CN107708639A - 包括具有两个枢转轴线的机械踝部连接件的外骨骼 - Google Patents

Abstract

本发明涉及外骨骼，其包括：足部结构、下腿部结构、具有枢转轴线的机械膝部连接件以及机械踝部连接件，其将足部结构连接到下腿部结构并且包括第一枢转连接件，第一枢转连接件具有基本上平行于机械膝部连接件的枢转轴线的第一枢转轴线，以及第二枢转连接件，第二枢转连接件具有与第一枢转轴线垂直并且当外骨骼直立且静止时与支撑平面形成30°与60°之间的角度的第二枢转轴线。

Description

包括具有两个枢转轴线的机械踝部连接件的外骨骼

技术领域

本发明涉及用于人的移动性协助系统或外骨骼，其能够支撑尤其受到运动障碍影响的使用者。

背景技术

外骨骼通常地包括骨盆结构、两个腿部结构、两个足部结构与两个髋部结构：

骨盆结构构造为当穿戴外骨骼时定位在使用者肾脏后面并且可以通过套带或条带固定到骨盆；

每个腿部结构都构造为面向使用者的腿部中的一个(根据此结构面向使用者的左或右腿部)定位，并且包括相应地布置为面向使用者的大腿与小腿的上腿部分与下腿部分。

每个足部结构还包括支撑平面，当足部平放时，使用者的足部中的一个(根据此结构，左足或右足)可以被支撑在该支撑平面上。

每个髋部结构都构造为面向髋部中的一个定位(根据此结构左或右髋部)。

外骨骼的完全控制需要致动器与结构连接件允许外骨骼的移动，并且由此允许穿戴外骨骼的使用者的移动。机械连接件通常地包括枢转连接件、滑动连接件和/或球接合连接件，同时致动器可以包括圆柱体、电机等。

这些机械连接件与致动器选择为在不伤害穿戴它的使用者的情况下允许外骨骼的移动。为此目的，特别重要的是不施加使用者的肢体不能经受的力并且提供具有小轮廓与中等重量的外骨骼。

WO2011/002306例如描述了用于控制由使用者穿戴的外骨骼，并且具有外骨骼的与使用者的身体部分相应的不同构件相关联的致动器的系统。外骨骼尤其包括主足部致动器与辅助足部致动器，其构造为致动足部结构并且使其能够适于地形。

为此目的，主足部致动器构造为利用枢转连接件围绕与膝部的枢转轴线平行的轴线致动足部结构相对于下腿部结构的旋转。辅助足部致动器与此同时用于允许足部结构适于地形。然而，此踝部结构相对地复杂、笨重、沉重并且能量密集。

以申请人的名义还在2014年3月21日提交的文献FR1452370中提出了外骨骼，其包括腿部结构、足部结构以及将足部结构连接到腿部结构的踝部枢转连接件，其中，踝部枢转连接件具有倾斜枢转轴线，即未落入到外骨骼的前平面、矢量平面与水平平面之间的任何参考平面内的枢转轴线。由此，踝部枢转连接件与足部结构的支撑平面形成包括在0°与30°之间的非零角度，以及相对于与支撑平面的中间纵向轴线垂直的平面包括在0°到45°之间的非零角度。此构造具有在踝部处产生利用如上所示定向的仅一个致动器与自然的人类移动类似的移动的优点。外骨骼的结构被简化与减轻。此外，此结构减少了腿部的空间的横向使用，由此降低了在行走运动过程中碰撞的风险。

发明内容

由此，本发明的目的是提供改进外骨骼的行走运动过程中的稳定性并且正确地复制人行走运动的解决方案，其是紧凑的并且具有中等重量。

为此，本发明提出了外骨骼骼，包括：

足部结构，其包括构造为接收使用者的足部的支撑平面；

下腿部结构，其构造为接收使用者的腿部的下部；

机械膝部连接件，其构造为将下腿部结构连接到构造为接收使用者腿部的上部的上腿部结构，机械膝部连接件具有枢转轴线；以及

机械踝部连接件，其将足部结构连接到下腿部结构，机械踝部连接件包括具有第一枢转轴线的第一枢转连接件，第一枢转轴线与机械膝部连接件的枢转轴线基本上平行。通过基本上平行，这里应该理解的是，第一枢转轴线X1与枢转轴线Y形成包括在0°与大约十五度之间，优选地在大约6°与10°之间，通常具有8°的规格的角度。

机械踝部连接件还包括具有第二枢转轴线的第二枢转连接件，此第二枢转轴线在垂直于第一枢转轴线的平面中延伸，并且当外骨骼直立并且静止时与支撑平面形成包括在30°与60°之间的角度。

此构造确保在行走运动的直立阶段外骨骼的足部结构与地面之间的平面接触，并且在外骨骼的行走运动的振动阶段过程中接近人类的生物机械移动的行走运动。

上述外骨骼的一些优选但非限定特征如下，单独地或组合考虑：

当外骨骼直立且静止时，第二枢转轴线与支撑平面形成包括在40°与50°之间，优选为45°规格的角度；

外骨骼还包括两个并联的致动器，其固定在足部结构与下腿部结构之间，并且构造为控制足部结构围绕机械踝部连接件的第一枢转轴线与第二枢转轴线的角位置；

致动器并联固定在下腿部结构的两侧上；

致动器每个都包括安装在下腿部结构上的直线致动器，以及连接杆，其利用枢转接合件在一个方面安装在直线致动器上并且在另一个方面在足部结构上，使得直线致动器的平移致使连接杆相对于足部结构的旋转；

