CN102088933A - 通过使用下肢外骨骼来减少人的能量消耗的设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种连接到人的外骨骼设备(100)，包括：腿部支撑件(101，102)，可连接到人的下肢，并设计为在步态站立期时搁置在地面上，其中每个腿部支撑件(101，102)具有大腿连接件(104，105)和小腿连接件(106，107)；两个膝关节(107，108)，每个膝关节均使相应的小腿连接件(106，107)和相应的大腿连接件(104，105)之间能够进行弯曲和伸展；外骨骼躯干(109)，可连接到所述人的上身，并能够可旋转地连接至所述腿部支撑件(101，102)的所述大腿连接件(104，105)，使得所述腿部支撑件(101，102)和所述外骨骼躯干(109)之间能够进行弯曲和伸展；两个髋部执行器(145，146)，用于在所述外骨骼躯干(109)和所述腿部支撑件(101，102)之间产生扭矩；以及至少一个动力单元(201)，其能够向所述髋部执行器(145，146)提供动力。在使用中，向髋部执行器(145，146)提供动力，该动力的大小能减少使用者在步行期间所消耗的能量。

Description

通过使用下肢外骨骼来减少人的能量消耗的设备和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求了美国临时申请61/071,823的权益，该申请名称为“通过使用下肢外骨骼来减少人的能量消耗的设备和方法”，申请日为2008年5月20日。

技术领域

本发明主要涉及下肢外骨骼领域，尤其涉及能减少其穿用者的能源消耗的下肢外骨骼领域。

背景技术

许多情况下，正常人在行走或负重时常常会消耗大量能量。“A QUASI-PASSIVE LEGEXOSKELETON FOR LOAD-CARRYING AUGMENTATION”C.J.Walsh，K.Endo，and H.Herr，International Journal of Humanoid Robotics，2007一文试图提高负重能力。然而，Walsh等人教导的这种准被动外骨骼增加了其穿用者的耗氧量。具体来说，其描述的外骨骼无驱动和动力单元，因此不能将动力从外骨骼转移至人体。这意味着，无论其弹簧所处位置及强度如何，这种系统都不会减少其穿用者的能量消耗。由于耗氧量与能量消耗成正比，因此穿用者的耗氧量将不会减少。

Popular Science Magazine(2008年5月)出版的一篇文章描述了一种由Sarcos设计和制造的带动力设备的外骨骼系统，该系统由一种称为“让道”(get out of the way)的方法进行控制。这种方法测量穿用者施加在外骨骼上的力和扭矩，并基于测量结果驱动外骨骼。这种“让道”(get out of the way)控制方法在控制智能辅助设备中大量使用。参见美国专利6,299,139、6,386,513和6,886,812。然而，由于从外骨骼到穿用者的力与穿用者的运动方向相反，这种“让道”(get out of the way)控制方法不仅不会减少穿用者的能量消耗，事实上还增加了穿用者的能量消耗。

基于以上可知，可以提供一种通用的、穿用时能减少穿用者的能量消耗的外骨骼设备。提供一种减少其穿用者的能量消耗的外骨骼，允许穿用者在行走和携带重物的同时减少能量消耗。特别地，本发明覆盖了外骨骼设备的各种实施例，该外骨骼设备将减少穿用者在步态站立期时的能量消耗。

发明内容

以上描述在可穿用的下肢外骨骼的数个实施例中得以实现。在此描述的下肢外骨骼可设置为连接到人体，且除其他组件外还包括：两个腿部支撑件，可设置为连接到人的下肢；两个膝关节，每个都设置为允许相应的小腿连接件和大腿连接件之间的弯曲和伸展；外骨骼躯干，设置为连接到人的上身，并旋转连接至腿部支撑件的大腿连接件，允许腿部支撑件和外骨骼躯干之间的弯曲和伸展；两个髋部执行器，设置为在所述外骨骼躯干和所述腿部支撑件之间制造扭矩；除其他组件外，还包括至少一个动力单元，能够为髋部执行器提供动力。操作时，当穿用者穿着下肢外骨骼时，一个腿部支撑件处于步态站立期，另一个腿部支撑件处于步态迈步期，所述动力单元用于促使处于步态站立期的腿部支撑件的髋部执行器产生扭矩曲线，从而使所述动力单元向处于步态站立期的腿部支撑件的髋部执行器提供的能量大于未穿用时按相同轨迹移动外骨骼躯干和处于步态站立期的腿部支撑件所需的能量。

附图说明

结合附图阅读以下具体说明后，将更清晰地理解本发明的特征、方面及优点，附图中相似的特性代表相似的部件，其中：

图1为本发明的外骨骼的正面透视图；

图2为图1的外骨骼的背面透视图；

图3为处于步态站立期的本发明的外骨骼的一个替代例；

图4为图3的外骨骼在步态站立期时沿前行方向的移动；

图5为处于步态站立期的图3外骨骼的有关力和外形尺寸；

图6为本发明的动力单元的示意图；

图7为包括流量限制阀的本发明的可替代动力单元的示意图；

图8为包括三通阀的本发明的可替代动力单元的示意图；

图9为包括步态站立传感器及与其相连的信号处理器的本发明的可替代外骨骼的透视图；

图10为包括髋部弹性元件的本发明的可替代外骨骼的透视图；

图11为包括用于承载后端负载的连接支架的本发明的可替代外骨骼的透视图；

图12为包括用于承载前端负载的伸展框的本发明的可替代外骨骼的透视图；

图13为包括髋部外展停止器的本发明的可替代外骨骼的透视图；

图14为包括片簧形式的髋部弹性元件的本发明的可替代外骨骼的透视图；

图15为包括两个髋部弹性元件的本发明的可替代外骨骼的透视图；

图16为包括两个髋部连接件的本发明的可替代外骨骼的透视图；

图17为包括背包框的本发明的可替代外骨骼的透视图；

图18为包括两个髋部弹性元件和外骨骼足部的本发明的可替代外骨骼的透视图；

图19为图18的示意了大腿关节细节的外骨骼局部视图，；

图20为图18的示意了压缩-伸长机构的细节的外骨骼局部视图，；

图21为包括鞋子的本发明的可替代外骨骼的透视图；

图22为包括鞋底的本发明的可替代外骨骼的透视图；

图23为包括球窝关节的图18的外骨骼足部的局部视图；

图24为包括弹性元件的本发明的可替代外骨骼足部的透视图；

图25为包括外展/内收弹性元件的本发明的可替代外骨骼足部的透视图；

图26为包括小腿旋转关节的本发明的可替代外骨骼足部的透视图；

图27为本发明的可替代外骨骼处于步态站立期时的力和外形尺寸；

图28为包括集成式步态站立传感器的本发明的可替代外骨骼足部的局部横断面侧视图；

图29为包括力传感器的本发明的可替代外骨骼足部的俯视透视图；

图30为包括集成式步态站立传感器的本发明的可替代鞋子的局部横断面侧视图；

图31为包括安装在鞋底的步态站立传感器的本发明的可替代鞋子的局部横断面侧视图；

图32为包括将力传感器纳入鞋底的本发明的可替代鞋子的局部横断面侧视图；

图33为本发明的可替代外骨骼在垂直收纳位置进行携带的侧视图；

图34为图33的外骨骼的局部透视图；

图35为包括液压旋转阻尼器的本发明的可替代外骨骼足部的透视图；

图36为本发明的膝盖液压回路的示意图；

图37为包括三通阀的本发明的可替代膝盖液压回路的示意图；

图38为包括止回阀的本发明的可替代膝盖液压回路的示意图；

图39为包括三通阀和止回阀的本发明的可替代膝盖液压回路的示意图；

图40为包括双通阀和止回阀的本发明的可替代膝盖液压回路的示意图；

图41示意了与本发明相对应的锁膝关节的功能；

图42为本发明的可替代腿部支撑件的侧视图，该可替代腿部支撑件包括与扭矩发生器并联的膝关节弹性元件；

图43为本发明的可替代腿部支撑件的侧视图，该可替代腿部支撑件包括与扭矩发生器串联的膝关节弹性元件；

图44为闭环控制器的使用图示，该闭环控制器用于控制本发明中相应的力；

图45为本发明的外骨骼的一个替代例的侧视图，该替代例包括不与地面接触的腿部。

具体实施方式

对应于本发明的一个实施例，图1为示意了可由人187穿用、能减少穿用者行走时的能量消耗的下肢外骨骼100的透视图。所述下肢外骨骼100除其他组件外，包括两个腿部支撑件101和102，该腿部支撑件101和102设置为连接到人的下肢143和144，并设置为在步态站立期时可搁置在支撑物表面上(例如地面)。

术语“步态站立期”应当理解为，是指对使用者的与腿部支撑件101或102相连的足部和腿部施力时，腿部支撑件101或102所在的位置。除其他组件外，所述腿部支撑件还包括大腿连接件103和104，以及小腿连接件105和106。两个膝关节107和108设置为，在相应的腿部支撑件步态迈步期，允许腿部支撑件的小腿连接件和大腿连接件之间的弯曲和伸展(分别如膝关节弯曲箭头213和膝关节伸展箭头214所示)。

术语“步态迈步期”应当理解为，是指未对使用者的与腿部支撑件101或102相连的足部或腿部施力时，腿部支撑件101或102所在的位置。然而，一些实施例中，两个膝关节107和108设置为在相应的腿部支撑件步态站立期时，抵抗腿部支撑件的小腿连接件和大腿连接件之间的弯曲。除其他组件外，下肢外骨骼100还包括外骨骼躯干109。除其他组件外，外骨骼躯干109还包括上身接口装置150。外骨骼躯干109可设置为通过上肢接口装置150连接到人的上身149。

人的上身149是指大腿以上的任何位置，包括髋部。上身接口装置150的例子包括但不限于背心、皮带、绑带、肩带、胸带、石膏、背带和腰带等一个部件或多个部件的组合。外骨骼躯干109在髋部弯曲-伸展关节125和126处旋转连接至腿部支撑件101和102，使腿部支撑件101和102分别围绕髋部弯曲-伸展轴151和152进行髋部弯曲和伸展旋转(分别如髋部伸展箭头215和髋部弯曲箭头216所示)。

所述腿部支撑件101和102可设置为通过下肢接口带135和136连接至人的下肢143和144。所述人的下肢143和144应当理解为，是指大腿以上的任何位置。在一些实施例中，如图1所示，下肢接口带135和136连接至大腿连接件103和104。在一些实施例中，如图2所示，下肢接口带135和136连接至小腿连接件105和106。在一些实施例中，下肢接口带同时连接至小腿连接件和大腿连接件。每个下肢接口带135和136包括但不限于绑带、条状物、C形支架、石膏和弹性体中的一个部件或多个部件的组合。操作时，通过借助下肢接口带135和136连接至两个腿部支撑件101和102，人187通过上身接口装置150(图1中的例子所示的简单皮带)连接至(或穿用)下肢外骨骼100。

除其他组件外，下肢外骨骼100还包括两个髋部执行器145和146，该髋部执行器145和146可设置为在外骨骼躯干109和腿部支撑件101和102之间产生扭矩。右髋部执行器145如图1所示，左髋部执行器146如图2所示。除其他组件外，下肢外骨骼100还包括至少一个动力单元201，该动力单元201能够提供动力，并连接至髋部执行器145和146。在一些实施例中，只有一个动力单元201向髋部执行器145和146提供动力。在一些实施例中，每个髋部执行器都接受来自单独动力单元的动力。髋部执行器145和146包括任何能够产生扭矩的设备或设备的组合。髋部执行器145和146的例子包括但不限于电动机，所述电动机包括但不限于AC(交流)电动机、刷式DC(直流)电动机、无刷直流电动机、电子整流电动机(ECMs)、步进电动机、液压执行器、气动执行器以及其组合。在一些实施例中，所述髋部执行器145和146由压缩气体供给动力。在一些实施例中，所述外骨骼躯干109可设置为在人187的后方承载后端负载。

