包括足部结构的外骨骼的制作方法

本发明的方面涉及包括足部结构的外骨骼。

背景技术：

专利公布WO2011/002306描述了用于控制由使用者穿戴的外骨骼的控制系统，并且该控制系统包括与外骨骼的多个本体构件相关的一个或多个致动器，每个致动器都与使用者的身体的一部分相应。

外骨骼包括待固定在使用者的足部上的足部结构。足部结构枢转地连接到腿部结构的下元件的端部。使用者可以将他的足部放入其中的鞋与足部结构可释放地接合。

技术实现要素：

存在对于相对如实地且能量高效地使得外骨骼复制人行走的功能的解决方案的需要。

根据本发明的第一方面，外骨骼包括：

足部结构，其包括支撑平面，当穿戴所述外骨骼的人的足部平放时，足部可以被支撑在支撑平面上，所述支撑平面包括：

前平台与后平台；以及

足部枢转连接件，其将所述前平台连接到所述后平台。

在此外骨骼中，所述足部枢转连接件在所述支撑平面中构成断裂，以允许行走移动相对于诸如在上述专利公布中提出的没有断裂的单部件的支撑平面更流畅、灵活、更自然并且更快速。在行走过程中，在没有断裂的单部件中的支撑平面将平行于此地面或者通过以难以控制一次性或直线支撑来终止而离开地面。足部枢转连接件克服了这些限制并且由此有助于更接近地复制穿戴外骨骼的人已经丧失的行走功能。这还有助于穿戴它的人更容易地接受此外骨骼，以及更容易且更快速地适应。

足部枢转连接件的另一个优点包括当后平台离开地面时的向前推进作用，同时前平台继续支撑在地面上。通过足部枢转连接件形成的断裂构成用于受控下落运动的旋转轴线。此旋转轴线将向前的平移分量增加到受控的下落运动。此向前推进作用在人的动态行走中是重要的。此作用以能量高效方式延长了步幅。

本发明的实施方式可以包括诸如限定在下面段落中的其它下面特征中的一个或多个。

足部枢转连接件可以包括布置为当前平台相对于后平台折叠时存储能量的弹性可变形构件。弹性可变形构件恢复在行走过程中的阶段过程中释放的势能的一部分，行走过程的特征在于受控的向前下落。弹性可变形构件存储此能量以便在例如当在足部结构完成迈步而离开地面时的另一个阶段中恢复它。

足部结构的支撑平面可以包括适于与地面接触的柔性足底。

足部结构的支撑平面可以包括适于与地面接触的表面，该表面的至少一部分通过圆边限定。此圆边使向前移动甚至更流体化。在足底的侧面上的圆允许足部略微地在其侧面上滚动，尤其是，当尤其在停止时的竖直位置中在骨盆处产生侧向摆动以便平衡侧向寄生移动时。

足部枢转连接件可以定位在通过穿戴外骨骼的人的中间矢状剖面和穿过腿部的冠状剖面限定的象限中，足部枢转连接件具有在此相同象限中限定直角三角形的枢转轴线，并且具有相对于中间矢状剖面范围从45°到90°的角度，优选地在50°与85°之间，例如在60°与65°之间，通过具有63°的规格。

后平台可以比前平台更靠近中间矢状剖面，使得当外骨骼在静止位置中时，支撑平面的中间纵轴线具有相对于中间矢状剖面0°与45°之间的角度，优选地5°与35°之间，例如15°与20°之间。此朝向外部的定向最佳地复制了人的行走，因为人的足部也是此种方式定向。此外，当迈步时，在推动过程中，此定向最佳地引导此推力。推力由此包括外侧-内侧分量以将穿戴外骨骼的人的身体从支撑足部推进到接收足部。

根据第二方面，外骨骼可以包括靠近穿戴外骨骼的人的腿部布置的腿部结构。踝部枢转连接件可以将足部结构连接到腿部结构。此踝部枢转连接件可以具有枢转轴线，该枢转轴线具有：

相对于足部结构的支撑平面在从0°到30°范围内、优选地5°与30°之间的非零角度；以及

相对于垂直于支撑平面的中间纵轴线的平面范围从0°到45°的非零角度。

在此外骨骼中，踝部枢转连接件的枢转轴线具有特定定向：枢转轴线不包含在正面平面、矢状平面或水平平面中的任一参照平面中。此倾斜的特定的倾斜枢转轴线允许外骨骼在踝部产生移动，这些移动与自然移动、尤其是在此水平处最频繁并且重要的移动类似。单枢转连接件与单致动器由此在踝部处是足够的。通过对比，上面专利公开中提出的外骨骼包括两个枢转连接件与两个致动器以便在踝部处产生移动。根据本发明的外骨骼由此可以具有更简单、更轻质、灵活、并且能量高效的结构。

根据优选、但非限定的特征，外骨骼还可以包括布置在腿部结构与足部结构之间的致动装置，以致使足部结构相对于腿部结构沿着踝部枢转连接件的枢转轴线枢转。

可选地，致动装置包括：

万向接头、球接头连接件、与布置在万向接头与球接头连接件之间的致动器；或者

两个万向接头与布置在万向接头之间的不抗旋转的致动器，通常地是直线致动器。

这些元件使得能够形成可以描述三维移动的运动的运动回路。在这些移动过程中，致动器保持沿着腿部结构的小腿段。这允许此组件的最小体积并且避免了致动器与穿戴此外骨骼的人的相关腿部之间的干扰。

