CN102164571A - 用于下肢矫正设备的髋部和膝盖驱动*** - Google Patents
用于下肢矫正设备的髋部和膝盖驱动*** Download PDFInfo
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Abstract
下肢矫正设备（100），包括：大腿连接件（101），通过髋关节（103）连接至髋部连接件（102）；髋部扭矩发生器（106），包括位于所述大腿连接件（101）与所述髋部连接件（102）之间的髋部执行器（110）和第一机械传动机构（111）；小腿连接件（104），通过膝关节（105）连接至所述大腿连接件（101）；膝盖扭矩发生器（107），包括位于所述大腿连接件（101）和所述小腿连接件（104）之间的膝盖执行器（112）和第二机械传动机构（113）；以及控制器（108），例如连接至所述髋部和膝盖扭矩发生器（106,107）的共用电动机（154）和泵（156），用于调节各部件之间的相对位置，以通过自然行走运动驱动用户，其中，所述第一和第二机械传动机构（111,113）协助使扭矩在运动幅度内变得稳定，同时还增大了所述运动幅度，在该运动幅度内扭矩发生器（106,107）能产生非零扭矩。
Description
相关申请的交叉引用
本发明要求申请日为2008年9月24日、申请号为61/099,817、名称为“用于矫正设备的髋部和膝盖驱动”的美国临时专利申请的权益。
背景技术
本发明涉及驱动矫正仪领域。
总体上，现有技术中已有用于辅助残疾人行走的设备，如发明人为Fernandez的美国专利4,557,257中所描述的。然而这种设备形体庞大，不易操作。其他***，例如公开号为2006/0260620的美国专利中的下肢外骨骼，创造了一种在膝关节处供给能量的装置。尽管如此，仍需求一种结构紧凑、能由人穿用、同时还提供必要的能量以辅助人进行负重的矫正设备。此外，还需求一种能同时向大腿关节和膝关节供给能量、以辅助人进行自然行走运动的矫正设备。
发明内容
本发明大致涉及下肢矫正设备；更具体地，涉及用于矫正设备的髋部和膝盖驱动***。特别地，由用户穿用的下肢矫正设备包括：可连接至用户下肢的大腿连接件；髋部连接件；髋关节，该髋关节可旋转地将所述大腿连接件和所述髋部连接件连接在一起，以使所述大腿连接件和髋部连接件之间能够进行屈伸；电源；以及与所述大腿连接件和所述髋部连接件相连的髋部扭矩发生器。在一种优选形式中，所述髋部扭矩发生器包括：具有活塞的线性液压髋部执行器；机械传动机构，用于将所述线性液压髋部执行器连接至所述大腿连接件；电动机；以及由所述电动机驱动的液压泵，该液压泵对液压回路内的液压流体加压，以外伸或收回所述线性液压髋部执行器。优选地，该矫正设备还包括连接至所述大腿连接件和小腿连接件的膝盖扭矩发生器。该膝盖扭矩发生器优选地包括：具有活塞的线性液压膝盖执行器；机械传动机构，用于将所述线性液压膝盖执行器连接至所述小腿连接件；以及液压阀，位于所述线性液压膝盖执行器和液压回路之间，以调节所述线性膝盖执行器与所述液压回路之间的液压流体的流量。该液压阀可以是三通阀或四通阀。
所述液压回路可以具有多种形式。在一个优选实施例中，所述液压回路包括第一和第二先导式止回阀（pilot check valve），用于调节非对称式线性髋部执行器的第一和第二液流端口之间、以及其与非对称式线性膝盖执行器和液流贮存器之间的液流流量；同时，三通阀调节所述非对称式线性膝盖执行器与所述液压回路之间的液流。在这种配置下，所述液压回路提供不同的有效齿轮比，使所述液压泵以第一速率转动，以伸出所述液压髋部执行器的活塞，再以第二速率转动，以同样速度收回活塞，其中，通过所述齿轮比，实现了在所述矫正设备的步态迈步期时的低扭矩快速运动，和所述矫正设备的步态站立期时的高扭矩慢速运动。在任何情况下，下肢矫正设备整体都采用了髋部扭矩发生器和膝盖扭矩发生器共用的电动机驱动泵设置，以通过自然行走运动驱动用户，其中，第一和第二机械传动机构协助使扭矩在所述设备的关节的运动幅度内保持稳定，同时还增大了所述运动幅度，在该运动幅度内扭矩发生器能产生非零扭矩。本发明的其他主体、特征和优点将结合附图，通过以下详细说明得以清晰阐述，其中相同的附图标记指代同一部件。
图1为本发明的下肢矫正设备的部分侧视图，其中包括髋部扭矩发生器；
图2为图1的下肢矫正设备的部分侧视图，其中包括膝盖扭矩发生器；
图3示意了平地、楼梯和斜坡上行走时一个典型的人所消耗的机械能；
图4示意了不使用机械传动机构、直接与髋部连接件和大腿连接件相连的线性执行器产生的扭矩；
图5示意了通过滑轮与髋部连接件和大腿连接件相连的线性执行器产生的扭矩；
图6示意了通过本发明的四杆机构与髋部连接件和大腿连接件相连的线性执行器产生的扭矩；
图7为本发明的液压髋部执行器的侧视图，该液压髋部执行器通过本发明的四杆机构连接至大腿连接件；
