CN101175456B - 半机动下肢外骨架 - Google Patents

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Abstract

一种下肢外骨架，其包括两个腿部支架，所述腿部支架可连接到人的下肢并经配置以在其站立状态期间搁置在地面上。每个腿部支架包括：大腿连杆和小腿连杆；膝部接头，其经配置以允许所述小腿连杆与所述大腿连杆之间的弯曲和伸展。所述下肢外骨架进一步包括外骨架躯干托架，其可连接到人的上身。所述外骨架躯干托架可连接到所述腿部支架的大腿连杆，从而允许所述腿部支架与所述外骨架躯干托架之间的弯曲和伸展。两个转矩产生器耦接到所述膝部接头中的每一者。能够提供动力的动力单元耦接到所述转矩产生器。在操作中，当腿部支架处于站立状态且正在爬斜坡或楼梯时，所述动力单元将动力注入到所述各自转矩产生器中，从而扩大各自膝部角度。当腿部支架处于站立状态且不在爬斜坡或楼梯时，所述动力单元不会将任何动力注入到所述各自转矩产生器，而是在不消耗所述动力单元中存储的任何动力的情况下，迫使所述转矩产生器阻止所述各自膝部接头的弯曲。当腿部支架处于摆动状态时，所述动力单元不会将任何动力注入到所述各自转矩产生器，而是在不消耗所述动力单元中存储的任何动力的情况下，迫使所述转矩产生器对膝部弯曲和伸展的阻力最小化。

Description

半机动下肢外骨架
相关申请案的交叉参考
本申请案主张2005年4月13日申请的题为“SEMI-POWERED LOWEREXTREMITY EXOSKELETON”的第60/671,348号美国临时申请案的权益，所述临时申请案的全部内容以引用的方式并入本文中。
关于联邦发起的研究或开发的声明
本发明是依照高级防御研究计划机构(DARPA)授予的第DAAD19-01-1-0509号合同，在政府的支持下进行的。政府享有本发明的特定权利。
技术领域
本发明大体上涉及下肢外骨架领域，且更具体地说，涉及半机动下肢外骨架领域。
背景技术
在很多情况下，常人在斜坡和楼梯上行走时，通常不能搬运过分沉重或庞大的物体。一些人甚至不能承受自身的体重，不是很快变得疲劳就是受伤。因此，可能提供一种紧凑、容易操作、快速且通用的装置用来在所述装置被人穿戴时承受负载。
发明内容
在可由人穿戴的下肢外骨架的若干实施例中解决上文所述的可能性。所述下肢外骨架包括两个腿部支架，其可连接到人的下肢，并经配置以在其站立状态期间搁置在地面上。每个腿部支架包括：大腿连杆和小腿连杆；膝部接头，其经配置以允许所述小腿连杆与所述大腿连杆之间的弯曲和伸展。所述下肢外骨架进一步包括外骨架躯干托架，其可连接到人的上身。所述外骨架躯干托架可连接到腿部支架的大腿连杆，从而允许腿部支架与外骨架躯干托架之间的弯曲和伸展。两个转矩产生器耦接到所述膝部接头中的每一者。能够提供动力的动力单元耦接到所述转矩产生器。在操作中，当腿部支架处于站立状态且正在爬斜坡或楼梯时，所述动力单元将动力注入到各自转矩产生器中，从而扩大各自膝部角度。当腿部支架处于站立状态且不在爬斜坡或楼梯时，动力单元不将任何动力注入到各自转矩产生器，而是在不消耗所述动力单元中存储的任何动力的情况下，迫使转矩产生器阻止各自膝部接头的弯曲。当腿部支架处于摆动状态时，动力单元不将任何动力注入到各自转矩产生器，而是在不消耗所述动力单元中存储的任何动力的情况下，迫使转矩产生器对膝部弯曲和伸展的阻力最小化。
附图说明
参看附图阅读以下具体实施方式，将更好地理解本发明的这些和其它特征、方面及优势，在附图中，相同符号在图式中始终表示相同零件，其中：
图1是根据本发明实施例的正视透视图。
图2是图1的实施例的后视透视图。
图3是根据本发明实施例的透视图。
图4是根据本发明实施例的透视图。
图5是根据本发明实施例的透视图。
图6是根据本发明实施例的透视图。
图7是根据本发明实施例的透视图。
图8是根据本发明实施例的透视图。
图9是根据本发明实施例的透视图。
图10是图9的实施例的本发明的局部视图。
图11是图9的实施例的本发明的局部视图。
图12是根据本发明实施例的透视图。
图13是根据本发明实施例的透视图。
图14是根据外骨架脚部的实施例的透视图。
图15是根据外骨架脚部的实施例的透视图。
图16是根据外骨架脚部的实施例的透视图。
图17是根据外骨架脚部的实施例的透视图。
图18是根据外骨架脚部的实施例的透视图。
图19是根据外骨架脚部的实施例的透视图。
图20是根据本发明实施例的图。
图21是根据本发明实施例的透视图。
图22是根据外骨架脚部的实施例的图。
图23是根据外骨架脚部的实施例的图。
图24是根据外骨架脚部的实施例的图。
图25是根据外骨架脚部的实施例的图。
图26是根据外骨架脚部的实施例的图。
图27是根据本发明实施例的透视图。
图28是表示外骨架动力单元的实施例的图。
图29是表示外骨架液压回路的实施例的图。
图30是表示外骨架液压回路的实施例的图。
图31是表示外骨架液压回路的实施例的图。
图32是表示外骨架液压回路的实施例的图。
图33是表示外骨架液压回路的实施例的图。
图34是表示外骨架液压回路的实施例的图。
图35是表示外骨架液压回路的实施例的图。
图36是表示当外骨架不在使用中而是需要被搬运时收藏在垂直位置中的外骨架的实施例的图。
具体实施方式
根据本发明的实施例，图1和图2是说明可由人187穿戴的下肢外骨架100的透视图。下肢外骨架100包括两个腿部支架101和102，其经配置而可连接到人的下肢，且经配置以在其站立状态期间搁置在地面上。腿部支架包括大腿连杆103和104以及小腿连杆105和106。两个膝部接头107和108经配置以允许腿部支架的小腿与大腿之间的弯曲和伸展(分别由箭头213和214展示)。下肢外骨架100进一步包括外骨架躯干托架109。外骨架躯干托架109尤其包括人体介接装置150。外骨架躯干托架109可配置以通过人体介接装置150耦接到人的上身。人的上身是指大腿以上的任何位置。外骨架躯干托架109可以在臀部弯曲-伸展接头125和126处可旋转地连接到腿部支架101和102的大腿连杆103和104，从而允许腿部支架101和102分别围绕臀部弯曲-伸展轴151和152进行臀部弯曲和伸展旋转(分别由箭头215和216展示)。
