示出與外骨骼控制有關(guān)的有限狀態(tài)機(jī)。如圖12中所示，外骨骼100將移動(dòng) 進(jìn)入鎖定狀態(tài)210,在該狀態(tài)下，當(dāng)外骨骼100在阻力狀態(tài)208下保持了比預(yù)設(shè)的最大站立 時(shí)間（t lim)更長時(shí)，力矩產(chǎn)生器156產(chǎn)生最大阻力矩。在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，此預(yù)設(shè) 的最大站立時(shí)間是1. 5秒。
[0052] 外骨骼100將移動(dòng)進(jìn)入鎖定狀態(tài)210,在該狀態(tài)下，當(dāng)外骨骼100在自由狀態(tài)206 下保持了比預(yù)設(shè)的最大站立時(shí)間（t lim)更長時(shí)，力矩產(chǎn)生器156產(chǎn)生最大阻力矩。在本發(fā) 明的一些實(shí)施方式中，此預(yù)設(shè)的最大站立時(shí)間是1. 5秒。
[0053] 在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，當(dāng)腿部信號(hào)140大于預(yù)定的最大大腿角度（即， θ ?>"θ,如圖12中所示）時(shí)，外骨骼100將移動(dòng)進(jìn)入阻力狀態(tài)208。在本發(fā)明的一些實(shí)施 方式中，當(dāng)腿部信號(hào)140小于預(yù)定的最小大腿角度（即，ΘΛ8<上，如圖12中所示）時(shí)，外 骨骼100將移動(dòng)進(jìn)入自由狀態(tài)206。
[0054] 在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，外骨骼100包括手動(dòng)鎖定裝置164 (參見圖6)，其能 夠產(chǎn)生用于控制器120的鎖定信號(hào)212。在操作中，當(dāng)手動(dòng)鎖定裝置164被致動(dòng)時(shí)，外骨骼 100將移動(dòng)進(jìn)入鎖定狀態(tài)210 (如圖12中所示），在該狀態(tài)下，力矩產(chǎn)生器156產(chǎn)生最大阻 力矩。
[0055] 在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，外骨骼100包括手動(dòng)解鎖裝置166 (參見圖6)，其能 夠產(chǎn)生用于控制器120的手動(dòng)解鎖信號(hào)214,其中當(dāng)手動(dòng)解鎖裝置166被致動(dòng)時(shí)，外骨骼 100將移動(dòng)進(jìn)入解鎖狀態(tài)200,在該狀態(tài)下，力矩產(chǎn)生器156產(chǎn)生最小阻力矩。在本發(fā)明的 一些實(shí)施方式中，最小阻力矩具有零值。
[0056] 在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，外骨骼100包括能夠產(chǎn)生用于控制器120的手動(dòng)就 座信號(hào)216的手動(dòng)就座裝置168 (圖6)。在操作中，當(dāng)手動(dòng)就座裝置168被致動(dòng)時(shí)，外骨骼 100將移動(dòng)進(jìn)入就座狀態(tài)202,在該狀態(tài)下，力矩產(chǎn)生器156產(chǎn)生適合逐漸地屈曲膝部關(guān)節(jié) 106的任意阻力矩。在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，在就座狀態(tài)202結(jié)束時(shí)，當(dāng)腿部信號(hào)140 達(dá)到預(yù)設(shè)的最大就座大腿角度值（)時(shí)，外骨骼100將移動(dòng)進(jìn)入解鎖狀態(tài)200。在本 發(fā)明的一些實(shí)施方式中，此預(yù)設(shè)的最大就座大腿角度大約是90度。
[0057] 手動(dòng)鎖定裝置164、手動(dòng)解鎖裝置166以及手動(dòng)就座裝置168包括能夠產(chǎn)生用于控 制器120的手動(dòng)鎖定信號(hào)212、手動(dòng)解鎖信號(hào)214和手動(dòng)就座信號(hào)216的任意信號(hào)產(chǎn)生器或 信號(hào)產(chǎn)生器的組合。這些信號(hào)產(chǎn)生器（即，164、166和168)的例子包括但不局限于開關(guān)、瞬 時(shí)開關(guān)、撥動(dòng)開關(guān)、開關(guān)按鈕、滑動(dòng)開關(guān)、旋鈕、電位計(jì)、拇指滾動(dòng)按鈕及其組合。在本發(fā)明的 一些實(shí)施方式中，手動(dòng)鎖定裝置164和手動(dòng)解鎖裝置166是相同的硬件。本領(lǐng)域的普通技 術(shù)人員可以理解的是，存在用于通過一個(gè)或多個(gè)信號(hào)產(chǎn)生器產(chǎn)生上述信號(hào)的多種方法。
