CN111683794B - 外骨骼结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种外骨骼结构，其包括：‑旨在紧固至使用者的腿部的腿部部分(35)，‑旨在紧固至使用者的脚部的脚部部分(37)，‑将腿部部分(35)连接至脚部部分(37)的机械连接组件(36)，该机械连接组件包括：第一枢轴(361)，该第一枢轴在使用者的脚部相对于腿部进行内/外旋转运动时允许脚部部分(37)相对于腿部部分(35)围绕第一旋转轴线(X1)旋转；以及第二枢轴(365)，该第二枢轴在使用者的脚部相对于腿部进行外旋/内旋运动时允许脚部部分(37)相对于腿部部分(35)围绕第二旋转轴线(X2)旋转，其中，当使用者站立而处于参考解剖学位置时，第一枢轴(361，461)位于与地面相距大于或等于20厘米的高度处，并且第一旋转轴线(X1)与第二旋转轴线(X2)之间的距离小于或等于5厘米。

Description

外骨骼结构
技术领域
本发明涉及一种外骨骼结构。
背景技术
力辅助外骨骼是使人体骨骼结构加倍的机械结构，并且该力辅助外骨骼允许改善人体的体能素质。
存在不同类型的力辅助外骨骼，该不同类型取决于使用者要完成的工作。每种类型的外骨骼使得能够限制或减少使用者在完成某些工作期间所施加的力。
然而，当外骨骼结构的重量未转移到地面时，使用者必须支撑外骨骼结构的重量，其结果是限制了使用者的运动自由度并产生必然转移给使用者下部身体的额外载荷。
此外，对于使用者而言，可能难以戴上或脱下外骨骼结构。
发明内容
本发明的一个目的是提出一种外骨骼结构，该外骨骼结构更舒适并且尽可能少地阻碍使用者的运动。
该目的由于如下的外骨骼结构而在本发明的范围内实现，该外骨骼结构包括：
-旨在紧固至使用者的腿部的腿部部分，
-旨在紧固至使用者的脚部的脚部部分，
-将腿部部分连接至脚部部分的机械连接组件，该机械连接组件包括：第一枢轴，该第一枢轴在使用者的脚部的内/外旋转运动期间允许脚部部分相对于腿部部分围绕第一旋转轴线旋转；以及第二枢轴，该第二枢轴在使用者的脚踝的外翻/内翻运动期间允许脚部部分相对于腿部部分围绕第二旋转轴线旋转，
其中，第一枢轴被布置成使得第一枢轴被定位在腿部部分的一侧上，腿部部分位于使用者的矢状面与第一枢轴之间，并且当使用者站立在地面上而处于参考解剖学位置时，第一枢轴被定位在与地面相距大于或等于20厘米的高度处，第一旋转轴线被定向成使得第一旋转轴线与第二旋转轴线之间的距离小于或等于5厘米。
可以回想，将“两个轴线之间的距离”定义为将分别位于两个轴线中的每一个轴线上的两个点分开的最小距离。
本发明基于以下观察：当将第一枢轴定位在离使用者的脚踝足够远的位置(即，在距离地面一定高度处)时，能够将第一旋转轴线布置成使得该第一旋转轴线尽可能地靠近脚踝的旋转中心。特别地，第一旋转轴线被定位成足够靠近第二旋转轴线(即，轴线之间的距离小于或等于5厘米)，以便尽可能地真实地再现脚踝的自由度并因此获得更舒适的外骨骼结构。
另外，第一枢轴被定位在腿部部分的一侧上，使得腿部部分位于使用者的矢状面与第一枢轴之间。
第一枢轴的这种设置允许释放位于使用者的胫骨前部的空间以及腿部的内部空间。以这种方式，可以更容易地戴上和脱下外骨骼结构。另外，这限制了在步行期间外骨骼结构与使用者的另一只脚之间的干扰风险。
此外，这种布置允许结构的不同部分的设计的重量更轻且体积更小。