两个转矩产生器110和111耦接到膝部接头107和108。能够提供动力的动力单元201耦接到转矩产生器110和111，且经配置以针对每个转矩产生器110和111在至少两种模式下操作。在操作中，当动力单元201相对于转矩产生器110在其第一模式下操作时，动力单元201将动力注入到转矩产生器110中以扩大腿部支架101的膝部角度，所述膝部角度界定于腿部支架101的小腿连杆105与大腿连杆103之间。当动力单元201相对于转矩产生器110在其第二模式下操作时，人187提供通过循环膝部运动而进行的腿部支架101的小腿连杆105与大腿连杆103之间的弯曲和伸展所需的能量，而动力单元201致使转矩产生器110阻止弯曲。对于转矩产生器111来说，操作相同。当动力单元201相对于转矩产生器111在其第一模式下操作时，动力单元201将动力注入到转矩产生器111中以扩大腿部支架102的膝部角度。当动力单元201相对于转矩产生器111在其第二模式下操作时，人187提供通过循环膝部运动而进行的腿部支架102的小腿连杆106与大腿连杆104之间的弯曲和伸展所需的能量，而动力单元201致使转矩产生器111阻止弯曲。
将此处的循环膝部运动界定为其中小腿连杆(105或106)及其相应的大腿连杆(103或104)相对于彼此的初始和最终配置几乎相同的运动。明确地说，当腿部支架处于摆动状态时，循环膝部运动是其中腿部支架不与地面接触且相应的小腿连杆和大腿连杆相对于彼此的初始和最终配置几乎相同的运动。同样，当腿部支架处于站立状态时，循环膝部运动是其中腿部支架与地面接触且相应的小腿连杆和大腿连杆相对于彼此的初始和最终配置几乎相同的运动。
在一些实施例中，动力单元201进一步针对每一转矩产生器110和111在第三模式下操作。在操作中，当动力单元201相对于转矩产生器110在其第三模式下操作时，人187提供通过循环膝部运动而进行的腿部支架101的小腿连杆105与大腿连杆103之间的弯曲和伸展所需的能量，且动力单元201致使转矩产生器110对膝部弯曲和伸展的阻力最小化。类似地，当动力单元201相对于转矩产生器111在其第三模式下操作时，人187提供通过循环膝部运动而进行的腿部支架102的小腿连杆106与大腿连杆104之间的弯曲和伸展所需的能量，且动力单元201致使转矩产生器111对膝部弯曲和伸展的阻力最小化。
在一些实施例中，如图1所示，下肢外骨架100在每个腿部支架处包括至少一个脚部传感器。腿部支架101包含脚部传感器160，其产生表示穿戴者的相应脚底上的力的站立信号219。类似地，腿部支架102包含脚部传感器161，其产生表示穿戴者的另一只脚的底部上的力的站立信号220。动力单元201根据站立信号219和220来控制转矩产生器110和111。站立信号219和220检测穿戴者的腿是处于站立状态还是处于摆动状态。在脚部传感器的一些实施例中，站立信号219和220表示穿戴者的脚底上的力的量值。在摆动状态期间，站立信号219和220将检测到穿戴者的脚底上的力的较小或零量值。
在一些实施例中，如图20所示，下肢外骨架100在每个腿部支架处包含至少一个角度传感器。腿部支架101包括角度传感器243，其产生表示膝部接头107的角度的角度信号245。类似地，腿部支架102包括角度传感器244，其产生表示膝部接头108的角度的角度信号246。动力单元201根据角度信号245和246来控制转矩产生器110和111。角度信号245和246检测腿部支架101和102是否作出爬楼梯或斜坡的姿势(即弯曲)。在角度传感器的一些实施例中，角度信号245和246表示膝部接头107和108的接头角度的量值。
在一些实施例中，当站立信号219指示相应的人脚底上存在力(即，腿部支架101处于站立状态)，且角度信号245指示腿部支架101弯曲或作出爬楼梯或斜坡的姿势时，动力单元201相对于转矩产生器110在其第一模式下操作。对于转矩产生器111来说，操作相同。当站立信号220指示相应的人脚底上存在力(即，腿部支架102处于站立状态)，且角度信号246指示腿部支架102弯曲或作出爬楼梯或斜坡的姿势时，动力单元201相对于转矩产生器111在其第一模式下操作。本申请案全文中，当膝部接头角度(在图20中，针对膝部接头108展示为角度“A”)弯曲或变得小于腿的站立状态开始时的预设值时，检测到爬楼梯和斜坡。在一个实施例中，将预设值选择为135°。在另一实施例中，将预设值选择为165°。
在一些实施例中，当站立信号219指示相应的人脚底上存在力(即，腿部支架101处于站立状态)，且角度传感器245检测到腿部支架101既未弯曲也未作出爬楼梯或斜坡的姿势时，动力单元201相对于转矩产生器110在第二模式下操作。对于转矩产生器111来说，操作相同。当站立信号220指示相应的人脚底上存在力(即，腿部支架102处于站立状态)，且角度信号246指示腿部支架102既未弯曲也未作出爬楼梯或斜坡的姿势时，动力单元201相对于转矩产生器111在第二模式下操作。
在一些实施例中，当站立信号219检测到腿部支架101处于摆动状态时，动力单元201相对于转矩产生器110在第三模式下操作。对于转矩产生器111来说，操作相同。当站立信号220检测到腿部支架102处于摆动状态时，动力单元201相对于转矩产生器111在第三模式下操作。
