下肢外骨骼或矯形器的最佳設(shè)計(jì)的制作方法
【專利摘要】連結(jié)機(jī)構(gòu)(112)在諸如用于人體下肢的外骨骼、矯形器或假肢的可穿戴裝置(100)的遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件(103)與近側(cè)構(gòu)件(104)之間延伸。所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件和所述近側(cè)構(gòu)件中的一者或另一者包括交叉構(gòu)件(130)。所述連結(jié)機(jī)構(gòu)從所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件或所述近側(cè)構(gòu)件的所述交叉構(gòu)件延伸到所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件和所述近側(cè)構(gòu)件中的另一者。所述連結(jié)機(jī)構(gòu)的致動(dòng)會(huì)轉(zhuǎn)換為所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件或近側(cè)構(gòu)件處的正交于延伸穿過所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件和近側(cè)構(gòu)件的主縱向軸線的力。
【專利說明】下肢外骨骼或矯形器的最佳設(shè)計(jì)
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)
[0002] 本申請(qǐng)要求2013年12月16日美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?1/916,692?及2014年6月19日提交 的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?2/014,377的優(yōu)先權(quán)。上述申請(qǐng)的全部教導(dǎo)通過引用并入本文。
[0003] 政府支持
[0004] 本發(fā)明在美國(guó)國(guó)家航空和航天局授予的批準(zhǔn)號(hào)NNX12AM16G下由政府支持而做出。 政府對(duì)本發(fā)明具有一定的權(quán)利。
【背景技術(shù)】
[0005] 外骨骼、矯形器和假肢經(jīng)常在運(yùn)動(dòng)的背景下旨在增強(qiáng)人體機(jī)能。例如，外骨骼圍繞 預(yù)期功能的目標(biāo)的生物關(guān)節(jié)(例如，膝關(guān)節(jié)或髓關(guān)節(jié))戴在身體外部上。取決于裝置的具體 用途，外骨骼的機(jī)械效應(yīng)可添加、去除或儲(chǔ)存W及釋放能量。然而，無關(guān)乎目的，人類用戶與 戴著的外骨骼之間的所有能量交換經(jīng)由外骨骼與人體之間的機(jī)械相互作用發(fā)生。該機(jī)械相 互作用將力分布施加在包圍關(guān)節(jié)和肢體段的軟組織上。通常，外骨骼使用與解剖學(xué)關(guān)節(jié)平 行的機(jī)械關(guān)節(jié)，運(yùn)減少了柔性;或者力分布平行于肢體軸線（即，剪切），運(yùn)可能對(duì)用戶不舒 月良。運(yùn)種不適經(jīng)常破壞裝置的功能并且阻礙外骨骼的功效。
[0006] 國(guó)際申請(qǐng)?zhí)朩02012/175211 A1(其全部教導(dǎo)并入本文)描述了一種具有人工關(guān)節(jié) 的完全整合系統(tǒng)。人工關(guān)節(jié)一般會(huì)減少施加在人體上的力，但往往也極大地限制運(yùn)動(dòng)和柔 性。已知帶動(dòng)力的外骨骼通常也笨重且使用繁瑣。
[0007] 常規(guī)的外骨骼和輔助裝置通常由主動(dòng)致動(dòng)器、被動(dòng)機(jī)械部件和機(jī)械接口組成。為 了減少設(shè)計(jì)復(fù)雜性，肢體關(guān)節(jié)通常應(yīng)考慮為單個(gè)平面中的多個(gè)單D0F較鏈關(guān)節(jié)的一到Ξ個(gè) 自由度(D0F)關(guān)節(jié)。然而，生物關(guān)節(jié)是復(fù)雜的，通常關(guān)于改變的瞬屯、旋轉(zhuǎn)。例如，膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng) 可被可視化為股骨圍繞一系列Ξ維瞬時(shí)軸線而非單個(gè)固定軸線的旋轉(zhuǎn)。結(jié)果，肢體關(guān)節(jié)運(yùn) 動(dòng)與機(jī)械接口運(yùn)動(dòng)之間的不匹配通常導(dǎo)致不希望的初帶和肌肉長(zhǎng)度改變及其它內(nèi)部機(jī)械 改變。運(yùn)些不希望的影響會(huì)促成不適，W及與運(yùn)樣的裝置的滑移和滯后相互作用。
[0008] 因此，對(duì)克服或盡量減少上述問題的諸如外骨骼、矯形器和假肢的裝置存在一種 需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明總體設(shè)及一種諸如供人體生物踩關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)或髓關(guān)節(jié)使用或者供人體踩 關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和髓關(guān)節(jié)的任何組合的下肢使用的可穿戴裝置，諸如假肢、矯形器或外骨骼。 在一個(gè)實(shí)施方式中，所述裝置包括可由個(gè)人穿戴的位于個(gè)人的骨骼關(guān)節(jié)的遠(yuǎn)側(cè)的遠(yuǎn)側(cè)構(gòu) 件、可由個(gè)人穿戴的位于所述關(guān)節(jié)的近側(cè)的近側(cè)構(gòu)件W及位于所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件與近側(cè)構(gòu)件之 間的連結(jié)機(jī)構(gòu)。所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件和所述近側(cè)構(gòu)件中的一者或另一者包括交叉構(gòu)件，其中所述 連結(jié)機(jī)構(gòu)從所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件或所述近側(cè)構(gòu)件的所述交叉構(gòu)件延伸到所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件和所述近 側(cè)構(gòu)件中的另一者。當(dāng)由人體個(gè)人穿戴好時(shí)，所述連結(jié)機(jī)構(gòu)的致動(dòng)會(huì)轉(zhuǎn)換為所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件 或近側(cè)構(gòu)件處的正交于延伸穿過所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件和近側(cè)構(gòu)件的主縱向軸線的力。
[0010] 在一個(gè)實(shí)施方式中，所述交叉構(gòu)件是剛性的。所述交叉構(gòu)件可w剛性或非剛性地 固定到所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件和所述近側(cè)構(gòu)件中的一者或另一者。
[0011] 在【具體實(shí)施方式】中，所述連結(jié)機(jī)構(gòu)包括滾珠絲杠致動(dòng)器。在另一實(shí)施方式中，所述 連結(jié)機(jī)構(gòu)和所述交叉構(gòu)件是系列彈性致動(dòng)器的部件。例如，所述系列彈性致動(dòng)器可W是雙 向致動(dòng)器，諸如氣動(dòng)致動(dòng)器。供本發(fā)明使用的合適的氣動(dòng)致動(dòng)器的示例包括硬化系列彈性 元件。在另一實(shí)施方式中，所述氣動(dòng)致動(dòng)器包括可充式囊。在又一實(shí)施方式中，所述系列彈 性致動(dòng)器是單向致動(dòng)器，諸如氣動(dòng)致動(dòng)器或電動(dòng)線軸致動(dòng)器。
[0012] 所述交叉構(gòu)件可W包括遠(yuǎn)端和近端，其中所述遠(yuǎn)端在一端處被固定到所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu) 件并且大致正交于所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件的主縱向軸線，并且其中所述連結(jié)機(jī)構(gòu)在所述交叉構(gòu)件的 所述近端與所述近側(cè)構(gòu)件之間延伸。在【具體實(shí)施方式】中，所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件包括一表面，該表面 大致平行于與在所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件與近側(cè)構(gòu)件之間延伸的所述主縱向軸線正交的平面。在一個(gè) 實(shí)施方式中，本發(fā)明的裝置進(jìn)一步包括從所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件延伸的第二交叉構(gòu)件，其中所述交 叉構(gòu)件彼此大致平行。
[0013] 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件被構(gòu)造成支撐人腳并且待被固定到人 腳，其中所述交叉構(gòu)件被構(gòu)造成大致從背側(cè)延伸并且平行于從人腳延伸的腔骨，并且其中 所述近側(cè)構(gòu)件被固定到人體小腿，其中電動(dòng)線軸致動(dòng)器包括線纜，該線纜連結(jié)到所述交叉 構(gòu)件的所述近端并且W與人體腔骨的主縱向軸線正交的方式跨越小腿，由此，所述致動(dòng)器 的致動(dòng)會(huì)引起所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件圍繞人體踩關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)，從而至少輔助人腳在步行同時(shí)的巧 屈。
[0014] 在另一實(shí)施方式中，所述交叉構(gòu)件是非剛性的。在該實(shí)施方式中，所述連結(jié)機(jī)構(gòu)包 括從所述近側(cè)構(gòu)件延伸到所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件的支柱，從而所述交叉構(gòu)件和所述支柱跨越所述遠(yuǎn) 側(cè)構(gòu)件旋轉(zhuǎn)所圍繞的軸線。在【具體實(shí)施方式】中，所述支柱被約束在所述近側(cè)構(gòu)件處，正交于 且橫向于所述交叉構(gòu)件的從所述近側(cè)構(gòu)件延伸到所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件的主縱向軸線，其中所述支 柱沿著所述交叉構(gòu)件的所述主縱向軸線不受限制。在該實(shí)施方式中，所述連結(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)一步 包括正交且橫向地限制所述支柱的位于所述近側(cè)構(gòu)件處的至少一個(gè)漉。所述連結(jié)機(jī)構(gòu)包括 彼此對(duì)置的至少一對(duì)漉，其中所述支柱被正交地約束在所述一對(duì)漉之間。所述支柱可W在 所述一對(duì)漉處被彎曲，從而在所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件繞由所述交叉構(gòu)件和所述支柱跨越的軸線旋轉(zhuǎn) 期間所述支柱與一對(duì)漉之間的剪切力小于所述支柱在所述一對(duì)漉處是直的情況下的剪切 力。所述支柱包括位于所述一對(duì)漉處的引導(dǎo)管，其中所述交叉構(gòu)件延伸穿過所述引導(dǎo)管。在 一個(gè)實(shí)施方式中，所述裝置包括一對(duì)交叉構(gòu)件和一對(duì)支柱。在【具體實(shí)施方式】中，所述支柱在 所述漉與所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件之間大致是直的。在一個(gè)特定實(shí)施方式中，在翻轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)固定到所 述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件的人腳W及固定到所述近側(cè)構(gòu)件的人體小腿期間使所述支柱中的至少一個(gè)偏 轉(zhuǎn)。通常，所述支柱是剛性的。在一個(gè)實(shí)施方式中，所述支柱是彎曲的，從而在固定到所述遠(yuǎn) 側(cè)構(gòu)件的人腳W及固定到所述近側(cè)構(gòu)件的人體小腿的正常步行周期期間，所述支柱作為系 列彈黃操作。
[0015] 在一個(gè)實(shí)施方式中，所述連結(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)一步包括附接至所述一對(duì)交叉構(gòu)件的近端的 絞盤致動(dòng)器組件，從而所述連結(jié)機(jī)構(gòu)的致動(dòng)將引起所述交叉構(gòu)件的縮回，運(yùn)引起所述遠(yuǎn)側(cè) 構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)W及固定到所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件的人腳圍繞人體踩關(guān)節(jié)的巧屈。在另一實(shí)施方式中， 所述一對(duì)交叉構(gòu)件被固定到所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件的近端。第二對(duì)交叉構(gòu)件可W固定到所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu) 件的遠(yuǎn)端。在一個(gè)【具體實(shí)施方式】中，所述連結(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)一步包括附接至所述第二對(duì)交叉構(gòu)件 的近端的第二絞盤致動(dòng)器組件，從而所述連結(jié)機(jī)構(gòu)的選擇性致動(dòng)會(huì)引起所述第二對(duì)交叉構(gòu) 件的縮回，運(yùn)引起所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)W及固定到所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件的人腳圍繞所述人體踩關(guān) 節(jié)的背屈。在【具體實(shí)施方式】中，所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件被構(gòu)造成適合人體小腿。在該實(shí)施方式中，所 述近側(cè)構(gòu)件可W構(gòu)造成適合人體大腿。在一個(gè)實(shí)施方式中，所述交叉構(gòu)件從所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件 向近側(cè)延伸，并且所述連結(jié)機(jī)構(gòu)在所述近側(cè)構(gòu)件與所述交叉構(gòu)件的近端之間延伸，從而所 述連結(jié)機(jī)構(gòu)的致動(dòng)將引起固定到所述近側(cè)構(gòu)件和遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件的人體腿部的伸展。替代地，所 述交叉構(gòu)件從所述近側(cè)構(gòu)件向遠(yuǎn)側(cè)延伸，并且所述連結(jié)機(jī)構(gòu)在所述交叉構(gòu)件的遠(yuǎn)端與所述 遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件之間延伸，從而連結(jié)機(jī)構(gòu)的致動(dòng)將引起固定到所述近側(cè)構(gòu)件和遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件的人體腿 部的伸展。
[0016] 在另一實(shí)施方式中，所述近側(cè)構(gòu)件被構(gòu)造成適合人體腰部。在該實(shí)施方式中，所述 遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件被構(gòu)造成適合人體大腿。優(yōu)選地，所述交叉構(gòu)件從所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件向近側(cè)延伸。在一 個(gè)運(yùn)樣的實(shí)施方式中，所述連結(jié)機(jī)構(gòu)包括雙向致動(dòng)器，從而所述連結(jié)機(jī)構(gòu)的致動(dòng)將使所述 遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件和固定到所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件的人體大腿圍繞穿戴所述裝置的人體的髓關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)。在一 個(gè)實(shí)施方式中，所述雙向致動(dòng)器是滾珠絲杠致動(dòng)器。
