CN102098986A

CN102098986A - 外骨骼和控制该外骨骼的迈步腿的方法

Info

Publication number: CN102098986A
Application number: CN2009801284243A
Authority: CN
Inventors: 荷梅勇·卡扎若尼; 库尔特·阿蒙森; 罗斯登·安尔格德; 内森·哈丁
Original assignee: University of California; Berkeley Bionics
Current assignee: University of California; Berkeley Bionics
Priority date: 2008-07-23
Filing date: 2009-07-23
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2029-07-23
Also published as: AU2009273927A1; CN102098986B; EP2346447A1; WO2010011848A1; EP2346447A4; US20110105966A1; IL209635A; CA2731612C; AU2009273927B2; EP2346447B1; IL209635A0; US8801641B2; CA2731612A1

Abstract

一种用于连接至人的下肢外骨骼（100），包括：两个腿部支撑件（101,102），用于连接至人的下肢；外骨骼躯干（109），用于连接至人的上身，该外骨骼躯干（109）可旋转地连接至所述腿部支撑件（101,102）的大腿连接件（103,104），以使所述腿部支撑件（101,102）与所述骨骼躯干（109）之间能够弯曲和伸展；两个髋部执行器（145,146），用于在所述外骨骼躯干（109）于所述腿部支撑件（101,102）之间产生扭矩；以及至少一个动力单元（201），用于向所述髋部执行器（145,146）提供能量，其中，所述动力单元（201）用于使处在步态迈步期的所述腿部支撑件（101,102）的所述髋部执行器（145,146）产生扭矩曲线，使在所述步态迈步期的至少一部分中，从所述外骨骼腿部支撑件（101,102）作用在人的下肢的力沿着人的下肢迈步速率的方向。

Description

外骨骼和控制该外骨骼的迈步腿的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求申请号为61/129,843、申请日为2008年7月23日、发明名称为“一种控制外骨骼的迈步腿的方法”的美国临时申请的权益。

技术领域

本发明主要涉及一种用于降低穿用者的能量消耗的外骨骼系统。具体地，本发明描述了一种外骨骼，该外骨骼除其他部件外，还包括两个髋部执行器，用于驱动其腿部支撑件，并在外骨骼腿部支撑件的步态迈步期时降低穿用者的能量消耗。由于人的耗氧量与其移位所消耗的能量有关，因此，本发明所述的外骨骼将降低其穿用者移位时的耗氧量。

背景技术

在许多情况下，普通人在行走或负重时通常都会消耗大量能量。本申请以引用的方式并入公布号为2006/0260620、题为“下肢外骨骼”、申请日为2009年4月1日的美国专利申请，该申请描述了数个外骨骼系统实施例，这些外骨骼系统使其穿用者能够进行负重。在“The Effects of a Lower Body Exoskeleton Load Carriage Assistive Device on Oxygen Consumption and Kinematics During Walking With Loads”一文中（作者为K, N. Gregorczyk, J. P. Obusek, L. Hasselquist, J. M. Schiffman, C. K. Bensel, D, Gutekunst , P. Frykman、2006年发表于美国佛罗里达州第25次军事科学会议（Army Science Conference）上），报道了有关外骨骼的一组实验，该外骨骼主要基于公布号为2006/0260620的美国专利申请进行设计和构建。作者们（都来自纳提克士兵系统中心(Natick Soldier System Center)）称，虽然基于公布号为2006/0260620的美国专利申请构建的外骨骼提高了穿用者的负重能力，但同时增加了其能量消耗。另一例试图提高负重能力的尝试见“A QUASI-PASSIVE LEG EXOSKELETON FOR LOAD- CARRYING AUGMENTATION, C. J. Walsh, K. Endo, and H. Herr, International Journal of Hυmanoid Robotics, 2007。然而，Walsh等人教导的这种准被动外骨骼增加了其穿用者的耗氧量。具体来说，其描述的外骨骼无驱动和动力单元，因此无法将能量从外骨骼转移至人体。这意味着，无论其弹簧所处位置及强度如何，这种系统都不能降低其穿用者的能量消耗。由于耗氧量与能量消耗成正比，因此穿用者的耗氧量将不会减少。

基于以上可知，可以提供一种通用的、穿用时能降低其穿用者移位所需的能量消耗的外骨骼设备。提供能降低其穿用者移位所消耗的能量的外骨骼，将使其穿用者能够行走和携带重物，同时其能量消耗得以降低。特别地，本专利申请还描述了数个能降低其穿用者在步态迈步期时的能量消耗的外骨骼设备实施例。

发明内容

以上内容在由人穿用的下肢外骨骼的数个实施例中进行了阐述。在此描述的下肢外骨骼可连接至人体，该下肢外骨骼除其他部件外，还包括：两个腿部支撑件，用于连接到人的下肢；两个膝关节，每个膝关节用于使相应的小腿连接件和大腿连接件之间进行弯曲和伸展；一个外骨骼躯干，用于连接至人的上身，且能够旋转连接至腿部支撑件的大腿连接件，以使腿部支撑件和外骨骼躯干之间进行弯曲和伸展；两个髋部执行器，用于在外骨骼躯干和腿部支撑件之间产生扭矩；以及至少一个能向所述髋部执行器提供能量的动力单元。在操作中，当所述下肢外骨骼由人穿用时，一个腿部支撑件处于步态站立期，而另一条腿部支撑件处于步态迈步期，所述动力单元使所述步态迈步期的腿部支撑件的髋部执行器产生扭矩曲线，这样，从所述步态迈步期的腿部支撑件向穿用者相应下肢转移的力沿着穿用者下肢迈步速率的方向。由于作用在穿用者下肢的力沿着穿用者下肢迈步速率的方向，因此，步态迈步期时穿用者的能量消耗得以降低。

附图说明

结合附图阅读以下具体说明后，将更清晰地理解本发明的特征、各方面及优点，附图中同一数字表示同一部件，其中：

图1为本发明的外骨骼的正面透视图；

图2为图1的外骨骼的背面透视图；

图3展示了处于步态站立期的本发明的替代性外骨骼；

图4展示了处于步态站立期的图3外骨骼的有关力和外形尺寸；

图5示意了闭环控制器在控制本发明中的作用力中的用途；

图6为本发明的动力单元的示意图；

图7为包括流量限制阀的本发明的替代性动力单元的示意图；

图8为包括三通阀的本发明的替代性动力单元的示意图；

图9为包括步态站立传感器及与其相连的信号处理器的本发明的替代性外骨骼的透视图；

图10为包括髋部弹性元件的本发明的替代性外骨骼的透视图；

图11为包括用于承载后端负载的连接支架的本发明的替代性外骨骼的透视图；

图12包括用于承载前端负载的伸展框的本发明的替代性外骨骼的透视图；

图13为包括髋部外展停止器的本发明的替代性外骨骼的透视图；

图14为包括片簧形式的髋部弹性元件的本发明的替代性外骨骼的透视图；

图15为包括两个髋部弹性元件的本发明的替代性外骨骼的透视图；

图16为包括两个髋部连接件的本发明的替代性外骨骼的透视图；

图17为包括背包框的本发明的替代性外骨骼的透视图；

图18为包括两个髋部弹性元件和外骨骼足部的本发明的替代性外骨骼的透视图；

图19为图18的示意了大腿关节细节的外骨骼局部视图；

图20为图18的示意了压缩-伸长机构的细节的外骨骼局部视图；

图21为包括鞋子的本发明的替代性外骨骼的透视图；

图22为包括鞋底的本发明的替代性外骨骼的透视图；

图23为包括球窝关节的图18的外骨骼足部的局部视图；

图24为包括弹性元件的本发明的替代性外骨骼足部的透视图；

图25为包括外展/内收弹性元件的本发明的替代性外骨骼足部的透视图；

图26为包括小腿旋转关节的本发明的替代性外骨骼足部的透视图；

图27a-27f为使用本发明的外骨骼从而可能产生的各种能量转移曲线的图解；

图28为包括集成式步态站立传感器的本发明的替代性外骨骼足部的局部横断面侧视图；

图29为包括力传感器的本发明的替代性外骨骼足部的俯视透视图；

图30为包括集成式步态站立传感器的本发明的替代性鞋子的局部横断面侧视图；

图31为包括安装在鞋底的步态站立传感器的本发明的替代性鞋子的局部横断面侧视图；

图32为包括将力传感器纳入鞋底的本发明的替代性鞋子的局部横断面侧视图；

图33为本发明的替代性外骨骼在垂直收纳位置进行携带的侧视图；

图34为图33的外骨骼的局部透视图；

图35为包括液压旋转阻尼器的本发明的替代性外骨骼足部的透视图；

图36为本发明的膝盖液压回路的示意图；

图37为包括三通阀的本发明的替代性膝盖液压回路的示意图；

图38为包括止回阀的本发明的替代性膝盖液压回路的示意图；

图39为包括三通阀和止回阀的本发明的替代性膝盖液压回路的示意图；

图40为包括双通阀和止回阀的本发明的替代性膝盖液压回路的示意图；

图41示意了与本发明相对应的锁膝关节的功能；

图42为本发明的替代性腿部支撑件的侧视图，该替代性腿部支撑件包括与扭矩发生器并联的膝关节弹性元件；

图43为本发明的替代性腿部支撑件的侧视图，该替代性腿部支撑件包括与扭矩发生器串联的膝关节弹性元件；

图44为本发明的替代性外骨骼的侧视图，该外骨骼包括不接触地面的腿部。

具体实施方式

图1为对应于本发明的一个实施例的下肢外骨骼100的透视图，该下肢外骨骼100可由人187穿用，能减少穿用者行走时的能量消耗。所述下肢外骨骼100除其他部件外，还包括两个腿部支撑件101和102，用于连接到人的下肢143和144，并且在步态站立期时用于搁置在地面上。所述腿部支撑件除其他部件外，还包括大腿连接件103和104，以及小腿连接件105和106。两个膝关节107和108用于在相应的腿部支撑件的步态迈步期时，使所述腿部支撑件的小腿连接件和大腿连接件之间能够弯曲和伸展（分别如膝关节弯曲箭头213和膝关节伸展箭头214所示）。然而，一些实施例中的两个膝关节107和108用于在相应的腿部支撑件的步态站立期时，抵抗腿部支撑件的小腿连接件和大腿连接件之间的弯曲。所述下肢外骨骼100除其他部件外，进一步包括外骨骼躯干109。该外骨骼躯干109除其他部件外，还包括上身接口装置150。所述外骨骼躯干109可通过该上身接口装置150连接至人的上身149。所述人的上身149是指大腿以上的任何位置，包括髋部。所述上身接口装置150的例子包括但不限于背心、皮带、绑带、肩带、胸带、石膏、背带和腰带等一个部件或多个部件的组合。所述外骨骼躯干109在髋部弯曲-伸展关节125和126处旋转地连接至腿部支撑件101和102，使腿部支撑件101和102分别围绕髋部弯曲-伸展轴151和152进行髋部弯曲和伸展旋转（分别如髋部伸展箭头215和髋部弯曲箭头216所示）。所述腿部支撑件101和102可通过下肢接口带135和136连接至人的下肢143和144。在一些实施例中，如图1所示，下肢接口带135和136连接至大腿连接件103和104。在一些实施例中，如图2所示，下肢接口带135和136连接至小腿连接件105和106。在一些实施例中，下肢接口带同时连接至小腿连接件和大腿连接件。每个下肢接口带135和136包括但不限于绑带、条状物、C形支架、石膏和弹性体中的一个部件或多个部件的组合。