总之，动力单元201可配置以在腿部支架101和102的站立状态期间，且在所述腿部支架弯曲或作出爬楼梯或斜坡的姿势时，将动力注入到转矩产生器110和111中。为了节省动力，在腿部支架的站立状态期间且在其未弯曲或作出爬楼梯或斜坡的姿势时，动力单元201可配置，使得人可提供通过循环膝部运动而进行的腿部支架的小腿连杆与大腿连杆之间的弯曲和伸展所需的能量。为了节省更多的动力，在腿部支架的摆动状态期间，动力单元201可配置，使得人可提供通过循环膝部运动而进行的腿部支架的小腿连杆与大腿连杆之间的弯曲和伸展所需的能量。尽管本申请案全文中，我们将“爬楼梯或斜坡”称作将由动力单元201来注入动力的活动，但所属领域的技术人员应明白，确实存在其中提升辅助较为有利的其它活动(例如“脱离下蹲姿势”)。因此，“爬楼梯或斜坡”意在包含从动力单元201注入动力将对操作者有利的任何活动。
在操作中，人187通过耦接到人体介接装置150(在图1的此情况下，为简单的皮带)，且通过耦接到两个腿部支架101和102，而耦接到(或穿戴)下肢外骨架100。在如图1所示的一些实施例中，腿部支架101和102包括将人187耦接到腿部支架101和102的小腿固定装置137和138。
在一些实施例中，转矩产生器110和111每一者包括液压转矩产生器。动力单元201能够为转矩产生器110和111提供液压动力，且如图28所示，尤其包含液压回路194，其经配置而可连接到液压转矩产生器110和111。动力单元201中的液压回路194调整到达液压转矩产生器110和111的液压流体流动。液压转矩产生器110和111由能够将经加压液压流体转换成力或转矩的任一液压转矩产生器或转矩产生器的组合组成。液压转矩产生器110和111的实例包含(但不限于)线性液压活塞汽缸、旋转式液压致动器、齿条与小齿轮型旋转式致动器和旋转式液压叶片型致动器，其中经加压液压流体通过推斥运动表面来产生力或转矩。图13中展示利用旋转式液压系统的外骨架的说明。然而，所属领域的技术人员将注意到，有可能构造具有本发明的功能性的外骨架，其中转矩产生器110和111以及动力单元201是可能包含离合器的电气装置的组合。举例来说，转矩产生器可以是滚珠螺杆，且动力单元可以是离合器(用于使摆动期间对弯曲和伸展的阻力最小化)与电马达(用于注入能量)的组合。
图29展示液压回路194的实施例。液压回路194包括液压泵240。在操作中，当动力单元201相对于转矩产生器110在其第一模式下操作时，马达241使液压泵240转动，且液压泵240将液压流体注入到转矩产生器110中，致使腿部支架101的膝部接头伸展。动力单元201进一步包括动力存储组件238(如图28所示)(例如电池和电容器)，以便为马达241和其它组件(例如传感器和电子组件)提供动力。液压回路194进一步包括泵隔离阀239。在操作中，当动力单元201相对于转矩产生器110在其第一模式下操作时，泵隔离阀239将液压泵240连接到转矩产生器110。液压回路194进一步包括致动限流阀200。
在一些实施例中，当腿部支架101处于站立状态且弯曲或定位成爬楼梯或斜坡时，动力单元201相对于转矩产生器110在其第一模式下操作。在此第一模式下，致动限流阀200关闭，且泵隔离阀239打开。这允许液压泵240将液压流体从液压流体源(例如，图29中的液压贮存器195)注入到液压转矩产生器110，致使膝部接头107伸展。
在一些实施例中，当腿部支架101处于站立状态但不弯曲或定位成爬楼梯或斜坡时，动力单元201相对于转矩产生器110在其第二模式下操作。在此第二模式下，泵隔离阀239使液压泵240与转矩产生器110之间的流体流动断开，且致动限流阀200限制来自转矩产生器110的流体流动。这致使膝部接头107阻止弯曲。
在一些实施例中，当腿部支架101处于摆动状态时，动力单元201在其第三模式下操作。在此第三模式下，致动限流阀200打开，且允许液压转矩产生器110与流体源(例如液压贮存器195)之间的最小阻力液压流体流动。这允许腿部支架101在很小或没有阻力的情况下运动。
在图29到图35中，使用液压贮存器195来表示流体源。可使用活塞的两端上都具有杆的双动式液压汽缸，代替单动式液压汽缸，从而排除液压贮存器195。尽管流体源由液压贮存器195展示，但流体源是指液压贮存器或两端上都具有杆的双动式液压汽缸中的另一腔室。
致动限流阀200包括能够执行所指示的功能的任一阀或阀的组合。致动限流阀200的实例包含(但不限于)流控制阀、压力控制阀、致动针阀、螺线管阀和开关阀。马达241包括能够驱动液压泵240的任一装置或装置的组合。马达241的实例包含(但不限于)电马达，其包含(但不限于)AC(交流电)马达、刷式DC(直流电)马达、无刷式DC马达、电子转向马达(electronically commutated motor，ECM)，步进马达及其组合。在一些实施例中，马达241是其中燃料被燃烧以产生运动的内部燃烧装置。尽管我们陈述电马达241使液压泵240转动，但所属领域的技术人员可了解，马达241和液压泵240两者都可具有其它类型的非旋转耦接，例如往复线性运动。
图30表示液压回路194的另一实施例。此实施例类似于图29的实施例，但添加了液压止回阀(单向阀)199，其将液压流体源(例如液压贮存器195)连接到转矩产生器110。这允许当运动单元201在所有三种模式下操作时腿部支架101的膝部接头的自由伸展。