图3示意了下肢外骨骼100的一种形态，其中，右腿支撑件101和人的右下肢143处于步态站立期，左腿支撑件102和人的左下肢144处于步态迈步期(图3未示意左腿支撑件102)。应注意，本实施例中的外骨骼躯干109的设计为沿着人的背部伸展，以承载后端负载118。还应注意，以下分析显然也适用于当右腿支撑件101处于步态迈步期、左腿支撑件102处于步态站立期时的相反形态。图4示意了当穿用者在前行方向162上行进时，右腿支撑件101在步态站立期时，下肢外骨骼100的三种形态。右腿支撑件101上的字母A(一个步态站立期的起始)、B(一个步态站立期的中间某处)和C(一个步态站立期的尾声)分别示意了这些形态。基于观察可推断出，人的上身149和外骨骼躯干109在移动时几乎不旋转，从而使人的上身149和外骨骼躯干109相对于地面130的保持相对恒定角度。

操作时，当右腿支撑件101处于步态站立期、左腿支撑件102处于步态迈步期时，动力单元201设置为使右腿支撑件101的相应右髋部执行器145产生扭矩曲线。该扭矩曲线使得下肢外骨骼100和人187从形态A变换到形态C(如图4所示)，其中右腿支撑件101和人的右下肢143处于步态站立期。人体的前行方向162大致平行于地面130。在右腿支撑件101处于步态站立期时，当下肢外骨骼100和人187从形态A变换到形态C时，右髋部执行器145产生机械功W_ACTUATOR。右腿支撑件101和外骨骼躯干109的总机械能(动能加势能)，包括外骨骼躯干109上的任何负载(即，无正在迈步的左腿支撑件102的下肢外骨骼100)，在形态A时为E_A。右腿支撑件101和外骨骼躯干109的总机械能(动能加势能)包括外骨骼躯干109上的任何负载(即，无正在迈步的左腿支撑件102的下肢外骨骼100)，在形态C时为E_C。在右腿支撑件101处于步态站立期时，由摩擦和其他损失造成的能量浪费由为E_LOSS。在外骨骼100由A变换到C的过程中，如果W_ACTUATOR(右髋部执行器145产生的机械功)大于(E_C-E_A+E_LOSS)的值，则能量从下肢外骨骼100转移到人187，且该能量等于[W_ACTUATOR-(E_C-E_A+E_LOSS)]。如果W_ACTUATOR(即右髋部执行器145产生的机械功)小于(E_C-E_A+E_LOSS)，则能量从人187转移到下肢外骨骼100，且该能量等于[(E_C-E_A+E_LOSS)-W_ACTUATOR]。

综上所述：

若W_ACTUATOR＞(E_C-E_A+E_LOSS)，则转移到人187的能量＝

W_ACTUATOR-(E_C-E_A+E_LOSS)

若W_ACTUATOR＜(E_C-E_A+E_LOSS)，则从人187转移的能量＝

(E_C-E_A+E_LOSS)-W_ACTUATOR

当下肢外骨骼100未被人187穿用时，从A到C以相同轨迹移动外骨骼躯干109和右腿支撑件101所需的能量为(E_C-E_A+E_LOSS)。这意味着，在右腿支撑件101处于步态站立期时，要将能量转移到人187，由动力单元201向右腿支撑件101的右髋部执行器145提供的能量必须大于不存在人187时、由A到C以相同轨迹移动外骨骼躯干109和右腿支撑件101所需的能量。步态站立期时转移到人187的机械能的逐步增加将使得步态站立期时穿用者移动所需的能量逐步减少。由于穿用者的耗氧量与能量消耗成正比，因此，穿用者移动所需能量的减少将使耗氧量减少。在步态站立期时，确保机械能转移至人187的一种方法是，确保右腿支撑件101的右髋部执行器145的扭矩曲线基本大于不存在人187时、由A到C以相同轨迹移动外骨骼躯干109和右腿支撑件101所需的能量。以下借助图4和图5说明这一点。

图5示意了当右腿支撑件101处于步态站立期时，所述下肢外骨骼100的形态(与图3的形态相同，不同之处是没有画人)。地面130相对于水平面134成α坡度。人的上身149通过上身接口装置150连接至外骨骼躯干109。基于观察可知，人的上身149和外骨骼躯干109在移动时几乎不旋转(相比髋部角度λ的变化而言)。这意味着，当右腿支撑件101处于步态站立期时，人的上身149和外骨骼躯干109相对于地面130保持相对稳定。β₂表示地面130和外骨骼躯干109的法线之间的角度，如图5所示。基于观察可知，相比角度λ，β₂相对稳定。在步态站立期时，右大腿连接件103和右小腿连接件105几乎无相对移动，或根本相对静止。这意味着，在步态站立期时，右腿支撑件101为从位置A迈向位置C的近似刚性连接件，如图4所示。

等式(1)和(2)表示图4所示系统的动能和势能：

$\mathrm{KineticEnergy}=\frac{(M_{\mathrm{TRUNK}}{L}^2+I)}{2}{\stackrel{\·}{\mathrm{\β}}}_1^2---\left(1\right)$

Potential Energy＝(LM_TRUNK+RM_L)g Cos(β₁+α)+K    (2)

其中，

M_TRUNK：外骨骼躯干109和任何附加载荷的质量(例如，后端负载118)

M_L：右腿支撑件101的质量

I：右腿支撑件101围绕点F的转动惯量

L：图5所示的右腿支撑件101站立时的长度

R：右腿支撑件101的重心与点F之间的距离(图中未示意)

β₁：地面130与点E和点F之间的线段的法线之间的角度(力F_E1与地面130之间的角度)

β₂：地面130与外骨骼躯干109的法线之间的角度(力F_E2与地面130之间的角度)

α：地面坡度(地面130与水平面134之间的角度)

D：力F_E2与点F之间的距离

K：常数

利用等式(1)和(2)以及拉格朗日方程，得出图5的外骨骼的动力学方程，可以看出，由右髋部执行器145提供的、位于外骨骼躯干109和右腿支撑件101之间的扭矩T_E等于

$T_E=(M_{\mathrm{TRUNK}}{L}^2+I){\stackrel{\·\·}{\mathrm{\β}}}_1-(L{M}_{\mathrm{TRUNK}}+R{M}_L)\mathrm{gSin}({\mathrm{\β}}_1+\mathrm{\α})+T_F+$

(3)

$F_{E1}\mathrm{LCos}({\mathrm{\β}}_2-{\mathrm{\β}}_1)+F_{E2}D$

其中，

F_E1：从人的上身149作用在外骨骼躯干109的力，假设其垂直于外骨骼躯干109(图5所示为正值)

F_E2：从人的右下肢143作用在右腿支撑件101上的力，假设其垂直于点E和点F之间线段的垂线(图5所示为正值)

T_E：右髋部执行器145产生的扭矩(其正值使得角度λ减小)

T_F：与右腿支撑件101相对于外骨骼躯干109的运动方向相反的摩擦扭矩

由于与角度λ相比β₂相对稳定(外骨骼躯干109不怎么旋转)，因此，等式(3)中将不会出现位于人的上身149和外骨骼躯干109之间的任何相互作用的扭矩。只有相互作用力(例如从人的上身149作用在外骨骼躯干109的力F_E1)会对外骨骼躯干109的运动产生影响。

整理等式(3)，得到等式(4)：

$F_{E1}\mathrm{LCos}({\mathrm{\β}}_2-{\mathrm{\β}}_1)+F_{E2}D=$

$T_E-(M_{\mathrm{TRUNK}}{L}^2+I){\stackrel{\·\·}{\mathrm{\β}}}_1+(L{M}_{\mathrm{TRUNK}}+R{M}_L)\mathrm{gSin}({\mathrm{\β}}_1+\mathrm{\α})-T_F---\left(4\right)$

假设F_E2＝0。作这一假设，是为了便于理解穿用者的能量消耗减少后的状态。接着取消这一假设。当F_E2＝0时，等式(4)简化为等式(5)。

$F_{E1}=\frac{T_E-(M_{\mathrm{TRUNK}}{L}^2+I){\stackrel{\·\·}{\mathrm{\β}}}_1+(L{M}_{\mathrm{TRUNK}}+{\mathrm{RM}}_L)\mathrm{gSin}({\mathrm{\β}}_1+\mathrm{\α})-T_F}{\mathrm{LCos}({\mathrm{\β}}_2-{\mathrm{\β}}_1)}---\left(5\right)$

接着考虑下述三种情形。

例1

从等式(5)验证可知，如果髋部执行器的扭矩T_E为：

$T_E>(M_{\mathrm{TRUNK}}{L}^2+I){\stackrel{\·\·}{\mathrm{\β}}}_1-(L{M}_{\mathrm{TRUNK}}+{\mathrm{RM}}_L)\mathrm{gSin}({\mathrm{\β}}_1+\mathrm{\α})+T_F---\left(6\right)$

则T_E1＞0。这意味着，如果髋部执行器的扭矩大于惯性转矩重力转矩-(LM_TRUNK+RM_L)gSin(β₁+α)和摩擦扭矩T_F的和，则从人187作用在外骨骼躯干109的力F_E1为正数。这意味着，从人187作用在外骨骼躯干109的力为图5所示的方向，而作用在人187上的力大致沿着人体的前行方向162。当作用在人187上的力沿人体的前行方向162时(如图5所示)，机械能从下肢外骨骼100转移至人187。由于该机械能在整个步态站立期内的时间积分为正数，因此，机械能转移至人187。在步态站立期时转移至人187的机械能将使得穿用者步态站立期时移动所需的能量逐步减少。穿用者移动所需能量的逐步减少使得其耗氧量降低，心率变缓。不等式(6)的右侧部分表示，当人187未穿用外骨骼100时，在步态站立期时以相同轨迹移动外骨骼躯干109和右腿支撑件101所需的扭矩。

例1(以上所述)的情形示意了，为减少穿用者行走时的能量消耗(并降低相应的耗氧量和心率)，当人187穿着外骨骼100时，髋部执行器输出的扭矩曲线应当产生沿人体的前行方向162、从外骨骼躯干109作用到人的上身的力。这意味着，为减少穿用者行走时的能量消耗，人187应当被外骨骼躯干109向前推动。上述例1还指出，为减少穿用者行走时的能量消耗(并降低相应的耗氧量和心率)，当人187穿着外骨骼100时，髋部执行器输出的扭矩曲线应当大于外骨骼100未被穿用时、在步态站立期以相同轨迹移动外骨骼躯干109和右腿支撑件101所需的扭矩。

例2

从等式(5)验证可知，如果髋部执行器的扭矩T_E为：

$T_E<(M_{\mathrm{TRUNK}}{L}^2+I){\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{\mathrm{\&beta;}}}_1-({\mathrm{LM}}_{\mathrm{TRUNK}}+{\mathrm{RM}}_L)\mathrm{gSin}({\mathrm{\&beta;}}_1+\mathrm{\&alpha;})+T_F---\left(7\right)$

则F_E1＜0。这意味着如果髋部执行器的扭矩小于惯性转矩

重力转矩-(LM_TRUNK+R_ML)gSin(β₁+α)以及摩擦扭矩T_F的和，则从人187作用在外骨骼躯干109的力F_E1为负数。这意味着，从人187作用在外骨骼躯干109的力与图5所示的方向相反，而作用在人187上的力与人体的前行方向162反向。当作用在人187上的力与人体的前行方向162反向时，动力从人187转移至下肢外骨骼100。由于该机械能在整个步态站立期内的时间积分为负数，因此，机械能从人187转移至下肢外骨骼100。步态站立期时从人187转移的机械能将引起穿用者步态站立期时移动所需能量的逐步增加。穿用者移动所需能量的逐步增加将使其耗氧量增加，心率变快。不等式(7)的右侧部分表示，当人187未穿用外骨骼100时，步态站立期时以相同轨迹移动外骨骼躯干109和右腿支撑件101所需的扭矩。