图8展示了本发明的液压回路，该液压回路与非对称式线性液压髋部执行器相连；
图9展示了本发明的液压回路，该液压回路与对称式线性液压髋部执行器相连；
图10展示了包括换向阀的液压回路，该换向阀与非对称式线性液压髋部执行器相连；
图11展示了包括第一和第二止回阀的液压回路，该第一和第二止回阀与非对称式线性液压髋部执行器相连；
图12展示了包括先导式止回阀的液压回路，该先导式止回阀与非对称式线性液压髋部执行器相连；
图13展示了通过液压阀连接对称式线性液压髋部执行器与对称式线性液压膝盖执行器的液压回路；
图14展示了图13的液压回路，其中液压阀为四位液压阀；
图15展示了包括第一和第二先导式止回阀的液压回路，该液压回路通过液压阀连接非对称式线性液压髋部执行器与对称式线性液压膝盖执行器；
图16展示了图15的液压回路，其中所述液压阀为四位液压阀；
图17展示了包括第一和第二先导式止回阀的液压回路，该液压回路通过液压阀连接对称式线性液压髋部执行器与非对称式线性液压膝盖执行器；
图18展示了包括第一和第二先导式止回阀的液压回路，该液压回路通过液压阀连接非对称式线性液压髋部执行器与非对称式线性液压髋部执行器；
图19示意了人类膝盖在各步行周期内产生的扭矩；
图20展示了包括第一和第二先导式止回阀的液压回路，该液压回路通过液压阀将非对称式线性液压髋部执行器连接至非对称式线性液压膝盖执行器的一个单一端口；
图21示意了在爬楼梯和斜坡过程中所产生的典型的人的膝盖和髋部扭矩；
图22展示了包括第一和第二先导式止回阀的液压回路，该液压回路通过液压阀将对称式线性液压髋部执行器连接至非对称式线性液压膝盖执行器的一个单一端口；
图23展示了图22的液压回路，其中液压阀为三位阀；
图24展示了包括一个先导式止回阀的液压回路，该液压回路通过液压阀将对称式线性液压髋部执行器连接至非对称式线性液压膝盖执行器的一个单一端口；
图25展示了图24的液压回路，其中液压阀为三位阀；
图26展示了图25的液压回路，其中包括三个泄压阀；
图27为本发明的下肢矫正设备的一个实施例的局部透视图；
图28为由人穿用的图27的下肢矫正设备的局部透视图；
图29为本发明的下肢矫正设备的一个替代性实施例的局部透视图。
具体实施方式
图1和图2展示了髋部驱动腿部矫正设备100，该设备由人穿用，并连接至人的下肢。所述矫正设备包括至少一个大腿连接件101和一个髋部连接件102，分别大致对应于穿用者的大腿和髋部。尽管未图示，应当理解，可以使用绑带或其他装置将该矫正设备100连接至所述穿用者。大腿连接件101和髋部连接件102通过髋关节103相连。髋关节103不仅至少能沿人体的矢状平面进行屈伸，还可具有更大的自由度。所述人体的矢状平面应当理解为，是指沿着Y轴垂直地从人体的顶端至下端的假想平面，该假想平面将人体划分成左边部分和右边部分。参见图1，箭头E表示髋部外展方向，箭头F表示髋部内收方向。如图2所示，腿部矫正设备100还可具有小腿连接件104，该小腿连接件104对应于人的小腿，并通过膝关节105连接至大腿连接件101。
所述驱动的腿部矫正设备100总的目的是，产生围绕矫正设备的关节103和105的扭矩，以按照需要移动所述矫正设备的连接件101、102和104。这一过程是通过使用第一和第二扭矩发生器106和107、以选择性地产生围绕矫正设备100的各关节103和105的扭矩来实现的。更具体地，第一扭矩发生器106产生围绕髋关节103并沿着所述矢状平面的扭矩，而第二扭矩发生器107产生围绕膝关节105并沿着所述矢状平面的扭矩。控制器108向扭矩发生器106和107发出适当的控制信号。电源109输出电能，以驱动控制器108及各扭矩发生器106和107。可能的电源包括但不限于电池、燃料电池、连接至发电机的斯特林引擎、连接至发电机的内燃机、太阳能电池板或其任何组合。在一个优选实施例中，所述髋部扭矩发生器106为连接至髋部机械传动机构111的线性执行器110，膝盖扭矩发生器107也为连接至髋部机械传动机构113的线性执行器112。
髋部执行器
第一扭矩发生器106可使用旋转执行器（未图示）或线性执行器110，并与髋部机械传动机构111相连。由于线性执行器110封装更紧凑，且其液压技术条件更容易满足（以下将对这些优点进行探讨），因此优选线性执行器110。线性执行器的例子包括但不限于线性液压汽缸、与滚珠丝杠相连的电动机、线性电动机、气动人工肌肉执行器和电活性聚合物。
图3示意了典型的人在平面上行走、上和下30度楼梯、以及上和下15度斜坡时所使用的机械能。该数据来自著名大学的生物力学实验室的临床步态分析记录。与膝关节和踝关节相比，人的髋关节具有独特性：其在步态迈步期和步态站立期时都需要大量的正能量。为匹配人髋部肌肉的力度，线性执行器110优选地能够输出至少1.5 W/kg（kg为人的体重单位）的功率峰值，并连续输出0.5 W/kg功率。
机械传动机构