在本发明的优选实施例中，第一旋转轴线被定向成使得该第一旋转轴线与第二旋转轴线相交(即，轴线之间的距离为零)。第一旋转轴线和第二旋转轴线是共点的，它们允许保持脚踝的自由度。
所提出的外骨骼结构可以进一步具有以下特征：
-第一旋转轴线被定向成使得当使用者站立而处于参考解剖学位置时，该第一旋转轴线相对于竖直方向形成第一非零角度，第一角度介于1度至30度之间，优选地介于10度至15度之间，例如等于12度，
-机械连接组件包括第三枢轴，该第三枢轴在使用者的脚踝的弯曲/伸展运动期间允许脚部部分相对于腿部部分围绕第三旋转轴线旋转，
-当使用者站立而处于解剖学参考位置时，第三枢轴被定位在小于使用者的踝骨高度的高度处，
-第三枢轴相对于使用者的踝骨朝向使用者的脚后部定位，
-第一旋转轴线被定向成使得第一旋转轴线与第三旋转轴线之间的距离小于或等于5厘米，
-第一旋转轴线被定向成使得第一旋转轴线与第三旋转轴线相交，
-第三旋转轴线被定向成使得当使用者站立而处于解剖学参考位置时，该第三旋转轴线与使用者的前部平面形成第二非零角度，第二角度介于1度至15度之间，优选地介于4度至7度之间，例如等于6度，
-第三旋转轴线被定向成使得当使用者站立而处于解剖学参考位置时，该第三旋转轴线与使用者的横向平面形成第三非零角度，该角度介于5度至15度之间，优选地介于6度至8度之间，例如等于8度，
-机械连接组件包括连接部件，该连接部件具有经由第一枢轴连接至腿部部分的第一端部以及连接至第三枢轴的第二端部，连接部件包括：两个部分，这两个部分相对于彼此滑动地安装以便调节连接部件的长度；以及锁定装置，一旦该长度被调节，该锁定装置就将这两个部分相对于彼此锁定，
-第二旋转轴线被定向成使得当使用者站立而处于解剖学参考位置时，该第二旋转轴线相对于水平方向形成第四非零角度，该角度介于1度至30度之间，优选地介于15度至25度之间，例如为18度，
-当使用者站立而处于解剖学参考位置时，第二旋转轴线被定向成使得其在使用者的踝骨下方穿过，
-当使用者站立而处于解剖学参考位置时，当从使用者的脚后部朝向使用者的脚前部遵循第二旋转轴线时，第二旋转轴线向下定向。
附图说明
其它特征和优点将通过以下说明揭示，所述说明完全是说明性的和非限制性的并且必须参照附图阅读，在附图中：
-图1以前视图示意性地示出了配备有根据本发明的一个实施例的外骨骼结构的使用者，
-图2以后视图示意性地示出了图1的外骨骼结构的一部分，
-图3以后视图示意性地示出了图1的外骨骼结构的一部分，
-图4以俯视图示意性地示出了图1的外骨骼结构的一部分，以及
-图5以侧视图示意性地示出了图1的外骨骼结构的一部分。
具体实施方式
图1示意性地示出了根据解剖学中的参考系统的站立在水平地面上而处于解剖学参考位置(也称为“参考位置”或“标准解剖学位置”)的使用者。
此外，图1包括示出了使用者的前部平面F、矢状面S和横向平面T的示意图。按照已知的方式，矢状面S被定义为平行于中间平面且将使用者身体的左半部分和右半部分分开的平面。前部平面F或冠状面被定义为垂直于中间平面且将身体分成前侧或腹侧部分和后侧或背侧部分的平面。横向平面T或横向平面被定义为垂直于中间平面且将身体分为上部(在头部侧上)和下部(在脚部侧上)的平面。
在图1中，使用者被配备有力辅助外骨骼结构1，用于在使用者的下部构件运动期间辅助使用者。
图1中所示的外骨骼结构1包括能够围绕使用者的腰部的腰带2、第一下部构件组件3和第二下部构件组件4。
腰带2围绕使用者的腰部布置并支撑在使用者的髋部上。腰带2可以支撑紧固至腰带的电池和控制度单元(未示出)。电池允许向结构的不同致动器供应电能。控制单元被编程为对不同致动器进行控制。