直线致动器包括与电机相关联的圆柱体，优选地是滚珠丝杠或丝杆螺母类型；

圆柱体包括通过电机旋转驱动的螺纹杆以及相对于足部结构旋转固定的螺母，连接杆包括安装在螺母上的一端，使得螺母的平移致使连接杆的端部的平移；

每个致动器还包括至少一个滑动件，其具有固定到下腿结构的导轨，以及沿着导轨平移可移动的支架，螺母固定到滑动件的支架；

此支架包括第一滑动件与第二滑动件，其可平移移动地安装在滑动件的导管上并且通过连接部分一体地连接，螺母与连接杆固定到支架的连接部分；

在螺母与连接杆之间的机械连接件包括枢转连接件，并且在连接杆与足部结构之间的机械连接件包括枢转接合件；

在螺母与连接杆之间的机械连接件包括万向接头，或者具有基本上垂直的轴线的两个枢转连接件；

圆柱体还包括插入在电机的输出与螺纹杆之间的简单的机械轴承，所述机械轴承具有包括在五角分与十五角分之间的通常地大约十角分的偏差；

第一枢转连接件定位在足部结构上，以面向穿戴外骨骼的使用者的内踝与外踝，并且/或者第二枢转连接件定位在足部结构上，以面向足跟或使用者的跟腱；

第一枢转轴线与机械膝部连接件的枢转轴线形成包括在0°与大约十五度之间，优选地6°与10°之间，例如8°的角度。

当外骨骼直立且静止时，第一枢转轴线在与地面平行的平面中延伸；

外骨骼还包括中间部分，其在一个方面围绕第二枢转轴线相对于足部结构自由旋转安装在足部结构上，并且在另一个方面，围绕第一枢转轴线枢转地安装在下腿部结构上；

中间部分通过被动枢转连接件安装在下腿部结构上以及在足部结构上；

所述外骨骼还包括压缩弹簧组件，其在一个方面固定到所述中间部分并且在另一个方面固定在所述下腿部结构上；

弹簧组件包括第一弹性可变形构件，第一构件在一个方面通过紧固元件连接到第一枢转连接件与第二枢转连接件之间的中间部分，并且在另一个方面连接到下腿部结构，第一构件构造为将张紧力施加在中间部分上；

紧固元件是柔性的；

弹簧组件还包括具有第一端以及与第一端相对的第二端的基本上细长的中空本体，所述中空本体安装在形成在下腿部结构中的壳体中；中空本体的第一端面向壳体的底部，并且第一构件安装在壳体中并且在所述壳体的底部与中空本体的第二端之间压缩；

外骨骼还包括容纳在中空本体中的第二弹性可变形构件，第二构件固定在中空本体的第一端附近，紧固元件与第二构件配合使得第二构件构造为使紧固元件张紧，并且紧固元件容纳在中空本体中并且从中空本体的第一端与壳体的底部突出；

第一构件和/或第二构件包括压缩弹簧；

第一构件与第二构件包括压缩弹簧，第二构件具有比第一构件的刚性更低的刚性；

紧固元件具有容纳在中空本体中的加厚部分，并且第二构件包括构造为形成用于加厚部分的止动件的锁定部分；

紧固元件还包括固定到紧固元件的止动件，并且中空本体还包括突出部，突出部固定到中空本体的内壁并且构造为与止动件配合并且形成用于紧固元件的止动件的障碍；

中空本体还包括固定在其第二端附近的螺栓，第一构件邻接所述螺栓。

本发明的第二目的是提供弹簧组件，其能够在行走的一些阶段期间、例如在推进阶段结束时的直立阶段期间释放外骨骼的致动器。

为此，本发明提出了压缩弹簧组件，其在一个方面固定到第一部分并且在另一个方面固定固定在相对于第一部分可移动的第二部分上，包括：

第一弹性可变形构件，第一构件在一个方面通过紧固元件连接到第一部分，并且在另一个方面连接到第二部分，所述第一构件构造为将张紧力施加在第一部分上；

基本上细长中空本体，其具有第一端以及与第一端相对的第二端，所述中空本体安装在一体地固定到第二部分的壳体中，中空本体的第一端面向壳体的底部，并且第一构件安装在壳体中并且在所述壳体的底部与中空本体的第二端之间压缩。

上述组件的一些优选但非限定特征如下，单独或组合地考虑：

紧固元件是柔性的；

紧固元件是缆线；

弹簧组件还包括容纳在中空本体中的第二弹性可变形构件，第二构件固定在中空本体的第一端附近，紧固元件与第二构件配合使得第二构件构造为使紧固元件张紧，并且紧固元件容纳在中空本体中并且从所述中空本体的第一端与壳体的底部突出；

壳体形成在第二部分中；

第一构件和/或第二构件包括压缩弹簧；

第一构件与第二构件包括压缩弹簧，第二构件具有比第一构件的刚性更低的刚性；

紧固元件具有容纳在中空本体中的加厚部分，并且第二构件包括构造为形成用于加厚部分的止动件的锁定部分；

紧固元件还包括固定到紧固元件的止动件，并且中空本体还包括突出部，其固定到中空本体的内壁，并且构造为与止动件配合并且形成用于紧固元件的止动件的障碍；

中空本体还包括固定在其第二端附近的螺栓，第一构件邻接所述螺栓。

附图说明

通过阅读下面的详细描述以及作为非限定实例提供的附图，本发明的其它特征、目的与优点更好地显示。其中：

图1a是本发明的外骨骼的实施方式的立体图；

图1b是图1a的外骨骼的足部结构与下腿部结构的细节图；

图2是根据本发明的足部结构与下腿部结构的第一实施方式的部分侧视图；

图3a是足部结构张紧的图2的结构的四分之三后视图；

图3b是足部结构弯曲的图2的结构的四分之三后视图；

图4是图2的结构的运动图；

图5是根据本发明的足部结构与下腿部结构的第二实施方式的简化的四分之三后视图，其中示出了单个致动器；

图6a是可以用于图2的结构的致动器的第一实施方式的立体图；

图6b是图6a的一部分的剖面图；

图7是可以用于图2的结构的致动器的第二实施方式的立体图；

图8a是可以用于图2的结构的致动器的第三实施方式的剖面图；

图8b是图8a的致动器的立体图；

图9是图1b的细节，其上示出了弹簧组件的示例性实施方式；以及

图10是图9的弹簧组件的剖面图。

具体实施方式

根据本发明的外骨骼1包括：

腿部结构4，其包括构造为接收使用者的足部的支撑平面40；

下腿部结构2与上腿部结构6，其构造为相应地接收使用者腿部的下部与上部；

机械膝部连接件3，其将下腿部结构2连接到上腿部结构；以及

机械踝部连接件5，其将足部结构4连接到下腿部结构2。

可选地，外骨骼1还可以包括：

骨盆结构7，其构造为当穿戴外骨骼1时定位在使用者肾脏后面并且其可以通过套带或条带固定到使用者的骨盆；以及

髋部结构8，其构造为面向使用者的髋部中的一个定位，例如后面或侧面。这里，髋部结构8相对于使用者的相关联的髋部侧向地延伸。

优选地，外骨骼1围绕外骨骼1的正中面M是对称的，并且包括右足部结构4与左足部结构4，右腿部结构与左腿部结构，右机械膝部连接件3与左机械膝部连接件3，右髋部结构与左臀部结构等。

