下肢外骨骼或矫形器的最佳设计的制作方法

下肢外骨骼或矫形器的最佳设计的制作方法
【专利摘要】连结机构(112)在诸如用于人体下肢的外骨骼、矫形器或假肢的可穿戴装置(100)的远侧构件(103)与近侧构件(104)之间延伸。所述远侧构件和所述近侧构件中的一者或另一者包括交叉构件(130)。所述连结机构从所述远侧构件或所述近侧构件的所述交叉构件延伸到所述远侧构件和所述近侧构件中的另一者。所述连结机构的致动会转换为所述远侧构件或近侧构件处的正交于延伸穿过所述远侧构件和近侧构件的主纵向轴线的力。
【专利说明】下肢外骨骼或矫形器的最佳设计
[0001] 相关申请
[0002] 本申请要求2013年12月16日美国临时申请号61/916,692?及2014年6月19日提交 的美国临时申请号62/014,377的优先权。上述申请的全部教导通过引用并入本文。
[0003] 政府支持
[0004] 本发明在美国国家航空和航天局授予的批准号NNX12AM16G下由政府支持而做出。 政府对本发明具有一定的权利。
【背景技术】
[0005] 外骨骼、矫形器和假肢经常在运动的背景下旨在增强人体机能。例如，外骨骼围绕 预期功能的目标的生物关节(例如，膝关节或髓关节)戴在身体外部上。取决于装置的具体 用途，外骨骼的机械效应可添加、去除或储存W及释放能量。然而，无关乎目的，人类用户与 戴着的外骨骼之间的所有能量交换经由外骨骼与人体之间的机械相互作用发生。该机械相 互作用将力分布施加在包围关节和肢体段的软组织上。通常，外骨骼使用与解剖学关节平 行的机械关节，运减少了柔性;或者力分布平行于肢体轴线（即，剪切），运可能对用户不舒 月良。运种不适经常破坏装置的功能并且阻碍外骨骼的功效。
[0006] 国际申请号W02012/175211 A1(其全部教导并入本文)描述了一种具有人工关节 的完全整合系统。人工关节一般会减少施加在人体上的力，但往往也极大地限制运动和柔 性。已知带动力的外骨骼通常也笨重且使用繁琐。
[0007] 常规的外骨骼和辅助装置通常由主动致动器、被动机械部件和机械接口组成。为 了减少设计复杂性，肢体关节通常应考虑为单个平面中的多个单D0F较链关节的一到Ξ个 自由度(D0F)关节。然而，生物关节是复杂的，通常关于改变的瞬屯、旋转。例如，膝关节运动 可被可视化为股骨围绕一系列Ξ维瞬时轴线而非单个固定轴线的旋转。结果，肢体关节运 动与机械接口运动之间的不匹配通常导致不希望的初带和肌肉长度改变及其它内部机械 改变。运些不希望的影响会促成不适，W及与运样的装置的滑移和滞后相互作用。
[0008] 因此，对克服或尽量减少上述问题的诸如外骨骼、矫形器和假肢的装置存在一种 需要。

【发明内容】

[0009] 本发明总体设及一种诸如供人体生物踩关节、膝关节或髓关节使用或者供人体踩 关节、膝关节和髓关节的任何组合的下肢使用的可穿戴装置，诸如假肢、矫形器或外骨骼。 在一个实施方式中，所述装置包括可由个人穿戴的位于个人的骨骼关节的远侧的远侧构 件、可由个人穿戴的位于所述关节的近侧的近侧构件W及位于所述远侧构件与近侧构件之 间的连结机构。所述远侧构件和所述近侧构件中的一者或另一者包括交叉构件，其中所述 连结机构从所述远侧构件或所述近侧构件的所述交叉构件延伸到所述远侧构件和所述近 侧构件中的另一者。当由人体个人穿戴好时，所述连结机构的致动会转换为所述远侧构件 或近侧构件处的正交于延伸穿过所述远侧构件和近侧构件的主纵向轴线的力。
[0010] 在一个实施方式中，所述交叉构件是刚性的。所述交叉构件可w刚性或非刚性地 固定到所述远侧构件和所述近侧构件中的一者或另一者。
[0011] 在【具体实施方式】中，所述连结机构包括滚珠丝杠致动器。在另一实施方式中，所述 连结机构和所述交叉构件是系列弹性致动器的部件。例如，所述系列弹性致动器可W是双 向致动器，诸如气动致动器。供本发明使用的合适的气动致动器的示例包括硬化系列弹性 元件。在另一实施方式中，所述气动致动器包括可充式囊。在又一实施方式中，所述系列弹 性致动器是单向致动器，诸如气动致动器或电动线轴致动器。
[0012] 所述交叉构件可W包括远端和近端，其中所述远端在一端处被固定到所述远侧构 件并且大致正交于所述远侧构件的主纵向轴线，并且其中所述连结机构在所述交叉构件的 所述近端与所述近侧构件之间延伸。在【具体实施方式】中，所述远侧构件包括一表面，该表面 大致平行于与在所述远侧构件与近侧构件之间延伸的所述主纵向轴线正交的平面。在一个 实施方式中，本发明的装置进一步包括从所述远侧构件延伸的第二交叉构件，其中所述交 叉构件彼此大致平行。
[0013] 在本发明的一个实施方式中，所述远侧构件被构造成支撑人脚并且待被固定到人 脚，其中所述交叉构件被构造成大致从背侧延伸并且平行于从人脚延伸的腔骨，并且其中 所述近侧构件被固定到人体小腿，其中电动线轴致动器包括线缆，该线缆连结到所述交叉 构件的所述近端并且W与人体腔骨的主纵向轴线正交的方式跨越小腿，由此，所述致动器 的致动会引起所述远侧构件围绕人体踩关节的旋转，从而至少辅助人脚在步行同时的巧 屈。
[0014] 在另一实施方式中，所述交叉构件是非刚性的。在该实施方式中，所述连结机构包 括从所述近侧构件延伸到所述远侧构件的支柱，从而所述交叉构件和所述支柱跨越所述远 侧构件旋转所围绕的轴线。在【具体实施方式】中，所述支柱被约束在所述近侧构件处，正交于 且横向于所述交叉构件的从所述近侧构件延伸到所述远侧构件的主纵向轴线，其中所述支 柱沿着所述交叉构件的所述主纵向轴线不受限制。在该实施方式中，所述连结机构进一步 包括正交且横向地限制所述支柱的位于所述近侧构件处的至少一个漉。所述连结机构包括 彼此对置的至少一对漉，其中所述支柱被正交地约束在所述一对漉之间。所述支柱可W在 所述一对漉处被弯曲，从而在所述远侧构件绕由所述交叉构件和所述支柱跨越的轴线旋转 期间所述支柱与一对漉之间的剪切力小于所述支柱在所述一对漉处是直的情况下的剪切 力。所述支柱包括位于所述一对漉处的引导管，其中所述交叉构件延伸穿过所述引导管。在 一个实施方式中，所述装置包括一对交叉构件和一对支柱。在【具体实施方式】中，所述支柱在 所述漉与所述远侧构件之间大致是直的。在一个特定实施方式中，在翻转和反转固定到所 述远侧构件的人脚W及固定到所述近侧构件的人体小腿期间使所述支柱中的至少一个偏 转。通常，所述支柱是刚性的。在一个实施方式中，所述支柱是弯曲的，从而在固定到所述远 侧构件的人脚W及固定到所述近侧构件的人体小腿的正常步行周期期间，所述支柱作为系 列弹黃操作。
[0015] 在一个实施方式中，所述连结机构进一步包括附接至所述一对交叉构件的近端的 绞盘致动器组件，从而所述连结机构的致动将引起所述交叉构件的缩回，运引起所述远侧 构件的旋转W及固定到所述远侧构件的人脚围绕人体踩关节的巧屈。在另一实施方式中， 所述一对交叉构件被固定到所述远侧构件的近端。第二对交叉构件可W固定到所述远侧构 件的远端。在一个【具体实施方式】中，所述连结机构进一步包括附接至所述第二对交叉构件 的近端的第二绞盘致动器组件，从而所述连结机构的选择性致动会引起所述第二对交叉构 件的缩回，运引起所述远侧构件的旋转W及固定到所述远侧构件的人脚围绕所述人体踩关 节的背屈。在【具体实施方式】中，所述远侧构件被构造成适合人体小腿。在该实施方式中，所 述近侧构件可W构造成适合人体大腿。在一个实施方式中，所述交叉构件从所述远侧构件 向近侧延伸，并且所述连结机构在所述近侧构件与所述交叉构件的近端之间延伸，从而所 述连结机构的致动将引起固定到所述近侧构件和远侧构件的人体腿部的伸展。替代地，所 述交叉构件从所述近侧构件向远侧延伸，并且所述连结机构在所述交叉构件的远端与所述 远侧构件之间延伸，从而连结机构的致动将引起固定到所述近侧构件和远侧构件的人体腿 部的伸展。
[0016] 在另一实施方式中，所述近侧构件被构造成适合人体腰部。在该实施方式中，所述 远侧构件被构造成适合人体大腿。优选地，所述交叉构件从所述远侧构件向近侧延伸。在一 个运样的实施方式中，所述连结机构包括双向致动器，从而所述连结机构的致动将使所述 远侧构件和固定到所述远侧构件的人体大腿围绕穿戴所述装置的人体的髓关节旋转。在一 个实施方式中，所述双向致动器是滚珠丝杠致动器。
[0017] 所述装置的另一实施方式是一种可穿戴下肢装置，其包括可由个人穿戴的跨越远 侧骨骼关节的远侧模块，并且包括可由个人穿戴的跨越近侧骨骼关节的近侧模块，其中所 述远侧模块和所述近侧模块被联接。所述远侧模块和近侧模块中的至少一个包括可由个人 穿戴的位于相应骨骼关节的远侧的远侧构件、可由个人穿戴的位于相应骨骼关节的近侧的 近侧构件W及位于所述远侧构件与近侧构件之间的连结机构，由此，所述连结机构的致动 将被转换为所述远侧构件或近侧构件处的正交于延伸穿过所述远侧构件和近侧构件的主 纵向轴线的力。在该实施方式中，可选地，所述远侧构件和近侧构件中的至少另一者包括交 叉构件，并且所述连结机构从所述远侧构件或所述近侧构件的所述交叉构件延伸到所述远 侧构件和所述近侧构件中的另一者。在一个【具体实施方式】中，所述远侧模块和所述近侧模 块两者均包括远侧构件、近侧构件、交叉构件和连结机构。所述远侧模块和所述近侧模块可 W由共同构件联接，其中所述远侧模块的所述近侧构件也至少是所述近侧模块的所述远侧 构件的部件。所述远侧模块和所述近侧模块可W被刚性地联接。在一个实施方式中，所述共 同构件包括将所述远侧模块联接到所述近侧模块的自由度。例如，所述自由度可W是在大 致平行于所述近侧模块和远侧模块中的至少一者的旋转平面的平面中引起旋转的较链。例 如，所述远侧模块可W是构造成供人体膝关节使用的外骨骼、矫形器或假肢，而所述近侧模 块可W是构造成供人体髓关节使用的外骨骼、矫形器或假肢。在【具体实施方式】中，所述远侧 模块和近侧模块的所述连结机构可W各包括绞盘致动器或滚珠丝杠致动器。在一个特别优 选的实施方式中，所述远侧模块的所述交叉构件包括滑轮并包括连结所述滑轮的线绳，并 且所述远侧模块的连结机构包括绞盘致动器，从而所述远侧模块的所述连结机构的致动会 引起固定到所述远侧模块的所述人体膝关节的伸展。例如，所述远侧模块的所述远侧构件 可W包括将所述滑轮连结到所述远侧模块的所述远侧构件的板黃。在一个实施方式中，所 述远侧模块的所述交叉构件从所述近侧模块的所述远侧构件的所述较链向近侧延伸。所述 近侧模块的所述连结机构可W包括线绳并包括位于所述近侧模块的所述近侧构件处的绞 盘致动器，其中所述线绳从所述近侧模块的所述交叉构件延伸到所述绞盘致动器，由此，所 述近侧模块的所述连结机构的致动将引起固定到所述近侧模块的人体髓关节的屈曲运动。 在替代实施方式中，所述近侧模块的所述连结机构包括滚珠丝杠致动器，由此，所述连结机 构的致动是双向的，并且选择性地引起固定到所述近侧构件的人体髓关节的屈曲和伸展。
