CN1872016B - 用于辅助肢体的设备和控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于辅助肢体的设备，包括身体附件、大腿连接件、膝关节单元、小腿连接件、脚附件、驱动单元以及膝关节致动器。所述身体附件附着在使用者的躯干上。所述大腿连接件与使用者的大腿并排布置，并与所述身体附件连接。所述小腿连接件与使用者的小腿并排布置，并通过所述膝关节单元与所述大腿连接件连接。所述脚附件附着在使用者的小腿和脚的其中一个上，并与所述小腿连接件连接。所述膝关节致动器布置在所述身体附件中，以通过所述驱动单元向所述膝关节单元施加旋转力矩。

Description

用于辅助肢体的设备和控制方法
技术领域
本发明涉及一种用于辅助肢体的设备和一种用于执行用于该设备的计算机的控制方法。
背景技术
近年来已公开了行走辅助装置，其设计成向行走的使用者提供所需的辅助力。通常由自己行走有困难的人，例如肌无力或腿部受伤的人使用行走辅助装置。另外，期望行走辅助装置将应用于练习和娱乐，旨在改善肌肉力量和行走姿势。
专利文献1公开了这样一种行走辅助装置，其安装在使用者的下肢上并具有关节致动器(致动器：电机和减速齿轮的组合)，这些关节致动器分别与使用者的髋关节、膝关节和踝关节同轴布置以使它们旋转，从而该行走辅助装置向使用者提供一定的驱动力。专利文献1：日本专利申请公报(段落0034至0036，图15和图16)
然而，在专利文献1中描述的行走辅助装置的问题在于，因为该装置具有紧紧限制使用者的整个下肢的支撑部件，所以因下肢的运动而有较大的惯性矩。通常来说，有必要的是，行走辅助装置应该与使用者的下肢运动同步地驱动支撑部件。如果出现较大的惯性矩，则可能由于支撑部件的反应延迟而难以实现同步控制。
如果对于关节驱动单元采用具有足够能力的致动器以消除由于较大惯性矩引起的负面影响，则导致关节驱动单元为较大尺寸的消耗大量功率的单元。
另外，较大惯性矩使得佩戴行走辅助装置的使用者感觉变差和疲劳。
在专利文献1所述的行走辅助装置中，使用者的整个下肢被支撑部件紧紧限制，并且使用者需要支撑包括其自己重量和行走辅助装置的总重量，他将经历不舒适的限制感觉、疼痛和高负荷感觉。
因为行走辅助装置通过支撑部件限制了整个下肢，所以有必要的是，支撑部件应该为定制模式以使得该装置与其身形和行走习惯一致。
发明内容
鉴于上述背景作出本发明，本发明提供了一种能够减少作用于使用者的惯性矩的用于辅助肢体的设备。
根据本发明的设备对于各种使用者具有灵活性，其通过轻质布置对于使用者的下肢不仅能够减少限制而且减少负载。
本发明还提供了一种执行计算机以控制所述设备的控制方法。
本发明的一个方面提供了一种用于辅助肢体的设备，包括身体附件、大腿连接件、膝关节单元、小腿连接件、脚附件、驱动单元、膝关节致动器、脚检测器以及控制器。所述身体附件附着在使用者的躯干上。所述大腿连接件与使用者的大腿并排布置，并与所述身体附件连接。所述小腿连接件与使用者的小腿并排布置，并通过所述膝关节单元与所述大腿连接件连接。所述脚附件附着在使用者的脚上以着落在地面上，并与所述小腿连接件连接。所述膝关节致动器布置在所述身体附件中，以通过所述驱动单元向所述膝关节单元施加旋转力矩。所述脚检测器构造成检测使用者脚的着落阶段和提起阶段的其中一个。所述控制器构造成控制所述膝关节致动器。所述控制器对所述膝关节致动器进行驱动控制，以通过处于着落阶段的所述脚附件、所述小腿连接件、所述大腿连接件、所述驱动单元以及所述身体附件，对所述使用者提供支承该使用者的重量的一部分的力即解除重量的辅助力，支撑使用者的部分重量的上述设备能够减少由使用者的重量施加在其下肢上的负载。
上述使用者的躯干是指使用者的肩部、胸部、背部、腹部、腰部和臀部。
因为在用于辅助肢体的设备中具有相当大重量的膝关节致动器位于使用者的躯干中，所以可以减少在肢体运动期间由于膝关节致动器的重量而作用于使用者的惯性矩。减少了作用于使用者的惯性矩的用于辅助肢体的设备不仅能够改善佩戴该设备的使用者的感觉，而且能够抑制使用者感到疲劳。
当来自地板的反作用力施加在使用者的脚上时出现着落阶段。换言之，着落阶段不仅是指使用者的脚直接落在地板上的情况，而且还指使用者所穿的鞋落在地板上的情况。相反，当来自地板的反作用力没有施加在使用者的脚上时出现提起阶段。通过检测着落阶段和提起阶段，可以仅在必要时产生辅助力。
辅助力是指支撑使用者部分重量的力。通过提供该力，可以减少施加在使用者上的负载。关于这一点，重量是指加上体重、衣物和个人随身物品在内的净重量，当使用者没有使用用于辅助肢体的设备时，该重量应该由使用者的下肢支撑。
这样，可以提供这样的用于辅助肢体的设备，其不仅能够减少限制而且还能够减少作用于下肢的负载。
本发明的又一方面提供一种用于辅助肢体的设备，其中当所述脚检测器检测到提起阶段时，所述控制器结束对所述膝关节致动器的驱动。
可以防止上述设备妨碍使用者提起的下肢。
本发明的又一方面提供一种用于辅助肢体的设备，其中，所述辅助力与预定值和使用者重量的一定百分比的其中一个相等。
上述设备能够根据目的对所述致动器进行控制，以向使用者提供期望的辅助力。
本发明的又一方面提供一种用于辅助肢体的设备，该设备还包括负载检测器，其检测由使用者通过所述身体附件施加在所述大腿连接件、所述小腿连接件、所述驱动单元和所述脚附件上的负载。所述控制器基于由所述负载检测器检测的负载，对处于着落阶段的所述膝关节致动器进行驱动控制。
由所述负载检测器检测的负载与由用于辅助肢体的设备施加的辅助力相对应。因此，可以通过当前辅助力进行反馈控制。
本发明的又一方面提供一种用于辅助肢体的设备，其中所述辅助力具有下限和上限，并且所述控制器基于由所述负载检测器检测的负载对处于着落阶段的所述膝关节致动器进行驱动控制，以使得所述辅助力位于所述下限和所述上限之间。
当由所述负载检测器检测的负载小于所述下限时，上述设备中的控制器驱动所述致动器以增加负载。相反，当由所述负载检测器检测的负载不小于所述下限时，所述控制器驱动所述致动器以减少负载。这样，可以对所述致动器进行控制以施加在合适范围内的辅助力。
本发明的又一方面提供一种用于辅助肢体的设备，该设备还包括动作检测器，其构造成检测表示所述大腿连接件和所述小腿连接件的动作的信号。所述控制器基于由所述动作检测器检测的信号而对所述膝关节致动器进行驱动控制。
检测致动器的旋转角的旋转编码器是动作检测器的示例。因为动作检测器能够根据用于辅助肢体的设备的动作来控制致动器的驱动量，所以可以提供对使用者的姿势没有不利影响的辅助力。
本发明的又一方面提供一种用于辅助肢体的设备，其中通过所述大腿连接件向使用者施加所述辅助力处的第一部分与在所述身体附件中施加使用者的负载处的第二部分定位成，使得所述第一部分和所述第二部分基本上包含在共同垂直平面内。
上述垂直平面是相对于地板垂直的平面。所述设备能够防止不期望的惯性矩沿倾斜方向(关于Y轴)作用于使用者。
本发明的又一方面提供一种用于辅助肢体的设备，该设备还包括髋关节单元和髋关节致动器。所述身体附件通过所述髋关节单元与所述大腿连接件连接。所述髋关节致动器与所述膝关节致动器一体安装在所述身体附件中，以向所述髋关节单元施加旋转力矩。
本发明的又一方面提供一种用于辅助肢体的设备，该设备还包括脚检测器和控制器。所述脚检测器构造成检测使用者脚的着落阶段和提起阶段的其中一个。所述控制器构造成控制所述膝关节致动器和所述髋关节致动器。所述控制器对所述膝关节致动器和所述髋关节致动器进行驱动控制，以通过处于着落阶段的所述脚附件、所述小腿连接件、所述大腿连接件、所述驱动单元以及所述身体附件提供解除使用者的重量的辅助力。
因为具有较大重量的膝关节致动器与所述髋关节致动器一体布置，所以可以减少施加在髋关节致动器上的负载。这导致髋关节致动器的小型化和用于其能耗的减少。
本发明的又一方面提供一种用于辅助肢体的设备，其中当所述脚检测器检测到提起阶段时，所述控制器结束对所述膝关节致动器和所述髋关节致动器中至少一个的驱动。
本发明的又一方面提供一种用于辅助肢体的设备，其中当所述脚检测器检测到提起阶段时，所述控制器对所述髋关节致动器进行驱动控制，以辅助使用者大腿的摆动。
