CN109328046A - 半主动型机械关节 - Google Patents

Abstract

一种机械关节包括第一连杆、中间连杆、力矩产生器、第二连杆和锁定机构。中间连杆的不同端部旋转地连接于第一连杆和第二连杆。力矩产生器连接于第一连杆和中间连杆，并构造为在这些连杆之间产生力矩。锁定机构可在锁定状态和解锁状态之间切换。在解锁状态下，锁定机构允许第二连杆相对于中间连杆在第一旋转方向和第二旋转方向上自由旋转。在锁定状态下，锁定机构构造成阻碍第二连杆相对于中间连杆在第一旋转方向上的旋转，并允许第二连杆相对于中间连杆在与第一旋转方向相反的第二旋转方向上旋转。

Description

半主动型机械关节

相关申请的交叉引用

本发明要求2016年6月24日提交的美国临时专利申请第62/354,263号的权益，该临时专利申请整体通过引用并且针对全部目的与本发明中引用的所有其他参考文献一起并入本文。

技术领域

所描述的装置是能量被动型外骨骼膝部，其构造为结合到外骨骼腿中。

背景技术

下肢外骨骼技术着重于使医疗和增强领域受益。外骨骼设计中的功能模块化允许执业者给出能够着重于佩戴者的需要和能力的外骨骼。虽然在医学或者增强领域中存在大多数模块化膝部外骨骼技术，但是站立辅助膝部外骨骼可以使身体健全的个人以及四头肌功能减弱或膝部无力的个人受益。

完全被动型***成本较低，但功能有限。动力***具有多种功能，但价格昂贵且很大。微控制器控制的阻力膝部在功能方面比完全被动型***更多样化，但仅提供针对运动的***阻抗并且可能是昂贵的。

被动型微控制器控制的***可以带来成本低且功能多样的***。通过将一些所需功能嵌入到***的机械硬件中，减少了微控制器的负担和对传感器的需求。

发明内容

这里提出了能量被动型机械关节的若干实施方式。这些能量被动型关节可用于各种外骨骼、矫形***、假体装置和机械行走机。虽然电池可用于为微型计算机及相关联的传感器供电以进行计算和控制，但是这些实施方式不使用可用于行动能量的任何外部动力。除了其他特性之外，这些能量被动型机械关节还表现出产生行动所需的两个有用特征：1)它们在需要时可以响应于屈曲而表现出适当的阻力，同时即使关节承受负载伸展也始终是自由的(例如，外骨骼膝关节的站立阶段)；以及2)它们在需要时可以表现出自由的屈曲和伸展(例如，外骨骼膝关节的摆动阶段)。在这两种状态之间切换可以提供行动所需的基本特征。使用机电部件的抽象形式描述这些能量被动型机械关节的基本特性。随后，为了示出如何将这些能量被动型机械关节设计并构建为用于外骨骼、矫形***、假体装置和机械行走机的人造膝部而描述了设计的实施方式。最后，为了教导将这些能量被动型机械关节针对外骨骼矫形腿的使用而描述了若干实施方式。

附图说明

图1示出了能量被动型机械关节的实施方式的示意图。

图2是本发明的实施方式的示意图。

图3是能量被动型机械关节佩戴在人下肢上的示意图。

图4表示能量被动型机械关节的实施方式。

图5是图4所示实施方式的分解图。

图6是图4所示实施方式的一部分的分解图。

图7是图4所示实施方式的一部分的分解图。

图8是图4所示实施方式的一部分的分解图。

图9示出了锁定机构处于锁定状态的实施方式。

图10示出了锁定机构处于锁定状态的实施方式。

图11示出了锁定机构处于解锁状态的实施方式。

图12示出了锁定机构处于解锁状态的实施方式。

图13示出了包括机械关节的实施方式的矫形外骨骼的实施方式。

图14示出了包括机械关节的实施方式的矫形外骨骼的实施方式。

图15示出了包括机械关节的实施方式的矫形外骨骼的实施方式。

图16示出了控制器状态机的实施方式。

图17示出了穿戴者的大腿的角度。

图18示出了预先规定的最大正大腿角度和预先规定的最小负大腿角度。

图19示出了包括机械关节的实施方式的矫形外骨骼的实施方式。

图20示出了包括机械关节的实施方式的矫形外骨骼的实施方式。

图21示出了包括机械关节的实施方式的矫形外骨骼的实施方式。

图22示出了包括机械关节的实施方式的矫形外骨骼的实施方式。

图23示出了包括机械关节的实施方式的矫形外骨骼的实施方式。

图24示出了包括机械关节的实施方式的矫形外骨骼的实施方式。

图25示出了包括机械关节的实施方式的矫形外骨骼的实施方式。

图26示出了包括机械关节的实施方式的矫形外骨骼的实施方式。

图27示出了包括机械关节的实施方式的矫形外骨骼的实施方式。

具体实施方式

在以下描述中，阐述了许多具体细节以提供对给出的构思的透彻理解。可以在没有一些或任何这些具体细节的情况下实施给出的构思。在其他情况下，没有详细描述公知的处理操作，以免不必要地模糊所描述的构思。虽然将结合具体实施方式描述一些构思，但是应该理解这些实施方式并不是限制性的。