[0018] 在另一实施方式中，所述下肢装置进一步包括位于所述远侧模块的远侧的踩关节 模块，其中所述踩关节模块被联接到所述远侧模块，并且其中所述远侧模块和所述踩关节 模块共用一共同构件。在该示例的一个实施方式中，所述踩关节模块包括踩关节远侧构件、 踩关节近侧构件W及位于所述踩关节远侧构件与所述踩关节近侧构件之间的踩关节连结 机构，由此，所述踩关节连结机构的致动将被转换为所述踩关节远侧构件或所述踩关节近 侧构件处的正交于延伸穿过所述踩关节远侧构件和踩关节近侧构件的主纵向轴线的力。在 所述下肢装置的一个运样的实施方式中，所述踩关节远侧构件和踩关节近侧构件中的至少 一者或另一者包括踩关节交叉构件，其中所述踩关节连结机构从所述踩关节远侧构件或所 述踩关节近侧构件的所述踩关节交叉构件延伸到所述踩关节远侧构件和所述踩关节近侧 构件中的另一者。
[0019] 在一个实施方式中，所述踩关节模块的所述交叉构件从所述踩关节模块的所述远 侧构件向近侧延伸。在特定实施方式中，所述踩关节模块的所述连结机构包括位于所述踩 关节模块的所述近侧构件处的绞盘致动器，其中所述绞盘致动器的线绳从所述交叉构件的 近端延伸到所述踩关节模块的所述绞盘致动器，由此，所述连结机构的致动会引起固定到 所述踩关节模块的人体踩关节的巧屈。
[0020] 例如，本发明的可穿戴下肢装置可W是用于人体踩关节的外骨骼、矫形器或假肢， 并且所述近侧模块可W是用于人体膝关节的外骨骼、矫形器或假肢。
[0021] 在一个实施方式中，所述可穿戴装置包括向所述交叉构件施加大致线性力的连结 机构。
[0022] 在又一实施方式中，本发明的装置包括地面连结机构，该地面连结机构相对于人 体股骨的远端或人体腔骨的近端固定。具有第一端和第二端的输入连结机构被固定到限定 旋转轴线的枢轴并且围绕所述枢轴旋转，其中所述枢轴在所述第一端处将所述输入连结机 构连结到所述地面连结机构。具有第一端和第二端的联接器被枢转地安装到所述输入连结 机构的所述第二端。输出连结机构相对于人体股骨的远端或人体腔骨的近端中的另一者固 定，并且具有第一端和第二端，所述输出连结机构的所述第一端在所述联接器的所述第一 端处被枢转地安装到所述联接器的所述第二端。滑动连结机构位于所述地面连结机构与所 述输出连结机构之间，从而固定所述装置的所述人体膝关节的旋转将引起所述输出连结机 构的旋转轴线相对于所述地面连结机构平移，W追踪所述人体膝关节的两个自由度，其中 所述人体膝关节围绕正交于矢状平面的轴线在所述矢状平面中旋转，但相对于所述枢轴的 旋转轴线移动，将所述输入连结机构的所述第一端连结到所述地面连结机构。在该实施方 式中，所述滑动连结机构包括由所述输出连结机构限定的槽缝，其中来自所述地面连结机 构的突起延伸穿过由所述滑动连结机构限定的所述槽缝，所述滑动连结机构将所述输出连 结机构的旋转轴线的运动限制为正交于所述枢轴的旋转轴线的线。
[0023] 本发明的一个目的是修改外骨骼、矫形器或假肢在肢体上的力分布。意图改变力， 使得力不再平行于肢体轴线，但相反垂直于轴线，从而加载将基本更舒适。
[0024] 本发明的另一目的是将行星扭矩从主动装置或被动装置传递到肢体而不改变正 常生物关节运动。意图通过利用无约束的多DOF机构将扭矩施加到肢体，从而提供所述装置 的自适应瞬屯、轨迹使之匹配生物关节的自适应瞬屯、轨迹。
[0025] 本发明的装置采用不需要人工关节的几何构造，因此，使所述装置更舒适且更轻。 本发明的装置的舒适性和重量在其增加或修复穿戴所述装置的个人的物理性能的能力方 面发挥了很大的作用。
[0026] 本发明的装置可W在外部源将扭矩施加到关节的同时依据正常生物关节运动来 限制装置的联动系统和设定瞬屯、轨迹。结果，在很大程度上避免了肢体关节运动与机械接 口运动之间的不匹配，W及皮肤剪切力、个人与装置之间的不希望的滑移和滞后相互作用。
[0027] 本发明的装置还可W作用在矢状平面中，使得外部源可W将扭矩施加到个人的关 节而不阻碍关节在其它平面(即，冠状平面或横向平面）中的旋转。结果，极大地避免了生物 踩关节运动与机械接口运动之间的不匹配，W及不希望的由个人所穿戴装置增添的较大额 外惯性。
[0028] 在本发明的又一方面中，力平衡传动装置维持在个人的矢状平面中，使得外部源 可W将扭矩施加到矢状平面中的生物关节而不阻碍生物关节在其它两个平面中的旋转。本 发明的装置还避免了与个人穿戴者的机械接口处的显著皮肤剪切力。结果，例如，基本避免 了踩关节运动与机械接口运动之间的不匹配，W及由本发明的装置增添的不希望的较大额 外惯性。
[0029] 本发明的潜在商业应用包括增强的人体运动功能。具体地，增强可集中于修改身 强力壮的人或有运动病理的个人的走动。为了用在身强力壮的个人上，本发明可W增强运 动功能，超出了 W其它方式生理上可行的运动功能。例如，可W采用物理增强W辅助专业职 责(诸如军事或民用服务职责）、运动实现、娱乐或其它机会。此外，由运动病理(诸如帕金森 氏病或膝关节骨性关节炎)产生的步态功能障碍，或者年龄相关的运动功能降低的恢复可 W通过本发明来治疗或缓解。运些潜在应用中的每个均W改进的加载分布来突出与外骨骼 关联的商业可能性。
【附图说明】
[0030] 根据如附图中图示的本发明的示例实施方式的W下更特定描述，前述内容将是明 显的，其中在所有不同视图中，相同的附图标记表示相同的部分。附图不一定按比例绘制， 而是将重点放在图示本发明的实施方式上。
[0031] 图1是个人穿戴的本发明装置的一个实施方式的立体图，并且包括具有电动线轴 致动器的踩关节外骨骼。
[0032] 图2A是图1的实施方式的另一立体图，其中所述装置处于巧屈。
[0033] 图2B是图1的实施方式的又一立体图，其中所述装置处于背屈。
[0034] 图3是图1、图2A和图2B所示的实施方式的分解图。
[0035] 图4是本发明的一个实施方式的电动线轴致动器部件的立体图。
[0036] 图5是图4的电动线轴致动器的分解图。
[0037] 图6是示出本发明的膝关节外骨骼实施方式的全身视图。
[0038] 图7A是图6的膝关节外骨骼在屈曲期间的侧视图。
[0039] 图7B是图6的膝关节外骨骼在伸展期间的侧视图。
[0040]图8是图6的膝关节外骨骼的分解图。
[0041 ]图9是本发明的髓关节外骨骼的全身实施的立体图。
[0042] 图10是图9所示的本发明实施方式的髓关节外骨骼滚珠丝杠致动器部件的分解 图。
[0043] 图11A是在第一位置具有不固定的旋转轴线的本发明的两D0F五杆联动系统的一 个实施方式的拓扑表示。
[0044] 图11B是图11A所示处于第二位置的本发明的两D0F五杆联动系统的拓扑表示。
[0045] 图11C是图11A所示处于第Ξ位置的本发明的两D0F五杆联动系统的拓扑表示，其 中人工关节与生物关节之间的不匹配不同于图11B所示位置的不匹配。
[0046] 图11D至图UE是处于第Ξ位置且叠加在生物膝关节上的两D0F五杆联动系统的拓 扑表示。
[0047] 图12A是在第一位置中具有纯旋转约束的本发明的两D0F五杆联动系统的一个实 施方式的拓扑表示。
[0048] 图12B是图12A所示处于第二位置的本发明的两D0F五杆联动系统的拓扑表示。
[0049] 图13A至图13B图示了施加到膝关节的两D0F五杆联动系统。
[0050] 图14是本发明的关节机构的一个【具体实施方式】的立体图。
[0051] 图15是图14的关节机构的分解图。
[0052] 图16A是图14的关节机构的正视图。
[0053] 图16B是图14的关节机构的横截面正视图。
[0054] 图17A是图14的关节机构的侧视图。
[0055] 图17B是图14的关节机构的横截面侧视图。
[0056] 图18A是图14的关节机构处于第一位置的后视图。
[0057] 图18B是比图18A所示的第一位置具有更大屈曲的第二位置中的图14的关节机构 的后视图。
[0058] 图19A是本发明的踩关节机构的另一实施方式的轮廓图。
[0059] 图19B是图19A的踩关节机构的立体图。
[0060] 图20是本发明的一个实施方式中的最佳形状推导的示意图。身体固定的坐标系的 原点与图片中左下方的轴吻合。定义为地面连结机构的输出杆是水平的。脚连结机构被限 定为从原点到踩关节A。腔部连结机构从(x，y)到达引导管的卷曲延伸。R是脚连结机构的长 度，并且L是腔部连结机构的长度。
[0061] 图21是本发明的下肢外骨骼的一个实施方式的侧视图。
[0062] 图22是图21的下肢外骨骼的踩关节模块的侧视图。
[0063] 图23是图21的下肢外骨骼的膝关节模块的侧视图。
[0064] 图24是图21的下肢外骨骼的髓关节模块的侧视图。
[0065] 图25是图21的下肢外骨骼的绞盘致动器的分解图。