上述设备能够辅助使用者的提起下肢的摆动。本发明的又一方面提供一种用于辅助肢体的设备的控制方法。该设备包括控制器、身体附件、大腿连接件、膝关节单元、小腿连接件、脚附件、驱动单元、膝关节致动器以及脚检测器。所述身体附件附着在使用者的躯干上。所述大腿连接件与使用者的大腿并排布置，并与所述身体附件连接。所述小腿连接件与使用者的小腿并排布置，并通过所述膝关节单元与所述大腿连接件连接。所述脚附件附着于使用者的脚以落在地面上，并与所述小腿连接件连接。所述膝关节致动器布置在所述身体附件中，以通过所述驱动单元向所述膝关节单元施加旋转力矩。所述脚检测器构造成检测使用者脚的着落阶段和提起阶段的其中一个。控制方法用于控制辅助肢体的设备，支撑使用者的部分重量的上述设备能够减少由使用者的重量施加在其下肢上的负载，所述控制方法在下面处理中运行所述控制器，该处理包括：对所述膝关节致动器进行驱动控制，以通过处于着落阶段的所述脚附件、所述小腿连接件、所述大腿连接件、所述驱动单元以及所述身体附件提供支承该使用者的重量的一部分的力即解除重量的辅助力。
本发明的另一方面提供一种用于辅助肢体的设备的控制方法。该设备包括控制器、身体附件、髋关节单元、大腿连接件、膝关节单元、小腿连接件、脚附件、驱动单元、膝关节致动器、髋关节致动器以及脚检测器。所述身体附件附着在使用者的躯干上。所述大腿连接件与使用者的大腿并排布置，并通过所述髋关节单元与所述身体附件连接。所述小腿连接件与使用者的小腿并排布置，并通过所述膝关节单元与所述大腿连接件连接。所述脚附件附着于使用者的脚以落在地面上，并与所述小腿连接件连接。所述膝关节致动器布置在所述身体附件中，以通过所述驱动单元向所述膝关节单元施加旋转力矩。所述髋关节致动器与所述膝关节致动器一体安装在所述身体附件中，以向所述髋关节单元施加旋转力矩。所述脚检测器构造成检测使用者脚的着落阶段和提起阶段的其中一个。控制方法用于控制辅助肢体的设备，支撑使用者的部分重量的上述设备能够减少由使用者的重量施加在其下肢上的负载，所述控制方法在下面处理中运行所述控制器，该处理包括：对所述膝关节致动器和所述髋关节致动器进行驱动控制，以通过处于着落阶段的所述脚附件、所述小腿连接件、所述大腿连接件、所述驱动单元以及所述身体附件提供支承该使用者的重量的一部分的力即解除重量的辅助力。
图1是表示根据本发明用于辅助肢体的设备的主视图。
图2是表示根据本发明用于辅助肢体的设备的后视图。
附图说明
图3是表示根据本发明用于辅助肢体的设备的侧视图。
图4是表示根据本发明用于辅助肢体的设备的侧视图。
图5A是表示身体附件的主视图。图5B是表示身体附件的后视图。图5C是表示身体附件的侧视图。
图6A是表示脚附件的后视图。图6B是表示脚附件的侧视图。图6C是表示脚附件的平面图。
图7是表示下肢连接件和驱动单元的立体图。
图8A至图8C均是表示用于辅助肢体的设备的运动的示意图。
图9A至图9C均是表示用于辅助肢体的设备的运动的示意图。
图10A是表示在用于辅助肢体的设备的惯性矩的示意图。图10B是表示在传统设备中的惯性矩的示意图。
图11是表示根据本发明用于辅助肢体的设备的功能性框图。
图12A是表示当给出足够转矩时的转矩方向的示意图。图12B是表示当没有给出足够转矩并且使用者的臀部将跌到时的转矩方向的示意图。
图13是表示由膝关节致动器产生的转矩与辅助力之间关系的示意图。
图14是表示由髋关节致动器产生的转矩与辅助力之间关系的示意图。
图15是表示施加在脚附件上的压力测量结果的曲线图。
图16是表示根据本发明的用于辅助肢体的设备的操作示例的流程图。
图17A至图17D均是表示在使用者行走的同时右下肢连接件的状态变换的示意图。
图18A至图18C均是表示在使用者行走的同时右下肢连接件的状态变换的示意图。
图19是表示根据本发明的用于辅助肢体的设备的侧视图。
图20是表示根据本发明的用于辅助肢体的设备的侧视图。
图21是表示根据本发明的用于辅助肢体的设备的侧视图。
图22是表示根据本发明的用于辅助肢体的设备的侧视图。
图23是表示根据本发明的用于辅助肢体的设备的功能性框图。
图24A至图24C均是表示身体附件的修改例的示意图。
图25是表示控制器的修改例的示例的框图。
图26是表示用于辅助肢体的设备的修改例的侧视图。
具体实施方式
下面将参照附图描述本发明的实施例，附图表示其中将根据本发明的用于辅助肢体的设备应用于使用者的下肢的示例。通过对相似元件赋予相同的附图标记，对这些元件将不重复描述。在下面描述中，选择了这样的坐标系，其具有相对于使用者沿前后方向定向的X轴、沿左右方向定向的Y轴以及沿上下方向定向的Z向。而且将使用者的站姿选为标准。当对相对于左右方向具有对等物(counterpart)的部件(例如，腿连接件)进行描述时，如果有必要区分这两个部件，则如从使用者P来看，分别用符号R(右)和L(左)来表示右部件和左部件。如果不必区分，则将在没有R或L的情况下进行描述。
I.第一实施例
下面将对根据本发明第一实施例的用于辅助肢体的设备进行描述。在图7中，没有显示踝关节单元。图1至图4显示了佩戴有用于辅助肢体的设备1A的使用者P。为了便于说明，没有显示连接致动器、传感器、控制器和电池的导线。
如图1至图4所示，用于辅助肢体的设备1A(也称为“用于辅助下肢的设备”)包括身体附件10、下肢连接件20L和20R、脚附件30L和30R、致动器单元40L和40R、驱动单元50L和50R以及背包BP。
a.身体附件10
如图1至图4所示，身体附件10(也称为“身体躯干附件”)附着在使用者P的躯干上。
如图5所示，身体附件10包括腰带11、大腿带12L和12R、致动器安装部件13L和13R、加强部件14L和14R以及防松带15、16L和16R。
作为附着在使用者P腰部周围的织物部件的腰带11能够通过选择与带扣BU的接合位置，在由使用者P佩戴的同时调整其长度。
大腿带12L(12R)由织物部件制成并附着在使用者P的大腿周围，将其上远侧部分固定在腰带11上。
致动器安装部件13L和13R均由构造成提供用于安装致动器单元40L和40R(参见图1)的位置的塑料部件制成，并在腰带11的左侧和右侧彼此相对地定位。
加强部件14L(14R)是连接大腿带12L(12R)和致动器安装部件13L(13R)的塑料部件，用于加强致动器安装部件13L(13R)以使其不会因致动器单元40L(40R)产生的反扭矩而扭曲。
防松带15是在使用者P的前部处连接大腿带12L(12R)和腰带11的织物部件，用于防止大腿带12L(12R)向下松弛。
防松带16L(16R)是在使用者P的后部处连接大腿带12L(12R)和腰带11的织物部件，用于防止大腿带12L(12R)向下松弛。
关于这一点，可选地，可以采用由塑料制成的腰带11以及大腿带12L和12R。可选地，可以采用由金属制成的致动器安装部件13L和13R以及加强部件14L和14R。另外，可选地，可以采用由塑料或金属制成的防松带15、16L和16R。
将负载传感器10aL和10aR分别附着在防松带16L和16R上。
作为所附权利要求中“负载检测器”的示例的负载传感器10aL(10aR)检测由使用者P通过身体附件10施加在下肢连接件20L(20R)和驱动单元50L(50R)上的负载。当用于辅助肢体的设备1A支撑使用者P的部分重量时，通过下肢连接件20L和20R、脚附件30L和30R、以及驱动单元50L和50R支撑腰带11。另一方面，由于使用者P的部分重量施加在大腿带12L和12R上，因此在各个防松带16L和16R中出现由腰带11以及大腿带12L和12R产生的沿Z轴方向的张力。
优选但不是必须地，对于负载传感器10aL和10aR，可以使用具有测压元件、应变仪或压电元件的单元。上述作为示例的负载传感器10aL(10aR)是单轴(Z轴)检测类型，但是其可以可选地采用具有两轴或更多轴检测的传感器，以更准确地检测由使用者P施加在下肢连接件20L(20R)和驱动单元50L(50R)上的负载。另外，可以在防松带15的前部处或者在身体附件10的位于使用者P胯部下方的部分处附着负载传感器，以检测由使用者P施加的压力。
b.下肢连接件20L和20R
如图1至图4和图7所示，与使用者P的腿(下肢)并排布置的下肢连接件20L(20R)通过多个关节单元连接身体附件10和脚附件30L(30R)。
下肢连接件20L(20R)包括髋关节单元21L(21R)、大腿连接件22L(22R)、膝关节单元23L(23R)、小腿连接件24L(24R)以及踝关节单元25L(25R)。
髋关节单元21L(21R)布置在使用者P的髋关节外侧。髋关节单元21L(21R)连接大腿连接件22L(22R)和腰带11，以使得大腿连接件22L(22R)可相对于腰带11关于Y轴旋转。
大腿连接件22L(22R)是沿着使用者P的大腿外侧延伸的连接件。大腿连接件22L(22R)的上远侧部分与髋关节单元21L(21R)连接。大腿连接件22L(22R)的下远侧部分与膝关节单元23L(23R)连接。