例3

如果 $T_E=(M_{\mathrm{TRUNK}}{L}^2+I){\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{\mathrm{\&beta;}}}_1-(L_L{M}_{\mathrm{TRUNK}}+{\mathrm{DM}}_L)\mathrm{gSin}({\mathrm{\&beta;}}_1+\mathrm{\&alpha;})+T_F---\left(8\right),$

则F_E1＝0。这意味着，如果髋部执行器扭矩精确地等于惯性转矩

重力转矩-(LM_TRUNK+RM_L)gSin(β₁+α)以及摩擦扭矩T_F的和，则人187与外骨骼之间的相互作用力F_E为零。这意味着，人体将感觉不到外骨骼的存在，因而，人187消耗的动力等于他/她未穿着任何外骨骼行走时所消耗的动力。即，外骨骼与其穿用者之间没有能量的转移。在这种情况下，穿用者的能量消耗既不增加也不减少。

如果F_E2≠0，则等式(9)左侧部分表示从人187作用到下肢外骨骼100上的围绕点F的扭矩：

$F_{E1}\mathrm{LCos}({\mathrm{\&beta;}}_2-{\mathrm{\&beta;}}_1)+F_{E2}D=$

$T_E-(M_{\mathrm{TRUNK}}{L}^2+I){\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{\mathrm{\&beta;}}}_1+({\mathrm{LM}}_{\mathrm{TRUNK}}+{\mathrm{RM}}_L)\mathrm{gSin}({\mathrm{\&beta;}}_1+\mathrm{\&alpha;})-T_F---\left(9\right)$

上述关于等式(5)的三个例子可用于下述等式(9)。

例1

从等式(9)验证可知，如果髋部执行器的扭矩T_E为：

$T_E>(M_{\mathrm{TRUNK}}{L}^2+I){\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{\mathrm{\&beta;}}}_1-({\mathrm{LM}}_{\mathrm{TRUNK}}+{\mathrm{RM}}_L)\mathrm{gSin}({\mathrm{\&beta;}}_1+\mathrm{\&alpha;})+T_F---\left(10\right)$

则F_E1LCos(β₂-β₁)+F_E2D＞0。这意味着，如果髋部执行器的扭矩大于惯性转矩重力转矩-(LM_TRUNK+RM_L)gSin(β₁+α)以及摩擦扭矩T_F的和，则从人187作用到下肢外骨骼100的围绕点F的扭矩F_E1LCos(β₂-β₁)+F_E2 D为正数。这意味着，从人187作用到下肢外骨骼100的扭矩为逆时针方向，而人187上的扭矩为顺时针方向，并沿着人体的前行方向162。当人187上的扭矩沿着人体的前行方向162时(如图5所示)，动力从下肢外骨骼100转移至人187。由于该能量在整个步态站立期内的时间积分为正数，因此机械能从下肢外骨骼100转移至人187。

从例1的情形可知，为减少穿用者行走时的能量消耗(并降低相应的耗氧量和心率)，当人187穿着外骨骼100时，髋部执行器输出的扭矩曲线应当产生从外骨骼躯干109作用到人187的围绕点F的顺时针方向扭矩。这意味着，为减少穿用者行走时的能量消耗，人187应当被外骨骼100向前推动。从上述例1还可知，为减少用者在行走时的能量消耗(并降低相应的耗氧量和心率)，当人187穿着外骨骼100时，髋部执行器输出的扭矩曲线应当大于人187未穿用外骨骼100时、在步态站立期以相同轨迹移动外骨骼躯干109和腿部支撑件所需的扭矩。

例2

从等式(9)验证可知，如果髋部执行器的扭矩T_E为：

$T_E<(M_{\mathrm{TRUNK}}{L}^2+I){\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{\mathrm{\&beta;}}}_1-({\mathrm{LM}}_{\mathrm{TRUNK}}+{\mathrm{RM}}_L)\mathrm{gSin}({\mathrm{\&beta;}}_1+\mathrm{\&alpha;})+T_F---\left(11\right)$

则F_E1 L Cos(β₂-β₁)+F_E2D＜0。这意味着如果髋部执行器的扭矩小于惯性转矩

重力转矩-(LM_TRUNK+RM_L)gSin(β₁+α)以及摩擦扭矩T_F的和，则从人187作用到下肢外骨骼100上的围绕点F的扭矩F_E1 L Cos(β₂-β₁)+F_E2 D为负数。这意味着，从人187到下肢外骨骼100的围绕点F的扭矩为顺时针方向，而作用在人187上的扭矩与人的前行方向162反向(逆时针方向)。当作用在人187上的扭矩与人的前行方向162反向时，能量从人187转移至下肢外骨骼100。如果该能量在整个步态站立期内的时间积分为负数，则机械能从人187转移至下肢外骨骼100。

例3

从等式(9)验证可知，如果髋部执行器的扭矩T_E为：

$T_E=(M_{\mathrm{TRUNK}}{L}^2+I){\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{\mathrm{\&beta;}}}_1-({\mathrm{LM}}_{\mathrm{TRUNK}}+{\mathrm{RM}}_L)\mathrm{gSin}({\mathrm{\&beta;}}_1+\mathrm{\&alpha;})+T_F---\left(12\right)$

则F_E1 L Cos(β₂-β₁)+F_E2 D＝0。这意味着，从人187作用到下肢外骨骼100的围绕点F的扭矩为0。如果该能量在整个步态站立期内的时间积分为零，则下肢外骨骼100与人187没有机械能的转移。在这种情况下，穿用者的能量消耗既不增加也不减少。

备注1

由于外骨骼躯干109几乎不旋转(即，β₂相对于角度λ几乎为恒定值)，且外骨骼躯干109上的扭矩总和为零，因此，等式(13)表明，从人的上身作用到外骨骼躯干109上的扭矩抵消了髋部执行器145和146输出的反作用扭矩的代数和。

T_P＝T_E-T_S-T_G    (13)

其中，

T_P：从人的上身149作用到外骨骼躯干109上的扭矩；

T_E：步态站立期时从腿部支撑件作用到外骨骼躯干109上的扭矩；

T_S：步态迈步期从腿部支撑件作用到外骨骼躯干109上的扭矩(当试图将外骨骼躯干围绕点E以CW方向转动时，T_S为正数)；

T_G：因外骨骼躯干和任何附加载荷而产生的围绕点E的扭矩(当试图将外骨骼躯干围绕点E以CW方向转动时，T_G为正数)

如果处于步态迈步期的腿部支撑件在人力作用下迈步，则T_S等于零。如果处于步态迈步期的腿部支撑件在髋部执行器的动力作用下迈步，则T_S不等为。为了减小T_P(从人的上身149作用到外骨骼躯干109上的扭矩)，等式(13)指出，对处于步态迈步期的腿部支撑件提供能量(即，T_S应当为非零值)。这意味着，迈步的腿部的髋部执行器应当在步态站立期时、在与髋部执行器相反的方向上作用扭矩，以减小人的上身149的辅助扭矩。

备注2

总的来说，无论外骨骼系统中执行器的数量及其位置如何，只要从外骨骼躯干作用到穿用者的上身的力沿人的前行方向，则任何下肢外骨骼都能减少其穿用者的能量消耗。例如，可以在每个外骨骼脚踝上安装至少一个执行器，以提供从外骨骼躯干到穿用者上身的沿人的前行方向的力。当作用在人体上的力沿着人的前行方向时，无论外骨骼的构造如何，机械能都将从外骨骼转移至人体。步态站立期时转移至人体的机械能将使得穿用者移动所需的能量逐渐减少。而穿用者移动所需能量的逐渐减少将减少其耗氧量，并使心率变缓。

备注3

上述分析给出了步态站立期时下肢外骨骼如何降低其穿用者的能量消耗。只要所述外骨骼下肢按以上描述运作，则除两条下肢外还具有双臂的外骨骼系统也能够降低其穿用者的能量消耗。

在一些实施例中，每个髋部执行器145和146都包括液压髋部执行器。在这些实施例中，至少一个动力单元201向髋部执行器145和146提供液压动力。在一些实施例中，只有一个动力单元201向液压髋部执行器145和146提供液压动力。在一些实施例中，每个液压髋部执行器都接收来自单独的动力单元的液压动力。在一些实施例中，如图6所示的动力单元201除其他组件外，还包括至少一个液压回路194，该液压回路194可连接到至少一个液压髋部执行器145或146，并调节流入和流出液压髋部执行器145和146的液压流。在一些实施例中，液压髋部执行器145和146为旋转叶片式液压执行器。在一些实施例中，如图6所示，液压回路194除其他组件外，还包括连接至电动机241的液压泵240。

通过控制电动机241，使髋部执行器145和146输出扭矩曲线，以满足不等式(6)或(10)。由于该扭矩是关于液压和髋部执行器几何形状的函数，因此，能够通过测量液压并将其作为反馈变量，以形成电动机241上的闭合环路控制，由此控制髋部执行器的扭矩。在一些实施例中，通过测量髋部执行器的扭矩或力并将其作为反馈变量，以形成电动机241上的闭合环路控制，由此控制髋部执行器的扭矩，以满足不等式(6)或(10)。

在一些实施例中，如图7所示，液压回路194除其他组件外，还包括驱动流量限制阀200，该驱动流量限制阀200能改变来自液压右髋部执行器145的、环绕液压泵240的液压流的流向。操作时，当使用液压泵240时，驱动流量限制阀200闭合。操作时，当需要减少能量消耗时，电动机241将不通电。这时，可以打开驱动流量限制阀200，于是，未通电的电动机241和泵240将不阻碍右髋部执行器145的运动。

在一些实施例中，如图8所示，液压回路194除其他组件外，还包括三通阀242。操作时，当动力单元201向右髋部执行器145提供液压动力时，所述三通阀242将液压右髋部执行器145连接至液压泵240。操作时，当需要减少能量消耗时，电动机241将不通电。这时，所述三通阀242可以改变来自液压右髋部执行器145的、环绕液压泵240的液压流的流向，这样，未通电的电动机241和泵240将不阻碍右髋部执行器145的运动。

图6、图7和图8只给出了减少穿用者的能量消耗所需的组件。本领域的普通技术人员应当能够认识到，液压回路通常具有其他有关安全性及其他特征的组件，尽管在此未作讨论。

液压髋部执行器145和146包括能够任何能将加压液流转换成力或扭矩的液压执行器或执行器的组合。液压执行器的例子包括但不限于线性液压活塞式液压缸、旋转式液压执行器、齿条与小齿轮式旋转执行器以及旋转液压叶片式执行器等，其中，加压液流通过推动运动界面产生力或扭矩。

驱动流量限制阀200包括任何能够实现所述功能的阀或阀的组合。驱动流量限制阀200的例子包括但不限于流量控制阀、压力控制阀、驱动针型阀、电磁阀和双位阀。液压泵240包括任何能够实现所述功能的泵或泵的组合。所述液压泵240的例子包括但不限于齿轮泵、叶片泵、轴向活塞泵和径向活塞泵。

电动机241包括任何能够驱动液压泵240的设备或设备的组合。发动机241的例子包括但不限于电动机，所述电动机包括但不限于AC(交流)电动机、刷式DC(直流)电动机、无刷直流电动机、电子整流电动机(ECMs)、步进电动机以及其组合。尽管在此描述的是电动机241带动液压泵240转动，然而，本领域技术人员应当能够认识到，发动机241和液压泵240都可以具有其他类型的非旋转连接方式，例如往复直线运动。