将髋部和膝盖机械传动装置111和113与线性执行器110和112一起使用的主要益处是，提供了在相联关节的运动幅度内更稳定的扭矩，还增大了所述运动幅度，在该运动幅度内所述关节的扭矩发生器106和107能产生非零扭矩。可与线性执行器一起使用的机械传动机构包括但不限于机械连杆机构、齿孔***、皮带和滑轮、以及腱等。如果线性髋部执行器110直接与髋部连接件102和大腿连接件101相连（无机械传动机构），则其能够产生的作为关于关节角度函数的最大扭矩将具有很大差异，如图4所示。
图5和图6阐释了当线性执行器110连接至各种机械传动机构、例如传动机构111时，线性执行器110的扭矩变化较小。尤其应当注意，所述关节扭矩保持非零的运动幅度是如何因恰当设计的机械传动机构而增大的。
如图7所示，机械传动机构111的一个优选实施例为四连杆机构120。该四连杆机构120由三个移动连杆121、122和123组成。固定枢轴124通过第四连杆125相对于髋关节103固定。该第四连杆125典型地为机械传动机构111的外壳，且其上还可承载用于髋部扭矩发生器106的后端枢轴点130。为清楚起见，只有枢轴103、124和130固定至该外壳，即第四连杆125。位于连杆123和大腿连接件101之间的其他可见枢轴为髋部外展和内收关节132和133，详见公布号为2007/0056592的美国专利，该申请以引用的形式并入本申请。所述四连杆连机构120使得作为关于关节角度函数的执行器110的扭矩具有较小差异，且能设计为在小而紧密的封装内经受很大的力。
髋部执行器的液压力学
与优选实施例相对应，线性执行器110为液压执行器150，控制器108为图8 所示的液压回路152。当电源109向电动机154输出电能时，电动机154驱动液压泵156，该液压泵156使液流回路152内的液压流体移动并对其加压。所述液压流体经液压回路152流入液压髋部执行器150，使液压髋部执行器150产生机械力并运动，以移动矫正髋关节103。在一个实施例中，液压驱动器150为包括第一流体端口158和第二流体端口159的非对称式驱动器。通过第一端口158从液压回路152流入液压执行器150的液流在液压执行器150内产生了液压，该液压使连接至活塞161的执行器杆160在第一方向上运动；同时，通过第二端口159从液压回路152流入液压执行器150的液流在液压执行器150内产生了液压，该液压使活塞161在第二方向上运动。由现有技术可知，活塞161在液压执行器150内的位置限定了第一和第二流体室162和163的容积。如前所述，活塞161优选地连接至机械传动机构111，并且，活塞161的运动导致机械传动机构111的运动，从而使大腿连接件101关于髋部连接件102进行屈伸。为完整表述起见，电动机154的例子包括但不限于AC（交流）电动机、刷式DC（直流）电动机、无刷DC电动机、电子整流电动机(ECMs)以及其组合，液压泵156的例子包括但不限于内齿轮泵、外齿轮泵、轴向活塞泵、旋转活塞泵、叶轮泵以及其组合。
图9展示了一个可用于本发明的简单的液压回路170。当线性执行器110为对称式液压执行器172，例如双杆双作用线性执行器或液压旋转执行器时，可以使用该实施例。这里展示了具有与共同活塞176相连的执行器杆174和175的双杆执行器172。在对称式液压执行器172中，液压流体从执行器的一个液压端口178或179流出，从另一个端口178或179流入，流入的流量与流出的流量相同。由于这种对称性，液压回路170被简化为直接将液压泵156的端口180和181连接至对称式液压执行器172的端口178和179。
图10展示了用于非对称式液压线性执行器150的液压回路190。对于非对称式液压线性执行器，例如图8相应的单杆双作用线性执行器，由于执行器两个端口的液体流量不同，因此其相关的液压回路更加复杂。如图10所示，液压泵156一直在同一方向上转动，反向液压阀194控制执行器端口158或159中承载压力的一个。无液流流入的执行器端口连接至贮存器196，该贮存器196还与泵156的低压侧相连。图示的反向液压阀194具有两种状态：194A和194B。如图所示，使用状态194A中的阀194，电动机154产生作用力，以通过液压执行器150的活塞161收回杆160。在对液压执行器150的杆160施加作用力以使其外伸之前，需要将液压阀194激活式切换至其另一种状态194B。未与液压泵156相连的端口158或159连接至液压贮存器196。由于非对称式液压执行器按照其活塞位置可包括不同体积的液体，因此，液压贮存器196存贮了过量的液压流体，从而使得执行器150中的液体体积可随意改变。每当理想的执行器扭矩改变方向时，液压阀194都需要进行切换。
