通过使用负载外骨骼来减少人在稳定行走时的氧损耗的装置和方法制造方法及图纸

一种下肢外骨骼（１００），包括：至少一个动力单元（２０１）；用于搁置在地面（１３０）上的两个腿部支撑件（１０１，１０２）；两个膝关节（１０７，１０８），用于使各自相应的所述腿部支撑件（１０１，１０２）的大腿连接件（１０３，１０４）和小腿连接件（１０５，１０６）之间能够进行弯曲和伸展；可旋转地连接至所述腿部支撑件（１０１，１０２）的外骨骼躯干（１０９）；以及两个髋部执行器（１４５，１４６），用于在所述外骨骼躯干（１０９）和所述腿部支撑件（１０１，１０２）之间产生扭矩。使用时，所述髋部执行器（１４５，１４６）在步态站立期产生扭矩，以使所述腿部支撑件（１０１，１０２）相对于所述外骨骼躯干（１０９）向后运动，因而向前推动所述外骨骼躯干（１０９）。第二扭矩使所述腿部支撑件（１０１，１０２）相对于所述外骨骼躯干（１０９）向前运动、进入步态迈步期。这样就降低了外骨骼（１００）穿用者的氧消耗和心率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及下肢外骨骼，更具体地，本专利技术涉及能减少穿用者的氧消耗和心率的 下肢外骨骼。
技术介绍
在大多数情况下，当行走或携带重物时，普通人都要消耗大量氧气。当然，人的氧 消耗和心率根据体力运动的量而不同。在2007年国际类人机器人杂志，题目为“用于负载 增加的准被动式腿部外骨骼”的文章中，作者认为发展了一种准被动式外骨骼，与标准负载 背包相比增加了 10%的步行运动代谢值(COT)，同时，作者还认为不含有关节弹簧或阻尼 开关(零阻尼外骨骼)的相似的外骨骼与标准负载背包相比增加了 23%的COT。现有技术公开的准被动式外骨骼被认为对使用者某些心脏的和其他生理参数造 成负面影响。因此，仍然需要一种简单的、易于操作的、快速的、且能实现基本目的的外骨骼 装置，尤其是在穿用装置时，能显著降低人的氧消耗和心率的外骨骼装置
技术实现思路
上述目的通过一系列可被人穿用的下肢外骨骼的实施例得以实现。下肢外骨骼可 以与人连接，所述下肢外骨骼除了其他元件外，还包括可以与人的下肢连接的两个腿部支 撑件；两个膝关节，每个都可以在各自的小腿连接件和大腿连接件之间弯曲和伸展；外骨 骼躯干，与人的上身连接，且与腿部支撑件的大腿连接件旋转连接，腿部支撑件和外骨骼躯 干之间能够进行弯曲和伸展；两个髋部执行器，其在外骨骼躯干和腿部支撑件之间产生扭 矩；和至少一个动力单元，除了其他部件外，所述动力单元可以对髋部执行器提供动力。在操作中，利用本专利技术的外骨骼在穿用者步行时降低氧消耗和心率。更具体地，使 用者与外骨骼连接，左边和右边(第一和第二)腿部支撑件与穿用者的下肢连接，穿用者的 上身与外骨骼躯干连接。当处于步态迈步期的第一腿部支撑件撞击地面，且进入步态站立 期时，第一腿部支撑件的髋部执行器快速产生第一单向扭矩，使第一外骨骼腿部相对于外 骨骼躯干向后运动。这个第一单向扭矩将外骨骼躯干向前推，直到第二腿部支撑件撞击地 面，进入步态站立期。当第二腿部支撑件进入步态站立期，第二腿部支撑件的髋部执行器快 速产生第一单向扭矩，第一腿部支撑件的髋部执行器快速产生第二单向扭矩，在一个方向使第一腿部支撑件相对于外骨骼躯干向前运动，直到第一腿部支撑件离开地面，进入步态 迈步期。与没有使用外骨骼装置的人相比，使用外骨骼装置的人减少了步行时的能量消耗， 从而降低了人的氧消耗和心率。附图说明 结合以下附图及说明，可以更清楚地了解本专利技术的其他特征及优点，相同的符号 表示相同的元件，有关本专利技术的附图如下图1为本专利技术所述包括髋部执行器的外骨骼的前视图；图2为图1所示外骨骼的后视图；图3为步行周期中图1所示髋部执行器的扭矩曲线图；图4为步行周期中图1所示髋部执行器的总扭矩图；图5为髋部伸展运动时人的髋部扭矩(相对于周期时间的百分数的关节运动) 图；图6为本专利技术动力单元的示意图；图7为包括流量限制阀的本专利技术动力单元的示意图；图8为包括三通阀的本专利技术动力单元的示意图；图9为包括与信号处理器联通的站立传感器的本专利技术外骨骼的透视图；图10为包括髋部弹性元件的本专利技术外骨骼的透视图；图11为包括用于携带后面负载的连接支架的本专利技术外骨骼的透视图；图12为包括用于携带前面负载的伸展框架的本专利技术外骨骼的透视图；图13为包括髋部外展阻止器的本专利技术外骨骼的透视图；图14为包括片簧形式的髋部弹性元件的本专利技术的外骨骼的透视图；图15为包括两个髋部弹性元件的本专利技术的外骨骼的透视图；图16为包括两个髋部关节的本专利技术的外骨骼的透视图；图17为包括背包框架的本专利技术的外骨骼的透视图；图18为包括两个髋部弹性元件和外骨骼足部的本专利技术的外骨骼的透视图；图19为图18所示外骨骼的局部图，详细展示了大腿关节；图20为图18所示外骨骼的局部图，详细展示了压缩_延伸装置；图21为包括鞋的本专利技术的外骨骼的透视图；图22为包括鞋垫的本专利技术的外骨骼的透视图；图23为包括球窝关节的图18的外骨骼足部的局部图；图24为包括弹性元件的本专利技术的外骨骼足部的透视图；图25为包括外展_内收弹性元件的本专利技术的外骨骼足部的透视图；图26为包括小腿旋转关节的本专利技术的外骨骼足部的透视图；图27为与本专利技术外骨骼连接的受试者的氧消耗和不与本专利技术外骨骼连接的受试 