第一下部构件组件3沿着使用者的第一下部构件延伸(在图1的示例中，第一下部构件组件沿着使用者的右下部构件延伸)，并且借助于第一髋部枢轴31(位于使用者的右侧上)连接至腰带2。
第一下部构件组件3包括第一髋部枢轴31、适合于沿着使用者的右大腿延伸的第一股骨部分32、适合于紧固至使用者的右大腿的第一大腿部分33、第一膝盖枢轴34、适合于紧固至使用者的右腿的第一腿部部分35、第一机械连接组件36以及适合于紧固至使用者的右脚的第一脚部部分37。
在使用者的右大腿相对于骨盆的弯曲/伸展运动期间，第一髋部枢轴31允许第一股骨部分32相对于腰带2旋转。
第一下部构件组件3可以进一步包括与第一髋部枢轴31集成的髋部致动器，该髋部致动器包括定子和转子，该转子适合于相对于定子被驱动旋转，以在右髋关节弯曲或伸展运动期间驱动胫骨部分32相对于腰带2旋转。
第一膝盖枢轴34将第一股骨部分32连接至第一腿部部分35。在右膝盖关节的弯曲/伸展运动期间，膝盖枢轴34允许腿部部分35相对于股骨部分32旋转。
第一下部构件组件3可以进一步包括与第一膝盖枢轴34集成的膝盖致动器，该膝盖致动器包括定子和转子，该转子适合于相对于定子被驱动旋转，以在右膝盖关节弯曲或伸展运动期间驱动腿部部分35相对于股骨部分32旋转。
如图2中所示，第一连接组件36包括枢轴361、胫骨部分362、枢轴363、中间部分364和枢轴365。
胫骨部分362在腿部部分35与中间部分364之间沿着使用者的小腿延伸。胫骨部分362具有第一端部366和第二端部367。
腿部部分35借助于枢轴361连接至胫骨部分362。更精确地，腿部部分35借助于枢轴361连接至胫骨部分362的第一端部366。在使用者的脚部相对于腿部的内/外旋转运动期间，枢轴361允许胫骨部分362相对于腿部部分35围绕旋转轴线X1旋转。
中间部分364在胫骨部分362与脚部部分37之间延伸。中间部分364借助于枢轴363连接至胫骨部分362。更精确地，中间部分364借助于枢轴363连接至胫骨部分362的第二端部367。在使用者的脚部相对于腿部的弯曲/伸展旋转运动期间，枢轴363允许中间部分364相对于胫骨部分362围绕旋转轴线X3旋转。
中间部分364借助于枢轴365连接至脚部部分37。枢轴365被定位在使用者的脚后部处，即定位在脚跟的后方。在使用者的脚部相对于腿部的外旋/内旋运动期间，枢轴365允许脚部部分37相对于中间部分364围绕旋转轴线X2旋转。
脚部部分37适合于紧固至使用者的脚部。更精确地，脚部部分37适合于紧固至使用者的右鞋5，例如紧固至鞋底，以便经由鞋5将施加在外骨骼结构1上的力传递到地面。
脚部部分37具有两个分支371和372，这两个分支适合于在鞋5的鞋底的两侧上延伸。脚部部分37的每个分支371、372例如借助于穿入鞋底的厚度的一个或多个紧固销而紧固至鞋底。
胫骨部分362可以形成为两个部分368、369，这两个部分被安装成借助于滑道相对于彼此滑动。部分368和369相对于彼此的滑动允许胫骨部分362的缩短或加长，从而允许根据使用者的形态来调节胫骨部分362的长度。胫骨部分362还可以包括锁定装置，该锁定装置允许将胫骨部分锁定为所需的长度。
如在图1中可见，枢轴361被定位在腿部部分35的一侧上，使得腿部部分35位于使用者的矢状面S与枢轴361之间。
另外，枢轴363被定位在使用者的脚部的一侧上，靠近于踝骨。更精确地，枢轴363被定位在中间部分364的一侧上，使得中间部分364位于使用者的矢状面S与枢轴363之间。