图11展示了一个替代性液压回路200，用于无需对液压阀进行激活式切换的非对称式液压执行器150。更具体地，两个先导式止回阀202和203使液压流体能够流入和流出贮存器196，同时还允许液压泵156将液压流体推入液压髋部执行器150。当其先导通道或端口206中无压力时，先导式止回阀202用作单向阀，当其液体通道206中有压力时，先导式止回阀202允许液流双向自由流动。当需要施加作用力以收回杆160时，电动机154转动液压泵156，其转动方向使液压流体通过泵156从右向左。这样，泵156的左侧产生了压力，因而液体通道207内也产生了压力，从而迫使右先导式止回阀203打开。由于液压髋部驱动器150的右端口159的液体流量大于其左端口158的液体流量，迫使右先导式止回阀203打开，以使过量的液体流入贮存器196中。如果没有先导式止回阀202和203，则由于与活塞161相连的执行器杆160的收回，所述过量的执行器液体将无法进入贮存器196中。在这种状态下，按照单杆执行器150是外伸还是收回，液压泵156的转动方向也不同。然而，泵156需要以不同速率转动，以按照相同速度外伸和收回杆160。例如，图11中的液压执行器150的活塞161和杆160向右运动一英寸（收回）时，泵156需要泵取的液体量少于液压执行器150的活塞161向左移动一英寸（外伸）时所泵取的液体量。这意味着，图11所示的液压回路200在一个方向上具有不同于其他方向的有效齿轮比。将该回路应用于本发明的矫正设备100的好处是，使工程师更容易地优化发动机154的大小。其原因是，矫正髋部（类似人类髋部）在步态迈步期时需要低扭矩快速运动，在步态站立期时需要高扭矩慢速运动。通过使设计者能够有效实现迈步方向与站立方向的不同齿轮比，与图9所示的双杆执行器回路相比，所述回路更易于优化设计，使设备重量减轻，效率提高。另外，该回路比图10所示的回路能更快更容易地切换方向，同时还无需对阀进行控制。
图11展示了液压回路200，当液压髋部执行器150向髋关节103提供正能量（力与运动在同一方向）和负能量（力与运动方向相反）时，该液压回路200正常运作。图12展示了替代性液压回路220，该回路仅使用一个先导式止回阀203，用于液压髋部执行器150仅提供正能量时。在图12中，液压髋部执行器150不能在图中活塞向右运动的方向上提供负能量。之所以无法提供负能量，是因为当活塞被外力向右推动时，汽缸的右侧部分无法产生高压。在这种状态下，图11所示状态下的先导式止回阀202由标准止回阀224所代替。这样，如果试图以外力迫使液压髋部执行器150的活塞161向右运动，则大量液体将从右端口159排出，并且，所述回路右侧部分的压力将趋向于升高；尽管如此，所述液体也无法一开始便通过先导式止回阀203。出于这个原因，在图中，液体通过泵156流向左边。在液压执行器150内，活塞161左侧的体积在增加，但其增加的速度不足以容纳来自活塞161右侧的液流室162（该室具有更大的横截面）的全部液流。这意味着，位于止回阀203和224“泵侧”的全部液压回路220的压力将增大。然而，该压力只有在液体通道226达到先导式止回阀203的“开启压力”后才会增大，在该“开启压力”点上，先导式止回阀203将打开，随着液体进入贮存器196，压力将开始下降。当所述压力降至“开启压力”以下，先导式止回阀203将再次关闭，开始积蓄压力。因此，当液压执行器150的活塞161由外力向右推动时，该回路将产生振荡压力，且该振荡压力将不会高于先导式止回阀203的“开启压力”。因此，不能在任意压力下使用该回路220阻挡这种向右运动。
髋部和膝盖复合液压力学
当驱动腿部矫正设备100也包括液压膝盖扭矩发生器107时，可以使用带泵和电动机的普通液压回路来进行常规控制，或增加类似图9-12中的第二液压回路、液压泵和电动机，来独立控制所述矫正设备的膝盖运动和扭矩。当然，如果髋部扭矩发生器106和膝盖扭矩发生器107共用同一个液压泵156和电动机154，则整个***的重量将更轻，结构将更紧凑。由于膝盖扭矩发生器107需要在脚跟触地时产生对运动的极大阻力，而在自由状态即被动迈步时产生对运动的极小阻力，因此，无论使用何种液压回路，对膝盖扭矩发生器107的需要仍不同于对髋部扭矩发生器106的需要。此外，爬斜坡或楼梯时，在步态站立期时膝盖扭矩发生器107理想地在伸展方向上为激活式驱动。
在一个优选实施例中，膝盖执行器107为包括活塞301的对称式液压执行器300。图13展示了液压回路302，该液压回路302使用一个液压泵156和电动机154，以驱动液压膝盖执行器107和液压髋部执行器106，其中执行器107和106都为对称式执行器。液压阀302或用于将膝盖执行器107连接至泵156，或用于将液压膝盖执行器300的端口310和311流体相连。阀302可用于连接液压膝盖执行器300的端口310和311，其阻力可以是从零至无穷大的各种值。图14展示了实现该连接的液压阀302的一个实施例。在该例中，液压阀302为四位液压阀314。图中标示了阀314的每个阀位。