[0017] 所述裝置的另一實(shí)施方式是一種可穿戴下肢裝置，其包括可由個(gè)人穿戴的跨越遠(yuǎn) 側(cè)骨骼關(guān)節(jié)的遠(yuǎn)側(cè)模塊，并且包括可由個(gè)人穿戴的跨越近側(cè)骨骼關(guān)節(jié)的近側(cè)模塊，其中所 述遠(yuǎn)側(cè)模塊和所述近側(cè)模塊被聯(lián)接。所述遠(yuǎn)側(cè)模塊和近側(cè)模塊中的至少一個(gè)包括可由個(gè)人 穿戴的位于相應(yīng)骨骼關(guān)節(jié)的遠(yuǎn)側(cè)的遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件、可由個(gè)人穿戴的位于相應(yīng)骨骼關(guān)節(jié)的近側(cè)的 近側(cè)構(gòu)件W及位于所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件與近側(cè)構(gòu)件之間的連結(jié)機(jī)構(gòu)，由此，所述連結(jié)機(jī)構(gòu)的致動(dòng) 將被轉(zhuǎn)換為所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件或近側(cè)構(gòu)件處的正交于延伸穿過所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件和近側(cè)構(gòu)件的主 縱向軸線的力。在該實(shí)施方式中，可選地，所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件和近側(cè)構(gòu)件中的至少另一者包括交 叉構(gòu)件，并且所述連結(jié)機(jī)構(gòu)從所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件或所述近側(cè)構(gòu)件的所述交叉構(gòu)件延伸到所述遠(yuǎn) 側(cè)構(gòu)件和所述近側(cè)構(gòu)件中的另一者。在一個(gè)【具體實(shí)施方式】中，所述遠(yuǎn)側(cè)模塊和所述近側(cè)模 塊兩者均包括遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件、近側(cè)構(gòu)件、交叉構(gòu)件和連結(jié)機(jī)構(gòu)。所述遠(yuǎn)側(cè)模塊和所述近側(cè)模塊可 W由共同構(gòu)件聯(lián)接，其中所述遠(yuǎn)側(cè)模塊的所述近側(cè)構(gòu)件也至少是所述近側(cè)模塊的所述遠(yuǎn)側(cè) 構(gòu)件的部件。所述遠(yuǎn)側(cè)模塊和所述近側(cè)模塊可W被剛性地聯(lián)接。在一個(gè)實(shí)施方式中，所述共 同構(gòu)件包括將所述遠(yuǎn)側(cè)模塊聯(lián)接到所述近側(cè)模塊的自由度。例如，所述自由度可W是在大 致平行于所述近側(cè)模塊和遠(yuǎn)側(cè)模塊中的至少一者的旋轉(zhuǎn)平面的平面中引起旋轉(zhuǎn)的較鏈。例 如，所述遠(yuǎn)側(cè)模塊可W是構(gòu)造成供人體膝關(guān)節(jié)使用的外骨骼、矯形器或假肢，而所述近側(cè)模 塊可W是構(gòu)造成供人體髓關(guān)節(jié)使用的外骨骼、矯形器或假肢。在【具體實(shí)施方式】中，所述遠(yuǎn)側(cè) 模塊和近側(cè)模塊的所述連結(jié)機(jī)構(gòu)可W各包括絞盤致動(dòng)器或滾珠絲杠致動(dòng)器。在一個(gè)特別優(yōu) 選的實(shí)施方式中，所述遠(yuǎn)側(cè)模塊的所述交叉構(gòu)件包括滑輪并包括連結(jié)所述滑輪的線繩，并 且所述遠(yuǎn)側(cè)模塊的連結(jié)機(jī)構(gòu)包括絞盤致動(dòng)器，從而所述遠(yuǎn)側(cè)模塊的所述連結(jié)機(jī)構(gòu)的致動(dòng)會(huì) 引起固定到所述遠(yuǎn)側(cè)模塊的所述人體膝關(guān)節(jié)的伸展。例如，所述遠(yuǎn)側(cè)模塊的所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件 可W包括將所述滑輪連結(jié)到所述遠(yuǎn)側(cè)模塊的所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件的板黃。在一個(gè)實(shí)施方式中，所 述遠(yuǎn)側(cè)模塊的所述交叉構(gòu)件從所述近側(cè)模塊的所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件的所述較鏈向近側(cè)延伸。所述 近側(cè)模塊的所述連結(jié)機(jī)構(gòu)可W包括線繩并包括位于所述近側(cè)模塊的所述近側(cè)構(gòu)件處的絞 盤致動(dòng)器，其中所述線繩從所述近側(cè)模塊的所述交叉構(gòu)件延伸到所述絞盤致動(dòng)器，由此，所 述近側(cè)模塊的所述連結(jié)機(jī)構(gòu)的致動(dòng)將引起固定到所述近側(cè)模塊的人體髓關(guān)節(jié)的屈曲運(yùn)動(dòng)。 在替代實(shí)施方式中，所述近側(cè)模塊的所述連結(jié)機(jī)構(gòu)包括滾珠絲杠致動(dòng)器，由此，所述連結(jié)機(jī) 構(gòu)的致動(dòng)是雙向的，并且選擇性地引起固定到所述近側(cè)構(gòu)件的人體髓關(guān)節(jié)的屈曲和伸展。
[0018] 在另一實(shí)施方式中，所述下肢裝置進(jìn)一步包括位于所述遠(yuǎn)側(cè)模塊的遠(yuǎn)側(cè)的踩關(guān)節(jié) 模塊，其中所述踩關(guān)節(jié)模塊被聯(lián)接到所述遠(yuǎn)側(cè)模塊，并且其中所述遠(yuǎn)側(cè)模塊和所述踩關(guān)節(jié) 模塊共用一共同構(gòu)件。在該示例的一個(gè)實(shí)施方式中，所述踩關(guān)節(jié)模塊包括踩關(guān)節(jié)遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件、 踩關(guān)節(jié)近側(cè)構(gòu)件W及位于所述踩關(guān)節(jié)遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件與所述踩關(guān)節(jié)近側(cè)構(gòu)件之間的踩關(guān)節(jié)連結(jié) 機(jī)構(gòu)，由此，所述踩關(guān)節(jié)連結(jié)機(jī)構(gòu)的致動(dòng)將被轉(zhuǎn)換為所述踩關(guān)節(jié)遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件或所述踩關(guān)節(jié)近 側(cè)構(gòu)件處的正交于延伸穿過所述踩關(guān)節(jié)遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件和踩關(guān)節(jié)近側(cè)構(gòu)件的主縱向軸線的力。在 所述下肢裝置的一個(gè)運(yùn)樣的實(shí)施方式中，所述踩關(guān)節(jié)遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件和踩關(guān)節(jié)近側(cè)構(gòu)件中的至少 一者或另一者包括踩關(guān)節(jié)交叉構(gòu)件，其中所述踩關(guān)節(jié)連結(jié)機(jī)構(gòu)從所述踩關(guān)節(jié)遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件或所 述踩關(guān)節(jié)近側(cè)構(gòu)件的所述踩關(guān)節(jié)交叉構(gòu)件延伸到所述踩關(guān)節(jié)遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件和所述踩關(guān)節(jié)近側(cè) 構(gòu)件中的另一者。
[0019] 在一個(gè)實(shí)施方式中，所述踩關(guān)節(jié)模塊的所述交叉構(gòu)件從所述踩關(guān)節(jié)模塊的所述遠(yuǎn) 側(cè)構(gòu)件向近側(cè)延伸。在特定實(shí)施方式中，所述踩關(guān)節(jié)模塊的所述連結(jié)機(jī)構(gòu)包括位于所述踩 關(guān)節(jié)模塊的所述近側(cè)構(gòu)件處的絞盤致動(dòng)器，其中所述絞盤致動(dòng)器的線繩從所述交叉構(gòu)件的 近端延伸到所述踩關(guān)節(jié)模塊的所述絞盤致動(dòng)器，由此，所述連結(jié)機(jī)構(gòu)的致動(dòng)會(huì)引起固定到 所述踩關(guān)節(jié)模塊的人體踩關(guān)節(jié)的巧屈。
[0020] 例如，本發(fā)明的可穿戴下肢裝置可W是用于人體踩關(guān)節(jié)的外骨骼、矯形器或假肢， 并且所述近側(cè)模塊可W是用于人體膝關(guān)節(jié)的外骨骼、矯形器或假肢。
[0021] 在一個(gè)實(shí)施方式中，所述可穿戴裝置包括向所述交叉構(gòu)件施加大致線性力的連結(jié) 機(jī)構(gòu)。
[0022] 在又一實(shí)施方式中，本發(fā)明的裝置包括地面連結(jié)機(jī)構(gòu)，該地面連結(jié)機(jī)構(gòu)相對(duì)于人 體股骨的遠(yuǎn)端或人體腔骨的近端固定。具有第一端和第二端的輸入連結(jié)機(jī)構(gòu)被固定到限定 旋轉(zhuǎn)軸線的樞軸并且圍繞所述樞軸旋轉(zhuǎn)，其中所述樞軸在所述第一端處將所述輸入連結(jié)機(jī) 構(gòu)連結(jié)到所述地面連結(jié)機(jī)構(gòu)。具有第一端和第二端的聯(lián)接器被樞轉(zhuǎn)地安裝到所述輸入連結(jié) 機(jī)構(gòu)的所述第二端。輸出連結(jié)機(jī)構(gòu)相對(duì)于人體股骨的遠(yuǎn)端或人體腔骨的近端中的另一者固 定，并且具有第一端和第二端，所述輸出連結(jié)機(jī)構(gòu)的所述第一端在所述聯(lián)接器的所述第一 端處被樞轉(zhuǎn)地安裝到所述聯(lián)接器的所述第二端?；瑒?dòng)連結(jié)機(jī)構(gòu)位于所述地面連結(jié)機(jī)構(gòu)與所 述輸出連結(jié)機(jī)構(gòu)之間，從而固定所述裝置的所述人體膝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)將引起所述輸出連結(jié)機(jī) 構(gòu)的旋轉(zhuǎn)軸線相對(duì)于所述地面連結(jié)機(jī)構(gòu)平移，W追蹤所述人體膝關(guān)節(jié)的兩個(gè)自由度，其中 所述人體膝關(guān)節(jié)圍繞正交于矢狀平面的軸線在所述矢狀平面中旋轉(zhuǎn)，但相對(duì)于所述樞軸的 旋轉(zhuǎn)軸線移動(dòng)，將所述輸入連結(jié)機(jī)構(gòu)的所述第一端連結(jié)到所述地面連結(jié)機(jī)構(gòu)。在該實(shí)施方 式中，所述滑動(dòng)連結(jié)機(jī)構(gòu)包括由所述輸出連結(jié)機(jī)構(gòu)限定的槽縫，其中來自所述地面連結(jié)機(jī) 構(gòu)的突起延伸穿過由所述滑動(dòng)連結(jié)機(jī)構(gòu)限定的所述槽縫，所述滑動(dòng)連結(jié)機(jī)構(gòu)將所述輸出連 結(jié)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)軸線的運(yùn)動(dòng)限制為正交于所述樞軸的旋轉(zhuǎn)軸線的線。
[0023] 本發(fā)明的一個(gè)目的是修改外骨骼、矯形器或假肢在肢體上的力分布。意圖改變力， 使得力不再平行于肢體軸線，但相反垂直于軸線，從而加載將基本更舒適。
[0024] 本發(fā)明的另一目的是將行星扭矩從主動(dòng)裝置或被動(dòng)裝置傳遞到肢體而不改變正 常生物關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。意圖通過利用無約束的多DOF機(jī)構(gòu)將扭矩施加到肢體，從而提供所述裝置 的自適應(yīng)瞬屯、軌跡使之匹配生物關(guān)節(jié)的自適應(yīng)瞬屯、軌跡。
[0025] 本發(fā)明的裝置采用不需要人工關(guān)節(jié)的幾何構(gòu)造，因此，使所述裝置更舒適且更輕。 本發(fā)明的裝置的舒適性和重量在其增加或修復(fù)穿戴所述裝置的個(gè)人的物理性能的能力方 面發(fā)揮了很大的作用。
[0026] 本發(fā)明的裝置可W在外部源將扭矩施加到關(guān)節(jié)的同時(shí)依據(jù)正常生物關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)來 限制裝置的聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)和設(shè)定瞬屯、軌跡。結(jié)果，在很大程度上避免了肢體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)與機(jī)械接 口運(yùn)動(dòng)之間的不匹配，W及皮膚剪切力、個(gè)人與裝置之間的不希望的滑移和滯后相互作用。
[0027] 本發(fā)明的裝置還可W作用在矢狀平面中，使得外部源可W將扭矩施加到個(gè)人的關(guān) 節(jié)而不阻礙關(guān)節(jié)在其它平面(即，冠狀平面或橫向平面）中的旋轉(zhuǎn)。結(jié)果，極大地避免了生物 踩關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)與機(jī)械接口運(yùn)動(dòng)之間的不匹配，W及不希望的由個(gè)人所穿戴裝置增添的較大額 外慣性。
[0028] 在本發(fā)明的又一方面中，力平衡傳動(dòng)裝置維持在個(gè)人的矢狀平面中，使得外部源 可W將扭矩施加到矢狀平面中的生物關(guān)節(jié)而不阻礙生物關(guān)節(jié)在其它兩個(gè)平面中的旋轉(zhuǎn)。本 發(fā)明的裝置還避免了與個(gè)人穿戴者的機(jī)械接口處的顯著皮膚剪切力。結(jié)果，例如，基本避免 了踩關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)與機(jī)械接口運(yùn)動(dòng)之間的不匹配，W及由本發(fā)明的裝置增添的不希望的較大額 外慣性。
[0029] 本發(fā)明的潛在商業(yè)應(yīng)用包括增強(qiáng)的人體運(yùn)動(dòng)功能。具體地，增強(qiáng)可集中于修改身 強(qiáng)力壯的人或有運(yùn)動(dòng)病理的個(gè)人的走動(dòng)。為了用在身強(qiáng)力壯的個(gè)人上，本發(fā)明可W增強(qiáng)運(yùn) 動(dòng)功能，超出了 W其它方式生理上可行的運(yùn)動(dòng)功能。例如，可W采用物理增強(qiáng)W輔助專業(yè)職 責(zé)(諸如軍事或民用服務(wù)職責(zé)）、運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)、娛樂或其它機(jī)會(huì)。此外，由運(yùn)動(dòng)病理(諸如帕金森 氏病或膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎)產(chǎn)生的步態(tài)功能障礙，或者年齡相關(guān)的運(yùn)動(dòng)功能降低的恢復(fù)可 W通過本發(fā)明來治療或緩解。運(yùn)些潛在應(yīng)用中的每個(gè)均W改進(jìn)的加載分布來突出與外骨骼 關(guān)聯(lián)的商業(yè)可能性。
【附圖說明】
[0030] 根據(jù)如附圖中圖示的本發(fā)明的示例實(shí)施方式的W下更特定描述，前述內(nèi)容將是明 顯的，其中在所有不同視圖中，相同的附圖標(biāo)記表示相同的部分。附圖不一定按比例繪制， 而是將重點(diǎn)放在圖示本發(fā)明的實(shí)施方式上。
[0031] 圖1是個(gè)人穿戴的本發(fā)明裝置的一個(gè)實(shí)施方式的立體圖，并且包括具有電動(dòng)線軸 致動(dòng)器的踩關(guān)節(jié)外骨骼。
[0032] 圖2A是圖1的實(shí)施方式的另一立體圖，其中所述裝置處于巧屈。
[0033] 圖2B是圖1的實(shí)施方式的又一立體圖，其中所述裝置處于背屈。
[0034] 圖3是圖1、圖2A和圖2B所示的實(shí)施方式的分解圖。
[0035] 圖4是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的電動(dòng)線軸致動(dòng)器部件的立體圖。
[0036] 圖5是圖4的電動(dòng)線軸致動(dòng)器的分解圖。
[0037] 圖6是示出本發(fā)明的膝關(guān)節(jié)外骨骼實(shí)施方式的全身視圖。
[0038] 圖7A是圖6的膝關(guān)節(jié)外骨骼在屈曲期間的側(cè)視圖。
[0039] 圖7B是圖6的膝關(guān)節(jié)外骨骼在伸展期間的側(cè)視圖。
[0040]圖8是圖6的膝關(guān)節(jié)外骨骼的分解圖。
[0041 ]圖9是本發(fā)明的髓關(guān)節(jié)外骨骼的全身實(shí)施的立體圖。
[0042] 圖10是圖9所示的本發(fā)明實(shí)施方式的髓關(guān)節(jié)外骨骼滾珠絲杠致動(dòng)器部件的分解 圖。
[0043] 圖11A是在第一位置具有不固定的旋轉(zhuǎn)軸線的本發(fā)明的兩D0F五桿聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的一 個(gè)實(shí)施方式的拓?fù)浔硎尽?br>[0044] 圖11B是圖11A所示處于第二位置的本發(fā)明的兩D0F五桿聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的拓?fù)浔硎尽?br>[0045] 圖11C是圖11A所示處于第Ξ位置的本發(fā)明的兩D0F五桿聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的拓?fù)浔硎?，?中人工關(guān)節(jié)與生物關(guān)節(jié)之間的不匹配不同于圖11B所示位置的不匹配。
[0046] 圖11D至圖UE是處于第Ξ位置且疊加在生物膝關(guān)節(jié)上的兩D0F五桿聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的拓 撲表示。
[0047] 圖12A是在第一位置中具有純旋轉(zhuǎn)約束的本發(fā)明的兩D0F五桿聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)實(shí) 施方式的拓?fù)浔硎尽?br>[0048] 圖12B是圖12A所示處于第二位置的本發(fā)明的兩D0F五桿聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的拓?fù)浔硎尽?br>[0049] 圖13A至圖13B圖示了施加到膝關(guān)節(jié)的兩D0F五桿聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)。
[0050] 圖14是本發(fā)明的關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的一個(gè)【具體實(shí)施方式】的立體圖。
[0051] 圖15是圖14的關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的分解圖。
[0052] 圖16A是圖14的關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的正視圖。
[0053] 圖16B是圖14的關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的橫截面正視圖。