者的氧消耗的比较图；图28为包括连为一体的站立传感器的本专利技术的外骨骼足部的局部横截面侧视 图；图29为包括力传感器的本专利技术的外骨骼足部的顶视图30为包括连为一体的站立传感器的本专利技术的鞋子的局部横截面侧视图；图31为包括设置有鞋垫的站立传感器的本专利技术的鞋子的局部横截面侧视图；图32为包括整合进鞋垫的力传感器的本专利技术的鞋子的局部横截面侧视图；图33为处于垂直承载位置的本专利技术外骨骼的侧视图；图34为图33所示外骨骼的局部透视图；图35为包括液压旋转泵的本专利技术外骨骼足部的透视图；图36描述了本专利技术锁闭膝关节的功能；图37为包括与扭矩发生器平行的膝盖弹性元件的本专利技术的右边腿部支撑件的侧视图；图38为包括与扭矩发生器串联的膝盖弹性元件的本专利技术的右边腿部支撑件的侧视图。具体实施例方式本专利技术提供了一种可以减少穿用者氧消耗的外骨骼装置。如图1所示，根据本发 明的第一实施例，可被人187穿戴的下肢外骨骼100可以减少穿用者的氧消耗。下肢外骨 骼100，除了其他的元件，包括两个腿部支撑件101和102，该腿部支撑件101和102设定为 与人的下肢143和144连接，其在步态站立期搁置在支撑件表面(如地面)上。术语“步态 站立期”应当理解为当向下的力施加到使用者的足部和与腿部支撑件101或102相关的 腿部，且腿部支撑件101或102与地面接触时，腿部支撑件101或102所处的位置。腿部支 撑件包括大腿连接件103和104、以及小腿连接件105和106。在相应的腿部支撑件步态迈 步期及步态站立期后期，两个膝关节107和108使在腿部支撑件的小腿连接件和大腿连接 件之间发生弯曲和伸展(分别用膝盖弯曲箭头213和膝盖伸展箭头214表示)。术语“步 态迈步期”应当理解为当向下的力没有施加到使用者的足部和与腿部支撑件101或102关 联的腿部，且腿部支撑件101或102不与支撑件表面(如地面)接触时，腿部支撑件101或 102所处的位置。然而，在相应的腿部支撑件步态站立期时，两个膝关节107和108抵抗腿 部支撑件的小腿连接件和大腿连接件之间的弯曲。下肢外骨骼100还包括外骨骼躯干109。 外骨骼躯干109，除了其他部件外，包括上身结合组件150。外骨骼躯干109通过上身结合 组件150与人体的上身149连接。人体上身149的意思是在大腿上的任何部位，包括屁股。 上身结合组件150包括一个部件或几个部件的组合，包括但不限于马甲、带子、皮带、肩带、 胸带、石膏固定、背带和腰带。外骨骼躯干109在髋部弯曲-伸展关节125和126处与腿 部支撑件101和102旋转连接，使腿部支撑件101和102分别绕髋部弯曲-伸展轴151和 152而实现髋部弯曲旋转和髋部伸展旋转(分别用髋部伸展箭头215和髋部弯曲箭头216 表示)。腿部支撑件101和102通过下肢结合带135和136与人的下肢143和144连接。如图1所示的实施例中，下肢结合带135和136与大腿连接件103和104连接。如 图2所示的实施例中，下肢结合带135和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种下肢外骨骼，该下肢外骨骼可与人连接；所述下肢外骨骼除了其他元件外，还包括：与使用者的上肢连接的外骨骼躯干；第一腿部支撑件和第二腿部支撑件，每个腿部支撑件分别包括可旋转地连接至外骨骼躯干的大腿连接件，其中所述第一腿部支撑件和第二腿部支撑件与使用者的下肢连接，且在步态站立期搁置在地面上，在步态迈步期相对于地面运动；第一髋部执行器和第二髋部执行器，分别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；至少一个动力单元，除了其他元件外，该动力单元可以为所述髋部执行器提供能量，其中，在稳定行走的每个周期中，所述动力单元以以下方式激活所述髋部执行器：ａ）当所述第一腿部支撑件撞击地面且进入步态站立期时，所述第一腿部支撑件的髋部执行器快速产生第一单向扭矩，使所述第一腿部支撑件相对于所述外骨骼躯干向后运动，因而向前推动所述外骨骼躯干，直至所述第二腿部支撑件撞击地面时为止，ｂ）当所述第二腿部支撑件撞击地面且进入步态站立期时，所述第二腿部支撑件的髋部执行器快速产生第二单向扭矩，该第二单向扭矩使所述第一腿部支撑件相对于所述外骨骼躯干在一个方向上向前运动，直至所述第一腿部支撑件离开地面时为止。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2008-5-20 61/071,8241.一种下肢外骨骼，该下肢外骨骼可与人连接；所述下肢外骨骼除了其他元件外，还 包括与使用者的上肢连接的外骨骼躯干；第一腿部支撑件和第二腿部支撑件，每个腿部 支撑件分别包括可旋转地连接至外骨骼躯干的大腿连接件，其中所述第一腿部支撑件和第 二腿部支撑件与使用者的下肢连接，且在步态站立期搁置在地面上，在步态迈步期相对于 地面运动；第一髋部执行器和第二髋部执行器，分别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；至少一个动力单元，除了其他元件外，该动力单元可以为所述髋 部执行器提供能量，其中，在稳定行走的每个周期中，所述动力单元以以下方式激活所述髋 部执行器a)当所述第一腿部支撑件撞击地面且进入步态站立期时，所述第一腿部支撑件 的髋部执行器快速产生第一单向扭矩，使所述第一腿部支撑件相对于所述外骨骼躯干向后 运动，因而向前推动所述外骨骼躯干，直至所述第二腿部支撑件撞击地面时为止，b)当所述 第二腿部支撑件撞击地面且进入步态站立期时，所述第二腿部支撑件的髋部执行器快速产 生第二单向扭矩，该第二单向扭矩使所述第一腿部支撑件相对于所述外骨骼躯干在一个方 向上向前运动，直至所述第一腿部支撑件离开地面时为止。