在本发明的一些实施例中，下肢外骨骼100包括至少一个信号处理器159，该信号处理器159能够控制髋部执行器145和146。所述信号处理器159包括从一组模拟设备中选出的一个元件或多个元件的组合；模拟计算机模块；数字设备，包括但不限于小规模、中规模和大规模集成电路、专用集成电路、可编程门阵列、可编程逻辑阵列；机电继电器、固态开关、MOSFET开关和数字计算模块，包括但不限于微计算机、微处理器、微控制器和可编程逻辑控制器。操作时，为减少穿用者的能量消耗，所述信号处理器159计算出满足不等式(6)或(10)的扭矩曲线。接着髋部执行器145和146在其各自的步态站立期时输出该扭矩。

在一些实施例中，当髋部执行器145和146为液压执行器时，通过控制电动机241，所述信号处理器159为髋部执行器145和146计算出不等式(6)或(10)所描述的扭矩曲线。由于该扭矩为关于液压和髋部执行器几何形状的函数，因此，如图8所示，在一些实施例中，能够通过测量液压并将其作为反馈变量、以形成电动机241上的闭合环路控制，由此控制髋部执行器的扭矩。压力传感器236测量液压流的压力，信号处理器159确保将压力调节至理想值。在一些实施例中，通过测量髋部执行器的扭矩或力并将其作为反馈变量、以形成电动机241上的闭合环路控制，由此控制髋部执行器的扭矩，以满足不等式(6)或(10)。本领域技术人员应当能够研发出图44所示的控制器，以满足不等式(6)或(10)。

在一些实施例中，所述信号处理器159安装在外骨骼躯干109上。在一些实施例中，所述信号处理器159设置在动力单元201内部。所述信号处理器159可以为包括液压或气动回路的单一机械设备，或者还可以包括电子元件。

图5示意了为减少穿用者的能量消耗，作用在人187上的力应当沿着人的前行方向162。这一点可以在闭合式或开放式环路中实现。在闭合式环路中，可以研究出所述信号处理器159的控制算法，以确保在人187上作用持续的、沿人体的前行方向162的力。在一些实施例中，这一点可以通过在人187上设置闭环力控制器来实现。该闭环力控制器测量人的上身和外骨骼100之间的力，并在步态站立期时为髋部执行器输出扭矩，以确保作用在人体上的该力持续推动人体向前。

在一些实施例中，上身接口装置150和人的上身之间的力作为反馈变量进行测量，并控制在使其沿人体的前行方向162。图44为一个控制框图的实施例，其中，测量作用在穿用者上身的力，并将其与希望作用在穿用者上身的理想的力进行比较。为减少穿用者的能量消耗，该闭合环路控制器确保作用在穿用者上身的力遵从沿着人体前行方向的所述理想的力。这意味着，为减少穿用者的能量消耗，该控制器确保穿用者的上身被向前推动。

在一些实施例中，如图9所示，下肢外骨骼100包括至少一个对应于每个腿部支撑件的步态站立传感器，该步态站立传感器输出步态信号，表明腿部支撑件是否处于步态站立期。在图9所示的实施例中，腿部支撑件101包括步态站立传感器160，该步态站立传感器160输出步态信号219。所述步态信号219表明腿部支撑件101是否处于步态站立期。类似地，腿部支撑件102包括步态站立传感器161，该步态站立传感器161输出步态信号220。所述步态信号220指示腿部支撑件102是否处于步态站立期。在一些实施例中，所述步态站立传感器160和161分别连接至支撑件101和102。操作时，信号处理器159根据不等式(6)或(10)计算出扭矩曲线，该计算取决于步态信号219和220是否表明腿部支撑件101和102处于步态站立期或步态迈步期。在一些实施例中，步态站立传感器160和161设置在人的鞋(或靴子)底里面或其中。在一些实施例中，步态站立传感器160和161位于人的鞋子或靴子内部。在一些实施例中，步态站立传感器160和161能够连接到人的鞋子或靴子的底部。

进一步讨论图1所示的外骨骼的几何形状，在一些实施例中，如图1所示，除其他组件外，外骨骼躯干109还包括两个髋部连接件114和115，该髋部连接件114和115可在髋部弯曲-伸展关节125和126处旋转连接至大腿连接件103和104，使腿部支撑件101和102分别能关于髋部弯曲-伸展轴151和152弯曲和伸展。在一些实施例中，髋部连接件114和115在髋部外展-内收关节113处互相旋转连接，以实现腿部支撑件101和102的外展和/或内收。箭头217和218分别示意了腿部支撑件101和102的外展和内收。

图10示意了本发明的另一实施例，其中，外骨骼躯干109进一步包括髋部弹性元件116，该髋部弹性元件116设置为对髋部连接件114和115之间作用扭矩。髋部弹性元件的例子包括但不限于拉伸弹簧、压缩弹簧、片簧、气压弹簧、空气弹簧、橡胶、弹性体、橡皮拉力器、蹦极绳索或其组合。可以选择一定硬度的髋部弹性元件116，使其力量在步态迈步期时大致支撑起腿部支撑件101或102的重量。

在一些实施例中，外骨骼躯干109设置为在人187的后方承载后端负载118。图11为透视图，其中，除其他组件外，外骨骼躯干109还包括连接支架117，该连接支架117设置为将后端负载118的重量转移至外骨骼躯干109。在一些实施例中，如图12所示，连接支架117进一步包括伸展框119和120，该伸展框119和120设置为在人187的前方承载前端负载154。后端负载118和前端负载154的例子包括但不限于背包、婴儿背袋、食物容器、袋子、盒子、水壶、工具箱、桶、弹药、武器、寝具、急救用品、高尔夫球袋、邮袋、摄像机、稳定凸轮、吹叶机、压缩机、机电机器及其组合。在一些实施例中，后端负载118和/或前端负载154为人187携带的另一个人。在一些实施例中，外骨骼躯干109通过人的上身接口装置150，承载人187的一部分重量。

一些实施例，如图13所示，还可以包括髋部外展停止器211，用于限制或防止髋部连接件114和115相对于彼此向外展开。在图13所示的特定实施例中，所述髋部外展停止器211使用钢缆。钢缆的髋部外展停止器211防止腿部支撑件101和102外展超过一定角度，但允许腿部支撑件101和102内收。

图14为对应于本发明的另一实施例的透视图，其中外骨骼躯干109包括两个髋部连接件114和115，该髋部连接件114和115旋转连接至大腿连接件103和104，允许腿部支撑件101和102相对于外骨骼躯干109弯曲和伸展，其中，髋部连接件114和115彼此适应地连接，以实现腿部支撑件101和102的外展和/或内收。在图14所示的例子中，这一过程是由作为弹性元件153的片簧来实现的。

图15为对应于本发明的另一实施例的透视图，其中，除其他组件外，外骨骼躯干109还包括连接支架117，该连接支架117设置为将后端负载118的重量转移到外骨骼躯干109上。外骨骼躯干109进一步包括两个髋部连接件114和115，该髋部连接件114和115可旋转连接至大腿连接件103和104，使腿部支撑件101和102相对于外骨骼躯干109弯曲和伸展。髋部连接件114和115通过两个髋部外展-内收关节176和177旋转连接至连接支架117，且围绕两个髋部外展-内收轴178和179旋转。在一些实施例中，髋部外展-内收轴178和179大致相互平行。在一些实施例中，髋部外展-内收关节176和177相互重合。另外，在一些实施例中，如图9到图12所示，髋部外展-内收关节176和177相互重合，形成髋部外展-内收关节113，同时髋部外展-内收轴178和179成为一条髋部外展-内收轴112。

在一些实施例中，如图16所示，外骨骼躯干109进一步包括外展-内收髋部弹性元件121和122，该外展-内收髋部弹性元件121和122设置为可在髋部连接件114和115与连接支架117之间作用扭矩。髋部外展-内收弹性元件包括但不限于拉伸弹簧、压缩弹簧、气压弹簧、空气弹簧、橡胶、弹性体、片簧、蹦极绳索及其组合。可以选择一定硬度的外展-内收髋部弹性元件121和122，使得步态迈步期时其力量大致支撑起腿部支撑件101或102的重量，并协助人在行走时保持负载与地面的垂直。

在一些实施例中，如图17所示，髋部连接件114和115适应地连接至连接支架117。在图17所示的实施例中，这一过程是由髋部弹性元件153实现的，此例中该部件为片簧。在一些实施例中，如图17所示，外骨骼躯干109包括背包框180，该背包框180允许将背包连接到下肢外骨骼100。在一些实施例中，背包架180连接到连接支架117。为清楚起见，图中省略了上身接口装置150(例如皮带或肩带)；然而，在一些实施例中，上身接口装置150可以连接到背包架180或连接支架117。

图18为对应于本发明另一实施例的透视图，其中，腿部支撑件101和102进一步包括大腿外展-内收关节123和124，该大腿外展-内收关节123和124可设置为使腿部支撑件101和102分别关于大腿外展-内收轴202和203外展和/或内收。在一些实施例中，大腿外展-内收关节123和124设置在髋部弯曲-伸展关节125和126的下面。图19示意了这些关节的细节，该图为与图18相同的实施例的局部视图。

在一些实施例中，如图19所示，右腿支撑件101包括大腿内收停止器185，该大腿内收停止器185用于限制或防止右大腿连接件103在大腿外展-内收关节123和124处内收。箭头227和228分别示意了右腿支撑件101的外展和内收。在图19所示的特定实施例中，右大腿外展-内收关节123包括大腿内收停止器185，该大腿内收停止器185搁在大腿停止器表面186上。大腿内收停止器185限制大腿外展-内收关节123的内收。在步态站立期时，右大腿外展-内收关节123不受限制的内收将引起右髋部连接件114沿箭头204向下移动，导致负载掉落(低垂)。大腿外展-内收关节123和124的这种仅能外展的关节能使人自然蹲下。在一些实施例中，类似图18和图19所示的实施例，这种外展关节大致位于髋部弯曲-伸展关节125和126的下面。

在一些实施例中，如图18和图19所示，腿部支撑件101和102进一步包括腿部旋转关节127和128，腿部旋转关节127和128设置为使腿部支撑件101和102旋转。腿部旋转关节127和128大致位于膝关节107和108上。线164和165表示腿部旋转关节127和128的腿部旋转轴。在图19和图20中，这一过程是通过在右髋部旋转轴166和右髋部旋转轴颈168之间设置滑动触点来实现的。为清楚起见，图中省略了关节中防止其被拉开的部件，但本领域技术人员应当注意到，存在多种将这种轴保持在这种轴颈中的方式。

在一些实施例中，如图20所示，腿部旋转关节127和128进一步包括旋转弹性元件129。该旋转弹性元件129充当扭力弹簧，产生恢复扭矩，该恢复扭矩使腿部支撑件从延伸位置(未示意)基本返回至如图18所示的中位。旋转弹性元件129可以通过许多方式构成，其中，使用高弹性材料为最佳，如图20中的特定横截面所示。出于解释说明目的，所示旋转弹性元件129部分偏斜。

