TWI649168B - 外骨骼機器人 - Google Patents

Abstract

一外骨骼機器人包含腰部組件與腿部組件。所述腰部組件包含第一框架、一座板及一第二框架。所述第一框架包含一導軌與導軌內的一滑塊。所述座板係以擰入滑塊中的第一螺栓而固定。所述第二框架係連接至該座板。所述第二框架有一槽與槽內的一第二螺栓。所述腿部組件係以該第二螺栓裝設於第二框架。透過鬆開上述螺栓，使用者能夠在導軌與槽的兩個方向中移動腿部組件而不需拆離螺栓。

Description

外骨骼機器人

本揭示內容一般是關於一種助行裝置，且特別是關於一種外骨骼機器人。

外骨骼機器人(exoskeleton robot)亦稱為動力裝甲(powered armor)，是一種穿戴式行動機器，其可支撐使用者的身體部位並可移動使用者的肢體。一般來說，可利用由電動馬達、氣動裝置、槓桿、液壓裝置或其他可移動肢體的技術組合所構成的系統作為外骨骼的動力來源。外骨骼機器人的主要應用領域之一為醫療用途。可利用外骨骼機器人來協助因為疾病或意外傷害而失去或無法控制其腿部或手臂的個體。

當患者在醫院或復建中心穿戴外骨骼機器人時，醫護人員必須調整外骨骼機器人使其適合體型不同的患者。更有甚者，損傷部位不同的患者也需要對外骨骼機器人做不同的調整。

然而，傳統外骨骼機器人的結構需要醫護人員將螺栓或螺絲完全拆解才能調整傳統外骨骼機器人的尺寸，非常耗費時間與人力。

有鑒於此，為了節省時間與人力，相關領域需要一種能夠迅速調整外骨骼機器人使其符合體型或損傷部位不同的患者。

本揭示內容的一實施例提供一種外骨骼機器人，其包含腰部組件及腿部組件。所述腰部組件包含第一框架、座板及第二框架。所述第一框架包含導軌與位於導軌內的滑塊。所述座板以第一螺栓擰入滑塊中。所述第二框架係連接至座板。所述第二框架有槽及位於槽內的第二螺栓。所述腿部組件係以第二螺栓裝設於第二框架。所述導軌包含一開闊區段，以允許滑塊經由開闊區段而置入於導軌中。

本揭示內容的某些實施方式提出一種外骨骼機器人，其具有槽與導軌以連接外骨骼機器人的二元件，譬如框架、組件或支架，且可藉由滑動滑塊、在不完全由元件拆離螺絲或螺栓的情形下使用螺絲或螺栓，調整二元件的相對位置。因此能夠實現以下優點：節省調整外骨骼機器人之元件的相對位置使其完全符合調整需求之心力，上述調整需求包括：腰寬、一胸部支撐高度、胸寬、臀深、大腿長、大腿圓周、小腿長及小腿圓周。

上文已以較寬泛的方式概述了本揭示內容的特徵與技術優點，以使下文的發明說明更容易理解。下文降描述本揭示內容的額外特徵與優點，並構成本揭示內容請求保護的標的。本發明所屬技術領域具有通常知識者當可理解，可輕易地以所揭示的發明構思與具體實施例為基礎來修改或設計其他結構或流程，用以實現與本揭示內容相同的目的。本發明所屬技術領域具有通常知識者亦可輕易理解，此類均等的構造並未悖離所附申請專利範圍所界定的本揭示內容之精神與範圍。

