向使用者提供力辅助的外骨骼结构的制作方法

本发明涉及一种用于向使用者提供力辅助的外骨骼的子组件。

背景技术：

用于向使用者提供力辅助的外骨骼是与人体骨骼平行定位的机械结构，并且该外骨骼能够改善人体的体能素质。

存在不同类型的外骨骼，不同类型的外骨骼的形状和结构取决于使用者要完成的工作。外骨骼的两种主要类型一方面是被设计成用于辅助使用者运动的外骨骼，另一方面是被设计成用于增强使用者的力量能力的外骨骼。

在被设计成用于辅助使用者运动的外骨骼的情况下，使用者通常必须搬运外骨骼的结构，因为该外骨骼被设置在使用者的身体上，其结果是限制使用者的运动自由度并产生额外载荷和相关疲劳。

为了减轻使用者的负担，已知如下的外骨骼结构，在该外骨骼结构中，外骨骼的一部分质量通过设置在使用者脚下的板转移到地面，并且连接到该结构的其余部分。

在这些结构中，使用者的脚不与地面接触，这使得该结构不舒适。

此外，由于板的存在，必然减少了使用者的移动性。事实上，为了确保将外骨骼的质量转移到地面，这些结构通常不能完全允许使用者的脚踝旋转或内翻-外翻。

这样的结果是：这种类型的结构不允许在所有的行走阶段中和/或在所有类型的地形中获得地面上的支撑，特别是当使用者在倾斜或不规则的地面上行走时。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提出一种解决方案，用于减轻使用者所承载的载荷，而不论该载荷是由外骨骼结构本身产生、由可与外骨骼结构相关联的外部元件(例如背包)产生或是由使用者自身的重量产生，同时具有更好的舒适性和更好的机动性。

该目的由于如下的外骨骼子组件而在本发明的范围内实现，该外骨骼子组件包括：

-第一外骨骼部件，

-第二外骨骼部件，

-连接组件，该连接组件将第一外骨骼部件连接到第二外骨骼部件，该连接组件包括相对于第一部件和第二部件中的一个固定地安装的引导件，以及相对于第一部件和第二部件的另一个固定地安装的销，该销在第一端部位置和第二端部位置之间滑动地安装在该引导件内。

连接组件进一步包括限制装置，该限制装置被布置成当销处在第一端部位置时允许销相对于引导件的旋转，并且被布置成当销处在第二端部位置时阻止销相对于引导件的旋转。

限制装置包括弹性元件，当销处在第二端部位置时，第一外骨骼部件与该弹性元件接合，该弹性元件在第一外骨骼部件上施加倾向于阻止第一外骨骼部件和第二外骨骼部件之间的相对旋转的弹性返回力。

这种外骨骼子组件可以被使用以使得：

-当子组件未被装载时，销位于第一端部位置，限制装置允许第一外骨骼部件和第二外骨骼部件之间的相对旋转，从而允许两个部件之间的运动自由度，

-当子组件被装载时，销位于第二端部位置，限制装置阻止第一外骨骼部件和第二外骨骼部件之间的相对旋转，从而允许第一部件和第二部件之间的力的传递。

当销处在第二位置时，限制装置通过弹性部件阻止第一部件和第二部件之间的相对旋转。为此，限制装置允许第一部件和第二部件之间进行一定的旋转，同时产生阻止该运动的返回力，以便确保第一部件和第二部件之间的力的传递。该特征在使用者运动期间使使用者获得更好的舒适性。

第一外骨骼部件和第二外骨骼部件中的一个例如是能够附接到使用者腿部的部件，并且第一外骨骼部件和第二外骨骼部件中的另一个是能够附接到使用者脚部的部件。

然后，将两个外骨骼部件之间的连接组件平行于使用者的踝关节放置。

在行走周期期间，销交替地从第一位置移动到第二位置(当使用者将脚放在地面上时：加载)，并且从第二位置移动到第一位置(当使用者将脚从地面抬起时：未加载)。

当销位于第一端部位置时(脚抬起)，连接组件允许第二部件相对于第一部件的旋转，该旋转是由脚部相对于使用者腿部的运动引起的。

当销位于第二端部位置时(脚搁置在地面上)，连接组件阻止第二部件相对于第一部件的旋转，以便将由外骨骼支撑的载荷传递到地面，并且支撑施加在使用者脚踝上的全部或部分扭矩。

在组件的第一实施例中，连接组件被设置在第一外骨骼部件和第二外骨骼部件之间，使得当销位于第一端部位置时，该连接组件允许第二外骨骼部件相对于第一外骨骼部件旋转，该旋转是由脚部相对于腿部的弯曲/伸展运动引起的。