图1示出了能量被动型机械关节100的实施方式。机械关节100包括第一连杆102、中间连杆104、力矩产生器108、第二连杆110和锁定机构112。中间连杆104从其第一端部131处旋转地连接于第一连杆102，此处第一关节106代表中间连杆104相对于第一连杆102的旋转。力矩产生器108能够在第一连杆102和中间连杆104之间产生力矩。第二连杆110旋转地连接于中间连杆104的第二端部133，此处第二关节114代表中间连杆104相对于第二连杆110的旋转。当第二连杆110相对于中间连杆104屈曲时，锁定机构112能够阻碍第二连杆110相对于中间连杆104的旋转运动。换言之，当锁定机构112处于其锁定状态时，角度154无法容易地变小，并且在极限情况下，根据锁定机构112的性质，角度154根本无法变小。在本发明的实施方式中，当锁定机构112处于其锁定状态时，角度154无法容易地变小，并且在极限情况下，根据锁定机构112的性质，角度154根本无法变小，但总是能够变大。换言之，在本发明的一些实施方式中，当锁定机构112处于其锁定状态时，中间连杆104和第二连杆110彼此锁定，使得角度154不会变小，但总是能够变大。当锁定机构112处于其解锁状态时，中间连杆104和第二连杆110总是可以相对于彼此旋转，并且角度154总是可以变大或变小。

为了更好地理解图1的构思，假设第一连杆102是大腿连杆并且第二连杆110是外骨骼矫形***的小腿连杆。进一步假设中间连杆104的长度非常短。第一方向111和第二方向113代表第二连杆110相对于第一连杆102的旋转运动。角度153的减小或角度154的减小导致第二连杆110相对于第一连杆102在第一方向111上旋转。角度153的增大或角度154的增大导致第二连杆110相对于第一连杆102沿第二方向113旋转。当角度153变小时，中间连杆104和第一连杆102相对于彼此屈曲。当角度153变大时，中间连杆104和第一连杆102相对于彼此伸展。当角度154变小时，第二连杆110和中间连杆104相对于彼此屈曲。当角度154变大时，第二连杆110和中间连杆104相对于彼此伸展。当第二连杆110沿第一方向111移动时，指的是第二连杆110相对于第一连杆102屈曲。当第二连杆110沿第二方向113移动时，指的是第二连杆110相对于第一连杆102伸展。因此，在一些实施方式中，在锁定状态下，锁定机构112构造为阻碍第二连杆110相对于第一连杆102在第一旋转方向111上的旋转。在一些实施方式中，在解锁状态下，锁定机构112允许第二连杆110相对于第一连杆102在第一方向111和第二方向113上自由旋转。“自由旋转”定义为仅受残余摩擦力阻碍的运动。

在一些实施方式中，无论锁定机构112的状态如何，第二连杆110总是可以相对于中间连杆104沿第二方向113伸展。这意味着无论锁定机构112的状态如何，角度154总是可以变大。然而，当锁定机构112处于其锁定状态时，锁定机构112仅可以阻碍第二连杆110相对于中间连杆104的屈曲运动。这意味着当锁定机构112处于其锁定状态时，锁定机构112实质可以阻碍角度154变小。锁定机构112对屈曲的这种阻碍水平可以变化。在本发明的一些实施方式中，当锁定机构112处于其锁定状态时，锁定机构112可以完全锁定第二连杆110和中间连杆104，以防止第二连杆110相对于中间连杆104的旋转屈曲。然而，无论锁定机构112是否处于锁定状态或解锁状态，第二连杆110和中间连杆104都可以相对于彼此伸展。图1所示的实施方式具有下面描述的创新特性。

在优选实施方式中，在锁定机构112处于其锁定状态的操作中，第二连杆110被锁定到中间连杆104。在这种情况下，第二连杆110和中间连杆104作为一个刚性体并且不能相对于彼此屈曲。然而，中间连杆104和第二连杆110始终都可以相对于彼此伸展。一旦锁定机构112防止了第二连杆110和中间连杆104相对于彼此的屈曲，中间连杆104和第二连杆110作为整体相对于第一连杆102的旋转运动就会受到力矩产生器108沿第一方向111的阻力。换言之，中间连杆104和第二连杆110一起不能相对于第一连杆102沿第一方向111自由屈曲。然而，第二连杆110可沿第二方向113自由旋转(即，第二连杆110可始终相对于第一连杆102伸展)。当锁定机构112处于解锁状态时，第二连杆110沿第一方向111和第二方向113所示的两个方向相对于第一连杆102自由旋转。也就是说，这里描述的实施方式根据锁定机构112的状态允许第二连杆110相对于第一连杆102沿第一方向111的***或受阻的运动。当锁定机构112处于锁定状态时，力矩产生器108对第一连杆102和第二连杆110之间的屈曲运动提供阻力，但是在第一连杆102和第二连杆110之间总是允许无阻碍的运动。当锁定机构112处于解锁状态时，第一连杆102和第二连杆110之间的屈曲和伸展运动没有阻力。下面进一步描述其重要性。