[0066] 图26A是个人穿戴的本发明装置的另一实施方式的立体图，并且包括具有可充式 囊致动器的踩关节外骨骼。
[0067] 图2她是图示背屈的图26A的实施方式的另一立体图。
【具体实施方式】
[0068] 本发明的示例实施方式的描述如下。
[0069] 本发明设及一种与人物理相互作用的辅助或增强装置。本发明的一个部分设及与 人物理相接的下肢关节外骨骼。本发明的第二部分设及与人物理相接而在同一平面的肢体 关节运动与机械接口运动之间没有显著不匹配的关节外骨骼或辅助装置。本发明的第Ξ部 分设及与人相接而不向人体增添显著额外腿部惯性或阻碍踩关节运动的踩关节外骨骼或 辅助装置。本发明的第四部分设及运样的装置，其能够在矢状平面中施加扭矩的同时外部- 内部旋转W及反转-翻转旋转，使得附接的生物踩关节可W维持正常步态。本发明的第五部 分设及在使皮肤上的剪切最小化的同时增强髓关节、膝关节和踩关节的装置。
[0070] 部分 I:
[0071] 在一个实施方式中，本发明设及可穿戴装置，诸如下肢外骨骼，其与下肢的人体关 节机械相互作用，同时维持关节柔性并且减少皮肤上的剪切。在本发明的一个实施方式中， 为了维持关节柔性并且降低重量和复杂性，本发明的装置不具有与解剖学关节平行的机械 关节。相反，本发明的装置具有关于解剖学关节从远侧附接至人体的至少一个部件，并且具 有关于解剖学关节从近侧附接至身体的至少一个部件。致动器在运些部件之间施加力，W 便减少皮肤上的无功的剪切应力。换句话说，力一般施加在身体表面的正交方向（即，垂直） 上。下面解释本发明的该实施方式的细节。
[00巧 2.1装置附接
[0073] 在一个实施方式中，远侧构件和近侧构件中的一者或另一者包括交叉构件，其中 连结机构从所述远侧构件或所述近侧构件的所述交叉构件延伸到所述远侧构件或所述近 侧构件中的另一者。在一个【具体实施方式】中，所述交叉构件是刚性的。所述交叉构件可W刚 性地固定到所述远侧构件或所述近侧构件中的一者或另一者。
[0074] 在【具体实施方式】中，所述连结机构包括滚珠丝杠致动器。在另一实施方式中，所述 连结机构和所述交叉构件是系列弹性致动器的部件。所述系列弹性致动器可W例如是双向 致动器，诸如气动致动器。供本发明使用的合适的气动致动器的示例包括硬化系列弹性元 件。在另一实施方式中，所述气动致动器包括可充式囊。在又一实施方式中，所述系列弹性 致动器是单向致动器，诸如气动致动器或电动线轴致动器。
[0075] 所述交叉构件可W包括远端和近端，其中所述远端在一端处固定到所述远侧构件 并且大致正交于所述远侧构件的主纵向轴线，并且其中所述连结机构在所述交叉构件的所 述近端与所述近侧构件之间延伸。在【具体实施方式】中，所述远侧构件包括一表面，该表面大 致平行于与在所述远侧构件与近侧构件之间延伸的所述主纵向轴线正交的平面。在一个实 施方式中，本发明的装置进一步包括从所述远侧构件延伸的第二交叉构件，其中所述交叉 构件彼此大致平行。
[0076] 在本发明的一个实施方式中，所述远侧构件被构造成支撑人脚并且待被固定到人 脚，其中所述交叉构件被构造成大致从背侧延伸并且平行于从人脚延伸的腔骨，并且其中 所述近侧构件被固定到人体小腿，其中电动线轴致动器包括线缆，该线缆连结到所述交叉 构件的所述近端并且W与人体腔骨的主纵向轴线正交的方式跨越小腿，由此，所述致动器 的致动会引起所述远侧构件围绕人体踩关节的旋转，从而至少辅助人脚在步行同时的巧 屈。
[0077]在一个实施方式中，所述近侧构件与远侧构件之间的所述连结机构仅向所述交叉 构件施加大致线性力。
[007引在【具体实施方式】中，在图1至图3、图6至图8和图9中示出的外骨骼100、600、900分 别包括在关节的远侧附接至身体的至少一个部件，被称为"远侧构件"103、624、934,并且分 别包括在关节的近侧附接至身体的至少一个部件，被称为"近侧构件"104、626、937。关节元 件包括两个构件之间的连接件(例如，销或轴承，等等），用于W类似于解剖学关节的方式限 制运动。远侧构件和近侧构件不与关节元件连接，由此维持解剖学关节的全范围运动。
[0079] 虽然远侧构件和近侧构件在关节的相应侧附接至身体，但是构件中的一个延伸通 过分别穿过图2A和图2B的关节旋转中屯、109、110的虚拟水平平面"A";该构件被称为"交叉 构件"。跨越水平关节平面的构件将被称为"交叉构件"，并且不与水平关节平面交叉的构件 将被称为"非交叉构件"。例如，分别位于描绘的踩关节、膝关节和髓关节外骨骼中的远侧构 件103 (图1、图2A和图2B)、624 (图6、图7A和图7B)和934 (图9)被分别刚性地固定到交叉构件 130、632和936,并且近侧构件104、626、937是非交叉构件。本发明的踩关节和膝关节外骨骼 还各具有内侧交叉构件13U633和外侧交叉构件130、632。做出运些区别或者是因为近侧构 件或远侧构件可W刚性地固定到交叉构件，或者是因为包括交叉构件。在一个实施方式中， 交叉构件本身是刚性的。在另一实施方式中，例如图19A和图19B代表的装置中所示，交叉构 件是可屈曲的。在又一实施方式中，交叉构件馈如图1、图2A、图2B、图6、图7A、图7B或图9中 的任一个交叉构件)是半刚性的，调整柔性W输送机械功率放大，从而W例如弹射器的方式 操作。
[0080] 如本文中在其最广泛意义上采用的术语"马达"是创建工作的任何事物。例如，在 一些实施方式中，马达可W是呈现系列弹性的机械部件(诸如交叉构件与本发明的可穿戴 装置的近侧构件或远侧构件之间的连结机构)与合适的致动器的组合。
[0081 ]参照图1、图2A、图2B和图3,踩关节外骨骼100具有连接到脚101的远侧构件103,并 且具有附接至腔部102的近侧构件104。踩关节外骨骼100具有至少一个交叉构件，诸如交叉 构件130、131。踩关节外骨骼100上的近侧腔部构件104并不穿过虚拟水平平面A(图2A至图 2B)。远侧脚部件103具有内侧交叉构件131和外侧交叉构件130两者，运两者具有用于电动 线轴致动器线缆112(图3)的相应附接点129、128。由电动线轴致动器105施加的力用放置在 致动器主体与近侧腔部构件104之间的力传感器111测量。近侧腔部构件104包括后部突起 113,该后部突起113引导交叉构件130、131并且防止交叉构件130、131戳到腔部102的小腿 上。
[0082] 图6至图8中示出的膝关节外骨骼600包括连接到腔部602的远侧构件624,并且包 括附接至大腿625的近侧构件626。膝关节外骨骼600的远侧腔骨袖套624还具有内侧交叉构 件633和外侧交叉构件632两者，运两者具有相应的线缆附接点627、628,如图8所示。膝关节 外骨骼600上的近侧大腿构件626并不穿过图6和图7中示出的水平膝关节平面"B"。
[0083] 如图9中可W看到的，髓关节外骨骼900具有连接到大腿625的远侧构件934,并且 具有附接至腰部935的近侧构件937。髓关节外骨骼900还具有附接至远侧构件934的外侧交 叉构件936。髓关节外骨骼900的近侧腰部构件937并不穿过水平髓关节平面r'。该外骨骼 包括滚珠丝杠致动器938,用于围绕穿戴膝关节外骨骼900的个人的髓关节施加屈曲力矩和 伸展力矩两者。
[0084] 在上述踩关节外骨骼、膝关节外骨骼和髓关节外骨骼的每个中，通过在每个相应 外骨骼的非交叉侧将线性致动器连接到交叉构件和非交叉构件而围绕个人穿戴者相应的 踩关节、膝关节和髓关节施加力矩。例如，所描绘的踩关节外骨骼100和膝关节外骨骼600分 别示出在每个关节的近侧跨越交叉构件130、132和630、632W及相应非交叉构件104和626 的线轴致动器105。线轴致动器105的线缆112将交叉构件连结到非交叉构件并且仅将大致 线性力施加到交叉构件。线轴致动器105的壳体115(图4和图5所示）附接至近侧构件104、 626(分别见图1和图6，），并且被致动线缆端附接至远侧构件128、129、627、628(图3和图8) 的近端。线轴致动器115在下文的章节2.2中更详细地讨论。髓关节外骨骼900(图9)包括滚 珠丝杠致动器938,该滚珠丝杠致动器938在髓关节的近侧连接到交叉构件936和非交叉构 件937。线性致动器在关节的非交叉侧连接到交叉构件和非交叉构件实现了运样的几何形 状，即：减少了个人皮肤的剪切力，并且可W实现较大的杠杆臂，从而增加了舒适性和功效。
[0085] 交叉构件的刚度和几何形状对于柔性和外骨骼功效是重要的。在穿戴该装置的个 人的矢状平面和冠状平面两者之中，交叉构件可W或是可屈曲的或是刚性的。矢状平面的 柔性本身适合于系列弹性致动器，并且冠状平面的柔性增加了关节柔性。交叉构件可W使 各种各样的构造的关节交叉。所描绘的踩关节和膝关节外骨骼具有两个交叉构件，运两个 交叉构件从远侧构件延伸并且在关节的内侧和外侧使关节交叉。图9和图10的髓关节外骨 骼仅具有使髓关节交叉的一个外侧交叉构件。交叉构件还可W在穿戴该装置的个人的后侧 或前侧跨越关节。
[0086] 存在各种各样合适的方法，借此方法将交叉构件和非交叉构件物理附接至个人的 身体。一种可行方法包括:实施仅依靠摩擦和肢体几何形状来保持到位的合身袖套。所述构 件还可W用合适的生物相容性粘合剂(诸如本领域已知的生物相容性粘合剂Γ胶接"至皮 肤。所述构件还可围绕身体用带或扣收紧。裁剪非交叉构件的形状W防止交叉构件与接触 交叉构件的近侧身体部分之间的磨损和碰撞。图1至图4所描绘的踩关节外骨骼示出了具有 渐缩背面113的近侧构件，该渐缩背面113围绕个人的腔部102引导交叉构件130、131。
[0087] -般而言，致动器105可W位于装置的远侧构件或近侧构件的任一侧。通常，有利 的是将致动器放置在近侧构件上，W减少该装置关于个人质量中屯、的惯性。运从代谢性和 舒适性两种角度是有利的。