位于使用者P的膝关节外侧的膝关节单元23L(23R)将大腿连接件22L(22R)与小腿连接件24L(24R)可旋转地连接。
可以将各个膝关节单元23L和23R定位成使其旋转轴线与使用者P的膝关节的轴线同轴对准或者平行。
小腿连接件24L(24R)是沿着使用者P的小腿外侧延伸的连接件。
小腿连接件24L(24R)的上远侧部分与膝关节单元23L(23R)连接。小腿连接件24L(24R)的下远侧部分与踝关节单元25L(25R)连接。
踝关节单元25L(25R)使小腿连接件24L(24R)和脚附件30L(30R)可关于Y轴旋转地连接。踝关节单元25L和25R均与使用者P的踝关节的运动同步运动，而不妨碍行走的使用者P。
c.脚附件30L和30R
如图1至图4所示，脚附件30L和30R均附着在使用者P的脚(下肢的远侧部分)上，其是所附权利要求中所示的“下肢附件”的示例。如图6所示，脚附件30L(30R)具有鞋单元31L(31R)、加强板32L(32R)以及支撑部件33L(33R)。图6表示附着在使用者P右脚上的右脚附件30R。省略了用于与右脚附件30R镜像对称的左脚附件30L的视图。
鞋单元31L和31R是以能够着落在地板上的方式附着在使用者P的脚上的一双鞋。
加强板32L(32R)由沿着使用者P的脚外侧布置的塑料部件制成，其构造成当使用者P的脚着落在地面上时向下肢连接件20L(20R)传送由地板施加在鞋单元31L(31R)上的反作用力。鞋单元31L(31R)、加强板32L(32R)和支撑部件33L(33R)能够通过踝关节单元25L(25R)相对于小腿连接件24L(24R)以一个统一的整体可旋转地运动。
支撑部件33L(33R)是与加强板32L(32R)合作支撑踝关节单元25L(25R)的塑料部件。
可以采用由金属制成的加强板32L和32R以及支撑部件33L和33R。
在该实施例中，下肢连接件20L和20R、脚附件30L和30R以及驱动单元50L和50R均在结构上构造成支撑使用者P的通过身体附件10传送给它们中每一个的部分重量。
着落传感器31aL和31aR分别附着在鞋单元31L和31R的鞋底上。着落传感器31aL和31aR在着落在地面上的同时均向控制器60(参见图11)发送接通(ON)信号。
在该实施例中，着落传感器31aL(31aR)附着在鞋单元31L(31R)的鞋底上，其用于检测脚附件30L(30R)处于着落阶段或提起阶段中的哪一阶段。这些着落传感器31aL和31aR均是在所附权利要求中所示的“脚检测器”的示例。
地板并不限于建筑物的地板，而可以包括例如地面的平面，当佩戴用于辅助肢体的设备1A的使用者运动(行走)时，脚附件30L和30R着落在该平面上。
优选地但并不是必须地，对于着落传感器31aL和31aR可以选择采用导电橡胶开关、压电元件或应变仪的单元。着落传感器31aL和31aR均是单轴传感器，可选地可以采用能够检测双轴或更多轴数据的着落传感器。
当着落传感器31aL(31aR)产生输出时，意味着传感器31aL(31aR)正检测着落阶段。否则，其正检测提升阶段。
在该实施例中，着落传感器31aL(31aR)附着在鞋单元31L(31R)的鞋底的中央部分上，但可以可选地将其附着在鞋底的不同部分(例如，鞋跟)上。还可以将多个着落传感器31aL(31aR)附着在鞋单元31L(31R)上。
在该实施例中，大腿连接件22L和22R、小腿连接件24L和24R、第一连接件51L和51R以及第二连接件53L和53R中的每一个部件都应用铝合金部件，可以可选地使每一个部件由在轻质和强度方面优异的其它材料(例如，碳纤维加强塑料)制成。
d.致动器单元40L和40R
如图1至图4所示，致动器单元40L(40R)附着在致动器安装部件13L(13R)上(参见图5)，其具有髋关节致动器41L(41R)和膝关节致动器42L(42R)。
髋关节致动器41L(41R)具有电机和减小该电机的速度的减速齿轮，用于改变身体附件10与大腿连接件22L(22R)之间的相对位置。换言之，髋关节致动器41L(41R)用作向髋关节单元21L(21R)施加旋转力矩以对其进行驱动的致动器。髋关节致动器41L(41R)的基部固定在致动器安装部件13L(13R)上。髋关节致动器41L(41R)的输出轴固定在大腿连接件22L(22R)的上远侧部分上对应于髋关节单元21L(21R)的位置处。这样，根据该实施例的髋关节致动器41L(41R)与髋关节单元21L(21R)机械一体。髋关节致动器41L(41R)的输出轴关于Y轴的旋转使得大腿连接件22L(22R)相对于身体附件10关于Y轴旋转，同时髋关节单元21L(21R)用作旋转轴。这样允许髋关节致动器41L(41R)在身体附件10与大腿连接件22L(22R)之间产生转矩。当髋关节致动器41L(41R)没有产生转矩时，髋关节单元21L(21R)中的旋转阻力减少到足够小以允许其自由旋转，从而防止妨碍使用者P的下肢摆动。在几何布置方面在髋关节致动器41L(41R)与其它部件之间的关系并不限于上述。可以可选地使髋关节致动器41L(41R)与髋关节单元21L(21R)分离，并添加用于髋关节单元21L(21R)的驱动单元。在该布置中，该驱动单元将由髋关节致动器41L(41R)产生的驱动力传送给髋关节单元21L(21R)。
髋关节致动器41L和41R分别具有编码器(旋转编码器)81L和81R。这些编码器81L和81R是所附权利要求中的“动作检测器”的示例。编码器81L(81R)检测髋关节致动器41L(41R)的旋转角作为表示下肢连接件20L(20R)的动作的数据。将获得的角发送给控制器60。
膝关节致动器42L(42R)与髋关节致动器41L(41R)机械一体并同轴定位。膝关节致动器42L(42R)具有电机和减小该电机的速度的减速齿轮，用于改变大腿连接件22L(22R)与小腿连接件24L(24R)之间的相对位置。这样，膝关节致动器42L(42R)用作向膝关节单元23L(23R)施加旋转力矩以对其进行驱动的致动器。膝关节致动器42L(42R)的基部固定在致动器安装部件13L(13R)上。膝关节致动器42L(42R)的输出轴固定在第一连接件51L(51R)的远侧部分上。关于这一点，在几何布置方面膝关节致动器42L(42R)与其它部件之间的关系并不限于上述。
膝关节致动器42L和42R分别具有编码器(旋转编码器)82L和82R。这些编码器82L和82R是所附权利要求中的“动作检测器”的示例。编码器82L(82R)检测膝关节致动器42L(42R)的旋转角作为表示下肢连接件20L(20R)的动作的数据。将获得的角发送给控制器60。
e.驱动单元50L和50R
如图1至图4和图7所示，驱动单元50L(50R)(用于驱动膝关节单元的连接件)将由膝关节致动器42L(42R)产生的驱动力传送给膝关节单元23L(23R)。驱动单元50L(50R)具有第一连接件51L(51R)、第一接头单元52L(52R)、第二连接件53L(53R)以及第二接头单元54L(54R)。
第一连接件51L(51R)的一个远侧部分与膝关节致动器42L(42R)的输出轴连接，并且其另一远侧部分与第一接头单元52L(52R)连接。
第一接头单元52L(52R)使第一连接件51L(51R)和第二连接件53L(53R)可关于Y轴旋转地连接。
第二连接件53L(53R)的一个远侧部分与第一接头单元52L(52R)连接，并且其另一远侧部分与第二接头单元54L(54R)连接。
第二接头单元54L(54R)使第二连接件53L(53R)和小腿连接件24L(24R)可关于Y轴旋转地连接。
在该实施例中，驱动单元50L(50R)布置在下肢连接件20L(20R)的后方。致动器单元40L(40R)、膝关节单元23L(23R)、第二接头单元54L(54R)以及第一接头单元52L(52R)的轴向中央布置成使它们位于平行四边形的角点处。换言之，大腿连接件22L(22R)、第一连接件51L(51R)、第二连接件53L(53R)、以及小腿连接件24L(24R)的从膝关节单元23L(23R)向第二接头单元54L(54R)延伸的部分形成近似平行四边形。用于辅助肢体的设备1A在保持该几何关系的同时进行工作。这导致更易于检测、控制和调整关节单元的角度，从而能够更容易地设计所述设备1A。下面描述其示例。因为由膝关节单元23L和第二接头单元54L限定的线段总是平行于第一连接件51L，如图3所示，所以控制器60(参见图11)能够基于从编码器82L的输出而容易地得知膝关节单元23L和第二接头单元54L之间的几何关系，即，由大腿连接件22L和小腿连接件24L构成的角度。
驱动单元50L(50R)的布置以及连接件51L(51R)和53L(53R)的长度并不限于上述图中所示。