通过外骨骼1的正中面M，应该理解的是，这里概念平面将外骨骼1的左半部与右半部分开。此平面M还被称为正中矢状切面。

外骨骼1还包括前平面F，其是与正中面M垂直的概念平面并且其将外骨骼1分成前部与后部。

在下面，将仅描述外骨骼1的一半，以方便阅读说明书。当然应该理解的是，此描述将参照与外骨骼1的正中面M的右半部对称的外骨骼1的左半部适用。

传统地，机械膝部连接件3可以具有枢转轴线Y，以使穿戴外骨骼1的使用者能够尤其在行走运动过程中弯曲膝部。为此目的，机械膝部连接件3可以例如包括其轴线与膝部的枢转轴线Y相应的枢转连接件。在一个实施方式中，机械膝部连接件仅具有一个自由度，即围绕枢转轴线Y旋转。

膝部的枢转轴线Y大体上垂直于外骨骼1在基本上水平平面中的行走方向延伸。

机械踝部连接件5其本身包括具有第一枢转轴线X1的第一枢转连接件50以及具有第二枢转轴线X2的第二枢转连接件52。在一个实施方式中，机械踝部连接件5仅包括此两个自由度。申请人实际上指出，具有三个自由度的机械踝部连接件导致机械连接件的重量以及体积的显著增加，并且仅两个自由度对于复制人类行走并且适合地形是足够的。

第一枢转轴线X1与机械膝部连接件3的枢转轴线Y基本上平行，以允许使用者在足部结构4中弯曲与伸展他的足部。此移动例如与在沿着与外骨骼1的前平面F基本上垂直的方向的行走运动过程中通过足部执行的移动相应。

通过基本上平行，这里应该理解的是第一枢转轴线X1与枢转轴线Y形成包括在0°与大约15°之间的角度。更具体地说，全部下腿部结构2呈现将下腿部结构分成两个相同的内部部分与外部部分的竖直平面P1；平面P1与外骨骼1的正中面M以及由此与行走方向形成包括在零度与大约十五度之间的角度，从而当外骨骼1直立且静止时外骨骼1的足部结构4略微地分离。第一枢转轴线X1然后垂直于此平面P1。例如，第一枢转轴线X1可以与枢转轴线Y形成包括在6°与10°之间的通常地是8°的角度。

换句话说，如果我们认为下结构腿部2沿着限定纵向轴线Z的主要方向延伸，那么第一枢转轴线X1在与此纵向轴线基本上垂直的平面中，并且基本上垂直于外骨骼1的行走方向且垂直于平面P1延伸。

在实践中，应该指出的是当外骨骼1直立并且位于静止位置时，下腿部结构2的纵向轴线Z与足部结构4的支撑平面40以及由此与地面具有包括在90°与95°之间的角度。当外骨骼1直立并且静止时，第一枢转轴线X1由此包括在与地面基本上平行的平面中。

第一枢转轴线X1优选地在穿戴外骨骼1的使用者的足部的内踝与外踝处延伸。

第二枢转轴线X2继而在与第一枢转轴线X1垂直的平面中延伸，并且当外骨骼1直立并且静止时，第二枢转轴线X2与支撑平面40形成包括在30°与60°之间的角度α。第二枢转轴线X2与人的踝部的Henke轴线基本上相应并且允许外骨骼1的足部结构4执行反转与翻转的移动。具体地说，当平面P1与正中面不相合时，第二枢转轴线X2与第一平面P1中的Henke轴线的投影相应。

优选地，当外骨骼1直立并且静止时，第二枢转轴线X2与支撑平面40形成包括在40°与50°之间的优选为45°规格的角度α。这些角度值使得能够改进外骨骼1的人体工程学更接近穿戴外骨骼1的使用者的在平面P1中的Henke轴线的实际投影角度。外骨骼1由此更加稳定，并且减小了对使用者损伤的风险，该使用者可能受到电机无效性的影响并且由此可能不控制外骨骼1中的身体部分的移动。

为了控制足部结构4相对于下腿部结构2的移动，外骨骼1可以特别地包括两个并联致动器60，其固定在足部结构4与下腿部结构2之间，并且构造为控制足部结构4围绕机械踝部连接件5的第一枢转轴线与第二枢转轴线X2的角位置。并联致动器60可以特别地从下腿部结构2与足部结构4的两侧延伸。

这里，并联致动器60面向穿戴外骨骼1的使用者的小腿的内部与外部延伸。

并联的两个致动器60的实施具有允许将几个电机的能量积聚在单个致动移动上的优点。当在短的时间间隔中需要大的转矩时，此能量可能是有利的，例如以防止外骨骼1及其使用者的跌倒。此外，致动器60相对于下腿部结构2固定，这允许减小相对于下腿部结构的运动质量以及由此其惯性。

在图5中示意性示出的第一实施方式中，并联致动器60可以包括优选地具有平行轴线的两个齿轮60。在此实施方式中，齿轮60中的每个都可以特别地包括：

驱动啮合构件60a，其安装在下腿部结构2上并且与第一枢转轴线X1共轴。驱动啮合构件60a可以是正齿式、螺旋或双螺旋锥齿轮或齿轮。

输出啮合构件60b，其安装在足部结构4上并且具有与第一枢转轴线X1平行的旋转轴线以及相对于第二枢转轴线X2的旋转轴线。输出啮合构件60b还可以是正齿式、螺旋或双螺旋锥齿轮或齿轮的类型。