[0054] 圖17A是圖14的關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的側(cè)視圖。
[0055] 圖17B是圖14的關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的橫截面?zhèn)纫晥D。
[0056] 圖18A是圖14的關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)處于第一位置的后視圖。
[0057] 圖18B是比圖18A所示的第一位置具有更大屈曲的第二位置中的圖14的關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu) 的后視圖。
[0058] 圖19A是本發(fā)明的踩關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的另一實(shí)施方式的輪廓圖。
[0059] 圖19B是圖19A的踩關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的立體圖。
[0060] 圖20是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中的最佳形狀推導(dǎo)的示意圖。身體固定的坐標(biāo)系的 原點(diǎn)與圖片中左下方的軸吻合。定義為地面連結(jié)機(jī)構(gòu)的輸出桿是水平的。腳連結(jié)機(jī)構(gòu)被限 定為從原點(diǎn)到踩關(guān)節(jié)A。腔部連結(jié)機(jī)構(gòu)從(x，y)到達(dá)引導(dǎo)管的卷曲延伸。R是腳連結(jié)機(jī)構(gòu)的長(zhǎng) 度，并且L是腔部連結(jié)機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)度。
[0061] 圖21是本發(fā)明的下肢外骨骼的一個(gè)實(shí)施方式的側(cè)視圖。
[0062] 圖22是圖21的下肢外骨骼的踩關(guān)節(jié)模塊的側(cè)視圖。
[0063] 圖23是圖21的下肢外骨骼的膝關(guān)節(jié)模塊的側(cè)視圖。
[0064] 圖24是圖21的下肢外骨骼的髓關(guān)節(jié)模塊的側(cè)視圖。
[0065] 圖25是圖21的下肢外骨骼的絞盤致動(dòng)器的分解圖。
[0066] 圖26A是個(gè)人穿戴的本發(fā)明裝置的另一實(shí)施方式的立體圖，并且包括具有可充式 囊致動(dòng)器的踩關(guān)節(jié)外骨骼。
[0067] 圖2她是圖示背屈的圖26A的實(shí)施方式的另一立體圖。
【具體實(shí)施方式】
[0068] 本發(fā)明的示例實(shí)施方式的描述如下。
[0069] 本發(fā)明設(shè)及一種與人物理相互作用的輔助或增強(qiáng)裝置。本發(fā)明的一個(gè)部分設(shè)及與 人物理相接的下肢關(guān)節(jié)外骨骼。本發(fā)明的第二部分設(shè)及與人物理相接而在同一平面的肢體 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)與機(jī)械接口運(yùn)動(dòng)之間沒有顯著不匹配的關(guān)節(jié)外骨骼或輔助裝置。本發(fā)明的第Ξ部 分設(shè)及與人相接而不向人體增添顯著額外腿部慣性或阻礙踩關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的踩關(guān)節(jié)外骨骼或 輔助裝置。本發(fā)明的第四部分設(shè)及運(yùn)樣的裝置，其能夠在矢狀平面中施加扭矩的同時(shí)外部- 內(nèi)部旋轉(zhuǎn)W及反轉(zhuǎn)-翻轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)，使得附接的生物踩關(guān)節(jié)可W維持正常步態(tài)。本發(fā)明的第五部 分設(shè)及在使皮膚上的剪切最小化的同時(shí)增強(qiáng)髓關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踩關(guān)節(jié)的裝置。
[0070] 部分 I:
[0071] 在一個(gè)實(shí)施方式中，本發(fā)明設(shè)及可穿戴裝置，諸如下肢外骨骼，其與下肢的人體關(guān) 節(jié)機(jī)械相互作用，同時(shí)維持關(guān)節(jié)柔性并且減少皮膚上的剪切。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中， 為了維持關(guān)節(jié)柔性并且降低重量和復(fù)雜性，本發(fā)明的裝置不具有與解剖學(xué)關(guān)節(jié)平行的機(jī)械 關(guān)節(jié)。相反，本發(fā)明的裝置具有關(guān)于解剖學(xué)關(guān)節(jié)從遠(yuǎn)側(cè)附接至人體的至少一個(gè)部件，并且具 有關(guān)于解剖學(xué)關(guān)節(jié)從近側(cè)附接至身體的至少一個(gè)部件。致動(dòng)器在運(yùn)些部件之間施加力，W 便減少皮膚上的無功的剪切應(yīng)力。換句話說，力一般施加在身體表面的正交方向（即，垂直） 上。下面解釋本發(fā)明的該實(shí)施方式的細(xì)節(jié)。
[00巧 2.1裝置附接
[0073] 在一個(gè)實(shí)施方式中，遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件和近側(cè)構(gòu)件中的一者或另一者包括交叉構(gòu)件，其中 連結(jié)機(jī)構(gòu)從所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件或所述近側(cè)構(gòu)件的所述交叉構(gòu)件延伸到所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件或所述近 側(cè)構(gòu)件中的另一者。在一個(gè)【具體實(shí)施方式】中，所述交叉構(gòu)件是剛性的。所述交叉構(gòu)件可W剛 性地固定到所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件或所述近側(cè)構(gòu)件中的一者或另一者。
[0074] 在【具體實(shí)施方式】中，所述連結(jié)機(jī)構(gòu)包括滾珠絲杠致動(dòng)器。在另一實(shí)施方式中，所述 連結(jié)機(jī)構(gòu)和所述交叉構(gòu)件是系列彈性致動(dòng)器的部件。所述系列彈性致動(dòng)器可W例如是雙向 致動(dòng)器，諸如氣動(dòng)致動(dòng)器。供本發(fā)明使用的合適的氣動(dòng)致動(dòng)器的示例包括硬化系列彈性元 件。在另一實(shí)施方式中，所述氣動(dòng)致動(dòng)器包括可充式囊。在又一實(shí)施方式中，所述系列彈性 致動(dòng)器是單向致動(dòng)器，諸如氣動(dòng)致動(dòng)器或電動(dòng)線軸致動(dòng)器。
[0075] 所述交叉構(gòu)件可W包括遠(yuǎn)端和近端，其中所述遠(yuǎn)端在一端處固定到所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件 并且大致正交于所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件的主縱向軸線，并且其中所述連結(jié)機(jī)構(gòu)在所述交叉構(gòu)件的所 述近端與所述近側(cè)構(gòu)件之間延伸。在【具體實(shí)施方式】中，所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件包括一表面，該表面大 致平行于與在所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件與近側(cè)構(gòu)件之間延伸的所述主縱向軸線正交的平面。在一個(gè)實(shí) 施方式中，本發(fā)明的裝置進(jìn)一步包括從所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件延伸的第二交叉構(gòu)件，其中所述交叉 構(gòu)件彼此大致平行。
[0076] 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件被構(gòu)造成支撐人腳并且待被固定到人 腳，其中所述交叉構(gòu)件被構(gòu)造成大致從背側(cè)延伸并且平行于從人腳延伸的腔骨，并且其中 所述近側(cè)構(gòu)件被固定到人體小腿，其中電動(dòng)線軸致動(dòng)器包括線纜，該線纜連結(jié)到所述交叉 構(gòu)件的所述近端并且W與人體腔骨的主縱向軸線正交的方式跨越小腿，由此，所述致動(dòng)器 的致動(dòng)會(huì)引起所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件圍繞人體踩關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)，從而至少輔助人腳在步行同時(shí)的巧 屈。
[0077]在一個(gè)實(shí)施方式中，所述近側(cè)構(gòu)件與遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件之間的所述連結(jié)機(jī)構(gòu)僅向所述交叉 構(gòu)件施加大致線性力。
[007引在【具體實(shí)施方式】中，在圖1至圖3、圖6至圖8和圖9中示出的外骨骼100、600、900分 別包括在關(guān)節(jié)的遠(yuǎn)側(cè)附接至身體的至少一個(gè)部件，被稱為"遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件"103、624、934,并且分 別包括在關(guān)節(jié)的近側(cè)附接至身體的至少一個(gè)部件，被稱為"近側(cè)構(gòu)件"104、626、937。關(guān)節(jié)元 件包括兩個(gè)構(gòu)件之間的連接件(例如，銷或軸承，等等），用于W類似于解剖學(xué)關(guān)節(jié)的方式限 制運(yùn)動(dòng)。遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件和近側(cè)構(gòu)件不與關(guān)節(jié)元件連接，由此維持解剖學(xué)關(guān)節(jié)的全范圍運(yùn)動(dòng)。
[0079] 雖然遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件和近側(cè)構(gòu)件在關(guān)節(jié)的相應(yīng)側(cè)附接至身體，但是構(gòu)件中的一個(gè)延伸通 過分別穿過圖2A和圖2B的關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中屯、109、110的虛擬水平平面"A";該構(gòu)件被稱為"交叉 構(gòu)件"?？缭剿疥P(guān)節(jié)平面的構(gòu)件將被稱為"交叉構(gòu)件"，并且不與水平關(guān)節(jié)平面交叉的構(gòu)件 將被稱為"非交叉構(gòu)件"。例如，分別位于描繪的踩關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和髓關(guān)節(jié)外骨骼中的遠(yuǎn)側(cè)構(gòu) 件103 (圖1、圖2A和圖2B)、624 (圖6、圖7A和圖7B)和934 (圖9)被分別剛性地固定到交叉構(gòu)件 130、632和936,并且近側(cè)構(gòu)件104、626、937是非交叉構(gòu)件。本發(fā)明的踩關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)外骨骼 還各具有內(nèi)側(cè)交叉構(gòu)件13U633和外側(cè)交叉構(gòu)件130、632。做出運(yùn)些區(qū)別或者是因?yàn)榻鼈?cè)構(gòu) 件或遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件可W剛性地固定到交叉構(gòu)件，或者是因?yàn)榘ń徊鏄?gòu)件。在一個(gè)實(shí)施方式中， 交叉構(gòu)件本身是剛性的。在另一實(shí)施方式中，例如圖19A和圖19B代表的裝置中所示，交叉構(gòu) 件是可屈曲的。在又一實(shí)施方式中，交叉構(gòu)件饋如圖1、圖2A、圖2B、圖6、圖7A、圖7B或圖9中 的任一個(gè)交叉構(gòu)件)是半剛性的，調(diào)整柔性W輸送機(jī)械功率放大，從而W例如彈射器的方式 操作。
[0080] 如本文中在其最廣泛意義上采用的術(shù)語"馬達(dá)"是創(chuàng)建工作的任何事物。例如，在 一些實(shí)施方式中，馬達(dá)可W是呈現(xiàn)系列彈性的機(jī)械部件(諸如交叉構(gòu)件與本發(fā)明的可穿戴 裝置的近側(cè)構(gòu)件或遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件之間的連結(jié)機(jī)構(gòu))與合適的致動(dòng)器的組合。
[0081 ]參照?qǐng)D1、圖2A、圖2B和圖3,踩關(guān)節(jié)外骨骼100具有連接到腳101的遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件103,并 且具有附接至腔部102的近側(cè)構(gòu)件104。踩關(guān)節(jié)外骨骼100具有至少一個(gè)交叉構(gòu)件，諸如交叉 構(gòu)件130、131。踩關(guān)節(jié)外骨骼100上的近側(cè)腔部構(gòu)件104并不穿過虛擬水平平面A(圖2A至圖 2B)。遠(yuǎn)側(cè)腳部件103具有內(nèi)側(cè)交叉構(gòu)件131和外側(cè)交叉構(gòu)件130兩者，運(yùn)兩者具有用于電動(dòng) 線軸致動(dòng)器線纜112(圖3)的相應(yīng)附接點(diǎn)129、128。由電動(dòng)線軸致動(dòng)器105施加的力用放置在 致動(dòng)器主體與近側(cè)腔部構(gòu)件104之間的力傳感器111測(cè)量。近側(cè)腔部構(gòu)件104包括后部突起 113,該后部突起113引導(dǎo)交叉構(gòu)件130、131并且防止交叉構(gòu)件130、131戳到腔部102的小腿 上。
[0082] 圖6至圖8中示出的膝關(guān)節(jié)外骨骼600包括連接到腔部602的遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件624,并且包 括附接至大腿625的近側(cè)構(gòu)件626。膝關(guān)節(jié)外骨骼600的遠(yuǎn)側(cè)腔骨袖套624還具有內(nèi)側(cè)交叉構(gòu) 件633和外側(cè)交叉構(gòu)件632兩者，運(yùn)兩者具有相應(yīng)的線纜附接點(diǎn)627、628,如圖8所示。膝關(guān)節(jié) 外骨骼600上的近側(cè)大腿構(gòu)件626并不穿過圖6和圖7中示出的水平膝關(guān)節(jié)平面"B"。
[0083] 如圖9中可W看到的，髓關(guān)節(jié)外骨骼900具有連接到大腿625的遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件934,并且 具有附接至腰部935的近側(cè)構(gòu)件937。髓關(guān)節(jié)外骨骼900還具有附接至遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件934的外側(cè)交 叉構(gòu)件936。髓關(guān)節(jié)外骨骼900的近側(cè)腰部構(gòu)件937并不穿過水平髓關(guān)節(jié)平面r'。該外骨骼 包括滾珠絲杠致動(dòng)器938,用于圍繞穿戴膝關(guān)節(jié)外骨骼900的個(gè)人的髓關(guān)節(jié)施加屈曲力矩和 伸展力矩兩者。
[0084] 在上述踩關(guān)節(jié)外骨骼、膝關(guān)節(jié)外骨骼和髓關(guān)節(jié)外骨骼的每個(gè)中，通過在每個(gè)相應(yīng) 外骨骼的非交叉?zhèn)葘⒕€性致動(dòng)器連接到交叉構(gòu)件和非交叉構(gòu)件而圍繞個(gè)人穿戴者相應(yīng)的 踩關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和髓關(guān)節(jié)施加力矩。例如，所描繪的踩關(guān)節(jié)外骨骼100和膝關(guān)節(jié)外骨骼600分 別示出在每個(gè)關(guān)節(jié)的近側(cè)跨越交叉構(gòu)件130、132和630、632W及相應(yīng)非交叉構(gòu)件104和626 的線軸致動(dòng)器105。線軸致動(dòng)器105的線纜112將交叉構(gòu)件連結(jié)到非交叉構(gòu)件并且僅將大致 線性力施加到交叉構(gòu)件。線軸致動(dòng)器105的殼體115(圖4和圖5所示）附接至近側(cè)構(gòu)件104、 626(分別見圖1和圖6，），并且被致動(dòng)線纜端附接至遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件128、129、627、628(圖3和圖8) 的近端。線軸致動(dòng)器115在下文的章節(jié)2.2中更詳細(xì)地討論。髓關(guān)節(jié)外骨骼900(圖9)包括滾 珠絲杠致動(dòng)器938,該滾珠絲杠致動(dòng)器938在髓關(guān)節(jié)的近側(cè)連接到交叉構(gòu)件936和非交叉構(gòu) 件937。線性致動(dòng)器在關(guān)節(jié)的非交叉?zhèn)冗B接到交叉構(gòu)件和非交叉構(gòu)件實(shí)現(xiàn)了運(yùn)樣的幾何形 狀，即：減少了個(gè)人皮膚的剪切力，并且可W實(shí)現(xiàn)較大的杠桿臂，從而增加了舒適性和功效。
[0085] 交叉構(gòu)件的剛度和幾何形狀對(duì)于柔性和外骨骼功效是重要的。在穿戴該裝置的個(gè) 人的矢狀平面和冠狀平面兩者之中，交叉構(gòu)件可W或是可屈曲的或是剛性的。矢狀平面的 柔性本身適合于系列彈性致動(dòng)器，并且冠狀平面的柔性增加了關(guān)節(jié)柔性。交叉構(gòu)件可W使 各種各樣的構(gòu)造的關(guān)節(jié)交叉。所描繪的踩關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)外骨骼具有兩個(gè)交叉構(gòu)件，運(yùn)兩個(gè) 交叉構(gòu)件從遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件延伸并且在關(guān)節(jié)的內(nèi)側(cè)和外側(cè)使關(guān)節(jié)交叉。圖9和圖10的髓關(guān)節(jié)外骨 骼僅具有使髓關(guān)節(jié)交叉的一個(gè)外側(cè)交叉構(gòu)件。交叉構(gòu)件還可W在穿戴該裝置的個(gè)人的后側(cè) 或前側(cè)跨越關(guān)節(jié)。