[0088] 尽管上述几何形状横跨下肢的单个关节实施，但是相同的原理还可W应用于双关 节装置和多关节装置。例如，可W同时采用所描绘的踩关节外骨骼、膝关节外骨骼和髓关节 外骨骼。在一个运样的实施中，踩关节外骨骼的近侧构件也可W操作为膝关节外骨骼的远 侧构件，并且膝关节外骨骼的近侧构件也可W操作为髓关节外骨骼的远侧构件。
[00例 2.2致动器设计
[0090] 外骨骼可能或者需要双向致动器，可W沿两个方向施加力的致动器;或者需要单 向致动器，仅可W沿一个方向施加显著的力。双向致动器允许对关节的完全控制，但还设及 更大量的复杂性。单向致动器更限制它可W施加的力，但可适当用于仅在一个方向上需要 大量增加的关节，诸如踩关节。
[0091] 图4和图5中示出的线轴致动器105采用电动旋转马达114(诸如无刷马达），具有带 传动装置"T"来驱动线轴116。带传动装置T包括驱动滑轮118、线轴滑轮119和带120。线轴 116缠绕线缆元件(例如绳带、线缆、织带，等等）112,例如，该线缆元件112分别将线缆端的 力施加在交叉构件130、131的近端128、129(图3)上。线轴116在轴承122上运转W减少摩擦。 线缆112由一对漉117(图5)引导，运对漉117在轴承123上运转W减少摩擦。线轴致动器105 是单向的，但交叉构件130、131的较大杠杆臂（图3)和线轴116的相对较小直径（图5)提供了 高效而紧凑的传动装置。例如，整个致动器系统被容纳在紧凑重量低的侣主体--诸如壳体 115(图4和图5)中。
[0092] 例如在图9和图10中示出的滚珠丝杠致动器938是采用旋转式无刷电动马达914 (图10)和带驱动传动装置917的双向电动致动器，该带驱动传动装置917包括驱动滑轮918、 线轴滑轮919和带920,用W经由滚珠螺母940来驱动滚珠丝杠944。滚珠丝杠致动器938也可 W放置在线性轴承939、943上，W便减少个人皮肤的竖直剪切。远侧构件或大腿袖套934(图 9)在交叉构件936处经由销关节941附接至滚珠螺母940。线性电动马达(未示出）也可W用 作双向致动器。
[0093] 气动致动器的高功率密度和固有系列弹性对本发明的装置(诸如本发明的外骨 骼、假肢或矫形器)是有利的。气缸可W用作单向或双向致动器。加压空气固有是弹性的，并 且可W采用为硬化系列弹性元件，刚度随着位移而增加。可充式囊也可W采用为质量非常 低的高功率单向致动器。致动器阀可W用于控制经过气动致动器的空气流。例如，所述阀可 W是开/关阀或比例阀。例如，气动致动器可W用压缩空气罐或随身携带的压缩机被动地提 供动力。随身携带的压缩机可W采用高能量密度的液体燃料，诸如过氧化氨、汽油或柴油。
[0094] 2.3电子装置和控制装置
[0095] 为了使本发明的装置具有自主性，优选地，能量源应该由个人随身携带。能量源可 W直接附接至近侧构件、远侧构件或分离位置，诸如图1、图6和图9所示的背包或腰包106。 能量源可W具有高质量能量密度和高体积能量密度两者。能量源可W是W下中的一者或组 合:电动电池108、加压空气、易燃液体(气体、柴油、过氧化氨、丙烷）、单组元推进剂（即过氧 化氨）、热电池、燃料电池或太阳能电池。
[0096] 随身携带的微控制器107可W使用各种传感器来自主地控制外骨骼。所述传感器 可包括W下:加速度计、巧螺仪、机械压力传感器111(图3)中的至少一个;气动压力传感器、 角度传感器和编码器121(图4和图5)中的至少一个；W及应变计、电压传感器、电流传感器、 力敏电阻器、EMG电极和热敏电阻（未示出）中的至少一个。微控制器107(图1、图6和图9)采 用运些传感器来控制致动器105的扭矩、位置或速度(或者被称为阻抗的运些变量之间的关 系)。
[0097] 部分 II:
[0098] 在另一实施方式中，本发明设及与使同一平面中的肢体关节运动和机械接口运动 不匹配的个人物理相接的装置，诸如肢体关节外骨骼或辅助装置。在【具体实施方式】中，具有 多自由度(D0F)机构并能构造成安装到个人的装置包括:可W安装在肢体关节的任一侧的 输入部件和输出部件；允许扭矩从输入部件传递到输出部件的多D0F联动系统；W及滑动 器，该滑动器将输出连结机构连接到输入连结机构并且允许输入部件和输出部件在同一平 面中关于彼此旋转并平移，使得两个部件的变量瞬屯、轨迹与生物关节的变量瞬屯、轨迹匹 配。
[0099] 2.4设计原理
[0100] 在又一实施方式中，本发明的装置包括地面连结机构，该地面连结机构相对于人 体股骨的远端或人体腔骨的近端固定。具有第一端和第二端的输入连结机构被固定到限定 旋转轴线的枢轴并且围绕所述枢轴旋转，其中所述枢轴在所述第一端处将所述输入连结机 构连结到所述地面连结机构。具有第一端和第二端的联接器被枢转地安装到所述输入连结 机构的所述第二端。输出连结机构相对于人体股骨的远端或人体腔骨的近端中的另一个固 定，并且具有第一端和第二端，所述输出连结机构的所述第一端在所述联接器的所述第一 端处被枢转地安装到所述联接器的所述第二端。滑动连结机构位于所述地面连结机构与所 述输出连结机构之间，从而固定所述装置的所述人体膝关节的旋转将引起所述输出连结机 构的旋转轴线相对于所述地面连结机构平移，W追踪所述人体膝关节的两个自由度，其中 所述人体膝关节围绕正交于矢状平面的轴线在所述矢状平面中旋转，但相对于所述枢轴的 旋转轴线移动，将所述输入连结机构的所述第一端连结到所述地面连结机构。在该实施方 式中，所述滑动连结机构包括由所述输出连结机构限定的槽缝，其中从所述地面连结机构 的突起延伸穿过由所述滑动连结机构限定的所述槽缝，所述滑动连结机构将所述输出连结 机构的旋转轴线的运动限制为正交于所述枢轴的旋转轴线的线。
[0101] 本发明的一个目的是修改外骨骼、矫形器或假肢在肢体上的力分布。意图改变力， 使得力不再平行于肢体轴线，但相反垂直于轴线，从而加载将基本更舒适。
[0102] 本发明的另一目的是将行星扭矩从主动装置或被动装置传递到肢体而不改变正 常生物关节运动。意图通过利用无约束的多D0F机构将扭矩施加到肢体，从而提供所述装置 的自适应瞬屯、轨迹使之匹配生物关节的自适应瞬屯、轨迹。
[0103] 本发明的装置采用不需要人工关节的几何构造，因此，使所述装置更舒适且更轻。 本发明的装置的舒适性和重量在其增加或修复穿戴所述装置的个人的物理性能的能力方 面发挥了很大的作用。
[0104] 本发明的装置可W在外部源将扭矩施加到关节的同时依据正常生物关节运动来 限制装置的联动系统和设定瞬屯、轨迹。结果，在很大程度上避免了肢体关节运动与机械接 口运动之间的不匹配，W及皮肤剪切力、个人与装置之间的不希望的滑移和滞后相互作用。
[0105] 本发明的装置还可W作用在矢状平面中，使得外部源可W将扭矩施加到个人的关 节而不阻碍关节在其它平面(即，冠状平面或横向平面）中的旋转。结果，极大地避免了生物 踩关节运动与机械接口运动之间的不匹配，W及不希望的由个人所穿戴装置增添的较大额 外惯性。
[0106] 在本发明的又一方面中，力平衡传动装置维持在个人的矢状平面中，使得外部源 可W将扭矩施加到矢状平面中的生物关节而不阻碍生物关节在其它两个平面中的旋转。本 发明的装置还避免了与个人穿戴者的机械接口处的显著皮肤剪切力。结果，例如，基本避免 了踩关节运动与机械接口运动之间的不匹配，W及由本发明的装置增添的不希望的较大额 外惯性。
[0107] 本发明的潜在商业应用包括增强的人体运动功能。具体地，增强可集中于修改身 强力壮的人或有运动病理的个人的走动。为了用在身强力壮的个人上，本发明可W增强运 动功能，超出了 W其它方式生理上可行的运动功能。例如，可W采用物理增强W辅助专业职 责(诸如军事或民用服务职责）、运动实现、娱乐或其它机会。此外，由运动病理(诸如帕金森 氏病或膝关节骨性关节炎)产生的步态功能障碍，或者年龄相关的运动功能降低的恢复可 w通过本发明来治疗或缓解。运些潜在应用中的每个均w改进的加载分布来突出与外骨骼 关联的商业可能性。
[010引本发明的一个实施方式在图11A至图11E中表示为两D0F五杆联动系统1100的拓 扑，其提供的运动约束包括地面连结机构1101、输入连结机构1102、联接器1103、输出连结 机构1104、滑动器1105 W及枢轴关节1110、1123、1134和1145，其中连接分别经由枢轴关节 1110、1123、1134和1145被设置在地面连结机构1101与输入连结机构1102之间、输入连结机 构1102与联接器1103之间、联接器1103与输出连结机构1104之间W及输出连结机构1104与 滑动器1105之间。作为近侧安装件的地面连结机构1101被固定到肢体关节的主要近侧部 件，并且作为远侧安装件的输出连结机构1104被固定到关节的主要远侧部件。输入连结机 构1102围绕关节施加屈曲力矩和伸展力矩两者。滑动器1105沿着地面连结机构1101处的虚 拟或物理轨道关于地面连结机构1102平移，允许输入连结机构1102和输出连结机构1104有 虚拟瞬屯、。所述轨道可W是线性或弯曲的。在不固定的旋转轴线的情况下，扭矩仍可W施加 到肢体，经由无约束的两D0F联动系统1100从输入连结机构1102施加到输出连结机构1104。 在地面连结机构1101处的追踪不一定是线性的。图11D至图UE叠加在生物膝关节上。参见 2014年第36届IE邸年度国际会议的工程医学和生物学学会化MBS)2061-2064页（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",其教导的整体内容通过引用并入本文中。