为了减小致动器60的尺寸，驱动啮合构件60a优选地包括齿轮，同时输出啮合构件60b可以包括齿轮边缘部分。

齿轮60优选地布置为面向穿戴外骨骼1的使用者的足部的内踝与外踝。

每个齿轮60还通过专用电机60c旋转。通常地，当穿戴外骨骼1时，电机60c固定到下腿部结构2并且可以定位为面向使用者的小腿。

为限定致动器60的侧向尺寸，电机优选地相对于齿轮60偏移并且驱动它们的与传动皮带类型的驱动系统相关联的驱动啮合构件60a。

还可以在各电机60c与相关联的驱动啮合构件60a之间设置还原机构。优选地，此还原机构布置在电机60c与传动机构之间以减小各致动器60的体积。

在第二实施方式中，并联的致动器60可以每个都包括直线致动器62与连接杆80。为此目的，直线致动器62可以特别地安装为固定到下腿部结构2，同时连接杆80可以在一个方面通过机械连接件82安装在直线致动器62上，并且在另一个方面上通过球接合连接件84在足部结构4上，使得直线致动器62的平移致使连接杆80相对于足部结构4的旋转。

此实施方式具有结构简单、重量低且紧凑的优点。致动器60的移动的传动进一步直接地通过连接杆80执行，其能够在不需要太大体积的情况下经受通过电机施加的力以及足部结构4的反作用。

各直线致动器62都可以包括由相关联的电机63驱动的圆柱体62。

圆柱体62可以特别地是螺母66或滚珠丝杠的类型并且为此目的包括通过电机63旋转的螺纹杆64以及相对于下腿部结构2旋转地固定的螺母66。滚珠丝杠还具有可反向并且具有良好性能的优点。

在此情形中，各圆柱体62都可以与编码器20相关联，优选地平行于电机63固定以减小它们的尺寸。然后可以利用传动皮带式的系统执行电机63轴到相关联的编码器20的旋转的传动以保持电机63的效率，同时使机构中的间隙与噪音最小化并且经受高的旋转速度。

连接杆80然后可以安装在螺母66上，使得螺母66的平移致使利用机械连接件82固定到螺母66的连接杆80的端部的平移。

为避免横向力施加到圆柱体62的可能阻挡或损坏圆柱体的螺纹杆64，可以在固定到下腿部结构2的滑动件68上安装螺母66。

滑动件68可以特别地包括固定到下腿部结构2的导轨69以及沿着导轨69可平移移动的支架70。螺母66然后固定到支架70，从而螺杆64相对于螺母66的旋转致使螺母66与支架70沿着滑动件68的导轨69的平移。应该指出的是，尤其是在其中螺母66未嵌在支架70上的情形中，螺母66与支架70可以实现多种移动。这尤其是图6b中示出的实施方式的情形。

为补偿在电机63与螺纹杆64之间，螺纹杆64与螺母66之间和/或螺母66与滑动件68之间的可能损坏圆柱体62的任意定位误差，致动器60还包括适于补偿这些潜在误差的装置。

为此目的，根据图6a和图6b中示出的第一实施方式，致动器60可以包括固定在电机63的输出轴63a与螺纹杆64之间的刚性轴承72，将螺纹杆64的柔性联接装置73与电机63的输出轴63a结合在一起，此刚性轴承72具有承担未通过电机63的单个轴承支撑的载荷并且确保引导螺纹杆64的旋转。

在此实施方式中，螺母66然后可以经由机械连接件74固定到支架70，机械连接件能够阻挡螺母66沿着螺纹杆64的主轴线相对于支架70的旋转与平移。

例如，支架70可以包括限定构造为接收螺母66并且通过螺纹杆64横穿的壁。可以在室74a的壁的一个中形成构造为接收从螺母66突出的防旋转销钉74c的第一端口74b。优选地，在面向室74a的壁中形成与螺母66的两个防旋转销钉74c相关联的两个端口74b以改进螺母66的旋转锁定。在实施方式中，两个端口74b与两个防旋转销钉74c相对于螺纹杆64的轴线对称地分布以便不在此螺纹杆64上产生无用力。

在适用情况下，此两个端口74b还可以参与将螺母66的平移移动传动到支架70。另选地，两个壳体74d每个都构造为接收从螺母66突出以相对于导轨69平移地驱动支架70的辊子74e，两个壳体可以形成在室74a的壁中。在此变型实施方式中，接收防旋转销钉74c的端口74b然后可以是椭圆形形状，端口74b的主轴线与螺纹杆64的轴线对准，以便与室74a的壁形成间隙并且补偿可能阻挡螺母66相对于螺纹杆64的平移的偏差。在一个实施方式中，两个壳体74d与两个辊子74e相对于螺纹杆64的轴线对称地分布以便不在此螺纹杆64上产生无用力。

图6a和图6b示出了此机械连接件的示例性实施方式。在此实施方式中，室74a基本上是长方形并且包括面向导轨69的底壁、与底壁相对的顶壁以及连接底壁与顶壁的两个侧壁。在支架70的室74a的底壁与上壁中相应地形成这里具有细长狭槽形式的两个端口74b。同样是椭圆形形状的壳体74d也形成在室74a的侧壁中。

机械连接件74还包括例如通过适配一体地施加且固定到螺母66的环66a，以及枢转地安装在环66a上的辅助支架66b。辅助支架66b、环66a与螺母66容纳在支架70的室74a中。

辅助支架66b包括两个相对的防旋转销钉74c，其突出并且构造为容纳在形成在支架70的室74a的上壁与底壁中的端口74b中，以防止当螺纹杆64旋转时辅助支架66b相对于支架70的旋转。辅助支架66b相对于环66a的枢转轴线基本上平行于连接防旋转销钉74c的轴线。