其结果是，胫骨部分362在使用者的腿部的外侧上(而不是胫骨的前部)延伸。这允许设计出轻质的外骨骼结构1。此外，外骨骼结构1更易于戴上和脱下。在不存在外骨骼结构1的情况下，使用者像他通常那样戴上或脱下他的鞋就足够了。此外，这允许释放脚踝周围的空间，特别是位于脚踝内侧的空间，以便限制两个腿部组件之间的干扰。
如图1中所示，第二下部构件组件4与第一下部构件组件3对称。第二下部构件组件4还借助于与第一髋部枢轴31对称的第二髋部枢轴41连接至腰带2。第二下部构件组件4沿着使用者的第二下部构件延伸(在图1的示例中，第二下部构件组件沿着使用者的左下部构件延伸)。
第二下部构件组件4包括与第一下部构件组件3的部分相同但相对于使用者的矢状面S对称地布置的部分。
因此，第二下部构件组件4包括第二髋部枢轴41、适合于沿着使用者的左大腿延伸的第二股骨部分42、适合于紧固至使用者的左大腿的第二大腿部分43、第二膝盖枢轴44、适合于紧固至使用者的左腿的第二腿部部分45、第二机械连接组件46以及适合于紧固至使用者的左脚的第二脚部部分47。
在使用者的左大腿相对于骨盆的弯曲/伸展运动期间，第二髋部枢轴41允许第二股骨部分42相对于腰带2旋转。
第二下部构件组件4可以进一步包括与髋部枢轴41集成的髋部致动器，该髋部致动器包括定子和转子，该转子适合于相对于定子被驱动旋转，以在髋部的弯曲或伸展运动期间驱动胫骨部分42相对于腰带2旋转。
第二膝盖枢轴44将第二股骨部分42连接至第二腿部部分45。在使用者的腿部相对于大腿的弯曲/伸展运动期间，膝盖枢轴44允许腿部部分45相对于股骨部分42旋转。
第二下部构件组件4可以进一步包括与第二膝盖枢轴44集成的膝盖致动器，该膝盖致动器包括定子和转子，该转子适合于相对于定子被驱动旋转，以在膝盖的弯曲或伸展运动期间驱动腿部部分45相对于股骨部分42旋转。
如图3中所示，第二连接组件46包括第一枢轴461、胫骨部分462、第二枢轴463、中间部分464和第三枢轴465。
胫骨部分462可以形成为两个部分468、469，这两个部分被安装成借助于滑道相对于彼此滑动。部分468和469相对于彼此的滑动允许胫骨部分462的缩短或加长，从而允许根据使用者的形态来调节胫骨部分362的长度。胫骨部分462还可以包括锁定装置，该锁定装置允许将胫骨部分锁定为所需的长度。
第二连接组件46被布置成相对于矢状面S与第一连接组件36对称。
特别地，如在图1中可见，第一枢轴461被布置在腿部部分45的一侧上，使得腿部部分45位于使用者的矢状面S与第一枢轴461之间。
另外，第二枢轴463被定位在使用者的脚部的一侧上，靠近于踝骨。更精确地，第二枢轴463被定位在中间部分464的一侧上，使得中间部分464位于使用者的矢状面S与第二枢轴463之间。
其结果是，胫骨部分462在使用者的腿部的外侧上(而不是胫骨的前部)延伸。
如图2中所示，枢轴361的旋转轴线X1被定向成使得当使用者站立而处于解剖学参考位置时，枢轴361的旋转轴线X1相对于竖直方向形成第一非零角度α。第一角度α介于1度至30度之间，优选地介于10度至15度之间，例如约为12度。
按照相同的方式，枢轴461的旋转轴线X1也被定向成使得当使用者站立而处于解剖学参考位置时，枢轴461的旋转轴线X1相对于竖直方向形成第一非零角度α。
此外，如图2和图3中所示，当使用者站立时，第一连接组件3的枢轴363和第二连接组件46的枢轴463被定位在小于使用者的踝部高度的高度处。