在第一阀位315时，液压膝盖执行器300的端口311与液压髋部执行器172的端口178相连；液压膝盖执行器300的端口310与液压髋部执行器172的端口179相连。在第二阀位316时，阀314的全部端口都封闭。在第三阀位317时，端口311与端口179相连，端口310与端口178相连。最后，在第四阀位318时，液压膝盖执行器300的端口310和端口311相互流体连接，但都不与液压髋部执行器172相连。应当注意，由泵156向液压膝盖执行器300输出的压力总是等于或小于向液压髋部执行器172输出的压力。因此，在设计执行器时，应当注意满足理想的髋部和膝盖扭矩值。
一旦髋部执行器106或膝盖执行器107其中之一为非对称式执行器（例如，单杆液压缸）时，则本发明的液压回路将变得更加复杂。可通过增加另一液压阀或先导式止回阀来解决非对称式执行器中不均衡的液流问题（如图10和图11所示）。图15展示了用于非对称式液压髋部执行器150的液压回路320，该液压回路320使用先导式止回阀202和203。该图中的回路320相当于图11中的回路200，其不同之处是，回路320是通过液压阀302与液压膝盖驱动器300相连的。图16与图15相同，其不同之处是，图16所示实施例中的液压阀302为四位液压阀314。该阀的四个阀位的形态都有所图示。图17展示了一个替代性液压阀330，与对称式髋部执行器172和非对称式膝盖执行器107一起使用。非对称式膝盖执行器107具有端口332和333，以及活塞334和活塞杆335。图18展示了另一替代性液压回路340，与非对称式髋部执行器150和非对称式膝盖执行器107一起使用。
来自临床步态分析的人类膝盖扭矩的研究揭示，只有产生于膝盖的大扭矩才沿着伸展方向（见图19）。因此得以了研发更简单的液压回路，该液压回路利用膝关节可以为单作用式、且只能产生外展力/扭矩的特点。图20展示了液压回路350，其中，液压髋部执行器150为非对称式，液压膝盖执行器107为单作用执行器。在此，液压阀352能实现在液压泵156的任意运动方向上对膝盖执行器107进行驱动。液压阀352还能以从零至无穷大的不同阻力将膝盖执行器107连接至贮存器196。
图21比较了临床步态分析得出的、在例如爬楼梯和斜坡时的各种高驱动运动中典型的人膝盖扭矩和髋部扭矩。注意，所述髋部扭矩和膝盖扭矩通常在同一方向上。针对膝盖执行器107只有在用户的髋部外展时才能外伸的情况，研发了进一步简化的液压回路。图22展示了该替代性液压回路360，该液压回路将对称式液压髋部执行器172连接至单作用膝盖执行器162，只有在用户的髋部外展时，才驱动该单作用膝盖执行器162。如图22 所示，单作用膝盖执行器362包括活塞364和杆365，以及单一液压液体端口366。图22中的箭头E示意了液压髋部执行器172的杆174和175在伸展时的运动方向。使用左先导式止回阀202的原因以下将结合图23进行说明。
图23展示了图22中的液压回路360，其中，液压阀362为三位液压阀370。该三位液压阀370能将膝盖执行器362与液压泵156相连以进行伸展，如第一阀位372所示；或将膝盖执行器362与贮存器196相连，如底部阀位373所示。阀370还可采取中间阀位374，其中全部阀端口都封闭，以输出对膝盖弯曲的充足阻力。为了输出对膝盖弯曲的可调节被动阻力，阀370可在使所有端口都封闭的中间阀位374与使膝盖执行器362连接至贮存器196的底部阀位373之间操作。为将提供给液压髋部执行器172的压力的仅仅一部分提供给液压膝盖执行器362，阀370可在其顶部阀位370与中间阀位374之间操作。这一实施例的阀比前述的阀显然要简单些。现在可清楚地理解该回路中使用先导式止回阀202的原因。如果阀370处于顶部阀位372（液压膝盖执行器362连接至泵156），且外力沿箭头F所示的弯曲方向推动液压膝盖执行器362，则液体通道206中将积蓄压力，先导式止回阀202将打开，以形成将液体排出液压膝盖执行器362的路径（通过泵156）。当泵156向两个汽缸都提供外伸压力时，通过使膝盖在力的作用下进行弯曲，将予以该矫正设备的用户更大的自由度。
如果膝盖执行器362只在正能量情形下操作，则将稍微简化液压回路。在这种情况下，图23中的先导式止回阀202将由图24的替代性液压回路382中的标准止回阀224所代替。
图25展示的例子中，液压髋部执行器150为非对称式髋部执行器，液压膝盖执行器362为单作用执行器。尽管可采用图23中的阀，但为了使非对称式膝盖执行器362顺利运转，使用了先导式止回阀202和203。该回路390结合了非对称式髋部执行器150（如前所述）与单作用膝盖执行器362的优势，从而省去至少一条液压管路及其相关部件。
