期阻止各自相應(yīng)的膝關(guān)節(jié)彎曲、以將力轉(zhuǎn)移到地面。
51.根據(jù)權(quán)利要求50所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述扭矩發(fā)生器為活塞式液壓 缸，其中所述活塞式液壓缸的阻力可以通過控制液壓閥內(nèi)的流體流量而得到控制。
52.根據(jù)權(quán)利要求1所述的下肢外骨骼，其特征在于，每個(gè)所述腿部支撐件還包括扭矩 發(fā)生器，其中，每個(gè)所述扭矩發(fā)生器包括活塞式液壓缸；而所述動(dòng)力單元除了其他元件外， 還包括至少一個(gè)與所述活塞式液壓缸相連的膝蓋液壓回路；所述膝蓋液壓回路調(diào)節(jié)流向所 述活塞式液壓缸的流體流量。
53.根據(jù)權(quán)利要求52所述的下肢外骨骼，其特征在于，當(dāng)腿部支撐件處于步態(tài)站立期 時(shí)，所述膝蓋液壓回路增大處于步態(tài)站立期的腿部支撐件的所述膝關(guān)節(jié)的彎曲阻力。
54.一種利用外骨骼裝置來減少人在步行周期中的氧消耗的方法，所述外骨骼裝置與 人連接，且包括至少一個(gè)動(dòng)力單元；第一腿部支撐件和第二腿部支撐件，所述第一腿部支 撐件和第二腿部支撐件與外骨骼軀干可旋轉(zhuǎn)地連接，并在步態(tài)站立期時(shí)擱置在地面上；第 一髖部執(zhí)行器和第二髖部執(zhí)行器，其分別在所述外骨骼軀干與所述第一腿部支撐件和第二 腿部支撐件之間產(chǎn)生扭矩，所述方法包括當(dāng)所述第一腿部支撐件撞擊地面且進(jìn)入步態(tài)站 立期時(shí)，利用所述第一髖部執(zhí)行器產(chǎn)生第一單向扭矩，以使處于步態(tài)站立期的所述第一腿 部支撐件相對(duì)于所述外骨骼軀干向后運(yùn)動(dòng)，從而向前推動(dòng)所述外骨骼軀干，直至處于步態(tài) 邁步期的所述第二腿部支撐件撞擊支撐表面時(shí)為止；當(dāng)所述第二腿部支撐件撞擊地面且進(jìn) 入步態(tài)站立期時(shí)，利用所述第一髖部執(zhí)行器產(chǎn)生第二單向扭矩，以使處于步態(tài)站立期的所 述第一腿部支撐件向前運(yùn)動(dòng)，直至所述第一腿部支撐件離開地面、并使所述第一腿部支撐 件運(yùn)動(dòng)進(jìn)入步態(tài)邁步期時(shí)為止。
55.根據(jù)權(quán)利要求54所述的方法，其特征在于，所述第二單向扭矩比所述第一單向扭 矩小。
56.根據(jù)權(quán)利要求54所述的方法，其特征在于，所述第一單向扭矩為常數(shù)。
57.根據(jù)權(quán)利要求54所述的方法，其特征在于，所述第二單向扭矩為常數(shù)。
58.根據(jù)權(quán)利要求54所述的方法，其特征在于，使所述第一腿部支撐件運(yùn)動(dòng)進(jìn)入步態(tài) 邁步期包括利用第一髖部執(zhí)行器產(chǎn)生作用在一個(gè)方向上的邁步扭矩，以使所述第一腿部 支撐件相對(duì)于所述外骨骼軀干向前移動(dòng)。
59.根據(jù)權(quán)利要求58所述的方法，其特征在于，所述邁步扭矩等于所述第二單向扭矩。
60.根據(jù)權(quán)利要求54所述的方法，其特征在于，當(dāng)?shù)谝煌炔恐渭幱诓綉B(tài)站立期、而 所述第二腿部支撐件處于步態(tài)邁步期時(shí)，所述第一單向扭矩的值下降。
61.根據(jù)權(quán)利要求54所述的方法，其特征在于，從所述髖部執(zhí)行器施加到所述外骨骼 軀干上的扭矩總和總是作用在髖部伸展方向上。
62.根據(jù)權(quán)利要求61所述的方法，其特征在于，所述髖部執(zhí)行器施加至所述外骨骼軀 干的扭矩總和為常數(shù)。
63.根據(jù)權(quán)利要求61所述的方法，其特征在于，所述髖部執(zhí)行器施加至所述外骨骼軀 干的扭矩總和在任何時(shí)候都不低于其最大值的50%。
64.根據(jù)權(quán)利要求54所述的方法，其特征在于，所述第二單向扭矩為零。
65.根據(jù)權(quán)利要求58所述的方法，其特征在于，所述邁步扭矩在步態(tài)邁步期是單向的。
66.根據(jù)權(quán)利要求58所述的方法，其特征在于，所述邁步扭矩為零。
67.根據(jù)權(quán)利要求58所述的方法，其特征在于，所述邁步扭矩在整個(gè)步態(tài)邁步期中是 逐漸減小的。
68.根據(jù)權(quán)利要求58所述的方法，其特征在于，所述邁步扭矩等于所述第二單向扭矩。
69.根據(jù)權(quán)利要求58所述的方法，其特征在于，所述邁步扭矩以等于所述第二單向扭 矩的值開始，然后在整個(gè)步態(tài)邁步期中逐漸減小。
70.根據(jù)權(quán)利要求58所述的方法，其特征在于，所述邁步扭矩在步態(tài)邁步期的后期接 近為零。