另外，在一些实施例中，如图19和图20所示，腿部支撑件101和102进一步包括压缩-伸长机构131和132，该压缩-伸长机构131和132设置为可改变外骨骼躯干109与相应的膝盖弯曲-伸展关节107和108之间的距离。在一些实施例中，压缩-伸长机构131和132能够改变髋部弯曲-伸展关节125和126与相应的膝盖弯曲-伸展关节107和108之间的距离。通过右髋部旋转轴166滑动进入右髋部旋转轴颈168中(仅示意右腿101)，所述压缩-伸长机构收缩。所述腿部旋转弹性元件129可滑入间隙腔170中。在一些实施例中，压缩-伸长机构131和132进一步包括右腿压缩-伸长弹性元件133。该腿部压缩-伸长弹性元件充当弹簧，提供恢复力，该恢复力使腿部支撑件从外展形态基本返回至图18所示的中位形态。在图20所示的实施例中，该过程通过螺旋压缩弹簧实现。在一些实施例中，如图18所示，外骨骼髋部机构盖171可覆盖外骨骼的一些组件，包括髋部连接件114和115、髋部弹性元件116或外展-内收髋部弹性元件121和122的一部分。在一些实施例中，如图18所示，腿部支撑件101和102进一步包括外骨骼足部139和140，该外骨骼足部139和140分别连接到小腿连接件105和106，使力从小腿连接件105和106转移到地面。操作时，外骨骼足部139和140可设置为连接至人187的脚。在一些实施例中，如图18所示，通过使用蚬壳式固定设备205和206连接到人的脚，该蚬壳式固定设备205和206在一些现代雪地鞋中有所使用。然而，正如在各类雪橇、滑雪板、雪靴及其他设备中可见的，还有许多方法来实现这一连接。在一些实施例中，如图21所示，外骨骼足部139和140包括外骨骼鞋188和189，可由人187穿着，以将外骨骼足部139和140与人187的脚相连。在一些实施例中，如图22所示，外骨骼足部139和140包括外骨骼鞋垫157和158，该外骨骼鞋垫157和158可插入人的鞋内，以将外骨骼足部139和140与人187的脚相连。鞋垫157和158具有弹性，因此能够弯曲，在例如蹲下等动作时适应人脚的弯曲。另外，鞋垫侧支撑件212具有不同程度的自由度，以模拟人的脚踝的动作。

在一些实施例中，如图18所示，外骨骼足部139和140适应地连接至小腿连接件105和106。这一过程是通过使用脚踝弹性元件181和182来完成的。图23为外骨骼右足139的放大视图。在该例中，右脚踝弹性元件181由金属球窝关节231构成，该金属球窝关节231被环状弹性体元件230环绕，这样，在所有旋转方向上都具有适应性。

在一些实施例中，外骨骼足部139和140相对于小腿连接件105和106、围绕两条(踝关节)跖屈-背屈轴旋转。图24示意了这类外骨骼的实施例，其中右脚踝关节跖屈-背屈轴172大致平行于人脚的踝关节跖屈-背屈轴。在一些实施例中，每个腿部支撑件进一步包括至少一个踝关节跖屈-背屈弹性元件141，用于阻挡相应的外骨骼足部围绕右踝关节跖屈-背屈轴172的旋转。

在一些实施例中，外骨骼足部139和140相对于小腿连接件105和106、围绕两条脚踝外展-内收轴旋转。图25示意了这类外骨骼的实施例，其中右脚踝外展-内收轴174大致平行于人脚踝的外展-内收轴。在一些实施例中，每个腿部支撑件进一步包括至少一个脚踝外展-内收弹性元件142，用于阻挡外骨骼右足139围绕右脚踝外展-内收轴174旋转，如图25所示。

在一些实施例中，外骨骼足部139和140相对于小腿连接件105和106、围绕脚踝旋转轴147旋转。在一些实施例中，如图26所示，这一过程是通过使用小腿旋转关节207来完成的，该小腿旋转关节207的功能与腿部旋转关节127类似。图26示意了这类外骨骼的一个实施例，其中，右脚踝旋转轴147大致平行于人脚踝的旋转轴。在一些实施例中，所述弹性元件可容纳在脚踝内，以阻挡外骨骼右足139围绕右脚踝旋转轴147旋转。

图27示意了图5中例子的一个实施例，其中增加了外骨骼右足139。假定图5中右腿支撑件101是在右脚踝点155处围绕点F旋转的，则上述关于人187和外骨骼躯干109之间能量转移的分析也适用于图27所示的外骨骼。

在一些实施例中，如图28所示，步态站立传感器160和161集成在外骨骼足部139和140上。在一些实施例中，如图28所示，步态站立传感器160为压力传感器，用于测量步态站立传感器腔192内的介质191的压力，该步态站立传感器腔192位于外骨骼右足139的内部。图23示意了一个实施例，其中使用管道作为步态站立传感器腔192。在某些情况下，步态信号219和220可以采取介质191的形式，在小管内从步态站立传感器腔192传递到信号处理器159。

图29示意了另一个实施例，其中，步态站立传感器160为力传感器，可连接到外骨骼右足139。在一些实施例中，如图30所示，步态站立传感器160类似鞋垫、位于人的鞋内，且其输出信号表示作用在人足底的力。这类步态站立传感器在如图21或图22所示的本发明的实施例中尤为有用。在一些实施例中，如图31所示，所述步态站立传感器160连接到人的鞋底部，以感应作用在人足底的力。在一些实施例中，如图32所示，步态站立传感器160位于人的鞋底内，以感应作用在人足底的力。在一些实施例中，步态站立传感器160和161分别连接到小腿连接件105和106。步态站立传感器160包括任何能够实现所述功能的传感器或传感器的组合。步态站立传感器160的例子包括但不限于力传感器、应变计式力传感器、压电式力传感器、力敏电阻、压力传感器、开关、带状开关以及其组合。在一些实施例中，步态站立传感器160为一个开关，表示存在着比作用在人187的足底的特定阀值力更大的力。

图33还示意了附加的大腿外展-内收关节235，在不使用但需要携带外骨骼时，使用该附加的大腿外展-内收关节235，以便将腿部在垂直位置上收纳起来。右腿支撑件101可沿着附加的右大腿外展-内收轴237外展(参见图34)。当人187不再携带很重的负载，但需要携带下肢外骨骼100时，上述部件非常有用。在这种情况下，操作者可以解开外骨骼的右腿支撑件101的带子，并将腿部从身体朝外摆开，直到外骨骼右足139位于操作者头部上空。接着，通过弯曲右膝关节107和/或旋转右腿旋转关节127，能将所述腿部置于操作者身后并收纳起来，如图33所示。这一动作可以实现，是因为所述右大腿外展-内收关节123和附加的右大腿外展-内收关节235都能够围绕右大腿外展-内收轴202和附加的右大腿外展-内收轴237分别旋转约90°。因此，可能发生的总外展超过了180°。该过程可以通过可旋转180°的大腿外展-内收关节来实现，但设计这样一个关节可能会使得关节支点从操作者向外移开很远，这将导致外骨骼变宽。当然，尽管这并非理想，但仍然是一种变形的可替代设计。

在一些实施例中，下肢外骨骼100(如图1所示)包括两个扭矩发生器110和111，该扭矩发生器110和111设置为在步态迈步期时允许膝关节107和108弯曲，在步态站立期时阻挡膝关节107和108弯曲，从而使下肢外骨骼100能够负重，并将负载力(例如，负载的重量)转移到地面。在一些实施例中，所述扭矩发生器110和111为液压扭矩发生器。与一些实施例相对应的扭矩发生器110和111为液压活塞汽缸，其中活塞相对于汽缸的运动使液压流体流入或流出汽缸。操作时，可以通过液压阀控制液压流体流入或流出汽缸。液压阀的孔径越小，相对于汽缸以给定速度移动活塞所需的力便越大。换言之，越需要抑制活塞相对于汽缸的运动，所述液压阀的孔径应当越小。如果所述液压阀的孔为大的，则需要小孔以相对于汽缸移动活塞。在这里，液压扭矩发生器110和111的阻抗定义为在频域中所需的力与速率的比值。依照该定义，所述液压阀的孔径越小，液压扭矩发生器的阻抗便越大。

在一些实施例中，如图35所示，当产生的扭矩可以通过液压阀控制时，扭矩发生器110和111为液压旋转阻尼器。液压阀的孔径越小，以给定速度旋转液压旋转阻尼器所需的扭矩便越大。换言之，液压旋转阻尼器的旋转越需要是阻尼运动，所述液压阀的孔径应当越小。在此将液压旋转阻尼器110和111定义为，在频域中所需的扭矩与角速度的比值。依照该定义，所述液压阀的孔径越小，液压旋转阻尼器的阻抗便越大。

在一些实施例中，扭矩发生器110和111为摩擦制动器，其中可以通过控制摩擦扭矩来控制膝关节107和108上的阻力扭矩时。在其他实施例中，扭矩发生器110和111为粘性式摩擦制动器，其中可以通过控制流体的粘度来控制膝关节107和108上的阻抗扭矩。在其他实施例中，扭矩发生器110和111为磁流体设备，其中可以通过控制磁流体的粘度来控制膝关节107和108上的阻抗扭矩。本领域技术人员应当知道，任何上述设备都能用在本发明中，并按照与图35所示的液压旋转阻尼器相同的方式运作。

在一些实施例中，信号处理器159设置为用于控制扭矩发生器110和111。信号处理器159控制膝关节107和108上的弯曲阻力，且弯曲阻力值为该步态信号219和220的函数。例如，当右步态站立传感器160探测到右腿支撑件101处于步态站立期，信号处理器159将增大右扭矩发生器110的阻抗，使得右膝关节107抵抗弯曲。相反地，当右步态站立传感器160探测到右腿支撑件101处于步态迈步期，信号处理器159将减小右扭矩发生器110的阻抗，使得右膝关节107上不存在弯曲阻力。类似地，当步态站立传感器161探测到左腿支撑件102处于步态站立期，信号处理器159将增大左扭矩发生器111的阻抗，使得左膝关节108抵抗弯曲。相反地，当左步态站立传感器161探测到左腿支撑件102处于步态迈步期，信号处理器159将减小左扭矩发生器111的阻抗，使得左膝关节108上不存在弯曲阻力。扭矩发生器110和111上的大的阻抗将增大膝关节107和108上的阻抗，以获得步态站立期时所需的弯曲度。相反地，扭矩发生器110和111上的小的阻抗将减小膝关节107和108上小的阻抗，以获得步态迈步期时所需的弯曲度。在一些实施例中，信号处理器159安装在扭矩发生器110和111上。在实践中，步态站立期时膝关节107和108上的弯曲阻力无需保持恒定。在一些实施例中，在步态站立期的开始阶段(约为步态周期的第一个20％)，弯曲阻力可能会非常大(即，膝关节107和108在站立开始时将会锁闭)。在步态站立期的中间阶段(约为步态周期的20％到80％)，弯曲阻力可能会变小，但仍足够大到使膝关节107和108只弯曲一定程度。在步态周期的结束阶段(约为步态周期的最后20％)，所述弯曲阻力可能会很小，但仍非零，这样，膝关节107和108可以弯曲，为步态迈步期做准备。

在一些实施例中，每个腿部支撑件101和102进一步包括一个扭矩发生器，其中每个扭矩发生器包括液压活塞式汽缸。在这些实施例中，动力单元201除其他组件外，还包括至少一个可连接至扭矩发生器110和111的膝盖液压回路190。该膝盖液压回路190设置为用于调节流入扭矩发生器110和111的液流。操作时(以使用右腿支撑件101为例)，当右腿支撑件101处于步态站立期时，膝盖液压回路190设置为将液流限制在右腿支撑件101的右扭矩发生器110内。当腿部支撑件101处于步态迈步期时，膝盖液压回路190设置为允许液流流入右腿支撑件101的右扭矩发生器110。换言之，当腿部支撑件101处于步态站立期时，膝盖液压回路190设置为用于增大右膝关节107的弯曲阻力。当腿部支撑件101处于步态迈步期时，膝盖液压回路190设置为用于减小右膝关节107的弯曲阻力。上述过程也发生在腿部支撑件102上。在本发明的一些实施例中，下肢外骨骼100进一步包括至少一个用于各腿部支撑件101和102的步态站立传感器160和161。所述步态站立传感器160和161产生步态信号219和220，表明腿部支撑件101和102是否处于步态站立期。在一些实施例中，膝盖液压回路190可同时用于扭矩发生器110和111，或者每个扭矩发生器110和111可连接至单独的膝盖液压回路190。

图36示意了本发明的一个实施例，其中，膝盖液压回路190包括一个膝盖驱动流量限制阀208，该膝盖驱动流量限制阀208用于将右扭矩发生器110连接至液压蓄能器195。操作时，膝盖驱动流量限制阀208在步态站立期时限制流量，在步态迈步期时使液流通过时的阻力最小化。尽管只使用了一个蓄能器(即蓄能器195)同时为液压回路194和膝盖液压回路190存贮液压流，当然，也可以使用分别用于液压回路194和膝盖液压回路190的单独的液压蓄能器。