图26展示了使用中的图25中的实施例，其中增加了液压***的其他细节。增加了泄压阀392和392，以防止***压力过大。泵的***路径396提供了从泵的外壳156到贮存器196的泄流路径。该泄流路径396穿过泵156内的移动部件的轴承，因此，可用于润滑泵156的部件。阀的***路径398提供了从阀370的外壳到贮存器196的泄流路径，以确保在阀370的主体周围不会形成高压，这种高压将使移动阀370所需的能量增大。为保证安全，设置了膝盖伸展止回阀394。更具体地，阀394确保矫正设备100的用户在跌倒时总能伸展其膝盖。基于以上对各种优选实施例的讨论，应当清楚的是，所述髋部和膝盖扭矩发生器协作运转，以提供自然的行走动作，电动机向矫正设备提供能量，电动机和髋部与膝盖执行器之间无需任何附加的消能构件。相反，在正常使用中，所述膝盖执行器可用作消能构件。
髋部布局
髋部扭矩发生器106可采用各种不同实施例来实现。通常***用于髋关节103的机械传动机构111，与此同时，根据所选择的髋部执行器110实施例和特定的机械传动机构111，执行器其余部分的位置是可变的。使用图26中的四杆机构120的优选实施例、线性液压执行器150和液压回路390，以及液压泵156和电动机154，图27展示了一种新颖的布局，能解决在设计驱动髋部矫正设备时遇到的许多问题。
图27的优选布局具有数个优点。首先，从用户前方的角度看，具有该布局的驱动髋部矫正设备100看起来很窄。从图28中可看出用户的位置。所述四杆机构120和线性液压执行器150可以紧靠用户、在接近用户髋关节处封装。借助置于用户旁边的相对窄的四杆机构120和线性液压执行器150，驱动矫正设备100便不会明显宽于用户的髋部。电动机154越大，则液压泵156和液压回路都将越多地置于用户身后，形成自然弯曲的、靠近并围绕用户髋部的分布。图28展示了这种安装在结构性矫正髋部连接件102上并围绕用户髋部的优选布局。该布局的另一个优点是，无需使用弹性液压管路来连接泵156与执行器150。这是通过在髋部连接件102上设置泵156和执行器150来实现的。由于髋部连接件102在常规步行时并不会太多运动，因此，髋部连接件102为这些部件提供了很好的位置。因此，增大连接件102的惯性（例如，与大腿连接件101相对）对矫正髋部装置100所需的扭矩的影响并不大。采用这种布局，在用户身后还设置了用于电动机154和泵156的散热器400来进行散热，以使其对用户的影响最小。
由于该优选实施例能紧凑封装，因此，将髋部扭矩发生器106安装在开放式髋部连接件（例如，图28所示的髋部连接件102）上的一种替代例是，将髋部扭矩发生器106安装在髋部连接件102的内部，如图29所示。这样，所述机构由薄壁结构或外壳410所保护，该薄壁结构或外壳410还能将矫正腿部装置100转换而得的较大的力传递至矫正设备的躯干（未图示），该躯干可连接在髋部外展/内收枢轴点412，如图28所示。
应当注意，泵156和电动机155与髋部液压执行器150的轴成直角安装。相比电动机154和泵156与髋部液压执行器150成一条直线安装的情形，成直角安装的方式使得髋部组件能将重心保持在更接近人的位置。该实施例选择将泵156和电动机154水平安装，以最大程度地减小借助矫正设备在人背后进行负载所带来的干扰。
尽管在此结合本发明的各个优选实施例进行了描述，然而应当理解，仍可在不脱离本发明精神的前提下对本发明做出各种改变和/或修正。例如，可以按照不同方式安装电动机154和泵156，只要其旋转轴竖直而非水平，便能将电动机154和泵156与髋部液压执行器150呈直角地安装。总之，本发明应当只受权利要求范围的限制。
Claims (33)
1.适于由用户穿用的下肢矫正设备，包括：
大腿连接件，用于连接至用户的下肢；
髋部连接件；
髋关节，该髋关节可旋转地连接所述大腿连接件与所述髋部连接件，以使所述大腿连接件和所述髋部连接件之间能够在一定运动幅度内进行屈伸；
电源；以及
髋部扭矩发生器，连接在所述大腿连接件和所述髋部连接件之间，该髋部扭矩发生器包括：髋部执行器；以及与所述髋部执行器相连的机械传动机构，其中，所述髋部执行器和所述机械传动机构位于所述大腿连接件和所述髋部连接件之间；
流体连接至所述髋部执行器的液流回路；
用于在所述液流回路中产生液流的泵；
以及用于向所述泵施加扭矩的电动机，其中，所述泵与所述液流回路直接相通，从而通过控制经由电动机作用在所述泵上的扭矩，来调节作用在所述髋关节上的扭矩。
2.根据权利要求1所述的矫正设备，其特征在于：所述机械传动机构包括多连杆机构，该多连杆机构至少具有第一、第二和第三枢转式连杆。
3.根据权利要求2所述的矫正设备，其特征在于：所述机械传动机构进一步包括第四连杆，该第四连杆形成所述髋关节的固定枢轴线。
4.根据权利要求1所述的矫正设备，其特征在于：所述机械传动机构形成简单的杠杆臂。
5.根据权利要求1所述的矫正设备，其特征在于：所述髋部执行器构成非对称式线性执行器，该非对称式线性执行器包括与杆相连的活塞。
6.根据权利要求5所述的矫正设备，其中，所述非对称式线性执行器包括第一和第二液流端口，该第一和第二液流端口分别位于所述活塞的两端，并都与所述液流回路相通；其特征在于：所述液流回路包括至少一个第一止回阀，用于调节从所述第一液流端口流向所述第二液流端口的液流，还包括与所述第一和第二液流端口相通的液体贮存器。