本发明具有如下特征。具有相对较大重量的膝关节致动器没有定位在使用者P的膝盖附近而是定位在身体躯干(在该实施例中为臀部)处。通过由膝关节致动器产生并由驱动单元传送的驱动力来驱动膝关节单元。而且还在机械上简化了与下肢并排定位的连接件和关节单元。
在本发明中，膝关节单元操作以接收由膝关节致动器产生的驱动力，该驱动力是由包括身体附件、大腿连接件、小腿连接件和驱动单元的机构传送的。这样，可以通过较低的惯性矩驱动膝关节单元。
f.背包BP
由使用者P在其背上携带的背包BP包含有控制器60(参见图11)、输入/输出接口70(参见图11)和电池(未示出)。下面将详细地描述控制器60。
输入/输出接口70例如在外部计算机与控制器60连接时提供接口。可以通过外部计算机向控制器60提供使用者P的个人数据，例如其重量。
电池分别向负载传感器10aL和10aR、髋关节致动器41L和41R、膝关节致动器42L和42R、编码器81L、81R、82L和82R、着落传感器31aL和31aR、以及控制器60供电。控制器60控制由电池产生的电力供应。
关于这一点，背包BP和输入/输出接口70不是本发明的必需元件。控制器60、输入/输出接口70和电池附着在使用者P上的方式并不限于通过上述背包BP的方法。可选地，可以将它们直接附着在身体附件10上。
g.操作示例
下面将描述根据第一实施例的用于辅助肢体的设备1A的操作示例。在图8和图9中，仅示意地描述了设备1A的所必需说明的部件。
如图8所示，用于辅助肢体的设备1A驱动髋关节致动器41R以使大腿连接件22R沿着逆时针方向旋转，从而允许使用者P的大腿沿逆时针方向运动(图8A至图8B)。
同样地，设备1A驱动髋关节致动器41R以使大腿连接件22R沿着顺时针方向旋转，从而允许使用者P的大腿沿顺时针方向运动(图8A至图8C)。
如图9所示，设备1A驱动膝关节致动器42R以使第一连接件51R沿着逆时针方向旋转，这使得第二连接件53R通过第二接头54使小腿连接件24R降低，从而设备1A能够使使用者P的小腿沿逆时针方向运动(图9A至图9B)。
同样地，设备1A驱动膝关节致动器42R以使第一连接件51R沿着顺时针方向旋转，这使得第二连接件53R通过第二接头54R拉动小腿连接件24R，从而设备1A能够使使用者P的小腿沿顺时针方向运动(图9A至图9C)。
尽管未示出，同样的描述也适用于设备1A的左下肢。
结合有上述操作的设备1A不仅能够辅助肢体(下肢)运动，而且能够通过施加辅助力以使使用者P在行走的同时解除其重量而支撑使用者P的部分重量。
h.惯性矩的比较
下面将描述对用于辅助肢体的设备1A与传统设备之间的惯性矩的比较。
图10A是表示在根据第一实施例的设备中的惯性矩的示意图。图10B是表示在传统设备中的惯性矩的示意图。在图10B中，将表示传统设备的、作为根据第一实施例设备1A的对等构件的构件标识有上标“c”。
如图10A所示，当佩戴设备1A的使用者P行走时，由于设备1A的自身重量而出现关于使用者P的髋关节轴线(Y轴)的惯性矩。
各部件的重量、其重心以及距髋关节轴线的距离定义如下：
m1：髋关节致动器41R的重量
r1：髋关节致动器41R与髋关节轴线之间的距离(＝0)
m2：膝关节致动器42R的重量
r2：膝关节致动器42R与髋关节轴线之间的距离(＝0)
m3：大腿连接件22R的重量
r3：大腿连接件22R的重心与髋关节轴线之间的距离
m4：小腿连接件24R的重量
r4：小腿连接件24R的重心与髋关节轴线之间的距离
m5：脚附件30R的重量
r5：脚附件30R的重心与髋关节轴线之间的距离
m6：驱动单元50R的重量
r6：驱动单元50R的重心与髋关节轴线之间的距离
通过上述定义，用下面表达式近似由于形成设备1A的右下肢单元的构件引起的关于髋关节轴线的惯性矩Ih。
Ih＝m3×r32+m4×r42+m5×r52+m6×r62
如图10B所示，当使用者P佩戴用于辅助肢体的传统设备1Ac行走时，由于设备1Ac的自身重量而出现关于使用者P的髋关节轴线(Y轴)的惯性矩。该设备1Ac在大腿连接件22Rc和小腿连接件24Rc之间具有膝关节致动器42Rc，除去了驱动单元。
各部件的重量、其重心以及距髋关节轴线的距离定义如下：
m11：髋关节致动器41Rc的重量(＝m1)
r11：髋关节致动器41Rc与髋关节轴线之间的距离(＝r1＝0)
m12：膝关节致动器42Rc的重量(＝m2)
r12：膝关节致动器42Rc的重心与髋关节轴线之间的距离
m13：大腿连接件22Rc的重量(＝m3)
r13：大腿连接件22Rc的重心与髋关节轴线之间的距离(＝r3)
m14：小腿连接件24Rc的重量(＝m4)
r14：小腿连接件24Rc的重心与髋关节轴线之间的距离(＝r4)
m15：脚附件30Rc的重量(＝m5)
r15：脚附件30Rc的重心与髋关节轴线之间的距离(＝r5)
通过上述定义，用下面表达式近似由于形成设备1Ac的右下肢单元的构件引起的关于髋关节轴线的惯性矩Ihc。
Ihc＝m12×r122+m3×r32+，m4×r42+m5×r52
由于膝关节致动器42Rc通常比驱动单元50R重(m12＞m6)并且距髋关节轴线更远(r12＞r6)，因此满足1h＜1hc。这样，用于辅助肢体的设备1A可以降低由于使用者P的运动引起的惯性矩，从而减少施加在使用者P上的负载。这导致改善佩戴设备1A的使用者P的感觉，从而抑制了在使用者中产生疲劳。因为具有相对较大重量的膝关节致动器42L(42R)与髋关节致动器41L(41R)一体定位，因此可以减少施加在髋关节致动器41L(41R)上的负载(惯性矩)，从而导致对于髋关节致动器41L(41R)的小型化和功率减小。
下面将详细描述控制器60。
如图11所示，控制器60包括重量存储器61、用于计算目标辅助力的模块62、用于计算初始转矩的模块63、比较器64、用于检测致动器状态的模块65、用于确定着落脚的模块66、以及输出控制器67。
重量存储器61获得使用者P的重量(重量数据)并对其进行存储(暂时存储)。使用者P可以将其重量输入控制器60，或者识别使用者P的控制器60可以从预先存储重量数据的重量存储器61读取使用者P的重量。可选地，外部计算机可以通过输入/输出接口70将使用者P的重量输入重量存储器61中。另外，可选地，重量存储器61可以存储使用者P的单重量。
用于计算目标辅助力的模块62读取存储在重量存储器61中的重量数据，并基于重量数据计量目标辅助力。
目标辅助力是由用于辅助肢体的设备1A作用于使用者P的力的目标值，当使用者P垂直站在水平地板上时该力沿Z向定向。选择使用者P重量的给定百分比(例如，30％)作为所述目标值。在该实施例中，除了目标辅助力Fa之外，还计算最小辅助力Fa1和最大辅助力Fa2。最小辅助力Fa1和最大辅助力Fa2分别与所附权利要求中所示的“下限”和“上限”相对应。
当选择30％的重量作为目标辅助力Fa时，例如产生28％的最小辅助力Fa1和32％的最大辅助力Fa2。根据作用于使用者P的期望辅助力、控制器60的计算能力、致动器41L、41R、42L和42R的特性、以及传感器10aL、10aR、31aL和31aR的特性，而适当地选择这些辅助力Fa、Fa1和Fa2。
可以调节目标辅助力Fa、最小辅助力Fa1和最大辅助力Fa2；例如，通过外部计算机经由输入/输出接口70而采用任意值。
用于计算初始转矩的模块63基于目标辅助力Fa来计算待作用于髋关节致动器41L和41R以及膝关节致动器42L和42R中每一个的初始转矩。
对于下面三种情况中的每一种计算该初始转矩，例如(1)双脚着落阶段，(2)左脚着落阶段(右脚着落阶段)，以及(3)右脚着落阶段(左脚着落阶段)。
对于双脚着落阶段(1)，计算作用于髋关节致动器41L和41R以及膝关节致动器42L和42R中每一个的初始转矩。
对于左脚着落阶段(2)，计算作用于髋关节致动器41L以及膝关节致动器42L中每一个的初始转矩。在这种情况下，作用于髋关节致动器41R以及膝关节致动器42R中每一个的初始转矩等于零。
对于右脚着落阶段(3)，计算作用于髋关节致动器41R以及膝关节致动器42R中每一个的初始转矩。在这种情况下，作用于髋关节致动器41L以及膝关节致动器42L中每一个的初始转矩等于零。
上述初始转矩旨在改善用于辅助肢体的设备1A的初始响应。优选地但并不是必须的，初始转矩可以调整为使得设备1A平滑且迅速地从初始状态转变为提供目标辅助力Fa的状态。因为根据初始转矩在初始状态向各致动器施加转矩，所以即使使用者P突然将其重量放在设备1A上，设备1A也能够防止使用者P跌倒和失去平衡，从而帮助使用者P保持稳定站姿。初始状态包括起动设备1A时的时刻、设备1A改变着落阶段时的时刻(双脚着落阶段至单脚着落阶段、单脚着落阶段至双脚着落阶段)。