操作时，通过将用下肢接口带135和136连接两个腿部支撑件101和102，人187通过上身接口装置150（图1中的例子所示的简单皮带）连接至（或穿用）下肢外骨骼100。下肢外骨骼100除其他部件外，还包括两个髋部执行器145和146，用于在外骨骼躯干109和腿部支撑件101和102之间产生扭矩。图1展示了右髋部执行器145，图2展示了左髋部执行器146。下肢外骨骼100除其他部件外，还包括至少一个能提供动力的动力单元201，该动力单元201连接至所述髋部促动器执行器145和146。在一些实施例中，只有一个动力单元201向髋部执行器145和146提供动力。在一些实施例中，每个髋部执行器都接受来自单独的动力单元的动力。所述髋部执行器145和146包括任何能够产生扭矩的设备或设备的组合。所述髋部执行器145和146的例子包括但不限于电动机、AC（交流）电动机、刷式DC（直流）电动机、无刷直流电动机、电子整流电动机(ECMs)、步进电动机、液压执行器、气动执行器以及其组合。在一些实施例中，所述髋部执行器145和146由压缩气体驱动。在一些实施例中，所述外骨骼躯干109可用于在人187的后方承载后端负载。

图3示意了下肢外骨骼100的一种形态，其中，右腿支撑件101和人的右下肢143处于步态迈步期，左腿支撑件102和人的左下肢144处于步态站立期（图3未展示左腿支撑件102）。应注意，本实施例中的外骨骼躯干109设计为沿着人的背部延伸，以承载后端负载118。还应注意，以下分析显然也适用于相反形态，即当左腿支撑件102处于步态迈步期、右腿支撑件101处于步态站立期时的形态。

操作时，当右腿支撑件101处于步态迈步期时，动力单元201用于使右腿支撑件101的相应右髋部执行器145产生扭矩曲线。由于该扭矩曲线，右腿支撑件101和人的右下肢143迈步，如图3所示。右髋部执行器145在整个步态迈步期内产生的机械功为W _ACTUATOR；右腿支撑件101在步态迈步期开始时的总机械能（动能加势能）为E _A。右腿支撑件101在步态迈步期结束时的总机械能为E _C。步态站立期时右腿支撑件101因摩擦和其他损失而浪费的能量为E _LOSS。如果W _ACTUATOR大于(E _C－E _A＋E _LOSS)，则能量从右髋部执行器145转移，使人的右下肢143迈步，且该能量大小为[W _ACTUATOR－(E _C－E _A＋E _LOSS)]。如果W _ACTUATOR（即右髋部执行器145产生的机械能）小于(E _C－E _A＋E _LOSS)，则能量从人的右下肢143转移，使腿部支撑件101迈步，且该能量大小为[ (E _C－E _A＋E _LOSS)－W _ACTUATOR]。

综上所述：

若 W _ACTUATOR＞(E _C－E _A＋E _LOSS)，则

转移至人的右下肢143的能量=W _ACTUATOR－(E _C－E _A＋E _LOSS)

若 W _ACTUATOR＜(E _C－E _A＋E _LOSS)，则

从人的右下肢143转移的能量=(E _C－E _A＋E _LOSS)－W _ACTUATOR

当下肢外骨骼100未被人187穿用时，在步态迈步期内移动外骨骼右腿支撑件101所需的能量为(E _C－E _A＋E _LOSS)。这意味着，当右腿支撑件101处于步态站立期时，要将能量转移至人的右下肢143，由动力单元201向右腿支撑件101的右髋部执行器145提供的能量必须大于当不存在人187时、在步态迈步期以相同轨迹移动右腿支撑件101所需的能量。在步态迈步期时转移至人187的机械能的逐步增加将使步态站立期时穿用者所需的能量逐步减少。由于穿用者的耗氧量与能量消耗成正比，因此，穿用者迈动腿部负载所需能量的减少将使其耗氧量减少。由此可知，在腿部支撑件101的步态迈步期的至少一段期间内，右腿支撑件101的右髋部执行器145应当产生扭矩曲线，以使机械能从迈步的腿部支撑件101转移至人187。如果在该段期间内转移的机械能足够大，则穿用者在行走时的耗氧量得以减少。

一种确保步态迈步期时能量从右髋部执行器145转移，以移动人的右下肢143的方法是，确保右髋部执行器145的扭矩曲线在一部分步态迈步期时大于当不存在人187时、以相同的迈步轨迹移动右腿支撑件101所需的扭矩。以下对此进行描述。

图4示意了所述下肢外骨骼100在右腿支撑件101处于步态迈步期时的形态（与图3的形态相同，除人未图示外）。支撑件表面或地面130与水平面134成一定坡度。人的上身149通过上身接口装置150连接至外骨骼躯干109，如图1所示。为清楚起见，暂时假定外骨骼躯干109没有移动。这一假定是为了简化等式，有助于更好地理解降低穿用者的能量消耗所需的条件。所得出的结果还适用于外骨骼躯干109前行的情形。

在本发明的一些实施例中，穿用者的下肢143和腿部支撑件101通过下肢接口带135互相连接。在本发明的一些实施例中，穿用者的下肢143和腿部支撑件101通过外骨骼足部139和140互相连接，如图18所示。穿用者的下肢143和腿部支撑件101之间的连接类型决定了二者之间的相互作用力的分布。图4示意了来自穿用者的下肢143的两股力（图4未示意）施加在腿部支撑件101上的情形。通过下肢143，力F _T作用在大腿连接件103上，力F _S作用在小腿连接件105上。无论穿用者的下肢143与腿部支撑件101之间的是何种连接类型，应当理解的是，这些力都产生了从穿用者的下肢143到腿部支撑件101的、围绕髋部弯曲-伸展关节125的扭矩。从穿用者的下肢143到腿部支撑件101的全部扭矩之和为T _H。T _H为正值时，表示从穿用者的下肢143到腿部支撑件101的扭矩为顺时针方向。外骨骼躯干109和右腿支撑件101之间由右髋部执行器145产生的扭矩（图1所示）为T _E。T _E为正值时，表示作用逆时针方向的扭矩，以使腿部支撑件101沿图3和图4所示的向前迈步方向162迈步。等式(1)和等式(2)表示图4所示的系统的动能和势能。

其中，

M _SHANK：右腿支撑件101的外骨骼小腿连接件105的质量

M _THIGH：右腿支撑件101的外骨骼大腿连接件103的质量

L _THIGH：右大腿连接件103的长度

L _SCG：小腿连接件105的重心与膝关节107之间的距离

L _TCG：大腿连接件103的重心与髋部弯曲-伸展关节125之间的距离

β ₁：大腿与竖直线之间的角度（图4所示为正值）

β ₂：小腿与竖直线之间的角度（图4所示为正值）

I _THIGH：大腿连接件103关于髋部弯曲-伸展关节125的转动惯量

I _SHANK：小腿连接件105关于其重心的转动惯量

当外骨骼躯干109未移动，且右腿支撑件101在迈步时，对右腿支撑件101应用拉格朗日法得出，右髋部执行器145输出的扭矩T _E与来自穿用者的下肢143的扭矩T _H之和决定了腿部支撑件101如何迈步，该值如等式（3）所示。

其中：

T _H：从人的右下肢作用在右腿支撑件的扭矩（在顺时针方向为正值，且与前行迈步方向反向）

T _E：右髋部执行器产生的扭矩（沿前行迈步方向为正值）

T _F：摩擦扭矩，其与右腿支撑件迈步时的运动相反

等式（3）的右侧表示，当右腿支撑件101未被人的右下肢143穿用时，在步态迈步期时以相同的轨迹移动右腿支撑件101所需的扭矩。以下将考虑三种情况：

例1

从等式（3）验证可知，如果所述髋部执行器扭矩T _E大于等式（3）右侧的值，则从人的右下肢143作用在右腿支撑件101的扭矩T _H为正值。这意味着，如果所述髋部执行器的扭矩选择为大于迈步的腿的总扭矩（即，惯性扭矩、重力扭矩和摩擦扭矩的总和），则从人的右下肢143作用在右腿支撑件101的扭矩T _H为正值（即，顺时针方向）。这进一步意味着，从右腿支撑件101作用在人的右下肢143的扭矩沿着前行迈步方向162。当作用在人的右下肢143上的扭矩沿着迈步速率方向时，机械能从右腿支撑件101（或从下肢外骨骼100）转移至人的右下肢143。由于该机械能在前行迈步期（即，当人的右下肢143向前移动）的一段期间内的时间积分为正数，因此，机械能在该特定期间转移至人187。在前行迈步期的某特定期间转移至人187的机械能将使穿用者迈步运动所需的能量逐步减少。而穿用者迈步运动所需能量的逐步减少将使其移位时的耗氧量降低，心率变缓。