环66a还装配有辊子74e，此辊子构造为穿过支架70的壳体74d并且驱动滑动件68的支架70平移。

根据图7中示出的第二实施方式，致动器60包括枢转接合件75，其插入在电机63的输出轴63a与同机械连接件76相关联的螺纹杆64之间，机械连接件76阻挡螺母66相对于螺纹杆64的旋转并且允许螺母66相对于下腿部结构2以及由此相对于导轨69的平移。

机械连接件76可以特别地包括万向接头。

枢转接合件75可以包括自对准球或辊子轴承，例如2600–2RS式自对准轴承。自对准轴承75实际上允许容纳辊子元件的环的相对移动，并且由此即使在螺纹杆64与导轨69之间存在偏差，也允许螺纹杆64的均衡引导。

具有电机63的输出轴63a的螺纹杆64的柔性联接装置73还可以设置为补偿螺纹杆64与电机63的输出轴63a的任何对准错误。

圆柱体62优选地是滚珠丝杆类型，其包括滚珠轴承而非轴承衬套以减小与滑动相关的力。

第二实施方式与第一实施方式相比具有不那么笨重且不那么复杂的优点，并且减小了可能由于第一实施方式的辊子74e与支架70之间的线接触处的摩擦施加到螺母66的无用力。

根据图8a和图8b中示出的第三实施方式，致动器60包括插入在电机63的输出轴63a与螺杆64之间的简单的机械轴承76，同时螺母66例如通过拧紧或焊接嵌入在滑动件68的支架70上。

简单的机械轴承76应该理解为是枢转式机械连接件，其具有两个共轴环，在两个共轴环之间布置有诸如滚珠、辊子、轴承衬套等的滚动元件，并且两个共轴环通过保持架彼此保持隔开。根据本实施方式可以在致动器60中实施的机械轴承76例如包括629–ZZ类型轴承。

机械轴承76优选地具有包括在五角分与十五角分之间的通常地大约十角分的偏差，以补偿螺纹杆64与例如部件65的轴承76壳体之间的偏差。申请人实际上观察到，与自对准轴承75相比不那么笨重不那么昂贵的这种机械轴承76，实际上足以防止由于部件制造缺陷以及特别地螺纹杆64与电机63的输出轴63a之间的偏差而对致动器60的损坏。实际上，在螺纹杆64与电机63的输出轴63a之间的几角分的偏差是可能的，以便在输出轴63a与螺纹杆64的输出轴插入其中的孔之间保留允许间隙。然后可以通过障碍实现在轴63a与螺纹杆64之间的旋转传动，以例如通过凹槽中的制销允许偏差。由于在示出轴63a的轴线与螺纹杆64的轴线之间的共轴性的轻微由此可允许的缺陷，此机械轴承76消除了在输出轴63a与螺纹杆64之间的柔性联接装置的使用。最后，与要求将自对准轴承75布置在距离柔性联接装置73的一定距离处并且由此沿着螺纹杆64的轴线更加笨重的第二实施方式不同，机械轴承76可以直接地布置在电机63的输出轴63a处。

例如，机械轴承76可以包括滚珠轴承，具有如滚珠轴承629–ZZ的大约十角分的偏差。

与第二实施方式相比，螺母66嵌入在滑动件68的支架70上具有极大地限定致动器60在螺母66处的径向尺寸的优点，并且通过限定要求的部件的数量结构上地简化了致动器60。通过万向接头将螺母66紧固在滑动件68上还在螺66与滑动件68之间形成大的距离，其能够产生大的杆臂：通过嵌入连接替换此万向接头76，并且通过万向接头将螺母66紧固在滑动件68上减小了通过螺纹杆64施加在滑动件68上的力。

通过由轴承76容忍的对准缺陷与机械部件的制造缺陷的可能控制使得能够通过嵌入连接替换万向接头76。

为了减小了寄生力，尤其是可以通过螺母66与滑动件68传送到螺纹杆64并且降低了锁定致动器60的风险的横向力，支架70可以包括至少两个滑动件70a、70b，其可平移地移动地安装在连接部分70c一体地固定在其上的滑动件68的导轨69上。例如，支架70可以包括两对滑动件70a、70b，并且滑动件可以包括两个导轨69，各对滑动件70a、70b都安装在与滑动件68相关联的导轨69上。

螺母66然后可以在第一滑动件70a处嵌入在连接部分70c上，同时连接杆80可以在第二滑动件70b处安装在连接部分70c上。通过此种方式，通过连接杆80施加在致动器60上的横向力未直接地传送到螺纹杆64，而是通过支架70的两个滑动件70a、70b部分地承受，这使它们阻尼，同时确保连接部分70c的移动，以及由此螺母66到连接杆80的移动的传动。

在此实施方式的变型中，螺母66可以经由枢转连接件而非嵌入连接固定到滑动件68。此构造使得已经能够减小螺纹杆64与滑动件68之间的径向距离。然而，申请人注意到当机械连接件是枢转连接件或嵌入连接时，在制造准确性方面的限制基本上是相同的：由此，优选的是嵌入连接，尤其是当横向力通过装配有两个滑动件70a、70b的支架70部分地承受时。

最终，为了更好地经受能够尤其通过连接杆80施加到螺纹杆64的无用力，与前两个实施方式的螺纹杆64的直径相比，螺纹杆64的直径可以增加，这完全消除了均衡的解决方案。由此，在前两个实施方式中螺纹杆的直径例如可以是10mm的规格，而在第三实施方式中直径可以是12mm。

应该指出的是螺纹杆64的直径的增加不意味着致动器60尺寸的增加。尽管增加螺纹杆64的直径涉及增加杆64的螺距的增减，以及由此螺母66的行程的增加，但是利用相同的电机63。然而，简单机械轴承76替代柔性联接装置73以及自对准轴承75的实施，继而允许通过减小电机63的输出轴63a与螺纹杆64之间的要求的空间来减小了致动器60的轴向长度。

无论什么实施方式，连接杆80都可以通过机械连接件82固定到螺母66，机械连接件可以包括枢转连接件、具有基本上垂直轴线的两个枢转连接件、球接合连接件84或诸如万向接头的手指球接合连接件。