施加初始转矩还有助于防止设备1A出故障。
由于致动器41L、41R、42L和42R所需的转矩会根据辅助力Fa、Fa1和Fa2、以及致动器41L、41R、42L和42R的旋转角而改变，因此可以可选地另外考虑各致动器的当前旋转角来确定初始转矩。
比较器64将基于由负载传感器10aL和10aR检测的重量的当前辅助力Fb(以下简称为“负载Fb”)与由用于计算目标辅助力的模块62所计算的输出进行比较。比较器64存储由负载传感器10aL(10aR)检测的实际值与基于该实际值由下肢连接件20L(20R)施加的辅助力之间的关系。这样，比较器64能够基于由负载传感器10aL(10aR)传送的输出获得实际作用的辅助力。
对于比较结果有三种情况：Fb＜Fa1，Fa1≤Fb≤Fa2以及Fb＞Fa2。
将这些结果发送给输出控制器67。
用于检测致动器状态的模块65基于来自髋关节编码器81L和81R以及膝关节编码器82L和82R的输出检测对于各关节单元的状态。将结果发送给输出控制器67。
用于确定着落脚的模块66基于来自着落传感器31aL和31aR的输出确定出现何阶段：(1)双脚着落阶段，(2)左脚着落阶段或(3)右脚着落阶段。
如果从两个着落传感器31aL和31aR均有输出，则模块66确定出现双脚着落阶段。
如果仅从着落传感器31aL有输出，则模块66确定出现左脚着落阶段(右脚提起阶段)。
如果仅从着落传感器31aR有输出，则模块66确定出现右脚着落阶段(左脚提起阶段)。
将确定结果发送给输出控制器67。
输出控制器67基于来自模块63的计算结果、来自比较器64的比较结果、来自模块65的检测结果以及来自模块66的确定结果来确定各致动器41L、41R、42L和42R的输出，以指示各致动器产生所述输出。
输出控制器67基于来自模块65的检测结果及其偏差而预测下肢连接件20L和20R的动作，从而基于所述预测确定各致动器41L、41R、42L和42R的输出。
当如图17A所示，角θ1R(其例如设定作为在前一时间从地板提起右脚的角度)增加达到预定值时，期望右脚立即离开地板。控制器60基于从着落传感器31aL(31aR)和编码器81L(81R)的输出，而获得以存储在脚离开地板时刻以前运动的角θ1L(θ1R)。角θ1L(θ1R)称为离开地板角，其对应于髋关节致动器41L(41R)的旋转角。控制器60根据离开地板角θ1而预测使用者P的腿的动作。
通过向左下肢连接件20L转换分配辅助力，设备1A可以准备过渡，其中使用者P的右脚处于提起阶段并且仅需要左侧系统(身体附件10、下肢连接件20L和脚附件30L)支撑使用者P的重量。这有助于在转换时平滑地改变由致动器产生的转矩输出。这样，可以实现更稳定地辅助使用者P解除重量。
i.转矩产生方向
下面将描述由髋关节致动器41L和41R以及膝关节致动器42L和42R产生的转矩的方向。在下述附图中，“ON(是)”用于表示脚附件30L和30R着落在地板上。“OFF(否)”用于表示相反情况。
如图12所示，直线L1与腰带11并排地水平延伸。直线L2沿大腿连接件22L和22R的纵向延伸。由直线L1和大腿连接件22L(22R)形成角θ1L(θ1R)。同样地，由直线L2和小腿连接件24L(24R)形成角θ2L(θ2R)。
当用于辅助肢体的设备1A提供足够的辅助力时，如图12A所示，使用者P能够保持站姿而不用其下肢支撑所有重量。
当使用者P的下肢不能足以支撑其重量并且设备1A不能提供足够辅助力时，设备1A以这样的方式改变使用者P的姿势，即减小角θ1L和θ1R但增加角θ2L和θ2R。
鉴于上面论述，如果髋关节致动器41L和41R(参见图1)产生转矩以增加角θ1L和θ1R，相反膝关节致动器42L和42R产生转矩以减小角θ2L和θ2R，则可以解决所述问题。
致动器41L、41R、42L和42R中的每一个被控制为使得各个关节单元21L、21R、22L和22R的运动范围不会超过普通人关节的运动范围，这有助于使用者的安全性。这样调整大腿连接件22L(22R)、膝关节单元23L(23R)以及小腿连接件24L(24R)的长度，以使得即使使用者P处于站姿，也不会使大腿连接件22L(22R)和小腿连接件24L(24R)如线一样直地对准。因此，膝关节单元23L(23R)保持为不会处于笔直位置。换言之，调整为使得大腿连接件22L(22R)和小腿连接件24L(24R)既不形成直线也不形成倒弯曲角。在图3和图4中示出了上述结构，其旨在不仅避免大腿连接件22L(22R)和小腿连接件24L(24R)以直线对准的奇点，而且还避免当这些连接件运动超过笔直位置时出现的倒角。这样，可以缓和施加在使用者P的身体附件10以及脚附件30L和30R上的冲击力，并增加由致动器41L、41R、42L和42R实现的对辅助力的控制能力。可选地，可以向致动器41L、41R、42L和42R以及连接件22L、22R、24L和24R中的每一个增加机械止动器，以可靠地限制运动范围。
j.产生的转矩与辅助力之间的关系
下面将描述由致动器产生的转矩与辅助力之间的关系。
首先将参照图13来描述由膝关节致动器42R产生的转矩与辅助力之间的关系。假设髋关节致动器41R被固定而不能旋转。
当脚附件30R着落且膝关节致动器42R产生转矩以减小角θ2R时，沿着相对于中心位于膝关节致动器42R中的圆的切向向髋关节致动器41R作用旋转力。该旋转力沿抗引力方向的分量(Z轴分量)导致由膝关节致动器42R作用的辅助力Fa1R。
下面将参照图14来描述由髋关节致动器41R产生的转矩与辅助力之间的关系。假设膝关节致动器42R被固定而不能旋转。
当脚附件30R着落且髋关节致动器41R产生转矩以增加角θ1R时，沿着相对于中心位于髋关节致动器41R中的圆的切向向身体附件10作用旋转力。该旋转力沿抗引力方向的分量(Z轴分量)导致由髋关节致动器41R作用的辅助力Fa2R。
尽管没有图解示出，但适当地产生了由膝关节致动器42L产生的辅助力Fa1L和由髋关节致动器41L产生的辅助力Fa2L，并且用下面表达式表示由用于辅助肢体的设备1A作用的辅助力(总辅助力)Fa。
(1)双脚着落阶段
Fa＝Fa1R+Fa2R+Fa1L+Fa2L
(2)左脚着落阶段
Fa＝Fa1L+Fa2L
(3)右脚着落阶段
Fa＝Fa1R+Fa2R
k.脚附件的负载
下面将描述施加在脚附件30L和30R上的负载。图15描述由用于辅助肢体的设备1A导致的压力改变和效果。
显示出使用者P在行走，其佩戴有设备1A，此时在脚附件30L(30R)后侧的两个位置处，即脚跟和跖骨关节(MP)处附着有两个压力传感器。以电压形式显示传感器的输出。从这些图表得知，在脚附件30L和30R上交替地施加负载，从脚跟转移到脚趾。设备1A向使用者P作用辅助力Fa，以减小施加在使用者P的脚上的最大负载(Fc→Fca)从而更易于行走。
1.用于辅助肢体的设备的操作示例
下面将描述用于辅助肢体的设备1A的操作。
在使用者P佩戴用于辅助肢体的设备1A的同时，将其重量输入控制器60。将重量存储在重量存储器61中(步骤S1)。
用于计算目标辅助力的模块62基于存储在重量存储器61中的使用者P的重量而计算目标辅助力Fa(Fa1，Fa2)(步骤S2)。
用于计算初始转矩的模块63基于目标辅助力Fa而计算初始转矩(步骤S3)。
用于确定着落脚的模块66基于来自着落传感器31aL和31aR的输出而指定着落脚(步骤S4)。
当模块66确定只有左脚着落时，输出控制器67根据初始转矩驱动髋关节致动器41L和膝关节致动器42L以产生转矩(步骤S5a)。
当模块66确定双脚着落时，输出控制器67根据初始转矩驱动髋关节致动器41L和41R以及膝关节致动器42L和42R以产生转矩(步骤S5b)。
当模块66确定只有右脚着落时，输出控制器67根据初始转矩驱动髋关节致动器41R和膝关节致动器42R以产生转矩(步骤S5c)。
负载传感器10aL和10aR检测负载Fb(步骤S6)。比较器64将检测的负载Fb与计算的目标辅助力Fa(Fa1，Fa2)进行比较(步骤S7)。
当负载(当前辅助力)Fb小于目标辅助力Fa1时，输出控制器67将供应给在着落脚一侧的致动器的电流增加预定量，从而将输出转矩增加给定量(步骤S8a)。
当Fb位于Fa1和Fa2(均包含)之间时，输出控制器67保持由在着落脚的一侧的致动器产生的转矩恒定(步骤S8b)。
当Fb大于Fa2时，输出控制器67将供应给在着落脚的一侧的致动器的电流减小预定量，从而将输出转矩减小给定量(步骤S8c)。