10‧‧‧外骨骼機器人

11‧‧‧胸部組件

12R‧‧‧右腿組件

12L‧‧‧左腿組件

13‧‧‧髖關節

14‧‧‧大腿支架

14a‧‧‧上大腿支架

14b‧‧‧下大腿支架

15‧‧‧膝關節

16‧‧‧小腿支架

16a‧‧‧上小腿支架

16b‧‧‧下小腿支架

17‧‧‧踝關節

19‧‧‧背支架

20‧‧‧鞋組件

22‧‧‧腰部組件

61‧‧‧蓋板

62‧‧‧大腿支承

62a‧‧‧水平槽

64‧‧‧小腿支承

112‧‧‧中心框架

112a‧‧‧中心部件

112b‧‧‧翼

113、132a、144a、164b、225a、644b‧‧‧孔洞

114、117、144、164、224、227、624‧‧‧螺栓

114a、117a、144b、164a、224a、612、622‧‧‧滑塊

116‧‧‧胸板

116a‧‧‧槽

116b‧‧‧側板

117b‧‧‧槽外罩

118、198、228‧‧‧導軌

132‧‧‧臀框架

148、149、168‧‧‧垂直導軌

148a、228a‧‧‧開闊區段

148b、149a‧‧‧開放端

196‧‧‧導軌外罩

222‧‧‧底框架

223‧‧‧腰接頭

225‧‧‧安裝座板

226‧‧‧側框架

226a‧‧‧水平槽

226b‧‧‧凹痕

644a‧‧‧水平槽

在閱讀了下文的實施方式與申請專利範圍並參照附隨圖式時，能夠最完整地理解本揭示內容，在各圖式中，以相似的元件符號表示相似的元件，以及： 在閱讀了下文實施方式以及附隨圖式時，能夠最佳地理解本揭示內容的多種態樣。應注意到，根據本領域的標準作業習慣，圖中的各種特徵並未依比例繪製。事實上，為了能夠清楚地進行描述，可能會刻意地放大或縮小某些特徵的尺寸。

圖1為根據本揭示內容一具體實施例之外骨骼機器人的透視圖。

圖2為根據本揭示內容某些實施例，用以將右腿組件組裝至腰部組件之結構的透視圖。

圖3為根據本揭示內容某些實施例，用以組裝腰部組件的透視圖。

圖4為根據本揭示內容某些實施例，胸部組件與腰部組件之結構的前視圖。

圖5為根據本揭示內容某些實施例，用以將胸部組件組裝至背支架與腰部組件之結構的透視圖。

圖6A至6C為沿著圖4之線段B-B、D-D與E-E所繪製的剖面圖。

圖7A為根據本揭示內容某些實施例之右腿組件的前視圖。

圖7B為根據本揭示內容某些實施例之右腿組件的透視圖。

圖8A為根據本揭示內容某些實施例，右腿組件由右側觀察的分解圖。

圖8B為根據本揭示內容某些實施例，右腿組件由左側觀察的分解圖。

圖9A為根據本揭示內容某些實施例，大腿支架由右側觀察的分解圖。

圖9B為根據本揭示內容某些實施例，大腿支架由左側觀察的分解圖。

圖9C為根據本揭示內容某些實施例之大腿支架的左視圖。

圖10A及10B為沿著圖9C之線段C-C與G-G所繪製的剖面圖。

圖11A為根據本揭示內容某些實施例，小腿支架由右側觀察的分解圖。

圖11B為根據本揭示內容某些實施例，小腿支架由左側觀察的分解圖。

圖11C為根據本揭示內容某些實施例之小腿支架的左視圖。

圖12為沿著圖11C的線段H-H所繪製的剖面圖。

[相關申請案交互參照]

本申請案主張2017年11月13日提申的美國第15/811,102號專利申請案之優先權，在此將其全文參照引入。

此處使用較為具體的文字描述圖式中繪示之本揭示內容的實施例或實例。當可理解，其用意並非限制本揭示內容之範圍。對與本揭示內容相關領域中具有通常知識者而言，針對所述之實施例的任何改變或修飾，以對本文件所述原理的進一步應用，皆屬一般慣常改變。在各實施例間可能會重複使用元件符號，但這不代表一實施例的一或多特徵必然出現在另一實施例中，即便其使用了相同的元件符號。

當可理解，雖然此處可能使用諸如第一、第二、第三等文字來描述各種元件、部件、區域、層或部分，這些元件、部件、區域、層或部分並不受限於上述修飾詞。反之，這些詞僅僅試用以區別一元件、部件、區域、層或部分與另一元件、部件、區域、層或部分。因此，亦可將下文所述的第一件、部件、區域、層或部分命名為第二件、部件、區域、層或部 分，而不至於悖離本揭示內容之發明概念。

此處所用的詞彙僅是為了描述特定實例、實施例，且其本意並非用以限制本揭示內容之發明概念。於本揭示內容中，單數形的「一」與「該」亦涵蓋其複數形，除非其上下文明確地另為表示。當可進一步理解，在本說明書中，開放性的詞彙如「包含」與「包括」代表存有所述特徵、整數、步驟、操作、元件或部件，但並未排除一或多其他特徵、整數、步驟、操作、元件、部件或其群組之存在或加入。