[0086] 存在各種各樣合適的方法，借此方法將交叉構(gòu)件和非交叉構(gòu)件物理附接至個(gè)人的 身體。一種可行方法包括:實(shí)施僅依靠摩擦和肢體幾何形狀來保持到位的合身袖套。所述構(gòu) 件還可W用合適的生物相容性粘合劑(諸如本領(lǐng)域已知的生物相容性粘合劑Γ膠接"至皮 膚。所述構(gòu)件還可圍繞身體用帶或扣收緊。裁剪非交叉構(gòu)件的形狀W防止交叉構(gòu)件與接觸 交叉構(gòu)件的近側(cè)身體部分之間的磨損和碰撞。圖1至圖4所描繪的踩關(guān)節(jié)外骨骼示出了具有 漸縮背面113的近側(cè)構(gòu)件，該漸縮背面113圍繞個(gè)人的腔部102引導(dǎo)交叉構(gòu)件130、131。
[0087] -般而言，致動(dòng)器105可W位于裝置的遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件或近側(cè)構(gòu)件的任一側(cè)。通常，有利 的是將致動(dòng)器放置在近側(cè)構(gòu)件上，W減少該裝置關(guān)于個(gè)人質(zhì)量中屯、的慣性。運(yùn)從代謝性和 舒適性兩種角度是有利的。
[0088] 盡管上述幾何形狀橫跨下肢的單個(gè)關(guān)節(jié)實(shí)施，但是相同的原理還可W應(yīng)用于雙關(guān) 節(jié)裝置和多關(guān)節(jié)裝置。例如，可W同時(shí)采用所描繪的踩關(guān)節(jié)外骨骼、膝關(guān)節(jié)外骨骼和髓關(guān)節(jié) 外骨骼。在一個(gè)運(yùn)樣的實(shí)施中，踩關(guān)節(jié)外骨骼的近側(cè)構(gòu)件也可W操作為膝關(guān)節(jié)外骨骼的遠(yuǎn) 側(cè)構(gòu)件，并且膝關(guān)節(jié)外骨骼的近側(cè)構(gòu)件也可W操作為髓關(guān)節(jié)外骨骼的遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件。
[00例 2.2致動(dòng)器設(shè)計(jì)
[0090] 外骨骼可能或者需要雙向致動(dòng)器，可W沿兩個(gè)方向施加力的致動(dòng)器;或者需要單 向致動(dòng)器，僅可W沿一個(gè)方向施加顯著的力。雙向致動(dòng)器允許對(duì)關(guān)節(jié)的完全控制，但還設(shè)及 更大量的復(fù)雜性。單向致動(dòng)器更限制它可W施加的力，但可適當(dāng)用于僅在一個(gè)方向上需要 大量增加的關(guān)節(jié)，諸如踩關(guān)節(jié)。
[0091] 圖4和圖5中示出的線軸致動(dòng)器105采用電動(dòng)旋轉(zhuǎn)馬達(dá)114(諸如無刷馬達(dá)），具有帶 傳動(dòng)裝置"T"來驅(qū)動(dòng)線軸116。帶傳動(dòng)裝置T包括驅(qū)動(dòng)滑輪118、線軸滑輪119和帶120。線軸 116纏繞線纜元件(例如繩帶、線纜、織帶，等等）112,例如，該線纜元件112分別將線纜端的 力施加在交叉構(gòu)件130、131的近端128、129(圖3)上。線軸116在軸承122上運(yùn)轉(zhuǎn)W減少摩擦。 線纜112由一對(duì)漉117(圖5)引導(dǎo)，運(yùn)對(duì)漉117在軸承123上運(yùn)轉(zhuǎn)W減少摩擦。線軸致動(dòng)器105 是單向的，但交叉構(gòu)件130、131的較大杠桿臂（圖3)和線軸116的相對(duì)較小直徑（圖5)提供了 高效而緊湊的傳動(dòng)裝置。例如，整個(gè)致動(dòng)器系統(tǒng)被容納在緊湊重量低的侶主體--諸如殼體 115(圖4和圖5)中。
[0092] 例如在圖9和圖10中示出的滾珠絲杠致動(dòng)器938是采用旋轉(zhuǎn)式無刷電動(dòng)馬達(dá)914 (圖10)和帶驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置917的雙向電動(dòng)致動(dòng)器，該帶驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置917包括驅(qū)動(dòng)滑輪918、 線軸滑輪919和帶920,用W經(jīng)由滾珠螺母940來驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠944。滾珠絲杠致動(dòng)器938也可 W放置在線性軸承939、943上，W便減少個(gè)人皮膚的豎直剪切。遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件或大腿袖套934(圖 9)在交叉構(gòu)件936處經(jīng)由銷關(guān)節(jié)941附接至滾珠螺母940。線性電動(dòng)馬達(dá)(未示出）也可W用 作雙向致動(dòng)器。
[0093] 氣動(dòng)致動(dòng)器的高功率密度和固有系列彈性對(duì)本發(fā)明的裝置(諸如本發(fā)明的外骨 骼、假肢或矯形器)是有利的。氣缸可W用作單向或雙向致動(dòng)器。加壓空氣固有是彈性的，并 且可W采用為硬化系列彈性元件，剛度隨著位移而增加。可充式囊也可W采用為質(zhì)量非常 低的高功率單向致動(dòng)器。致動(dòng)器閥可W用于控制經(jīng)過氣動(dòng)致動(dòng)器的空氣流。例如，所述閥可 W是開/關(guān)閥或比例閥。例如，氣動(dòng)致動(dòng)器可W用壓縮空氣罐或隨身攜帶的壓縮機(jī)被動(dòng)地提 供動(dòng)力。隨身攜帶的壓縮機(jī)可W采用高能量密度的液體燃料，諸如過氧化氨、汽油或柴油。
[0094] 2.3電子裝置和控制裝置
[0095] 為了使本發(fā)明的裝置具有自主性，優(yōu)選地，能量源應(yīng)該由個(gè)人隨身攜帶。能量源可 W直接附接至近側(cè)構(gòu)件、遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件或分離位置，諸如圖1、圖6和圖9所示的背包或腰包106。 能量源可W具有高質(zhì)量能量密度和高體積能量密度兩者。能量源可W是W下中的一者或組 合:電動(dòng)電池108、加壓空氣、易燃液體(氣體、柴油、過氧化氨、丙烷）、單組元推進(jìn)劑（即過氧 化氨）、熱電池、燃料電池或太陽能電池。
[0096] 隨身攜帶的微控制器107可W使用各種傳感器來自主地控制外骨骼。所述傳感器 可包括W下:加速度計(jì)、巧螺儀、機(jī)械壓力傳感器111(圖3)中的至少一個(gè);氣動(dòng)壓力傳感器、 角度傳感器和編碼器121(圖4和圖5)中的至少一個(gè)；W及應(yīng)變計(jì)、電壓傳感器、電流傳感器、 力敏電阻器、EMG電極和熱敏電阻（未示出）中的至少一個(gè)。微控制器107(圖1、圖6和圖9)采 用運(yùn)些傳感器來控制致動(dòng)器105的扭矩、位置或速度(或者被稱為阻抗的運(yùn)些變量之間的關(guān) 系)。
[0097] 部分 II:
[0098] 在另一實(shí)施方式中，本發(fā)明設(shè)及與使同一平面中的肢體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)和機(jī)械接口運(yùn)動(dòng) 不匹配的個(gè)人物理相接的裝置，諸如肢體關(guān)節(jié)外骨骼或輔助裝置。在【具體實(shí)施方式】中，具有 多自由度(D0F)機(jī)構(gòu)并能構(gòu)造成安裝到個(gè)人的裝置包括:可W安裝在肢體關(guān)節(jié)的任一側(cè)的 輸入部件和輸出部件；允許扭矩從輸入部件傳遞到輸出部件的多D0F聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)；W及滑動(dòng) 器，該滑動(dòng)器將輸出連結(jié)機(jī)構(gòu)連接到輸入連結(jié)機(jī)構(gòu)并且允許輸入部件和輸出部件在同一平 面中關(guān)于彼此旋轉(zhuǎn)并平移，使得兩個(gè)部件的變量瞬屯、軌跡與生物關(guān)節(jié)的變量瞬屯、軌跡匹 配。
[0099] 2.4設(shè)計(jì)原理
[0100] 在又一實(shí)施方式中，本發(fā)明的裝置包括地面連結(jié)機(jī)構(gòu)，該地面連結(jié)機(jī)構(gòu)相對(duì)于人 體股骨的遠(yuǎn)端或人體腔骨的近端固定。具有第一端和第二端的輸入連結(jié)機(jī)構(gòu)被固定到限定 旋轉(zhuǎn)軸線的樞軸并且圍繞所述樞軸旋轉(zhuǎn)，其中所述樞軸在所述第一端處將所述輸入連結(jié)機(jī) 構(gòu)連結(jié)到所述地面連結(jié)機(jī)構(gòu)。具有第一端和第二端的聯(lián)接器被樞轉(zhuǎn)地安裝到所述輸入連結(jié) 機(jī)構(gòu)的所述第二端。輸出連結(jié)機(jī)構(gòu)相對(duì)于人體股骨的遠(yuǎn)端或人體腔骨的近端中的另一個(gè)固 定，并且具有第一端和第二端，所述輸出連結(jié)機(jī)構(gòu)的所述第一端在所述聯(lián)接器的所述第一 端處被樞轉(zhuǎn)地安裝到所述聯(lián)接器的所述第二端。滑動(dòng)連結(jié)機(jī)構(gòu)位于所述地面連結(jié)機(jī)構(gòu)與所 述輸出連結(jié)機(jī)構(gòu)之間，從而固定所述裝置的所述人體膝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)將引起所述輸出連結(jié)機(jī) 構(gòu)的旋轉(zhuǎn)軸線相對(duì)于所述地面連結(jié)機(jī)構(gòu)平移，W追蹤所述人體膝關(guān)節(jié)的兩個(gè)自由度，其中 所述人體膝關(guān)節(jié)圍繞正交于矢狀平面的軸線在所述矢狀平面中旋轉(zhuǎn)，但相對(duì)于所述樞軸的 旋轉(zhuǎn)軸線移動(dòng)，將所述輸入連結(jié)機(jī)構(gòu)的所述第一端連結(jié)到所述地面連結(jié)機(jī)構(gòu)。在該實(shí)施方 式中，所述滑動(dòng)連結(jié)機(jī)構(gòu)包括由所述輸出連結(jié)機(jī)構(gòu)限定的槽縫，其中從所述地面連結(jié)機(jī)構(gòu) 的突起延伸穿過由所述滑動(dòng)連結(jié)機(jī)構(gòu)限定的所述槽縫，所述滑動(dòng)連結(jié)機(jī)構(gòu)將所述輸出連結(jié) 機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)軸線的運(yùn)動(dòng)限制為正交于所述樞軸的旋轉(zhuǎn)軸線的線。
[0101] 本發(fā)明的一個(gè)目的是修改外骨骼、矯形器或假肢在肢體上的力分布。意圖改變力， 使得力不再平行于肢體軸線，但相反垂直于軸線，從而加載將基本更舒適。
[0102] 本發(fā)明的另一目的是將行星扭矩從主動(dòng)裝置或被動(dòng)裝置傳遞到肢體而不改變正 常生物關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。意圖通過利用無約束的多D0F機(jī)構(gòu)將扭矩施加到肢體，從而提供所述裝置 的自適應(yīng)瞬屯、軌跡使之匹配生物關(guān)節(jié)的自適應(yīng)瞬屯、軌跡。
[0103] 本發(fā)明的裝置采用不需要人工關(guān)節(jié)的幾何構(gòu)造，因此，使所述裝置更舒適且更輕。 本發(fā)明的裝置的舒適性和重量在其增加或修復(fù)穿戴所述裝置的個(gè)人的物理性能的能力方 面發(fā)揮了很大的作用。
[0104] 本發(fā)明的裝置可W在外部源將扭矩施加到關(guān)節(jié)的同時(shí)依據(jù)正常生物關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)來 限制裝置的聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)和設(shè)定瞬屯、軌跡。結(jié)果，在很大程度上避免了肢體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)與機(jī)械接 口運(yùn)動(dòng)之間的不匹配，W及皮膚剪切力、個(gè)人與裝置之間的不希望的滑移和滯后相互作用。
[0105] 本發(fā)明的裝置還可W作用在矢狀平面中，使得外部源可W將扭矩施加到個(gè)人的關(guān) 節(jié)而不阻礙關(guān)節(jié)在其它平面(即，冠狀平面或橫向平面）中的旋轉(zhuǎn)。結(jié)果，極大地避免了生物 踩關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)與機(jī)械接口運(yùn)動(dòng)之間的不匹配，W及不希望的由個(gè)人所穿戴裝置增添的較大額 外慣性。
[0106] 在本發(fā)明的又一方面中，力平衡傳動(dòng)裝置維持在個(gè)人的矢狀平面中，使得外部源 可W將扭矩施加到矢狀平面中的生物關(guān)節(jié)而不阻礙生物關(guān)節(jié)在其它兩個(gè)平面中的旋轉(zhuǎn)。本 發(fā)明的裝置還避免了與個(gè)人穿戴者的機(jī)械接口處的顯著皮膚剪切力。結(jié)果，例如，基本避免 了踩關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)與機(jī)械接口運(yùn)動(dòng)之間的不匹配，W及由本發(fā)明的裝置增添的不希望的較大額 外慣性。
[0107] 本發(fā)明的潛在商業(yè)應(yīng)用包括增強(qiáng)的人體運(yùn)動(dòng)功能。具體地，增強(qiáng)可集中于修改身 強(qiáng)力壯的人或有運(yùn)動(dòng)病理的個(gè)人的走動(dòng)。為了用在身強(qiáng)力壯的個(gè)人上，本發(fā)明可W增強(qiáng)運(yùn) 動(dòng)功能，超出了 W其它方式生理上可行的運(yùn)動(dòng)功能。例如，可W采用物理增強(qiáng)W輔助專業(yè)職 責(zé)(諸如軍事或民用服務(wù)職責(zé)）、運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)、娛樂或其它機(jī)會(huì)。此外，由運(yùn)動(dòng)病理(諸如帕金森 氏病或膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎)產(chǎn)生的步態(tài)功能障礙，或者年齡相關(guān)的運(yùn)動(dòng)功能降低的恢復(fù)可 w通過本發(fā)明來治療或緩解。運(yùn)些潛在應(yīng)用中的每個(gè)均w改進(jìn)的加載分布來突出與外骨骼 關(guān)聯(lián)的商業(yè)可能性。
[010引本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式在圖11A至圖11E中表示為兩D0F五桿聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)1100的拓 撲，其提供的運(yùn)動(dòng)約束包括地面連結(jié)機(jī)構(gòu)1101、輸入連結(jié)機(jī)構(gòu)1102、聯(lián)接器1103、輸出連結(jié) 機(jī)構(gòu)1104、滑動(dòng)器1105 W及樞軸關(guān)節(jié)1110、1123、1134和1145，其中連接分別經(jīng)由樞軸關(guān)節(jié) 1110、1123、1134和1145被設(shè)置在地面連結(jié)機(jī)構(gòu)1101與輸入連結(jié)機(jī)構(gòu)1102之間、輸入連結(jié)機(jī) 構(gòu)1102與聯(lián)接器1103之間、聯(lián)接器1103與輸出連結(jié)機(jī)構(gòu)1104之間W及輸出連結(jié)機(jī)構(gòu)1104與 滑動(dòng)器1105之間。作為近側(cè)安裝件的地面連結(jié)機(jī)構(gòu)1101被固定到肢體關(guān)節(jié)的主要近側(cè)部 件，并且作為遠(yuǎn)側(cè)安裝件的輸出連結(jié)機(jī)構(gòu)1104被固定到關(guān)節(jié)的主要遠(yuǎn)側(cè)部件。輸入連結(jié)機(jī) 構(gòu)1102圍繞關(guān)節(jié)施加屈曲力矩和伸展力矩兩者。滑動(dòng)器1105沿著地面連結(jié)機(jī)構(gòu)1101處的虛 擬或物理軌道關(guān)于地面連結(jié)機(jī)構(gòu)1102平移，允許輸入連結(jié)機(jī)構(gòu)1102和輸出連結(jié)機(jī)構(gòu)1104有 虛擬瞬屯、。所述軌道可W是線性或彎曲的。在不固定的旋轉(zhuǎn)軸線的情況下，扭矩仍可W施加 到肢體，經(jīng)由無約束的兩D0F聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)1100從輸入連結(jié)機(jī)構(gòu)1102施加到輸出連結(jié)機(jī)構(gòu)1104。 在地面連結(jié)機(jī)構(gòu)1101處的追蹤不一定是線性的。圖11D至圖UE疊加在生物膝關(guān)節(jié)上。參見 2014年第36屆IE邸年度國(guó)際會(huì)議的工程醫(yī)學(xué)和生物學(xué)學(xué)會(huì)化MBS)2061-2064頁（2014年8月 26日-30日）的Kuan,J.;Pasch,K.A.;Herr,H.M.的"Design of a Knee Joint Mechanism that Adapts to Individual Physiology",其教導(dǎo)的整體內(nèi)容通過引用并入本文中。
[0109] 兩D0F五桿聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的另一實(shí)施方式執(zhí)行純旋轉(zhuǎn)，在關(guān)節(jié)的輸入和輸出的旋轉(zhuǎn)軸 線之間沒有不匹配。圖12A和圖12B是處于第一位置和第二位置中的本發(fā)明的拓?fù)浔硎鞠到y(tǒng) 1200,其中聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)包括純旋轉(zhuǎn)約束。輸入連結(jié)機(jī)構(gòu)1102和輸出連結(jié)機(jī)構(gòu)1104的長(zhǎng)度被設(shè) 定為相同的，使得聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)在生物關(guān)節(jié)和樞軸關(guān)節(jié)1110同軸時(shí)執(zhí)行純旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。視為單個(gè) D0F運(yùn)動(dòng)副的生物關(guān)節(jié)限制聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)并且依據(jù)正常生物關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)而設(shè)定所述裝置的固定旋 轉(zhuǎn)軸線。