关于这一点，可以根据控制器60的计算能力、致动器41L、41R、42L和42R的特性、以及传感器10aL、10aR、31aL和31aR的特性，分别适当地选择增加和减小电流的预定量。
当向控制器60中输入OFF信号时(步骤S9中为“是(YES)”)，设备1A结束处理。当没有向控制器60中输入OFF信号时(步骤S9中为“否(NO)”)，模块66确定是否改变了着落脚(步骤S10)。
当有改变，双脚着落阶段→单脚着落阶段，单脚着落阶段→双脚着落阶段(步骤S10中为“是”)时，流程返回到步骤S4。相反，当没有改变时(步骤S10中为“否”)，流程返回到步骤S6。
m.下肢连接件的状态变换和转矩产生
下面将描述用于辅助肢体的设备1A响应于使用者P行走的状态变换，着重于右下肢连接件20R的状态变换。
应注意，图17A、17B、17C、17D、18A、18B和18C均表示典型示例，并且在行走期间行走方式和膝盖角度因使用者而不同。
当使用者P的右下肢位于极后方位置时(图17A；状态1)，大腿连接件22R和小腿连接件24R接近如直线的对准位置。此时，角θ1R具有最大值(θ1R＝θ1Rmax)，而角θ2R具有最小值(θ2R＝θ2Rmin)。因为右脚附件30R着落，所以髋关节致动器41R产生转矩以增加角θ1R。相反，膝关节致动器42R产生转矩以减小角θ2R。
当使用者P向外摆动其右下肢(沿X轴方向)时，其右脚(右脚附件30R)从地板提起。由髋关节致动器41R和膝关节致动器42R产生的输出转矩将为零。因为角θ1R逐渐减小，并且在将右脚从地板提起之后脚附件30相对于膝关节单元23R有延迟地跟随，所以角θ2R一度增加。当角θ2R取最大值时(θ2R＝θ2Rmax)，膝关节单元23R开始向前摆动(图17B；状态2)。
如果使用者P在状态2之后继续向前摆动其右下肢，则角θ1R取最小值(θ1R＝θ1Rmin)(图17C；状态3)。由于角θ1R逐渐增加并且脚附件30R相对于膝关节单元23R有延迟地向前，因此角θ2R逐渐减小。这样，右脚附件30R着落在地面上(图17；状态4)。当使用者P的左下肢以与右下肢相似的方式运动时(图18A；状态5，图18B；状态6，图18C；状态7＝状态1)，即右脚着落在地面上时，髋关节致动器41R连续地产生转矩以增加角θ1R。相反，膝关节致动器42R连续地产生转矩以减小角θ2R。
关于这一点，可选地，髋关节致动器41R可以在提起脚时沿图17中逆时针方向产生转矩，以向使用者的大腿作用辅助力，这有助于使用者P向前摆动大腿。
用于辅助肢体的设备1A可以提供下面的优点。
上述设备1A(其中减小了由于使用者P的运动而引起的惯性矩，并释放施加在使用者上的负载)能够改善佩戴设备1A的使用者的感觉并防止使用者感到疲劳。
支撑使用者P的部分重量的上述设备1A能够减少由使用者的重量施加在其下肢上的负载。
上述设备1A检测施加在其上的负载并基于所检测的负载来支撑使用者P的预定百分比的重量，该设备能够根据使用者P的姿势的变化向其提供适当的辅助。
上述设备1A仅向着落的下肢作用辅助力，其不仅能够根据行走姿势的改变提供适当的辅助力，而且能够不妨碍所提起的下肢的运动。
上述设备1A不需要由使用者的手进行操作，这与诸如拐杖和四点手杖的手杖不同。使用者P可以在带有设备1A的行走期间自由地使用他的手。另外，设备1A在长时间使用的同时，会免于使使用者P的臂和上躯可能感到疲劳。
上述设备1A与使用者P的下肢并排地紧凑布置，其不会在使用者P在窄通道、楼梯等上运动时产生妨碍。因为连接件22L、22R、24L和24R以及关节单元21L、21R、23L、23R、25L和25R(它们设计成与人下肢的对等物相似)与使用者P的下肢并排布置，所以与使用直接接合致动器或者距下肢较远地附着的传统设备相比，设备1A趋于更好地配合人的行走，从而在辅助力方面提供更好的效率。
上述设备1A没有采用轮，其可以在各种地板状态的情况下使用。
上述设备1A将使用者P限制在很少的位置处并适于长时间使用。因为无需限制膝、大腿等的设备1A能够消除对使用者P的下肢的大多数限制，所以不会使其感到不舒适的限制、疼痛和高负载。对位置限制越少，就越可以减少设备1A的重量。因为设备1A是通用的，从而一种典型类型可以应用于不同使用者而不受使用者P的体形和行走习惯的影响，所以其满足了所有目的的应用。
设备1A具有这样的特征，即，使用者P的被设备1A施加了辅助力的部分(致动器单元40L和40R的安装部分)与使用者P的重量所在之处均位于基本相同的垂直平面(图3和图4中的Y-Z面)。该结构防止了设备1A在设备1A作用辅助力时向使用者P作用沿倾斜方向(关于Y轴)的不需要的动量。
II.第二实施例
下面将描述根据本发明第二实施例的用于辅助肢体的设备，着重于相对于根据第一实施例的用于辅助肢体的设备1A的区别。在描述实施例所参照的下面附图中，仅示意地描述了与根据第一实施例的设备1A进行比较所需的相关部分。如在图19至图21中，省略了髋关节致动器41R。
在图19至图22中，因为左右构件在结构上相同，所以仅对右侧部件赋予标记，而省略了左侧部件的标记。
如图19所示，根据本发明第二实施例的用于辅助肢体的设备1B具有驱动单元150R以替代驱动单元50R。
驱动单元150R具有第一带轮151R、第二带轮152R和环形带153R。与膝关节致动器42R接合的第一带轮151R与其轴同步旋转。第二带轮152R附着在小腿连接件24R上。环形带153R绕第一带轮151R和第二带轮152R回转。
膝关节致动器42R使第一带轮151R旋转，以使环形带153R前进或拉回，从而使第二带轮152R旋转。这样，驱动膝关节23R。
III.第三实施例
下面将描述根据本发明第三实施例的用于辅助肢体的设备，着重于相对于根据第一实施例的用于辅助肢体的设备1A的区别。
如图20所示，根据第三实施例的设备1C不仅具有膝关节致动器242R(以替代膝关节致动器42R)，而且还具有驱动单元250R(以替代驱动单元50R)。
驱动单元250R具有导线安装部件251R、膝关节致动器242R以及两根导线252R和253R。导线安装部件251R与小腿连接件24R一体接合并位于膝关节单元23R的外部中。两个导线252R和253R的路线在导线安装部件251R与膝关节致动器242R之间。
膝关节致动器242R通过拉动导线252R并松弛导线253R而驱动膝关节单元23R，反之亦然。
IV.第四实施例
下面将描述根据本发明第四实施例的用于辅助肢体的设备，着重于相对于根据第一实施例的用于辅助肢体的设备1A的区别。
如图21所示，根据第四实施例的设备1D不仅具有膝关节致动器342R(以替代膝关节致动器42R)，而且还具有驱动单元350R(以替代驱动单元50R)。
驱动单元350R具有轴351R、第一伞齿轮352R和第二伞齿轮353R。轴351R与膝关节致动器342R的输出轴连接。第一伞齿轮352R附着在轴351R的远侧部分上。第二伞齿轮353R附着在小腿连接件24R上并与第一斜齿轮352R啮合。
膝关节致动器342R关于其轴线驱动轴351R，以驱动膝关节单元23R。
关于这一点，可选地，可以采用其它类型的齿轮以将由膝关节致动器产生的驱动力传送给膝关节单元以对其进行驱动。所述齿轮包括螺旋齿轮、直齿伞齿轮、螺旋伞齿轮、平面齿轮、准双曲面齿轮、蜗轮等。
V.第五实施例
下面将描述根据本发明第五实施例的用于辅助肢体的设备，着重于相对于根据第一实施例的用于辅助肢体的设备1A的区别。
如图22所示，根据第五实施例的设备1E包括踝关节致动器43R和踝关节连接件450R。
踝关节致动器43R与髋关节致动器41R和膝关节致动器42R一体布置并与其同轴。具有电机和减速齿轮的踝关节致动器43R通过减速齿轮减小电机的输出速度，以改变小腿连接件24R与脚附件30R之间的相对位置。换言之，踝关节致动器43R用作向踝关节单元25R施加旋转力矩以对其进行驱动的致动器。踝关节致动器43R的基部固定在致动器安装部件13R上，并且踝关节致动器43R的输出轴固定在后面将描述的第一连接件451R的远侧部分上。关于这一点，踝关节致动器43R与这些构件的几何关系并不限于上面所述。
编码器(旋转编码器)83R附着在踝关节致动器43R上。编码器83R是所附权利要求中“动作检测器”的示例，用于检测踝关节致动器43R的旋转角以作为关于下肢连接件20R的动作的数据。将检测的旋转角发送给控制器60。
