本發(fā)明涉及一種穿戴式外骨骼助行裝置，具體涉及一種具有行走模式和平衡車模式的穿戴式外骨骼助行裝置。

背景技術(shù)：

目前，隨著外骨骼技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)出越來越多的下肢外骨骼裝置用于提供支撐、保護以及增強運動能力。但是到目前為止，穿戴式外骨骼助行裝置的移動速度比較慢，無法進行快速移動。

近年來，兩輪平衡車技術(shù)不斷發(fā)展。在平坦路面上，兩輪平衡車因其靈活性和便捷性而得到日益增加的應用。

目前，尚沒有結(jié)合穿戴式外骨骼助行裝置與平衡車優(yōu)點的裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種穿戴式外骨骼助行裝置，其特征在于：所述穿戴式外骨骼助行裝置具有行走模式和平衡車模式，包括

下肢外骨骼助行系統(tǒng)，所述下肢外骨骼助行系統(tǒng)包括腰部外骨骼、大腿外骨骼、小腿外骨骼、腳部外骨骼、輪架、電動輪、陀螺儀和重力傳感器，所述腰部外骨骼與所述大腿外骨骼通過髖部鉸鏈部件連接，所述大腿外骨骼與所述小腿外骨骼通過膝部鉸鏈部件連接，所述小腿外骨骼與所述腳部外骨骼通過踝部鉸鏈部件連接，所述腰部外骨骼、大腿外骨骼、小腿外骨骼和腳部外骨骼各自具有人體固定件，所述輪架一端與所述腳部外骨骼的外側(cè)通過輪架鉸鏈部件連接，所述輪架的另一端安裝所述電動輪，所述鉸鏈部件均包含電機，所述陀螺儀和重力傳感器安裝在所述小腿外骨骼外側(cè)，并與所述電動輪通過信號線連接；

上體外骨骼，包括軀干外骨骼、上臂外骨骼、前臂外骨骼；所述軀干外骨骼與所述腰部外骨骼通過腰部鉸鏈部件連接，所述上臂外骨骼與軀干外骨骼通過肩部鉸鏈部件連接，所述前臂外骨骼與上臂外骨骼通過肘部鉸鏈部件連接；所述軀干外骨骼、上臂外骨骼和前臂外骨骼各自具有人體固定件，所述鉸鏈部件均包含電機；

所述電機和所述電動輪由便攜式電源驅(qū)動，

當處于行走模式時，所述輪架繞所述輪架鉸鏈部件轉(zhuǎn)動到使得所述電動輪的下端高于所述腳部外骨骼的下端的位置并被鎖定；

當處于平衡車模式時，所述輪架繞所述輪架鉸鏈部件轉(zhuǎn)動到豎直位置并被鎖定，使得所述電動輪的下端低于所述腳部外骨骼的下端。

優(yōu)選地，當處于行走模式時，所述電動輪位于小腿外骨骼外側(cè)。

優(yōu)選地，當處于平衡車模式時，所述髖部鉸鏈部件、所述膝部鉸鏈部件和所述踝部鉸鏈部件被鎖定。

優(yōu)選地，當處于平衡車模式時，所述髖部鉸鏈部件、所述膝部鉸鏈部件和所述踝部鉸鏈部件的轉(zhuǎn)動范圍被限定在±15度以內(nèi)。

優(yōu)選地，所述便攜式電源固定在腰部外骨骼上。

本發(fā)明的穿戴式外骨骼助行裝置可以允許穿戴者在平坦路面上以平衡車模式快速負重行進，同時在平坦路面時可切換至行走模式，跨越障礙。

附圖說明

如圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個實例的平衡車模式下的示意圖。

如圖2為根據(jù)本發(fā)明的一個實例的行走模式下的示意圖。

如圖3為根據(jù)本發(fā)明的一個實例的小腿外骨骼、膝部鉸鏈部件和大腿外骨骼的示意圖。

如圖4為根據(jù)本發(fā)明的一個實例的平衡車模式下的另一個示意圖。

如圖5為根據(jù)本發(fā)明的一個實例的上臂外骨骼、肘部鉸鏈部件和前臂外骨骼的示意圖。

如圖6為根據(jù)本發(fā)明的一個實例的腳部外骨骼、輪架和電動輪的示意圖。

如圖7為行走模式下的外骨骼側(cè)面示意圖。

如圖8為根據(jù)本發(fā)明的一個實例的行走模式下的另一個示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明提供一種穿戴式外骨骼助行裝置，其特征在于：所述穿戴式外骨骼助行裝置具有行走模式和平衡車模式，包括