例1（以上所述）的情形教导了为降低穿用者行走时的能量消耗，在腿部支撑件的至少一部分步态迈步期时，所述腿部支撑件的髋部执行器应当产生扭矩曲线，使从迈步的腿部支撑件到人相应的下肢的扭矩沿着人的迈步速率的方向。如果从迈步的腿部支撑件到人相应的下肢的扭矩足够大，则穿用者在步态迈步期时的能量消耗将减少。如果从迈步的腿部支撑件到人相应的下肢的扭矩足够大，则穿用者行走时的耗氧量将减少。

例1的情形还教导了，在腿部支撑件的至少一部分步态迈步期内，为降低穿用者行走时的能量消耗，所述迈步的腿部支撑件的髋部执行器应当产生扭矩曲线，使得从所述迈步的腿部支撑件到人相应的下肢的力沿着人的前行速率方向。这意味着，当所述下肢向前移动时，在所述迈步期的至少一段期间内，穿用者的下肢需要由所述迈步的腿部支撑件向前推动。如果从所述迈步的腿部支撑件到人相应的下肢的力足够大，则穿用者在步态迈步期时的能量消耗将减少。如果从所述迈步的外骨骼腿部支撑件到所述相应的人下肢的力足够大，则穿用者行走时的耗氧量将减少。

上述例1进一步教导了，在腿部支撑件的至少一部分步态迈步期内，为降低穿用者行走时的能量消耗，所述迈步的腿部支撑件的髋部执行器应当产生扭矩曲线，该扭矩曲线的值大于当该腿部支撑件未被人穿用时、在所述部分的步态迈步期内以相同轨迹移动所述腿部支撑件所需的扭矩。如果由所述迈步的腿部支撑件产生的该扭矩曲线足够大，则穿用者在步态迈步期时的能量消耗将减少。如果由所述迈步的腿部支撑件的执行器产生的扭矩曲线足够大，则穿用者在行走时的耗氧量将减少。

例2

由等式（3）验证可知，如果所述髋部执行器的扭矩T _E小于等式（3）右端的值，则从人的右下肢143到右腿支撑件101的扭矩T _H为负值。这意味着，如果所述髋部执行器扭矩的值选择为小于所述迈步的腿的总扭矩（即，惯性扭矩、重力扭矩和摩擦扭矩的总和），则从人的右下肢143到右腿支撑件101的扭矩T _H为逆时针方向。这表明，作用在人的右下肢143的扭矩为顺时针方向（即，与前行迈步方向162反向）。当作用在人的右下肢143上的扭矩与该下肢的迈步前行方向反向时，能量从右下肢143（即，人187）传递至腿部支撑件101（即，下肢外骨骼100）。由于该机械能在步态迈步期的一段期间内的时间积分为负值，因此，机械能从人187转移，以帮助腿部支撑件101迈步。步态迈步期时从人187转移的机械能将使穿用者迈动下肢所需的能量逐步增加。穿用者迈动下肢和外骨骼腿部支撑件所需能量的逐步增加将使穿用者行走时耗氧量更多，心率更快。等式（3）的右端表示当未被人187穿用时、在步态迈步期时以相同轨迹移动外骨骼腿部支撑件101所需的扭矩。

例2的情形教导了，如果在步态迈步期的一段期间内从腿部支撑件101到人的下肢143的扭矩与所述下肢的迈步速率方向反向，则穿用者行走时的能量消耗将增加。例2的情形还教导了，如果在步态迈步期的一段期间内从腿部支撑件101到人的下肢143上的力与所述下肢的迈步前行方向相反，则穿用者行走时的能量消耗将增加。上述例2进一步教导了，如果在步态迈步期的一段期间内所述髋部执行器产生的扭矩曲线小于当所述外骨骼腿部支撑件未被人穿用、在步态迈步期时以相同轨迹移动外骨骼腿部支撑件所需的扭矩，则穿用者行走时的能量消耗将增加。穿用者迈动下肢和外骨骼腿部支撑件所需能量的逐渐增加将使穿用者行走时消耗更多的氧气，心率更快。

例3

由等式（3）验证可知，如果所述髋部执行器的扭矩T _E的值与等式（3）右端的总值相等，则从人的右下肢143到右腿支撑件101的扭矩T _E为零。这意味着，如果所述髋部执行器扭矩选择为正好等于迈步的腿上的总扭矩（即，惯性扭矩、重力扭矩和摩擦扭矩的总和），则人的下肢和外骨骼腿部支撑件之间相互作用的扭矩为零。这意味着，穿用者在步态迈步期时感觉不到外骨骼腿部支撑件的存在，且穿用者用于迈动其下肢的力与其未穿用任何外骨骼时迈动下肢所需的力相等。这意味着，步态迈步期时外骨骼与其穿用者之间没有能量的转移。在这种情况下，由于迈步活动导致的穿用者的能量消耗既未增加也未减少。

上述分析揭示了下肢外骨骼如何在步态迈步期时降低其穿用者的能量消耗。具有两条手臂和两条下肢的外骨骼系统，只要该外骨骼的下肢按照上述教导的方式运作，则这种外骨骼系统都能降低其穿用者的能量消耗。

总的来说，任何下肢外骨骼，无论其外骨骼系统中执行器的数量及位置如何，只要从外骨骼腿部支撑件到穿用者下肢的力沿着人的腿的迈步速率方向，则该外骨骼都能降低其穿用者在步态迈步期时的能量消耗。当步态迈步期时作用在人的下肢的力沿着人的腿的迈步速率方向时，无论外骨骼的构造如何，机械能都将从外骨骼转移至人体。步态迈步期的一段期间内转移至人体的机械能将使穿用者移位所需的能量逐渐减少。而穿用者移位所需能量的逐渐减少将使其耗氧量减少，心率变缓。

在本发明的一些实施例中，下肢外骨骼100包括至少一个信号处理器159，能够控制髋部执行器145和146，如图9所示。信号处理器159包括从以下一组中选出的一个元件或多个元件的组合：模拟设备、模拟计算机模块和数字设备，该数字设备包括但不限于小规模、中规模和大规模集成电路、专用集成电路、可编程门阵列、可编程逻辑阵列、机电继电器、固态开关、MOSFET开关和数字计算模块，该数字计算模块包括但不限于微计算机、微处理器、微控制器和可编程逻辑控制器。在操作中，为降低穿用者的能量消耗，信号处理器159除其他任务外，还用于计算能满足上述例1所述条件的扭矩曲线。随即，髋部执行器145和146在其各自的步态迈步期时产生该扭矩。实施上述例1的条件有许多种方式，其中一些方法如下所述。

在一些实施例中，信号处理器159为髋部执行器145和146计算上述例1描述的扭矩曲线。在一些实施例中，可通过测量髋部执行器扭矩或力，将其作为反馈变量，以形成闭合环路控制，由此控制髋部执行器的扭矩，从而使其满足例1描述的条件。

图4展示了为降低穿用者在步态迈步期时的能量消耗，作用在穿用者的下肢143上的力在步态迈步期的一段期间内应当沿着迈步速率方向。即，在一部分步态迈步期时，穿用者的下肢应当被外骨骼下肢沿运动方向向前推动。该过程既可以是闭环的，也可以是开环的。在闭环回路中，可采用一定的控制算法，以确保人的下肢143上作用了力，且该力产生了沿着迈步速率方向的扭矩。换言之，在一部分步态迈步期时，穿用者的下肢143被向前推动。在一些实施例中，这一点可通过在穿用者的下肢143与右腿支撑件101之间增加力传感器，以形成闭环力控制器来实现。该闭环控制器测量人的下肢143和右腿支撑件101之间的力，并使髋部执行器145输出扭矩，以确保作用在人的下肢143上的力在运动方向上持续推动人的下肢143。图5为控制框图的一个实施例，其中，测量作用在穿用者下肢143上的力，并将其与作用在穿用者下肢沿迈步速率方向的理想的力进行比较。为降低穿用者在步态迈步期时的能量消耗，使用所述控制器，以确保作用在穿用者下肢143上的力遵从沿着前行迈步方向162的所述理想的力的方向。这意味着，为降低穿用者的能量消耗，所述控制器确保穿用者的下肢在一部分步态迈步期时在运动方向上被推动。作用在穿用者下肢的理想的力应当选择为使穿用者觉得舒适的力。

在一些实施例中，可采用一定算法，使得在未测量穿用者下肢143与右腿支撑件101之间的任何力并将其作为反馈变量的情况下，确保髋部执行器产生的扭矩满足例1的条件。可以产生用于T _E的扭矩曲线，其中T _E大于等式（3）右侧的值。该例中，需要计算出步态迈步期时等式（3）右侧的值。例如，T _E可由下式表示：

其中，f为函数，其确保在一部分步态迈步期时，髋部执行器输出的扭矩曲线T _E大于当未被人的下肢穿用时、在步态迈步期时以相同的轨迹移动腿部支撑件所需的扭矩。在一些实施例中，f为常量且为正值。在一些实施例中，f为时间的函数。如等式（4）所示，对T _E的选择确保人的下肢在一部分步态迈步期时沿着迈步方向被推动。

在一些实施例中，可以不通过等式（3）右端的计算而为大于等式（3）右端值的地方产生扭矩曲线T _E。例如，T _E可表示为：

T _E = g

其中g为函数，在一部分步态迈步期时该函数的值大于等式（3）右端的值。在一些实施例中，g为常量，且在一部分步态迈步期时大于等式（3）右端的值。在一些实施例中，g为时间的函数，且在一部分步态迈步期时其值大于等式（3）右端的值。在一些实施例中，g为步态迈步期持续时间所占比例的函数，且其值大于等式（3）右端的值。