[0110] 2.5機(jī)械設(shè)計(jì)
[0111] 圖13A和圖13B示出了施加到膝關(guān)節(jié)1302的兩D0F五桿聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)1300的可行構(gòu)造。 膝關(guān)節(jié)1302的股骨1350被固定到地面連結(jié)機(jī)構(gòu)1304,并且腔骨1360被固定到輸出連結(jié)機(jī)構(gòu) 1316。地面樞軸1306將地面連結(jié)機(jī)構(gòu)1304樞轉(zhuǎn)地連結(jié)到輸入連結(jié)機(jī)構(gòu)1308。樞軸1310將輸 入連結(jié)機(jī)構(gòu)1308樞轉(zhuǎn)地連結(jié)到聯(lián)接器1312。聯(lián)接器1312又在樞軸1314處樞轉(zhuǎn)地連結(jié)到輸出 連結(jié)機(jī)構(gòu)1316。當(dāng)膝關(guān)節(jié)1302完全伸展時(shí)，如圖13A中圖示的，輸出連結(jié)機(jī)構(gòu)1316的虛擬旋 轉(zhuǎn)中屯、A與地面樞軸1316同屯、。如從圖13A到圖13B的過渡中可W看到的，當(dāng)膝關(guān)節(jié)1302在屈 曲期間旋轉(zhuǎn)時(shí)，輸入連結(jié)機(jī)構(gòu)1308可W圍繞膝關(guān)節(jié)1302施加屈曲或伸展力矩。輸出連結(jié)機(jī) 構(gòu)1316的虛擬旋轉(zhuǎn)中屯、"A"如滑動(dòng)器1105從上述圖11A過渡到圖11B中進(jìn)行操作，并且關(guān)于 地面連結(jié)機(jī)構(gòu)1304沿著虛擬軌道"B"平移。當(dāng)膝關(guān)節(jié)在圖13A至圖13B中代表的位置之間移 動(dòng)時(shí)，固定到地面連結(jié)機(jī)構(gòu)1304的螺釘1318在由輸出連結(jié)機(jī)構(gòu)1316限定的槽縫1320內(nèi)滑 動(dòng)，從而將輸出連結(jié)機(jī)構(gòu)1316的虛擬旋轉(zhuǎn)中屯、A的運(yùn)動(dòng)限于隨生物膝關(guān)節(jié)1302的屈曲和伸 展而來的旋轉(zhuǎn)瞬屯、虛擬軌道B。扭矩可W施加到膝關(guān)節(jié)1302,經(jīng)由聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)從輸入連結(jié)機(jī)構(gòu) 1308施加到輸出連結(jié)機(jī)構(gòu)1316。因此，膝關(guān)節(jié)1302可W在同一平面中旋轉(zhuǎn)和平移，從而提供 自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)瞬屯、軌跡(地面樞軸1306與虛擬旋轉(zhuǎn)中屯、A之間）使之匹配圍繞生物膝關(guān)節(jié)的腔 骨的自適應(yīng)瞬屯、軌跡。整體系統(tǒng)可W考慮一D0F五桿聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)。即，膝關(guān)節(jié)可W視為限制聯(lián) 動(dòng)系統(tǒng)并且依據(jù)正常膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)來設(shè)定裝置的具體旋轉(zhuǎn)瞬屯、軌跡的曲柄搖桿對(duì)。結(jié)果，肢 體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)與機(jī)械接口運(yùn)動(dòng)之間的不匹配可W避免。
[0112] 圖14、圖15、圖16、圖17和圖18示出了本發(fā)明可W采用的關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的一個(gè)具體實(shí)施 方式的視圖。如圖14至圖18所示，關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)1400包括線纜管道錯(cuò)具1402和鼓殼體1410、從動(dòng) 鼓1423和扭矩傳感器1451、螺釘1468、近側(cè)安裝件1464、輸出連結(jié)機(jī)構(gòu)1463W及旋轉(zhuǎn)光學(xué)編 碼器模塊1470、1471、1472。近側(cè)安裝件1464被固定到附接至穿戴者近側(cè)肢體的支具，而輸 出連結(jié)機(jī)構(gòu)1463被固定到附接至穿戴者遠(yuǎn)側(cè)肢體的支具。容納在軌道1631內(nèi)的螺釘1468 (圖18)被固定到近側(cè)安裝件1464并且如同圖11的拓?fù)渲械幕瑒?dòng)器1105和地面連結(jié)機(jī)構(gòu) 1101對(duì)一樣作用，隨著輸入連結(jié)機(jī)構(gòu)1460與輸出連結(jié)機(jī)構(gòu)1463之間的可變瞬屯、旋轉(zhuǎn)而引起 輸出連結(jié)機(jī)構(gòu)1463關(guān)于近側(cè)安裝件1464沿著輸出連結(jié)機(jī)構(gòu)1463的軌道1631平移。用螺釘 1467由軸承帽1466覆蓋的兩個(gè)漉軸承1465安裝在輸出連結(jié)機(jī)構(gòu)1463和輸入連結(jié)機(jī)構(gòu)1460 的沉孔1632上，用于允許個(gè)人從身體中線向前或遠(yuǎn)離身體中線略微移動(dòng)肢體，同時(shí)提供扭 矩來屈曲或伸展肢體關(guān)節(jié)。在不固定的旋轉(zhuǎn)軸線的情況下，扭矩仍可W施加到肢體，經(jīng)由無 約束的兩D0F聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)從輸入連結(jié)機(jī)構(gòu)1460施加到輸出連結(jié)機(jī)構(gòu)1463。因此，當(dāng)肢體關(guān)節(jié) (諸如生物膝關(guān)節(jié))的旋轉(zhuǎn)軸線與機(jī)械接口的旋轉(zhuǎn)軸線之間存在不匹配時(shí)，關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)1400提 供具體平面約束。如圖18A中可W看到的，當(dāng)肢體關(guān)節(jié)與機(jī)械接口之間不存在不匹配時(shí)，所 述機(jī)構(gòu)提供純旋轉(zhuǎn)約束。如圖18B中可W看到的，當(dāng)肢體關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸線與機(jī)械接口的旋轉(zhuǎn) 軸線之間存在不匹配，所述機(jī)構(gòu)提供具體平面約束。
[0113] 如圖14至圖18示出的本發(fā)明實(shí)施方式所示，從動(dòng)鼓1423由拉一拉構(gòu)造的內(nèi)線纜 1510致動(dòng)，由于并入鼓殼體1410中的四點(diǎn)接觸軸承1421W較小摩擦經(jīng)由扭矩傳感器1451和 輸出連結(jié)機(jī)構(gòu)1463來驅(qū)動(dòng)肢體關(guān)節(jié)。從動(dòng)鼓帽1420經(jīng)由螺釘1422被固定到從動(dòng)鼓1423,并 且軸承帽1432經(jīng)由螺釘1433被固定到鼓殼體1410。它們用于設(shè)定軸承1421與從動(dòng)鼓1423之 間的線性運(yùn)動(dòng)的約束。四點(diǎn)接觸軸承1421還可W抵抗因線纜張緊引起的高徑向力。
[0114] 扭矩傳感器包括將從動(dòng)鼓1423連接到輸入連結(jié)機(jī)構(gòu)1460的系列旋轉(zhuǎn)彈黃1451。彈 黃1451的內(nèi)部分經(jīng)由螺釘1461被固定到輸入連結(jié)機(jī)構(gòu)1460和扭矩傳感器安裝件1450。旋轉(zhuǎn) 編碼器盤1470經(jīng)由螺釘1473被安裝在編碼器盤安裝件1474上。編碼器盤安裝件1474經(jīng)由螺 釘1475被固定在扭矩傳感器安裝件1450上。四點(diǎn)接觸軸承1431在扭矩傳感器安裝件1450、 編碼器盤安裝件1474與從動(dòng)鼓1423之間使用，用W僅提供從動(dòng)鼓1423與彈黃1451之間的相 對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)編碼器盤1470、編碼器盤安裝件1474、扭矩傳感器安裝件1450、彈黃1451 和輸出連結(jié)機(jī)構(gòu)1460同時(shí)旋轉(zhuǎn)。經(jīng)由螺釘1477安裝在鼓殼體1410上的編碼器讀取器1472可 W測(cè)量鼓殼體1410與輸入連結(jié)機(jī)構(gòu)1460之間的相對(duì)旋轉(zhuǎn)角度。彈黃1451的外部分經(jīng)由螺釘 1452被固定在從動(dòng)鼓1423上。經(jīng)由螺釘1477安裝在從動(dòng)鼓帽1420上的編碼器讀取器1471可 W測(cè)量彈黃1451的輸入端與輸出端之間的相對(duì)旋轉(zhuǎn)角度，由此用于測(cè)量輸出扭矩。蓋1480 用于保護(hù)編碼器讀取器1471、1472和編碼器盤1470。使用數(shù)字編碼器來測(cè)量因輸出扭矩引 起的應(yīng)變會(huì)減少電磁場(chǎng)的影響。扭矩傳感器和編碼器可W收集關(guān)節(jié)狀態(tài)作為反饋信息，既 用于實(shí)時(shí)控制也用于隨后的分析。例如，部分I中提到的控制方案可W用于控制機(jī)械關(guān)節(jié)。
[0115] 在又一實(shí)施方式中，本發(fā)明設(shè)及一種與個(gè)人物理相接而不增添人體腿部的顯著慣 性的踩關(guān)節(jié)外骨骼或輔助裝置，其中，例如，踩關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)與機(jī)械接口運(yùn)動(dòng)之間的不匹配是在 同一平面中，并且避免了皮膚剪切力。在一個(gè)【具體實(shí)施方式】中，能構(gòu)造成安裝到個(gè)人腔部和 腳的^DOF機(jī)構(gòu)具有力平衡傳動(dòng)裝置，在矢狀平面中施加扭矩的同時(shí)，該力平衡傳動(dòng)裝置允 許踩關(guān)節(jié)執(zhí)行外部-內(nèi)部旋轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)-翻轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)，所W附接的生物踩關(guān)節(jié)可W維持正常步 態(tài)。
[0116] 2.6機(jī)械設(shè)計(jì)
[0117] 在另一實(shí)施方式中，所述交叉構(gòu)件是非剛性的。在該實(shí)施方式中，所述連結(jié)機(jī)構(gòu)包 括從所述近側(cè)構(gòu)件延伸到所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件的支柱，從而所述交叉構(gòu)件和所述支柱跨越使所述 遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件旋轉(zhuǎn)所圍繞的軸線。在【具體實(shí)施方式】中，所述支柱被限制在所述近側(cè)構(gòu)件處，正交 于且橫向于所述交叉構(gòu)件的從所述近側(cè)構(gòu)件延伸到所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件的主縱向軸線，其中所述 支柱不限制為沿著所述交叉構(gòu)件的所述主縱向軸線。在該實(shí)施方式中，所述連結(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)一 步包括正交且橫向地限制所述支柱的位于所述近側(cè)構(gòu)件處的至少一個(gè)漉。所述連結(jié)機(jī)構(gòu)包 括彼此對(duì)置的至少一對(duì)漉，其中所述支柱被正交地限制在所述一對(duì)漉之間。所述支柱可W 在所述一對(duì)漉處被彎曲，從而在所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件繞由所述交叉構(gòu)件和所述支柱跨越的軸線旋 轉(zhuǎn)期間所述支柱與一對(duì)漉之間的剪切力小于所述支柱在所述一對(duì)漉處為直的情況。所述支 柱包括位于所述一對(duì)漉處的引導(dǎo)管，其中所述交叉構(gòu)件延伸穿過所述引導(dǎo)管。在一個(gè)實(shí)施 方式中，所述裝置包括一對(duì)交叉構(gòu)件和一對(duì)支柱。在【具體實(shí)施方式】中，所述支柱在所述漉與 所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件之間大致為直的。在一個(gè)特定實(shí)施方式中，在翻轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)固定到所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu) 件的人腳W及固定到所述近側(cè)構(gòu)件的人體小腿期間使所述支柱中的至少一個(gè)偏轉(zhuǎn)。通常， 所述支柱是剛性的。在一個(gè)實(shí)施方式中，所述支柱是彎曲的，從而在固定到所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件的 人腳W及固定到所述近側(cè)構(gòu)件的人體小腿的正常步行周期期間，所述支柱操作為系列彈 黃。
[0118] 在一個(gè)實(shí)施方式中，所述連結(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)一步包括附接至所述一對(duì)交叉構(gòu)件的近端的 絞盤致動(dòng)器組件，從而致動(dòng)所述連結(jié)機(jī)構(gòu)將引起所述交叉構(gòu)件的縮回，運(yùn)引起所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu) 件的旋轉(zhuǎn)W及固定到所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件的人腳圍繞人體踩關(guān)節(jié)的巧屈。在另一實(shí)施方式中，所 述一對(duì)交叉構(gòu)件被固定到所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件的近端。第二對(duì)交叉構(gòu)件可W固定到所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件 的遠(yuǎn)端。在一個(gè)【具體實(shí)施方式】中，所述連結(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)一步包括附接至所述第二對(duì)交叉構(gòu)件的 近端的第二絞盤致動(dòng)器組件，從而選擇性地致動(dòng)所述連結(jié)機(jī)構(gòu)會(huì)引起所述第二對(duì)交叉構(gòu)件 的縮回，運(yùn)引起所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)W及固定到所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件的人腳圍繞所述人體踩關(guān)節(jié) 的背屈。在【具體實(shí)施方式】中，所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件被構(gòu)造成適合人體小腿。在該實(shí)施方式中，所述 近側(cè)構(gòu)件可W構(gòu)造成適合人體大腿。在一個(gè)實(shí)施方式中，所述交叉構(gòu)件從所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件向 近側(cè)延伸，并且所述連結(jié)機(jī)構(gòu)在所述近側(cè)構(gòu)件與所述交叉構(gòu)件的近端之間延伸，從而致動(dòng) 所述連結(jié)機(jī)構(gòu)將引起固定到所述近側(cè)構(gòu)件和遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件的人體腿部的伸展。替代地，所述交 叉構(gòu)件從所述近側(cè)構(gòu)件向遠(yuǎn)側(cè)延伸，并且所述連結(jié)機(jī)構(gòu)在所述交叉構(gòu)件的遠(yuǎn)端與所述遠(yuǎn)側(cè) 構(gòu)件之間延伸，從而致動(dòng)連結(jié)機(jī)構(gòu)將引起固定到所述近側(cè)構(gòu)件和遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件的人體腿部的伸 展。
[0119] 在另一實(shí)施方式中，所述近側(cè)構(gòu)件被構(gòu)造成適合人體腰部。在該實(shí)施方式中，所述 遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件被構(gòu)造成適合人體大腿。優(yōu)選地，所述交叉構(gòu)件從所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件向近側(cè)延伸。在一 個(gè)運(yùn)樣的實(shí)施方式中，所述連結(jié)機(jī)構(gòu)包括雙向致動(dòng)器，從而致動(dòng)所述連結(jié)機(jī)構(gòu)將使所述遠(yuǎn) 側(cè)構(gòu)件和固定到所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件的人體大腿圍繞穿戴所述裝置的人體的髓關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)。在一個(gè) 實(shí)施方式中，所述雙向致動(dòng)器是滾珠絲杠致動(dòng)器。