图31表示液压回路194的另一实施例，其中泵三向阀242通过致动限流阀200或通过液压泵240，将液压转矩产生器110连接到液压贮存器195。当动力单元201相对于转矩产生器110在其第一模式下操作时，泵三向阀242将液压转矩产生器110连接到液压泵240，否则，泵三向阀242将液压转矩产生器110连接到致动限流阀200。举例来说，当腿部支架101弯曲或作出爬楼梯或斜坡的姿势，且处于站立状态时，动力单元在其第一模式下操作。在此第一模式下，泵三向阀242通过液压泵240将液压转矩产生器110连接到液压贮存器195。这允许液压泵240将流体从液压贮存器195注入到液压转矩产生器110，致使膝部接头107伸展。当腿部支架101未作出爬楼梯或斜坡的姿势，但处于站立状态时，动力单元201在其第二模式下操作。在此第二模式下，泵三向阀242通过致动限流阀200将液压转矩产生器110连接到液压贮存器195。致动限流阀200限制来自转矩产生器110的液压流体流动，致使膝部接头107阻止弯曲。当腿部支架101处于摆动状态时，动力单元201在其第三模式下操作。在此第三模式下，泵三向阀242通过致动限流阀200将液压转矩产生器110连接到液压贮存器195，且致动限流阀200打开，并允许液压转矩产生器110与液压贮存器195之间的最小阻力液压流体流动。这允许腿部支架101在具有很小或没有阻力的情况下运动。
图32表示液压回路194的另一实施例。此实施例类似于图31的实施例，但添加了止回阀199，以始终允许对腿部支架101的膝部接头的伸展具有最小阻力。
图33表示液压回路194的另一实施例，其中已经去除了致动限流阀200。添加了额外的液压三向阀198，其在非致动限流阀196与旁通管线197之间进行选择。非致动限流阀196可以是更加简单的装置，且可以是简单的孔口或可调节的装置，例如针阀。在操作中，当腿部支架101处于站立状态且弯曲或定位成爬楼梯或斜坡时，动力单元201在其第一模式下操作。在此第一模式下，泵三向阀242通过液压泵240将液压转矩产生器110连接到液压贮存器195。这允许液压泵240将流体从液压贮存器195注入到液压转矩产生器110，致使膝部接头107伸展。当腿部支架101处于其站立状态但不弯曲也不定位成爬楼梯或斜坡时，动力单元201在其第二模式下操作。在此第二模式下，泵三向阀242将液压转矩产生器110连接到液压三向阀198。液压三向阀198通过非致动限流阀196将泵三向阀242连接到液压贮存器195，从而减少流动，且增加液压转矩产生器110的阻抗。这致使膝部接头107阻止弯曲。当腿部支架101处于摆动状态时，动力单元201在其第三模式下操作。在此第三模式下，泵三向阀242将液压转矩产生器110连接到液压三向阀198。液压三向阀198通过旁通管线197将泵三向阀242连接到液压贮存器195，从而增加流体流动，且减小液压转矩产生器110的阻抗。这允许腿部支架101在具有很小或没有阻力的情况下运动。
图34表示液压回路194的另一实施例。此实施例类似于图33的实施例，但添加了止回阀199，以始终允许对膝部的伸展具有最小阻力。
重要的是应注意到，可能的可用于产生作为本发明主题的行为的液压回路过多。对液压回路194的各个实施例的审查显示，每个转矩产生器耦接到动力单元201的能够将动力注入到转矩产生器的动力注入子组件，以及动力单元201的能够消耗来自转矩产生器的动力的动力消耗子组件。举例来说，对图29的检查显示，致动限流阀200是动力消耗子组件，而液压泵240是动力注入子组件。动力单元201对转矩产生器将连接到哪一子组件作出选择。
在一些实施例中，如图28所示，动力单元201进一步包括信号处理器159，其能够针对动力单元201的各个组件产生命令信号以控制动力单元201。信号处理器包括选自由以下各项组成的群组的元件或元件组合：模拟装置；模拟计算模块；数字装置，包含(但不限于)小规模、中等规模和大规模集成电路、专用集成电路、可编程门阵列和可编程逻辑阵列；以及数字计算模块，包含(但不限于)微型计算机、微处理器、微控制器和可编程逻辑控制器。在一些实施例中，信号处理器159包括选自由机电式继电器或MOSFET开关组成的群组的元件或元件组合。信号处理器159根据站立信号219和220以及角度信号245和246或其组合，针对所述液压回路产生命令信号。
同样重要的是应注意到，当走下斜坡或楼梯时，可使用这些液压回路中的任一者来捕获能量。参看图29，可以看到，如果动力单元检测到操作者正走下陡坡且腿部处于站立状态，那么泵隔离阀239可打开，且致动限流阀200可关闭。这将使流体在压力的作用下，向后转向到液压泵240中，液压泵240接着可起到液压马达的作用(如果经合适地配置)，使电马达241向后旋转，并发电。如果动力单元201中的能量存储媒介能够接受这种能量(像电池那样)，那么此能量可被捕获，并稍后用于在爬斜坡或楼梯期间提供辅助。(注意，动力单元201可通过观察站立开始时的接近180的膝部角度和站立结束时的低得多的角度，而检测到走下斜坡的情况)。在摆动期间(对弯曲或伸展提供最小阻力)、在站立期间当爬升时(注入动力)以及在站立期间当在几乎水平的地面上走动时(通过例如流扼流阀的装置来消耗能量)，系统可与之前一样运作。
事实上，如果可将液压泵240和马达241设计成在站立期间对弯曲提供正确量的阻力，且在摆动期间当在水平地面上走动时提供最小阻力，那么可排除致动限流阀200，且可使用图35所示的简单系统。然而，从动力消耗的观点来看，这只有在当腿部处于站立状态并在水平或几乎水平的地面上走动时马达241仅会消耗可忽略的量的动力或完全不消耗动力的情况下，才是经济的。
所属领域的技术人员将注意到，在所有这些回路中，来自一条腿的液压贮存器195可与来自另一条腿的液压贮存器组合。同样，单独的马达241、液压泵240以及贮存器195可以较传统的液压动力供应的形式组合，所述较传统的液压动力供应由低压贮存器、单个马达与液压泵、高压贮存器以及一些控制阀组成，所述控制阀允许液压流体正确地从高压贮存器流出且流进液压转矩产生器的每一者中。然而，此设计不如每个液压转矩产生器存在单个马达那样有利，因为此类控制阀浪费大量动力。
还应注意，为了清楚起见，从液压图中省略了所有的减压阀。