腿部结构可以包括：大腿段，此大腿段布置为靠近定位在穿戴外骨骼的人的膝部上方的腿部的上部；小腿段，其布置为靠近定位在膝部下方的腿部的下部；以及膝部枢转连接件，其将小腿段连接到大腿段。当外骨骼位于静止位置中时，大腿段可以具有相对于小腿段范围从0°到30°的范围内的优选地从0°到20°的非零倾斜，使得大腿段的上端比下端远离穿戴外骨骼的人的中间矢状部分。此倾斜允许外骨骼相对于没有此倾斜角的结构更快速地并且更加节能地执行将重量转移到足部。此倾斜角减小了中心的移动，这对于重心定位在支撑足部上方来说是必要的。

外骨骼可以包括布置为附接到穿戴此外骨骼的人的骨盆的骨盆结构，布置在骨盆结构与腿部结构之间的腿部定向枢转连接件，当外骨骼处于静止位置中时，腿部定向枢转连接件具有竖直枢转轴线。这允许腿部执行在稳定过程以及行走过程中可能发生的竖直旋转。这些竖直旋转有助于这些过程是有效的并且通过穿戴外骨骼的人视为是自然的。

外骨骼可以包括能够控制包括在外骨骼中的至少一个致动器的控制装置。

控制装置可以包括能够探测穿戴外骨骼的人的躯干的至少一部分的至少一个动态参数的探测器，以及能够根据探测到的参数将控制信号将控制信号施加到致动器的处理器。这允许外骨骼的直觉命令：忘记此命令，可以自然地使用此外骨骼。应该指出的是此方面不取决于上述的方面。例如，可以在外骨骼不包括诸如上文限定的踝枢转连接件的情况下执行此命令的方面，其特征在于倾斜的枢转轴线。

探测器可以包括至少一个惯性传感器。

此处理器可以构造为执行几个控制模式，包括：稳定控制模式，其中此处理器控制至少一个致动器以使穿戴外骨骼的人保持在静止位置中；以及行走控制模式，其中此处理器控制至少一个致动器以协助穿戴外骨骼的人行走。

此处理器可以构造为确定穿戴此外骨骼的人的至少一个身体部分的重心的位置，并且根据重心的位置施加控制模式。

处理器可以构造为使不同的控制模式相应地与重心投射在其上的平面中的不同区域结合，由此处理器可以施加与含有重心的区域相关的控制模式。

通过说明，下面参照附图提出了本发明的几个实施方式的详细描述。

附图说明

图1是能够穿戴外骨骼的人的示意性前视图。

图2是此人的示意性侧视图。

图3是包括下构件的外骨骼的一部分的立体图。

图4是外骨骼的骨盆结构的后视图。

图5是处于静止状态中的外骨骼的示意图。

图6是处于在骨盆结构处致动的状态中的外骨骼的示意图。

图7是处于在骨盆结构处致动的另一种状态中的外骨骼的示意图。

图8是处于静止状态中的外骨骼的简化示意图。

图9是外骨骼的两个足部结构的俯视平面图。

图10是外骨骼的左足结构的支撑平面的仰视平面图。

图11是左足结构的简化示意图。

图12是包括踝部枢转连接件的外骨骼的左下部的立体图。

图13是描述踝部枢转连接件的枢转轴线的示意图。

图14是描述用于控制模式选择的投影平面的示意图。

具体实施方式

图1和图2示出了可以穿戴外骨骼300的人。图1提供了人的示意性前视图。图2提供了人的示意性侧视图。此人具有两条腿，左腿101与右腿102，相应地具有左膝103与右膝104。此人具有两个踝部，左踝105与右踝106，以及两个足部，左足107与右足108。此人还具有躯干109、骨盆110、臀部111、112和肾脏，出于清楚与方便的原因未在图1和图2中示出后面的器官。

图1和图2还示出了此人的中间矢状剖面113。此剖面包括对应于此人通常可能行走的方向的轴线114。在下文中，此轴线将称为“步的方向”。图1和图2还示出了经过两条腿101、102的冠状剖面115。图1示出了两个定向：内侧116(朝向113)与外侧117(与115相对)。图2示出了两个其它定向：前118(或正面)和后119(或背面)。

图3示出了图1和图2中示出的人可以穿戴的外骨骼300。图3提供了外骨骼300的立体图。外骨骼300包括当此人穿戴外骨骼300时定位在他的肾脏后面的骨盆结构301。骨盆结构301可以附接到图1中示出的骨盆110。此附接通过例如吊带或一个或多个条带、或这些元件的组合可以是柔性的。出于简洁与方便的原因，在图3中未示出这些元件。

外骨骼300还包括两个腿部结构：左腿结构302与右腿结构303。左腿结构302布置为靠近图1和图2中示出的人的左腿101。右腿结构303布置为靠近此人的右腿102。

更加详细地，左腿结构302包括大腿段304与小腿段305。大腿段304布置为靠近定位在图1和图2中示出的人的左膝103上方的左腿101的上部。小腿段305布置为靠近定位在左膝103下方的左腿101的下部。类似地，右腿结构303也包括图3中示出的大腿段306与小腿段307。

外骨骼300包括两个足部结构：左足结构308与右足结构309。左足结构308包括支撑平面310，当图1中示出的人的左足107平放时，左足107可以被支撑在该支撑平面310上。类似地，右足结构309包括支撑平面311，当右足108平放时，右足可以被支撑在支撑平面311上。

此外骨骼300包括两个臀部结构：布置为靠近图1和图2中示出的人的左臀111的左臀结构314与布置为靠近此人的右臀112的右臀结构315。

外骨骼300包括几个枢转连接件：在臀部的一对，在膝部的一对，以及在踝部的一对。

更具体地说，在臀部处的此对枢转连接件包括左臀枢转连接件312与右臀枢转连接件313。左臀枢转连接件312将左腿结构302旋转地连接到左臀结构314。类似地，右臀枢转连接件313将右腿结构303连接到右臀结构315。

在膝部处的此对枢转连接件包括左膝枢转连接件316与右膝枢转连接件317。左膝枢转连接件316将左腿结构302的小腿段305连接到此结构的大腿段304。类似地，右膝枢转连接件317将右腿结构303的小腿段307连接到此结构的大腿段306。