图37示意了本发明的一个实施例，其中，膝盖液压回路190包括液压三通阀198，或通过非驱动式流量限制阀196，或通过旁路管线197，将右扭矩发生器110连接至液压蓄能器195。在步态站立期时，所述液压三通阀198通过非驱动式流量限制阀196将右扭矩发生器110连接至液压蓄能器195，并因此限制液压流，增大右扭矩发生器110的阻抗。在步态迈步期，液压三通阀198通过旁路管线197将右扭矩发生器110连接至液压蓄能器195，并因此增加液压流，减小右扭矩发生器110的阻抗。

图38为膝盖液压回路190的另一实施例，其中膝盖驱动流量限制阀208能够控制其阀孔大小，止回阀199将扭矩发生器110连接至液压蓄能器195。操作时，在步态站立期时，信号处理器159通过控制膝盖驱动流量限制阀208的阀孔大小来限制流量。在步态迈步期时，信号处理器159打开膝盖驱动流量限制阀208，以允许液流流入扭矩发生器110，并因此减小扭矩发生器110的阻抗。所述膝盖驱动流量限制阀208包括任何能够实现所述功能的阀或阀的组合。所述膝盖驱动流量限制阀208的例子包括但不限于流量控制阀、压力控制阀和双位阀。止回阀199使右膝关节107能随时轻松延展(无阻力或阻力最小)。

图39为膝盖液压回路190的另一实施例。该实施例类似图37中的实施例，但增加了附加的止回阀199，以使右膝关节107能随时轻松延展(无阻力或阻力最小)。

图40为膝盖液压回路190的另一实施例，其中具有能在一组不同大小的阀孔或完全打开的阀孔之间进行选择的双通阀193，该双通阀193和止回阀199将扭矩发生器110连接到液压蓄能器195。在步态站立期时，信号处理器159引导液体通过双通阀193上的预定孔径，流入扭矩发生器110。在步态迈步期时，信号处理器159引导液体通过双通阀193上完全打开的孔，流入扭矩发生器110。所述止回阀199使右膝关节107能随时轻松延展(无阻力或阻力最小)。

在一些实施例中，腿部支撑件101和102设置为，在步态迈步期时使相应的膝关节107和108弯曲，在步态站立期时，通过锁定膝盖来抵抗相应的膝关节107和108的弯曲。图41示意了所述的一种锁定的膝盖。图41还示意了右腿支撑件101的两种形态。在图41中，右小腿连接件105包括小腿停止器209，当膝盖过度伸展时，该小腿停止器209搁在大腿停止器210上。如图41中的A示意了过度伸展的右膝关节107的角度。由于该角度小于180°，当接近过度延伸时，膝关节107或108将产生″过中心″(over-center)，即，如果腿部支撑件101和102受到压缩荷载的影响，膝盖将背对着停止器锁定，例如图41所示的腿支撑件101的情形。本领域的技术人员应当注意到，有许多种产生所述″过中心″(over-center)的机构，通常都使得腿部支撑件上的负载向量超过膝关节。

在一些实施例中，下肢外骨骼100进一步包括膝盖弹性元件232，该膝盖弹性元件232设置为促使膝关节107和108弯曲。这样减少了在步态迈步期时为弯曲膝关节107和108人所需的努力。在一些实施例中，如图42所示，膝盖弹性元件232与扭矩发生器110和111并联。在一些实施例中，如图43所示，膝盖弹性元件232与扭矩发生器110和111串联。在一些实施例中，下肢外骨骼100包括膝盖弹性元件232，该膝盖弹性元件232设置为促使膝关节107和108伸展。本领域技术人员应当注意到，膝盖弹性元件232可以有许多种安装方法和安装位置，以促使膝关节107和108进行弯曲和/或伸展。还应当理解，所述膝盖弹性元件232还能用在图41所示的外骨骼实施例中。

尽管讨论了各种优选实施例，本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和所公开的范围内，可以对所述设备作出大量的变形和/或改进。例如，通常为减少穿用者的耗氧量，外骨骼腿部不需要一直与地面接触。只要从外骨骼躯干作用到人的力沿着人的前行方向，则任何腿部支撑件，只要包括了小腿连接件，如图45所示，都将降低其穿用者的能量消耗。在步态站立期时，转移到人体的机械能将逐步减少穿用者在步态站立期时进行移动所需的能量。穿用者进行移动所需能量的逐步减小将引起使其耗氧量减少，心率变缓。因此，无论从哪方面，各实施例都应理解为阐述性而非限制性。总而言之，本发明只受到权利要求所限定范围的限制。

Claims (90)

1.一种可连接到人的下肢的外骨骼设备，包括：

两个腿部支撑件，可连接到所述人的下肢，并在步态站立期时搁置在地面上，其中每个所述腿部支撑件包括大腿连接件和小腿连接件；

两个膝关节，每个膝关节均使相应的小腿连接件和相应的大腿连接件之间能够进行弯曲和伸展；

外骨骼躯干，可连接到所述人的上身，并能够可旋转地连接至所述腿部支撑件的所述大腿连接件，且所述腿部支撑件和所述外骨骼躯干之间能够进行弯曲和伸展；

两个髋部执行器，用于在所述外骨骼躯干和所述腿部支撑件之间产生扭矩；以及至少一个动力单元，其能够向所述髋部执行器提供动力，

其中，当所述可连接到人的下肢的外骨骼设备被所述人穿用时，一个腿部支撑件处于步态站立期，而另一个腿部支撑件处于步态迈步期，所述至少一个动力单元用于使处于步态站立期的所述腿部支撑件的髋部执行器产生扭矩曲线，从而使得从所述外骨骼躯干作用到人的上身的力沿着人的前行方向。

2.根据权利要求1所述的外骨骼设备，其特征在于，所述外骨骼设备进一步包括力传感器，该力传感器用于测量所述外骨骼躯干与所述人的上身之间的力，其中，信号处理器确保作用在人的上身的力总是沿着人的前行方向。

3.根据权利要求1所述的外骨骼设备，其特征在于，每个所述髋部执行器包括一个液压髋部执行器，而能够提供液压动力的所述动力单元，除其他组件外，还包括至少一个液压回路，该液压回路可连接到至少一个所述液压髋部执行器，并调节流入和流出所述液压髋部执行器的液压流。

4.根据权利要求3所述的外骨骼设备，其特征在于，所述液压回路除其他组件外，还包括一个连接到电动机的液压泵，其中，当一个所述腿部支撑件处于步态站立期时，所述液压泵将液压流注入处于步态站立期的所述腿部支撑件的所述液压髋部执行器。

5.根据权利要求4所述的外骨骼设备，其特征在于，所述液压回路除其他组件外，还包括流量限制阀，该流量限制阀能改变环绕液压泵的液压流的流向，其中，当与相应液压髋部执行器相连的所述腿部支撑件处于步态站立期时，所述流量限制阀不改变环绕所述液压泵的液压流的流向。

6.根据权利要求4所述的外骨骼设备，其特征在于，所述液压回路除其他组件外，还包括三通阀，其中，当所述腿部支撑件处于步态站立期时，所述三通阀将处于步态站立期的所述腿部支撑件的所述液压髋部执行器连接到所述液压泵；否则，所述三通阀改变环绕所述液压泵的液压流的流向。

7.根据权利要求1所述的外骨骼设备，其特征在于，所述外骨骼设备进一步包括至少一个信号处理器，其中，所述信号处理器除其他功能外，还计算所述扭矩曲线。

8.根据权利要求7所述的外骨骼设备，其特征在于，所述信号处理器控制处于步态站立期的所述腿部支撑件的所述髋部执行器，以确保所述扭矩曲线大于下式所示的值：

$(M_{\mathrm{TRUNK}}{L}^2+I){\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{\mathrm{\&beta;}}}_1-(L{M}_{\mathrm{TRUNK}}+{\mathrm{RM}}_L)\mathrm{gSin}({\mathrm{\&beta;}}_1+\mathrm{\&alpha;})+T_F;$

其中：

M_TRUNK为外骨骼躯干和任何附加载荷的质量；

M_L为处于步态站立期的第一和第二腿部支撑件各自的质量；

I为处于步态站立期的所述第一和第二腿部支撑件各自的转动惯量；

L为处于步态站立期的所述第一和第二腿部支撑件各自的长度；

R为处于步态站立期的所述第一和第二腿部支撑件各自的重心与旋转点F之间的距离；

g为重力；

β₁为从人的上身作用到外骨骼躯干上的力的法线与支撑表面之间的角度；

α为由支撑件表面与水平面之间的角度定义的地面坡度；以及

T_F为与所述腿部支撑件相对于外骨骼躯干的运动方向相反的摩擦扭矩。

9.根据权利要求1所述的外骨骼设备，其特征在于：所述外骨骼躯干进一步允许每个所述腿部支撑件关于大致平行于地面的外展-内收轴旋转。

10.根据权利要求1所述的外骨骼设备，其特征在于，所述外骨骼躯干进一步包括两个髋部连接件，该髋部连接件可旋转地连接至相应的大腿连接件，以使所述腿部支撑件相对于所述外骨骼躯干进行弯曲和伸展；其中，所述髋部连接件彼此可旋转地连接，以使腿部支撑件进行外展。

11.根据权利要求1所述的外骨骼设备，其特征在于，所述外骨骼躯干进一步包括两个髋部连接件，该髋部连接件可旋转地连接至相应的大腿连接件，以使所述腿部支撑件相对于所述外骨骼躯干进行弯曲和伸展；其中，所述髋部连接件彼此可旋转地连接，以使腿部支撑件进行内收。

12.根据权利要求1所述的外骨骼设备，其特征在于，当所述外骨骼躯干连接到所述人的上身时，所述外骨骼躯干用于在所述人的后方承载后端负载。

13.根据权利要求1所述的外骨骼设备，其特征在于，所述外骨骼躯干进一步包括伸展框，当所述外骨骼躯干连接到所述人的上身时，该伸展框用于在所述人的前方承载前端负载。

14.根据权利要求10所述的外骨骼设备，其特征在于，所述外骨骼躯干进一步包括髋部弹性元件，该髋部弹性元件用于在所述髋部连接件之间施加扭矩。

15.根据权利要求11所述的外骨骼设备，其特征在于，所述外骨骼躯干进一步包括髋部弹性元件，该髋部弹性元件用于在所述髋部连接件之间施加扭矩。

16.根据权利要求10所述的外骨骼设备，其特征在于，所述外骨骼躯干进一步包括髋部外展停止器，该髋部外展停止器用于限制所述髋部连接件相对于彼此的外展。

17.根据权利要求1所述的外骨骼设备，其特征在于，所述外骨骼躯干进一步包括连接支架，该连接支架用于将负载的重量转移至所述外骨骼躯干。

18.根据权利要求17所述的外骨骼设备，其特征在于，所述外骨骼躯干进一步包括两个髋部连接件，该髋部连接件可旋转地连接至相应的大腿连接件，以使所述腿部支撑件相对于所述外骨骼躯干进行弯曲和伸展；其中，所述髋部连接件通过两个髋部外展-内收关节可旋转地连接至所述连接支架，以使所述腿部支撑件关于两根外展-内收轴进行旋转。

19.根据权利要求18所述的外骨骼设备，其特征在于，所述两根外展-内收轴大致相互平行。

20.根据权利要求18所述的外骨骼设备，其特征在于，所述两根外展-内收轴相互重合。

21.根据权利要求17所述的外骨骼设备，其特征在于，所述负载为一个物体，该物体选自以下各项：背包、另一个人、婴儿背袋、食物容器、袋子、水壶、工具箱、桶、弹药、武器、寝具、急救用品、高尔夫球袋、邮袋、摄像机、吹叶机、压缩机、机电机器及以上各项的组合。