在本发明的一些实施方式中，第一连杆102相对于中间连杆104旋转的轴线与第二连杆110相对于中间连杆104旋转的轴线彼此实质平行。在本发明的一些实施方式中，第一连杆102相对于中间连杆104旋转的轴线与第二连杆110相对于中间连杆104旋转的轴线彼此重合。这导致中间连杆104的长度为零。图2示出了机械关节500的实施方式，其中中间连杆104的长度为零。由于中间连杆104的长度缩短为零，因此关节106和114彼此重合。由于这种结构导致机械关节更小，因此它特别重要。图2所示的实施方式作为人穿戴的外骨骼矫形腿的膝关节具有很好的应用性。这在图3中示出，其中机械关节500佩戴在人下肢502上。当锁定机构112处于锁定状态时，中间连杆104被锁定到第二连杆110。这导致第二连杆110相对于第一连杆102的旋转受到力矩产生器108沿第一方向111的阻碍。然而，由于第二连杆110和中间连杆104始终可以自由伸展(锁定机构112仅在第二连杆110和中间连杆104相对于彼此屈曲时将它们锁定在一起)，因此第二连杆110和第一连杆102可以相对于彼此伸展。这代表机械关节500的站立阶段，其中第二连杆110(连接于人的小腿182)相对于第一连杆102(连接于人的大腿180)的运动在膝部屈曲期间受到阻碍，但可以自由伸展。当锁定机构112处于解锁状态时，第二连杆110相对于第一连杆102的旋转在两个方向111和113上都是自由的。这代表机械关节500的摆动阶段，其中人的小腿182在屈曲和伸展旋转时都可相对于人的大腿180自由移动。总之，图3所示的机械关节能够成功复制矫形腿或假体腿所需的特性。就在站立阶段结束之前，锁定机构112将中间连杆104从第二连杆110解锁。这导致第二连杆110相对于中间连杆104***，以用于摆动阶段期间所需的屈曲和伸展。就在腿碰到地面之前，锁定机构112移动到锁定状态，其中第二连杆110不再能够朝向中间连杆104移动(即，第二连杆110不能相对于中间连杆104屈曲)。当锁定机构112处于其锁定状态时，第二连杆110可以相对于中间连杆104伸展。这意味着无论锁定机构112的状态如何，佩戴机械关节500的人始终可以伸展。

如图3所示，在本发明的一些实施方式中，第一连杆102可构造为与人的大腿180一致地移动，并且第二连杆110可构造为与人的小腿182一致地移动。在本发明的一些实施方式中，第一连杆102可构造为连接于人的大腿180，并且第二连杆110可构造为连接于人的小腿182。如下所述，可以使用各种支架来实现这种连接。可以在颠倒位置使用机械关节500；这意味着在本发明的一些实施方式中，第一连杆102可构造为与人的小腿182一致地移动，并且第二连杆110可构造为与人的大腿180一致地移动。在本发明的一些实施方式中，第一连杆102可构造为连接于人的小腿182，并且第二连杆110可构造为连接于人的大腿180。可以使用各种支架来实现这种连接。在一些实施方式中，这些支架可采用带、刚性连接件、半刚性连接件或这些元件的组合的形式。

在本发明的一些实施方式中，力矩产生器108可以在第一连杆102和中间连杆104之间产生被动阻力力矩。在本发明的这些实施方式中，力矩产生器108不需要任何外部能量源来传递运动。在这种情况下，可以将力矩产生器108想象为简单的弹簧，其抵抗试图使第一连杆102和中间连杆104相对于彼此屈曲的外部屈曲力矩(例如，由佩戴者施加的力矩)。在这些实施方式中，力矩产生器108代表产生被动阻力力矩的一般机构。力矩产生器108的例子包括但不限于气动或液压缸体或具有液压和气动部件的缸体、气弹簧、液压阻尼器、可锁定的气弹簧和可锁定的阻尼器。在本发明的一些实施方式中，力矩产生器108能够锁定，使得被锁定的力矩产生器抵抗第一连杆102相对于中间连杆104的所有运动。在这些实施方式中，可以设置致动器来解锁力矩产生器。在本发明的一些实施方式中，用于可锁定的力矩产生器108的致动器包括从电动马达、具有传动装置的电动马达、螺线管、液压致动器和气动致动器组成的组中选择的元件或元件的组合。