在第二实施例中，连接组件被设置在第一外骨骼部件和第二外骨骼部件之间，使得当销位于第一端部位置时，该连接组件允许第二外骨骼部件相对于第一外骨骼部件旋转，该旋转是由脚部相对于腿部的外翻/内翻运动引起的。

外骨骼子组件可以进一步具有以下特征：

-引导件包括设置在第一外骨骼部件中的椭圆形孔，

-销具有轴对称的形状，

-弹性元件被设置在两个外骨骼部件之间，

-当销处在第二端部位置时，弹性元件在第一旋转方向上和与该第一旋转方向相反的第二旋转方向上施加倾向于阻止第一外骨骼部件和第二外骨骼部件之间的相对旋转的返回力，

-弹性元件相对于第二外骨骼部件固定地安装，

-弹性元件是由弹性材料制成的块，

-第一外骨骼部件具有突起，并且弹性元件具有凹部，当销处在第二端部位置时，该突起容纳在该凹部中，

-突起具有与凹部的形状互补的形状，

-突起具有大致为尖端的形状，并且凹部具有大致v形的形状，

-第一外骨骼部件具有切口，并且弹性元件具有凸起，当销处在第二端部位置时，该凸起能够容纳在该切口中，

-在第一外骨骼部件和第二外骨骼部件之间具有相对旋转的情况下，当销处在第二端部位置时，弹性元件具有能够在两个外骨骼部件之间被压缩的一个或多个部分，

-弹性元件包括弹簧，该弹簧被布置成在另一个外骨骼部件上施加返回力，当销处在第二端部位置时，由该弹簧施加的返回力阻止该销相对于引导件的旋转，

-弹簧包括一个或多个柔性叶片，每个叶片的一端附接到两个外骨骼部件中的一个，该叶片被设置成使得销相对于引导件的旋转具有以下效果：另一个外骨骼部件将该叶片加载成弯曲。

本发明进一步适用于包括如上文所限定的子组件的外骨骼结构。

附图说明

其它特征和优点将通过以下说明揭示，所述说明完全是说明性的和非限制性的并且必须参照附图阅读，在附图中：

-图1以正视图示意性地示出了装备有外骨骼结构的使用者，

-图2示意性地示出了根据本发明的第一实施例的外骨骼结构的子组件，

-图3示意性地示出了根据本发明的第二实施例的外骨骼结构的子组件，

-图4a和图4b分别示意性地示出了当销位于第一端部位置时和当销位于第二端部位置时连接组件的第一示例，

-图5a和图5b分别示意性地示出了当销位于第一端部位置时和当销位于第二端部位置时连接组件的第二示例，

-图6示意性地示出了连接组件的第三示例，

-图7a和图7b分别示意性地示出了当销位于第一端部位置时和当销位于第二端部位置时连接组件的第三示例。

具体实施方式

在图1中，所示的外骨骼结构1包括腰带2、第一机械组件3和第二机械组件4。

腰带2能够围绕使用者的下部身躯。第一机械组件3能够连接到使用者的第一下部构件(右腿)，以在行走或跑步期间辅助该第一下部构件的运动。第二机械组件4能够连接到第二下部构件(左腿)，以在行走或跑步期间辅助第二下部构件的运动。第一机械组件3和第二机械组件4各自连接到腰带2。

第一机械组件3包括第一股骨部件31、第一胫骨部件32和第一脚部部件33。

第一股骨部件31包括被设计成沿着使用者的第一大腿(右大腿)延伸的第一股骨部段311，和能够围绕使用者的第一大腿以将该股骨部段311附接到第一大腿的附接条带312。

第一胫骨部件32包括被设计成沿着使用者的第一小腿(右小腿)延伸的第一胫骨部段321，和能够包围使用者的第一小腿以将该胫骨部段321附接到第一小腿的附接条带322。

第一脚部部件33附接到使用者的第一只鞋5，例如附接到鞋5的鞋底51。第一脚部部件33可以通过螺钉附接到鞋底51。

第一股骨部段311包括通过第一髋部接头34连接到腰带2的第一端部313，和通过第一膝部接头35连接到第一胫骨部段321的第二端部314。

第一胫骨部段321包括通过第一膝部接头35连接到第一股骨部段311的第一端部323，和通过第一踝部接头36连接到第一脚部部件33的第二端部324。

第二机械组件4与第一机械组件3对称。

第二机械组件4还包括第二股骨部件41、第二胫骨部件42和第二脚部部件43。

第二股骨部件41包括被设计成沿着使用者的第二大腿(左大腿)延伸的第二股骨部段411，和能够围绕使用者的第二大腿以将该股骨部段411附接到第二大腿的附接条带412。