[0058] 下樓梯。當(dāng)下樓梯時(shí)，人體的大腿相對(duì)于垂直重力線161的絕對(duì)角度經(jīng)歷周期性 的運(yùn)動(dòng)，然而，此大腿絕對(duì)角度總是正的。如圖13中所示，在下樓梯期間，相對(duì)于垂直重力 線161的絕對(duì)大腿角度增加到大約30°并且減小到大約12.30°。我們發(fā)現(xiàn)，如果1和石 被設(shè)置為操作外骨骼100以用于水平行走（比如，如上所述，1=- 18°并且18°)，則 在下樓梯時(shí)外骨骼100仍然可以運(yùn)作。當(dāng)大腿角度被檢測為大于￥(比如18° )時(shí)，雖然 人體的腿部還處于擺動(dòng)期（即，沒有接觸地面），但是外骨骼100移動(dòng)進(jìn)入阻力狀態(tài)208 (如 圖12中所示）。這意味著當(dāng)腿部接觸地面時(shí)，外骨骼100將準(zhǔn)備響應(yīng)膝部屈曲而產(chǎn)生阻力 矩。在下樓梯時(shí)，由于膝部角度在支撐期期間已經(jīng)被充分屈曲，因此人體在擺動(dòng)期期間一般 不會(huì)彎曲她/他的膝部。在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，當(dāng)下樓梯時(shí)，由于相對(duì)于垂直重力線 161的絕對(duì)大腿角度不會(huì)下降到小于Θ，因此外骨骼100不會(huì)進(jìn)入自由狀態(tài)206。這意味 著，在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，用于i和^的一組參數(shù)對(duì)于水平地面行走和下樓梯是足 夠的。圖14中示出用于下樓梯的阻力矩分布的實(shí)施方式。
[0059] 參考回圖12,當(dāng)外骨骼100處于自由狀態(tài)206并且大腿連接件102相對(duì)于垂直重 力線161的絕對(duì)角度大于^時(shí)，外骨骼100將移動(dòng)進(jìn)入阻力狀態(tài)208。當(dāng)外骨骼100處于阻 力狀態(tài)208并且大腿連接件102相對(duì)于垂直重力線161的絕對(duì)角度小于時(shí)，外骨骼100 移動(dòng)進(jìn)入自由狀態(tài)206。對(duì)圖14和圖12的細(xì)致觀察揭示出，由于在下樓梯時(shí)大腿連接件 102相對(duì)于垂直重力線161的絕對(duì)角度永不會(huì)變?yōu)樾∮赺§_，因此在下樓梯期間外骨骼100 將永不會(huì)進(jìn)入自由狀態(tài)206。
[0060] 上樓梯。當(dāng)爬樓梯時(shí)，人體的大腿角度經(jīng)歷周期性的運(yùn)動(dòng)。圖15顯示人體爬一組 樓梯?？梢杂^察到，一旦人體的大腿相對(duì)于垂直重力線161的絕對(duì)角度變得大于^ (比如 18° )，膝部角度（在大腿和小腿之間的角度）就需要自由屈曲到約90°，并且隨后伸展到 約50°。由于在大腿絕對(duì)角度大于^時(shí)外骨骼100不能自由屈曲，因此人體的腿部會(huì)撞到 下一臺(tái)階。這意味著，在一些實(shí)施方式中，我們不能使用在水平步行期間我們使用的相同的 ^的值用于上樓梯。在此提供了幾個(gè)解決方案。在第一解決方案中，在爬樓梯的同時(shí)，使用 手動(dòng)解鎖裝置166將外骨骼100移動(dòng)到解鎖狀態(tài)200變得有必要。
[0061] 在第二解決方案中，如果膝部角度測量是可用的，則隨后它可以被用于區(qū)分 水平步行和上樓梯。膝部角度測量θ"_表示大腿和小腿之間的角度，如圖15中所示。圖 15顯示剛好在足趾離地后的膝部角度測量（Θ )，其從很小的值（幾乎為零度）增加到 較大的值（鄰近90°的某處）。當(dāng)腿部信號(hào)140達(dá)到^時(shí)，膝部角度基本上大于水平步行的 膝部角度。在水平步行期間，當(dāng)腿部信號(hào)140達(dá)到^時(shí)，膝部角度測量通常約是15°，但是 在上樓梯期間，當(dāng)腿部信號(hào)140達(dá)到￥時(shí)，膝部角度測量大約是45°。當(dāng)腿部信號(hào)140達(dá)到 $并且膝部角度測量小于(即，Θ )時(shí)，控制器將移動(dòng)到阻力狀態(tài)208。在本 發(fā)明的一些實(shí)施方式中，被選擇為30°，其為大于在水平步行期間的最大膝部角度測 量的數(shù)值。然而，當(dāng)腿部信號(hào)達(dá)到g并且膝部角度測量大于(即θ )時(shí)，控制 器將保持在它的自由狀態(tài)206?？梢酝ㄟ^在膝部關(guān)節(jié)中安裝編碼器或解析器或任意角度傳 感器來執(zhí)行膝部角度測量。