在本发明的一些实施方式中，力矩产生器108是可以在第一连杆102和中间连杆104之间产生任意力矩的主动元件。在这种情况下，可以将力矩产生器108想象为致动器，其不考虑外部力矩情况下在第一连杆102和中间连杆104之间提供屈曲和伸展力矩。在本发明的这些实施方式中，电动马达和致动器用于在力矩产生器108处提供可控力矩。这允许针对各种任务定制力矩产生器108的力矩分布。例如，行走和爬楼梯在人的膝部处需要不同的力矩分布。

图4示出了机械关节500的实施方式，其基于上面描述和图1、图2和图3描绘的实施方式的操作来设计。图5示出了图4所示的机械关节500的分解图。在本实施方式中，第一关节106和第二关节114彼此重合，因此中间连杆104的长度为零。下面借助于图4至图8描述机械关节500。机械关节500的实施方式包括第一连杆102和旋转地连接于第一连杆102的中间连杆104。如图5所示，中间连杆104的长度为零，其中该长度是关节106和第二关节114之间的距离。机械关节500还包括力矩产生器108，其能够在第一连杆102和中间连杆104之间产生阻力力矩。如图5所示，中间连杆104包括臂155和心轴109。力矩产生器108从其第一端部57处旋转地连接于臂155(中间连杆104的部件)。力矩产生器108从其第二端部59处旋转地连接于第一连杆102。在本发明的一些实施方式中，力矩产生器108是气弹簧。在本发明的一些实施方式中，力矩产生器108是压缩螺旋弹簧。在本发明的一些实施方式中，第一连杆102包括U形夹159(在图7和图8中示出)。U形夹159可以制造为第一连杆102的一部分。力矩产生器108的第二端部(由59示出)在U形夹159处旋转地连接于第一连杆102。图5还示出了电路板129上的控制器120和电池127。

机械关节500还包括旋转地连接于中间连杆104的第二连杆110。在本发明的一些实施方式中，第二连杆110包括主轴156。第二连杆110与盘118之间的连接通过主轴156上的非圆形的凸出凸台152(在图6中示出)与盘118上的对应的非圆形的凹入切口151和紧固件(未示出)的通孔157对接来实现。为了清楚起见，图6中的盘118以剖视图示出。根据该结构，如图6所示，盘118和第二连杆110彼此连接并以相同的速度旋转。

在没有力矩产生器108和锁定机构112的情况下，第一连杆102、第二连杆110和中间连杆104沿着主轴156的轴线145独立地旋转。紧固件(图7中没有示出)的通孔157保持将第二连杆110、第一连杆102和中间连杆104包含在一起的组件。另请注意，为清楚起见，这些关节中的所有旋转轴承均被省略。本领域普通技术人员将理解，在第二连杆110、中间连杆104和第一连杆102之间必然存在用于平滑的旋转运动的轴承表面(例如，滚珠轴承或滚柱轴承)。

图8所示的锁定机构112包括卷簧117、盘118和致动器115。卷簧117的第一端部158连接于第二连杆110。这种连接可以通过各种机械方法完成；然而，下面借助于图8描述这种连接的实施方式。通过使用盘118和夹具116来帮助卷簧117与第二连杆110的连接。卷簧117的第一端部158安装在盘118周围。夹具116将卷簧117的第一端部158夹紧到盘118上。在本发明的一些实施方式中，夹具116可以将卷簧117的一个或多个簧圈夹紧到盘118上。如上所述并如图7所示，盘118和第二连杆110彼此连接并以相同的速度旋转。第二连杆110和盘118之间的连接通过将第二连杆110上的非圆形的凸出凸台152(图6中示出)与盘118上的对应的非圆形的凹入切口151和紧固件(未示出)的通孔157对接来实现。卷簧117的第二端部119缠绕在中间连杆104的心轴109的圆柱形表面上，使得心轴109的圆柱形表面实质位于卷簧117内部，其主轴线实质平行于卷簧117的主轴线145。锁定机构112还包括连接于第二连杆110的致动器115。致动器115能够使卷簧117的第二端部119移动，以在中间连杆104的心轴109的圆柱形表面和卷簧117的内表面150之间提供压力。该压力在心轴109的圆柱形表面和卷簧117之间产生阻力力矩。因此，中间连杆104和第二连杆110之间的阻力力矩可以通过控制卷簧117的第二端部119来控制。注意，盘118连接于第二连杆110(它们一起旋转)，并且卷簧117的第一端部连接于盘118。随着第二端部119借助于致动器115沿箭头146(图9)移动，中间连杆104和第二连杆110之间的阻力力矩增大。随着第二端部119借助于致动器115沿箭头147(图11)移动，中间连杆104和第二连杆110之间的阻力力矩实质减小。