圖1為根據本揭示內容某些實施例之外骨骼機器人10的透視圖。參照圖1，外骨骼機器人10包含胸部組件11、背支架19、腰部組件22、右腿組件12R以及左腿組件12L。

所述胸部組件11係裝設於背支架19中，且背支架19係裝設於腰部組件22中。右腿組件12R與左腿組件12L的每一者透過一個別的髖關節13而樞軸連接至腰部組件22。由於右腿組件12R與左腿組件12L彼此成對稱的物理配置，為求簡便，以下僅討論右腿組件12R。

所述右腿組件12R除了髖關節13之外，還包含大腿支架14、小腿支架16、膝關節15、踝關節17以及鞋組件20。

所述大腿支架14的外型狹長，以其一側透過髖關節13樞軸連接至腰部組件22，並以另一側透過膝關節15樞軸連接至小腿支架16。因此，大腿支架14與小腿支架16可相對於膝關節15旋轉。

所述小腿支架16的外型亦為狹長，以其一側透過膝關節15樞軸連接至大腿支架14，並以另一側透過踝關節17樞軸連接至鞋組件20。因此，小腿支架16與右鞋組件20R可相對於踝關節17旋轉。

圖2為根據本揭示內容某些實施例，用以將右腿組件12R裝設至腰部 組件22之結構的透視圖。參照圖2，一側框架226包含二水平槽226a。右腿組件12R的臀框架132係以穿過側框架226之二水平槽226a並擰入臀框架132之孔洞132a中的螺栓227裝設於腰部組件22的側框架226中。此外，槽226a包括沿著槽226a的多個凹痕226b以配合螺栓227的頭部。

透過鬆開但不將螺栓227由臀框架132的孔洞132a拆離，使用者可以在二水平槽226a內滑動螺栓227，以調整右腿組件12R與臀墊221間的相對水平距離以配合使用者臀部。

圖3為根據本揭示內容某些實施例，用以組裝腰部組件22之結構的透視圖。參照圖3，側框架226係以腰接頭223裝設於安裝座板225中，且因此將側框架226樞軸連接至安裝座板225。此外，安裝座板225係以穿過安裝座板225之孔洞225a並擰入滑塊224a中的螺栓224裝設於底框架222中。

圖4為根據本揭示內容某些實施例，胸部組件11與腰部組件22之結構的前視圖。參照圖3及圖4，底框架222包含二導軌228，且每一導軌228包含二開闊區段228a。所述滑塊224a可透過導軌228的開闊區段228a而置入底框架222的導軌228中，且之後可由背支架19的導軌外罩196覆蓋開闊區段228a。所述導軌228為水平設置，且可允許滑塊224a水平移動。

藉由將導軌外罩196以螺栓擰入腰部組件22的底框架222，而將背支架19裝設於腰部組件22中。所述滑塊224a可沿著導軌228移動。因而，透過由滑塊224a鬆開但不完全拆離螺栓224，使用者可在導軌228中滑動滑塊224a，以調整側框架226與腰部組件22間的相對水平距離，且可配合外骨骼機器人10之使用者的腰部與臀部並在該處提供支撐。

圖5為根據本揭示內容某些實施例，用以將胸部組件11組裝至背支架19與腰部組件22之結構的透視圖。參照圖5，利用穿過胸部組件11之中心 框架112的中心部件112a之孔洞113的螺栓114，並將所述螺栓114擰入導軌198中的滑塊114a內，以將胸部組件11裝設於背支架19中。所述滑塊114a係位於背支架19之背框架192的導軌198內，且可沿著導軌198移動。因此，藉由從滑塊114a鬆開但不完全拆離螺栓114，使用者能夠在導軌198中滑動滑塊114a，以調整胸部組件11的垂直高度。

此外，藉由擰入螺栓117使其穿過滑塊117a、中心框架112之翼112b的導軌118、胸板116的槽116a、以及槽外罩117b，將胸板116裝設於中心框架112的翼112b中。因為滑塊117a與槽116a接合，且因此可在導軌118中滑動滑塊117a以改變其位置，進而能夠透過自滑塊117a鬆開但不完全拆離螺栓117而調整胸板116之側板116b間的相對水平距離。因而，胸部組件11可配合外骨骼機器人10之使用者的胸部並在該處提供支撐。