在附图中示出的实例中，连接杆80例如通过万向接头82固定到支架70的第二部分。此实施方式使得在连接杆80与圆柱体62之间的机械连接件的中心能够与螺纹杆64的轴线对准，并且由此减小了通过此机构施加在滑动件68上的动量。

此外，连接杆80可以通过球接合连接件84固定到足部结构4。为了堵塞问题以及致动器60的力传送到足部结构4，连接杆80优选地固定在足部结构4的后面区域，例如足部结构4的构造为面向穿戴外骨骼1的使用者的足跟定位的区域中。

最后，连接杆80可以包括两个臂86，其在机械连接件处与圆柱体62并且在球接头连接件处与足部结构4刚性地接合在一起。此实施方式使得对于连接杆80来说能够在螺母66朝向电机63的平移过程中跟随螺母66的移动，而没有与螺纹杆64接触的风险，螺纹杆64然后可以定位在连接杆80的两个臂之间。两个臂的存在还具有允许更好地吸收施加到连接杆80的张紧力与压缩力的优点。

足部结构4可以特别地包括中间部分42，其通过被动枢转连接件44、46旋转地安装在足部结构4上以及下腿部结构2上，以通过控制并联致动器60允许踝部结构围绕两个枢转轴线枢转.

更具体地说，中间部分42可以通过被动枢转连接件44、46围绕第一枢转轴线X1旋转地安装在下腿部结构2上，以及围绕第二枢转轴线X2旋转地安装在足部结构4上。

围绕第一枢转轴线X1的被动枢转连接件44可以特别地包括具有锥形滚动元件的O或X轴承，其以第一枢转轴线X1为中心并且在足部结构4的两侧上延伸。这种O或X轴承具有低的横向体积并且由此对在行走时具有与障碍物具有接触风险的使用者未形成妨碍。例如，可以实施61904–ZZ式的两个轴承。

第一被动枢转连接件44由此使致动器60能够在没有将结构锁定在第一枢转轴线X1处的风险的情况下使足部结构4围绕第二枢转轴线X2旋转。

第二枢转轴线X2周围的被动枢转连接件46优选地包括单个轴承，因为从第二枢转轴线X2的两侧插入两个轴承干扰穿戴外骨骼1的使用者的足部。此第二被动枢转连接件46例如可以包括具有NKIB类型的推力滚珠轴承的结合针轴承。

通过此种方式，致动器60中的一个和/或另一个的致动尤其在圆柱体62与连接杆80相关联的情形中，致使足部结构4在没有阻挡风险情形下的旋转。

这里，足部结构4包括嵌在足部结构4上并且围绕第二枢转轴线X2支撑被动枢转连接件46的固定部分48，中间部分42围绕第二枢转轴线X2旋转地安装在紧固部分48上。在附图中示出的实施方式中，连接杆80在被动枢转连接件46的两侧上经由球接合连接件84固定到此紧固元件48。此构造由此使得能够在使用者足跟附近区域中将连接杆80容易地附接足部结构4上，从而不妨碍使用者的足部引入到足部结构4中。

为使中间部分42能够围绕在穿戴外骨骼1的使用者的踝部处延伸的第一枢转轴线X1旋转地安装，中间部分42可以具有U部分，其构造为当足部布置在足部结构4中时绕过使用者的踝部，同时允许中间部分42的被动枢转连接件44、46面向其踝部。当然，应该理解的是中间部分42可以适当地以单件式实施，或者另选地包括装配为形成单件的几个元件。

现在将描述外骨骼1的操作实例，在此情形中其中致动器60包括滚珠丝杠或螺母66类型的圆柱体62与连接杆80。两个圆柱体62是相同的，并且由此包括具有相同长度并且具有相同螺距的螺纹杆64、同一个电机63与相同的杆80。螺纹杆64可以逆时针或顺时针旋转。

当两个螺纹杆64同样地且同时地移动以使螺母66朝向杆64的自由端平移时，连接杆80的固定到螺母66的端部朝向足部结构4移动。连接杆80的相对端然后施加力到足部结构4，这趋于使足部结构4仅围绕第一枢转轴线X1枢转。此移动允许穿戴此外骨骼1的使用者的足部弯曲。

当两个螺纹杆64沿着相对的旋转方向同样地且同时地运动以使螺母66朝向电机63平移时，连接杆80的固定到螺母66的端部沿着与足部结构4相对的方向移动到机械膝部连接件3。连接杆80的相对端然后施加力到足部结构4，其趋于使足部结构4仅围绕第一枢转轴线X1沿着相对方向枢转，以允许使用者的足部延伸。

当两个螺纹杆64以不同方式、例如一个逆时针并且另一个顺时针移动时，连接杆80中的一个沿着足部结构4的方向移动，同时连接杆80中的另一个沿着相反方向移动，这允许足部结构4围绕第二枢转轴线X2旋转，由此沿着各螺纹杆64的旋转方向执行反转与翻转移动。当然，两个螺母66的行程可以相同或不同，以更好地调节足部的定向，并且如果必要的话，引起足部结构4围绕第一和/或第二枢转轴线X1、X2的旋转。

可以根据各螺纹杆64的旋转方向与行程方向非常准确地实现足部结构4的控制。

外骨骼1还可以包括系统100，其构造为释放致动器60的电机60c、63，以在直立阶段结束时给足部的拆除提供必要的促进。实际上，在直立阶段结束时，围绕轴线X1的大的转矩是必要的以提供外骨骼1的行走运动。

由此，系统100可以包括压缩弹簧组件，其在一个方面固定到中间部分42并且在另一个方面固定到下腿部结构2，下腿部结构构造为仅在直立阶段期间以及尤其在足部的拆除过程中使足部结构4偏转。

为此目的，弹簧组件100例如可以包括中空本体110，其包括第一端112与第二端114并且容纳具有第一刚性的弹性可变形构件120。

中空本体110安装在形成在下腿部结构2中的壳体105中。壳体包括底部106与口部件108，中空本体110的第一端112面向底部106。底部106还包括通孔107，口部件108可以打开并且通向外部，或者通过覆盖件闭合。