[0120] 如圖19A和圖19B所示，踩關(guān)節(jié)裝置1900包括安裝在個(gè)人前腔部上的腔部防護(hù)部件 1902、構(gòu)造成適合個(gè)人的腳的輸出部件1904W及從連結(jié)到線繩1910的輸入部件(諸如馬達(dá) 和線圈（未示出））傳遞扭矩的傳遞部件1906或交叉構(gòu)件，該線繩1910連結(jié)到輸出部件1904。 腔部防護(hù)部件1902包括腔部支具1921、兩對(duì)漉1923A、1923B、兩個(gè)漉安裝件1920A、1920B、緊 固帶1925 W及兩個(gè)位置傳感器1950AU950B。輸出部件1904包括鞋1960、尼龍管1962和軸 1964。傳遞部件1906包括一對(duì)彎曲引導(dǎo)管1940A、1940B、兩個(gè)線纜管道1930A、1930B、兩個(gè)輸 出桿1968A、1968B、兩個(gè)桿端夾1970A、1970BW及線繩1910。
[0121] 漉安裝件1920AU920B被固定到支具1921的每側(cè)，并且緊固帶1925本身圍繞兩個(gè) 漉安裝件1920A、1920B的環(huán)進(jìn)行纏繞，形成個(gè)人可W穿上作為常規(guī)腔部防護(hù)的環(huán)。在穿上之 后，個(gè)人可W調(diào)整緊固帶1925W作出正確的裝配。漉對(duì)1923A和1923B的后漉被固定到漉安 裝件1920AU920B上的銷，并且沿著漉安裝件1920A、1920B上的槽縫滑動(dòng)的兩個(gè)移動(dòng)銷 1924A、1924B制約前漉沿著漉安裝件1920A、1920B的運(yùn)動(dòng)，允許彎曲引導(dǎo)管1920A、1920B與 漉1923A、1923B由于接觸面積改變而造成的一些不匹配對(duì)準(zhǔn)。
[0122] 輸出桿1968A的一端經(jīng)由帽螺釘被夾緊到彎曲引導(dǎo)管1940A的一端，而另一端被夾 緊到桿端夾1970A。輸出桿1968B的一端也經(jīng)由帽螺釘被夾緊到彎曲引導(dǎo)管1940B的一端，而 另一端被夾緊到桿端夾2320B。球形軸承桿1972A、1972B分別被螺釘連接到桿端夾1970A、 1970B，并且經(jīng)由夾子1974A、1974B通過鞋子1960的前底附接至軸1964的每端。螺釘和錐形 軸可W用于在不使用夾子1974A、1974B的情況下將桿端夾1970A、1970B固定到軸。球形軸承 桿1972A、197^將由線纜管道1930A、1930B生成的力從兩個(gè)輸出桿1968A、1968B傳遞到鞋 1960,并且允許踩關(guān)節(jié)自行地執(zhí)行翻轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)W及外部-內(nèi)部旋轉(zhuǎn)。彎曲引導(dǎo)管1940A、1940B 的另一端分別被固定到線纜管道1930AU930B的端件。在腔部防護(hù)部件的每側(cè)，漉安裝件 1920A、1920B分別制約漉對(duì)1923A、1923B，提供正交橫向力來限制矢狀平面中的每個(gè)彎曲引 導(dǎo)管1940A、1940B，同時(shí)仍允許彎曲引導(dǎo)管1940A、1940B向上向下自由移動(dòng)通過全范圍的運(yùn) 動(dòng)。
[0123] 為了實(shí)現(xiàn)皮膚剪切為零，彎曲引導(dǎo)管1940A、1940B通過全范圍運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度應(yīng) 當(dāng)平行于腔部，即，彎曲引導(dǎo)管1940A、1940B-直接觸漉1923A、1923B的同一切線點(diǎn)。參照?qǐng)D 20,給定腳連結(jié)機(jī)構(gòu)R的預(yù)先定義的參數(shù)長(zhǎng)度和腔部連結(jié)機(jī)構(gòu)L的半徑，方程可W定義為：
[0124] 微分方程：
[0129] 其中R是從踩關(guān)節(jié)到軸806的腳長(zhǎng)度，L是從踩關(guān)節(jié)到漉的腔部長(zhǎng)度，（x，y)是漉接 觸彎曲引導(dǎo)管的點(diǎn)，并且(xA，yA)是踩關(guān)節(jié)的位置，所有都關(guān)于彎曲引導(dǎo)管。求解微分方程 (1)受代數(shù)約束（2)、（3)(具有定義在圖20中的坐標(biāo)），可W推導(dǎo)出彎曲引導(dǎo)管1940A、1940B 的最佳幾何形狀，使得沒有剪切力會(huì)生成于漉1923A、1923B與彎曲引導(dǎo)管1940A、1940B之 間，由此消除了皮膚剪切。
[0130] 例如，完成伴隨著零剪切力的相同運(yùn)動(dòng)的替代方式包括:將漉附接至可W在漉安 裝件上上下移動(dòng)設(shè)計(jì)彎曲軌道的引導(dǎo)棒，讓水平力點(diǎn)上下移動(dòng)腔部;并且具有將引導(dǎo)管的 兩點(diǎn)連接腔部防護(hù)裝置的兩點(diǎn)的兩個(gè)巧架或線繩的切比雪夫直線機(jī)構(gòu)變化還可W實(shí)現(xiàn)設(shè) 計(jì)參數(shù)的相同功能。
[0131] 線繩1910的兩端經(jīng)由兩個(gè)線纜管道1930A、1930B連接到輸入源。按順序，線繩1910 經(jīng)由線纜管道1930A從輸入源運(yùn)轉(zhuǎn)，通過引導(dǎo)管1940A的孔、錯(cuò)固在鞋跟中的尼龍管1962、其 它引導(dǎo)管1940B，并且經(jīng)由其它線纜管道1930B返回到輸入源。輸入源可W拉動(dòng)線繩1910,然 后拉動(dòng)輸出桿1968A、1968BW將來自輸入源的力傳遞到鞋1960,然后將扭矩施加到矢狀平 面中的踩關(guān)節(jié)。尼龍管1962允許線繩1910甚至當(dāng)踩關(guān)節(jié)執(zhí)行翻轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)時(shí)也將輸入力 均等地分布到鞋I960的每側(cè)。兩個(gè)位置傳感器1950A、1950B用于測(cè)量引導(dǎo)管1940A、1940B的 位移，W測(cè)量巧背屈曲和反轉(zhuǎn)-翻轉(zhuǎn)的角度。線性電位器和編碼器也可W用于測(cè)量引導(dǎo)管 1940AU940B的位移。而且，踩關(guān)節(jié)角度可W通過使用相位指示器或慣性測(cè)量單元直接測(cè) 量。
[0132] 例如，力/扭矩感測(cè)可W通過使用附接至線繩1910的同軸線纜張緊傳感器、附接至 彎曲引導(dǎo)管1920A、1920B的管道殼體壓縮傳感器、附接至漉安裝件1920A、1920B或輸出桿 1968A、1968B的應(yīng)變計(jì)、內(nèi)嵌式球形軸承力傳感器或彈黃來實(shí)現(xiàn)。輸出桿1968A、1968B可W 是彎曲或細(xì)長(zhǎng)的，所W如同系列彈黃一樣作用，增加力可控性和安全水平W及作用力感測(cè) 裝置。為了減少地面反作用力并用足弓分擔(dān)加載，也可W弓彈黃或支柱引入來代替剛性軸 1964。它通過測(cè)量變形W及使用胡克定律還可W充當(dāng)力感測(cè)機(jī)構(gòu)。返回參照?qǐng)D19A和圖19B， 用鞋1960上的側(cè)欄或板附接在踩關(guān)節(jié)附近的簡(jiǎn)單支柱也可W用于加強(qiáng)裝置的力傳遞。
[0133] 在該實(shí)施方式中，所述裝置僅可W向踩關(guān)節(jié)施加單向扭矩，但通過將(從致動(dòng)源運(yùn) 轉(zhuǎn)的）另一線繩附接至鞋I960的前底或者附接至固定到鞋1960的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可W向踩關(guān)節(jié)施 加雙向扭矩。另一方式是用可屈曲傳動(dòng)裝置和兩個(gè)剛性構(gòu)件代替線繩1910和線纜管道 1930A、1930B，所W所述裝置可W操作在推拉構(gòu)造處，沿巧屈方向和背屈方向兩者致動(dòng)踩關(guān) T。
[0134] 所述裝置的運(yùn)動(dòng)范圍被設(shè)定為允許正常穿戴者W自選擇速度步行或行走。每個(gè)腿 部上的所述裝置與現(xiàn)有裝置比較是非常輕巧的，但因?yàn)閺哪猃埞苠e(cuò)固點(diǎn)到軸的力臂較大， 所W能夠經(jīng)由線纜驅(qū)動(dòng)的致動(dòng)或隨身攜帶的馬達(dá)提供較大扭矩。在實(shí)踐中，為了使步態(tài)檢 測(cè)簡(jiǎn)單，腳開關(guān)可W用于確定何時(shí)向踩關(guān)節(jié)施加扭矩W降低代謝消耗。本發(fā)明可W被進(jìn)一 步修改，充當(dāng)沒有任何功率的被動(dòng)裝置，或者充當(dāng)需要很小功率的準(zhǔn)無源裝置。所述模塊可 W進(jìn)一步用作用于估計(jì)踩關(guān)節(jié)的生物學(xué)特性的測(cè)量工具。
[0135] 部分 III:
[0136] 所述裝置的另一實(shí)施方式是一種可穿戴下肢裝置，其包括可由個(gè)人穿戴的跨越遠(yuǎn) 側(cè)骨骼關(guān)節(jié)的遠(yuǎn)側(cè)模塊，并且包括可由個(gè)人穿戴的跨越近側(cè)骨骼關(guān)節(jié)的近側(cè)模塊，其中所 述遠(yuǎn)側(cè)模塊和所述近側(cè)模塊被聯(lián)接。所述遠(yuǎn)側(cè)模塊和近側(cè)模塊中的至少一個(gè)包括可由個(gè)人 穿戴的位于相應(yīng)骨骼關(guān)節(jié)的遠(yuǎn)側(cè)的遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件、可由個(gè)人穿戴的位于相應(yīng)骨骼關(guān)節(jié)的近側(cè)的 近側(cè)構(gòu)件W及位于所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件與近側(cè)構(gòu)件之間的連結(jié)機(jī)構(gòu)，由此，所述連結(jié)機(jī)構(gòu)的致動(dòng) 將被轉(zhuǎn)換為所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件或近側(cè)構(gòu)件處的正交于延伸穿過所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件和近側(cè)構(gòu)件的主 縱向軸線的力。在該實(shí)施方式中，可選地，所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件和近側(cè)構(gòu)件中的至少另一者包括交 叉構(gòu)件，并且所述連結(jié)機(jī)構(gòu)從所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件或所述近側(cè)構(gòu)件的所述交叉構(gòu)件延伸到所述遠(yuǎn) 側(cè)構(gòu)件或所述近側(cè)構(gòu)件中的另一者。在一個(gè)【具體實(shí)施方式】中，所述遠(yuǎn)側(cè)模塊和所述近側(cè)模 塊兩者均包括遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件、近側(cè)構(gòu)件、交叉構(gòu)件和連結(jié)機(jī)構(gòu)。所述遠(yuǎn)側(cè)模塊和所述近側(cè)模塊可 W由共同構(gòu)件聯(lián)接，其中所述遠(yuǎn)側(cè)模塊的所述近側(cè)構(gòu)件也至少是所述近側(cè)模塊的所述遠(yuǎn)側(cè) 構(gòu)件的部件。所述遠(yuǎn)側(cè)模塊和所述近側(cè)模塊可W被剛性地聯(lián)接。在一個(gè)實(shí)施方式中，所述共 同構(gòu)件包括將所述遠(yuǎn)側(cè)模塊聯(lián)接到所述近側(cè)模塊的自由度。例如，所述自由度可W是在大 致平行于所述近側(cè)模塊和遠(yuǎn)側(cè)模塊中的至少一者的旋轉(zhuǎn)平面的平面中引起旋轉(zhuǎn)的較鏈。例 如，所述遠(yuǎn)側(cè)模塊可W是構(gòu)造成供人體膝關(guān)節(jié)使用的外骨骼、矯形器或假肢，而所述近側(cè)模 塊可W是構(gòu)造成供人體髓關(guān)節(jié)使用的外骨骼、矯形器或假肢。在【具體實(shí)施方式】中，所述遠(yuǎn)側(cè) 模塊和近側(cè)模塊的所述連結(jié)機(jī)構(gòu)可W各包括絞盤致動(dòng)器或滾珠絲杠致動(dòng)器。在一個(gè)特別優(yōu) 選的實(shí)施方式中，所述遠(yuǎn)側(cè)模塊的所述交叉構(gòu)件包括滑輪并包括連結(jié)所述滑輪的線繩，并 且所述遠(yuǎn)側(cè)模塊的連結(jié)機(jī)構(gòu)包括絞盤致動(dòng)器，由此，所述遠(yuǎn)側(cè)模塊的所述連結(jié)機(jī)構(gòu)的致動(dòng) 會(huì)引起固定到所述遠(yuǎn)側(cè)模塊的所述人體膝關(guān)節(jié)的伸展。例如，所述遠(yuǎn)側(cè)模塊的所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu) 件可W包括將所述滑輪連結(jié)到所述遠(yuǎn)側(cè)模塊的所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件的板黃。在一個(gè)實(shí)施方式中， 所述遠(yuǎn)側(cè)模塊的所述交叉構(gòu)件從所述近側(cè)模塊的所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件的所述較鏈向近側(cè)延伸。所 述近側(cè)模塊的所述連結(jié)機(jī)構(gòu)可W包括線繩并包括位于所述近側(cè)模塊的所述近側(cè)構(gòu)件處的 絞盤致動(dòng)器，其中所述線繩從所述近側(cè)模塊的所述交叉構(gòu)件延伸到所述絞盤致動(dòng)器，由此， 所述近側(cè)模塊的所述連結(jié)機(jī)構(gòu)的致動(dòng)將引起固定到所述近側(cè)模塊的人體髓關(guān)節(jié)的屈曲運(yùn) 動(dòng)。在替代實(shí)施方式中，所述近側(cè)模塊的所述連結(jié)機(jī)構(gòu)包括滾珠絲杠致動(dòng)器，由此，所述連 結(jié)機(jī)構(gòu)的致動(dòng)是雙向的，并且選擇性地引起固定到所述近側(cè)構(gòu)件的人體髓關(guān)節(jié)的屈曲和伸 展。
[0137] 在另一實(shí)施方式中，所述下肢裝置進(jìn)一步包括位于所述遠(yuǎn)側(cè)模塊的遠(yuǎn)側(cè)的踩關(guān)節(jié) 模塊，其中所述踩關(guān)節(jié)模塊被聯(lián)接到所述遠(yuǎn)側(cè)模塊，并且其中所述遠(yuǎn)側(cè)模塊和所述踩關(guān)節(jié) 模塊共用一共同構(gòu)件。在該示例的一個(gè)實(shí)施方式中，所述踩關(guān)節(jié)模塊包括踩關(guān)節(jié)遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件、 踩關(guān)節(jié)近側(cè)構(gòu)件W及位于所述踩關(guān)節(jié)遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件與所述踩關(guān)節(jié)近側(cè)構(gòu)件之間的踩關(guān)節(jié)連結(jié) 機(jī)構(gòu)，由此，所述踩關(guān)節(jié)連結(jié)機(jī)構(gòu)的致動(dòng)將被轉(zhuǎn)換為所述踩關(guān)節(jié)遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件或所述踩關(guān)節(jié)近 側(cè)構(gòu)件處的正交于延伸穿過所述踩關(guān)節(jié)遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件和踩關(guān)節(jié)近側(cè)構(gòu)件的主縱向軸線的力。在 所述下肢裝置的一個(gè)運(yùn)樣的實(shí)施方式中，所述踩關(guān)節(jié)遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件和踩關(guān)節(jié)近側(cè)構(gòu)件中的至少 一者或另一者包括踩關(guān)節(jié)交叉構(gòu)件，其中所述踩關(guān)節(jié)連結(jié)機(jī)構(gòu)從所述踩關(guān)節(jié)遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件或所 述踩關(guān)節(jié)近側(cè)構(gòu)件的所述踩關(guān)節(jié)交叉構(gòu)件延伸到所述踩關(guān)節(jié)遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件或所述踩關(guān)節(jié)近側(cè) 構(gòu)件中的另一者。
[0138] 在一個(gè)實(shí)施方式中，所述踩關(guān)節(jié)模塊的所述交叉構(gòu)件從所述踩關(guān)節(jié)模塊的所述遠(yuǎn) 側(cè)構(gòu)件向近側(cè)延伸。在特定實(shí)施方式中，所述踩關(guān)節(jié)模塊的所述連結(jié)機(jī)構(gòu)包括位于所述踩 關(guān)節(jié)模塊的所述近側(cè)構(gòu)件處的絞盤致動(dòng)器，其中所述絞盤致動(dòng)器的線繩從所述交叉構(gòu)件的 近端延伸到所述踩關(guān)節(jié)模塊的所述絞盤致動(dòng)器，由此，所述連結(jié)機(jī)構(gòu)的致動(dòng)會(huì)引起固定到 所述踩關(guān)節(jié)模塊的人體踩關(guān)節(jié)的巧屈。
[0139] 例如，本發(fā)明的下肢裝置可W是用于人體踩關(guān)節(jié)的外骨骼、矯形器或假肢，并且所 述近側(cè)模塊可W是用于人體膝關(guān)節(jié)的外骨骼、矯形器或假肢。
[0140] 在本發(fā)明的再一實(shí)施方式中，下肢外骨骼2100(圖21)包括附接至個(gè)人腰部2101、 大腿2109、腔部2118和腳2123的模塊化部分。外骨骼2100包括單向絞盤致動(dòng)器2102、2107和 2119,用W分別圍繞個(gè)人髓關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踩關(guān)節(jié)施加力矩。外骨骼2100施加圍繞個(gè)人踩關(guān) 節(jié)的足底屈曲力矩、圍繞膝關(guān)節(jié)的伸展力矩W及圍繞髓關(guān)節(jié)的屈曲力矩。所述單向絞盤致 動(dòng)器向個(gè)人施加機(jī)械功率，還允許個(gè)人完全透明的控制。外骨骼2100也可W通過提供線繩 2104、 2113、2124和2126(圖21至圖22)的過度松馳而向個(gè)人施加零扭矩。另外，絞盤致動(dòng)器 2105、 2107和2119分別保留關(guān)節(jié)柔性，并且不將髓關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)或踩關(guān)節(jié)限于平面運(yùn)動(dòng)。構(gòu) 建在外骨骼2100中的可屈曲杠桿2122、2117和2105采用為系列彈性元件，W增加致動(dòng)器的 抗沖擊性、電能效率和峰值外骨骼功率。外骨骼2100的關(guān)節(jié)具體設(shè)計(jì)導(dǎo)致可W向個(gè)人施加 大量功率的選擇性低質(zhì)量裝置。