图9和图10示出了本发明的实施方式，其中力矩产生器108采用气弹簧的形式。如果致动器115沿箭头146使第二端部119移动，则锁定机构112处于锁定状态。在该锁定状态下，第二连杆110和中间连杆104彼此锁定并且不能相对于彼此屈曲。在这种状态下，通过使气弹簧的力矩产生器108压缩，产生第二连杆110相对于第一连杆102沿第一方向111的运动。力矩产生器108的压缩可以在图10中看出。换言之，当致动器115沿箭头146使第二端部119移动时，对第一连杆102和第二连杆110相对于彼此的屈曲产生阻力。然而，即使第二端部119已沿箭头146移动，第一连杆102和第二连杆110也始终可以相对于彼此自由伸展。如图11和12所示，如果致动器115沿箭头147使第二端部119移动，则锁定机构112处于解锁状态。在这种状态下，第二连杆110相对于第一连杆102沿第一方向111的运动可以在没有阻碍的情况下(没有气弹簧压缩)持续产生。换言之，当致动器115沿箭头147使第二端部119移动时，针对第一连杆102和第二连杆110相对于彼此的屈曲将没有阻力。在这种情况下，第一连杆102和第二连杆110总是可以相对于彼此自由伸展。

在本发明的一些实施方式中，致动器115包括从电动马达、具有传动装置的电动马达、螺线管、液压致动器、气动致动器和被动型机械机构组成的组中选择的元件或元件的组合。

锁定机构112代表当锁定机构112处于锁定状态时阻碍中间连杆104和第二连杆110之间的运动的一般机构。在图8的实施方式中，锁定机构112使用卷簧117和心轴109。在本实施方式中，锁定机构112构造为通过使用两个表面之间的摩擦力来阻碍第二连杆110相对于中间连杆104的旋转。在本发明的使用卷簧117的这种实施方式中，在锁定机构112中可以采用小型致动器115来改变锁定机构112的状态。本领域普通技术人员将认识到，存在采用表面之间的摩擦力来提供锁定机构112的预期功能的其他方法。锁定机构112的例子包括但不限于卡钳制动器、盘式制动器、带式制动器、棘轮和棘爪组件、包括双稳态连杆组件的连杆组件。

图13示出了机械关节500连接于人的膝部的本发明的实施方式，其中第一连杆102连接于人的大腿180并且第二连杆110连接于人的小腿182。第一方向111代表膝部屈曲运动，第二方向113代表膝部伸展运动。人的膝关节与机械关节500的单个旋转轴线145实质重合。

如图13所示，在本发明的一些实施方式中，机械关节500连接于人的膝部，其中第一连杆102构造为与人的大腿180一致地移动，并且第二连杆110构造为与人的小腿182一致地移动。在本发明的一些实施方式中，机械关节500还包括大腿连接器132，其允许连接于人的大腿180。在本发明的一些实施方式中，机械关节500还包括小腿连接器134，其允许连接于人的小腿182。在本发明的一些实施方式中，大腿连接器132和小腿连接器134包括支架。尽管已经使用支架在图13中论证了第一连杆102和第二连杆110与人的大腿180和小腿182的连接，但是本领域普通技术人员将理解，可以采用可以使第二连杆110和第一连杆102与人的小腿182和人的大腿180一致地移动的许多方法和装置。通过小腿支架和大腿支架进行连接仅是使第一连杆102与人的大腿180以及第二连杆110与佩戴者的小腿182一致运动的一种方法。

图14示出了以与图13中使用机械关节500的方式成镜像的方式采用机械关节500的实施方式。图14示出了机械关节500连接于人的膝部的本发明的实施方式，其中第一连杆102连接于人的小腿182，第二连杆110连接于人的大腿180。在本发明的一些实施方式中，机械关节500连接于人的膝部，其中第一连杆102构造为与人的小腿182一致地移动，并且第二连杆110构造为与人的大腿180一致地移动，其中第一方向111是膝部屈曲方向，并且第二方向113是膝部伸展方向。本领域普通技术人员可以看出，将图13中的实施方式的取向镜像得到图14中的实施方式。因此，仅在图13中列出的实施方式的取向上讨论的后面所有的本发明的讨论可以扩展到图14中的取向。

图15示出了构造为连接于人的下肢的机械关节500的实施方式。机械关节500还包括控制器120(在图5中示出)和至少一个能够产生腿部信号121的腿部传感器123。控制器120使用腿部信号121来控制锁定机构112的锁定状态和解锁状态。腿部传感器123的例子包括但不限于旋转电位计、线性电位计、磁编码器、光学编码器、线性可变差动变压器、电容位移传感器、涡流接近传感器、可变电感接近传感器、摇臂开关、滑动开关、加速度计、惯性测量单元、陀螺仪及它们的组合。