第二胫骨部件42包括被设计成沿着使用者的第二小腿(左小腿)延伸的第二胫骨部段421，和能够围绕使用者的第二小腿以将该第二胫骨部段421附接到第二小腿的附接条带422。

第二脚部部件43附接到使用者的第二只鞋7，例如附接到鞋7的鞋底71。第二脚部部件43可以通过螺钉附接到鞋底71。

第二股骨部段411包括通过第二髋部接头44连接到腰带2的第一端部413，和通过第二膝部接头45连接到第二胫骨部段421的第二端部414。

第二胫骨部段421包括通过第二膝部接头45连接到第二股骨部段411的第一端部423，和通过第二踝部接头46连接到第二脚部部件43的第二端部424。

髋部接头34、44和膝部接头35、45可以包括致动器，该致动器允许在髋部或膝部的弯曲或伸展运动期间辅助使用者。

图2更详细地示出了根据本发明的第一实施例的踝部接头36。

在该第一实施例中，踝部接头36被设计成允许脚部相对于使用者的腿部进行弯曲/伸展运动。

换句话说，当胫骨部件32附接到腿部并且脚部部件33附接到使用者的脚部时，踝部接头36允许该胫骨部件32相对于该脚部部件33围绕与脚踝的弯曲/伸展轴线平行的旋转轴线x旋转。

图3更详细地示出了根据本发明的第二实施例的踝部接头36。

在该第二实施例中，踝部接头36被设计成允许使用者的脚部相对于腿部进行外翻/内翻运动。

换句话说，当胫骨部件32附接到腿部并且脚部部件33附接到使用者的脚部时，踝部接头36允许该胫骨部件32相对于该脚部部件33围绕与脚踝的外翻/内翻轴线平行的旋转轴线y旋转。

图4a和图4b更详细地示出了根据第一示例性实施例的第一踝部接头36。应当注意的是，第二踝部接头46与第一踝部接头36相同。

踝部接头36包括将胫骨部件32连接到脚部部件33的连接组件60。

连接组件60包括相对于胫骨部件32固定地安装的引导件61，和相对于脚部部件33固定地安装的销62。销62在第一端部位置(图4a中示出)和第二端部位置(图4b中示出)之间滑动地安装在引导件61内。

引导件61包括设置在胫骨部件32中的椭圆形孔63。销62延伸穿过椭圆形孔63。销62具有轴对称的形状，具有旋转轴线。以这种方式，销62可以相对于引导件61平移地移动，并且还可以相对于该引导件61沿着旋转轴线x(等于销的旋转轴线)并且垂直于该销62相对于该引导件61的平移方向z枢转。销62相对于引导件61的旋转和平移是独立的。

旋转轴线x是与根据图2中示出的第一实施例的脚踝的弯曲/伸展轴线平行的旋转轴线。

然而，旋转轴线也可以是与根据图3中示出的第二实施例的脚踝的外翻/内翻轴线平行的旋转轴线y。

连接组件60进一步包括限制装置64，该限制装置64被布置成当销62处在第一端部位置(图4a)时允许销62相对于引导件61旋转，并且被布置成当销62处在第二端部位置(图4b)时限制销62相对于引导件61的旋转。

限制装置64包括固定地安装在脚部部件33上的弹性元件65。弹性元件65例如通过板66固定地安装在脚部部件33上，该板66被设置在该弹性元件65的两侧上并螺纹固定到该脚部部件33。弹性元件65保持为夹在两个板66之间。