22.根据权利要求18所述的外骨骼设备，其特征在于，所述外骨骼躯干进一步包括髋部外展-内收弹性元件，该髋部外展-内收弹性元件用于在所述髋部连接件和所述连接支架之间施加扭矩。

23.根据权利要求17所述的外骨骼设备，其特征在于，所述连接支架进一步包括伸展框，当所述外骨骼躯干连接到所述人的上身时，该伸展框用于在所述人的前方承载所述负载。

24.根据权利要求17所述的外骨骼设备，其特征在于，所述外骨骼躯干包括人体接口装置，该人体接口装置能够将所述人的上身连接到下肢外骨骼。

25.根据权利要求24所述的外骨骼设备，其特征在于，所述人体接口装置能够将所述人的重量的一部分转移到所述外骨骼躯干。

26.根据权利要求24所述的外骨骼设备，其特征在于，所述人体接口装置包括一个元件或多个元件的组合，所述元件选自背心、皮带、绑带、肩带、胸带、石膏、背带和腰带。

27.根据权利要求1所述的外骨骼设备，其特征在于，每个所述腿部支撑件进一步包括大腿外展-内收关节，该大腿外展-内收关节设置为允许各腿部支撑件进行外展。

28.根据权利要求27所述的外骨骼设备，其特征在于，所述外展-内收关节大致位于所述弯曲-伸展关节的下方。

29.根据权利要求1所述的外骨骼设备，其特征在于，每个所述腿部支撑件的所述大腿部分进一步包括大腿外展-内收关节，该大腿外展-内收关节设置为允许所述腿部支撑件进行外展。

30.根据权利要求29所述的外骨骼设备，其特征在于，所述外展-内收关节大致位于所述髋部弯曲-伸展关节的下方。

31.根据权利要求1所述的外骨骼设备，其特征在于，每个所述腿部支撑件进一步包括腿部旋转关节，该腿部旋转关节设置为允许所述腿部支撑件旋转。

32.根据权利要求31所述的外骨骼设备，其特征在于，所述腿部旋转关节大致位于所述膝盖弯曲-伸展关节的上方。

33.根据权利要求31所述的外骨骼设备，其特征在于，所述腿部旋转关节进一步包括腿部旋转弹性元件，该腿部旋转弹性元件产生恢复扭矩，该恢复扭矩使腿部支撑件基本返回至中位。

34.根据权利要求1所述的外骨骼设备，其特征在于，所述腿部支撑件的所述大腿连接件进一步包括压缩-伸长机构，该压缩-伸长机构使得所述髋部弯曲-伸展关节与所述膝盖弯曲-伸展关节之间的距离可改变。

35.根据权利要求34所述的外骨骼设备，其特征在于，所述压缩-伸长机构包括腿部压缩-伸长弹性元件，该腿部压缩-伸长弹性元件提供恢复力，该恢复力使所述腿部支撑件基本返回至中位形态。

36.根据权利要求1所述的外骨骼设备，其特征在于，所述大腿连接件包括下肢接口带，该下肢接口带用于将所述人连接到所述腿部支撑件。

37.根据权利要求1所述的外骨骼设备，其特征在于，所述小腿连接件包括下肢接口带，该下肢接口带用于将所述人连接到所述腿部支撑件。

38.根据权利要求1所述的外骨骼设备，其特征在于，每个所述腿部支撑件进一步包括至少一个膝盖弹性元件，该膝盖弹性元件用于促使各膝关节弯曲。

39.根据权利要求1所述的外骨骼设备，其特征在于，每个所述腿部支撑件进一步包括至少一个膝盖弹性元件，该膝盖弹性元件设置为促使各膝关节伸展。

40.根据权利要求1所述的外骨骼设备，其特征在于，每个所述腿部支撑件进一步包括外骨骼足部，该外骨骼足部设置为分别连接至所述人的两只脚，并连接至各小腿连接件，以将力从所述小腿连接件转移到地面。

41.根据权利要求40所述的外骨骼设备，其特征在于，每个所述外骨骼足部进一步包括鞋或靴子，该鞋或靴子可由所述人穿着，以将所述外骨骼足部连接到所述人的脚。

42.根据权利要求40所述的外骨骼设备，其特征在于，每个所述外骨骼足部进一步包括外骨骼鞋垫，该外骨骼鞋垫可插入所述人的鞋或靴子内部，以将所述外骨骼足部连接到所述人的脚。

43.根据权利要求1所述的外骨骼设备，其特征在于，每个所述腿部支撑件进一步包括一个外骨骼足部，所述外骨骼足部设置为分布连接到所述人的两只脚，并可旋转地连接至各小腿连接件，以将力从所述小腿连接件转移到地面；所述外骨骼足部围绕踝关节跖屈-背屈轴旋转，该踝关节跖屈-背屈轴大致平行于所述人的踝关节的跖屈-背屈轴。

44.根据权利要求43所述的外骨骼设备，其特征在于，每个所述腿部支撑件进一步包括至少一个踝关节跖屈-背屈弹性元件，用于阻止各所述外骨骼足部围绕踝关节跖屈-背屈轴的旋转。

45.根据权利要求1所述的外骨骼设备，其特征在于，每个所述腿部支撑件进一步包括一个外骨骼足部，该外骨骼足部设置为分别连接到所述人的两只脚，并可旋转地连接至各小腿连接件，以将力从所述小腿连接件转移到地面；所述外骨骼足部围绕脚踝外展-内收轴旋转，该脚踝外展-内收轴大致平行于人脚踝的外展-内收轴。

46.根据权利要求45所述的外骨骼设备，其特征在于，每个所述腿部支撑件进一步包括至少一个脚踝外展-内收弹性元件，该脚踝外展-内收弹性元件用于阻止各外骨骼足部围绕所述脚踝外展-内收轴的旋转。

47.根据权利要求1所述的外骨骼设备，其特征在于，每个所述腿部支撑件进一步包括一个外骨骼足部，该外骨骼足部设置为分别连接到所述人的两只脚，并可旋转地连接至各小腿连接件，以将力从所述小腿连接件转移到地面；所述外骨骼足部围绕脚踝旋转轴旋转，该脚踝旋转轴大致平行于人脚踝的旋转轴。

48.根据权利要求47所述的外骨骼设备，其特征在于，每个所述腿部支撑件进一步包括至少一个弹性元件，该弹性元件用于阻止各外骨骼足部围绕所述脚踝旋转轴旋转。

49.根据权利要求1所述的外骨骼设备，其特征在于：每个所述腿部支撑件进一步包括至少一个步态站立传感器，该步态站立传感器输出步态信号，表明所述腿部支撑件是否处于步态站立期。

50.根据权利要求49所述的外骨骼设备，其特征在于，所述步态站立传感器连接至所述腿部支撑件的小腿连接件。

51.根据权利要求49所述的外骨骼设备，其特征在于，所述步态站立传感器位于人的鞋内。

52.根据权利要求49所述的外骨骼设备，其特征在于，所述步态站立传感器位于人的鞋底内。

53.根据权利要求49所述的外骨骼设备，其特征在于，所述步态站立传感器可连接至人的鞋的底部。

54.根据权利要求40所述的可连接到人的下肢的外骨骼设备，其特征在于，每个所述外骨骼足部包括至少一个步态站立传感器，该步态站立传感器用于输出步态信号，表明所述腿部支撑件是否处于步态站立期。

55.根据权利要求54所述的外骨骼设备，其特征在于，所述步态站立传感器为压力传感器，该压力传感器用于测量所述外骨骼足部内的腔体中的介质的压力。

56.根据权利要求1所述的外骨骼设备，其特征在于，每个所述腿部支撑件进一步包括扭矩发生器，每个扭矩发生器设置为在步态迈步期时允许所述膝关节弯曲，在步态站立期时阻止所述膝关节弯曲，从而将力转移到地面。

57.根据权利要求56所述的外骨骼设备，其特征在于，所述扭矩发生器为液压活塞汽缸，可以通过控制液压阀中的流体流量来控制所述液压活塞汽缸的阻力。

58.根据权利要求56所述的外骨骼设备，其特征在于，所述扭矩发生器为液压活塞汽缸，该液压活塞汽缸的阻抗可通过控制液压阀来进行控制。

59.根据权利要求56所述的外骨骼设备，其特征在于，所述扭矩发生器选自摩擦制动器、粘性式摩擦制动器和磁流体设备等。

60.根据权利要求1所述的外骨骼设备，其特征在于，每个所述腿部支撑件进一步包括扭矩发生器，每个所述扭矩发生器包括液压活塞汽缸和动力单元，该动力单元除其他组件外，还包括至少一个膝盖液压回路，该膝盖液压回路可连接至所述液压活塞汽缸；所述膝盖液压回路用于调节流入扭矩发生器的液流。

61.根据权利要求60所述的外骨骼设备，其特征在于，当腿部支撑件处于步态站立期时，所述膝盖液压回路设置为将液流限制在处于步态站立期的腿部支撑件的所述液压活塞汽缸内。

62.根据权利要求60所述的外骨骼设备，其特征在于，当腿部支撑件处于步态迈步期时，所述膝盖液压回路设置为允许液流流入处于步态迈步期的腿部支撑件的所述液压活塞汽缸内。

63.根据权利要求60所述的外骨骼设备，其特征在于，当腿部支撑件处于步态站立期时，所述膝盖液压回路用于增大处于步态站立期的腿部支撑件的所述膝关节的弯曲阻力。

64.根据权利要求60所述的外骨骼设备，其特征在于，当腿部支撑件处于步态迈步期时，所述膝盖液压回路用于减小处于步态迈步期的腿部支撑件的所述膝关节的弯曲阻力。

65.根据权利要求60所述的外骨骼设备，其特征在于，每个腿部支撑件进一步包括至少一个步态站立传感器，该步态站立传感器输出步态信号，以表明所述腿部支撑件是否处于步态站立期。

66.根据权利要求60所述的外骨骼设备，其特征在于，所述膝盖液压回路包括一个膝盖驱动流量限制阀，该膝盖驱动流量限制阀将所述活塞汽缸连接至液压蓄能器；所述膝盖驱动流量限制阀设置为在步态站立期时限制液体流量，在步态迈步期时使液流通过时的阻力最小化。

67.根据权利要求60所述的外骨骼设备，其特征在于，所述膝盖液压回路包括液压三通阀，该液压三通阀或通过非驱动式流量限制阀、或通过旁路管线，将所述活塞汽缸连接至液压蓄能器；在步态站立期时，所述三通阀设置为通过所述非驱动式流量限制阀，将所述活塞汽缸连接至所述液压蓄能器；在步态迈步期时，所述三通阀设置为通过所述旁路管线，将所述活塞汽缸连接至所述液压蓄能器。

68.根据权利要求60所述的外骨骼设备，其特征在于，所述膝盖液压回路包括膝盖驱动流量限制阀和止回阀，该止回阀用于将所述活塞汽缸连接至液压蓄能器；其中，所述膝盖驱动流量限制阀设置为在步态站立期时限制液体流量，在步态迈步期时使液流通过时的阻力最小化，且所述止回阀设置为使所述腿部支撑件在任何时候受到的伸展阻力最小化。

69.根据权利要求60所述的外骨骼设备，其特征在于，所述膝盖液压回路包括液压三通阀和止回阀，其中：

在步态站立期时，所述液压三通阀通过所述非驱动式流量限制阀、将所述活塞汽缸连接至所述液压蓄能器，在步态迈步期时，所述液压三通阀通过所述旁路管线将所述活塞汽缸连接至所述液压蓄能器，并且

所述止回阀设置为使所述腿部支撑件在任何时候受到的伸展阻力最小化。

70.根据权利要求60所述的外骨骼设备，其特征在于，所述膝盖液压回路包括双通阀和止回阀，该双通阀能够在一组不同大小的阀孔或完全打开的阀孔之间进行选择，该止回阀将所述活塞汽缸连接至所述液压蓄能器，其中：