弹性可变形构件120可以特别地包括弹簧。中空本体110可以具有圆柱形或管状形状。

弹簧120安装在中空本体110中以邻接中空本体的第一端112，并且连接到紧固元件130，此紧固元件穿过壳体105、中空本体110与弹簧120并且从中空本体的第一端112以及从通孔107突出。此紧固元件130此外例如在中间部分42处固定到足部结构4。

在一个实施方式中，紧固元件130是柔性并且例如可以包括缆线。柔性属性使得对于紧固元件130来说能够调节足部结构4的旋转移动，并且不将除了张紧力以外的力传送到弹簧组件100。在下面，将更加特别地描述在包括缆线的紧固元件130的情形中的本发明。然而，这是非限定的，缆线仅是紧固元件的一个可能实施方式。

此目的是在直立阶段期间释放电机60c、63并且由此当足部弯曲时，缆线130固定到足部结构4的附近区域，优选地在第一枢转轴线X1与足部结构4的跟部之间的区域中。特别地，缆线130可以例如通过部分43固定到中间部分42，部分43固定到中间部分42并且构造为相对于中间部分42阻挡缆线130。

容纳在中空本体110中的弹簧120优选地与中空本体110共轴。

可以通过胶粘或焊接实现弹簧120与缆线130之间的连接。另选地，弹簧120可以包括固定到弹簧120的远离中空本体110的第一端112延伸的一部分的锁定部分122，同时缆线130具有构造为邻接锁定部分122的加厚部分132。沿着与中空本体110的第二端114相反的方向拉动缆线130由此具有使加厚部分132与锁定部分122接触并且压缩弹簧120的作用。

根据缆线130的长度以及可以通过足部结构4相对于下腿部结构2行进的角范围选择弹簧120的刚性与长度，以便无论足部结构4相对于下腿部结构2的位置，以及由此无论外骨骼1的行走阶段，都确保缆线130一直保持张紧。这使得通过避免对于使用者来说可能不舒适的任何猛拉能够改进弹簧组件100的反作用时间。

缆线130还包括止动件134，止动件在加厚部分132与缆线130的容纳在中空本体110中的端部之间固定到缆线130或者与缆线130一体地形成，构造为与突出部116配合，突出部固定在中空本体110中并且形成止动件134的障碍。突出部116例如可以具有套环的形状。止动件134可以自身固定到缆线130的端部。

最终地，弹簧组件100包括围绕中空本体100定位在壳体105中的有效弹簧140。有效弹簧140支撑并且压缩在下腿部结构2的壳体105的底部106与形成在中空本体110上的支撑止动件118之间。有效弹簧140与中空本体110由此共轴，中空本体110形成用于有效弹簧140的支撑件。中空本体110的支撑止动件118可以特别地固定在中空本体的第二端114附近，并且包括螺栓以允许支撑止动件118相对于中空本体110的可能的移动以及由此有效弹簧140的刚性调节。

通过此种方式，当张紧力施加到缆线130时，加厚部分132在中空本体110中移动并且压缩弹簧120，直到止动件134与突出部116接触并且阻挡缆线130相对于中空本体110的与弹簧120相对于中空本体110的相对移动。由此，缆线130通过突出部116平移地锁定，并且可能不再压缩弹簧120。如果足部结构4继续拉动缆线130，那么缆线130、中空本体110与支撑止动件118形成的组件在支撑止动件118与壳体105的底部106之间压缩弹簧140的同时移动，壳体105与下腿部结构2一体地移动。

弹簧组件100的尺寸可以设计为使得此构造与其中足部结构4在地面上启动支撑阶段的情形相对应。

有效弹簧140的刚性优选地大于容纳在中空本体110中的弹簧120的刚性，以确保当止动件134不与突出部116接触时，仅容纳在中空本体110中的弹簧120压缩。在此阶段中，实际上无需释放电机60c、63。然后，一旦止动件134紧靠突出部116，缆线130就将张紧力施加在中空本体110上，这由此趋于压缩有效弹簧140，并且由此围绕第一枢转轴线X1在足部结构4上产生转矩以使足部张紧，这释放致动器60的电机60c、63并且协助在行走周期过程中对足部的拆除提供促进。

当然应该理解的是，除了容纳在中空本体110中的弹簧120和/或有效弹簧140以外，还可以实施具有刚性的其它弹性构件。

此外，可以在不考虑这里描述的外骨骼1的情况下，在需要仅在装置的一定操作阶段期间施加力的任意装置上实施压缩弹簧组件100。描述的此弹簧组件100由此适用于任意装置，弹簧组件100包括可以固定到承载有效弹簧140的中空本体110的第一部分，与相对于第一部分可移动的第二部分，有效弹簧140的另一端可以固定到第二部分以施加力。紧固元件130然后固定到第二部分，以当第二部分相对于第一部分移动时将力施加到容纳在中空本体110中的弹簧120，直到其达到紧固元件、弹簧120与中空本体110开始共同地移动的预定阈值，仅有效弹簧140偏压并且将力施加在两个部分上。

Claims (27)

1.一种外骨骼，包括：

足部结构，所述足部结构包括构造为接收使用者的足部的支撑平面；

下腿部结构，所述下腿部结构构造为接收使用者的腿部的下部；

机械膝部连接件，所述机械膝部连接件构造为将所述下腿部结构连接到构造为接收使用者的腿部的上部的上腿部结构，，所述机械膝部连接件具有枢转轴线；以及

机械踝部连接件，所述机械踝部连接件将所述足部结构连接到所述下腿部结构，所述机械踝部连接件包括具有第一枢转轴线的第一枢转连接件，所述第一枢转轴线与所述机械膝部连接件的枢转轴线基本上平行，

所述外骨骼的特征在于，所述机械踝部连接件还包括具有第二枢转轴线的第二枢转连接件，所述第二枢转轴线在垂直于所述第一枢转轴线的平面中延伸，并且当所述外骨骼直立并且静止时与所述支撑平面形成包括在30°与60°之间的角度。