此对踝部枢转连接件包括左踝枢转连接件318与右踝枢转连接件319。左踝枢转连接件318将左足结构308连接到左腿结构302。类似地，右踝枢转连接件319将右足结构309连接到右腿结构303。

外骨骼300包括更多枢转连接件。下面将示出与描述这些其它枢转连接件。

外骨骼300包括几个致动装置320–325。一个致动装置与上面提及的枢转连接件相关。致动装置允许通过讨论中的枢转连接件连接的元件一个相对于另一个作出旋转运动。通过此种方式，外骨骼300包括左膝致动装置320、右膝致动装置321、左臀致动装置322、右臀致动装置323、左踝致动装置324、与右踝致动装置325。

通过实例的方式更加详细地描述与左膝枢转连接件316相关的左膝致动装置320。左膝致动装置320包括致动器326与两个旋转连接构件327、328。一个旋转连接构件327将致动器326的端部在相对地远离左膝枢转连接件316的连接点处连接到大腿段304。另一个旋转连接构件328将致动器326的另一端在相对靠近左膝枢转连接件316的连接点处连接到小腿段305，左膝枢转连接件316就在旋转连接构件328下面。

致动器326能够描述其端部之间的直线运动。此直线移动转变成小腿段305相对于大腿段304的旋转运动。旋转连接构件327可以包括万向接头。其它旋转连接构件328可以包括球接头。图3示出了还可以是反向的此布置。此布置允许左膝致动装置320、以及大腿段304与小腿段305沿着三维描述有用的运动。上述的连接点相应地相对于大腿段304以及相对于小腿段305保持固定。

与左膝枢转连接件316相关的致动装置320实际上构成具有可变长度的段的四边形。此段是可以是以千斤顶的形式的致动器326。此千斤顶例如可以是电动、液压、气动千斤顶或者任何其它类型的直线致动器。千斤顶具有通过施加到千斤顶的控制信号可调节的长度。在下文中为了清楚与方便的原因，与左膝枢转连接件316相关的致动器326将通过“左膝致动器326”指示。

上面提及的其它致动装置321–325具有类似结构并且因此类似地起作用。这些致动装置还包括图3中示出的致动器329–333。在下文中出于清楚与方便的原因，将相应地通过“右膝致动器329”、“左臀致动器330”、“右臀致动器331”、“左踝致动器332”与“右踝致动器333”指示这些致动器。这种指示的形容词表示致动器与其相关的枢转连接件。

图4更加详细地示出了外骨骼300的骨盆结构301。此附图提供了骨盆结构301的后视图。骨盆结构301包括布置为附接到图1和图2中示出的人的骨盆110的中间骨盆部分401。中间骨盆部分401由此可以包括一个或多个紧固构件，诸如如上所述的吊带或者一个或多个条带。

骨盆结构301包括一对周边骨盆部分：左周边骨盆部分402，与有周边骨盆部分403。

骨盆结构301包括一对枢转连接件：左骨盆枢转连接件404与右骨盆枢转连接件405。左骨盆枢转连接件404将左周边骨盆部分402连接到中间骨盆部分401。右骨盆枢转连接件405将右周边骨盆部分403连接到中间骨盆部分401。当外骨骼300处于静止位置中时，这些左骨盆枢转连接件404与右骨盆枢转连接件405每个都显示水平枢转轴线。

骨盆结构301还包括一对腿部定向枢转连接件：左腿定向枢转连接件410与右腿定向枢转连接件411。左腿定向枢转连接件410将左周边骨盆部分402连接到左臀结构314。右腿定向枢转连接件411将右周边骨盆部分403连接到右臀结构315。当外骨骼300处于静止位置中时，左腿部定向枢转连接件410与右腿部定向枢转连接件411显示竖直枢转轴线。

致动装置406与此对骨盆枢转连接件404、405相关。此装置包括致动器407与两个铰接件。左铰接件将致动器407的左端连接到左周边骨盆部分402的连杆。右铰接件将致动器407的右端连接到右周边骨盆部分403的连杆。致动器407可以以千斤顶的形式。此千斤顶例如可以是电动、液压、气动千斤顶或者任何其它类型的直线致动器。出于清楚与方便的原因，在下文中此致动器将通过“骨盆致动器407”指示。骨盆致动器407具有通过施加到骨盆致动器407的控制信号可调节的长度。

左阻挡装置408与左骨盆枢转连接件404相关。左阻挡装置408在解锁状态与锁定状态之间是可切换的。在解锁状态中，左阻挡装置408使左周边骨盆部分402能够相对于中间骨盆部分401枢转。此枢转能够通过左骨盆枢转连接件404的方式。但是在锁定状态中，左阻挡装置408防止此枢转。在此状态中，左周边骨盆部分402刚性地连接到中间骨盆部分401。

类似地，右阻挡装置409与右骨盆枢转连接件405相关。右阻挡装置409也相应地在解锁状态与锁定状态之间是可切换的，以便允许与防止右周边骨盆部分403相对于中心骨盆部分401的枢转。

骨盆结构301的此布置使在骨盆110处能够侧向旋转运动。此旋转运动在特定时刻作用到骨盆结构301的左侧或者右侧。这根据右骨盆枢转连接件405或左骨盆枢转连接件404的相应阻挡。这些侧向旋转运动可以发生在穿戴外骨骼的人在其直立时并且在停止时的稳定过程中。下面将更加详细地描述此过程。

此侧向旋转运动还可以有利地发生在行走过程中：穿戴外骨骼的人沿着直线行走。这些运动可以以能够是正常的方式另选地在左侧与右侧上进行，以便在行走过程中在骨盆110处提供左-右摆动。这些运动促进了向前行走运动的动态平衡。实际上，行走过程的特征大体上在于地面上的支撑件的非对称性：左足107与右足108。侧向旋转运动，以及左右交替促进了动态地补偿此非对称性。