腿部信号121的例子包括但不限于：表示连接于人的大腿180的连杆相对于垂直重力线140或地面144的绝对角度的信号，该连杆在一些实施方式中是第一连杆102，并且在其他实施方式中是第二连杆110；表示连接于人的大腿180的连杆相对于地面144或重力线140的速度的信号；表示连接于人的大腿180的连杆的速度的信号；表示连接于人的大腿180的连杆相对于地面144或重力线140的加速度的信号；表示人的躯干181(人的躯干在图21中示出)与连接于大腿180的连杆之间的角度的信号；表示连接于大腿180的连杆相对于人的躯干181的速度的信号；表示连接于大腿180的连杆相对于人的躯干181的加速度的信号；以及它们的组合。在本发明的一些实施方式中，控制器120连接于第一连杆102。在本发明的一些实施方式中，控制器120连接于第二连杆110。在机械关节500的实施方式中，如图15所示，腿部信号121是表示第一连杆102相对于垂直重力线140的绝对角度的信号。在一些实施方式中，腿部信号121表示人的大腿180相对于从垂直重力线140和与人的躯干实质平行的线组成的组中选择的线的绝对角度。在一些实施方式中，腿部信号121表示第一连杆102或第二连杆110中的、连接于人的大腿180的连杆相对于从垂直重力线140和与人的躯干实质平行的线组成的组中选择的线的绝对角度。

垂直重力线140平行于地心引力。在图15的实施方式中，惯性测量单元(IMU)传感器可固定到人的大腿180上并产生人的大腿180或连接于大腿的连杆(在图13所示的实施方式中的第一连杆102或图14所示的实施方式中的第二连杆110)相对于垂直重力线140的绝对角度。由于人的大腿180和第一连杆102彼此一致地移动，因此腿部传感器123可以固定到人的大腿180或第一连杆102上。

图16是根据一些实施方式的具有两个主要状态的控制器有限状态机700的示意图。这些状态可以包括锁定状态200和解锁状态201。解锁状态201代表锁定机构112处于其解锁状态的状态，其中第一连杆102和第二连杆110在相对于彼此的伸展和屈曲期间都是自由的。锁定状态200代表锁定机构112处于其锁定状态的状态，其中第一连杆102和第二连杆110的屈曲受到力矩产生器108的阻碍。

在一些实施方式中，控制器120最初可处于锁定状态200。在锁定状态200中，如果由负大腿角度143(图17)表示的腿部信号121是表示人的大腿或连接于人的大腿180的连杆(第一连杆102或第二连杆110)相对于垂直重力线140的绝对角度小于预定的最小负大腿角度166的信号，则控制器120可以进入解锁状态201。预定的最小负大腿角度166在图18中示出。这意味着如果机械关节500处于其锁定状态(即，锁定机构112处于其锁定状态)，并且如果负大腿角度143的测量结果变得小于预定的最小负大腿角度166，那么有限状态机700将移动到解锁状态201。在这种情况下，锁定机构112移动到其解锁状态201并且允许第二连杆110相对于第一连杆102自由屈曲和伸展。

在一些实施方式中，当控制器120处于解锁状态201时，如果由正大腿角度142(图17)表示的腿部信号121变得大于预定的最大正大腿角度165，则控制器120将进入锁定状态200。预定的最大正大腿角度165在图18中示出。这意味着当穿戴者腿部处于摆动阶段并且相对于垂直的正大腿角度142变得大于预定的最大正大腿角度165时，锁定机构112将移动到锁定状态200。在这种情况下，图15的机械关节500可以自由地伸展，但是力矩产生器108将对第一连杆102和第二连杆110相对于彼此的屈曲提供阻力。该阻力防止机械关节500在行走的站立阶段期间折叠并支撑佩戴者的腿部。

控制器也可以因外部输入而移动到解锁状态201和锁定状态200，该外部输入可以与腿部传感器123产生的腿部信号121不同。

在一些实施方式中，例如，如图13所示，机械关节100或500包括手动锁定装置208。手动锁定装置208构造为针对控制器120产生锁定信号206。当在操作期间启动手动锁定装置208并且控制器120接收到锁定信号206时，有限状态控制器进入锁定状态200。如上所述，在锁定状态200中，锁定机构112处于其锁定状态，第一连杆102和第二连杆110的屈曲运动受到力矩产生器108的阻力。在这种情况下，第一连杆102相对于第二连杆110的伸展运动是自由的且不受阻碍。在本发明的一些实施方式中，根据力矩产生器108的特性，可以帮助第一连杆102相对于第二连杆110的伸展运动。

在一些实施方式中，例如，如图13所示，机械关节100或500包括手动解锁装置209。手动解锁装置209构造为针对控制器120产生手动解锁信号203。当手动解锁装置209被启动并且控制器120接收到手动解锁信号203时，机械关节100或500进入解锁状态201。在解锁状态201中，锁定机构112处于其解锁状态，并且第一连杆102和第二连杆110可相对于彼此自由屈曲和伸展。

在本发明的一些实施方式中，机械关节100或500包括手动就座装置207。手动就座装置207构造为针对控制器120产生就座信号205。在操作中，当就座装置207被启动并且控制器120接收到就座信号205时，机械关节100或500将进入解锁状态201。这使穿戴者可以在没有任何阻力的情况下舒适地坐在椅子上。