操作者可以采取函数g的各种不同值，以确保步态迈步期时穿用者的下肢被舒适地向前推动，在此将讨论其中一些优选的情形。如前所述，如果在腿部支撑件迈步期间的W _ACTUATOR（髋部执行器产生的机械能）大于迈动外骨骼腿部支撑件所需的能量，则能量从所述髋部执行器转移，以使人的下肢迈步。上述例1描述了确保这种使能量转移至穿用者的方式。无需通过确保T _E时刻都大于等式（3）右端的值来确保能量转移至穿用者。在步态迈步期时扭矩T _E可选择为只足够用于一部分步态迈步期。在一些实施例中，扭矩T _E可以为常量，用于预设比例的步态迈步期，接着在余下的步态迈步期内减小至零。在一些实施例中，扭矩T _E可以在步态迈步期开始时为最大值，之后为关于时间的线性函数，在余下的步态迈步期内逐步减小至零。在以上所有例子中，只要在步态迈步期时由髋部执行器产生的机械能大于迈动外骨骼腿部支撑件所需的能量，则能量将从髋部执行器转移以移动人的下肢。由于在迈步的腿接触地面后才能得知一个步态迈步周期的精确长度，因此，可以基于该条腿和/或另一条腿的前一个或多个步态迈步周期的长度来估计当前的步态迈步周期的长度。因此，在一些实施例中，只要能量能转移至穿用者，如以上例1所述，则可基于前一个或多个步骤产生任意函数的T _E。

何时开始在迈步方向上施加扭矩是非常重要的。必须认识到，在行走时有一小段时间内，人的下肢143和144都与地面接触。例如，当下肢144撞击地面时，下肢143仍停留在地面上。在下肢144撞击地面很短的时间后，下肢143从地面分离（通常称作脚尖离地(toe-off)）。下肢144的脚跟落地(heel strike)与下肢143的脚尖离地之间的持续时间称作双步态站立期(double stance phase)。实验显示，作用在即将经历脚尖离地的腿部支撑件上的扭矩应当与前行迈步方向162相同，且刚好在另一条腿部支撑件的脚跟落地之后作用。换言之，当腿部支撑件102撞击地面时，动力单元201必须使右腿支撑件101的右髋部执行器145开始向腿部支撑件101施加沿着前行迈步方向162的扭矩。

类似地，当腿部支撑件101撞击地面时，动力单元201必须使左腿支撑件102的左髋部执行器146开始向腿部支撑件102施加沿着前行迈步方向162的扭矩。显然，在双步态站立期时，作用在任何一条腿部支撑件上的扭矩都将在至少一部分步态迈步期内继续作用，以确保能量转移至穿用者相应的下肢。在一些实施例中，基于从至少前一个步骤中收集的一组信息来选择腿部支撑件101上的扭矩。该组信息可以包括例如对当前行走速度的估值。在一些实施例中，腿部支撑件101上的扭矩选择为，使从腿部支撑件101到相应的人下肢143上的力在人下肢的前行迈步方向162上。

在一些实施例中，对扭矩进行计算，在令人感觉舒适的前提下使从腿部支撑件101到相应的人下肢143上的力最大。在一些实施例中，从腿部支撑件101到相应的人下肢143上的力足够大，以使穿用者行走时的耗氧量得以减少。在一些实施例中，腿部支撑件101上的扭矩增大至标称值，且在腿部支撑件101的脚尖离地期间保持基本恒定。在一些实施例中，腿部支撑件101上的扭矩增大至标称值，且在双步态站立期和腿部支撑件101的脚尖离地整个期间内，其变化幅度不超过标称值的50%。在一些实施例中，腿部支撑件101上的扭矩大致为单向的。在一些实施例中，腿部支撑件101上的扭矩增大至标称值，且在双步态站立期、脚尖离地期间、以及所述第一腿部支撑件从脚尖离地到脚跟落地的大部分时期内，其都保持在标称值的50%以内。

图27a-27f示意了髋部扭矩曲线的一些优选例。图27a展示了扭矩曲线g，其中一条腿部支撑件上的扭矩在另一条腿部支撑件脚跟落地后，立即增大至一常量，且在整个脚尖离地和大部分步态迈步期内保持恒定，直到最后在步态迈步期结束时接近零，以使使用者迈步的腿在步态迈步期结束时减速。在一些情形下，步态迈步期结束时的扭矩可能为零，如图27b所示。图27b还示意了所述扭矩减小为零的各种可能方式，例如以所示直线斜坡的方式。

图27c还展示了另一个例子。图27c示意了扭矩曲线g，该扭矩曲线g在另一条腿部支撑件脚跟落地时产生并保持相对恒定，接着在整个脚尖离地期间直至进入步态迈步期时平滑增大，直到步态迈步期晚期时降为零。另一例如图27d所示。在该图中，扭矩曲线在另一条腿部支撑件脚跟落地时迅速增加至一常量，并在脚尖离地之前一直保持恒定，接着切换至某个扭矩值，该扭矩值与当前髋关节角速率成正比且在同一方向上。在操作中，选择初始常量和比例常数（与膝盖角速率成正比），以确保在该常量扭矩值与按髋关节角速率比例常数计算出的扭矩之间的平滑切换。研究发现，使用脚尖离地后与当前髋关节角速率成正比且方向相同的扭矩值，是一种计算实时扭矩的方法，该扭矩模拟等式（4）的计算结果T _E。当然，可以在脚尖离地时切换，以计算如等式（4）给出的T _E的总值，或者用多个项、以不同方式来估计T _E的值。在一个实施例中，通过将以下二者相加来计算脚尖离地后的扭矩：（一）与髋关节当前的角速率成正比的项，加上（二）与所述大腿连接件与重力之间的角度的正弦值成正比的值。

图27e与图27d具有相同的特点，但切换到与速度成正比的扭矩的过程是很突然的，尽管其仍是可接受的。另外，还应当注意，在图27d和图27e中，可在步态迈步期的晚期取消与速率成正比的扭矩，而用接近零的扭矩指令替代，以避免使用者在步态迈步期的晚期为使膝关节减速而与扭矩抗争。图27f示意了这一点。

在图27a到图27f所示的全部例子中，应当控制扭矩的幅度和扭矩曲线的持续时间，以确保两点：1）扭矩大，但不至于大到令人感觉不适；2）扭矩在步态迈步期晚期适当的时间时减小。操作时，在图27a到图27f中，初始常量扭矩的幅度由多种因素的组合决定，包括使用者设置和使用者当前的行走速度（根据在前的步骤而定）。使用者设置用于在所有行走速度时设定迈步时的通用辅助等级，且该设定依使用者的偏好而定。使用当前行走速度来设定扭矩幅度的范围，使使用者在快速行走时获得更多辅助，慢速行走时获得较少的辅助。扭矩曲线的适当持续时间（步态迈步期晚期时扭矩曲线减小的时刻）可以依当前步行速度而定，或由迈步角度而定，或由系统其他变量而定。

在一些实施例中，信号处理器159增大扭矩曲线T _E，以在较快速度行走时提供更多辅助。当信号处理器159检测到人187的行走速度开始变快时，信号处理器159增大执行器的扭矩或力。在一些实施例中，当在步态迈步期时从外骨骼腿部支撑件到人的下肢的、沿前行迈步方向162的扭矩不够大时，或者该扭矩与前行迈步方向162反向时，信号处理器159将检测到人187的行走速度开始变快。在一些实施例中，对外骨骼腿部支撑件与人的下肢之间的力进行测量可得知，人提高了其行走速度。当在步态迈步期时从外骨骼腿部支撑件到人的下肢的、沿前行迈步方向162的力不够大时，或者该力与前行迈步方向162反向时，显然可知，人187提高了其行走速度。

在一些实施例中，信号处理器159安装在外骨骼躯干109上。在一些实施例中，信号处理器159位于动力单元201内。信号处理器159可以是由液压或气动回路组成的简单的机械装置，也可以包括电子元件。

在一些实施例中，髋部执行器145和146每个都包括一个液压髋部执行器。在这些实施例中，至少一个动力单元201为髋部执行器145和146提供液压动力。在一些实施例中，每个液压髋部执行器接收来自单独的动力单元的动力。在一些实施例中，图6所示的动力单元201除其他组件外，还包括至少一个液压回路194，该液压回路194可连接到至少一个液压髋部执行器145或146，并调节流入和流出液压髋部执行器145和146的液压流。在一些实施例中，液压髋部执行器145和146为液压活塞式液压缸。在一些实施例中，液压髋部执行器145和146为旋转叶片式液压执行器。在一些实施例中，如图6所示，液压回路194除其他组件外，还包括连接至电动机241的液压泵240。

通过控制电动机241，髋部执行器145和146产生扭矩曲线，以满足上述例1的条件。由于该扭矩为关于液压和髋部执行器几何形状的函数，因此，能够通过测量液压并将其作为反馈变量、以形成电动机241上的闭环控制，从而控制髋部执行器的扭矩。在一些实施例中，可以通过测量髋部执行器的扭矩或力并将其作为反馈变量、以形成电动机241上的闭环控制，从而控制髋部执行器的扭矩，使其满足上述例1的条件。

在一些实施例中，如图7所示，液压回路194除其他组件外，还包括驱动流量限制阀200，该流量限制阀200能改变来自液压右髋部执行器145的、环绕液压泵240的液压流的流向。在操作中，当液压泵240在使用中时，驱动流量限制阀200关闭。操作中，当需要降低能量消耗时，电动机241将不通电。这时，可以打开驱动流量限制阀200，使得未通电的电动机241和泵240不阻碍右髋部执行器145的运动。

在一些实施例中，如图8所示，液压回路194除其他组件外，还包括三通阀242。在操作中，当动力单元201向右髋部执行器145提供液压动力时，三通阀242将液压向右髋部执行器145连接至液压泵240。在操作中，当需要降低能量消耗时，电动机241将不通电。这样，三通阀242可以改变来自液压右髋部执行器145的、环绕液压泵240的液压流的流向，使得未通电的电动机241和泵240不阻碍右髋部执行器145的运动。本领域技术人员能够意识到，液压回路通常具有许多其他与安全性和其他特性相关的组件，尽管在此未作讨论。图6、7和8仅展示了完成在此所述任务而需要的组件。

液压髋部执行器145和146包括能够任何能将加压液流转换成力或扭矩的液压执行器或执行器的组合。液压执行器的例子包括但不限于线性液压活塞式液压缸、旋转式液压执行器、齿条与小齿轮式旋转执行器以及旋转液压叶片式执行器等，其中，加压液流通过推动运动界面而产生力或扭矩。