[0109] 两D0F五杆联动系统的另一实施方式执行纯旋转，在关节的输入和输出的旋转轴 线之间没有不匹配。图12A和图12B是处于第一位置和第二位置中的本发明的拓扑表示系统 1200,其中联动系统包括纯旋转约束。输入连结机构1102和输出连结机构1104的长度被设 定为相同的，使得联动系统在生物关节和枢轴关节1110同轴时执行纯旋转运动。视为单个 D0F运动副的生物关节限制联动系统并且依据正常生物关节运动而设定所述装置的固定旋 转轴线。
[0110] 2.5机械设计
[0111] 图13A和图13B示出了施加到膝关节1302的两D0F五杆联动系统1300的可行构造。 膝关节1302的股骨1350被固定到地面连结机构1304,并且腔骨1360被固定到输出连结机构 1316。地面枢轴1306将地面连结机构1304枢转地连结到输入连结机构1308。枢轴1310将输 入连结机构1308枢转地连结到联接器1312。联接器1312又在枢轴1314处枢转地连结到输出 连结机构1316。当膝关节1302完全伸展时，如图13A中图示的，输出连结机构1316的虚拟旋 转中屯、A与地面枢轴1316同屯、。如从图13A到图13B的过渡中可W看到的，当膝关节1302在屈 曲期间旋转时，输入连结机构1308可W围绕膝关节1302施加屈曲或伸展力矩。输出连结机 构1316的虚拟旋转中屯、"A"如滑动器1105从上述图11A过渡到图11B中进行操作，并且关于 地面连结机构1304沿着虚拟轨道"B"平移。当膝关节在图13A至图13B中代表的位置之间移 动时，固定到地面连结机构1304的螺钉1318在由输出连结机构1316限定的槽缝1320内滑 动，从而将输出连结机构1316的虚拟旋转中屯、A的运动限于随生物膝关节1302的屈曲和伸 展而来的旋转瞬屯、虚拟轨道B。扭矩可W施加到膝关节1302,经由联动系统从输入连结机构 1308施加到输出连结机构1316。因此，膝关节1302可W在同一平面中旋转和平移，从而提供 自适应旋转瞬屯、轨迹(地面枢轴1306与虚拟旋转中屯、A之间）使之匹配围绕生物膝关节的腔 骨的自适应瞬屯、轨迹。整体系统可W考虑一D0F五杆联动系统。即，膝关节可W视为限制联 动系统并且依据正常膝关节运动来设定装置的具体旋转瞬屯、轨迹的曲柄摇杆对。结果，肢 体关节运动与机械接口运动之间的不匹配可W避免。
[0112] 图14、图15、图16、图17和图18示出了本发明可W采用的关节机构的一个具体实施 方式的视图。如图14至图18所示，关节机构1400包括线缆管道错具1402和鼓壳体1410、从动 鼓1423和扭矩传感器1451、螺钉1468、近侧安装件1464、输出连结机构1463W及旋转光学编 码器模块1470、1471、1472。近侧安装件1464被固定到附接至穿戴者近侧肢体的支具，而输 出连结机构1463被固定到附接至穿戴者远侧肢体的支具。容纳在轨道1631内的螺钉1468 (图18)被固定到近侧安装件1464并且如同图11的拓扑中的滑动器1105和地面连结机构 1101对一样作用，随着输入连结机构1460与输出连结机构1463之间的可变瞬屯、旋转而引起 输出连结机构1463关于近侧安装件1464沿着输出连结机构1463的轨道1631平移。用螺钉 1467由轴承帽1466覆盖的两个漉轴承1465安装在输出连结机构1463和输入连结机构1460 的沉孔1632上，用于允许个人从身体中线向前或远离身体中线略微移动肢体，同时提供扭 矩来屈曲或伸展肢体关节。在不固定的旋转轴线的情况下，扭矩仍可W施加到肢体，经由无 约束的两D0F联动系统从输入连结机构1460施加到输出连结机构1463。因此，当肢体关节 (诸如生物膝关节)的旋转轴线与机械接口的旋转轴线之间存在不匹配时，关节机构1400提 供具体平面约束。如图18A中可W看到的，当肢体关节与机械接口之间不存在不匹配时，所 述机构提供纯旋转约束。如图18B中可W看到的，当肢体关节的旋转轴线与机械接口的旋转 轴线之间存在不匹配，所述机构提供具体平面约束。
[0113] 如图14至图18示出的本发明实施方式所示，从动鼓1423由拉一拉构造的内线缆 1510致动，由于并入鼓壳体1410中的四点接触轴承1421W较小摩擦经由扭矩传感器1451和 输出连结机构1463来驱动肢体关节。从动鼓帽1420经由螺钉1422被固定到从动鼓1423,并 且轴承帽1432经由螺钉1433被固定到鼓壳体1410。它们用于设定轴承1421与从动鼓1423之 间的线性运动的约束。四点接触轴承1421还可W抵抗因线缆张紧引起的高径向力。
[0114] 扭矩传感器包括将从动鼓1423连接到输入连结机构1460的系列旋转弹黃1451。弹 黃1451的内部分经由螺钉1461被固定到输入连结机构1460和扭矩传感器安装件1450。旋转 编码器盘1470经由螺钉1473被安装在编码器盘安装件1474上。编码器盘安装件1474经由螺 钉1475被固定在扭矩传感器安装件1450上。四点接触轴承1431在扭矩传感器安装件1450、 编码器盘安装件1474与从动鼓1423之间使用，用W仅提供从动鼓1423与弹黃1451之间的相 对旋转运动。旋转编码器盘1470、编码器盘安装件1474、扭矩传感器安装件1450、弹黃1451 和输出连结机构1460同时旋转。经由螺钉1477安装在鼓壳体1410上的编码器读取器1472可 W测量鼓壳体1410与输入连结机构1460之间的相对旋转角度。弹黃1451的外部分经由螺钉 1452被固定在从动鼓1423上。经由螺钉1477安装在从动鼓帽1420上的编码器读取器1471可 W测量弹黃1451的输入端与输出端之间的相对旋转角度，由此用于测量输出扭矩。盖1480 用于保护编码器读取器1471、1472和编码器盘1470。使用数字编码器来测量因输出扭矩引 起的应变会减少电磁场的影响。扭矩传感器和编码器可W收集关节状态作为反馈信息，既 用于实时控制也用于随后的分析。例如，部分I中提到的控制方案可W用于控制机械关节。
[0115] 在又一实施方式中，本发明设及一种与个人物理相接而不增添人体腿部的显著惯 性的踩关节外骨骼或辅助装置，其中，例如，踩关节运动与机械接口运动之间的不匹配是在 同一平面中，并且避免了皮肤剪切力。在一个【具体实施方式】中，能构造成安装到个人腔部和 脚的^DOF机构具有力平衡传动装置，在矢状平面中施加扭矩的同时，该力平衡传动装置允 许踩关节执行外部-内部旋转和反转-翻转旋转，所W附接的生物踩关节可W维持正常步 态。
[0116] 2.6机械设计
[0117] 在另一实施方式中，所述交叉构件是非刚性的。在该实施方式中，所述连结机构包 括从所述近侧构件延伸到所述远侧构件的支柱，从而所述交叉构件和所述支柱跨越使所述 远侧构件旋转所围绕的轴线。在【具体实施方式】中，所述支柱被限制在所述近侧构件处，正交 于且横向于所述交叉构件的从所述近侧构件延伸到所述远侧构件的主纵向轴线，其中所述 支柱不限制为沿着所述交叉构件的所述主纵向轴线。在该实施方式中，所述连结机构进一 步包括正交且横向地限制所述支柱的位于所述近侧构件处的至少一个漉。所述连结机构包 括彼此对置的至少一对漉，其中所述支柱被正交地限制在所述一对漉之间。所述支柱可W 在所述一对漉处被弯曲，从而在所述远侧构件绕由所述交叉构件和所述支柱跨越的轴线旋 转期间所述支柱与一对漉之间的剪切力小于所述支柱在所述一对漉处为直的情况。所述支 柱包括位于所述一对漉处的引导管，其中所述交叉构件延伸穿过所述引导管。在一个实施 方式中，所述装置包括一对交叉构件和一对支柱。在【具体实施方式】中，所述支柱在所述漉与 所述远侧构件之间大致为直的。在一个特定实施方式中，在翻转和反转固定到所述远侧构 件的人脚W及固定到所述近侧构件的人体小腿期间使所述支柱中的至少一个偏转。通常， 所述支柱是刚性的。在一个实施方式中，所述支柱是弯曲的，从而在固定到所述远侧构件的 人脚W及固定到所述近侧构件的人体小腿的正常步行周期期间，所述支柱操作为系列弹 黃。
[0118] 在一个实施方式中，所述连结机构进一步包括附接至所述一对交叉构件的近端的 绞盘致动器组件，从而致动所述连结机构将引起所述交叉构件的缩回，运引起所述远侧构 件的旋转W及固定到所述远侧构件的人脚围绕人体踩关节的巧屈。在另一实施方式中，所 述一对交叉构件被固定到所述远侧构件的近端。第二对交叉构件可W固定到所述远侧构件 的远端。在一个【具体实施方式】中，所述连结机构进一步包括附接至所述第二对交叉构件的 近端的第二绞盘致动器组件，从而选择性地致动所述连结机构会引起所述第二对交叉构件 的缩回，运引起所述远侧构件的旋转W及固定到所述远侧构件的人脚围绕所述人体踩关节 的背屈。在【具体实施方式】中，所述远侧构件被构造成适合人体小腿。在该实施方式中，所述 近侧构件可W构造成适合人体大腿。在一个实施方式中，所述交叉构件从所述远侧构件向 近侧延伸，并且所述连结机构在所述近侧构件与所述交叉构件的近端之间延伸，从而致动 所述连结机构将引起固定到所述近侧构件和远侧构件的人体腿部的伸展。替代地，所述交 叉构件从所述近侧构件向远侧延伸，并且所述连结机构在所述交叉构件的远端与所述远侧 构件之间延伸，从而致动连结机构将引起固定到所述近侧构件和远侧构件的人体腿部的伸 展。
[0119] 在另一实施方式中，所述近侧构件被构造成适合人体腰部。在该实施方式中，所述 远侧构件被构造成适合人体大腿。优选地，所述交叉构件从所述远侧构件向近侧延伸。在一 个运样的实施方式中，所述连结机构包括双向致动器，从而致动所述连结机构将使所述远 侧构件和固定到所述远侧构件的人体大腿围绕穿戴所述装置的人体的髓关节旋转。在一个 实施方式中，所述双向致动器是滚珠丝杠致动器。