下肢外骨骼助行系統(tǒng)，所述下肢外骨骼助行系統(tǒng)包括腰部外骨骼、大腿外骨骼、小腿外骨骼、腳部外骨骼、輪架、電動輪、陀螺儀和重力傳感器，所述腰部外骨骼與所述大腿外骨骼通過髖部鉸鏈部件連接，所述大腿外骨骼與所述小腿外骨骼通過膝部鉸鏈部件連接，所述小腿外骨骼與所述腳部外骨骼通過踝部鉸鏈部件連接，所述腰部外骨骼、大腿外骨骼、小腿外骨骼和腳部外骨骼各自具有人體固定件，所述輪架一端與所述腳部外骨骼的外側(cè)通過輪架鉸鏈部件連接，所述輪架的另一端安裝所述電動輪，所述鉸鏈部件均包含電機，所述陀螺儀和重力傳感器安裝在所述小腿外骨骼外側(cè)，并與所述電動輪通過信號線連接；

上體外骨骼，包括軀干外骨骼、上臂外骨骼、前臂外骨骼；所述軀干外骨骼與所述腰部外骨骼通過腰部鉸鏈部件連接，所述上臂外骨骼與軀干外骨骼通過肩部鉸鏈部件連接，所述前臂外骨骼與上臂外骨骼通過肘部鉸鏈部件連接；所述軀干外骨骼、上臂外骨骼和前臂外骨骼各自具有人體固定件，所述鉸鏈部件均包含電機；

所述電機和所述電動輪由便攜式電源驅(qū)動，

當處于行走模式時，所述輪架繞所述輪架鉸鏈部件轉(zhuǎn)動到使得所述電動輪的下端高于所述腳部外骨骼的下端的位置并被鎖定；

當處于平衡車模式時，所述輪架繞所述輪架鉸鏈部件轉(zhuǎn)動到豎直位置并被鎖定，使得所述電動輪的下端低于所述腳部外骨骼的下端。

本發(fā)明的穿戴式外骨骼助行裝置包括下肢外骨骼助行系統(tǒng)和上體外骨骼。其中，下肢外骨骼助行系統(tǒng)的主要作用是實現(xiàn)運動功能，上體外骨骼的主要作用是實現(xiàn)負重功能。

下肢外骨骼助行系統(tǒng)的各個外骨骼部件可以根據(jù)本領域公知的人體固定件固定到人體。固定件的實例包括約束帶等。這樣，當外骨骼在電力驅(qū)動下運動時，帶動人的肢體運動。

下肢外骨骼的各個關節(jié)均為鉸鏈部件，并且鉸鏈部件包括電機。在電力驅(qū)動下，電機可以時各外骨骼繞鉸鏈部件轉(zhuǎn)動，從而起到幫助穿戴者行走的作用。

本發(fā)明的下肢外骨骼助行系統(tǒng)還包括輪架、電動輪、陀螺儀和重力傳感器。輪架的作用是將電動輪連接到下肢外骨骼系統(tǒng)上并且可以調(diào)節(jié)固定電動輪的位置。具體地，輪架可以為一桿件，其一端通過輪架鉸鏈部件鉸接在腳部外骨骼的外側(cè)，另一端上有軸孔，用于安裝電動輪。安裝后，電動輪位于腳部外骨骼的外側(cè)。當輪架繞輪架鉸鏈部件轉(zhuǎn)動時，電動輪可以在豎直面上隨之繞輪架鉸鏈部件轉(zhuǎn)動。輪架鉸鏈部件包含電機，以主動帶動上述轉(zhuǎn)動。此外，電機可以鎖定位置(即角度)，或者可以通過其他鎖定方式將輪架和電動輪鎖定在想要的位置。

陀螺儀和重力傳感器安裝在所述小腿外骨骼外側(cè)，并與所述電動輪通過信號線連接。在平衡車模式下，當使用者身體重心變化時，陀螺儀和重力傳感器可以感測該重心變化，并將信號通過信號線傳輸給電動輪。電動輪可以通過該信號，來控制裝置在該模式下的移動方向和平衡。

利用陀螺儀和重力傳感器并通過電動輪構(gòu)成平衡車的一些方案是已知的。本發(fā)明可以采用任何具體方案，只要與本發(fā)明的原理和結(jié)構(gòu)不矛盾即可。