进一步论述图1所示的外骨架的几何结构，在如图1所示的一些实施例中，外骨架躯干托架109包含两个臀部连杆114和115，其可在臀部弯曲-伸展接头125和126处可旋转地连接到大腿连杆103和104，从而允许腿部支架101和102分别围绕臀部弯曲-伸展轴151和152而弯曲和伸展。在一些实施例中，臀部连杆114和115在外展-内收接头113处可旋转地彼此连接，从而允许腿部支架101和102外展和/或内收。腿部支架101和102的外展和内收分别由箭头217和218展示。
在一些实施例中，由所述人来提供通过循环臀部运动进行的腿部支架101和102与外骨架躯干托架109之间的弯曲和伸展运动所需的能量。在其它一些实施例中，可将转矩产生器耦接到臀部接头125和126。
在一些实施例中，外骨架躯干托架109经配置以将后负载118固定在人187后面。在一些实施例中，如图1所示，后负载118由臀部连杆114和115固定。在一些实施例中，外骨架躯干托架109进一步包括伸展框架119和120，其经配置以将前负载154固定在人187的前面。在一些实施例中(如图1所示)，伸展框架119和120可连接到臀部连杆114和115。后负载118和前负载154的实例包含(但不限于)背包、婴儿背袋(baby carrier)、食品容器、大袋、水壶、工具箱、桶、弹药、武器、被褥、急救用品、高尔夫球袋、邮袋、相机、吹叶机、压缩机、机电机器及其组合。在一些实施例中，后负载118和/或前负载154是由人187承载的另一个人。在一些实施例中，外骨架躯干托架109通过人体介接装置150来支撑人187的体重的一部分。
图3展示本发明的另一实施例，其中外骨架躯干托架109进一步包括臀部弹性元件116，其经配置以在臀部连杆114与115之间施加转矩。臀部弹性元件的实例包含(但不限于)拉伸弹簧、压缩弹簧、片弹簧、气体弹簧、空气弹簧、橡胶、弹性体、橡皮拉力器、弹力绳及其组合。可对臀部弹性元件116的刚性加以选择以使得在摆动状态期间，臀部弹性元件116的力大体上举起腿部支架101和102的重量。
如图3所示，一些实施例还可包含臀部外展止动件211，其限制或防止臀部连杆114和115相对于彼此而外展。在图3所示的特定实施例中，使用钢索来形成外展止动件211。钢索211防止发生腿部支架101和102的外展，但允许腿部支架101和102内收。
根据本发明的另一实施例，图4是透视图，其中外骨架躯干托架109包含两个臀部连杆114和115，其可旋转地连接到大腿连杆103和104，从而允许腿部支架101和102相对于外骨架躯干托架109而弯曲和伸展，其中臀部连杆114和115适应地彼此连接，从而允许腿部支架101和102的外展和/或内收。在图4所示的实例中，这通过片弹簧153来实现。
根据本发明的另一实施例，图5是透视图，其中外骨架躯干托架109进一步包括连接托架117，其经配置以将后负载118的重量转移到外骨架躯干托架109。外骨架躯干托架109进一步包括两个臀部连杆114和115，其可旋转地连接到大腿连杆103和104，从而允许腿部支架101和102相对于外骨架躯干托架109而弯曲和伸展。臀部连杆114和115经由两个臀部外展-内收接头176和177可旋转地连接到连接托架117，并围绕两个臀部外展-内收轴178和179旋转。在一些实施例中，臀部外展-内收轴178和179大体上彼此平行。在一些实施例中，臀部外展-内收接头176和177彼此重合。此外，在一些实施例中，如图6所示，臀部外展-内收接头176和177彼此重合，形成臀部外展-内收接头113，且臀部外展-内收轴178和179变成一个臀部外展-内收轴112。
在一些实施例中，如图6所示，外骨架躯干托架109进一步包括臀部外展-内收弹性元件121和122，其经配置以在臀部连杆114和115与连接托架117之间施加转矩。臀部外展-内收弹性元件的实例包含(但不限于)拉伸弹簧、压缩弹簧、气体弹簧、空气弹簧、橡胶、橡皮拉力器、片弹簧、弹力绳及其组合。可对臀部外展-内收弹性元件121和122的刚性加以选择以使得在摆动状态期间，臀部外展-内收弹性元件121和122的力大体上举起腿部支架101或102的重量，并在走动时帮助人保持负载垂直定向。在图7所示的一些实施例中，连接托架117进一步包括伸展框架119和120，其经配置以将前负载154固定在人187的前面。
在一些实施例中，如图1、图5、图6和图7所示，外骨架躯干托架109包括能够将人187耦接到下肢外骨架100的人体介接装置150。人体介接装置150的实例包括一个元件或元件组合，其中包含(但不限于)背心、皮带、绑带、肩带、胸带、身体铸模、系带以及腰带。在一些实施例中，人体介接装置150将人187的体重的一部分转移到外骨架躯干托架109。图13展示一实施例，其中人体介接装置150包括特殊设计的系带229以适合人187的身体。系带229将人187的体重的一部分转移到外骨架躯干托架109。
在一些实施例中，如图8所示，臀部连杆114和115适应地连接到连接托架117。在图8所示的实施例中，这通过臀部弹性部件153(在此情况下，是片弹簧)来实现。
在一些实施例中，如图8所示，外骨架躯干托架109包括背包框架180，其允许将背包耦接到下肢外骨架100。在一些实施例中，背包框架180连接到连接托架117。为了清楚起见，此图中省略了人体介接装置150(例如皮带和肩带)。
根据另一实施例，图9是透视图，其中腿部支架101和102进一步包含大腿外展-内收接头123和124，其经配置以允许腿部支架101和102分别围绕轴202和203而外展和/或内收。在一些实施例中，大腿外展-内收接头123和124位于臀部弯曲-伸展接头125和126下方。图10中更详细地展示这些接头，图10是图9的同一实施例的局部视图。