[0062] 在第三解決方案中，將上和^修改為適于爬樓梯和斜坡的合適的值變得有必要。 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，i和^可以被設(shè)置為10°和60°，以用于爬樓梯和斜坡。
[0063] 圖16-19描述本發(fā)明的實(shí)施方式，其中外骨骼進(jìn)一步包括踝足矯形器。在本發(fā)明 的一些實(shí)施方式中，比如在圖16中所示的實(shí)施方式中，踝足矯形器402能夠被接合到人體 的足部。在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，踝足矯形器402可連接到小腿連接件104。在本發(fā) 明的一些實(shí)施方式中，如圖16中所示，外骨骼300進(jìn)一步包括踝足矯形器402,該踝足矯形 器402被佩戴在佩戴者的鞋303的外部。在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，如圖17中所示，外 骨骼400進(jìn)一步包括踝足矯形器404,該踝足矯形器404被類似鞋墊那樣佩戴在佩戴者的 鞋的內(nèi)部（為了清晰起見，佩戴者的鞋未顯示）。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以得到許多形 式的內(nèi)部和外部踝足矯形器。圖18顯示外骨骼500的實(shí)施方式，其進(jìn)一步包括踝足矯形器 406,該踝足矯形器406是具有固定的（但有時(shí)是可調(diào)節(jié)的）鉸鏈的標(biāo)準(zhǔn)的短腿部踝足矯形 器（AFO)。這種類型的AFO相對(duì)較輕，并且易于裝配到鞋中。這種AFO關(guān)于小腿連接件104 將足部保持在任意需要的角度。進(jìn)一步地，這種AFO不允許跖屈或背屈，所以它不如其它梏 具那樣提供自然步態(tài)。圖17示出外骨骼400的實(shí)施方式，其中踝足矯形器404是標(biāo)準(zhǔn)的硬 踝足矯形器。這種類型的踝足矯形器阻止跖屈并且也阻止或限制背屈。圖19示出外骨骼 600的實(shí)施方式，其包括踝足矯形器408,該踝足矯形器408是跖屈止動(dòng)踝足矯形器。通過 不讓足部連接件103指向下方，這種AFO表現(xiàn)為阻止跖屈。這種類型的AFO具有允許足部 的正常背屈的鉸鏈107。
[0064] 應(yīng)該理解的是，雖然顯示出不同踝足矯形器的特定示例，但是還有可利用本發(fā)明 的其它類型的踝足矯形器。例如，在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，踝足矯形器是背屈輔助 AFO (未顯示）。這種類型的AFO類似圖18中所示的AF0,但是具有在足部脫離地面時(shí)表現(xiàn) 為提升足部連接件203 (使踝部背屈）的彈簧狀鉸鏈。背屈輔助AFO提供了更多自然步態(tài)型 的優(yōu)點(diǎn)。在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，踝足矯形器是標(biāo)準(zhǔn)后片彈性踝足矯形器（未顯示）。 在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，踝足矯形器是能量返回踝足矯形器（未顯示）。這種類型的 AFO使用置于AFO的材料中的自然屈曲來提供背屈輔助。這些裝置經(jīng)常由碳石墨材料制成。 總之，本發(fā)明的踝足矯形器包括能夠執(zhí)行所指出的功能的任意裝置或內(nèi)部或外部踝足矯形 器的組合。外部或內(nèi)部踝足矯形器的示例包括但不局限于柔性AF0、剛性AF0、具有落葉松 屈曲的AF0、具有抗距骨的AFO、AFO抗距骨（前殼體或殼體在前面）、具有自由運(yùn)動(dòng)踝部關(guān) 節(jié)的AF0、具有可調(diào)的剛性踝部關(guān)節(jié)的AF0、具有彈簧承載踝部關(guān)節(jié)的AF0、具有可調(diào)的彈簧 承載踝部關(guān)節(jié)的AFO及其組合。
[0065] 圖20和21示出本發(fā)明的實(shí)施方式，其中外骨骼610進(jìn)一步包括外骨骼主體350。 外骨骼主體350可配置為接合到人體上身。在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，外骨骼主體350 類似背包一樣被接合到人體（未顯示）。在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，外骨骼主體350類似 腰帶一樣被接合到人體，例如，如圖20中所示。外