[0120] 如图19A和图19B所示，踩关节装置1900包括安装在个人前腔部上的腔部防护部件 1902、构造成适合个人的脚的输出部件1904W及从连结到线绳1910的输入部件(诸如马达 和线圈（未示出））传递扭矩的传递部件1906或交叉构件，该线绳1910连结到输出部件1904。 腔部防护部件1902包括腔部支具1921、两对漉1923A、1923B、两个漉安装件1920A、1920B、紧 固带1925 W及两个位置传感器1950AU950B。输出部件1904包括鞋1960、尼龙管1962和轴 1964。传递部件1906包括一对弯曲引导管1940A、1940B、两个线缆管道1930A、1930B、两个输 出杆1968A、1968B、两个杆端夹1970A、1970BW及线绳1910。
[0121] 漉安装件1920AU920B被固定到支具1921的每侧，并且紧固带1925本身围绕两个 漉安装件1920A、1920B的环进行缠绕，形成个人可W穿上作为常规腔部防护的环。在穿上之 后，个人可W调整紧固带1925W作出正确的装配。漉对1923A和1923B的后漉被固定到漉安 装件1920AU920B上的销，并且沿着漉安装件1920A、1920B上的槽缝滑动的两个移动销 1924A、1924B制约前漉沿着漉安装件1920A、1920B的运动，允许弯曲引导管1920A、1920B与 漉1923A、1923B由于接触面积改变而造成的一些不匹配对准。
[0122] 输出杆1968A的一端经由帽螺钉被夹紧到弯曲引导管1940A的一端，而另一端被夹 紧到杆端夹1970A。输出杆1968B的一端也经由帽螺钉被夹紧到弯曲引导管1940B的一端，而 另一端被夹紧到杆端夹2320B。球形轴承杆1972A、1972B分别被螺钉连接到杆端夹1970A、 1970B，并且经由夹子1974A、1974B通过鞋子1960的前底附接至轴1964的每端。螺钉和锥形 轴可W用于在不使用夹子1974A、1974B的情况下将杆端夹1970A、1970B固定到轴。球形轴承 杆1972A、197^将由线缆管道1930A、1930B生成的力从两个输出杆1968A、1968B传递到鞋 1960,并且允许踩关节自行地执行翻转、反转W及外部-内部旋转。弯曲引导管1940A、1940B 的另一端分别被固定到线缆管道1930AU930B的端件。在腔部防护部件的每侧，漉安装件 1920A、1920B分别制约漉对1923A、1923B，提供正交横向力来限制矢状平面中的每个弯曲引 导管1940A、1940B，同时仍允许弯曲引导管1940A、1940B向上向下自由移动通过全范围的运 动。
[0123] 为了实现皮肤剪切为零，弯曲引导管1940A、1940B通过全范围运动的瞬时速度应 当平行于腔部，即，弯曲引导管1940A、1940B-直接触漉1923A、1923B的同一切线点。参照图 20,给定脚连结机构R的预先定义的参数长度和腔部连结机构L的半径，方程可W定义为：
[0124] 微分方程：
[0129] 其中R是从踩关节到轴806的脚长度，L是从踩关节到漉的腔部长度，（x，y)是漉接 触弯曲引导管的点，并且(xA，yA)是踩关节的位置，所有都关于弯曲引导管。求解微分方程 (1)受代数约束（2)、（3)(具有定义在图20中的坐标），可W推导出弯曲引导管1940A、1940B 的最佳几何形状，使得没有剪切力会生成于漉1923A、1923B与弯曲引导管1940A、1940B之 间，由此消除了皮肤剪切。
[0130] 例如，完成伴随着零剪切力的相同运动的替代方式包括:将漉附接至可W在漉安 装件上上下移动设计弯曲轨道的引导棒，让水平力点上下移动腔部;并且具有将引导管的 两点连接腔部防护装置的两点的两个巧架或线绳的切比雪夫直线机构变化还可W实现设 计参数的相同功能。
[0131] 线绳1910的两端经由两个线缆管道1930A、1930B连接到输入源。按顺序，线绳1910 经由线缆管道1930A从输入源运转，通过引导管1940A的孔、错固在鞋跟中的尼龙管1962、其 它引导管1940B，并且经由其它线缆管道1930B返回到输入源。输入源可W拉动线绳1910,然 后拉动输出杆1968A、1968BW将来自输入源的力传递到鞋1960,然后将扭矩施加到矢状平 面中的踩关节。尼龙管1962允许线绳1910甚至当踩关节执行翻转和反转旋转时也将输入力 均等地分布到鞋I960的每侧。两个位置传感器1950A、1950B用于测量引导管1940A、1940B的 位移，W测量巧背屈曲和反转-翻转的角度。线性电位器和编码器也可W用于测量引导管 1940AU940B的位移。而且，踩关节角度可W通过使用相位指示器或惯性测量单元直接测 量。
[0132] 例如，力/扭矩感测可W通过使用附接至线绳1910的同轴线缆张紧传感器、附接至 弯曲引导管1920A、1920B的管道壳体压缩传感器、附接至漉安装件1920A、1920B或输出杆 1968A、1968B的应变计、内嵌式球形轴承力传感器或弹黃来实现。输出杆1968A、1968B可W 是弯曲或细长的，所W如同系列弹黃一样作用，增加力可控性和安全水平W及作用力感测 装置。为了减少地面反作用力并用足弓分担加载，也可W弓弹黃或支柱引入来代替刚性轴 1964。它通过测量变形W及使用胡克定律还可W充当力感测机构。返回参照图19A和图19B， 用鞋1960上的侧栏或板附接在踩关节附近的简单支柱也可W用于加强装置的力传递。
[0133] 在该实施方式中，所述装置仅可W向踩关节施加单向扭矩，但通过将(从致动源运 转的）另一线绳附接至鞋I960的前底或者附接至固定到鞋1960的设计结构可W向踩关节施 加双向扭矩。另一方式是用可屈曲传动装置和两个刚性构件代替线绳1910和线缆管道 1930A、1930B，所W所述装置可W操作在推拉构造处，沿巧屈方向和背屈方向两者致动踩关 T。
[0134] 所述装置的运动范围被设定为允许正常穿戴者W自选择速度步行或行走。每个腿 部上的所述装置与现有装置比较是非常轻巧的，但因为从尼龙管错固点到轴的力臂较大， 所W能够经由线缆驱动的致动或随身携带的马达提供较大扭矩。在实践中，为了使步态检 测简单，脚开关可W用于确定何时向踩关节施加扭矩W降低代谢消耗。本发明可W被进一 步修改，充当没有任何功率的被动装置，或者充当需要很小功率的准无源装置。所述模块可 W进一步用作用于估计踩关节的生物学特性的测量工具。
[0135] 部分 III:
[0136] 所述装置的另一实施方式是一种可穿戴下肢装置，其包括可由个人穿戴的跨越远 侧骨骼关节的远侧模块，并且包括可由个人穿戴的跨越近侧骨骼关节的近侧模块，其中所 述远侧模块和所述近侧模块被联接。所述远侧模块和近侧模块中的至少一个包括可由个人 穿戴的位于相应骨骼关节的远侧的远侧构件、可由个人穿戴的位于相应骨骼关节的近侧的 近侧构件W及位于所述远侧构件与近侧构件之间的连结机构，由此，所述连结机构的致动 将被转换为所述远侧构件或近侧构件处的正交于延伸穿过所述远侧构件和近侧构件的主 纵向轴线的力。在该实施方式中，可选地，所述远侧构件和近侧构件中的至少另一者包括交 叉构件，并且所述连结机构从所述远侧构件或所述近侧构件的所述交叉构件延伸到所述远 侧构件或所述近侧构件中的另一者。在一个【具体实施方式】中，所述远侧模块和所述近侧模 块两者均包括远侧构件、近侧构件、交叉构件和连结机构。所述远侧模块和所述近侧模块可 W由共同构件联接，其中所述远侧模块的所述近侧构件也至少是所述近侧模块的所述远侧 构件的部件。所述远侧模块和所述近侧模块可W被刚性地联接。在一个实施方式中，所述共 同构件包括将所述远侧模块联接到所述近侧模块的自由度。例如，所述自由度可W是在大 致平行于所述近侧模块和远侧模块中的至少一者的旋转平面的平面中引起旋转的较链。例 如，所述远侧模块可W是构造成供人体膝关节使用的外骨骼、矫形器或假肢，而所述近侧模 块可W是构造成供人体髓关节使用的外骨骼、矫形器或假肢。在【具体实施方式】中，所述远侧 模块和近侧模块的所述连结机构可W各包括绞盘致动器或滚珠丝杠致动器。在一个特别优 选的实施方式中，所述远侧模块的所述交叉构件包括滑轮并包括连结所述滑轮的线绳，并 且所述远侧模块的连结机构包括绞盘致动器，由此，所述远侧模块的所述连结机构的致动 会引起固定到所述远侧模块的所述人体膝关节的伸展。例如，所述远侧模块的所述远侧构 件可W包括将所述滑轮连结到所述远侧模块的所述远侧构件的板黃。在一个实施方式中， 所述远侧模块的所述交叉构件从所述近侧模块的所述远侧构件的所述较链向近侧延伸。所 述近侧模块的所述连结机构可W包括线绳并包括位于所述近侧模块的所述近侧构件处的 绞盘致动器，其中所述线绳从所述近侧模块的所述交叉构件延伸到所述绞盘致动器，由此， 所述近侧模块的所述连结机构的致动将引起固定到所述近侧模块的人体髓关节的屈曲运 动。在替代实施方式中，所述近侧模块的所述连结机构包括滚珠丝杠致动器，由此，所述连 结机构的致动是双向的，并且选择性地引起固定到所述近侧构件的人体髓关节的屈曲和伸 展。
[0137] 在另一实施方式中，所述下肢装置进一步包括位于所述远侧模块的远侧的踩关节 模块，其中所述踩关节模块被联接到所述远侧模块，并且其中所述远侧模块和所述踩关节 模块共用一共同构件。在该示例的一个实施方式中，所述踩关节模块包括踩关节远侧构件、 踩关节近侧构件W及位于所述踩关节远侧构件与所述踩关节近侧构件之间的踩关节连结 机构，由此，所述踩关节连结机构的致动将被转换为所述踩关节远侧构件或所述踩关节近 侧构件处的正交于延伸穿过所述踩关节远侧构件和踩关节近侧构件的主纵向轴线的力。在 所述下肢装置的一个运样的实施方式中，所述踩关节远侧构件和踩关节近侧构件中的至少 一者或另一者包括踩关节交叉构件，其中所述踩关节连结机构从所述踩关节远侧构件或所 述踩关节近侧构件的所述踩关节交叉构件延伸到所述踩关节远侧构件或所述踩关节近侧 构件中的另一者。