在一些实施例中，如图10所示，腿部支架101和102包括大腿内收止动件185，其限制或防止大腿连杆103和104在接头123和124处内收。腿部支架101的外展和内收分别由箭头227和228展示。在图10所示的特定实施例中，大腿外展-内收接头123包含大腿内收止动件185，其承载于大腿止动表面186上。大腿内收止动件185限制大腿外展-内收接头123的内收。在站立状态期间，大腿外展-内收接头123的无限制内收会导致臀部连杆114在站立期间沿箭头204向下移动，从而使负载掉落(降低)。接头123和124的此类仅外展接头可用于允许人自然地下蹲。在一些实施例(如图9和图10所示的一个实施例)中，此类外展接头大体上位于臀部弯曲-伸展接头125和126下方。
在一些实施例中，如图9和图10所示，腿部支架101和102进一步包含大腿旋转接头127和128，其经配置以允许腿部支架101和102的旋转。旋转接头127和128大体上位于膝部接头107和108上方。线164和165表示旋转接头127和128的旋转轴。在图10和图11中，这通过在臀部旋转轴166与臀部旋转轴颈168之间提供滑动接触来实现。为了简单起见，省略了包含在接头中防止接头拉开的零件，但所属领域的技术人员将注意到，有很多种方式使此类轴保留在此类轴颈中。
在一些实施例中，如图11所示，旋转接头127和128进一步包括旋转弹性元件129。此旋转弹性元件充当扭转弹簧，并提供复原转矩，所述复原转矩使腿部支架大体上复原回到图9所示的中立位置。可用很多方式来构造旋转弹性元件129，当使用弹性体材料来构造所述元件时，图11所示的特定横截面是有利的。出于说明的目的，将旋转弹性元件129展示为部分地偏转。
并且，在一些实施例中，如图10和图11所示，腿部支架101和102进一步包括压缩-伸长机构131和132，其经配置以改变外骨架躯干托架109与各自膝部弯曲-伸展接头107和108之间的距离。在一些实施例中，压缩-伸长机构131和132允许臀部弯曲-伸展接头125和126与各自膝部弯曲-伸展接头107和108之间的距离变化。通过臀部旋转轴166更进一步滑动到臀部旋转轴颈168中而使压缩-伸长机构收缩(仅针对腿部101展示)。允许腿部旋转弹性元件129滑动到间隙腔170中。在一些实施例中，压缩-伸长机构131和132进一步包括腿部压缩-伸长弹性元件133。此腿部压缩-伸长弹性元件充当弹簧并提供复原力，所述复原力使腿部支架大体上复原回到中立配置。在图11的实施例中，这通过螺旋形压缩弹簧来说明。
在一些实施例中，如图12所示，下肢外骨架100进一步包括两个摆动弹性元件，其经配置以在大腿连杆103和104与外骨架躯干托架109之间施加转矩。在操作中，摆动弹性元件221在摆动状态期间沿箭头222向前推动腿部支架101。这允许人不太费力地向前摆动大腿连杆。在一些实施例中，摆动弹性元件221是气体弹簧。气体弹簧221包含气体弹簧活塞223和气体弹簧汽缸224。在操作中，气体弹簧汽缸224中的受压缩气体225的力迫使气体弹簧活塞223抵靠凸轮226，从而沿箭头222推动腿部支架101。摆动弹性元件221的实例包含(但不限于)拉伸弹簧、压缩弹簧、片弹簧、气体弹簧、空气弹簧、橡胶、弹性体、橡皮拉力器、弹力绳及其组合。可对摆动弹性元件221的刚性加以选择以给予适当的舒适度。
在一些实施例中，如图9所示，外骨架躯干托架盖171可覆盖外骨架躯干托架109的一些组件，其中包含臀部连杆114和115的若干部分。视优先选择臀部弹性元件116或臀部外展-内收弹性元件121和122而定，外骨架躯干托架的操作与图3或图6中一样。
在图9所示的一些实施例中，大腿连杆103和104包括大腿固定装置135和136，其经配置以允许人187耦接到腿部支架101和102。每个大腿固定装置135或136包括一元件或元件组合，其中包含(但不限于)绑带、条杆、c形托架、身体铸模以及弹性体。在一些实施例中，如图1所示，小腿连杆105和106包含固定装置137和138，其经配置以允许人187耦接到腿部支架101和102。每个小腿固定装置137和138包括一元件或元件组合，其中包含(但不限于)绑带、条杆、c形托架、身体铸模以及弹性体。
在一些实施例中，如图9所示，腿部支架101和102进一步包括外骨架脚部139和140，其分别耦接到小腿连杆105和106，从而允许力从小腿连杆105和106转移到地面。在操作中，外骨架脚部139和140可配置以耦接到人187的脚。在一些实施例中，如图9所示，通过使用现代雪鞋上有时采用的蛤壳型捆绑物205和206，来实现与人脚的耦接。然而，有很多种方法来进行此类连接，如可在不同类型的滑雪橇、滑雪板、雪鞋和其它此类装置上看到。在一些实施例中，如图14所示，外骨架脚部139和140包括外骨架鞋188和189，其可由人187穿戴，从而允许外骨架脚部139和140耦接到人187的脚。在一些实施例中，如图15所示，外骨架脚部139和140包括外骨架鞋垫157和158，其可插入在人的鞋内，从而允许外骨架脚部139和140耦接到人187的脚。鞋垫157和158是柔性的，且因此可弯曲以在例如下蹲的动作期间与人脚的弯曲程度匹配。而且，鞋垫侧部支架212是适应性的，或经配置以实现模仿人脚踝的运动的自由度。
在一些实施例中，如图9所示，外骨架脚部139和140适应地耦接到小腿连杆105和106。这通过使用脚踝弹性元件181和182来实现。图16展示外骨架脚部139的特写视图。在此实例中，脚踝弹性元件181(和182)每一者由被弹性体环形元件230环绕的金属球窝式接头231构成，所述弹性体环形元件230在所有旋转方向上均产生适应性。
在一些实施例中，外骨架脚部139和140相对于小腿连杆105和106，围绕两个脚底-脚背弯曲轴而旋转。图17展示这种类型的外骨架的一实施例，其中脚踝脚底-脚背弯曲轴172大体上平行于人脚踝中的脚底-脚背弯曲轴。在一些实施例中，每个腿部支架进一步包括至少一个脚踝脚底-脚背弯曲弹性元件141，其阻止各自外骨架脚部围绕脚踝脚底-脚背弯曲轴172旋转。