旋转轴线X3被定向成使得当使用者站立而处于解剖学参考位置时，该旋转轴线X3与使用者的横向平面T形成非零角度β，该角度β介于5度至15度之间，优选地介于6度至8度之间，例如约为8度。
另外，如图4中所示，第一连接组件36的枢轴363相对于使用者的踝骨朝向使用者的脚后部定位。这种布置使得中间部分的尺寸最小化，并因此使外骨骼结构更轻。
第二连接组件46的枢轴463具有相对于矢状面与第一连接组件36的枢轴363的布置对称的布置。
另外，旋转轴线X3被定向成使得当使用者站立而处于解剖学参考位置时，该旋转轴线X3与使用者的前部平面F形成非零角度γ，该角度γ介于1度至15度之间，优选地介于4度至7度之间，例如约为6度。
旋转轴线X3在旋转轴线X2上方穿过，而旋转轴线X3和X2不相交。
另一方面，如图4中所示，在第一连接组件36和第二连接组件46中，旋转轴线X1与旋转轴线X2相交。
如图5中所示，旋转轴线X2被定向成当使用者站立而处于解剖学参考位置时，该旋转轴线X2相对于使用者的横向平面T为非零角度δ，该角度δ介于1度至30度之间，优选地介于15度至25度之间，例如约为18度。
当从脚后部朝向脚前部遵循旋转轴线X2时，旋转轴线X2向下定向。这种构造的优点是，即使当使用者在不规则地形(即粗糙地面)上行走时，也可以获得增强的外骨骼结构1的稳定性。实际上，如果使用者将他的脚部置于粗糙的特征上，则由鞋6的鞋底上的粗糙度产生的反作用力的施加点将必定位于外旋/内旋轴线X2的上方，使得所产生的力矩将具有限制施加在使用者的脚踝上的旋转的趋势。(相反，在旋转轴线X2位于由鞋6的鞋底上的粗糙度产生的反作用力的施加点的上方的结构中，所产生的力矩将具有加剧施加在使用者的脚踝上的旋转的趋势)。

Claims (21)

1.一种外骨骼结构(1)，所述外骨骼结构包括：
-旨在紧固至使用者的腿部的腿部部分(35，45)，
-旨在紧固至使用者的脚部的脚部部分(37，47)，
-将所述腿部部分(35，45)连接至所述脚部部分(37，47)的机械连接组件(36，46)，所述机械连接组件包括：第一枢轴(361，461)，所述第一枢轴在使用者的脚部的内/外旋转运动期间允许所述脚部部分(37，47)相对于所述腿部部分(35，45)围绕第一旋转轴线(X1)旋转；以及第二枢轴(365，465)，所述第二枢轴在使用者的脚踝的外翻/内翻运动期间允许所述脚部部分(37，47)相对于所述腿部部分(35，45)围绕第二旋转轴线(X2)旋转，
其中，所述第一枢轴(361，461)被布置成使得所述第一枢轴(361，461)被定位在所述腿部部分(35，45)的一侧上，所述腿部部分(35，45)位于使用者的矢状面与所述第一枢轴(361，461)之间，并且当使用者站立而处于解剖学参考位置时，所述第一枢轴(361，461)被定位在与地面相距大于或等于20厘米的高度处，所述第一旋转轴线(X1)被定向成使得所述第一旋转轴线(X1)与所述第二旋转轴线(X2)之间的距离小于或等于5厘米，以及
其中，所述第一旋转轴线(X1)被定向成使得当使用者站立而处于解剖学参考位置时，所述第一旋转轴线相对于竖直方向形成第一非零角度(α)，所述第一非零角度介于1度至30度之间。
2.根据权利要求1所述的外骨骼结构，其中，所述第一旋转轴线(X1)被定向成使得所述第一旋转轴线(X1)与所述第二旋转轴线(X2)相交。