71.根據(jù)權(quán)利要求58所述的方法，其特征在于，所述邁步扭矩在整個(gè)步態(tài)邁步期中逐 漸減小，直至所述邁步扭矩在步態(tài)邁步期的后期改變方向。
72.根據(jù)權(quán)利要求58所述的方法，其特征在于，所述邁步扭矩包括一個(gè)扭矩，該扭矩與 所述第一腿部支撐件相對(duì)于所述外骨骼軀干的角速度成比例，且該扭矩作用在增加所述角 速度的方向上。
73.根據(jù)權(quán)利要求58所述的方法，其特征在于，所述邁步扭矩包括一個(gè)扭矩，該扭矩與 所述第一腿部支撐件相對(duì)于地面的角速度成比例，且該扭矩作用在增加所述角速度的方向 上。
74.根據(jù)權(quán)利要求58所述的方法，其特征在于，所述邁步扭矩包括一個(gè)扭矩，該扭矩與 所述第一腿部支撐件相對(duì)于所述外骨骼軀干的角加速度成比例，且該扭矩作用在增加所述 角加速度的方向上。
75.根據(jù)權(quán)利要求58所述的方法，其特征在于，所述邁步扭矩包括一個(gè)扭矩，該扭矩與 所述第一腿部支撐件相對(duì)于地面的角加速度成比例，且該扭矩作用在增加所述角加速度的 方向上。
76.根據(jù)權(quán)利要求58所述的方法，其特征在于，所述邁步扭矩包括一個(gè)扭矩，該扭矩與 所述第一腿部支撐件相對(duì)于所述外骨骼軀干的髖部角度的正弦值成比例，且該扭矩作用在 所述第一腿部支撐件的重力方向的反方向上。
77.根據(jù)權(quán)利要求58所述的方法，其特征在于，所述邁步扭矩包括一個(gè)扭矩，該扭矩與 所述第一腿部支撐件相對(duì)于地面的髖部角度的正弦值成比例，且該扭矩作用在所述第一腿 部支撐件的重力方向的反方向上。
78.根據(jù)權(quán)利要求58所述的方法，其特征在于，所述第一單向扭矩是與所述腿部支撐 件在步態(tài)邁步期的所述邁步扭矩的負(fù)值成比例的項(xiàng)的總和。
79.一種利用外骨骼裝置來降低人在步行周期中的氧消耗和心率的方法，所述外骨骼 裝置與人連接，并包括至少一個(gè)動(dòng)力單元；第一腿部支撐件和第二腿部支撐件，所述第一 腿部支撐件和第二腿部支撐件與外骨骼軀干可旋轉(zhuǎn)地連接，并在其步態(tài)站立期時(shí)擱置在地 面上；第一髖部執(zhí)行器和第二髖部執(zhí)行器，其分別在所述外骨骼軀干與所述第一腿部支撐 件和第二腿部支撐件之間產(chǎn)生扭矩，所述方法包括當(dāng)所述第一腿部支撐件撞擊地面且進(jìn) 入步態(tài)站立期時(shí)，利用所述第一髖部執(zhí)行器產(chǎn)生第一單向扭矩，以使處于步態(tài)站立期的所 述第一腿部支撐件相對(duì)于所述外骨骼軀干向后運(yùn)動(dòng)，從而向前推動(dòng)人的上肢，直至處于步 態(tài)邁步期的所述第二腿部支撐件撞擊支撐表面時(shí)為止；當(dāng)所述第二腿部支撐件撞擊地面且 進(jìn)入步態(tài)站立期時(shí)，利用所述第一髖部執(zhí)行器產(chǎn)生第二單向扭矩，以使處于步態(tài)站立期的 所述第一腿部支撐件向前運(yùn)動(dòng)，直至所述第一腿部支撐件離開地面、且使所述第一腿部支 撐件運(yùn)動(dòng)進(jìn)入步態(tài)邁步期時(shí)為止。
全文摘要
一種下肢外骨骼(100)，包括至少一個(gè)動(dòng)力單元(201)；用于擱置在地面(130)上的兩個(gè)腿部支撐件(101，102)；兩個(gè)膝關(guān)節(jié)(107，108)，用于使各自相應(yīng)的所述腿部支撐件(101，102)的大腿連接件(103，104)和小腿連接件(105，106)之間能夠進(jìn)行彎曲和伸展；可旋轉(zhuǎn)地連接至所述腿部支撐件(101，102)的外骨骼軀干(109)；以及兩個(gè)髖部執(zhí)行器(145，146)，用于在所述外骨骼軀干(109)和所述腿部支撐件(101，102)之間產(chǎn)生扭矩。使用時(shí)，所述髖部執(zhí)行器(145，146)在步態(tài)站立期產(chǎn)生扭矩，以使所述腿部支撐件(101，102)相對(duì)于所述外骨骼軀干(109)向后運(yùn)動(dòng)，因而向前推動(dòng)所述外骨骼軀干(109)。第二扭矩使所述腿部支撐件(101，102)相對(duì)于所述外骨骼軀干(109)向前運(yùn)動(dòng)、進(jìn)入步態(tài)邁步期。這樣就降低了外骨骼(100)穿用者的氧消耗和心率。
文檔編號(hào)A61G15/00GK102036638SQ200980118437
公開日2011年4月27日 申請(qǐng)日期2009年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月20日
發(fā)明者內(nèi)森·哈丁, 庫爾特·阿蒙森, 荷梅勇·卡札若尼, 阿什登·安爾格德 申請(qǐng)人:伯克利仿生技術(shù)公司, 加利福尼亞大學(xué)董事會(huì)