2.根据权利要求1所述的外骨骼，其中，当所述外骨骼直立且静止时，所述第二枢转轴线与所述支撑平面形成包括在40°与50°之间，优选为45°规格的角度。

3.根据权利要求1或2所述的外骨骼，还包括两个并联的致动器，所述致动器固定在所述足部结构与所述下腿部结构之间，并且构造为控制所述足部结构围绕所述机械踝部连接件的所述第一枢转轴线与所述第二枢转轴线的角位置。

4.根据权利要求3所述的外骨骼，其中，所述致动器并联固定在所述下腿部结构的两侧上。

5.根据权利要求3至4中一个所述的外骨骼，其中，所述致动器每个都包括：

直线致动器，所述直线致动器安装在所述下腿部结构上；以及

连接杆，所述连接杆利用枢转接合件在一个方面安装在所述直线致动器上并且在另一个方面安装在所述足部结构上，使得所述直线致动器的平移致使所述连接杆相对于所述足部结构的旋转。

6.根据权利要求5所述的外骨骼，其中，所述直线致动器包括与电机相关联的圆柱体，优选地是滚珠丝杠或丝杠螺母类型。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的外骨骼，其中，所述圆柱体包括通过所述电机旋转驱动的螺纹杆以及相对于所述足部结构旋转固定的螺母，所述连接杆包括安装在所述螺母上的一端，使得所述螺母的平移导致所述连接杆的所述端部的平移。

8.根据权利要求7所述的外骨骼，其中，每个致动器还包括至少一个滑动件，所述滑动件具有固定到所述下腿部结构的导轨与沿着所述导轨可平移移动的支架，所述螺母固定到所述滑动件的支架。

9.根据权利要求8所述的外骨骼，其中，所述支架包括第一滑动件与第二滑动件，所述第一滑动件与所述第二滑动件能够平移移动地安装在所述滑动件的导轨上并且通过连接部分一体地连接，所述螺母与所述连接杆固定到所述支架的连接部分。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的外骨骼，其中，在所述螺母与所述连接杆之间的机械连接件包括枢转连接件，并且在所述连接杆与所述足部结构之间的机械连接件包括枢转接合件。

11.根据权利要求10所述的外骨骼，其中，在所述螺母与所述连接杆之间的机械连接件包括万向接头，或者具有基本上垂直的轴线的两个枢转连接件。

12.根据权利要求7至11中任一项所述的外骨骼，其中，所述圆柱体还包括插入在所述电机的输出与所述螺纹杆之间的简单的机械轴承，所述机械轴承具有包括在五角分与十五角分之间，通常地大约十角分的偏差。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的外骨骼，其中：

所述第一枢转连接件定位在所述足部结构上，以面向穿戴所述外骨骼的使用者的内踝与外踝，以及/或者

所述第二枢转连接件定位在所述足部结构上，以面向足根或使用者的跟腱。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的外骨骼，其中，所述第一枢转轴线与所述机械膝部连接件的枢转轴线形成包括在0°与大约十五度之间，优选地6°与10°之间，例如8°的角度。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的外骨骼，其中，当所述外骨骼直立并且静止时，所述第一枢转轴线在与地面平行的平面中延伸。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的外骨骼，还包括中间部分，所述中间部分在一个方面相对于所述足部结构围绕所述第二枢转轴线自由旋转地安装在所述足部结构上，并且在另一个方面，围绕所述第一枢转轴线枢转地安装在所述下腿部结构上。

17.根据权利要求16所述的外骨骼，其中，所述中间部分通过被动枢转连接件安装在所述下腿部结构上以及在所述足部结构上。

18.根据权利要求16或17所述的外骨骼，还包括压缩弹簧组件，所述压缩弹簧组件在一个方面固定到所述中间部分并且在另一个方面固定在所述下腿部结构上。

19.根据权利要求18所述的外骨骼，其中，所述弹簧组件包括第一弹性可变形构件，所述第一构件在一个方面通过紧固元件连接到所述第一枢转连接件与第二枢转连接件之间的中间部分，并且在另一个方面连接到所述下腿部结构，所述第一构件构造为将张紧力施加在所述中间部分上。

20.根据权利要求19所述的外骨骼，其中，所述紧固元件是柔性的。

21.根据权利要求19或20所述的外骨骼，其中，所述弹簧组件还包括具有第一端以及与第一端相对的第二端的基本上细长的中空本体，所述中空本体安装在形成在所述下腿部结构中的壳体中，所述中空本体的第一端面向所述壳体的底部，并且所述第一构件安装在所述壳体中并且在所述壳体的底部与所述中空本体的第二端之间压缩。

22.根据权利要求21所述的外骨骼，还包括容纳在所述中空本体中的第二弹性可变形构件，所述第二构件固定在所述中空本体的第一端附近，所述紧固元件与所述第二构件配合使得所述第二构件构造为使所述紧固元件张紧，并且所述紧固元件容纳在所述中空本体中并且从所述中空本体的第一端与所述壳体的底部突出。

23.根据权利要求22所述的外骨骼，其中，所述第一构件和/或所述第二构件包括压缩弹簧。

24.根据权利要求23所述的外骨骼，其中，所述第一构件与所述第二构件包括压缩弹簧，所述第二构件具有的刚性比所述第一构件的刚性低。

25.根据权利要求21至24中任一项所述的外骨骼，其中，所述紧固元件具有容纳在所述中空本体中的加厚部分，并且所述第二构件包括构造为形成用于所述加厚部分的止动件的锁定部分。

26.根据权利要求21至25中任一项所述的外骨骼，其中，所述紧固元件还包括固定到所述紧固元件的止动件，并且所述中空本体还包括突出部，所述突出部固定到所述中空本体的内壁，并且构造为与所述止动件配合并且形成用于所述紧固元件的止动件的障碍。

27.根据权利要求21至26中任一项所述的外骨骼，其中，所述中空本体还包括固定在其第二端附近的螺栓，所述第一构件邻接所述螺栓。