7.根据权利要求6所述的矫正设备，其中，所述至少一个止回阀为先导式止回阀，所述液流回路提供多种有效齿轮比，使所述泵以第一速率转动来外伸所述杆，以第二速率转动来以同样速度收回所述杆；其特征在于：所述多个齿轮比，实现了在所述矫正设备的步态迈步期时的低扭矩快速运动，在所述矫正设备的步态站立期时的高扭矩慢速运动。
8.根据权利要求1所述的矫正设备，其特征在于：所述髋部执行器构成对称式线性执行器，该对称式线性执行器包括单一活塞和彼此相对的杆。
9.根据权利要求1所述的矫正设备，其特征在于：通过所述泵与所述液流回路之间的直接相通，所述泵在第一方向上的运转使所述髋关节弯曲，所述泵在第二方向、即相反方向上的运转使所述髋关节伸展。
10.根据权利要求1所述的矫正设备，其特征在于：进一步包括用于连接至用户下肢的小腿连接件，该小腿连接件通过膝关节可旋转地连接至所述大腿连接件。
11.根据权利要求10所述的矫正设备，其特征在于：进一步包括膝盖扭矩发生器，连接至所述大腿连接件和所述小腿连接件，所述膝盖扭矩发生器包括：膝盖执行器；机械传动机构，将所述膝盖执行器连接至所述小腿连接件；阀，位于所述膝盖执行器和所述液流回路之间，用于调节所述膝盖执行器和所述液流回路之间由所述电动机和泵的运转所产生的液流，所述电动机和泵由髋部扭矩发生器共用。
12.根据权利要求11所述的矫正设备，其特征在于：所述膝盖执行器为非对称式线性执行器。
13.根据权利要求11所述的矫正设备，其中，当位于所述膝盖执行器和所述液流回路之间的所述阀将所述膝盖执行器连接至所述液流回路，并且所述泵在一方向上运转、以在能引起髋部伸展的方向上向所述髋关节施加扭矩时，将在膝盖执行器上将产生扭矩，所述膝盖执行器在能引起膝关节伸展的方向上向所述膝关节施加扭矩。
14.根据权利要求13所述的矫正设备，其特征在于：所述髋部执行器和膝盖执行器的大小使得所述髋部伸展扭矩与膝盖伸展扭矩之间的比值符合人类在爬楼梯及陡坡时呈现出的比值。
15.根据权利要求11所述的矫正设备，其特征在于：所述阀为三位阀，在第一阀位时，连通从所述液流回路流向所述膝盖执行器的液流通路，在第二阀位时，连通从所述膝盖执行器流出的液流通路；在第三阀位时，封闭所述液流回路与所述膝盖执行器之间的液流通路，以阻挡所述膝盖执行器的弯曲。
16.根据权利要求11所述的矫正设备，其特征在于：所述阀为四位阀，在第一阀位时，连通所述膝盖执行器的第一端口与所述髋部执行器的第二端口之间、以及所述膝盖执行器的第二端口与所述髋部执行器的第一端口之间的液流通路；在第二阀位时，封闭所述膝盖执行器与所述液流回路之间、以及所述膝盖执行器的第一和第二端口之间的液流通路；在第三阀位时，连通所述膝盖执行器的第一端口与所述髋部执行器的第一端口之间、以及所述膝盖执行器的第二端口与所述髋部执行器的第二端口之间的液流通路；在第四阀位时，连通所述膝盖执行器的第一端口与第二端口之间的液流通路，同时封闭所述膝盖执行器与所述髋部执行器之间的液流通路。
17.根据权利要求1所述的矫正设备，其特征在于：所述泵和所述髋部执行器位于所述髋部连接件上。
18.根据权利要求17所述的矫正设备，其特征在于：所述泵和所述髋部执行器至少部分地位于所述髋部连接件内。
19.根据权利要求17所述的矫正设备，其特征在于：所述泵和所述电动机都位于所述髋部连接件上，以置于用户的身后。
20.适于由用户穿用的下肢矫正设备，包括：
大腿连接件，用于连接至用户的下肢；
髋部连接件；
髋关节，在第一运动幅度内可旋转地连接所述大腿连接件与所述髋部连接件；
小腿连接件，用于连接至用户的下肢；
膝关节，在第二运动幅度内可旋转地连接所述大腿连接件与所述小腿连接件；
髋部扭矩发生器，包括髋部执行器和与髋部执行器相连的第一机械传动机构，其中，所述髋部执行器和所述第一机械传动机构位于所述大腿连接件和所述髋部连接件之间；以及
电动机，用于向所述髋部扭矩发生器提供机械能，所述电动机适于放置在用户身后，从而最大程度地减少所述矫正设备在用户一侧占据的空间。
21.根据权利要求20所述的矫正设备，其特征在于：每个所述第一和第二机械传动机构包括至少具有第一、第二和第三枢转式连杆的多连杆机构。
22.根据权利要求21所述的矫正设备，其特征在于：每个所述第一和第二机械传动机构进一步包括第四连杆。
23.根据权利要求22所述的矫正设备，其特征在于：所述第一机械传动机构的第四连杆形成了所述髋关节的固定枢轴线。
24.根据权利要求20所述的矫正设备，其特征在于：进一步包括用于提供多个有效齿轮比的装置，从而在所述矫正设备的步态迈步期时在第一运动幅度内实现低扭矩快速运动，在所述矫正设备的步态站立期时在第一运动幅度内实现高扭矩慢速运动。
25.适于由用户穿用的下肢矫正设备，包括：
大腿连接件，用于连接至用户的下肢；
髋部连接件；