左骨盆枢转连接件404可以包括弹性可变形构件。右骨盆枢转连接件405也可以包括弹性可变形构件。这些弹性可变形构件例如可以包括一个或多个扭簧。出于方便的原因，在下文中它们将相应地通过“左骨盆弹簧”与“右骨盆弹簧”指示。

当左周边骨盆部分402相对于中间骨盆部分401从静止位置执行枢转时，左骨盆弹簧可以存储动能。当左周边骨盆部分402执行反向枢转时，可以再注入此能量。这减小了通过骨盆致动器407消耗的能量；左骨盆弹簧可以协助骨盆致动器407执行反向枢转。相同的评论适用于当右周边骨盆部分403执行枢转时能够储存动能的右骨盆弹簧。

图4中示出并且在上面描述的骨盆结构301特别地适于人行走的人工复制。骨盆110的沉降过程在人行走中发生在向前迈步的摆动的腿部的侧面。在向前与推进切换阶段，用作支撑的另一条腿的足部弯曲并且踝部移动到跖屈。在骨盆110不沉降的情况下，人体的重心将趋于机械地升高，这是多余的并且耗费能量。

骨盆结构301适于侧向地沉降到摆动的腿部的侧面。可以通过执行存在于此侧的质量发生此沉降。这导致通过重力的局部下降，这通过骨盆结构301控制，尤其通过骨盆致动器407控制。此作用是降低在骨盆110不下沉的情况下可能发生的重心的整体高度。此外，通过重力的局部下降释放能量，此能量其中一部分存储在自由的骨盆枢转连接件中的骨盆弹簧中。

然后，当摆动的腿部结束迈步与地面接触时，骨盆结构301的已经沉降的一侧升高。然后可以提供存储在弹簧中的能量。与刚接触地面的摆动的腿部相关的外骨骼300的致动器还协助升高骨盆110。同样起作用的骨盆致动器407由此不是仅有的起作用的致动器。对于骨盆致动器407来说，仅提供对于升高骨盆结构301必要的一部分能量是足够的。骨盆致动器407可以是具有相对低功率以及相应地相对小尺寸的装置。这使得骨盆结构301的紧凑构造是可能的。

腿部定向枢转连接件410、411被致动。致动器412与左腿定向枢转连接件410相关。类似地，致动器413与右腿定向枢转连接件411相关。这些致动器412、413中的每个都可以是以包括电机与一个或多个减速级的电操作的齿轮传动电机的形式。这些减速级将电机联接到相关的腿部定向枢转连接件。减速级例如可以包括一个或多个传动装置，一个或多个涡轮与轮减速器、一个或多个行星减速齿轮以及任何其它类型的机械减速器。为了清楚与方便起见，致动器412、413在下文中将相应地指示“左腿定向致动器412”与“右腿定向致动器413”。

左腿定向枢转连接件410由此使左腿结构302能够相对于中心骨盆部分401的机动化竖直旋转。类似地，右腿定向枢转连接件411使右腿结构303能够相对于中心骨盆部分401的机动化竖直旋转。这些竖直旋转可以发生在稳定过程以及行走过程中。竖直旋转有助于这些过程是有效的并且通过穿戴外骨骼的人视为是自然的。

例如，左腿结构302的竖直旋转大致地定向左足结构308以便向左转向。类似地，右腿结构303的竖直旋转可以有助于向右转弯。在其它情形中，腿部定向枢转连接件410、411使骨盆结构301相对于腿部枢转。这允许重量传送到左侧或到右侧。此重量传送可以有利地介入以开始迈步运动；此重量被传送到支撑腿部。在竖直位置的平衡还通常地涉及其中腿部定向枢转连接件410、411可以起作用的重量转移。腿部定向枢转连接件410、411还可以介入行走过程。骨盆结构301相对于支撑腿部的竖直旋转延长了步幅并且由此使得行走过程更加有效。

图5示出了处于静止状态中的外骨骼300。经由示意图示出了此外骨骼300。通过相同的附图标记标注与上面出现的元件相同或类似的元件。

外骨骼300包括控制装置501，该控制装置能够控制多个致动器：骨盆致动器407、左腿定向致动器412、右腿定向致动器413、左膝致动器326、右膝致动器329、左臀致动器330、右臀致动器331、左踝致动器332、以及右踝致动器333。控制装置501还可以控制相应地与左骨盆枢转连接件404以及与右骨盆枢转连接件405相关的图4中示出的左阻挡装置408与右阻挡装置409。控制装置501可以通过传输到相关元件的控制信号控制上述元件中的任一个。可以通过有线或者无线执行此传输。

控制装置501包括能够探测穿戴外骨骼的人的身体的一部分的动态参数的探测器510。此身体部分优选地脱离外骨骼300，即不连接到外骨骼300。此身体部分可以例如是图1中示出的穿戴外骨骼的人的躯干109。在此情形中，动态参数可以包括躯干109的位置、躯干109的移动速度、或者躯干109的加速度。

探测器510可以包括惯性传感器511、512、513的阵列。例如，两个惯性传感器511、512可以定位在穿戴外骨骼的人的胸部上。另一个惯性传感器513可以定位在肚脐处。此位置与人的自然重心相应。惯性传感器511、512、513实际上限定三角形。此布置探测躯干109相对于腿部101、102，以及由此相对于外骨骼300的多个位置或者多个移动。例如，惯性传感器511、512、513的阵列可以探测躯干109的以下位置：倾向前面、倾向后面、倾向右侧、倾向左侧。惯性传感器511、512、513的阵列还可以在行走或者甚至躯干109的旋转过程中探测骨盆110的平衡的状态。