在一些实施例中，如图18所示，外骨架脚部139和140相对于小腿连杆105和106围绕两个脚踝外展-内收轴174而旋转。图18展示这种类型的外骨架的一实施例，其中脚踝外展-内收轴174大体上平行于人脚踝中的外展-内收轴。在一些实施例中，每个腿部支架进一步包括至少一个脚踝外展-内收弹性元件142，其阻止外骨架脚部139围绕脚踝外展-内收轴174旋转。
在一些实施例中，如图19所示，外骨架脚部139和140相对于小腿连杆105和106围绕两个脚踝旋转轴147和148而旋转。在一些情况下，这通过使用与腿部旋转接头127起类似作用的小腿旋转接头207来实现。图19展示这种类型的外骨架的一实施例，其中脚踝旋转轴147大体上平行于人脚踝中的旋转轴。在一些实施例中，弹性元件可包含在所述脚踝中，以阻止外骨架脚部139围绕脚踝旋转轴147旋转。
在一些实施例中，如图22所示，脚部传感器160集成到外骨架脚部139和140中。在一些实施例中，如图22所示，脚部传感器160是压力传感器，其测量陷于外骨架脚部139内部的脚部传感器腔192中的媒介191中的压力。图16展示将管用作脚部传感器腔192的实施例。压力传感器160测量陷于脚部传感器腔192中的媒介191中的压力。在一些情况下，站立信号219可采取从腔192通向信号处理器159的小管中安置的媒介191本身的形式。
图23展示另一实施例，其中脚部传感器160是可连接到外骨架脚部139的力传感器。在一些实施例中，如图24所示，脚部传感器160像鞋垫一样位于人的鞋内，且其输出信号表示人脚底上的力。这种类型将尤其可用于例如图14或图15所示的实施例的本发明实施例中。在一些实施例中，如图25所示，脚部传感器160连接到人的鞋底，并感测人脚底上的力。在一些实施例中，如图26所示，脚部传感器160位于人鞋底内部，并感测人脚底上的力。
脚部传感器160包括能够执行所指示的功能的任一传感器或传感器组合。脚部传感器160的实例包含(但不限于)力传感器、基于应变计的力传感器、压电力传感器、力感测电阻器、压力传感器、开关、磁带开关(tape switch)及其组合。在一些实施例中，脚部传感器160是表示人187的脚底上存在大于某一阈值力的力的开关。
在一些实施例中，下肢外骨架100进一步包含两个适应元件，其将大腿连杆103和104连接到外骨架躯干托架109，从而辅助操作者将腿向前摆动。这允许操作者不太费力地向前摆动大腿连杆。图27展示本发明的一实施例，其中张力弹簧233经由伸展框架119将大腿连杆103连接到臀部连杆114。类似地，张力弹簧234经由伸展框架120将大腿连杆104连接到臀部连杆115。
图21中还展示额外的大腿外展-内收接头235，其用来在外骨架不在使用中而是需要被搬运时允许将腿部收藏在垂直位置中。腿部支架101可沿轴237外展。这在操作者不再有非常重的负载要搬运而是需要运输下肢外骨架100时可能是合乎需要的。在那种情况下，操作者可松开外骨架的右腿部支架101，并从他或她的身体向外摆动腿部，直到右外骨架腿部139处于操作者头顶上方为止。接着，通过弯曲右膝部接头107且/或旋转右腿部旋转接头127，可将腿部定位成使得其被收藏在操作者的后面，如图36所示。这样做是可能的，因为右大腿外展-内收接头123和额外的右大腿外展-内收接头235每一者允许分别围绕右大腿外展-内收轴202和额外的右大腿外展-内收轴237进行约90度的旋转。因此，可能的总计外展大于180度。这可用一个具有180度位移的大腿外展-内收接头来实现，但设计这样的接头会导致设计者将接头的枢转点从操作者向外移动很多，这将导致较宽的外骨架设计。这不合需要但却是一种可行的替代设计。
尽管已经描述了各种示范性实施例，但所属领域的技术人员将了解，在不脱离如此宽泛揭示内容的精神或范围的情况下，可对如本文具体展示的所描述的装置作出大量改变和/或修改。因此，各个实例在各个方面都应视为说明性的而不是限制性的。

Claims (19)

1.一种下肢外骨架，其可配置以与人耦接，所述下肢外骨架包括：
两个腿部支架，其可配置以耦接到所述人的下肢，且经配置以在其站立状态期间与所述人的搁置地面上的脚并排地搁置在地面上，其中每个所述腿部支架包括大腿连杆和小腿连杆，且所述两个腿部支架在其站立状态期间，从它们的小腿连杆向地面传递力量；
两个膝部接头，其每一者经配置以允许各自小腿连杆与各自大腿连杆之间的弯曲和伸展；以及
外骨架躯干托架，其可配置以耦接到所述人的上身，可旋转地连接到所述腿部支架的所述大腿连杆，从而允许所述腿部支架与所述外骨架躯干托架之间的弯曲和伸展；
两个转矩产生器，其耦接到所述膝部接头；以及
动力单元，其能够提供动力，所述动力单元耦接到所述转矩产生器，其中所述动力单元经配置以针对每个转矩产生器在至少两种模式下操作，所述动力单元包括：动力注入子组件，其能够将动力注入到转矩产生器；以及动力消耗子组件，其能够消耗来自所述转矩产生器的动力；其中：当所述动力单元相对于所述转矩产生器中的一者在其第一模式下操作时，所述动力单元将动力注入到所述转矩产生器的一者中，以扩大所述各自小腿连杆与各自大腿连杆之间所界定的各自膝部角度，且当所述动力单元相对于所述转矩产生器中的一者在其第二模式下操作时，由所述人来提供通过循环膝部运动进行的所述相应腿部支架的所述各自小腿连杆与所述各自大腿连杆之间的所述弯曲和伸展所需的能量，而所述动力单元致使所述转矩产生器的一者阻止弯曲。
2.根据权利要求1所述的下肢外骨架，其中所述动力单元进一步相对于转矩产生器在第三模式下操作，其中：当所述动力单元相对于所述转矩产生器中的一者在所述第三模式下操作时，由所述人来提供通过循环膝部运动进行的所述相应腿部支架的所述小腿连杆与所述各自大腿连杆之间的所述弯曲和伸展所需的能量，且其中所述转矩产生器对膝部弯曲和伸展的阻力最小化。
3.根据权利要求1所述的下肢外骨架，其中由所述人来提供通过循环臀部运动进行的大腿连杆与所述外骨架躯干托架之间的弯曲和伸展运动所需的能量。