[0138] 在一个实施方式中，所述踩关节模块的所述交叉构件从所述踩关节模块的所述远 侧构件向近侧延伸。在特定实施方式中，所述踩关节模块的所述连结机构包括位于所述踩 关节模块的所述近侧构件处的绞盘致动器，其中所述绞盘致动器的线绳从所述交叉构件的 近端延伸到所述踩关节模块的所述绞盘致动器，由此，所述连结机构的致动会引起固定到 所述踩关节模块的人体踩关节的巧屈。
[0139] 例如，本发明的下肢装置可W是用于人体踩关节的外骨骼、矫形器或假肢，并且所 述近侧模块可W是用于人体膝关节的外骨骼、矫形器或假肢。
[0140] 在本发明的再一实施方式中，下肢外骨骼2100(图21)包括附接至个人腰部2101、 大腿2109、腔部2118和脚2123的模块化部分。外骨骼2100包括单向绞盘致动器2102、2107和 2119,用W分别围绕个人髓关节、膝关节和踩关节施加力矩。外骨骼2100施加围绕个人踩关 节的足底屈曲力矩、围绕膝关节的伸展力矩W及围绕髓关节的屈曲力矩。所述单向绞盘致 动器向个人施加机械功率，还允许个人完全透明的控制。外骨骼2100也可W通过提供线绳 2104、 2113、2124和2126(图21至图22)的过度松驰而向个人施加零扭矩。另外，绞盘致动器 2105、 2107和2119分别保留关节柔性，并且不将髓关节、膝关节或踩关节限于平面运动。构 建在外骨骼2100中的可屈曲杠杆2122、2117和2105采用为系列弹性元件，W增加致动器的 抗冲击性、电能效率和峰值外骨骼功率。外骨骼2100的关节具体设计导致可W向个人施加 大量功率的选择性低质量装置。
[0141] 如图22中可W看到的，外骨骼2100的踩关节部2200包括鞋子附接件2202和腔部安 装的绞盘致动器2119。外骨骼的踩关节模块2200通过致动附接至鞋子的可屈曲杠杆而提供 围绕踩关节的足底屈曲力矩。弹性杠杆臂2122通过趾2228和跟2230两者的连接点被整合到 鞋子2202中。因为外骨骼2100仅施加足底屈曲力矩，跟与杠杆臂2229之间的连接可W细长 而轻巧。鞋子附接件2202可W由各种各样的材料制成，包括例如，碳纤维和玻璃纤维复合材 料。杠杆臂2229和绞盘致动器的柔性还维持个人踩关节能够执行生物翻转和反转运动。安 装在前的绞盘致动器2119连接到轻巧的腔骨护具2120,该腔骨护具2120用轻巧的带2221固 定到个人小腿。腔骨安装件2225从腔骨护具2520延伸并且用于使力消散。
[0142] 图23中示出的膝关节模块2300包括大直径滑轮2115,用W在维持全运动范围的同 时施加围绕膝关节的伸展力矩。膝关节外骨骼2300利用大滑轮2115来施加围绕膝关节的伸 展力矩，同时维持全部膝关节运动范围。膝关节致动器安装件2392经由旋转轴承2108连接 到大腿袖套2110W减少膝关节约束。通过在膝关节致动器安装件2332与大腿袖套2110之间 包括轴承2108而实现最小剪切和关节柔性。膝关节致动器安装件2332分别容纳膝关节绞盘 致动器2107、膝关节致动器电子装置2331W及上线绳引导件2111和下线绳引导件2114。膝 关节致动器安装件2332经由旋转轴承2116连接到腔部板黃2117。额外的旋转轴承2108最大 限度地减少膝关节轴承2116强加在膝关节上的约束。线性轴承也可W代替旋转轴承2108。 可选地，旋转轴承可W放置在可屈曲杠杆2117与腔骨护具2120之间。大腿袖套2110用轻巧 的带2106、2112被固定到身体。
[0143] 如图24所示，髓关节外骨骼模块2400采用弹性杠杆2105将能量储存在个人的矢状 平面中，同时允许髓关节内收/外展及旋转。类似于踩关节外骨骼2200,髓关节外骨骼2400 采用伸展的大腿杠杆臂2105来向髓关节致动器2102提供几何传递。髓关节致动器2102使线 绳2104围绕惰漉2103行进并且连接到大腿伸展杠杆2105。髓关节致动器2400附接至腰部安 装件2340,该腰部安装件2340用带2339固定到个人。大腿伸展杠杆2105的几何形状允许髓 关节柔性和致动两者。
[0144] 例如，合适的髓关节致动器可W是图25中示出的绞盘致动器2500,该绞盘致动器 2500采用高扭矩电动马达，W高效而安静地致动关节。绞盘致动器2500允许外骨骼在步态 的某些部分期间向个人穿戴者施加大量功率，然后在步态的其它部分期间施加零扭矩，运 是控制的便捷特征。例如，可W采用常规的径向磁通无刷马达或轴向磁通无刷马达来致动 外骨骼模块。由旋转轴承2535支撑的马达2536使线绳2524围绕整合的线轴缠绕。马达帽 2537容纳马达2536的电磁装置并且将马达2538附接至致动器主体2534。线绳2524围绕由轴 承2533支撑的惰漉2527行进。
[0145] 图26A和图26B图示了本发明的装置的一个实施方式，其包括具有气动致动器的踩 关节外骨骼。踩关节外骨骼2600具有连接到脚101的远侧构件2603,并且具有附接至腔部 102的近侧构件2604。踩关节外骨骼2600上的近侧腔部构件2604不穿过踩关节的虚拟水平 平面，诸如图2A至图2B中图示的虚拟水平平面A。远侧脚部件2603包括交叉构件2630,该交 叉构件2630经由可充式囊致动器2605连结到近侧构件2604。由可充式囊致动器2605施加的 力可W用放置在致动器2605与近侧腔部构件2604之间的力传感器(类似于参照图3描述的 力传感器111)测量。给囊致动器2605充气会引起踩关节的巧屈，如图26A中图示。给囊致动 器2605放气允许踩关节的背屈，如图26B中图示。可W采用阀（未示出）来实现囊致动器2605 的充气和放气。所述阀可W由控制器(诸如关于图1描述的控制器107)致动。用于驱动囊致 动器2605的能量源可W直接附接至近侧构件2604、远侧构件2603或分离位置，诸如图1所示 的背包或腰包106。
[0146] 所有专利的教导、公开的申请和本文中引用的参考将其整体内容通过引用并入。
[0147] 虽然本发明已经参考其示例实施方式特别示出并描述，但是本领域技术人员将理 解的是，可做出形式和细节的各种改变而不脱离由所附权利要求书涵盖的本发明的范围。
【主权项】
1. 一种可穿戴装置，所述装置包括： a) 可由个人穿戴的位于个人的骨骼关节的远侧的远侧构件； b) 可由个人穿戴的位于所述骨骼关节的近侧的近侧构件，其中所述远侧构件和所述近 侧构件中的一者或另一者包括交叉构件；以及 c) 位于所述远侧构件与所述近侧构件之间的连结机构，其中所述连结机构从所述远侧 构件或所述近侧构件的所述交叉构件延伸到所述远侧构件和所述近侧构件中的另一者，由 此，所述连结机构的致动将被转换为所述远侧构件或所述近侧构件处的正交于延伸穿过所 述远侧构件和所述近侧构件的主纵向轴线的力。2. 根据权利要求1所述的装置，其中，所述交叉构件是刚性的。3. 根据权利要求2所述的装置，其中，所述交叉构件非刚性地固定到所述远侧构件和所 述近侧构件中的一者或另一者。4. 根据权利要求1所述的装置，其中，所述交叉构件刚性地固定到所述远侧构件和所述 近侧构件中的所述一者或所述另一者。5. 根据权利要求4所述的装置，其中，所述连结机构包括滚珠丝杠致动器。6. 根据权利要求4所述的装置，其中，所述连结机构和所述交叉构件是系列弹性致动器 的部件。7. 根据权利要求6所述的装置，其中，所述系列弹性致动器是双向致动器。8. 根据权利要求7所述的装置，其中，所述双向致动器是气动致动器。9. 根据权利要求8所述的装置，其中，所述气动致动器包括硬化系列弹性元件。10. 根据权利要求8所述的装置，其中，所述气动致动器包括可充式囊。11. 根据权利要求6所述的装置，其中，所述系列弹性致动器是单向致动器。12. 根据权利要求11所述的装置，其中，所述单向致动器是气动致动器。13. 根据权利要求11所述的装置，其中，所述单向致动器是电动线轴致动器。14. 根据权利要求13所述的装置，其中，所述交叉构件包括远端和近端，其中所述远端 在一端处被固定到所述远侧构件并且大致正交于所述远侧构件的主纵向轴线，并且其中所 述连结机构在所述交叉构件的所述近端与所述近侧构件之间延伸。15. 根据权利要求14所述的装置，其中，所述远侧构件包括一表面，该表面大致平行于 与在所述远侧构件与所述近侧构件之间延伸的所述主纵向轴线正交的平面。16. 根据权利要求15所述的装置，所述装置进一步包括从所述远侧构件延伸的第二交 叉构件，其中所述交叉构件彼此大致平行。17. 根据权利要求16所述的装置，其中，所述远侧构件被构造成支撑人脚并且待被固定 到人脚，所述交叉构件被构造成大致从背侧延伸并且平行于从人脚延伸的胫骨，并且其中 所述近侧构件被固定到人体小腿，所述电动线轴致动器包括线缆，该线缆连结到所述交叉 构件的所述近端并且以与人体胫骨的主纵向轴线正交的方式跨越小腿，由此，所述致动器 的致动引起所述远侧构件围绕人体踝关节的旋转，从而至少辅助人脚在步行的同时跖屈。18. 根据权利要求1所述的装置，其中，所述交叉构件是非刚性的。19. 根据权利要求18所述的装置，其中，所述连结机构包括支柱，所述支柱从所述近侧 构件延伸到所述远侧构件，由此，所述交叉构件和所述支柱跨越所述远侧构件旋转所围绕 的轴线。20. 根据权利要求19所述的装置，其中，所述支柱被约束在所述近侧构件处，正交于且 横向于所述交叉构件的从所述近侧构件延伸到所述远侧构件的主纵向轴线，其中所述支柱 沿着所述交叉构件的所述主纵向轴线不受限制。21. 根据权利要求20所述的装置，其中，所述连结机构进一步包括正交地且横向地约束 所述支柱的位于所述近侧构件处的至少一个辊。22. 根据权利要求21所述的装置，其中，所述连结机构包括彼此对置的至少一对辊，其 中所述支柱被正交地约束在所述一对辊之间。23. 根据权利要求22所述的装置，其中，支柱在所述一对辊处被弯曲，由此，在所述远侧 构件绕被所述交叉构件和所述支柱跨越的所述轴线旋转期间，所述支柱与所述一对辊之间 的剪切力小于所述支柱在所述一对辊处是直的情况下的剪切力。24. 