控制装置501包括接收探测器510的一个或多个探测信号的处理器514。这些探测信号指示躯干109的位置或移动。处理器514可以根据穿戴外骨骼的人的躯干109的位置或移动将控制信号施加到上述致动器407、412、413、326、329-333中的一个或多个。

此外，处理器514还可以接收来自致动器的信号，以提供关于致动器的信息。处理器514可以考虑这些信号以设立控制信号。在此过程中，处理器514可以执行用于致动器的控制回路。处理器514可以通过来自探测器510的探测信号确定用于此控制回路的设定点值，并且由此确定在讨论中的致动器。

更具体地说，处理器514可以将外骨骼300的特定操作模式增加到躯干109的位置或移动。处理器514然后可以生成适于一个或多个致动器的一个或多个控制信号。例如，处理器514可以将位置“倾向前面”解释为期望向前移动。在此情形中，处理器514控制外骨骼300的致动器，使得产生向前移动。这可以与“向前行走”操作模式相应。在此行走过程中，处理器514还可以利用探测信号以形成骨盆结构301的平衡。处理器514可以使穿戴外骨骼的人在他的向前行走中平稳，并且如果修正是必要的话，那么处理器可以对外骨骼300起作用。在另一个实例中，处理器514可以解读诸如需要使外骨骼300再平衡的相对突然的移动探测。

此控制装置501具有若干优点。此人可以直观地控制外骨骼300。忘记此指令；外骨骼300允许自身自然地被使用。此外骨骼300及其指令复制人行走的“还原的下落”特征的机制。这还提供了具有高能规格的优点：外骨骼300可以有用地利用通过在行走过程中通过向前的下落产生的能量。这减少了对于用于执行此过程的电能的需要。

图6示出了在骨盆结构301处致动的状态中的外骨骼300。通过与图5类似的示意图示出了外骨骼300。在图6中示出的致动状态中，右腿结构303略微地侧向地倾斜。为发生此倾斜，右骨盆枢转连接件405处于解锁状态中，同时左骨盆枢转连接件404处于锁定状态中。骨盆致动器407在处理器514的控制下延长。骨盆致动器407的两个端部移动分开并且致使右周边骨盆部分403相对于中间骨盆部分401枢转。

图7示出了在骨盆结构301处致动的另一种状态中的外骨骼300。外骨骼300通过与图5和图6类似的示意图示出。在图7中示出的致动状态中，这可以认为是图6中示出的状态的反向，略微侧向地倾斜的是左腿结构302。为发生此倾斜，左骨盆枢转连接件404处于解锁状态中，同时右骨盆枢转连接件405处于锁定状态中。在此同时，骨盆致动器407在处理器514的控制下延长。骨盆致动器407的两个端部移动分开，在此情形中致使左周边骨盆部分402相对于中间骨盆部分401枢转。

图6和图7中示出的致动状态可以发生在例如稳定过程期间、穿戴外骨骼的人处于直立位置、静止位置、或者在行走过程期间。这些过程可以包括大量运动。在踝部处、尤其侧向的运动给人体的顶部定向。此运动通常地与骨盆结构301处的运动结合，这不必须限于图6和图7中示出的运动。

稳定过程，或者行走过程，通常地涉及穿戴外骨骼的人的身体的重量转移。例如，将身体的重量转移到左侧或者转移到右侧(如果需要的话)对于启动行走过程来说是重要的。左腿定向枢转连接件410或者右腿定向枢转连接件411(如果需要的话)介入此重量转移中。这些腿部定向枢转连接件410、411允许骨盆结构301相对于支撑腿部执行旋转运动，致使质量转移。在将身体的重量转移到足部过程中，另一个足部被释放并且现在可以离开地面。重量转移还可以发生在稳定过程中，这是对外部干扰的反应，以便在竖直位置中再平衡。

在重量转移过程中，外骨骼300可以被迫在穿戴外骨骼的人的骨盆110处执行几种类型的旋转。关于每个腿部存在三种旋转。可以通过左腿定向枢转连接件410与右腿定向枢转连接件411实现根据竖直轴线的旋转。可以通过左骨盆枢转连接件404与右骨盆枢转连接件405实现根据垂直于图1和图2中示出的冠状剖面115的水平轴线的旋转。可以通过左臀枢转连接件312与右臀枢转连接件313实现根据垂直于图1和图2中示出的矢状剖面113的水平轴线的旋转。

图8示出了处于静止状态中的更多外骨骼300。图8是相对于图5的简化示意图。图8示出了当外骨骼300处于静止状态中时左腿结构302的大腿段304具有相对于小腿段305的倾斜角801。此倾斜角801非零，使得所述大腿段304的上端802比下端803远离穿戴外骨骼的人的中间矢状剖面113。倾斜角801可以在0°到30°的范围内，优选地在0°与20°之间。相同的评论适用于相对于小腿段307具有倾斜角804的右腿部结构303的大腿段306。

左侧大腿段304与右侧大腿段306的倾斜角801、804复制自然倾斜角。当人处于正常、竖直位置中时，人的大腿骨通常地相对于竖直倾斜。通过复制此倾斜角，外骨骼300可以相对于没有此倾斜角的结构更加快速且更加能量高效地将重量转移到足部。此倾斜角减小了重心的移动，这对于重心在支撑足部上方来说是必要的。

图9更加详细地示出了外骨骼300的两个足部结构308、309。图9提供了这些两个足部结构的平面图：左足结构308与右足结构309。左足结构308的支撑平面310具有在图9中指示的中间纵轴线901。类似地，右足结构309的支撑平面311具有同样在此图中指示的中间纵轴线902。

下面的中间纵轴线901(相应地902)表示在支撑平面311中的左足结构308(相应地右足309)的轴线并且当使用者将他的足部布置在左足结构308(相应地右足)上时面向使用者足部的第二曲率半径延伸。