驱动流量限制阀200包括任何能够实现所述功能的阀或阀的组合。驱动流量限制阀200的例子包括但不限于流量控制阀、压力控制阀、驱动针型阀、电磁阀和双位阀。

液压泵240包括任何能够实现所述功能的泵或泵的组合。所述液压泵240的例子包括但不限于齿轮泵、叶片泵、轴向活塞泵和径向活塞泵。

电动机241包括任何能够驱动液压泵240的设备或设备的组合。发动机241的例子包括但不限于电动机，所述电动机包括但不限于AC（交流）电动机、刷式DC（直流）电动机、无刷直流电动机、电子整流电动机(ECMs)、步进电动机以及其组合。尽管在此所述的是电动机241带动液压泵240转动，然而，本领域技术人员应当能够认识到，发动机241和液压泵240都可以具有其他类型的非旋转连接方式，例如往复直线运动。

在一些实施例中，当髋部执行器145和146为液压执行器时，通过控制电动机241，所述信号处理器159为髋部执行器145和146计算出例1所描述的扭矩曲线。由于该扭矩为关于液压和髋部执行器几何形状的函数，因此，如图8所示，在一些实施例中，能够通过测量液压并将其作为反馈变量、以形成电动机241上的闭环控制，由此控制髋部执行器的扭矩。压力传感器236测量液压流的压力，同时信号处理器159确保将压力调节至理想值。髋部执行器扭矩的闭环控制能够在步态迈步期时产生任意已知扭矩曲线，以确保能量转移至穿用者。在一些实施例中，产生的扭矩为前一个或多个步骤中系统状态的函数，且该扭矩确保满足上述例1的条件。在一些实施例中，可以通过测量髋部执行器的扭矩或力并将其作为反馈变量、以形成电动机241上的闭环控制，从而控制所述髋部执行器扭矩，以满足上述例1的条件。控制领域的熟练工程师将能够研发出此种控制器，以满足以上例1所述的条件。

在一些实施例中，如图9所示，下肢外骨骼100的每个腿部支撑件至少具有一个步态站立传感器，用于输出步态信号，以表明腿部支撑件是否处于步态站立期。在图9所示的实施例中，腿部支撑件101包括步态站立传感器160，用于输出步态信号219。该步态信号219表明腿部支撑件101是否处于步态站立期。类似地，在图9所示的实施例中，腿部支撑件102包括步态站立传感器161，用于输出步态信号220。该步态信号220表明腿部支撑件102是否处于步态站立期。在一些实施例中，所述步态站立传感器160和161分别连接至小腿支撑件101和102。操作时，信号处理器159计算出满足以上例1所述条件的扭矩曲线，该计算基于步态信号219和220是否表明腿部支撑件101和102处于步态站立期或步态迈步期。在一些实施例中，步态站立传感器160和161设置在人的鞋（或靴子）底内。在一些实施例中，步态站立传感器160和161可连接至人的鞋子或靴子的底部。

进一步讨论图1所示的外骨骼的几何形状，外骨骼躯干109除其他组件外，还包括两个髋部连接件114和115，该髋部连接件114和115可在髋部弯曲-伸展关节125和126处旋转连接至大腿连接件103和104，使腿部支撑件101和102分别能关于髋部弯曲-伸展轴151和152弯曲和伸展。在一些实施例中，髋部连接件114和115在髋部外展-内收关节113处互相旋转连接，使腿部支撑件101和102能够外展和/或内收。箭头217和218分别示意了腿部支撑件101和102的外展和内收。

图10示意了本发明的另一实施例，其中，外骨骼躯干109进一步包括髋部弹性元件116，用于在髋部连接件114和115之间施加扭矩。髋部弹性元件的例子包括但不限于拉伸弹簧、压缩弹簧、片簧、气压弹簧、空气弹簧、橡胶、弹性体、橡皮拉力器、蹦极绳索或其组合。可以选择一定硬度的髋部弹性元件116，使其力量能够在步态迈步期时大致支撑起腿部支撑件101或102的重量。

在一些实施例中，外骨骼躯干109用于在人187的后方承载后端负载118。图11为透视图，其中，外骨骼躯干109除其他组件外，还包括连接支架117，该连接支架117用于将后端负载118的重量转移至外骨骼躯干109。

在一些实施例中，如图12所示，连接支架117进一步包括伸展框119和120，用于在人187的前方承载前端负载154。后端负载118和前端负载154的例子包括但不限于背包、婴儿背袋、食物容器、袋子、盒子、水壶、工具箱、桶、弹药、武器、寝具、急救用品、高尔夫球袋、邮袋、摄像机、稳定凸轮、吹叶机、压缩机、机电机器及其组合。在一些实施例中，后端负载118和/或前端负载154为人187携带的另一个人。在一些实施例中，通过人的上身接口装置150，外骨骼躯干109承载人187的一部分重量。

如图13所示的一些实施例中还可以包括髋部外展停止器211，用于限制或防止髋部连接件114和115相对于彼此向外展开。在图13所示的特别实施例中，所述髋部外展停止器211使用钢缆。钢缆材料的髋部外展停止器211防止腿部支撑件101和102超过一定角度的外展，但允许腿部支撑件101和102的内收。

图14为对应于本发明的另一实施例的透视图，其中外骨骼躯干109包括两个髋部连接件114和115，该髋部连接件114和115能够旋转连接至大腿连接件103和104，从而使腿部支撑件101和102相对于外骨骼躯干109弯曲和伸展，其中，髋部连接件114和115彼此适应地连接，从而使腿部支撑件101和102能够外展和/或内收。在图14所示的例子中，这一过程是由作为弹性元件153的片簧来实现的。

图15为对应于本发明的另一实施例的透视图，其中，外骨骼躯干109除其他组件外，还包括连接支架117，用于将后端负载118的重量转移至外骨骼躯干109。外骨骼躯干109进一步包括两个髋部连接件114和115，该髋部连接件114和115能够旋转连接至大腿连接件103和104，使腿部支撑件101和102相对于外骨骼躯干109弯曲和伸展。通过两个髋部外展-内收关节176和177，髋部连接件114和115旋转连接至连接支架117，并围绕两个髋部外展-内收轴178和179旋转。在一些实施例中，髋部外展-内收轴178和179大致相互平行。在一些实施例中，髋部外展-内收关节176和177相互重合。另外，在一些实施例中，如图9到图12所示，髋部外展-内收关节176和177相互重合，形成髋部外展-内收关节113，同时髋部外展-内收轴178和179成为一条髋部外展-内收轴112。

在一些实施例中，如图16所示，外骨骼躯干109进一步包括外展-内收髋部弹性元件121和122，用于在髋部连接件114和115与连接支架117之间施加扭矩。髋部外展-内收弹性元件的例子包括但不限于拉伸弹簧、压缩弹簧、气压弹簧、空气弹簧、橡胶、弹性体、片簧、蹦极绳索及其组合。可以选择一定硬度的外展-内收髋部弹性元件121和122，使得在步态迈步期时其力量大致能支撑起腿部支撑件101或102的重量，并协助人在行走时保持负载与地面的垂直。

在一些实施例中，如图17所示，髋部连接件114和115适应地连接至连接支架117。

在图17所示的实施例中，这一过程是由髋部弹性元件153实现的，在该例中髋部弹性元件153为片簧。

在一些实施例中，如图17所示，外骨骼躯干109包括背包框180，该背包框180将背包连接至下肢外骨骼100。在一些实施例中，背包架180连接至连接支架117。为清楚起见，图中省去了上身接口装置150（例如皮带或肩带）；然而，在一些实施例中，上身接口装置150可以连接至背包框180或连接支架117。

在图18展示的本发明的另一实施例中，腿部支撑件101和102进一步包括大腿外展-内收关节123和124，用于使腿部支撑件101和102分别关于大腿外展-内收轴202和203外展和/或内收。在一些实施例中，大腿外展-内收关节123和124位于髋部弯曲-伸展关节125和126的下方。图19示意了这些关节的细节，该图为与图18相同的实施例的局部视图。

在一些实施例中，如图19所示，右腿支撑件101包括大腿内收停止器185，用于限制或防止右大腿连接件103在大腿外展-内收关节123和124处内收。箭头227和228分别示意了右腿支撑件101的外展和内收。在图19所示的特别实施例中，右大腿外展-内收关节123包括搁在大腿停止器表面186上的大腿内收停止器185。大腿内收停止器185限制大腿外展-内收关节123的内收。在步态站立期时，右大腿外展-内收关节123不受限制的内收将使右髋部连接件114在步态站立期时沿箭头204向下移动，导致负载掉落（低垂）。大腿外展-内收关节123和124的这种关节仅能外展，因此能使人自然蹲下。在一些实施例中，如图18和图19所示的实施例，这种外展关节大致位于髋部弯曲-伸展关节125和126的下方。

在一些实施例中，如图18和图19所示，腿部支撑件101和102进一步包括腿部旋转关节127和128，用于实现腿部支撑件101和102的旋转。腿部旋转关节127和128大致位于膝关节107和108上方。线164和165表示腿部旋转关节127和128的腿部旋转轴。在图19和图20中，这一过程是通过在右髋部旋转轴166和右髋部旋转轴颈168之间设置滑动触点来实现的。为清楚起见，图中省略了包括在关节中的、用于防止关节被拉开的部件，但本领域技术人员应当注意到，存在多种将这种轴保持在这种轴颈中的方式。

在一些实施例中，如图20所示，腿部旋转关节127和128进一步包括旋转弹性元件129。该旋转弹性元件129充当扭力弹簧，产生恢复扭矩，该恢复扭矩使腿部支撑件大致返回至图18所示的中位。旋转弹性元件129可以通过许多方式构成，其中，当使用高弹性材料时，以具有图20所示的特定横截面为佳。出于解释说明目的，所示旋转弹性元件129示意为部分偏斜。

另外，在一些实施例中，如图19和图20所示，腿部支撑件101和102进一步包括压缩-伸长机构131和132，用于改变外骨骼躯干109与相应的膝盖弯曲-伸展关节107和108之间的距离。在一些实施例中，压缩-伸长机构131和132能够改变髋部弯曲-伸展关节125和126与相应的膝盖弯曲-伸展关节107和108之间的距离。右髋部旋转轴166滑动进入右髋部旋转轴颈168中（仅示意右腿101），从而收缩所述压缩-伸长机构。所述腿部旋转弹性元件129可滑入间隙腔170中。在一些实施例中，压缩-伸长机构131和132进一步包括右腿压缩-伸长弹性元件133。该腿部压缩-伸长弹性元件充当弹簧，提供恢复力，使腿部支撑件基本返回至图18所示的中位形态。在图20所示的实施例中，该过程通过螺旋压缩弹簧实现。