4.根据权利要求2所述的下肢外骨架，其中所述下肢外骨架在每个所述腿部支架处包括至少一个脚部传感器，其产生表示每个人的脚底上的力的站立信号，且其中所述动力单元控制作为所述站立信号的函数的所述转矩产生器。
5.根据权利要求4所述的下肢外骨架，其中所述下肢外骨架进一步在每个所述腿部支架处包括至少一个角度传感器，其产生表示所述膝部角度的角度信号，其中所述动力单元控制作为所述角度信号的函数的所述转矩产生器。
6.根据权利要求5所述的下肢外骨架，其中当所述相应的站立信号指示相应的人脚底上存在力且所述相应的角度传感器检测到所述相应腿部支架弯曲或作出爬楼梯或斜坡的姿势时，所述动力单元相对于所述转矩产生器中的一者在所述第一模式下操作。
7.根据权利要求5所述的下肢外骨架，其中当所述相应的站立信号指示相应的人脚底上存在力且所述相应的角度信号指示所述相应腿部支架既没有弯曲也没有作出爬楼梯或斜坡的姿势时，所述动力单元相对于所述转矩产生器中的一者在所述第二模式下操作。
8.根据权利要求4所述的下肢外骨架，其中当所述相应的站立信号检测到腿部支架处于摆动状态时，所述动力单元相对于所述转矩产生器中的一者在所述第三模式下操作。
9.根据权利要求1所述的下肢外骨架，其中每个所述转矩产生器包括液压转矩产生器，且其中所述能够提供液压动力的动力单元包含液压回路，所述液压回路可连接到所述液压转矩产生器，其中所述液压回路经配置以通过调整到达和来自所述液压转矩产生器的液压流体流动来控制所述液压转矩产生器。
10.根据权利要求9所述的下肢外骨架，其中所述液压回路包括耦接到马达的液压泵，其中当所述动力单元相对于所述转矩产生器中的一者在所述第一模式下操作时，所述液压泵将液压流体注入到所述转矩产生器中，致使所述相应腿部支架的膝部接头伸展。
11.根据权利要求10所述的下肢外骨架，其中所述液压回路进一步包括致动限流阀，其中当所述动力单元相对于所述转矩产生器中的一者在所述第二模式下操作时，所述致动限流阀限制来自所述转矩产生器的流体流动。
12.根据权利要求11所述的下肢外骨架，其中当所述动力单元相对于所述转矩产生器中的一者在所述第三模式下操作时，所述致动限流阀打开，并允许所述转矩产生器与液压流体源之间的最小阻力液压流体流动。
13.根据权利要求10所述的下肢外骨架，其中所述马达是电马达，其中当所述动力单元相对于所述转矩产生器中的一者在动力再生模式下操作时，所述转矩产生器将液压流体注入到所述液压泵中，所述液压泵接着充当液压马达，致使接着充当发电机的所述电马达发电。
14.根据权利要求1所述的下肢外骨架，其中所述外骨架躯干托架经配置以在所述外骨架躯干托架耦接到所述人的上身时，将后负载固定在所述人的后面。
15.根据权利要求1所述的下肢外骨架，其中每个所述腿部支架的所述大腿连杆进一步包含大腿外展-内收接头，所述大腿外展-内收接头经配置以允许所述各自腿部支架的外展。
16.根据权利要求1所述的下肢外骨架，其进一步包括两个摆动弹性元件，所述摆动弹性元件经配置以在所述大腿连杆与所述外骨架躯干托架之间施加转矩。
17.根据权利要求1所述的下肢外骨架，其中每个所述腿部支架进一步包括外骨架脚部，所述外骨架脚部经配置以耦接到所述人的各个脚，且耦接到各自的所述小腿连杆，以允许力从所述小腿连杆转移到地面。
18.一种操作下肢外骨架的方法，所述下肢外骨架包括：两个腿部支架，其可配置以耦接到人的下肢，且经配置以在其站立状态期间与所述人的搁置地面上的脚并排地搁置在地面上，其中每个所述腿部支架包括大腿连杆和小腿连杆，且所述两个腿部支架在其站立状态期间，从它们的小腿连杆向地面传递力量；两个膝部接头，其每一者经配置以允许各自小腿连杆与各自大腿连杆之间的弯曲和伸展；以及外骨架躯干托架，其可配置以耦接到所述人的上身，可旋转地连接到所述腿部支架的所述大腿连杆，从而允许所述腿部支架与所述外骨架躯干托架之间的弯曲和伸展；两个转矩产生器，其耦接到所述膝部接头；所述方法包括：将人与所述外骨架耦接；自动地操作动力单元，以允许所述各自膝部在由人腿部驱动的摆动状态期间弯曲；自动地操作所述动力单元，以当一个角度信号指示所述腿部支架未作出爬楼梯或斜坡的姿势时，停止向各自的转矩产生器注入动力，并阻止所述各自膝部接头在所述各自的腿部支架的站立状态期间弯曲；以及自动地操作所述动力单元，以当一个角度信号指示所述腿部支架作出爬楼梯或斜坡的姿势时，阻止所述各自膝部接头弯曲，并在所述站立状态期间将动力注入到各自转矩产生器中以扩大各自膝部角度。
19.一种使用下肢外骨架来搬运物体的方法，所述下肢外骨架耦接到所述物体且具有：两个腿部支架，其可配置以耦接到所述人的下肢，且经配置以在其站立状态期间与所述人的搁置地面上的脚并排地搁置在地面上，其中每个所述腿部支架包括大腿连杆和小腿连杆，且所述两个腿部支架在其站立状态期间，从它们的小腿连杆向地面传递力量；两个膝部接头，其每一者经配置以允许各自小腿连杆与各自大腿连杆之间的弯曲和伸展；以及外骨架躯干托架，其可配置以耦接到所述人的上身，可旋转地连接到所述腿部支架的所述大腿连杆，从而允许所述腿部支架与所述外骨架躯干托架之间的弯曲和伸展；两个转矩产生器，其耦接到所述膝部接头；以及动力单元，其耦接到所述转矩产生器；所述方法包括：将人与所述外骨架耦接；将所述物体耦接到所述外骨架；自动地操作动力单元，以允许所述各自膝部接头在摆动状态期间弯曲；自动地操作所述动力单元，以当一个角度信号指示所述腿部支架未作出爬楼梯或斜坡的姿势时，停止向各自的转矩产生器注入动力，并阻止所述各自膝部接头在所述各自的腿部支架的站立状态期间弯曲；以及自动地操作所述动力单元，以当一个角度信号指示所述腿部支架作出爬楼梯或斜坡的姿势时，阻止所述各自膝部接头弯曲，并在站立状态期间将动力注入到各自转矩产生器中以扩大各自膝部角度。
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