在一些实施方式中，如图15所示，使用用户界面126将预定的最小负大腿角度166和预定的最大正大腿角度165分配给控制器120。在一些实施方式中，用户界面126构造为显示腿部信号121。在一些实施方式中，用户界面126包括任何信号产生器，例如但不限于按钮、开关、瞬时开关、滑动开关、旋钮、电位计、编码器或它们的组合。在一些实施方式中，用户界面126可以包括图形佩戴者界面。图形佩戴者界面126的一些例子包括但不限于移动电话、平板电脑、膝上型电脑、台式电脑、监控器及它们的组合。用户界面126构造为产生锁定信号206、解锁信号203和就座信号205并将这些信号(和其他信息)发送给控制器120。

锁定信号206能够将控制器从任何状态移动到其锁定状态200。解锁信号203能够将控制器120从任何状态移动到解锁状态201。就座信号205能够将控制器120从任何状态移动到锁定状态200。在一些实施方式中，用户界面126经由无线协议与控制器120无线通信。在一些实施方式中，用户界面126通过电线与控制器120通信。

机械关节100或500可用于各种配置。图19示出了包括机械关节500的外骨骼300的实施方式。在图19所示的实施方式中，第一连杆102连接于人的大腿180，第二连杆110连接于人的小腿182。人的膝关节与单个旋转轴线145实质对齐。第二连杆110朝向地面伸展并且连接于足部连杆103，使得足部连杆103可以相对于第二连杆110围绕踝关节101旋转。在本发明的一些实施方式中，足部连杆103连接于人的足部183。足部连杆103通过使用各种捆扎和支架形式而连接于穿戴者，以与人的足部183一致地移动。在本发明的一些实施方式中，足部连杆103嵌入鞋184中。在本发明的一些实施方式中，足部连杆103佩戴在穿戴者的鞋外部。在本发明的一些实施方式中，足部连杆103佩戴在穿戴者的鞋内部。

在本发明的一些实施方式中，例如图19所示的实施方式，外骨骼300包括机械关节500和能够连接到人的足部183的踝部外骨骼402。在本发明的一些实施方式中，踝部外骨骼402可连接于第二连杆110。在本发明的一些实施方式中，如图19所示，踝部外骨骼402佩戴在穿戴者的鞋184外部。

图20至图22描绘了本发明的实施方式，其中机械关节500可以与各种踝足矫形器一起用于各种构造。

在本发明的一些实施方式中，如图20所示，外骨骼400包括机械关节500和踝足矫形器404。在本实施方式中，踝足矫形器404像鞋垫一样佩戴在穿戴者的鞋内部(为了清楚起见，没有示出穿戴者的鞋)。本领域普通技术人员可以得到可以与机械关节100或500结合使用的内部和外部踝足矫形器的许多形式。

图20示出的外骨骼400的实施方式中踝足矫形器404是标准的静态踝足矫形器。这种类型的踝足矫形器阻止跖屈，也可以阻止或限制背屈。

图21示出了包括机械关节500和踝足矫形器406的外骨骼450的实施方式，踝足矫形器406是具有固定的(但有时可调节的)铰接件的标准短腿踝足矫形器(AFO)。这种类型的AFO相对较轻且易于装入鞋中。踝足矫形器406包括足部连杆210。

图22示出了包括机械关节500和踝足矫形器408的外骨骼600，踝足矫形器408是跖屈阻止型AFO。该AFO用于通过不让足部连杆211指向下来起到阻止跖屈的作用。这种类型的AFO具有允许足部正常背屈的踝关节101。

应当理解，尽管示出了不同的踝足矫形器的具体例子，但是存在可以与本发明一起使用的其他类型的踝足矫形器。例如，在本发明的一些实施方式中，踝足矫形器是背屈辅助型AFO(未示出)。这种类型的AFO类似于图21中所示的AFO，但是具有用于在足部脱离地面时升高足部连杆的弹簧状铰接件。在本发明的一些实施方式中，踝足矫形器是标准的后片弹性踝足矫形器。在本发明的一些实施方式中，踝足矫形器是能量返回型踝足矫形器。这种类型的AFO使用内置于AFO材料中的自然弯曲来提供背屈辅助。这些装置常常由碳石墨材料制成。总的来说，本发明的踝足矫形器包括能够执行指定功能的任何装置，或内部或外部踝足矫形器的组合。外部或内部踝足矫形器的例子包括但不限于柔性AFO、刚性AFO、具有tamarack柔性件的AFO、具有反距骨(anti-talus)的AFO、AFO反距骨(前部壳体或壳体在前)、具有***踝关节的AFO、具有可调节的刚性踝关节的AFO、具有弹簧承载踝关节的AFO、具有可调节的弹簧承载踝关节的AFO及它们的组合。