在步态站立期时，所述双通阀设置为限制液流，在步态迈步期时，所述双通阀设置为使液流通过时的压力最小化，并且

所述止回阀设置为使所述腿部支撑件在任何时候受到的伸展阻力最小化。

71.可连接到人体的下肢外骨骼；所述下肢外骨骼除其他组件外，还包括：

两个腿部支撑件，可连接到所述人的下肢，并设置为在步态站立期时搁置在地面上，其中每个所述腿部支撑件包括大腿连接件和小腿连接件；

两个膝关节，每个膝关节均使相应的小腿连接件和相应的大腿连接件之间能够进行弯曲和伸展；

外骨骼躯干，可连接到所述人的上身，并可旋转地连接至所述腿部支撑件的所述大腿连接件，且所述腿部支撑件和所述外骨骼躯干之间能够进行弯曲和伸展；

两个髋部执行器，用于在所述外骨骼躯干和所述腿部支撑件之间产生扭矩；以及至少一个动力单元，能够为所述髋部执行器提供动力，

其中，当一个腿部支撑件处于步态站立期、另一个腿部支撑件处于步态迈步期时，至少一个所述动力单元设置为使处于步态站立期的所述腿部支撑件的髋部执行器产生扭矩曲线，使得在步态站立期时，将机械能从所述外骨骼躯干转移到所述人，以减少在所述步态站立期时穿用者运动所需的能量。

72.可连接到人体的下肢外骨骼；所述下肢外骨骼除其他组件外，还包括：

两个腿部支撑件，可连接到所述人的下肢，并设置为在步态站立期时搁置在地面上，其中每个所述腿部支撑件包括大腿连接件和小腿连接件；

两个膝关节，每个膝关节均使相应的小腿连接件和相应的大腿连接件之间能够进行弯曲和伸展；

外骨骼躯干，可连接到所述人的上身，并可旋转地连接至所述腿部支撑件的所述大腿连接件，且所述腿部支撑件和所述外骨骼躯干之间能够进行弯曲和伸展；

两个髋部执行器，用于在所述外骨骼躯干和所述腿部支撑件之间产生扭矩；以及

至少一个动力单元，能够为所述髋部执行器提供动力，

其中，当所述下肢外骨骼被所述人穿用时，且一个腿部支撑件处于步态站立期、另一个腿部支撑件处于步态迈步期时，至少一个所述动力单元设置为使处于步态站立期的所述腿部支撑件的髋部执行器产生扭矩曲线，这样，由所述至少一个动力单元向处于步态站立期的腿部支撑件的所述髋部执行器提供的能量大于未被所述人穿用时、以相同轨迹移动所述外骨骼躯干和所述腿部支撑件所需的能量。

73.可连接到人体的下肢外骨骼；所述下肢外骨骼除其他组件外，还包括：

两个腿部支撑件，可连接到所述人的下肢，并设置为在步态站立期时搁置在地面上，其中每个所述腿部支撑件包括大腿连接件和小腿连接件；

两个膝关节，每个膝关节使相应的小腿连接件和相应的大腿连接件之间能够进行弯曲和伸展；

外骨骼躯干，可连接到所述人的上身，并可旋转地连接至所述腿部支撑件的所述大腿连接件，且所述腿部支撑件和所述外骨骼躯干之间能够进行弯曲和伸展；

两个髋部执行器，用于在所述外骨骼躯干和所述腿部支撑件之间产生扭矩；以及

至少一个动力单元，能够为所述髋部执行器提供动力，

其中，当所述下肢外骨骼被所述人穿用时、且一个腿部支撑件处于步态站立期、另一个腿部支撑件处于步态迈步期时，所述至少一个动力单元设置为使处于步态站立期的所述腿部支撑件的髋部执行器产生扭矩曲线，该扭矩曲线大于未被所述人穿用时、以相同轨迹移动所述外骨骼躯干和所述腿部支撑件所需的扭矩。

74.可连接到人体的下肢外骨骼；所述下肢外骨骼除其他组件外，还包括：

两个腿部支撑件，可连接到所述人的下肢；

外骨骼躯干，可连接到所述人的上身，并可旋转地连接至所述腿部支撑件的所述大腿连接件，所述腿部支撑件和所述外骨骼躯干之间能够进行弯曲和伸展；

至少一个髋部执行器，该髋部执行器连接到每个腿部支撑件，并用于在所述腿部支撑件上产生扭矩；以及

至少一个动力单元，能够为所述髋部执行器提供动力，

其中，当所述下肢外骨骼被所述人穿用时，所述至少一个动力单元使处于步态站立期的所述腿部支撑件的所述髋部执行器产生扭矩曲线，以使从所述外骨骼躯干作用到所述人的上身的力沿着人的前行方向。

75.根据权利要求74所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述执行器设置为在所述外骨骼躯干和所述腿部支撑件之间产生扭矩。

76.根据权利要求74所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述腿部支撑件设置为在步态站立期时搁置在地面上，其中每个所述腿部支撑件包括大腿连接件和小腿连接件。

77.根据权利要求74所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述下肢外骨骼进一步包括力传感器，该力传感器用于测量所述外骨骼躯干与所述人的上身之间的力，其中，信号处理器确保作用在人的上身的力总是沿着人的前行方向。

78.可连接到人体的下肢外骨骼；所述下肢外骨骼除其他组件外，还包括：

两个腿部支撑件，可连接到所述人的下肢；

外骨骼躯干，可连接到所述人的上身，并可旋转地连接至所述腿部支撑件的所述大腿连接件，所述腿部支撑件和所述外骨骼躯干之间能够进行弯曲和伸展；

至少一个髋部执行器，该髋部执行器连接到每个腿部支撑件，并设置为在所述腿部支撑件上产生扭矩；以及

至少一个动力单元，能够为所述髋部执行器提供动力，

其中，当所述下肢外骨骼被所述人穿用时，所述至少一个动力单元设置为使连接到人的下肢的、处于步态站立期的所述腿部支撑件的髋部执行器产生扭矩曲线，使得在所述步态站立期时将机械能从所述外骨骼躯干转移到所述人，以减少在所述步态站立期时穿用者运动所需的能量。

79.根据权利要求78所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述执行器设置为在所述外骨骼躯干和所述腿部支撑件之间产生扭矩。

80.根据权利要求78所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述腿部支撑件设置为在步态站立期时搁置在地面上，其中每个所述腿部支撑件包括大腿连接件和小腿连接件。

81.可连接到人体的下肢外骨骼；所述下肢外骨骼除其他组件外，还包括：

两个腿部支撑件，可连接到所述人的下肢；

外骨骼躯干，可连接到所述人的上身，并可旋转地连接至所述腿部支撑件的所述大腿连接件，所述腿部支撑件和所述外骨骼躯干之间能够进行弯曲和伸展；

至少一个髋部执行器，该髋部执行器连接到每个腿部支撑件，并设置为在所述腿部支撑件上产生扭矩；以及

至少一个动力单元，能够为所述髋部执行器提供动力，

其中，当所述下肢外骨骼被所述人穿用时，所述至少一个动力单元设置为使处于步态站立期的所述腿部支撑件的髋部执行器产生扭矩曲线，这样，由所述至少一个动力单元向连接到人的下肢的、处于步态站立期的所述腿部支撑件的髋部执行器提供的能量大于未被所述人穿用时、以相同轨迹移动所述外骨骼躯干和所述腿部支撑件所需的能量。

82.根据权利要求81所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述执行器用于在所述外骨骼躯干和所述腿部支撑件之间产生扭矩。

83.根据权利要求81所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述腿部支撑件设置为在步态站立期时搁置在地面上，其中每个所述腿部支撑件包括大腿连接件和小腿连接件。

84.可连接到人体的下肢外骨骼；所述下肢外骨骼除其他组件外，还包括：两个腿部支撑件，可连接到所述人的下肢；

外骨骼躯干，可连接到所述人的上身，并可旋转地连接至所述腿部支撑件的所述大腿连接件，所述腿部支撑件和所述外骨骼躯干之间能够进行弯曲和伸展；

至少一个髋部执行器，该髋部执行器连接到每个腿部支撑件，并设置为在所述腿部支撑件上产生扭矩；以及

至少一个动力单元，能够为所述髋部执行器提供动力，

其特征在于，当所述下肢外骨骼被所述人穿用时，所述至少一个动力单元设置为使连接到人的下肢的、处于步态站立期的所述腿部支撑件的所述执行器产生扭矩曲线，这样，当所述下肢外骨骼被所述人穿用时，所述扭矩曲线基本大于未被所述人穿用时、以相同轨迹移动所述外骨骼躯干和所述腿部支撑件所需的能量。

85.根据权利要求84所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述执行器设置为在所述外骨骼躯干和所述腿部支撑件之间产生扭矩。

86.根据权利要求84所述的下肢外骨骼，其特征在于，所述腿部支撑件设置为在步态站立期时搁置在地面上，其中每个所述腿部支撑件包括大腿连接件和小腿连接件。

87.一种减少人在运动时的能量消耗的方法，所述人与外骨骼设备相连，该外骨骼设备包括至少一个动力单元，两个腿部支撑件，该腿部支撑件用于将所述人的下肢可旋转地连接至外骨骼躯干，两个髋部执行器，该髋部执行器用于在所述腿部支撑件和所述外骨骼躯干之间产生扭矩，所述方法包括：在步态站立期时，从所述至少一个动力单元提供能量给连接到人的下肢的所述腿部支撑件的所述髋部执行器，其中，所述能量至少等于当未被所述人穿用时、以相同轨迹移动处于步态站立期的所述外骨骼躯干和所述腿部支撑件所需的能量。

88.一种减少人在运动时的能量消耗的方法，所述人与外骨骼设备相连，该外骨骼设备包括至少一个动力单元，两个腿部支撑件，该腿部支撑件用于将所述人的腿旋转连接至外骨骼躯干，两个髋部执行器，该髋部执行器用于在所述腿部支撑件和所述外骨骼躯干之间产生扭矩，所述方法包括：由所述至少一个动力单元向连接到人的下肢的、处于步态站立期的所述腿部支撑件的所述髋部执行器提供能量；以及在处于步态站立期的所述腿部支撑件的所述髋部执行器上产生扭矩，其中，所述扭矩至少等于当未被所述人穿用时、以相同轨迹移动处于步态站立期的所述外骨骼躯干和所述腿部支撑件所需的扭矩。

89.一种减少人在运动时的能量消耗的方法，所述人与外骨骼设备相连，该外骨骼设备包括至少一个动力单元，两个腿部支撑件，该腿部支撑件用于将所述人的腿可旋转地连接至外骨骼躯干，两个髋部执行器，该髋部执行器用于在所述腿部支撑件和所述外骨骼躯干之间产生扭矩，所述方法包括：由所述至少一个动力单元向连接到人的下肢的、处于步态站立期的所述腿部支撑件的所述髋部执行器提供能量；通过使用处于步态站立期的所述腿部支撑件的所述髋部执行器，产生从所述外骨骼躯干作用到人的上身的力，其中，从所述外骨骼躯干作用到人的上身的所述力沿着人的前行方向。

90.一种减少人在运动时的能量消耗的方法，所述人与外骨骼设备相连，该外骨骼设备包括至少一个动力单元，两个腿部支撑件，该腿部支撑件用于将所述人的腿可旋转地连接至外骨骼躯干，以及两个髋部执行器，该髋部执行器用于在所述腿部支撑件和所述外骨骼躯干之间产生扭矩，所述方法包括：由所述至少一个动力单元向连接到人的下肢的、处于步态站立期的所述腿部支撑件的所述髋部执行器提供能量，并在处于步态站立期的所述腿部支撑件的所述髋部执行器上产生扭矩曲线，这样，在步态站立期时，可将机械能从所述下肢外骨骼转移到所述人。

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