2.根据权利要求1所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述第二单向扭矩比所述第一单 向扭矩小。3.根据权利要求1所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述第一单向扭矩为常数。4.根据权利要求1所述的下肢外骨骼，其特征在于，所示第二单向扭矩为常数。5.根据权利要求1所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述第一腿部支撑件离开所述地 面并进入步态迈步期时，所述第一腿部支撑件的髋部执行器产生迈步扭矩，以使所述第一 腿部支撑件相对于所述外骨骼躯干向前运动。6.根据权利要求5所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述迈步扭矩等于所述第二单向 扭矩。7.根据权利要求1所述的下肢外骨骼，其特征在于，当所述第一腿部支撑件处于步态 站立期、且所述第二腿部支撑件处于步态迈步期时，所述第一单向扭矩的值下降。8.根据权利要求1所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述髋部执行器施加到所述外骨 骼躯干上的扭矩总和总是作用在髋部伸展方向上。9.根据权利要求8所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述髋部执行器施加到所述外骨 骼躯干上的扭矩总和为常数。10.根据权利要求8所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述髋部执行器施加到所述外骨 骼躯干上的扭矩总和在任何时候都不低于其最大值的50%。11.根据权利要求5所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述髋部执行器施加到所述外骨 骼躯干上的扭矩总和总是作用于髋部伸展方向。12.根据权利要求11所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述髋部执行器施加到所述外 骨骼躯干上的扭矩总和为常数。13.根据权利要求11所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述髋部执行器施加到所述外 骨骼躯干上的扭矩总和在任何时候都不低于其最大值的50%。14.根据权利要求1所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述第二单向扭矩为零。15.根据权利要求5所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述迈步扭矩在步态迈步期是单 向的。16.根据权利要求5所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述迈步扭矩为零。17.根据权利要求5所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述迈步扭矩的幅度在整个步态 迈步期是逐渐减小的。18.根据权利要求5所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述迈步扭矩等于所述第二单向扭矩。19.根据权利要求5所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述迈步扭矩以等于所述第二单 向扭矩的值开始，然后在整个步态迈步期逐渐减小。20.根据权利要求5所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述迈步扭矩在步态迈步期的后 期接近为零。21.根据权利要求5所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述迈步扭矩的幅度在整个步态 迈步期逐渐减小，直至所述迈步扭矩在步态迈步期的后期改变方向。22.根据权利要求5所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述迈步扭矩包括一个扭矩，该 扭矩与所述第一腿部支撑件相对于所述外骨骼躯干的角速度成比例，且该扭矩作用在增加 所述角速度的方向上。23.根据权利要求5所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述迈步扭矩包括一个扭矩，该 扭矩与所述第一腿部支撑件相对于地面的角速度成比例，且该扭矩作用在增加所述角速度 的方向上。24.