件133包含限制止动件以防止用户的腿过度旋转。实际上，我们发现5度的向内旋转及30度的向外旋转范围是适当的。大腿连杆134包含大腿接口带142，大腿接口带142将人的大腿耦合到外骨骼支腿112L。膝盖枢轴135将大腿连杆134可旋转地连接到小腿连杆136。膝盖枢轴135包含与外骨骼控制器101通信的膝盖定向传感器141以测量膝盖枢轴135的相对运动。小腿连杆136进一步包含小腿接口带143，小腿接口带143将人的小腿连接到外骨骼支腿112L。脚踝枢轴137将小腿连杆136可旋转地连接到足部连杆139。在一些实施例中，可能存在经配置以将脚踝枢轴137的定向传达到控制器101的脚踝定向传感器(未展示)。在脚踝枢轴137对运动不具有任何抵抗性的情况下，脚踝定向传感器可为特别合意的。在此类情况中，脚踝角度可较大且与控制器101使用动力右支腿IllR产生自然行走步态所需的计算相关。最后，在一些实施例中，脚踝弹性元件138可放置在脚踝枢轴137与足部连杆139之间以在额面中提供脚踝处的略微外展自由。在优选实施例中，脚踝弹性元件138为薄的硬橡胶块。这允许所有自由度的略微运动，从而向足部连杆139提供尽管存在来自所述外骨骼的剩余部分的重量的负载但仍然平放在支撑表面上的某种额外能力。所属领域的技术人员将明白，弹簧弹性元件139也可为另一类型的弹簧，例如金属模具弹簧或碳片簧。
[0030]在图2中说明的进一步实施例中，展示可锁定支腿170R。除了含有机电制动系统175的不同膝盖配置之外，支腿170R的大多数特征与支腿112R共享。在可锁定支腿170R的膝盖中，可激励线圈173，从而沿着膝盖销171拉动大腿连杆134使得大腿连杆134的接触表面172啮合线圈173。这样做致使膝盖枢轴135的运动停止，使得小腿连杆136及大腿连杆134不相对于彼此旋转。此配置是有用的，因为其允许支腿170R在线圈173被激励时在站立姿势中支撑重量，从而更好地支撑躯干110，而且允许膝盖枢轴135在线圈173被去激励时在摆动时自由旋转。此配置是相当简单的，但设计用于此类应用的机电制动器的手段在所属领域中众所周知，且许多改进是可行的。举例来说，通过进一步利用弹簧，机电制动系统175的默认状态可为锁定的，使得必须激励线圈173来解锁所述制动系统，从而导致在系统不被供电时啮合的故障保护制动器。
[0031]此实施例允许提供经优化以在特定外骨骼用户群体内使用的外骨骼支腿。所述概念的主要发展目的是允许在步态训练期间将没有致动及具有额外自由旋转自由度的外骨骼支腿附件安装在中风用户的较少受影响的体侧以优化康复益处:在较少受影响的体侧上，可允许内展(adduct1n) /外展移动以自由旋转，可允许大腿旋转以自由旋转，且髋关节、膝关节及脚踝关节可为未经致动的且被允许自由旋转。此外，因为在所述支腿上没有致动器，所以所述支腿较轻质且制造起来便宜。最后，在较少受影响的侧上具有未经致动支腿(与在较少受影响的体侧上根本不具有外骨骼支腿相对照)帮助在未经致动支腿与地面接触时将外骨骼躯干及经致动支腿的重量传递到地面。实际上，治疗师可在患者疗程(patient sess1n)之间将右侧或左侧上的经致动支腿换成自由腿。当然，在此时，应认识到，此概念还可应用于众多其它预期用户群体以及上身外骨骼(例如外骨骼手臂附件)而不脱离本发明。
[0032]在图3A中展示向装置操作者提供更大灵活性的本发明的另一方面，其中下身外骨骼200经配置以使得最终用户能够使一或多个外骨骼关节模块个别地与外骨骼结构区段断开及重新连接。此处，个别地交换外骨骼关节且模块化组件为外骨骼关节。考虑外骨骼200，外骨骼200包括躯干框架及骨盆201、控制电子设备204、人类上身接口带202及203 (其经配置以将躯干框架及骨盆201连接到人类的上身)，躯干框架及骨盆201是使用髋部枢轴210进一步可旋转地连接到大腿构件205，小腿连杆207是使用膝盖枢轴211可旋转地连接到大腿构件或连杆205，且足部连杆209是使用脚踝枢轴212可旋转地连接到小腿连杆207。大腿构件205及小腿连杆207分别具有大腿接口带206及小腿接口带208以在那些位置处将外骨骼200连接到人。每一枢轴是结构性的且不包含致动件，但确实在所述枢轴的任一侧上包含所述连杆上的对应安装孔。即，髋部枢轴210包含髋部孔221A及22IB ;膝盖枢轴211包含膝盖孔222k及222B ;且脚踝枢轴212包含脚踝孔223A及223B，其中A指示近端孔且B指示远端孔。