髋关节，可旋转地连接所述大腿连接件与所述髋部连接件，以使所述大腿连接件和所述髋部连接件之间能够在第一运动幅度内进行屈伸；
电源；
髋部扭矩发生器，连接所述大腿连接件与所述髋部连接件，所述髋部扭矩发生器包括：髋部执行器；与所述髋部执行器相连的第一机械传动机构，所述髋部执行器与所述第一机械传动机构位于所述大腿连接件和所述髋部连接件之间；
小腿连接件，用于连接至用户的下肢，所述小腿连接件通过膝关节可旋转地连接至所述大腿连接件；
膝盖扭矩发生器，连接至所述大腿连接件和所述小腿连接件，所述膝盖扭矩发生器包括：膝盖执行器；将所述膝盖执行器连接至所述小腿连接件的第二机械传动机构；以及
电动机，该电动机驱动连接至每个所述髋部执行器和所述膝盖执行器，以向所述髋部执行器和膝盖执行器提供扭矩，而电动机与所述髋部执行器和所述膝盖执行器之间无需消能构件。
26.适于由用户穿用的下肢矫正设备，包括：
大腿连接件，用于连接至用户的下肢；
髋部连接件；
髋关节，可旋转地连接所述大腿连接件与所述髋部连接件，以使所述大腿连接件和所述髋部连接件之间能够在第一运动幅度内进行屈伸；
电源；
髋部扭矩发生器，连接所述大腿连接件与所述髋部连接件，所述髋部扭矩发生器包括：髋部执行器；与所述髋部执行器相连的第一机械传动机构，所述髋部执行器与所述第一机械传动机构位于所述大腿连接件和所述髋部连接件之间；
小腿连接件，用于连接至用户的下肢，所述小腿连接件通过膝关节可旋转地连接至所述大腿连接件；
膝盖扭矩发生器，连接至所述大腿连接件和所述小腿连接件，所述膝盖扭矩发生器包括：膝盖执行器；将所述膝盖执行器连接至所述小腿连接件的第二机械传动机构；以及
电动机，该电动机驱动连接至所述髋部执行器，其中，在常规使用中，所述电动机向所述矫正设备提供能量，且所述膝盖执行器用作消能构件。
27.根据权利要求26所述的矫正设备，其特征在于：当使用矫正设备的用户爬楼梯或陡坡时，所述电动机向所述髋部执行器和所述膝盖执行器都提供能量。
28.用于操作下肢矫正设备的方法，该矫正设备包括：与用户下肢相连的大腿连接件、由用户所支撑的髋部连接件、可旋转地连接所述大腿连接件和所述髋部连接件、以使所述大腿连接件和所述髋部连接件之间能在第一运动幅度内进行屈伸的髋关节、连接至用户下肢的小腿连接件、以及在第二运动幅度内可旋转地将所述大腿连接件连接至所述小腿连接件的膝关节，所述方法包括以下步骤：
激活髋部扭矩发生器，该髋部扭矩发生器包括髋部执行器和与该髋部执行器相连的第一机械传动机构，以使所述大腿连接件与所述髋部连接件之间产生相对运动；
激活膝盖扭矩发生器，该膝盖扭矩发生器包括膝盖执行器和与该膝盖执行器相连的第二机械传动机构，以使所述大腿连接件与所述小腿连接件之间产生相对运动；以及
控制步骤，通过与髋部和膝盖扭矩发生器相连的共用电动机和泵，控制所述髋部扭矩发生器和所述膝盖扭矩发生器，以通过所述髋部执行器和所述第一机械传动机构，在第一运动幅度内调节所述大腿连接件与所述髋部连接件之间的相对位置，以及通过所述膝盖执行器和所述第二机械传动机构，在第二运动幅度内调节所述大腿连接件与所述小腿连接件之间的相对位置，从而使所述下肢矫正设备以自然行走运动方式来驱动用户。
29.根据权利要求28所述的方法，其特征在于：进一步包括控制所述髋部扭矩发生器的步骤，使其在所述矫正设备的步态迈步期时在第一运动幅度内实现低扭矩快速运动，在所述矫正设备的步态站立期时在第一运动幅度内实现高扭矩慢速运动。
30.根据权利要求28所述的方法，其特征在于：在第一和第二运动幅度内移动所述矫正设备的步骤包括切换多连杆机构，该多连杆机构至少由第一、第二和第三枢转式连杆形成，并用于所述第一和第二机械传动机构。
31.适于由用户穿用的下肢矫正设备，包括：
大腿连接件，用于连接至用户的下肢；
髋部连接件；
髋关节，可旋转地连接所述大腿连接件与所述髋部连接件，以使所述大腿连接件和所述髋部连接件之间能够在第一运动幅度内进行屈伸；
电源；以及
髋部扭矩发生器，连接在所述大腿连接件与所述髋部连接件之间，所述髋部扭矩发生器包括：髋部执行器；与所述髋部执行器相连的机械传动机构，其中，所述髋部执行器和所述机械传动机构位于所述大腿连接件和所述髋部连接件之间；
流体连接至所述髋部执行器的液流回路；
用于在所述液流回路中形成液流的泵；
电动机，该电动机驱动式连接至所述泵，以对所述液流回路内的液体加压，从而通过所述髋部执行器和所述机械传动机构，在运动幅度内改变所述大腿连接件和所述髋部连接件之间的相对位置，其中，所述机械传动机构协助使扭矩在运动幅度内变得稳定。
32.根据权利要求31所述的矫正设备，其特征在于：所述机械传动机构包括多连杆机构，该多连杆机构至少具有第一、第二和第三枢转式连杆。
33.根据权利要求32所述的矫正设备，其特征在于：所述机械传动机构进一步包括第四连杆，该第四连杆形成髋关节的固定枢轴线。
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