圖6A為沿著圖4線段B-B的剖面圖。參照圖4及圖6A，螺栓114穿過中心部件112a的孔洞113、導軌198與滑塊114a。導軌198的剖面為在兩側具有兩階的溝槽，以容納滑塊114a並防止滑塊114a被拉出導軌198。

圖6B為沿著圖4線段D-D的剖面圖。參照圖4及圖6B，螺栓117穿過滑塊117a、翼112b的導軌118，胸板116的槽116a與槽外罩117b。導軌118的剖面為在兩側具有兩階的溝槽，以容納滑塊117a並防止滑塊117a被拉出導軌118。

圖6C為沿著圖4線段E-E的剖面圖。參照圖4及圖6C，螺栓224經擰入滑塊224a與安裝座板225中。滑塊224a位於導軌228內。導軌228的剖面為在兩側具有兩階的溝槽，以容納滑塊224a並防止滑塊224a被拉出導軌228。

圖7A為根據本揭示內容某些實施例之右腿組件12R的前視圖。圖7B 為根據本揭示內容某些實施例之右腿組件12R的透視圖。

圖8A為根據本揭示內容某些實施例，右腿組件12R由右側觀察的分解圖。圖8B為根據本揭示內容某些實施例，右腿組件12R由左側觀察的分解圖。

圖9A為根據本揭示內容某些實施例，大腿支架14由右側觀察的分解圖。圖9B為根據本揭示內容某些實施例，大腿支架14由左側觀察的分解圖。參照圖9A及9B，大腿支架14包含上大腿支架14a與下大腿支架14b。

所述上大腿支架14a係樞軸連接至髖關節13，並具有二孔洞144a、一垂直導軌148、以及位於垂直導軌148內的一滑塊144b。所述下大腿支架14b係樞軸連接至膝關節15，並具有一孔洞144a、二垂直導軌148、以及位於垂直導軌148內的二滑塊144b。

三個螺栓144穿過三個孔洞144a以及位於兩個垂直導軌148中的三個滑塊144b。因而，上大腿支架14a與下大腿支架14b係透過三個垂直導軌148中的三個滑塊144b而連接，且可透過由滑塊144b鬆開但不完全拆離螺栓144，而沿著兩個垂直導軌148彼此移動，以伸長或縮短大腿支架14，而使得能夠調整大腿支架14的長度使其配合使用者的大腿長。

上大腿支架14a的垂直導軌148以及下大腿支架14b的第一垂直導軌148包括開闊區段148a，以將滑塊144b放置於垂直導軌148內。下大腿支架14b的第二垂直導軌148包含一開放端148b以將滑塊144b放置於第二垂直導軌148內。

此外，可經由垂直導軌149的開放端149a將滑塊612放置於下大腿支架14b的垂直導軌149內。蓋板61可透過滑塊612而接合垂直導軌149。所述螺栓614穿過蓋板61並擰入位於垂直導軌149內的滑塊612中。因而，蓋 板61與下大腿支架14b在垂直導軌149內透過滑塊612而連接。藉由從滑塊612鬆開但不完全拆離螺栓614，可沿著下大腿支架14b的垂直導軌149移動蓋板61，而使得能夠調整蓋板61的位置以配合使用者需求。

更有甚者，亦可經由垂直導軌149的開放端149a將滑塊622放置於下大腿支架14b的垂直導軌149內。大腿支承62可透過滑塊622接合導軌149。所述螺栓624穿過大腿支承62之水平槽62a並擰入至垂直導軌149內的滑塊622中。因而，大腿支承62與下大腿支架14b在垂直導軌149內透過滑塊622而連接。藉由從滑塊622鬆開但不完全拆離螺栓624，可使大腿支承62沿著垂直導軌149或水平槽62a移動，而使得能夠垂直與水平調整大腿支承62的位置以配合使用者需求。

圖9C為根據本揭示內容某些實施例之大腿支架14的左視圖。圖10A為沿著圖9C之線段C-C所繪製的剖面圖。參照圖10A，螺栓144穿過下大腿支架14b的孔洞144a並擰入至導軌148內的滑塊144b中。導軌148的剖面為在兩側具有兩階的溝槽，以容納滑塊144b並防止滑塊144b被拉出導軌148。