在一些实施例中，如图18所示，外骨骼髋部机构盖171可覆盖外骨骼的一些组件，包括髋部连接件114和115、髋部弹性元件116或外展-内收髋部弹性元件121和122的一部分。

在一些实施例中，如图18所示，腿部支撑件101和102进一步包括外骨骼足部139和140，该外骨骼足部139和140分别连接至小腿连接件105和106，使力从小腿连接件105和106转移至地面。操作时，外骨骼足部139和140用于连接至人187的脚。在一些实施例中，如图18所示，所述连接至人的脚的过程是通过使用蚬壳式固定设备205和206来实现的，该蚬壳式固定设备205和206在一些现代雪地鞋中有所使用。然而，正如在各类雪橇、滑雪板、雪靴及其他设备中可见的一样，还有许多方法来实现这一连接。在一些实施例中，如图21所示，外骨骼足部139和140包括可由人187穿着的外骨骼鞋188和189，以便将外骨骼足部139和140连接至人187的脚。在一些实施例中，如图22所示，外骨骼足部139和140包括外骨骼鞋垫157和158，该外骨骼鞋垫157和158可插入人的鞋内，以便将外骨骼足部139和140连接至人187的脚。所述鞋垫157和158具有弹性，因此能够弯曲，以便在例如蹲下等动作时适应人脚的弯曲。另外，鞋垫侧支撑件212可具有不同程度的自由度，以模拟人脚踝的动作。

在一些实施例中，如图18所示，外骨骼足部139和140适应地连接至小腿连接件105和106。这一过程是通过使用脚踝弹性元件181和182来完成的。图23为外骨骼右足139的放大视图。在该例中，右脚踝弹性元件181由金属球窝关节231构成，该金属球窝关节231被环状弹性体元件230环绕，这样，在所有旋转方向上都具有适应性。

在一些实施例中，外骨骼足部139和140相对于小腿连接件105和106、围绕两条（踝关节）跖屈-背屈轴旋转。图24展示了这类外骨骼的实施例，其中右脚踝关节跖屈-背屈轴172大致平行于人脚的踝关节跖屈-背屈轴。在一些实施例中，每个腿部支撑件进一步包括至少一个踝关节跖屈-背屈弹性元件141，用于阻挡相应的外骨骼足部围绕右踝关节跖屈-背屈轴172的旋转。

在一些实施例中，外骨骼足部139和140相对于小腿连接件105和106、围绕两条脚踝外展-内收轴旋转。图25示意了这类外骨骼的实施例，其中右脚踝外展-内收轴174大致平行于人脚踝的外展-内收轴。在一些实施例中，每个腿部支撑件进一步包括至少一个脚踝外展-内收弹性元件142，用于阻挡外骨骼右足139围绕右脚踝外展-内收轴174旋转。

在一些实施例中，外骨骼足部139和140相对于小腿连接件105和106、围绕脚踝旋转轴147和148旋转。在一些实施例中，如图26所示，这一过程是通过使用小腿旋转关节207来完成的，该小腿旋转关节207的功能类似腿部旋转关节127。图26展示了这类外骨骼的一个实施例，其中，右脚踝旋转轴147大致平行于人脚踝的旋转轴。在一些实施例中，所述弹性元件可容纳在脚踝内，以阻挡外骨骼右足139围绕右脚踝旋转轴147旋转。

图27a-27f示意了使用图5展示的本发明的外骨骼时的扭矩，其中使用了外骨骼足部139。假定右腿支撑件101是围绕右脚踝某点处进行旋转的，则以上对人187和下肢外骨骼100之间的能量转移的分析也适用于图27a-27f。

在一些实施例中，如图28所示，步态站立传感器160 和161与外骨骼足部139和140集成为一体。在一些实施例中，如图28所示，步态站立传感器160为压力传感器，测量步态站立传感器腔192内的介质191的压力，该步态站立传感器腔192位于外骨骼右足139的内部。图23展示了一个实施例，其中使用管道作为步态站立传感器腔192。在某些情况下，步态信号219和220可以采取介质191的形式，在小管内从步态站立传感器腔192传递至信号处理器159。

图29展示了另一实施例，其中，步态站立传感器160为力传感器，可连接至外骨骼右足139。在一些实施例中，如图30所示，步态站立传感器160类似鞋垫、位于人的鞋内，其输出信号表示作用在人足底的力。这类步态站立传感器在图21或图22所示的本发明的实施例中尤为有用。在一些实施例中，如图31所示，步态站立传感器160连接至人鞋的底部，以感应作用在人足底的力。在一些实施例中，如图32所示，步态站立传感器160位于人的鞋底内，以感应作用在人足底的力。在一些实施例中，步态站立传感器160和161分别连接到小腿连接件105和106。

步态站立传感器160包括能够实现所述功能的任何传感器或传感器的组合。步态站立传感器160的例子包括但不限于力传感器、应变计式力传感器、压电式力传感器、力敏电阻、压力传感器、开关、带状开关以及其组合。在一些实施例中，步态站立传感器160为一个开关，表示存在着比作用在人187的足底的特定阀值力更大的力。

另外，在图33中展示了附加大腿外展-内收关节235，在未使用但需要携带外骨骼时，该附加大腿外展-内收关节235能够将腿部在垂直位置上收纳起来。右腿支撑件101可沿附加右大腿外展-内收轴237外展。当人187不再携带很重的负载，但需要携带下肢外骨骼100时，上述部件非常有用。在这种情况下，操作者可以解开外骨骼的右腿支撑件101的带子，并将腿部从身体朝外摆开，直到外骨骼右足139位于操作者头部上空。接着，通过弯曲右膝关节107和/或旋转右腿旋转关节127，所述腿部被置于操作者身后并收纳起来，如图33所示。这一动作之所以能够实现，是因为所述右大腿外展-内收关节123和附加的右大腿外展-内收关节235都能围绕右大腿外展-内收轴202和附加的右大腿外展-内收轴237分别旋转约90°。因此，可能发生的总外展超过了180°。该过程可以通过可旋转180°的大腿外展-内收关节来实现，但设计这样一个关节可能会使得关节支点从操作者向外移开很远，这将导致外骨骼变宽。当然，尽管这并非理想，但仍然是一种变形的可替代设计。

在一些实施例中，下肢外骨骼100（如图1所示）包括两个扭矩发生器110和111，用于在步态迈步期时允许膝关节107和108弯曲，并在步态站立期时阻挡膝关节107和108的弯曲，从而使下肢外骨骼100能够负重，并将负载力（如负载的重量）转移至地面。

在一些实施例中，扭矩发生器110和111为液压扭矩发生器。一些实施例中的扭矩发生器110和111为液压活塞汽缸，其中活塞相对于汽缸的运动使液压流体流入或流出汽缸。操作时，可以通过液压阀控制液压流体流入或流出汽缸。液压阀孔径越小，相对于汽缸以给定速度移动活塞所需的力便越大。换言之，越需要抑制活塞相对于汽缸的运动，所述液压阀的孔径应当越小。如果所述液压阀为大孔径，则相对于汽缸移动活塞所需的力较小。因此，液压扭矩发生器110和111的阻抗定义为在频域中所需的力与速率的比值。依照该定义，所述液压阀的孔径越小，则液压扭矩发生器的阻抗便越大。

在一些实施例中，如图35所示，扭矩发生器110和111为液压旋转阻尼器，其中所产生的扭矩可以通过液压阀控制。液压阀的孔径越小，以给定速度旋转液压旋转阻尼器所需的扭矩便越大。换言之，液压旋转阻尼器的旋转越需要是阻尼运动，所述液压阀的孔径应当越小。因此，将液压旋转阻尼器110和111的阻抗定义为，在频域中所需的扭矩与角速度的比值。依照该定义，所述液压阀的孔径越小，液压旋转阻尼器的阻抗便越大。

在一些实施例中，扭矩发生器110和111为摩擦制动器，其中可以通过控制摩擦扭矩来控制膝关节107和108上的阻力扭矩。在其他实施例中，扭矩发生器110和111为粘性式摩擦制动器，其中可以通过控制流体的粘度来控制膝关节107和108上的阻力扭矩。在其他实施例中，扭矩发生器110和111为磁流体设备，其中可以通过控制磁流体的粘度来控制膝关节107和108上的阻力扭矩。本领域技术人员应当知道，任何上述设备都能用在本发明中，并按照与图35所示的液压旋转阻尼器相同的方式运作。

在一些实施例中，信号处理器159用于控制扭矩发生器110和111。信号处理器159控制膝关节107和108上的弯曲阻力，该弯曲阻力值为步态信号219和220的函数，如图9所示。例如，当右步态站立传感器160感测到右腿支撑件101处于步态站立期时，信号处理器159将增大右扭矩发生器110的阻抗，使右膝关节107抵抗弯曲。相反地，当右步态站立传感器160感测到右腿支撑件101处于步态迈步期时，信号处理器159将减小右扭矩发生器110的阻抗，使得右膝关节107上不存在弯曲阻力。类似地，当步态站立传感器161感测到左腿支撑件102处于步态站立期时，信号处理器159将增大左扭矩发生器111的阻抗，使得左膝关节108抵抗弯曲。相反地，当左步态站立传感器161感测到左腿支撑件102处于步态迈步期时，信号处理器159将减小左扭矩发生器111的阻抗，使得左膝关节108上不存在弯曲阻力。扭矩发生器110和111上的大的阻抗将增大膝关节107和108的阻抗，以获得步态站立期时所需的弯曲度。相反地，扭矩发生器110和111上的小的阻抗将导致膝关节107和108的阻抗较小，以获得步态迈步期时所需的弯曲度。在一些实施例中，信号处理器159安装在扭矩发生器110和111上。