弹性元件65例如是由诸如橡胶的弹性材料制成的块。

弹性元件65包括具有大致v形形状的凹部67。凹部67具有介于20度至150度之间的、优选地介于30度至40度之间的打开角度。

限制装置60进一步包括固定地安装到胫骨部件32的突起68。突起68可以通过销62固定地安装到胫骨部件32。

在图4a和图4b中示出的第一示例中，突起68具有与凹部67的形状互补的形状。更确切地说，突起68具有大致为尖端的形状。

当销62处在第二端部位置(图4b)时，突起68能够与弹性元件67接合。

更确切地说，当销62位于第二端部位置(图4b)时，突起68被容纳在弹性元件65的凹部67中，这具有限制该销62相对于引导件61旋转的效果。

当使用者在行走时，踝部接头36的操作如下。

在行走周期期间，使用者的脚从支撑阶段(即，使用者的脚支撑在地面上的阶段)连续地变化到振荡阶段(即，使用者的脚不再与地面接触的阶段)。

在支撑阶段期间，施加在外骨骼上的载荷在机械组件3上产生力f，该力f具有使胫骨部件32向下加载的效果，并因此使踝部接头36的销62朝向第二端部位置(图4b)加载。

在该第二端部位置，销62相对于引导件61的旋转受到限制。事实上，突起68与弹性元件65接合。然后，在第一旋转方向上和与该第一旋转方向相反的第二旋转方向上，弹性元件65在胫骨部件32上施加阻止胫骨部件32和脚部部件33之间的相对旋转的弹性返回力。通过限制突起68的运动，弹性元件65限制胫骨部件32相对于脚部部件33的旋转间隙。

在该位置，施加在外骨骼上的载荷从胫骨部件32传递到脚部部件33。该载荷从脚部部件33传递到鞋5，并因此传递到地面。

在振荡阶段期间，施加在外骨骼上的载荷主要通过另一个机械组件4传递到地面。此外，鞋5不再与地面接触，并且该鞋5的重量p使脚部部件33向下加载。因此，重量p使踝部接头46的销62朝向第一端部位置(图4a)加载。

在该第一端部位置，突起68不再与弹性元件65接合。因此，弹性元件65不再限制胫骨部件32相对于脚部部件33的旋转间隙。限制装置60允许脚部部件33相对于胫骨部件32的旋转，从而允许使用者的运动自由度。

在该第一位置，没有载荷从胫骨部件32传递到脚部部件33。

图5a和图5b更详细地示出了根据第二示例性实施例的第一踝部接头36。

在该第二示例中，限制装置64包括固定地安装在脚部部件33上的两个弹性元件65。每个弹性元件均为片弹簧。

片弹簧被设置在突起68的两侧，形成v形。

每个片弹簧65包括彼此平行布置的多个柔性叶片69。叶片例如可以由诸如钢的金属制成。

每个叶片69具有附接到脚部部件33的第一端部和第二自由端部。柔性叶片69具有不同的长度，以便为弹簧获得阶梯式柔性。相同弹簧65的叶片69从最大到最小并排布置，使得当销62处在第二端部位置(图5b)时，突起68与较长的叶片进行接触。

更确切地说，当销62位于第二端部位置(图5b)时，突起68被容纳在两个弹性元件65之间，这具有将叶片69加载成弯曲的效果。

当叶片被加载成弯曲时，叶片69在突起68上施加倾向于阻止销62相对于引导件61旋转的弹性返回力。

当使用者在行走时，踝部接头36的操作如下。

在支撑阶段期间，施加在外骨骼上的载荷在机械组件3上产生力f，该力f具有使胫骨部件32向下加载的效果，并因此使踝部接头36的销62朝向第二端部位置(图5b)加载。

在该第二端部位置，销62相对于引导件61的旋转是可能的，但是该旋转受到限制。事实上，突起68与两个弹性元件65接触。通过阻止突起68的运动，弹性元件65限制胫骨部件32相对于脚部部件33的旋转间隙。

在该位置，施加在外骨骼上的载荷从胫骨部件32传递到脚部部件33。该载荷从脚部部件33传递到鞋5，并因此传递到地面。

在振荡阶段期间，施加在外骨骼上的载荷主要通过另一个机械组件4传递到地面。此外，鞋5不再与地面接触，并且该鞋5的重量p使脚部部件33向下加载。因此，重量p使踝部接头46的销62朝向第一端部位置(图5a)加载。

在该第一端部位置，突起68不再与弹性元件65接触。因此，弹性元件65不再阻止胫骨部件32相对于脚部部件33的旋转。限制装置60允许脚部部件33相对于胫骨部件32的旋转，从而允许使用者的运动自由度。

图6示出了根据第三示例性实施例的第一踝部接头36。应当注意的是，第二踝部接头46与第一踝部接头36相同。

踝部接头36包括将胫骨部件32连接到脚部部件33的连接组件60。

连接组件60包括相对于胫骨部件32固定地安装的引导件61，和相对于脚部部件33固定地安装的销62。销62在第一端部位置(图7a中示出)和第二端部位置(图7b中示出)之间滑动地安装在引导件61内。