圖10B為沿著圖9C之線段G-G所繪製的剖面圖。參照圖10B，螺栓614穿過蓋板61並擰入至導軌149內的滑塊612中。導軌149的剖面為在兩側具有兩階的溝槽，以容納滑塊612並防止滑塊612被拉出導軌149。

圖11A為根據本揭示內容某些實施例，小腿支架16由右側觀察的分解圖。圖11B為根據本揭示內容某些實施例，小腿支架16由左側觀察的分解圖。參照圖11A及11B，小腿支架16包含一上小腿支架16a及下小腿支架16b。上小腿支架16a包含一中心空間以容置下小腿支架16b。

上小腿支架16a係樞軸連接至膝關節15並具有二孔洞164b。下小腿支 架16b係樞軸連接至踝關節17並具有一垂直導軌168以及位於垂直導軌168內的滑塊164a。

二螺栓164穿過垂直導軌168內的滑塊164a並擰入孔洞164b中。因而，上小腿支架16a與下小腿支架16b係透過垂直導軌168中的滑塊164a而連接。藉由從滑塊164a鬆開但不完全拆離螺栓164，上小腿支架16a與下小腿支架16b可沿著垂直導軌168彼此移動，以伸長或縮短小腿支架16，而使得能夠調整小腿支架16的長度使其配合使用者的小腿長。

更有甚者，小腿支承64可接合上小腿支架16a。螺栓624穿過小腿支承64的水平槽644a並擰入至上小腿支架16a的孔洞644b中。因而，小腿支承64係固定於上小腿支架16a中，且小腿支承64可連同上小腿支架16a沿著下小腿支架16b的垂直導軌168移動，而使得能夠調整小腿支承64的位置以配合使用者需求。藉由從上小腿支架16a的孔洞644b鬆開但不完全拆離螺栓644，可以沿著水平槽644a向前或向後調整小腿支承64。

圖11C為根據本揭示內容某些實施例之小腿支架16的左視圖。圖12為沿著圖11C的線段H-H所繪製的剖面圖。參照圖11C及12，螺栓164穿過導軌168內的滑塊164a並擰入孔洞164b中。導軌168的剖面為在兩側具有兩階的溝槽，以容納滑塊164a並防止滑塊164a被拉出導軌168。

基於本揭示內容某些實施例，藉由使用槽與導軌來連接外骨骼機器人的二元件，譬如框架、組件或支架，且可藉由滑動滑塊、在不完全由元件拆離螺絲或螺栓的情形下使用螺絲或螺栓，調整二元件的相對位置。因此能夠實現以下優點：節省調整外骨骼機器人之元件的相對位置使其完全符合調整需求之心力，上述調整需求包括：腰寬、一胸部支撐高度、胸寬、臀深、大腿長、大腿圓周、小腿長及小腿圓周。

雖然已詳細描述本揭示內容及其優點，應可理解可對其進行各種改變、替換與修飾，而不至於悖離附隨的申請專利範圍所界定的精神與範圍。舉例來說，可利用不同的方法來實現上文所述的許多過程，且可利用其他過程取代之，或採用上述的組合。

此外，本申請案之範圍不限於說明書中描述之過程、機器、製造物、物質組成、手段、方法及步驟之特定實施例。本發明所屬技術領域中具有通常知識者可輕易地由本發明實施例之揭示內容明白，依劇本揭示內容，可以使用現有或日後開發之能夠執行基本上相同之功能或實現與本文所述之對應實施例基本上相同的結果之過程、機器、製造物、物質組成、手段、方法或步驟。因此，所附申請專利範圍的範圍涵蓋此等過程、機器、製造物、物質組成、手段、方法或步驟。

Claims (19)