在实践中，步态站立期时膝关节107和108上的弯曲阻力无需保持恒定。在一些实施例中，在步态站立期的开始阶段（约占步态周期的前20%），弯曲阻力可能会非常大（即，膝关节107和108在站立开始时将会锁定）。在步态站立期的中间阶段（约占步态周期的20%到80%），弯曲阻力可能会变小，但仍大到足够使膝关节107和108只弯曲一定程度。在步态周期的结束阶段（约占步态周期的后20%），所述弯曲阻力可能会很小，但仍非零，这样，膝关节107和108可以弯曲，为步态迈步期做准备。

在一些实施例中，每个腿部支撑件101和102进一步包括一个扭矩发生器，其中每个扭矩发生器包括液压活塞式汽缸。在这些实施例中，动力单元201除其他组件外，还包括至少一个可连接至扭矩发生器110和111的膝盖液压回路190。参见图36-40。该膝盖液压回路190用于调节流入扭矩发生器110和111的液流。操作时（以右腿支撑件101的使用为例），当右腿支撑件101处于步态站立期时，膝盖液压回路190用于将液流限制在右腿支撑件101的右扭矩发生器110内。当腿部支撑件101处于步态迈步期时，膝盖液压回路190使液流流入右腿支撑件101的右扭矩发生器110。换言之，当腿部支撑件101处于步态站立期时，膝盖液压回路190用于增大右膝关节107的弯曲阻力。当腿部支撑件101处于步态迈步期时，膝盖液压回路190用于减小右膝关节107的弯曲阻力。上述过程也发生在腿部支撑件102上。在本发明的一些实施例中，下肢外骨骼100进一步包括至少一个步态站立传感器160和161，用于各腿部支撑件101和102。所述步态站立传感器160和161产生步态信号219和220，表明腿部支撑件101和102是否处于步态站立期。在一些实施例中，膝盖液压回路190和液压阀194可以互相连接或共用组件。在一些实施例中，一个膝盖液压回路190可同时用于扭矩发生器110和111，或者每个扭矩发生器110和111可连接至独立的膝盖液压回路190。

图36展示了本发明的一个实施例，其中，膝盖液压回路190包括一个膝盖驱动流量限制阀208，用于将右扭矩发生器110连接至液压蓄能器195。操作时，膝盖驱动流量限制阀208在步态站立期时限制流量，在步态迈步期时使液流通过时的阻力最小化。在此只使用了一个蓄能器（即蓄能器195）同时为液压回路194和膝盖液压回路190存贮液压流，当然，也可以使用分别用于液压回路194和膝盖液压回路190的分开的液压蓄能器。

图37展示了本发明的一个实施例，其中，膝盖液压回路190包括液压三通阀198，该三通阀198通过非驱动式流量限制阀196或旁路管线197将右扭矩发生器110连接至液压蓄能器195。在步态站立期时，所述液压三通阀198通过非驱动式流量限制阀196将右扭矩发生器110连接至液压蓄能器195，从而限制液压流，并增大右扭矩发生器110的阻抗。在步态迈步期时，液压三通阀198通过旁路管线197将右扭矩发生器110连接至液压蓄能器195，从而增大液压流，并减小右扭矩发生器110的阻抗。

图38展示了膝盖液压回路190的另一实施例，其中膝盖驱动流量限制阀208和止回阀199将扭矩发生器110连接至液压蓄能器195，且该膝盖驱动流量限制阀208能够控制其阀孔大小。操作时，在步态站立期时，信号处理器159通过控制膝盖驱动流量限制阀208的阀孔大小来限制流量。在步态迈步期时，信号处理器159打开膝盖驱动流量限制阀208，以允许液流流入扭矩发生器110，从而减小扭矩发生器110的阻抗。所述膝盖驱动流量限制阀208包括任何能够实现所述功能的阀或阀的组合。所述膝盖驱动流量限制阀208的例子包括但不限于流量控制阀、压力控制阀和双位阀。止回阀199使右膝关节107能随时轻松伸展（无阻力或阻力最小）。

图39展示了膝盖液压回路190的另一实施例。该实施例类似图37中的实施例，但增加了附加止回阀199，以使右膝关节107能随时轻松伸展（无阻力或阻力最小）。

图40展示了膝盖液压回路190的另一实施例，其中双通阀193和止回阀199将扭矩发生器110连接到液压蓄能器195，该双通阀193能在一组不同大小的阀孔或完全打开的阀孔之间进行选择。在步态站立期时，信号处理器159引导液流通过双通阀193上的预定孔径流入扭矩发生器110中。在步态迈步期时，信号处理器159引导液体通过双通阀193上完全打开的孔流入扭矩发生器110中。所述止回阀199使右膝关节107能随时轻松伸展（无阻力或阻力最小）。

在一些实施例中，腿部支撑件101和102用于在步态迈步期时使相应的膝关节107和108弯曲，在步态站立期时通过锁定膝盖来阻止相应的膝关节107和108发生弯曲。图41示意了一种所述的锁定的膝盖。图41还示意了右腿支撑件101的两种形态。在图41中，右小腿连接件105包括小腿停止器209，当膝盖过度伸展时，该小腿停止器209搁在大腿停止器210上。图41中的A示意了过度伸展的右膝关节107的角度。由于该角度小于180°，当接近过度延伸时，膝关节107或108将产生"过中心 (over-center) "，即，如果腿部支撑件101和102受到压缩荷载的影响，膝盖将背对着停止器锁定，如图41所示的腿支撑件101的情形。本领域的技术人员应当注意到，有许多种产生所述"过中心"情况的机构，这些机构通常都使腿部支撑件上的负载向量超过膝关节。

在一些实施例中，下肢外骨骼100进一步包括膝盖弹性元件232，该膝盖弹性元件232用于促进膝关节107和108的弯曲。这减少了人在步态迈步期时为弯曲膝关节107和108所需的努力。在一些实施例中，如图42所示，膝盖弹性元件232与扭矩发生器110和111并联。在一些实施例中，如图43所示，膝盖弹性元件232与扭矩发生器110和111串联。在一些实施例中，下肢外骨骼100包括膝盖弹性元件232，该膝盖弹性元件232用于促进膝关节107和108的伸展。本领域技术人员应当注意到，膝盖弹性元件232可以有多种安装方法和不同安装位置，都能促进膝关节107和108进行弯曲和/或伸展。还应当理解，所述膝盖弹性元件232还能用在图41所示的外骨骼实施例中。

尽管讨论了各种典型实施例，本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和所公开的范围内，可以对所述设备作出大量的变形和/或改进。例如，通常为减少穿用者的耗氧量，外骨骼腿部不需要一直与地面接触。任何只包括了小腿连接件的腿部支撑件，如图44所示，只要从外骨骼躯干作用到人的力是沿着人的前行方向的，则都将降低其穿用者的能量消耗。在步态站立期时转移至人体的机械能将逐步降低穿用者在步态站立期时移位所需的能量。而穿用者移位所需能量的逐步降低将使其耗氧量减少，心率变缓。因此，各实施例在各方面都应当理解为阐述性而非限制性的。

Claims

1.一种用于降低使用者的能量消耗的外骨骼，包括：

外骨骼躯干，用于连接至使用者的上身；

第一和第二腿部支撑件，可旋转地连接至所述外骨骼躯干，以使所述腿部支撑件和所述外骨骼躯干之间能够弯曲和伸展，其中所述第一和第二腿部支撑件用于连接至使用者的下肢，并在步态站立期和步态迈步期之间来回切换；

第一和第二髋部执行器，用于在所述外骨骼躯干和所述第一和第二腿部支撑件之间产生扭矩；以及

至少一个动力单元，用于向所述第一和第二髋部执行器提供能量，其中所述至少一个动力单元使所述一个第一和第二髋部执行器在所述第一和第二腿部支撑件的步态迈步期的至少一段期间内产生扭矩曲线，以使机械能从所述一个第一和第二腿部支撑件转移至使用者。

2.根据权利要求1所述的外骨骼，其特征在于：所述外骨骼由使用者穿用，所转移的机械能足够大，以降低使用者在所述步态迈步期时的能量消耗。

3.根据权利要求1所述的外骨骼，其特征在于：所转移的机械能足够大，以降低使用者行走时的耗氧量。

4.根据权利要求1所述的外骨骼，其特征在于：每个第一和第二腿部支撑件进一步包括大腿连接件，用于连接至使用者的大腿。

5.根据权利要求4所述的外骨骼，其特征在于：每个第一和第二腿部支撑件进一步包括小腿连接件和膝关节，用于使所述小腿连接件和所述大腿连接件之间能够弯曲和伸展。

6.根据权利要求5所述的外骨骼，其特征在于：所述第一和第二腿部支撑件在其各自的步态站立期时搁置在支撑件表面上。

7.根据权利要求1所述的外骨骼，其特征在于：进一步包括信号处理器，其中，基于信号处理器预先收集的一组信息来选择所述扭矩曲线。

8.一种用于降低使用者的能量消耗的外骨骼，包括：

外骨骼躯干，用于连接至使用者的上身；

至少一个动力单元，用于向所述第一和第二髋部执行器提供能量，其中至少一个动力单元使所述第一和第二髋部执行器的其中之一在所述第一和第二腿部支撑件的其中之一的步态迈步期的至少一段期间内产生扭矩曲线，从而使外骨骼在被使用者穿用时，所述第一和第二髋部执行器的其中之一提供的能量大于未被使用者穿用时、在所述步态迈步期的至少一段期间内移动所述第一和第二腿部支撑件的其中之一所需的能量。

9.根据权利要求8所述的外骨骼，其特征在于：当所述外骨骼被使用者穿用时，由所述第一和第二髋部执行器的其中之一提供的能量足够大，以降低使用者在所述步态迈步期时的能量消耗。

10.根据权利要求8所述的外骨骼，其特征在于：当穿用所述外骨骼时，由所述第一和第二髋部执行器的其中之一提供的能量足够大，以降低使用者行走时的耗氧量。

11.根据权利要求8所述的外骨骼，其特征在于：每个所述第一和第二腿部支撑件包括一个大腿连接件。

12.根据权利要求11所述的外骨骼，其特征在于：每个所述第一和第二腿部支撑件进一步包括小腿连接件和膝关节，用于使所述小腿连接件和所述大腿连接件之间能够弯曲和伸展。