本發(fā)明也包括上體外骨骼。上體外骨骼無論在平衡車模式還是行走模式下都具有助力作用，可以幫助使用者負重，提高負重運動能力。

當本發(fā)明的裝置處于行走模式時，所述輪架繞所述輪架鉸鏈部件轉(zhuǎn)動到使得所述電動輪的下端高于所述腳部外骨骼的下端的位置并被鎖定。這時，下肢外骨骼助行系統(tǒng)發(fā)揮行走功能。行走模式的下肢外骨骼助行系統(tǒng)的具體設計可以是任何適合于下肢助行目的的設計，包括本領域已知的各種下肢外骨骼助行器。各關節(jié)部將各外骨骼轉(zhuǎn)動連接，其中轉(zhuǎn)動連接可以是具有適宜的自由度的。例如膝關節(jié)可以是僅提供屈伸自由度的，而髖關節(jié)可以是提供屈伸和側(cè)展兩個自由度的。在這些部件中，還可以包括合適的助力或驅(qū)動系統(tǒng)，以及各種其他機械、電氣等輔助系統(tǒng)。例如，關于髖關節(jié)部，除電機外，可以包括髖關節(jié)角度傳感器、及髖部寬度調(diào)節(jié)機構(gòu)等。在行走模式下，關節(jié)處可隨人體運動進行轉(zhuǎn)動，各關節(jié)處傳感器感應人體關節(jié)的屈伸，驅(qū)動電機負責提供驅(qū)動力，使穿戴者行走更輕松。

需要注意的是，在行走模式下，固定的輪架及電動輪的位置不應影響助行系統(tǒng)的正常行走。雖然在站立在平坦地面時，電動輪的下端高于腳部外骨骼下端即地面即可，但是考慮到邁步動作和地面不平坦等因素，在行走模式下，電動輪位置高是有利的。

相對地，在平衡車模式下，輪架向下旋轉(zhuǎn)，本發(fā)明的裝置的構(gòu)造變?yōu)殡妱虞喼囟_部外骨骼底部不著地。這樣，對于穿戴者來說，本裝置變?yōu)橐粋€平衡車。在平坦路面上，穿戴者可以借助平衡車快速前進。

本發(fā)明的電機和所述電動輪由便攜式電源驅(qū)動。便攜式電源可以為蓄電池。電源與各電機和電動輪的連接方式可以是任何不影響本發(fā)明效果的方式。

本發(fā)明的穿戴式外骨骼助行裝置還可以具有其他的部件，例如用手控制的操作系統(tǒng)等等，只要這些部件與本發(fā)明的行走模式及平衡車模式構(gòu)造不沖突即可。

通過上述方案，本發(fā)明的穿戴式外骨骼助行裝置可以在自由的行走模式和快速的平衡車模式之間切換。

所述鉸鏈部件的電機能夠提供轉(zhuǎn)動功能并可以被鎖定。優(yōu)選地，它們可以為諧波減速器。

在一個優(yōu)選的實施方案中，當處于行走模式時，所述電動輪位于小腿外骨骼外側(cè)。由此，可以使電動輪對行走的影響盡可能小。

優(yōu)選地，所述髖部鉸鏈部件、所述膝部鉸鏈部件和所述踝部鉸鏈部件被鎖定。鎖定方式可以是已知的各種鎖定方式，在本發(fā)明中不作特別的限制。這樣，可以通過使用者上半身的重心移動，控制平衡車的移動和轉(zhuǎn)向。所述髖部鉸鏈部件、所述膝部鉸鏈部件和所述踝部鉸鏈部件也可以在一定程度上被鎖定，即僅可以在一定角度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動。所述角度范圍可以是例如±15度以內(nèi)、±10度以內(nèi)、±5度以內(nèi)，從而在平衡車模式下仍為使用者的下肢提供一定的自由度。

優(yōu)選地，所述便攜式電源固定在腰部外骨骼上。便攜式電源一般比較沉重。如果將其與電動平衡車一樣設置在腳踏板下方或周邊時，當處于行走模式時，邁步是將花費較多能量提升和移動電源。另一方面，如果將其設置在上體外骨骼上，雖然在行走時其重心顛簸較小，但當處于平衡車模式時，使用者通過上身重心移動來控制平衡車將會變得困難。因此，將便攜式電源固定在腰部外骨骼上，既不過多耗費行走模式的能量消耗，又便于使用者在平衡車模式改變重心。