踝关节连接件450R包括第一连接件451R、第一接头单元452R、第二连接件453R、第二接头单元454R、第三连接件455R、第四连接件456R、第四接头单元457R以及第五连接件458R。第一连接件451R与踝关节致动器43R连接。第二连接件453R通过第一接头单元452R与第一连接件451R连接。第三连接件455R不仅通过第二接头单元454R与第二连接件453R连接，而且还与膝关节单元23R连接。第四连接件456R不仅通过第二接头单元454R与第二连接件453R连接，而且还通过第四接头单元457R与脚附件30R连接。第五连接件458R与第四接头单元457R和踝关节单元25R连接。第四接头单元457R固定在脚附件30R上。
踝关节致动器43R使第一连接件451R旋转，以沿着大腿轴线的方向降低或拉动第二连接件453R。这使得第三连接件455R关于膝关节单元23R旋转，以沿着小腿轴线的方向降低或拉动第四连接件456R。这样，降低或拉动附着在脚附件30R上的第四接头单元457，以驱动踝关节单元25R。
当鞋单元31R具有足够强度时，可以可选地去除第五连接件458R。
另外，可以可选地采用这样的布置，即，踝关节连接件450R设置在驱动单元50R的内部并在使用者P的近侧，而不是图22中所示的示例，其中踝关节连接件450R设置在驱动单元50R的外部。
此外，可以将根据其它实施例的驱动单元150R、250R和350R的其中一个与踝关节连接件450R组合。
用于检测致动器状态的模块65基于来自编码器83L(83R)的输出而检测踝关节单元25L(25R)的状态。控制器60能够基于来自编码器83L(83R)的输出而得知由小腿连接件24L(24R)和脚附件30L(30R)形成的角度。
输出控制器67确定待由踝关节致动器43L(43R)产生的输出，并向其发送指令。
下面将描述身体附件的修改例，着重于与根据第一实施例的用于辅助肢体的设备1A的区别。在图24A、24B和24C中，省略了背包BP。
如图24A所示，用于辅助肢体的设备1F的身体附件610具有腰带11、致动器安装部件13L和13R以及胯带612L和612R。胯带612L(612R)是在使用者P的胯周围佩戴的织物部件，其与致动器安装部件13L(13R)连接。
在设备1F中，与图1所示的设备1A相比较简化了用于身体附件的带，其实现了重量降低。
如图24B所示，用于辅助肢体的设备1G的身体附件710具有腰带11、致动器安装部件13L和13R、以及大腿带712L和712R。大腿带712L(712R)是在使用者P的大腿周围佩戴的织物部件，其与致动器安装部件13L(13R)连接。
设备1G与设备1F相比，增加了在使用者P的大腿处的支撑能力，以释放作用于使用者P的胯部的应力。
如图24C所示，用于辅助肢体的设备1H的身体附件810具有腰带11、致动器安装部件13L和13R、以及腋窝支撑部件812L和812R。腋窝支撑部件812L(812R)在使用者P腋窝的下方支撑使用者P，其与致动器安装部件13L(13R)连接。腋窝支撑部件812L(812R)、致动器安装部件13L(13R)、下肢连接件20L(20R)、以及脚附件30L(30R)在结构上设计成支撑由使用者P施加在腋窝支撑部件812L(812R)上的负载。
设备1H是适于由于疾病或损伤而在大腿周围或胯处受到限制的使用者P的示例。
除了上述修改例之外，可选地可以采用这样的布置，其中由用于辅助肢体的设备向使用者的颚作用辅助力。
下面将鉴于与根据第一实施例的用于辅助肢体的设备1A的区别来描述控制器的修改例。
如图25所示，用于辅助肢体的设备1I的控制器960具有目标辅助力存储器961(以替代重量存储器61)、和用于计算目标辅助力的模块62。
目标辅助力存储器961存储目标辅助力Fa，其为预定值，例如10Kg。目标辅助力存储器961还存储最小目标辅助力Fa1(例如，9Kg)，以及最大目标辅助力Fa2(例如，11Kg)，这两个力都是相对于目标辅助力Fa设定的。设备1I根据上述值执行对初始转矩的功能性流程计算和对致动器转矩进行控制。
下面将描述与根据第五实施例的用于辅助肢体的设备1E相比较的修改例。
如图26所示，用于辅助肢体的设备1J具有这样的结构，其中去除了膝关节致动器42R和驱动单元50R。
设备1J能够支撑使用者P的髋关节和踝关节的运动。
尽管参照附图描述了本发明的实施例，但是对于本领域技术人员显而易见的是，可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行修改。
可选地，可以通过去除髋关节致动器而仅采用膝关节致动器以驱动关节单元，这导致用于辅助肢体的设备的重量减少和控制简化。
可选地，可以沿着使用者的下肢内侧布置所有的致动器和连接件或者它们中的至少一个，而不是在上述实施例中所述的布置，在上述实施例中沿着使用者的下肢外侧布置所有的致动器和连接件。可以对使用者的上肢应用用于辅助肢体的设备。另外，除了使用者的膝关节之外，所述设备还可以辅助使用者的踝关节、肘关节和腕关节。
在图16中所示的控制流程中，描述了这样的示例，其中控制器60根据预先存储的控制方法(肢体辅助程序，也称为“下肢辅助程序”)执行处理。可选地，可以在外部通过记录介质或通过网络提供控制方法。本发明包括所述控制方法，其运行作为用于辅助肢体的设备的控制器的计算机。
本发明不限于用于两下肢的用于辅助肢体的设备，而可以可选地将该设备应用于左下肢和右下肢中的仅一个。为此的一个示例是，将设备应用于使用者的仅一个受到身体上衰弱的下肢，以提供辅助力。
本发明不限于已参照附图进行描述的、用于辅助肢体的设备的关节的结构配置。身体附件和脚附件的形状和材料并不限于上面所述。还可以采用这样的布置，其中用于辅助肢体的设备执行施加辅助力的控制，这确实有助于使用者行走。

Claims (30)

1.一种用于辅助肢体的设备，其特征在于，该设备包括：
附着在使用者的躯干上的身体附件；
大腿连接件，其与使用者的大腿并排布置，该连接件与所述身体附件连接；
膝关节单元；
小腿连接件，其与使用者的小腿并排布置，该连接件通过所述膝关节单元与所述大腿连接件连接；
脚附件，其附着在所述使用者的脚上以可着落在地面上，该脚附件与所述小腿连接件连接；
驱动单元；
膝关节致动器，其布置在所述身体附件中，以通过所述驱动单元向所述膝关节单元施加旋转力矩；
脚检测器，其构造成检测使用者脚的着落阶段和提起阶段的其中一个；以及
控制器，其构造成控制所述膝关节致动器，
所述控制器对所述膝关节致动器进行驱动控制，以通过处于着落阶段的所述脚附件、所述小腿连接件、所述大腿连接件、所述驱动单元以及所述身体附件，对所述使用者提供支承该使用者的重量的一部分的力即解除重量的辅助力，
所述大腿连接件、所述膝关节单元以及所述小腿连接件设置成，在所述使用者安装时，对该使用者的大腿、膝关节以及小腿不直接作用所述解除重量的辅助力。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，当所述脚检测器检测到提起阶段时，所述控制器结束对所述膝关节致动器的驱动。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述辅助力与预定值和使用者重量的一定百分比的其中一个相等。
4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，还包括负载检测器，其检测由使用者通过所述身体附件施加在所述大腿连接件、所述小腿连接件、所述驱动单元和所述脚附件上的负载，
其中，所述控制器基于由所述负载检测器检测的负载，对处于着落阶段的所述膝关节致动器进行驱动控制。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述辅助力具有下限和上限，并且其中所述控制器基于由所述负载检测器检测的负载对处于着落阶段的所述膝关节致动器进行驱动控制，以使得所述辅助力位于所述下限和所述上限之间。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括动作检测器，其构造成检测表示所述大腿连接件和所述小腿连接件的动作的信号，其中所述控制器基于由所述动作检测器检测的信号而对所述膝关节致动器进行驱动控制。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，通过所述大腿连接件向使用者施加所述辅助力处的第一部分与在所述身体附件中施加使用者的负载处的第二部分定位成，使得所述第一部分和所述第二部分基本上包含在共同垂直平面内。
8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括：
髋关节单元；以及
髋关节致动器；