13.根据权利要求12所述的外骨骼，其特征在于：每个所述第一和第二腿部支撑件在其各自的步态站立期时搁置在支撑件表面上。

14.根据权利要求8所述的外骨骼，其特征在于：进一步包括信号处理器，其中，基于信号处理器预先收集的一组信息来选择所述步态站立期时的扭矩曲线。

15.一种用于降低使用者的能量消耗的外骨骼，包括：

外骨骼躯干，用于连接至使用者的上身；

第一和第二髋部执行器，用于在所述外骨骼躯干与各第一和第二腿部支撑件之间产生扭矩；以及

至少一个动力单元，用于向所述第一和第二髋部执行器提供能量，其中，当所述外骨骼由使用者穿用时，该至少一个动力单元使第一和第二髋部执行器的其中之一在第一和第二腿部支撑件的其中之一的步态迈步期的至少一段期间内产生扭矩曲线，该扭矩曲线大于未穿用外骨骼时、在所述步态迈步期的至少一段期间内移动所述第一和第二腿部支撑件的其中之一所需的能量。

16.根据权利要求15所述的外骨骼，其特征在于：当穿用所述外骨骼时，由所述第一和第二髋部执行器的其中之一提供的能量足够大，以降低使用者在所述步态迈步期时的能量消耗。

17.根据权利要求15所述的外骨骼，其特征在于：当穿用所述外骨骼时，由所述第一和第二髋部执行器的其中之一提供的能量足够大，以降低使用者行走时的耗氧量。

18.根据权利要求15所述的外骨骼，其特征在于：每个所述第一和第二腿部支撑件包括大腿连接件。

19.根据权利要求18所述的外骨骼，其特征在于：每个所述第一和第二腿部支撑件进一步包括小腿连接件和膝关节，用于使所述小腿连接件和所述大腿连接件之间能够弯曲和伸展。

20.根据权利要求19所述的外骨骼，其特征在于：每个所述第一和第二腿部支撑件在其各自的步态站立期时搁置在支撑件表面上。

21.根据权利要求15所述的外骨骼，其特征在于：进一步包括信号处理器，其中，基于信号处理器预先收集的一组信息来选择所述步态站立期时的扭矩曲线。

22.根据权利要求15所述的外骨骼，其特征在于：进一步包括反馈机构，用于在所述步态迈步期时控制所述第一和第二髋部执行器。

23.一种用于降低使用者的能量消耗的外骨骼，包括：

外骨骼躯干，用于连接至使用者的上身；

至少一个动力单元，用于向所述第一和第二髋部执行器提供能量，其中，至少一个动力单元使所述第一和第二髋部执行器的其中之一在所述第一和第二腿部支撑件的其中之一的步态迈步期的至少一段期间内产生扭矩曲线，使得由第一和第二腿部支撑件的其中之一作用在使用者相应的下肢的力沿着使用者相应的下肢的迈步方向。

24.根据权利要求23所述的外骨骼，其特征在于：当所述外骨骼由使用者穿用时，来自所述第一和第二腿部支撑件的其中之一的力足够大，以降低使用者在所述步态迈步期时的能量消耗。

25.根据权利要求23所述的外骨骼，其特征在于：当所述外骨骼由使用者穿用时，来自所述第一和第二腿部支撑件的其中之一的力足够大，以降低使用者行走时的耗氧量。

26.根据权利要求23所述的外骨骼，其特征在于：每个所述第一和第二腿部支撑件包括大腿连接件。

27.根据权利要求26所述的外骨骼，其特征在于：每个所述第一和第二腿部支撑件进一步包括小腿连接件和膝关节，用于使相应的小腿连接件和相应的大腿连接件之间能够弯曲和伸展。

28.根据权利要求27所述的外骨骼，其特征在于：所述第一和第二腿部支撑件在其各自的步态站立期时搁置在支撑件表面上。

29.根据权利要求23所述的外骨骼，其特征在于：进一步包括信号处理器，其中，基于信号处理器预先收集的一组信息来选择所述扭矩曲线。

30.根据权利要求23所述的外骨骼，其特征在于：进一步包括反馈机构，用于在所述步态迈步期时控制所述第一和第二髋部执行器。

31.根据权利要求23所述的外骨骼，其特征在于，所述外骨骼进一步包括测量力的传感器，并控制所述第一和第二髋部执行器，使作用在使用者下肢的力沿着所述下肢运动的方向。

32.一种用于降低使用者的能量消耗的外骨骼，包括：

外骨骼躯干，用于连接至使用者的上身；

至少一个动力单元，用于向所述第一和第二髋部执行器提供能量，其中，至少一个动力单元使所述第一和第二髋部执行器的其中之一在所述第一和第二腿部支撑件的其中之一的步态迈步期的至少一段期间内产生扭矩曲线，使由第一和第二腿部支撑件的其中之一作用在使用者相应的下肢的扭矩沿着使用者相应的下肢的前行迈步方向。

33.根据权利要求32所述的外骨骼，其特征在于：当所述外骨骼由使用者穿用时，由所述第一和第二腿部支撑件的其中之一施加的扭矩足够大，以降低使用者在所述步态迈步期时的能量消耗。

34.根据权利要求32所述的外骨骼，其特征在于：当所述外骨骼由使用者穿用时，由所述第一和第二腿部支撑件的其中之一施加的扭矩足够大，以降低使用者行走时的能量消耗。

35.根据权利要求32所述的外骨骼，其特征在于：每个所述第一和第二腿部支撑件包括大腿连接件。

36.根据权利要求35所述的外骨骼，其特征在于：每个所述第一和第二腿部支撑件进一步包括小腿连接件和膝关节，用于使相应的小腿连接件和相应的大腿连接件之间能够弯曲和伸展。

37.根据权利要求36所述的外骨骼，其特征在于：所述第一和第二腿部支撑件在其各自的步态站立期时搁置在支撑件表面上。

38.根据权利要求32所述的外骨骼，其特征在于：进一步包括信号处理器，其中，基于信号处理器预先收集的一组信息来选择所述步态迈步期时的扭矩曲线。

39.根据权利要求32所述的外骨骼，其特征在于：进一步包括反馈机构，用于在所述步态迈步期时控制所述第一和第二髋部执行器。

40.一种用于降低使用者的能量消耗的外骨骼，包括：

外骨骼躯干，用于连接至使用者的上身；

第一和第二髋部执行器，用于在所述外骨骼躯干与第一和第二腿部支撑件之间产生扭矩；以及

至少一个动力单元，用于向所述第一和第二髋部执行器提供能量，其中，当所述第二腿部支撑件撞击支撑件表面时，至少一个动力单元使所述第一髋部执行器开始在前行迈步方向上向所述第一腿部支撑件施加第一扭矩。

41.根据权利要求40所述的外骨骼，其特征在于：当所述第一腿部支撑件撞击支撑件表面时，所述至少一个动力单元用于使所述第一髋部执行器向所述第一腿部支撑件施加与前行迈步方向相反的第二扭矩。

42.根据权利要求40所述的外骨骼，其特征在于：每个所述第一和第二腿部支撑件包括大腿连接件。

43.根据权利要求42所述的外骨骼，其特征在于：每个所述第一和第二腿部支撑件进一步包括小腿连接件和膝关节，用于使相应的小腿连接件和相应的大腿连接件之间能够弯曲和伸展。

44.根据权利要求43所述的外骨骼，其特征在于：所述第一和第二腿部支撑件在其各自的步态站立期时搁置在支撑件表面上。

45.根据权利要求40所述的外骨骼，其特征在于：进一步包括信号处理器，其中，基于该信号处理器预先收集的一组信息来选择所述第一扭矩。

46.根据权利要求40所述的外骨骼，其特征在于：选择所述第一扭矩，使从所述第一腿部支撑件作用在使用者相应的下肢的力沿着使用者下肢的前行迈步方向。

47.根据权利要求46所述的外骨骼，其特征在于：计算所述第一扭矩，使所述力在不引起使用者有任何不适的前提下最大化。

48.根据权利要求46所述的外骨骼，其特征在于：所述力足够大，以降低使用者行走时的耗氧量。

49.一种用于降低连接至外骨骼设备的人的能量消耗的方法，该外骨骼具有动力单元、第一和第二腿部支撑件，以及第一和第二髋部执行器，该第一和第二腿部支撑件可旋转地连接至外骨骼躯干，用于与人的腿相连，该第一和第二髋部执行器连接至所述外骨骼躯干和所述第一和第二腿部支撑件，该方法包括：从动力单元向所述第一髋部执行器提供能量，当所述第二腿部支撑件撞击支撑件表面时，在前行迈步方向上开始将第一扭矩作用在所述第一腿部支撑件上。

50.根据权利要求49所述的方法，其特征在于：在所述第一腿部支撑件脚尖离地期间，所述第一扭矩增大至标称值，并保持恒定。

51.根据权利要求50所述的方法，其特征在于：所述第一扭矩增大至标称值，且在所述第一腿部支撑件的双步态站立期和脚尖离地期时，其变化幅度不超过标称值的50%。

52.根据权利要求49所述的方法，其特征在于：所述第一扭矩大致为单向的。

53.根据权利要求49所述的方法，其特征在于：所述第一扭矩增大至标称值，且在双步态站立期、脚尖离地期、以及所述第一腿部支撑件从脚尖离地到脚跟落地之间的大部分期间内，其都保持在标称值的50%以内。

54.根据权利要求53所述的方法，其特征在于：所述第一扭矩增大至标称值，并保持在该标称值的50%以内，接着在脚跟落地前减小到接近零值。

55.根据权利要求49所述的方法，其特征在于：所述第一扭矩增大至标称值，且在双步态站立期的大部分时间内其变化幅度都不超过该标称值的50%，接着切换到某个扭矩值，该扭矩由多项数值计算而得，其中包括与所述第一腿部支撑件的髋关节角速率成正比且同向的值。

56.根据权利要求49所述的方法，其特征在于：所述第一腿部支撑件的所述第一扭矩增大至标称值，且在双步态站立期的大部分期间内其变化幅度都不超过该标称值的50%，接着切换到某个扭矩值，该扭矩由多项数值计算而得，其中包括与所述第一腿部支撑件的髋关节角速率成正比且同向的值，还包括与所述第一腿部支撑件的大腿连接件与重力之间的角度的正弦值成正比的值。