左足结构308的支撑平面310包括前平台903与后平台904。中间纵轴线901(相应地902)由此基本上在与左足结构308(相应地右侧309)的足跟相应的区域和前平台903的边缘1004之间延伸。

沿着枢转轴线1101延伸的足部枢转连接件905将前平台903连接到后平台904。后平台904连接到左踝枢转连接件318。足部枢转连接件905包括可以以扭簧形式的弹性可变形构件906。出于方便的原因，在下文中弹性可变形构件将被称为“扭簧906”。当前平台903相对于后平台904折叠时，扭簧906能够以势能形式存储能量。右足结构309的支撑平面311具有类似结构，包括前平台907、后平台908、与足部枢转连接件909。

足部枢转连接件905构成支撑平面310的断裂，使得相对于没有断裂的单部件的支撑平面，行走活动能够更流畅、灵活，更加自然并且更快速。在行走过程中，没有断裂的单部件的支撑平面将平行于此地面或者通过以非常难以控制的一次性或直线支撑来终止而离开地面。足部枢转连接件905由此有助于更加如实地复制穿戴外骨骼的人已经失去的行走功能。这还促进了穿戴外骨骼300人对其更好的接受，以及更容易且更快速地适应。

足部枢转连接件905的另一个优点包括当后平台904离开地面时的向前推进作用，同时前平台903继续支撑在地面上。通过足部枢转连接件905形成的断裂构成用于受控下落运动的旋转轴线。此旋转轴线将向前的平移分量增加到受控的下落运动。此向前推进作用在人的动态行走中是重要的。此作用以能量高效方式延长了步幅。

扭簧906恢复在向前下落过程中释放的一部分势能。实际上，扭簧906具有通过向前下落控制的刚性。扭簧806储存此能量以便当左足结构308在结束迈步离开地面时然后恢复它。上面关于左足结构308的描述加上必要变更施加到右足结构309。

显而易见的是中间纵轴线901(相应地902)、枢转轴线1101与中间矢状剖面形成三角形，其中枢转轴线1101与中间纵轴线901(相应地902)之间的角度优选地在大约60°与125°之间，例如在95°与105°之间。

图10示出了同样适用于右足结构309的左足结构308的其它方面。图10提供了此足部结构的支撑平面310的底部平面与立体图。支撑平面310包括适于与地面接触的柔性足底1001。柔性足底1001位于可以通过足部枢转连接件905连接到彼此的两个金属板1002、1003的形式的刚性框架下方。

柔性足底1001具有适于与地面接触的表面。通过在图10中清晰地示出的圆边1004对此表面限定。柔性足底1001的这些圆1004尤其定位在足部的端部处并且在侧面上。此圆1004进一步流畅地向前移动。尤其当在停止时的竖直位置中骨盆结构301产生侧向摆动以平衡侧向寄生运动时，在足底侧面上的足底的圆1004允许足部在这些侧面上轻微地滚动。

图11还示出了左足结构308。图11是相对于图9的简化示意图。图11示出足部枢转连接件905的枢转轴线1101定位在通过穿戴外骨骼的人的中间矢状剖面113与穿过腿部的冠状剖面115限定的象限中。图11进一步示出后平台904比前平台903更靠近中间矢状剖面113。当外骨骼300处于静止位置时，支撑平面310的中间纵轴线901相对于中间矢状剖面113具有10°与45°之间的非零度角1103。此角度范围还可以具有更极度的下限，例如一度或几度。

外骨骼300的左足结构308由此相对于矢状方向定向到可以是15°的角度的外部，而不是沿着矢状方向直线定向。

在实施方式中，当外骨骼300处于静止位置时，支撑平面310的中间纵轴线901相对于中间矢状剖面113具有5°与35°之间的角度1103。此角度范围优化了外骨骼在行走过程中的移动。在其中角的范围与当人行走时人的足部相对于他的中间矢状剖面的平均角度相应的程度上，15°与20°之间的角度提供了特别满意的结果。

当外骨骼300处于静止位置中时，足部结构308、309的相对于中间矢状剖面113具有5°与35°之间(例如15°与20°之间)的角度1103的此定向产生外骨骼，其结构和运动与其中中间纵轴线平行于中间矢状剖面(与其中角度1103是零的情形相应)的外骨骼相比更接近人的生物机械性。此外骨骼由此对于使用者来说更加舒适并且更可靠地复制了人的行走。

由于人足部也以此方式定向，该定向到外部由此最佳地复制了人的行走。此外，在迈步过程中，在推动阶段，足部的此定向通过引入外侧-内侧部件最佳地引导此推力，外侧-内侧部件将穿戴外骨骼的人的身体从支撑足部推进到接收足部。

足部结构308、309的此角度定向进一步扩大了足部结构308、309相对于地面的提升多边形(即，与地面接触的它们的支撑表面)。实际上，在本发明的外骨骼中(如对于人来说)，足部结构308、309的后平台902(和踝部和胫骨段)更靠近臀部，以便减小在外骨骼的行走过程中必要的能量，这趋于减小提升多边形以及由此当使用者直立、双足在地面上时不利于使用者的良好稳定性。将足部结构308、309定向到外部的事实(形成非零角度1103)扩大了此提升多边形的表面并且由此当使用者通过足部在地面上竖立时改进为了使用者的稳定性。

在实施方式中，足部枢转连接件905可以具有枢转轴线1101，其在通过穿戴外骨骼的人的中间矢状剖面113与穿过腿部的冠状剖面115限定的象限中限定直角三角形。枢转轴1101线可以特别地相对于中间矢状剖面113具有范围从45°到90°，优选地在50°与85°之间，例如60到65°规格的角度1102。