[0033]外骨骼200进一步具备众多关节模块(例如，图3B的关节模块230，其包含安装销224A及224B)且所述关节模块经配置以安装到对应于同一枢轴的任何对安装孔，即，致动器230可安装在髋部孔221A与221B之间，从而允许关节模块230控制外骨骼200在髋部枢轴210处的转矩及运动。可存在许多类型的关节模块230 ;图3(:展示马达关节模块231，其具有经配置以转动滚珠螺母组合件244的电动马达240，从而产生螺杆245的线性运动；图3D展示制动模块249，其具有与滚珠螺母247啮合的线圈246，从而防止滚珠螺杆248的旋转及停止滚珠螺杆248的运动；图3E展示具有两个相对的弹簧241的弹簧关节模块232 ;且图3F展示阻尼器关节模块233，其具有阻尼器242及弹簧243。装置操作者可基于特定患者的需要来配置外骨骼200以具有任何不同的关节模块组合。为提供各种关节模块之间的协调，外骨骼200进一步包含电缆束线250，电缆束线250进一步包含与每一关节的近端孔一致的连接点，分别为用于髋部近端孔221A、膝盖近端孔222A及脚踝近端孔223A的电连接点251、252及253。对近端孔的选择是不作要求的，但一般是有利的，这是因为近端孔将使通往控制器的电缆少跨越一个轴。在一些实施例中，所述电连接点可邻近于所述孔而非与所述孔一致。电缆束线250包含电力线及信号线，从而将电力及通信从控制电子设备204提供到可连接到外骨骼200的关节模块中的每一者。此类电缆布线束线在所属领域众所周知且不是本发明的目标，而是仅在本文中经揭示以说明本发明的实施例。然而，仅含有无源元件(例如，弹簧及阻尼器)的关节模块可具有电连接及数据连接以提供到更远端关节的传递或将关于所述关节的传感器信息提供到控制电子设备204。传感器可包含(无限制)位置传感器(例如，编码器、LVDT或电位计)、力传感器(例如，应变仪)、惯性传感器(例如，加速度计及陀螺仪)或所属领域中已知的许多其它传感器中的任一者。
[0034]个别关节交换允许具有不同致动力或运动范围的操作、自由旋转、通过弹簧及/或阻尼器的无源控制或固定配置。在使用个别关节交换的情况下，单个外骨骼装置可服务于跨越具有高度变化需要的用户的广泛的预期用户群体。基于本发明，外骨骼设计领域的技术人员将容易明白创造每一单一配置(电致动的、使用例如弹簧或阻尼器的元件无源控制的或固定的)的外骨骼关节模块的方法；在未安装额外外骨骼关节的情况下，默认关节类型将为自由旋转。因为外骨骼框架是始终存在的，所以所述框架可包含硬止动件来防止超过典型运动范围的移动。在一些实施例中，所述框架可具有较少的枢轴。举例来说，外骨骼200可仅并入仅具有髋部枢轴210、膝盖枢轴211及相关联连杆的一个支腿，但不包含第二支腿、足部连杆209或脚踝枢轴212。
[0035]此配置的一个益处为，在在外骨骼结构上添加外骨骼关节以提供所要外骨骼控制的情况下，可维持外骨骼的在外骨骼区段(外骨骼躯干、大腿区段、小腿区段或足部区段)之间的结构性连接。图4提供此布置的一般图式。两个外骨骼区段301及305通过接合元件306接合，接合元件306可为所述区段之间的轴承、挠曲连接件或甚至滑动连接件。外骨骼关节模块303通过结构性及电连接件302及304连接到区段301及305。关节模块303可含有有源元件(例如，电动马达)、一或多个无源元件(例如，弹簧)或两者。在一些实施例中，所述关节模块可能不处于矢状平面中；举例来说，所述外骨骼框架可包含一对髋部外展关节(即，允许冠状平面中的运动的关节)。在此类关节的第一配置中，可安装刚性弹簧关节模块来提供在负载下的轻微运动；此布置对于穿戴外骨骼的具有某种髋部外展肌控制的人来说可为有利的。在第二配置中，可将经致动关节模块交换成刚性弹簧关节模块以向控制计算机提供对髋部外展的更大控制，这在需要大的控制精确性的情况下是有利的。在第三配置中(其中穿戴外骨骼的人具有良好的髋部外展肌力度)，可换入仅包含用于测量外展角的编码器的自由关节模块。此实例意在说明此实施例在治疗方面的功用，但其不希望为限制性的。
[0036]进一步可能在包含一或多个可交换附件或附件区段且还包含一或多个可交换个别关节的外骨骼装置中组合这些实施例中的若干者。在此实施例中，将交换所述外骨骼附件或区段以符合不同用户尺码，且将交换外骨骼关节以提供不同关节特性来服务于用户的需要。此方式将适用于生产用于特定用户的个人外骨骼装置。在使用此方式的情况下，外骨骼结构可经制造以定制适合于用户，且可根据用户的需要添加关节作为标准组件。通过使外骨骼结构与关节控制方法分离，可降低定制外骨骼的成本，其中缺点为略大的形状因子。
[0037]虚拟自由轴
[0038]本发明的与上文描述的方面兼容的另一方面涉及使用户能够切换对一或多个经致动外骨骼关节的控制，使得在不修改基本外骨骼的情况下经致动关节模拟自由关节特性或经致动特性。此概念允许单个外骨骼系统及