根据权利要求23所述的装置，其中，所述支柱包括位于所述一对辊处的引导管，其 中所述交叉构件延伸穿过所述引导管。25. 根据权利要求24所述的装置，所述装置包括一对交叉构件和一对支柱。26. 根据权利要求25所述的装置，其中，所述支柱在所述辊与所述远侧构件之间大致是 直的。27. 根据权利要求26所述的装置，其中，在翻转和反转固定到所述远侧构件的人脚以及 固定到所述近侧构件的人体小腿期间，所述支柱中的至少一个支柱偏转。28. 根据权利要求27所述的装置，其中，所述支柱是刚性的。29. 根据权利要求25所述的装置，其中，所述支柱是弯曲的，由此，在固定到所述远侧构 件的人脚以及固定到所述近侧构件的人体小腿的正常步行周期期间，所述支柱作为系列弹 簧操作。30. 根据权利要求25所述的装置，其中，所述连结机构进一步包括附接至所述一对交叉 构件的近端的绞盘致动器组件，由此，所述连结机构的致动将引起所述交叉构件的缩回，从 而引起所述远侧构件的旋转以及固定到所述远侧构件的人脚围绕人体踝关节的跖屈。31. 根据权利要求25所述的装置，其中，所述一对交叉构件被固定到所述远侧构件的近 端。32. 根据权利要求31所述的装置，所述装置进一步包括第二对交叉构件，所述第二对交 叉构件被固定到所述远侧构件的远端。33. 根据权利要求32所述的装置，其中，所述连结机构进一步包括附接至所述第二对交 叉构件的近端的第二绞盘致动器组件，由此，所述连结机构的选择性致动引起所述第二对 交叉构件的缩回，从而引起所述远侧构件的旋转以及固定到所述远侧构件的人脚围绕所述 人体踝关节的背屈。34. 根据权利要求1所述的装置，其中，所述远侧构件被构造成适合人体小腿。35. 根据权利要求34所述的装置，其中，所述近侧构件被构造成适合人体大腿。36. 根据权利要求35所述的装置，其中，所述交叉构件从所述远侧构件向近侧延伸，并 且所述连结机构在所述近侧构件与所述交叉构件的近端之间延伸，由此，所述连结机构的 致动将引起固定到所述近侧构件和所述远侧构件的人体腿部的伸展。37. 根据权利要求35所述的装置，其中，所述交叉构件从所述近侧构件向远侧延伸，并 且所述连结机构在所述交叉构件的远端与所述远侧构件之间延伸，由此，所述连结机构的 致动将引起固定到所述近侧构件和所述远侧构件的人体腿部的伸展。38. 根据权利要求1所述的装置，其中，所述近侧构件被构造成适合人体腰部。39. 根据权利要求38所述的装置，其中，所述远侧构件被构造成适合人体大腿。40. 根据权利要求39所述的装置，其中，所述交叉构件从所述远侧构件向近侧延伸。41. 根据权利要求40所述的装置，其中，所述连结机构包括双向致动器，由此，所述连结 机构的致动将使所述远侧构件和固定到所述远侧构件的人体大腿围绕穿戴所述装置的人 体的髋关节旋转。42. 根据权利要求41所述的装置，其中，所述双向致动器是滚珠丝杠致动器。43. -种可穿戴下肢装置，所述下肢装置包括： a) 可由个人穿戴的跨越远侧骨骼关节的远侧模块；以及 b) 可由个人穿戴的跨越近侧骨骼关节的近侧模块， 其中，所述远侧模块和所述近侧模块被联接，并且其中，所述远侧模块和近侧模块中的 至少一者包括： i)可由个人穿戴的位于相应骨骼关节的远侧的远侧构件； ?)可由个人穿戴的位于相应骨骼关节的近侧的近侧构件，其中所述远侧构件和所述 近侧构件中的一者或另一者包括交叉构件；以及 m)位于所述远侧构件与所述近侧构件之间的连结机构，其中所述连结机构从所述远 侧构件或所述近侧构件的所述交叉构件延伸到所述远侧构件和所述近侧构件中的另一者， 由此，所述连结机构的致动将被转换为所述远侧构件或所述近侧构件处的正交于延伸穿过 所述远侧构件和所述近侧构件的主纵向轴线的力。44. 根据权利要求43所述的下肢装置，其中，所述远侧模块被构造成供人体踝关节使 用，并且所述近侧模块被构造成供人体膝关节使用。45. 根据权利要求43所述的下肢装置，其中，所述远侧模块和所述近侧模块两者均包括 远侧构件、近侧构件、交叉构件和连结机构。46. 根据权利要求45所述的下肢装置，其中，所述远侧模块和所述近侧模块由共同构件 联接，其中所述远侧模块的所述近侧构件也至少是所述近侧模块的所述远侧构件的部件。47. 根据权利要求45所述的下肢装置，其中，所述远侧模块和所述近侧模块被刚性地联 接。48. 根据权利要求46所述的下肢装置，其中，所述共同构件进一步包括将所述远侧模块 联接到所述近侧模块的自由度。49. 根据权利要求48所述的下肢装置，其中，所述自由度是在大致平行于所述近侧模块 和所述远侧模块中的至少一者的旋转平面的平面中引起旋转的铰链。50. 根据权利要求49所述的下肢装置，其中，所述远侧模块是构造成供人体膝关节使用 的装置，并且所述近侧模块是构造成供人体髋关节使用的装置。51. 根据权利要求50所述的下肢装置，其中，所述远侧模块和所述近侧模块的所述连结 机构各包括绞盘致动器或滚珠丝杠致动器。52. 根据权利要求51所述的下肢装置，其中，所述远侧模块的所述交叉构件包括滑轮以 及连结所述滑轮的线绳，并且所述远侧模块的连结机构包括绞盘致动器，由此，所述远侧模 块的所述连结机构的致动引起固定到所述远侧模块的人体膝关节的伸展。53. 根据权利要求52所述的下肢装置，其中，所述远侧模块的所述远侧构件包括将所述 滑轮连结到所述远侧模块的所述远侧构件的板簧。54. 根据权利要求53所述的下肢装置，其中，所述近侧模块的所述交叉构件从所述近侧 模块的所述远侧构件的所述铰链向近侧延伸。55. 根据权利要求54所述的下肢装置，其中，所述近侧模块的所述连结机构包括线绳以 及位于所述近侧模块的所述近侧构件处的绞盘致动器，并且其中所述线绳从所述近侧模块 的所述交叉构件延伸到所述绞盘致动器，由此，所述近侧模块的所述连结机构的致动将引 起固定到所述近侧模块的人体髋关节的屈曲运动。56. 根据权利要求54所述的下肢装置，其中，所述近侧模块的所述连结机构包括滚珠丝 杠致动器，由此，所述连结机构的致动是双向的，并且所述连结机构的致动选择性地引起固 定到所述近侧构件的人体髋关节的屈曲和伸展。57. 根据权利要求52所述的下肢装置，所述下肢装置进一步包括位于所述远侧模块的 远侧的踝关节模块，其中所述踝关节模块被联接到所述远侧模块，所述远侧模块和所述踝 关节模块共用共同构件。58. 根据权利要求57所述的下肢装置，其中，所述踝关节模块包括： a) 踝关节远侧构件； b) 踝关节近侧构件；以及 c) 位于所述踝关节远侧构件与所述踝关节近侧构件之间的踝关节连结机构，由此，所 述踝关节连结机构的致动将被转换为所述踝关节远侧构件或所述踝关节近侧构件处的正 交于延伸穿过所述踝关节远侧构件和所述踝关节近侧构件的主纵向轴线的力。59. 根据权利要求58所述的下肢装置，其中，所述踝关节远侧构件或所述踝关节近侧构 件中的至少一者或另一者包括踝关节交叉构件，并且其中所述踝关节连结机构从所述踝关 节远侧构件或所述踝关节近侧构件的所述踝关节交叉构件延伸到所述踝关节远侧构件和 所述踝关节近侧构件中的另一者。60. 根据权利要求59所述的下肢装置，其中，所述踝关节模块的所述交叉构件从所述踝 关节模块的所述远侧构件向近侧延伸。61. 根据权利要求60所述的下肢装置，其中，所述踝关节模块的所述连结机构包括位于 所述踝关节模块的所述近侧构件处的绞盘致动器，其中所述绞盘致动器的线绳从所述交叉 构件的近端延伸到所述踝关节模块的所述绞盘致动器，由此，所述连结机构的致动引起固 定到所述踝关节模块的人体踝关节的跖屈。62. -种可穿戴装置，所述可穿戴装置包括： a) 可由个人穿戴的位于个人的骨骼关节的远侧的远侧构件； b) 可由个人穿戴的位于所述骨骼关节的近侧的近侧构件，其中所述远侧构件和所述近 侧构件中的一者或另一者包括交叉构件；以及 c) 位于所述远侧构件与所述近侧构件之间的连结机构，其中所述连结机构从所述远侧 构件或所述近侧构件的所述交叉构件延伸到所述远侧构件和所述近侧构件中的另一者，并 且其中所述连结机构仅向所述交叉构件施加大致线性力。63. -种人体膝关节的装置，所述装置包括； a)地面连结机构，该地面连结机构相对于人体股骨的远端或人体胫骨的近端固定； b) 具有第一端和第二端的输入连结机构，其中所述输入连结机构被固定到限定旋转轴 线的枢轴并且围绕所述枢轴旋转，所述枢轴在所述第一端处将所述输入连结机构连结到所 述地面连结机构； c) 具有第一端和第二端的联接器，所述第一端被枢轴地安装到所述输入连结机构的所 ? Λ-Λ- -* 上山 述弟 >栖； d) 输出连结机构，所述输出连结机构相对于人体股骨的远端和人体胫骨的近端中的另 一者固定，并且具有第一端和第二端，所述第一端在所述联接器的所述第一端处被枢轴地 安装到所述联接器的所述第二端；以及 e) 位于所述地面连结机构与所述输出连结机构之间的滑动连结机构，由此，固定所述 装置的人体膝关节的旋转将引起所述输出连结机构的旋转轴线相对于所述地面连结机构 平移，以追踪所述人体膝关节的两个自由度，其中所述人体膝关节在矢状平面中围绕正交 于所述矢状平面的轴线旋转，但相对于所述枢轴的旋转轴线移动，从而将所述输入连结机 构的所述第一端连结到所述地面连结机构。64.根据权利要求63所述的装置，其中，所述滑动连结机构包括由所述输出连结机构限 定的槽缝，并且其中来自所述地面连结机构的突起延伸穿过由所述滑动连结机构限定的所 述槽缝，所述滑动连结机构将所述输出连结机构的所述旋转轴线的运动限制到正交于所述 枢轴的旋转轴线的线。
【文档编号】A61F2/60GK106029039SQ201480075566
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2014年12月16日
【发明人】H·M·赫尔, L·M·穆尼, E·J·鲁斯, J-Y·光, K·A·帕施
【申请人】麻省理工学院