其中，所述身体附件通过所述髋关节单元与所述大腿连接件连接，并且
其中，所述髋关节致动器与所述膝关节致动器一体安装在所述身体附件中，以向所述髋关节单元施加旋转力矩。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，还包括：
脚检测器，其构造成检测使用者脚的着落阶段和提起阶段的其中一个；以及
控制器，其构造成控制所述膝关节致动器和所述髋关节致动器，
其中，所述控制器对所述膝关节致动器和所述髋关节致动器进行驱动控制，以通过处于着落阶段的所述脚附件、所述小腿连接件、所述大腿连接件、所述驱动单元以及所述身体附件提供解除使用者的重量的辅助力。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，当所述脚检测器检测到提起阶段时，所述控制器结束对所述膝关节致动器和所述髋关节致动器中至少一个的驱动。
11.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，当所述脚检测器检测到提起阶段时，所述控制器对所述髋关节致动器进行驱动控制，以辅助使用者大腿的摆动。
12.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述辅助力与预定值和使用者重量的一定百分比的其中一个相等。
13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，还包括负载检测器，其检测由使用者通过所述身体附件施加在所述大腿连接件、所述小腿连接件、所述驱动单元和所述脚附件上的负载，
其中，所述控制器基于由所述负载检测器检测的负载，对处于着落阶段的所述膝关节致动器和所述髋关节致动器进行驱动控制。
14.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述辅助力具有下限和上限，并且其中所述控制器基于由所述负载检测器检测的负载对所述膝关节致动器和所述髋关节致动器进行驱动控制，以使得所述辅助力位于所述下限和所述上限之间。
15.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，还包括动作检测器，其构造成检测表示所述大腿连接件和所述小腿连接件的动作的信号，其中所述控制器基于由所述动作检测器检测的信号而对所述膝关节致动器和所述髋关节致动器进行驱动控制。
16.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，通过所述大腿连接件向使用者施加所述辅助力处的第一部分与在所述身体附件中施加使用者的负载处的第二部分定位成，使得所述第一部分和所述第二部分基本上包含在共同垂直平面内。
17.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述驱动单元还包括膝关节连接件，其构造成驱动所述膝关节单元，并且该连接件与所述大腿连接件并排布置。
18.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述驱动单元通过带、线以及轴和齿轮组合的其中一个来传输驱动力，以向所述膝关节单元施加旋转力矩。
19.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，还包括：
踝关节单元；
构造成驱动所述踝关节单元的踝关节连接件；以及
踝关节致动器，
其中，所述脚附件通过所述踝关节单元与所述小腿连接件连接，并且
其中，所述踝关节致动器与所述膝关节致动器一体安装在所述身体附件中，以通过所述踝关节连接件向所述踝关节单元施加旋转力矩。
20.一种用于辅助肢体的设备的计算机程序，该设备包括：
控制器；
附着在使用者的躯干上的身体附件；
大腿连接件，其与使用者的大腿并排布置，该连接件与所述身体附件连接；
膝关节单元；
小腿连接件，其与使用者的小腿并排布置，该连接件通过所述膝关节单元与所述大腿连接件连接；
脚附件，其附着于使用者的脚以着落在地面上，该脚附件与所述小腿连接件连接；
驱动单元；
膝关节致动器，其布置在所述身体附件中，以通过所述驱动单元向所述膝关节单元施加旋转力矩；以及
脚检测器，其构造成检测使用者脚的着落阶段和提起阶段的其中一个，
其中，计算机程序用于控制辅助肢体的设备，该辅助肢体的设备的所述大腿连接件、所述膝关节单元以及所述小腿连接件设置成，在所述使用者安装时，对该使用者的大腿、膝关节以及小腿不直接作用所述解除重量的辅助力，所述计算机程序在下面处理中运行所述控制器，该处理包括：对所述膝关节致动器进行驱动控制，以通过处于着落阶段的所述脚附件、所述小腿连接件、所述大腿连接件、所述驱动单元以及所述身体附件提供支承该使用者的重量的一部分的力即解除重量的辅助力。
21.根据权利要求20所述的计算机程序，其特征在于，当所述脚检测器检测到提起阶段时，所述计算机程序在下面处理中运行所述控制器，该处理包括结束对所述膝关节致动器的驱动。
22.根据权利要求20所述的计算机程序，其特征在于，所述辅助力与预定值和使用者重量的一定百分比的其中一个相等。
23.根据权利要求22所述的计算机程序，其特征在于，所述设备还包括负载检测器，其检测由使用者通过所述身体附件施加在所述大腿连接件、所述小腿连接件、所述驱动单元和所述脚附件上的负载，并且其中，所述计算机程序在下面处理中运行所述控制器，该处理包括基于由所述负载检测器检测的负载，对处于着落阶段的所述膝关节致动器进行驱动控制。
24.根据权利要求20所述的计算机程序，其特征在于，所述设备还包括动作检测器，其构造成检测表示所述大腿连接件和所述小腿连接件的动作的信号，并且其中所述计算机程序在下面处理中运行所述控制器，该处理包括基于由所述动作检测器检测的信号而对所述膝关节致动器进行驱动控制。
25.一种用于辅助肢体的设备的计算机程序，该设备包括：
控制器；
附着在使用者的躯干上的身体附件；
髋关节单元；
大腿连接件，其与使用者的大腿并排布置，该连接件通过所述髋关节单元与所述身体附件连接；
膝关节单元；
小腿连接件，其与使用者的小腿并排布置，该连接件通过所述膝关节单元与所述大腿连接件连接；
脚附件，其附着于使用者的脚以着落在地面上，该脚附件与所述小腿连接件连接；
驱动单元；
膝关节致动器，其布置在所述身体附件中，以通过所述驱动单元向所述膝关节单元施加旋转力矩；
髋关节致动器，其与所述膝关节致动器一体安装在所述身体附件中，以向所述髋关节单元施加旋转力矩；以及
脚检测器，其构造成检测使用者脚的着落阶段和提起阶段的其中一个，
其中，计算机程序用于控制辅助肢体的设备，该辅助肢体的设备的所述大腿连接件、所述膝关节单元以及所述小腿连接件设置成，在所述使用者安装时，对该使用者的大腿、膝关节以及小腿不直接作用所述解除重量的辅助力，所述计算机程序在下面处理中运行所述控制器，该处理包括：对所述膝关节致动器和所述髋关节致动器进行驱动控制，以通过处于着落阶段的所述脚附件、所述小腿连接件、所述大腿连接件、所述驱动单元以及所述身体附件提供支承该使用者的重量的一部分的力即解除重量的辅助力。
26.根据权利要求25所述的计算机程序，其特征在于，当所述脚检测器检测到提起阶段时，所述计算机程序在下面处理中运行所述控制器，该处理包括结束对所述膝关节致动器和所述髋关节致动器中至少一个的驱动。
27.根据权利要求25所述的计算机程序，其特征在于，当所述脚检测器检测到提起阶段时，所述计算机程序在下面处理中运行所述控制器，该处理包括对所述髋关节致动器进行驱动控制以辅助使用者大腿的摆动。
28.根据权利要求25所述的计算机程序，其特征在于，所述辅助力与预定值和使用者重量的一定百分比的其中一个相等。
29.根据权利要求28所述的计算机程序，其特征在于，所述设备还包括负载检测器，其检测由使用者通过所述身体附件施加在所述大腿连接件、所述小腿连接件、所述驱动单元和所述脚附件上的负载，并且其中，所述计算机程序在下面处理中运行所述控制器，该处理包括基于由所述负载检测器检测的负载，对处于着落阶段的所述膝关节致动器和所述髋关节致动器进行驱动控制。
30.根据权利要求25所述的计算机程序，其特征在于，所述设备还包括动作检测器，其构造成检测表示所述大腿连接件和所述小腿连接件的动作的信号，并且其中所述计算机程序在下面处理中运行所述控制器，该处理包括基于由所述动作检测器检测的信号而对所述膝关节致动器和所述髋关节致动器进行驱动控制。
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