在当外骨骼300处于静止位置中时中间纵轴线与中间矢状剖面形成5°与35°之间的角度1103的情形中，枢转轴1101线相对与矢状剖面的60°与65°之间的角度1102基本上与通过第一跖骨关节与第五跖骨关节形成的平均角度相应。

考虑到在跖骨关节处足部的断裂的定向，足部枢转连接件905的枢转轴线1101的此定向使外骨骼的足部结构308、309适于人的足部的结构，这增强了使用者的舒适性与安全性。此定向还执行推进力的传送并且确保使用者与外骨骼的稳定性。

此外，在行走移动过程中，在后平台围绕枢转连接件905枢转时(即，当足部结构308、309“断裂”时)，足部枢转连接件905的枢转轴线1101在50°与85°之间的定向确保了踝部、胫骨与膝部的良好的空间定位。

图11示出了形成左足结构308的断裂的足部枢转连接件905定向为以便基本上垂直于矢状剖面，即基本上垂直于行走的轴。在此实例中，足部枢转连接件905由此不垂直于左足结构308的支撑平面310的中间纵轴线901。足部枢转连接件905的定向使外骨骼300以及穿戴它的人能够沿着行走方向向前倾斜。左踝枢转连接件318还在具有前-内侧定向的此倾斜中起作用，这将在下文中进行描述。

图12示出了包括左踝枢转连接件318的外骨骼300的左下部。图12提供了外骨骼300的左下部的立体图。图12示出了左踝枢转轴318具有带有特定定向的枢转轴线1201。枢转轴线1201可以限定为倾斜，因为其不包含在任意参照平面中：正面平面、矢状平面或水平平面。但是枢转轴线1201如下定向：外-内、后-前、背面-足底。然而枢转轴线1201包括垂直于图9中示出的左足结构308的支撑平面310的中间纵轴线901的主分量。

图12此外更加详细示出了与左踝枢转连接件318相关的左踝致动装置324。此装置的左踝致动器332布置在左腿结构302(图12示出了关于其的小腿段305)与左足结构308之间。左踝致动装置324可以致使左足结构308沿着左踝枢转连接件318的枢转轴线1201相对于左腿结构302枢转。

除了左踝致动器332以外，左踝致动装置324还包括万向接头1202与球接头连接件1203。万向接头1202将左踝致动器332的端部连接到左足结构308，更精确地说连接到左足结构308的后平台904。球接头连接件1203将左踝致动器332的另一端在远离左足结构308的连接点处连接到小腿段305。如上面这里所述，左踝致动器332可以以千斤顶的形式。左踝致动器332定位在小腿段305后面并且被认为其似乎是比目鱼肌。

作为变型，在左踝致动器包括没有反旋转的直线致动器的情形中(诸如其杆围绕其轴线旋转地可移动的千斤顶)，除了左踝致动器以外，左踝致动装置324还包括两个万向接头。在此情形中，第一万向接头可以将左踝致动器的端部连接到左足结构308，更精确地说是连接到左足结构308的后平台904，同时第二万向接头将左踝致动器332的另一端在远离左足结构308的连接点处连接到小腿段305。

左踝致动装置324、左踝枢转连接件318、小腿段305以及左足结构308形成运动回路。此运动回路可以使得沿着三个维度运动，由此其不保持在参考平面内。在这些运动期间，左踝致动器332保持沿着外骨骼300的小腿段305。这给此组件提供了小体积并且避免了左踝致动器332与穿戴外骨骼300的人的左腿101之间的干扰。

图13示意性示出了左踝枢转连接件318的枢转轴线1201。图13示出了枢转轴线1201的示意图。在此附图中示意性示出了左足结构308的支撑平面310。还示出了垂直于支撑平面310的中间纵轴线901的平面1202。箭头表示行走的方向。

左踝枢转连接件318的枢转轴线1201相对于足部结构的支撑平面310具有范围从0°到30°、优选地在5°与30°之间的非零角度β。枢转轴线1201具有相对于垂直于支撑平面310的中间纵轴线901的平面1202的范围从0°到45°的非零角度α。角度的一个范围与另一个范围还可以具有例如一度或几度的更极度的下限。例如，角度α可以是3°(接近1度)的规格，对于角度β具有16°的规格(到1度以内)，以便优化踝部枢转连接件的枢转轴线1201的位置并且近似人的移动地行走，这还减小了能量消耗。

通过具有倾斜的此枢转轴线1201，左踝枢转连接件318允许外骨骼300产生接近在人踝部处的自然移动的移动，尤其是更频繁且重要的移动。人的踝部与后足构成实质上相当复杂的生物机械性。这些生物机械性具有多个自由度，尤其是在胫跗、距下与肖帕尔氏关节中。这些自由度在运动过程中以及人的平衡中起到非常重要作用。

枢转轴线1201的此特定定向在左腿结构302沿着后-前方向倾斜处增加了沿着内-外方向的偏移，并且反之亦然。更具体地说，左腿结构302沿着“正”向前方向的倾斜伴随有此结构相对于左足结构308的中间纵轴线901的相对略微侧向的偏离。此偏离由此定向到外部。相反地，左腿结构302沿着“反”方向到后面的倾斜伴随有相对于左足结构308的中间纵轴线到内部的偏移。定向到内部的此偏离可以大于定向到外部的偏离。

通过尤其是左踝枢转连接件318的枢转轴1201的定向沿着内-外方向的偏离，使身体的重量能够转移到支撑足部。这关联到上面描述的骨盆结构301的运动，该运动还可以有助于此重量转移。重量转移发生在开始迈步时，并且发生在继续行走过程中和在直立位置的稳定中。此外，在行走过程中，在推进过程中，存在左踝枢转连接件318处于跖屈并且足部结构在足部枢转连接件905处折叠成两部分的阶段。通过枢转轴线1201的特定定向，可以使得重心的侧向平移从一足部到另一足部。