[0141] 如圖22中可W看到的，外骨骼2100的踩關(guān)節(jié)部2200包括鞋子附接件2202和腔部安 裝的絞盤致動(dòng)器2119。外骨骼的踩關(guān)節(jié)模塊2200通過致動(dòng)附接至鞋子的可屈曲杠桿而提供 圍繞踩關(guān)節(jié)的足底屈曲力矩。彈性杠桿臂2122通過趾2228和跟2230兩者的連接點(diǎn)被整合到 鞋子2202中。因?yàn)橥夤趋?100僅施加足底屈曲力矩，跟與杠桿臂2229之間的連接可W細(xì)長(zhǎng) 而輕巧。鞋子附接件2202可W由各種各樣的材料制成，包括例如，碳纖維和玻璃纖維復(fù)合材 料。杠桿臂2229和絞盤致動(dòng)器的柔性還維持個(gè)人踩關(guān)節(jié)能夠執(zhí)行生物翻轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。安 裝在前的絞盤致動(dòng)器2119連接到輕巧的腔骨護(hù)具2120,該腔骨護(hù)具2120用輕巧的帶2221固 定到個(gè)人小腿。腔骨安裝件2225從腔骨護(hù)具2520延伸并且用于使力消散。
[0142] 圖23中示出的膝關(guān)節(jié)模塊2300包括大直徑滑輪2115,用W在維持全運(yùn)動(dòng)范圍的同 時(shí)施加圍繞膝關(guān)節(jié)的伸展力矩。膝關(guān)節(jié)外骨骼2300利用大滑輪2115來施加圍繞膝關(guān)節(jié)的伸 展力矩，同時(shí)維持全部膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍。膝關(guān)節(jié)致動(dòng)器安裝件2392經(jīng)由旋轉(zhuǎn)軸承2108連接 到大腿袖套2110W減少膝關(guān)節(jié)約束。通過在膝關(guān)節(jié)致動(dòng)器安裝件2332與大腿袖套2110之間 包括軸承2108而實(shí)現(xiàn)最小剪切和關(guān)節(jié)柔性。膝關(guān)節(jié)致動(dòng)器安裝件2332分別容納膝關(guān)節(jié)絞盤 致動(dòng)器2107、膝關(guān)節(jié)致動(dòng)器電子裝置2331W及上線繩引導(dǎo)件2111和下線繩引導(dǎo)件2114。膝 關(guān)節(jié)致動(dòng)器安裝件2332經(jīng)由旋轉(zhuǎn)軸承2116連接到腔部板黃2117。額外的旋轉(zhuǎn)軸承2108最大 限度地減少膝關(guān)節(jié)軸承2116強(qiáng)加在膝關(guān)節(jié)上的約束。線性軸承也可W代替旋轉(zhuǎn)軸承2108。 可選地，旋轉(zhuǎn)軸承可W放置在可屈曲杠桿2117與腔骨護(hù)具2120之間。大腿袖套2110用輕巧 的帶2106、2112被固定到身體。
[0143] 如圖24所示，髓關(guān)節(jié)外骨骼模塊2400采用彈性杠桿2105將能量?jī)?chǔ)存在個(gè)人的矢狀 平面中，同時(shí)允許髓關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展及旋轉(zhuǎn)。類似于踩關(guān)節(jié)外骨骼2200,髓關(guān)節(jié)外骨骼2400 采用伸展的大腿杠桿臂2105來向髓關(guān)節(jié)致動(dòng)器2102提供幾何傳遞。髓關(guān)節(jié)致動(dòng)器2102使線 繩2104圍繞惰漉2103行進(jìn)并且連接到大腿伸展杠桿2105。髓關(guān)節(jié)致動(dòng)器2400附接至腰部安 裝件2340,該腰部安裝件2340用帶2339固定到個(gè)人。大腿伸展杠桿2105的幾何形狀允許髓 關(guān)節(jié)柔性和致動(dòng)兩者。
[0144] 例如，合適的髓關(guān)節(jié)致動(dòng)器可W是圖25中示出的絞盤致動(dòng)器2500,該絞盤致動(dòng)器 2500采用高扭矩電動(dòng)馬達(dá)，W高效而安靜地致動(dòng)關(guān)節(jié)。絞盤致動(dòng)器2500允許外骨骼在步態(tài) 的某些部分期間向個(gè)人穿戴者施加大量功率，然后在步態(tài)的其它部分期間施加零扭矩，運(yùn) 是控制的便捷特征。例如，可W采用常規(guī)的徑向磁通無刷馬達(dá)或軸向磁通無刷馬達(dá)來致動(dòng) 外骨骼模塊。由旋轉(zhuǎn)軸承2535支撐的馬達(dá)2536使線繩2524圍繞整合的線軸纏繞。馬達(dá)帽 2537容納馬達(dá)2536的電磁裝置并且將馬達(dá)2538附接至致動(dòng)器主體2534。線繩2524圍繞由軸 承2533支撐的惰漉2527行進(jìn)。
[0145] 圖26A和圖26B圖示了本發(fā)明的裝置的一個(gè)實(shí)施方式，其包括具有氣動(dòng)致動(dòng)器的踩 關(guān)節(jié)外骨骼。踩關(guān)節(jié)外骨骼2600具有連接到腳101的遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件2603,并且具有附接至腔部 102的近側(cè)構(gòu)件2604。踩關(guān)節(jié)外骨骼2600上的近側(cè)腔部構(gòu)件2604不穿過踩關(guān)節(jié)的虛擬水平 平面，諸如圖2A至圖2B中圖示的虛擬水平平面A。遠(yuǎn)側(cè)腳部件2603包括交叉構(gòu)件2630,該交 叉構(gòu)件2630經(jīng)由可充式囊致動(dòng)器2605連結(jié)到近側(cè)構(gòu)件2604。由可充式囊致動(dòng)器2605施加的 力可W用放置在致動(dòng)器2605與近側(cè)腔部構(gòu)件2604之間的力傳感器(類似于參照?qǐng)D3描述的 力傳感器111)測(cè)量。給囊致動(dòng)器2605充氣會(huì)引起踩關(guān)節(jié)的巧屈，如圖26A中圖示。給囊致動(dòng) 器2605放氣允許踩關(guān)節(jié)的背屈，如圖26B中圖示。可W采用閥（未示出）來實(shí)現(xiàn)囊致動(dòng)器2605 的充氣和放氣。所述閥可W由控制器(諸如關(guān)于圖1描述的控制器107)致動(dòng)。用于驅(qū)動(dòng)囊致 動(dòng)器2605的能量源可W直接附接至近側(cè)構(gòu)件2604、遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件2603或分離位置，諸如圖1所示 的背包或腰包106。
[0146] 所有專利的教導(dǎo)、公開的申請(qǐng)和本文中引用的參考將其整體內(nèi)容通過引用并入。
[0147] 雖然本發(fā)明已經(jīng)參考其示例實(shí)施方式特別示出并描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將理 解的是，可做出形式和細(xì)節(jié)的各種改變而不脫離由所附權(quán)利要求書涵蓋的本發(fā)明的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種可穿戴裝置，所述裝置包括： a) 可由個(gè)人穿戴的位于個(gè)人的骨骼關(guān)節(jié)的遠(yuǎn)側(cè)的遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件； b) 可由個(gè)人穿戴的位于所述骨骼關(guān)節(jié)的近側(cè)的近側(cè)構(gòu)件，其中所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件和所述近 側(cè)構(gòu)件中的一者或另一者包括交叉構(gòu)件；以及 c) 位于所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件與所述近側(cè)構(gòu)件之間的連結(jié)機(jī)構(gòu)，其中所述連結(jié)機(jī)構(gòu)從所述遠(yuǎn)側(cè) 構(gòu)件或所述近側(cè)構(gòu)件的所述交叉構(gòu)件延伸到所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件和所述近側(cè)構(gòu)件中的另一者，由 此，所述連結(jié)機(jī)構(gòu)的致動(dòng)將被轉(zhuǎn)換為所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件或所述近側(cè)構(gòu)件處的正交于延伸穿過所 述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件和所述近側(cè)構(gòu)件的主縱向軸線的力。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述交叉構(gòu)件是剛性的。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中，所述交叉構(gòu)件非剛性地固定到所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件和所 述近側(cè)構(gòu)件中的一者或另一者。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述交叉構(gòu)件剛性地固定到所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件和所述 近側(cè)構(gòu)件中的所述一者或所述另一者。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中，所述連結(jié)機(jī)構(gòu)包括滾珠絲杠致動(dòng)器。6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中，所述連結(jié)機(jī)構(gòu)和所述交叉構(gòu)件是系列彈性致動(dòng)器 的部件。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中，所述系列彈性致動(dòng)器是雙向致動(dòng)器。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中，所述雙向致動(dòng)器是氣動(dòng)致動(dòng)器。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中，所述氣動(dòng)致動(dòng)器包括硬化系列彈性元件。10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中，所述氣動(dòng)致動(dòng)器包括可充式囊。11. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中，所述系列彈性致動(dòng)器是單向致動(dòng)器。12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其中，所述單向致動(dòng)器是氣動(dòng)致動(dòng)器。13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其中，所述單向致動(dòng)器是電動(dòng)線軸致動(dòng)器。14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中，所述交叉構(gòu)件包括遠(yuǎn)端和近端，其中所述遠(yuǎn)端 在一端處被固定到所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件并且大致正交于所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件的主縱向軸線，并且其中所 述連結(jié)機(jī)構(gòu)在所述交叉構(gòu)件的所述近端與所述近側(cè)構(gòu)件之間延伸。15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，其中，所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件包括一表面，該表面大致平行于 與在所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件與所述近側(cè)構(gòu)件之間延伸的所述主縱向軸線正交的平面。16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，所述裝置進(jìn)一步包括從所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件延伸的第二交 叉構(gòu)件，其中所述交叉構(gòu)件彼此大致平行。17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，其中，所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件被構(gòu)造成支撐人腳并且待被固定 到人腳，所述交叉構(gòu)件被構(gòu)造成大致從背側(cè)延伸并且平行于從人腳延伸的脛骨，并且其中 所述近側(cè)構(gòu)件被固定到人體小腿，所述電動(dòng)線軸致動(dòng)器包括線纜，該線纜連結(jié)到所述交叉 構(gòu)件的所述近端并且以與人體脛骨的主縱向軸線正交的方式跨越小腿，由此，所述致動(dòng)器 的致動(dòng)引起所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件圍繞人體踝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)，從而至少輔助人腳在步行的同時(shí)跖屈。18. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述交叉構(gòu)件是非剛性的。19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，其中，所述連結(jié)機(jī)構(gòu)包括支柱，所述支柱從所述近側(cè) 構(gòu)件延伸到所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件，由此，所述交叉構(gòu)件和所述支柱跨越所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件旋轉(zhuǎn)所圍繞 的軸線。20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的裝置，其中，所述支柱被約束在所述近側(cè)構(gòu)件處，正交于且 橫向于所述交叉構(gòu)件的從所述近側(cè)構(gòu)件延伸到所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件的主縱向軸線，其中所述支柱 沿著所述交叉構(gòu)件的所述主縱向軸線不受限制。21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其中，所述連結(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)一步包括正交地且橫向地約束 所述支柱的位于所述近側(cè)構(gòu)件處的至少一個(gè)輥。22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的裝置，其中，所述連結(jié)機(jī)構(gòu)包括彼此對(duì)置的至少一對(duì)輥，其 中所述支柱被正交地約束在所述一對(duì)輥之間。23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的裝置，其中，支柱在所述一對(duì)輥處被彎曲，由此，在所述遠(yuǎn)側(cè) 構(gòu)件繞被所述交叉構(gòu)件和所述支柱跨越的所述軸線旋轉(zhuǎn)期間，所述支柱與所述一對(duì)輥之間 的剪切力小于所述支柱在所述一對(duì)輥處是直的情況下的剪切力。24. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的裝置，其中，所述支柱包括位于所述一對(duì)輥處的引導(dǎo)管，其 中所述交叉構(gòu)件延伸穿過所述引導(dǎo)管。25. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的裝置，所述裝置包括一對(duì)交叉構(gòu)件和一對(duì)支柱。26. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的裝置，其中，所述支柱在所述輥與所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件之間大致是 直的。27. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的裝置，其中，在翻轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)固定到所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件的人腳以及 固定到所述近側(cè)構(gòu)件的人體小腿期間，所述支柱中的至少一個(gè)支柱偏轉(zhuǎn)。28. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的裝置，其中，所述支柱是剛性的。29. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的裝置，其中，所述支柱是彎曲的，由此，在固定到所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu) 件的人腳以及固定到所述近側(cè)構(gòu)件的人體小腿的正常步行周期期間，所述支柱作為系列彈 簧操作。30. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的裝置，其中，所述連結(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)一步包括附接至所述一對(duì)交叉 構(gòu)件的近端的絞盤致動(dòng)器組件，由此，所述連結(jié)機(jī)構(gòu)的致動(dòng)將引起所述交叉構(gòu)件的縮回，從 而引起所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)以及固定到所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件的人腳圍繞人體踝關(guān)節(jié)的跖屈。31. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的裝置，其中，所述一對(duì)交叉構(gòu)件被固定到所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件的近 端。32. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的裝置，所述裝置進(jìn)一步包括第二對(duì)交叉構(gòu)件，所述第二對(duì)交 叉構(gòu)件被固定到所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件的遠(yuǎn)端。33. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的裝置，其中，所述連結(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)一步包括附接至所述第二對(duì)交 叉構(gòu)件的近端的第二絞盤致動(dòng)器組件，由此，所述連結(jié)機(jī)構(gòu)的選擇性致動(dòng)引起所述第二對(duì) 交叉構(gòu)件的縮回，從而引起所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)以及固定到所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件的人腳圍繞所述 人體踝關(guān)節(jié)的背屈。34. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件被構(gòu)造成適合人體小腿。35. 根據(jù)權(quán)利要求34所述的裝置，其中，所述近側(cè)構(gòu)件被構(gòu)造成適合人體大腿。36. 根據(jù)權(quán)利要求35所述的裝置，其中，所述交叉構(gòu)件從所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件向近側(cè)延伸，并 且所述連結(jié)機(jī)構(gòu)在所述近側(cè)構(gòu)件與所述交叉構(gòu)件的近端之間延伸，由此，所述連結(jié)機(jī)構(gòu)的 致動(dòng)將引起固定到所述近側(cè)構(gòu)件和所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件的人體腿部的伸展。37. 根據(jù)權(quán)利要求35所述的裝置，其中，所述交叉構(gòu)件從所述近側(cè)構(gòu)件向遠(yuǎn)側(cè)延伸，并 且所述連結(jié)機(jī)構(gòu)在所述交叉構(gòu)件的遠(yuǎn)端與所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件之間延伸，由此，所述連結(jié)機(jī)構(gòu)的 致動(dòng)將引起固定到所述近側(cè)構(gòu)件和所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件的人體腿部的伸展。38. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述近側(cè)構(gòu)件被構(gòu)造成適合人體腰部。39. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的裝置，其中，所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件被構(gòu)造成適合人體大腿。40. 根據(jù)權(quán)利要求39所述的裝置，其中，所述交叉構(gòu)件從所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件向近側(cè)延伸。41. 根據(jù)權(quán)利要求40所述的裝置，其中，所述連結(jié)機(jī)構(gòu)包括雙向致動(dòng)器，由此，所述連結(jié) 機(jī)構(gòu)的致動(dòng)將使所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件和固定到所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件的人體大腿圍繞穿戴所述裝置的人 體的髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)。42. 根據(jù)權(quán)利要求41所述的裝置，其中，所述雙向致動(dòng)器是滾珠絲杠致動(dòng)器。43. -種可穿戴下肢裝置，所述下肢裝置包括： a) 可由個(gè)人穿戴的跨越遠(yuǎn)側(cè)骨骼關(guān)節(jié)的遠(yuǎn)側(cè)模塊；以及 b) 可由個(gè)人穿戴的跨越近側(cè)骨骼關(guān)節(jié)的近側(cè)模塊， 其中，所述遠(yuǎn)側(cè)模塊和所述近側(cè)模塊被聯(lián)接，并且其中，所述遠(yuǎn)側(cè)模塊和近側(cè)模塊中的 至少一者包括： i)可由個(gè)人穿戴的位于相應(yīng)骨骼關(guān)節(jié)的遠(yuǎn)側(cè)的遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件； ?)可由個(gè)人穿戴的位于相應(yīng)骨骼關(guān)節(jié)的近側(cè)的近側(cè)構(gòu)件，其中所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件和所述 近側(cè)構(gòu)件中的一者或另一者包括交叉構(gòu)件；以及 m)位于所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件與所述近側(cè)構(gòu)件之間的連結(jié)機(jī)構(gòu)，其中所述連結(jié)機(jī)構(gòu)從所述遠(yuǎn) 側(cè)構(gòu)件或所述近側(cè)構(gòu)件的所述交叉構(gòu)件延伸到所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件和所述近側(cè)構(gòu)件中的另一者， 由此，所述連結(jié)機(jī)構(gòu)的致動(dòng)將被轉(zhuǎn)換為所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件或所述近側(cè)構(gòu)件處的正交于延伸穿過 所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件和所述近側(cè)構(gòu)件的主縱向軸線的力。44. 根據(jù)權(quán)利要求43所述的下肢裝置，其中，所述遠(yuǎn)側(cè)模塊被構(gòu)造成供人體踝關(guān)節(jié)使 用，并且所述近側(cè)模塊被構(gòu)造成供人體膝關(guān)節(jié)使用。45. 根據(jù)權(quán)利要求43所述的下肢裝置，其中，所述遠(yuǎn)側(cè)模塊和所述近側(cè)模塊兩者均包括 遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件、近側(cè)構(gòu)件、交叉構(gòu)件和連結(jié)機(jī)構(gòu)。46. 根據(jù)權(quán)利要求45所述的下肢裝置，其中，所述遠(yuǎn)側(cè)模塊和所述近側(cè)模塊由共同構(gòu)件 聯(lián)接，其中所述遠(yuǎn)側(cè)模塊的所述近側(cè)構(gòu)件也至少是所述近側(cè)模塊的所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件的部件。47. 根據(jù)權(quán)利要求45所述的下肢裝置，其中，所述遠(yuǎn)側(cè)模塊和所述近側(cè)模塊被剛性地聯(lián) 接。48. 根據(jù)權(quán)利要求46所述的下肢裝置，其中，所述共同構(gòu)件進(jìn)一步包括將所述遠(yuǎn)側(cè)模塊 聯(lián)接到所述近側(cè)模塊的自由度。49. 根據(jù)權(quán)利要求48所述的下肢裝置，其中，所述自由度是在大致平行于所述近側(cè)模塊 和所述遠(yuǎn)側(cè)模塊中的至少一者的旋轉(zhuǎn)平面的平面中引起旋轉(zhuǎn)的鉸鏈。50. 根據(jù)權(quán)利要求49所述的下肢裝置，其中，所述遠(yuǎn)側(cè)模塊是構(gòu)造成供人體膝關(guān)節(jié)使用 的裝置，并且所述近側(cè)模塊是構(gòu)造成供人體髖關(guān)節(jié)使用的裝置。51. 根據(jù)權(quán)利要求50所述的下肢裝置，其中，所述遠(yuǎn)側(cè)模塊和所述近側(cè)模塊的所述連結(jié) 機(jī)構(gòu)各包括絞盤致動(dòng)器或滾珠絲杠致動(dòng)器。52. 根據(jù)權(quán)利要求51所述的下肢裝置，其中，所述遠(yuǎn)側(cè)模塊的所述交叉構(gòu)件包括滑輪以 及連結(jié)所述滑輪的線繩，并且所述遠(yuǎn)側(cè)模塊的連結(jié)機(jī)構(gòu)包括絞盤致動(dòng)器，由此，所述遠(yuǎn)側(cè)模 塊的所述連結(jié)機(jī)構(gòu)的致動(dòng)引起固定到所述遠(yuǎn)側(cè)模塊的人體膝關(guān)節(jié)的伸展。53. 根據(jù)權(quán)利要求52所述的下肢裝置，其中，所述遠(yuǎn)側(cè)模塊的所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件包括將所述 滑輪連結(jié)到所述遠(yuǎn)側(cè)模塊的所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件的板簧。54. 根據(jù)權(quán)利要求53所述的下肢裝置，其中，所述近側(cè)模塊的所述交叉構(gòu)件從所述近側(cè) 模塊的所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件的所述鉸鏈向近側(cè)延伸。55. 根據(jù)權(quán)利要求54所述的下肢裝置，其中，所述近側(cè)模塊的所述連結(jié)機(jī)構(gòu)包括線繩以 及位于所述近側(cè)模塊的所述近側(cè)構(gòu)件處的絞盤致動(dòng)器，并且其中所述線繩從所述近側(cè)模塊 的所述交叉構(gòu)件延伸到所述絞盤致動(dòng)器，由此，所述近側(cè)模塊的所述連結(jié)機(jī)構(gòu)的致動(dòng)將引 起固定到所述近側(cè)模塊的人體髖關(guān)節(jié)的屈曲運(yùn)動(dòng)。56. 根據(jù)權(quán)利要求54所述的下肢裝置，其中，所述近側(cè)模塊的所述連結(jié)機(jī)構(gòu)包括滾珠絲 杠致動(dòng)器，由此，所述連結(jié)機(jī)構(gòu)的致動(dòng)是雙向的，并且所述連結(jié)機(jī)構(gòu)的致動(dòng)選擇性地引起固 定到所述近側(cè)構(gòu)件的人體髖關(guān)節(jié)的屈曲和伸展。57. 根據(jù)權(quán)利要求52所述的下肢裝置，所述下肢裝置進(jìn)一步包括位于所述遠(yuǎn)側(cè)模塊的 遠(yuǎn)側(cè)的踝關(guān)節(jié)模塊，其中所述踝關(guān)節(jié)模塊被聯(lián)接到所述遠(yuǎn)側(cè)模塊，所述遠(yuǎn)側(cè)模塊和所述踝 關(guān)節(jié)模塊共用共同構(gòu)件。58. 根據(jù)權(quán)利要求57所述的下肢裝置，其中，所述踝關(guān)節(jié)模塊包括： a) 踝關(guān)節(jié)遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件； b) 踝關(guān)節(jié)近側(cè)構(gòu)件；以及 c) 位于所述踝關(guān)節(jié)遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件與所述踝關(guān)節(jié)近側(cè)構(gòu)件之間的踝關(guān)節(jié)連結(jié)機(jī)構(gòu)，由此，所 述踝關(guān)節(jié)連結(jié)機(jī)構(gòu)的致動(dòng)將被轉(zhuǎn)換為所述踝關(guān)節(jié)遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件或所述踝關(guān)節(jié)近側(cè)構(gòu)件處的正 交于延伸穿過所述踝關(guān)節(jié)遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件和所述踝關(guān)節(jié)近側(cè)構(gòu)件的主縱向軸線的力。59. 根據(jù)權(quán)利要求58所述的下肢裝置，其中，所述踝關(guān)節(jié)遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件或所述踝關(guān)節(jié)近側(cè)構(gòu) 件中的至少一者或另一者包括踝關(guān)節(jié)交叉構(gòu)件，并且其中所述踝關(guān)節(jié)連結(jié)機(jī)構(gòu)從所述踝關(guān) 節(jié)遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件或所述踝關(guān)節(jié)近側(cè)構(gòu)件的所述踝關(guān)節(jié)交叉構(gòu)件延伸到所述踝關(guān)節(jié)遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件和 所述踝關(guān)節(jié)近側(cè)構(gòu)件中的另一者。60. 根據(jù)權(quán)利要求59所述的下肢裝置，其中，所述踝關(guān)節(jié)模塊的所述交叉構(gòu)件從所述踝 關(guān)節(jié)模塊的所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件向近側(cè)延伸。61. 根據(jù)權(quán)利要求60所述的下肢裝置，其中，所述踝關(guān)節(jié)模塊的所述連結(jié)機(jī)構(gòu)包括位于 所述踝關(guān)節(jié)模塊的所述近側(cè)構(gòu)件處的絞盤致動(dòng)器，其中所述絞盤致動(dòng)器的線繩從所述交叉 構(gòu)件的近端延伸到所述踝關(guān)節(jié)模塊的所述絞盤致動(dòng)器，由此，所述連結(jié)機(jī)構(gòu)的致動(dòng)引起固 定到所述踝關(guān)節(jié)模塊的人體踝關(guān)節(jié)的跖屈。62. -種可穿戴裝置，所述可穿戴裝置包括： a) 可由個(gè)人穿戴的位于個(gè)人的骨骼關(guān)節(jié)的遠(yuǎn)側(cè)的遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件； b) 可由個(gè)人穿戴的位于所述骨骼關(guān)節(jié)的近側(cè)的近側(cè)構(gòu)件，其中所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件和所述近 側(cè)構(gòu)件中的一者或另一者包括交叉構(gòu)件；以及 c) 位于所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件與所述近側(cè)構(gòu)件之間的連結(jié)機(jī)構(gòu)，其中所述連結(jié)機(jī)構(gòu)從所述遠(yuǎn)側(cè) 構(gòu)件或所述近側(cè)構(gòu)件的所述交叉構(gòu)件延伸到所述遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件和所述近側(cè)構(gòu)件中的另一者，并 且其中所述連結(jié)機(jī)構(gòu)僅向所述交叉構(gòu)件施加大致線性力。63. -種人體膝關(guān)節(jié)的裝置，所述裝置包括； a)地面連結(jié)機(jī)構(gòu)，該地面連結(jié)機(jī)構(gòu)相對(duì)于人體股骨的遠(yuǎn)端或人體脛骨的近端固定； b) 具有第一端和第二端的輸入連結(jié)機(jī)構(gòu)，其中所述輸入連結(jié)機(jī)構(gòu)被固定到限定旋轉(zhuǎn)軸 線的樞軸并且圍繞所述樞軸旋轉(zhuǎn)，所述樞軸在所述第一端處將所述輸入連結(jié)機(jī)構(gòu)連結(jié)到所 述地面連結(jié)機(jī)構(gòu)； c) 具有第一端和第二端的聯(lián)接器，所述第一端被樞軸地安裝到所述輸入連結(jié)機(jī)構(gòu)的所 ? Λ-Λ- -* 上山 述弟 >棲； d) 輸出連結(jié)機(jī)構(gòu)，所述輸出連結(jié)機(jī)構(gòu)相對(duì)于人體股骨的遠(yuǎn)端和人體脛骨的近端中的另 一者固定，并且具有第一端和第二端，所述第一端在所述聯(lián)接器的所述第一端處被樞軸地 安裝到所述聯(lián)接器的所述第二端；以及 e) 位于所述地面連結(jié)機(jī)構(gòu)與所述輸出連結(jié)機(jī)構(gòu)之間的滑動(dòng)連結(jié)機(jī)構(gòu)，由此，固定所述 裝置的人體膝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)將引起所述輸出連結(jié)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)軸線相對(duì)于所述地面連結(jié)機(jī)構(gòu) 平移，以追蹤所述人體膝關(guān)節(jié)的兩個(gè)自由度，其中所述人體膝關(guān)節(jié)在矢狀平面中圍繞正交 于所述矢狀平面的軸線旋轉(zhuǎn)，但相對(duì)于所述樞軸的旋轉(zhuǎn)軸線移動(dòng)，從而將所述輸入連結(jié)機(jī) 構(gòu)的所述第一端連結(jié)到所述地面連結(jié)機(jī)構(gòu)。64.根據(jù)權(quán)利要求63所述的裝置，其中，所述滑動(dòng)連結(jié)機(jī)構(gòu)包括由所述輸出連結(jié)機(jī)構(gòu)限 定的槽縫，并且其中來自所述地面連結(jié)機(jī)構(gòu)的突起延伸穿過由所述滑動(dòng)連結(jié)機(jī)構(gòu)限定的所 述槽縫，所述滑動(dòng)連結(jié)機(jī)構(gòu)將所述輸出連結(jié)機(jī)構(gòu)的所述旋轉(zhuǎn)軸線的運(yùn)動(dòng)限制到正交于所述 樞軸的旋轉(zhuǎn)軸線的線。
【文檔編號(hào)】A61F2/60GK106029039SQ201480075566
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2014年12月16日
【發(fā)明人】H·M·赫爾, L·M·穆尼, E·J·魯斯, J-Y·光, K·A·帕施
【申請(qǐng)人】麻省理工學(xué)院