本發(fā)明的穿戴式外骨骼助行裝置在平面的自由場地，能夠切換成平衡車模式利用其電動輪移動，當遇到障礙或路況不好的地形，能夠轉(zhuǎn)換成行走模式，使用外骨骼助行系統(tǒng)行走。本發(fā)明可以使穿戴者增強運動能力，攜帶負重運動。本發(fā)明能夠在所有地形上移動，并將平衡車的快速移動和外骨骼的輔助行走功能集合于一體。

以下通過附圖更詳細地說明本發(fā)明的。注意附圖僅是說明性的，不意在限制本發(fā)明。

圖1顯示了本發(fā)明的一個實施方案，其處于平衡車模式。此穿戴式外骨骼助行裝置包括下肢外骨骼助行系統(tǒng)和上體外骨骼。下肢外骨骼助行系統(tǒng)包括腰部外骨骼及左右大腿、小腿和腳部外骨骼、輪架、電動輪、陀螺儀和重力傳感器。上體外骨骼包括軀干外骨骼及左右上臂和前臂外骨骼。具體地，包括電動輪1、大腿外骨骼2、小腿外骨骼3、軀干外骨骼4、上臂外骨骼5、腳部外骨骼6、膝部鉸鏈部件7、前臂外骨骼8、踝部鉸鏈部件9、髖部鉸鏈部件10、肩部鉸鏈部件11、肘部鉸鏈部件12、腰部外骨骼13、腰部鉸鏈部件14、輪架15和輪架鉸鏈部件16組成，左右下肢外骨骼用于固定于使用者的大腿、小腿和腳、膝關節(jié)和踝關節(jié)。腰部外骨骼將腰部固定，通過髖關節(jié)10連接了左、右大腿外骨骼；上體外骨骼固定于使用者上身各部位。圖中僅示出了部分部件，一些不影響裝置結(jié)構(gòu)的部件(如便攜式電源、電線等)未示出。圖1中，電動輪1著地而腳部外骨骼6不著地，穿戴者可以將該裝置當作平衡車使用。在圖中，踝部鉸鏈部件9和輪架鉸鏈部件16位于相同的位置。但是，這兩個鉸鏈部件也可以位于不同的位置。腳部外骨骼與輪架及電動輪一起形成平衡車，其中腳部外骨骼相當于平衡車中的踏板。

圖2是行走模式的示意圖。如圖中所示，輪架繞輪架鉸鏈部件向后轉(zhuǎn)動，電動輪抬高，腳部外骨骼著地。由此，形成了正常的下肢外骨骼助行系統(tǒng)。注意到，電動輪的位置應不影響穿戴者的正常邁步行走。

圖3是部分下肢外骨骼示意圖。大腿外骨骼下端與小腿外骨骼上端通過膝關節(jié)鉸鏈部件相連，提供膝關節(jié)的屈伸能力。此外，大腿外骨骼上端與腰部外骨骼通過髖關節(jié)鉸鏈部件相連，提供髖關節(jié)的側(cè)展和屈伸的運動能力。小腿外骨骼下端通過踝關節(jié)鉸鏈部件和腳部外骨骼相連，提供踝關節(jié)的屈伸運動能力。

圖4是從側(cè)后方觀察本發(fā)明一個實例的圖。

圖5是臂部外骨骼示意圖。上臂外骨骼的下端和前臂外骨骼通過肘關節(jié)鉸鏈部件相連，提供肘關節(jié)的屈伸運動能力。此外，上臂外骨骼上端與軀干外骨骼通過肩關節(jié)鉸鏈部件相連，提供肩關節(jié)的屈伸和外展運動能力。

圖6顯示了腳部外骨骼和電動輪通過輪架的連接。在圖中，腳部外骨骼呈腳套的形式。不過，腳部外骨骼也可以為其他形式，只要其能完成本發(fā)明的兩種模式即可。

圖7顯示了電動輪通過輪架與腳部外骨骼在踝部鉸鏈部件的位置相連，在行走模式下將電動輪抬高，而移動模式下，電動輪向下轉(zhuǎn)動。需要再次指出的是，輪架鉸鏈部件不必須與踝部鉸鏈部件處于同一位置。

圖8顯示軀干外骨骼與腰部外骨骼通過腰部鉸鏈部件連接的示意圖。本發(fā)明的便攜電源、控制設備等可以固定在腰部外骨骼的背部。

應當注意，上述附圖均為示意性的，其并未顯示本發(fā)明的所有特征，并且本發(fā)明也不限于這些附圖所具體表示的結(jié)構(gòu)。

以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。