根据权利要求5所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述迈步扭矩包括一个扭矩，该 扭矩与所述第一腿部支撑件相对于所述外骨骼躯干的角加速度成比例，且该扭矩作用在增 加所述角加速度的方向上。25.根据权利要求5所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述迈步扭矩包括一个扭矩，该 扭矩与所述第一腿部支撑件相对于地面的角加速度成比例，且该扭矩作用在增加所述角加 速度的方向上。26.根据权利要求5所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述迈步扭矩包括一个扭矩，该 扭矩与所述第一腿部支撑件相对于所述外骨骼躯干的髋部角度的正弦值成比例，且该扭矩 作用在所述第一腿部支撑件的重力方向的反方向上。27.根据权利要求5所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述迈步扭矩包括一个扭矩，该 扭矩与所述第一腿部支撑件相对于地面的髋部角度的正弦值成比例，且该扭矩作用在所述 第一腿部支撑件的重力方向的反方向上。28.根据权利要求5所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述第一单向扭矩是与所述腿部 支撑件在步态迈步期的所述迈步扭矩的负值成比例的项的总和。29.根据权利要求1所述的下肢外骨骼，其特征在于，每个所述髋部执行器包括液压髋 部执行器。30.根据权利要求28所述的下肢外骨骼，其特征在于，能够提供液压能量的所述动力 单元包括至少一个液压回路，且该动力单元还对流入和流出所述液压髋部执行器的液压流 体流量进行调节，所述液压回路可连接至至少一个所述液压髋部执行器。31.根据权利要求28所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述液压髋部执行器为活塞式 液压缸。32.根据权利要求28所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述液压髋部执行器为旋转叶片式液压执行器。33.根据权利要求29所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述液压回路除其他元件外，还 包括与电机连接的液压泵，其中所述液压泵将液压流体注入所述腿部支撑件的所述液压髋 部执行器。34.根据权利要求33所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述液压回路除其他元件外，还 包括与所述液压泵连接的液压储油器，且所述液压回路容纳所述液压流体。35.根据权利要求33所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述液压回路除其他元件外，还 包括流量限制阀，该流量限制阀能够在所述液压泵未使用时，改变液压流体环绕所述液压 泵的流动方向。36.根据权利要求33所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述液压回路除其他元件外， 还包括三通阀，当液压泵使用时，所述三通阀将所述液压髋部执行器连接至所述液压泵；否 贝U，当液压泵未使用时，所述三通阀改变液压流体环绕所述液压泵的流动方向。37.根据权利要求1所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述外骨骼还包括至少一个信号 处理器，所述信号处理器除了其他任务外、还控制所述髋部执行器。38.根据权利要求37所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述信号处理器包括一个元件 或多个元件的组合，所述元件选自模拟装置；模拟计算模块；数字装置，包括但不限于小 规模集成电路、中规模集成电路、大规模集成电路、特定应用集成电路、可编程门阵列和可 编程逻辑阵列；数字计算模块，包括但不限于微型计算机、微处理器、微控制器、可编程逻 辑控制器。39.根据权利要求37所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述信号处理器包括一个元件 或多个元件的组合，所述元件选自机电继电器、固态开关或MOSFET开关。40.根据权利要求37所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述信号处理器计算所述扭矩 曲线。41.根据权利要求37所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述信号处理器控制处于步态 站立期的所述腿部支撑件的髋部执行器，以在每个稳定步行周期确保a)当第一腿部支撑 件撞击地面且进入步态站立期时，所述第一腿部支撑件的髋部执行器快速产生第一单向扭 矩，使所述第一腿部支撑件相对于所述外骨骼躯干...

【专利技术属性】
技术研发人员：库尔特阿蒙森，阿什登安尔格德，内森哈丁，荷梅勇卡札若尼，
申请(专利权)人：加利福尼亚大学董事会，伯克利仿生技术公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]