1. 一種外骨骼機器人，包含：一腰部組件，包括：一第一框架，包括一導軌與位於該導軌內的滑塊，一座板，由擰入該滑塊中的一第一螺栓而固定，以及一第二框架，連接至該座板，其中該第二框架有一槽與位於該槽內的一第二螺栓；以及一腿部組件，由該第二螺栓裝設至該第二框架；其中該導軌包含一開闊區段，以允許該滑塊經由該開闊區段而置入於該導軌中。
2. 如請求項1所述的外骨骼機器人，其中該第二框架係透過一接頭連接至該座板，且該第二框架係樞軸連接至該座板。
3. 如請求項1所述的外骨骼機器人，還包含一背支架，用以裝設一胸部組件，其中該背支架包含一導軌外罩，裝設於該開闊區段上並覆蓋該開闊區段。
4. 如請求項1所述的外骨骼機器人，還包含：一背支架，有一第二導軌與位於該第二導軌內之一第二滑塊，其中該第二導軌呈垂直設置，並允許該第二滑塊垂直移動；以及一胸部組件，由擰入該滑塊之一螺栓裝設於該背支架中。
5. 如請求項1所述的外骨骼機器人，其中該腿部組件包含一大腿支架、一膝關節以及一小腿支架，其中該小腿支架以該膝關節連接至該大腿支架。
6. 如請求項1所述的外骨骼機器人，其中該導軌呈水平設置，並允許該滑塊水平移動。
7. 如請求項1所述的外骨骼機器人，其中該槽呈水平設置，並允許該第二螺栓水平移動。
8. 如請求項1所述的外骨骼機器人，其中該第一框架包含位於該導軌內的另一滑塊。
9. 如請求項1所述的外骨骼機器人，其中該槽包含沿著該槽設置的多個凹痕，以配合該第二螺栓的一頭部。
10. 一種外骨骼機器人，包含：一腰部組件；一背支架，裝設於該腰部組件中，其中該背支架包含一第一導軌與位於該第一導軌內的一第一滑塊；以及一胸部組件，包括：一中心框架，由擰入該第一滑塊中的一第一螺栓所固定，其中該 中心框架包含二翼，該二翼的每一者有一第二導軌與位於該第二導軌內的一第二滑塊，以及二胸板，每一者由擰入該第二滑塊之一第二螺栓所固定。
11. 如請求項10所述的外骨骼機器人，其中該第一導軌為垂直設置，且允許該第一滑塊垂直移動。
12. 如請求項10所述的外骨骼機器人，其中該第二導軌為水平設置，且允許該第二滑塊水平移動。
13. 一種外骨骼機器人，包含一腿部組件，包括：一髖關節；以及一大腿支架，包括：一上大腿支架，連接至該髖關節，其包括一第一孔洞、一第一導軌與位於該第一導軌內的一第一滑塊，其中該第一導軌為垂直配置，且允許該第一滑塊垂直移動，一下大腿支架，包括一第二孔洞、一第二導軌與位於該第二導軌內的一第二滑塊，其中該第二導軌為垂直配置，且允許該第二滑塊垂直移動，一第一螺栓，穿過該第一孔洞並擰入該第二滑塊中，以及一第二螺栓，穿過該第二孔洞並擰入該第一滑塊中。
14. 如請求項13所述的外骨骼機器人，還包含： 一膝關節，連接至該下大腿支架；以及一小腿支架，包括：一下小腿支架，包括一第三導軌與位於該第三導軌內的一第三滑塊其中該第三導軌為垂直設置，且允許該第三滑塊垂直移動，以及一上小腿支架，連接至該膝關節並以擰入該第三導軌中的一第三螺栓而固定。
15. 如請求項13所述的外骨骼機器人，其中該下大腿支架包含：一大腿支承，具有一槽與一第四螺栓；以及一第四導軌具有位於該第四導軌內的一第四滑塊，其中該第四導軌為垂直設置，且允許該第四滑塊沿著該第四導軌垂直移動，其中該第四螺栓穿過該大腿支承並擰入該第四滑塊中。
16. 如請求項15所述的外骨骼機器人，其中該槽為水平設置，且允許該第四螺栓沿著該槽水平移動。
17. 如請求項15所述的外骨骼機器人，其中該下大腿支架包含：一蓋板；以及一第五滑塊，位於該第四導軌內，其中該第四導軌允許該第五滑塊沿著該第四導軌垂直移動，其中一第五螺栓穿過該蓋板，且擰入該第五滑塊中。
18. 如請求項14所述的外骨骼機器人，其中該小腿支架包含裝設於該上 小腿支架中的一小腿支承。
19. 如請求項14所述的外骨骼機器人，其中該上小腿支架包含一中心空間以容置該下小腿支架。