左踝枢转连接件318由此有效地替代了人类踝部以及人类后足的相对复杂的生物机械结构。左踝枢转连接件318构成相对简单、灵活并且可靠的系统。然而，此系统使得移动能够近似于在行走过程中或者在稳定过程中生物机械执行的大量运动。上面的左踝枢转连接件318的描述将加上必要变更施加到右踝枢转连接件319。

再次参照图5，外骨骼300的处理器514可以编程为实现几种控制模式。即，处理器514可以包括程序，即限定几种控制模式的一组可执行指令。例如，可以提供稳定控制模式以使穿戴外骨骼的人保持在静止位置中。行走控制模式可以设置为协助穿戴此外骨骼的人行走。例如可以提供用于爬台阶、下台阶、坐在椅子上、以及从椅子站立的其它控制模式。在全部这些控制模式中，处理器514控制上述致动器的至少一部分，致使外骨骼300的移动。

此程序还可以允许处理器514选择控制模式，并且根据来自探测器510并且更具体地说来自惯性传感器511、512、513的探测信号来执行它。外骨骼300可以与可以将有用信息传送到处理器514以便执行选择的控制模式的其它传感器适配。例如，可以将能够探测障碍物的一个或多个传感器设置在左足结构308上与右足结构309上。可以是光学的这些传感器能够例如探测台阶或楼梯。此传感器还可以探测相对于障碍物的距离并且将此信息通信到处理器514。

控制模式的选择及其执行可以基于图1中示出的穿戴外骨骼的人的躯干109的动态参数。惯性传感器可以探测此参数并且将关于讨论中的参数的信息通信到处理器514。通过此种方式，处理器514可以选择控制模式并且通过躯干109的移动速度或者通过诸如测量的躯干109的加速度执行它。在另一个实施方式中，传感器514可以通过来自惯性传感器的探测信号确定重心的位置。处理器514选择控制模式并且从该重心执行此控制模式。

图14示出了用于控制模式选择的投影平面1400。处理器514将如通过来自探测器510的信息设定的重心G投射在此平面1400上。此投影平面1400包括不同区域1401到1410。不同的控制模式相应地与不同的区域1401到1410相关。处理器514适用于与包含重心G的区域相关的控制模式。

此投影平面1400包括中心区域1401。此中间区域1401与静态稳定模式相关。在此模式中，通过将两个足部结构308、309保持在地面上，处理器514使外骨骼300静态地稳定。处理器514通过迫使外骨骼300作出一个或多个适当的、补偿运动而响应于在躯干109处的扰动。例如，如果穿戴外骨骼的人略微向后倾斜，那么处理器514可以造成在膝部枢转连接件316、317处的外骨骼300的弯曲，以便将重心G向前引导到提升多边形的中心。

投影平面1400包括与正常行走模式相关的行走区域1402。为了触发正常行走模式，穿戴外骨骼的人必须足够向前倾斜以便重心G由此从中心区域1401离开并且进入正常行走区域1402。外骨骼300开始向前行走并且如果此人竖直站立的话则停止。

此平面还包括紧急稳定区域。如果使用者向前倾斜太远，那么重心就进入前紧急稳定区域1403。处理器514引导外骨骼300以向前迈出大步以使得稳定。设置左侧紧急稳定区域1404用于在左侧上的不平衡。处理器514引导外骨骼300以便在其左侧上采取横向迈步。类似地，设置右侧紧急稳定区域1405用于在右侧上的不平衡。处理器514引导外骨骼300以便在其右侧上采取横向迈步。最后地，设置后紧急稳定区域1406用于到后面的不平衡。处理器514引导外骨骼300以采取向后迈步以重获其平衡。

此平面还包括尤其在行走过程中用于转弯的区域：用于左转的区域1407以及用于右转的区域1408。此平面还可以包括用于移开的区域：用于移开到左侧的区域1409，以及用于移开到右侧1410的区域1410。

说明

已经参照附图作出的详细描述仅仅是本发明的几个实施方式中的一个描述。可以多种不同方式执行本发明。为了对此说明，发明内容中概括了一些另选。

本发明可以适用于多种类型的外骨骼。例如，本发明可以适用于仅包括仅具有单个足部结构的单个腿部结构的外骨骼中。

根据本发明的外骨骼可以包括比参照附图详细描述的实施方式中的致动器的数量更少或更多数量的致动器。例如，通过省略与枢转连接件相关的致动装置可以获得其它实施方式。即，枢转连接件必须不是必需被致动，而可以是自由的。此外，通过省略或增加枢转连接件以及其它元件可以获得其它实施方式。另选实施方式可以比上面通过实例描述的实施方式更加简单或更加复杂。

可以以不同方式制造根据本发明的骨盆结构。详细的描述提出了其中骨盆结构301仅包括具有阻挡装置408、409的单致动器407的示例。在另一个实施方式中，骨盆结构可以包括两个致动器：用于左骨盆枢转连接件的致动器，以及用于右骨盆枢转连接件的另一个致动器。此骨盆结构不需要阻挡装置。

可以以多种不同的方式实现根据本发明的外骨骼的控制。例如，在控制涉及重心的确定的情形中，控制可以根据在三维空间的重心的位置改变体积。命令还可以基于重心的移动速度或加速度。

术语“处理器”必须被广义地解释。术语包括可能从一个或多个输入信号产生一个或多个输出信号尤其以便执行控制功能的任何类型的装置。术语“枢转连接件”可以延伸诸如限定在实体结构中。

上面的备注显示参照附图的详细描述说明了本发明而不是限定它。附图标记不具有限定特征。动词“包含”与“包括”不排除存在除了权利要求中列出的这些以外的其它元件或步骤。在元件或步骤前面的词语“一个(a)”或“一个(an)”不排除存在多个此种元件或此种步骤。