3.根据权利要求1所述的外骨骼结构，其中，所述机械连接组件(36，46)包括第三枢轴(363，463)，所述第三枢轴在使用者的脚踝的弯曲/伸展运动期间允许所述脚部部分(37，47)相对于所述腿部部分(35，45)围绕第三旋转轴线(X3)旋转。
4.根据权利要求3所述的外骨骼结构，其中，当使用者站立而处于解剖学参考位置时，所述第三枢轴(363，463)被定位在小于使用者的踝骨高度的高度处。
5.根据权利要求3所述的外骨骼结构，其中，所述第三枢轴(363，463)相对于使用者的踝骨朝向使用者的脚后部定位。
6.根据权利要求3所述的外骨骼结构，其中，所述第一旋转轴线(X1)被定向成使得所述第一旋转轴线(X1)与所述第三旋转轴线(X3)之间的距离小于或等于5厘米。
7.根据权利要求3所述的外骨骼结构，其中，所述第一旋转轴线(X1)被定向成使得所述第一旋转轴线(X1)与所述第三旋转轴线(X3)相交。
8.根据权利要求3所述的外骨骼结构，其中，所述第三旋转轴线(X3)被定向成使得当使用者站立而处于解剖学参考位置时，所述第三旋转轴线与使用者的前部平面形成第二非零角度(γ)，所述第二非零角度介于1度至15度之间。
9.根据权利要求3所述的外骨骼结构，其中，所述第三旋转轴线(X3)被定向成使得当使用者站立而处于解剖学参考位置时，所述第三旋转轴线与使用者的横向平面形成第三非零角度(β)，所述第三非零角度介于5度至15度之间。
10.根据权利要求3所述的外骨骼结构，其中，所述机械连接组件(36，46)包括连接部件(362，462)，所述连接部件具有经由所述第一枢轴(361，461)连接至所述腿部部分(35，45)的第一端部(366，466)以及连接至所述第三枢轴(363，463)的第二端部(367，467)，所述连接部件(362，462)包括：两个部分(368，369，468，469)，所述两个部分相对于彼此滑动地安装以便调节所述连接部件(362，462)的长度；以及锁定装置，一旦所述长度被调节，所述锁定装置就将所述两个部分(368，369，468，469)相对于彼此锁定。
11.根据权利要求1所述的外骨骼结构，其中，所述第二旋转轴线(X2)被定向成使得当使用者站立而处于解剖学参考位置时，所述第二旋转轴线相对于水平方向形成第四非零角度(δ)，所述第四非零角度介于1度至30度之间。
12.根据权利要求1所述的外骨骼结构，其中，当使用者站立而处于解剖学参考位置时，所述第二旋转轴线(X2)被定向成使得其在使用者的踝骨下方穿过。
13.根据权利要求1所述的外骨骼结构，其中，当使用者站立而处于解剖学参考位置时，当从使用者的脚后部朝向使用者的脚前部遵循所述第二旋转轴线(X2)时，所述第二旋转轴线(X2)向下定向。
14.根据权利要求1所述的外骨骼结构，其中，所述第一非零角度介于10度至15度之间。
15.根据权利要求1所述的外骨骼结构，其中，所述第一非零角度等于12度。
16.根据权利要求8所述的外骨骼结构，其中，所述第二非零角度介于4度至7度之间。
17.根据权利要求8所述的外骨骼结构，其中，所述第二非零角度等于6度。
18.根据权利要求9所述的外骨骼结构，其中，所述第三非零角度介于6度至8度之间。
19.根据权利要求9所述的外骨骼结构，其中，所述第三非零角度等于8度。
20.根据权利要求11所述的外骨骼结构，其中，所述第四非零角度介于15度至25度之间。
21.根据权利要求11所述的外骨骼结构，其中，所述第四非零角度为18度。
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