为此，连接组件60包括两个板66，该两个板66被设置在胫骨部件32的两侧。两个板66通过穿过该两个板66和胫骨部件32的附接螺钉81附接到该胫骨部件32。

引导件61包括设置在一个板66中或优选地设置在两个板66中的椭圆形孔63。

销62附接到脚部部件33的、在两个板66之间延伸的条带82。

销62延伸穿过椭圆形孔63。销62具有轴对称的形状，具有旋转轴线。以这种方式，销62可以相对于引导件61平移地移动，并且还可以相对于该引导件61沿着旋转轴线y(等于销的旋转轴线)并且垂直于该销62相对于该引导件61的平移方向z枢转。

旋转轴线y是与根据图3中示出的第二实施例的脚踝的外翻/内翻轴线平行的旋转轴线。

然而，旋转轴线也可以是与根据图2中示出的第一实施例的脚踝的弯曲/伸展轴线平行的旋转轴线x。

连接组件60包括限制装置64，该限制装置64被布置成当销62处在第一端部位置(图7a)时允许销62相对于引导件61旋转，并且被布置成当销62处在第二端部位置(图7b)时限制销62相对于引导件61旋转。

限制装置64包括被设置在胫骨部件32和脚部部件33之间的弹性元件65。在图6中示出的示例中，弹性元件65固定地安装在脚部部件33上。为此，弹性元件65具有将其自身模制到脚部部件的条带82的形状。

弹性元件65通过板66保持在胫骨部件32和脚部部件33之间，该板66被设置在该弹性元件65的两侧上并螺纹固定到该胫骨部件32。然而，弹性元件65可以在两个板66之间滑动。

弹性元件65例如是由诸如橡胶的弹性材料制成的块。

弹性元件65包括中心部分83和两个侧向部分84。中心部分83具有大致拱形的形状，而每个侧向部分84具有大致直的形状，以便在弹性元件65上提供大致为ω形的形状。

因此，弹性元件65的中心部分83形成朝向脚部部分33定向的凹部85。凹部84容纳脚部部件33的条带82。

弹性元件65的中心部分83进一步形成朝向胫骨部件32定向的大致圆形的凸起86。

胫骨部件32进一步包括凹部87，该凹部87面向凸起86定位并且能够容纳弹性元件65的凸起86。以这种方式，当弹性元件的凸起86被容纳在凹部87中时(图7b)，胫骨部件32能够与弹性元件65接合。

更确切地说，当销62位于第二端部位置(图7b)时，弹性元件65的凸起86被容纳在胫骨部件32的凹部87中，这具有在胫骨部件32和脚部部件33之间压缩该弹性元件65的中心部件83的效果，并且限制销62相对于引导件61的旋转。

当使用者在行走时，踝部接头36的操作如下。

在行走周期期间，使用者的脚从支撑阶段(即，使用者的脚搁置在地面上的阶段)连续地变化到振荡阶段(即，使用者的脚不再与地面接触的阶段)。

在支撑阶段期间，施加在外骨骼上的载荷在机械组件3上产生力f，该力f具有使胫骨部件32向下加载的效果，并因此使踝部接头36的销62朝向第二端部位置(图7b)加载。

在该第二端部位置，销62相对于引导件61的旋转是可能的，但是该旋转受到限制。事实上，胫骨部件32的凹部87与弹性元件65接合。然后，在第一旋转方向上以及在与第一旋转方向相反的第二旋转方向上，弹性元件65在胫骨部件32上施加阻止胫骨部件32和脚部部件33之间的相对旋转的弹性返回力。

另外，弹性元件65在胫骨部件32和脚部部件33之间被压缩。在该位置，胫骨部件32可以相对于脚部部件围绕轴线y轻微地转动。然而，弹性元件65的两个侧向部分84限制胫骨部件相对于脚部部件的旋转间隙。事实上，通过转动，胫骨部件32与侧向部分84进行接触，这些侧向部分84在该胫骨部件32上施加倾向于阻止该胫骨部件32相对于脚部部件33旋转的返回力。

在该第二端部位置处，施加在外骨骼上的载荷从胫骨部件32传递到脚部部件33。该载荷从脚部部件33传递到鞋5，并因此传递到地面。

在振荡阶段期间，施加在外骨骼上的载荷主要通过另一个机械组件4传递到地面。此外，鞋5不再与地面接触，并且鞋5的重量p使脚部部件33向下加载。因此，重量p使踝部接头46的销62朝向第一端部位置(图7a)加载。

在该第一端部位置，胫骨部件32的凹部87不再与弹性元件65接合。因此，弹性元件65不再限制胫骨部件32相对于脚部部件33的旋转间隙。限制装置60允许脚部部件33相对于胫骨部件32的自由旋转，从而允许使用者的运动自由度。

在该第一位置，没有载荷从胫骨部件32传递到脚部部件33。