图23示出了外骨骼610还包括外骨骼躯干350的本发明的实施方式。外骨骼躯干350可构造为连接于人的上半身181。在本发明的一些实施方式中，外骨骼躯干350使用躯干连接件353将躯干连杆130连接于人的上半身181。在本发明的一些实施方式中，将外骨骼躯干350像背包(未示出)一样连接于人体。在本发明的一些实施方式中，例如如图23所示，将外骨骼躯干350像腰带一样连接于人体。外骨骼躯干350包括能够连接于人的上半身和躯干的躯干连杆130。外骨骼躯干350还包括构造为连接于人的大腿180的大腿连杆107。大腿连杆107被连接为与人的大腿180一致地移动。在一些实施方式中，外骨骼躯干350的大腿连杆107连接于机械关节500的第一连杆102。在一些实施方式中，外骨骼躯干350的大腿连杆107连接于机械关节500的第二连杆110。在本发明的一些实施方式中，外骨骼躯干350和机械关节500不连接在一起。外骨骼躯干350还包括可构造为将大腿连杆107旋转地连接于躯干连杆130的躯干大腿连杆351。在本发明的一些实施方式中，躯干大腿连杆35连接于大腿连杆107。在本发明的一些实施方式中，躯干大腿连杆351不连接于大腿连杆107。在没有示出的替代实施方式中，躯干大腿连杆351连接于人的大腿180。在本发明的一些实施方式中，外骨骼躯干350还包括能够在躯干连杆130和躯干大腿连杆351之间提供力矩的致动器358。轴线352是髋部屈曲伸展轴线。用于致动器的电池369和控制器盒367在图23中示出。在本发明的一些实施方式中，腿部信号121表示第一连杆102相对于垂直重力线140或相对于地面144的绝对角度。在本发明的一些实施方式中，腿部信号121表示躯干大腿连杆351相对于垂直重力线140或相对于地面144(未示出)的绝对角度。在本发明的一些实施方式中，腿部信号121表示躯干大腿连杆351相对于与人的躯干实质平行的躯干连杆130的角度。

图24至图27描绘了包括外骨骼躯干350和踝部外骨骼或踝足矫形器(例如，402、404、406和408)的本发明的实施方式(外骨骼620、630、640和650)。在所示的实施方式中，本发明的踝足矫形器(404、406、408)能够连接于人的足部183并且可连接于与小腿182连接的连杆，例如，第二连杆114。在图24的实施方式中，外骨骼躯干350通过肩带188连接于人体。

Claims (30)

1.一种机械关节，其包括：

第一连杆；

中间连杆，其包括第一端部和第二端部，其中中间连杆的第一端部旋转地连接于第一连杆；

力矩产生器，其构造为在第一连杆和中间连杆之间产生被动力矩；

第二连杆，其旋转地连接于中间连杆的第二端部；

锁定机构，其中锁定机构可在锁定状态和解锁状态之间切换，其中，当锁定机构处于解锁状态时，锁定机构允许第一连杆相对于第二连杆(110)在第一旋转方向和第二旋转方向上自由旋转，并且其中，当锁定机构处于锁定状态时，锁定机构构造为阻碍第一连杆相对于第二连杆(110)在第一旋转方向上的旋转，并且允许第一连杆相对于第二连杆在与第一旋转方向相反的第二旋转方向上旋转。

2.根据权利要求1所述的机械关节，其中，第一连杆相对于中间连杆旋转的轴线与第二连杆相对于中间连杆旋转的轴线实质彼此平行。

3.根据权利要求1所述的机械关节，其中，第一连杆相对于中间连杆旋转的轴线与第二连杆相对于中间连杆旋转的轴线彼此重合。

4.根据权利要求1所述的机械关节，其中，当锁定机构处于锁定状态时，锁定机构构造为在第一旋转方向上相对于中间连杆锁定第二连杆，并允许第二连杆相对于中间连杆在与第一旋转方向相反的第二旋转方向上旋转。

5.根据权利要求0所述的机械关节，其还包括致动器，其中锁定机构通过致动器将中间连杆锁定至第二连杆。

6.根据权利要求0所述的机械关节，其中，致动器包括从电动马达、具有传动装置的电动马达、螺线管、液压致动器和气动致动器组成的组中选择的元件或元件的组合。

7.根据权利要求1所述的机械关节，其中，力矩产生器从气动缸体、液压缸体、具有液压部件的缸体、具有气动部件的缸体、气弹簧、气垫、液压阻尼器、可锁定的气弹簧、可锁定的阻尼器、压缩弹簧、拉伸弹簧和螺旋弹簧组成的组中选择。

8.根据权利要求0所述的机械关节，其中，机械关节是矫形腿的一部分并且可操作为矫形腿的膝关节，其中第一连杆和第二连杆中的一个可构造为连接于人的大腿，并且其中第一连杆和第二连杆中的另一个可构造为连接于人的小腿。

9.根据权利要求0所述的机械关节，其中，机械关节是矫形腿的一部分并且可操作为矫形腿的膝关节，其中第一连杆和第二连杆中的一个可构造为与人的大腿一致地移动，并且其中第一连杆和第二连杆中的另一个可构造为与人的小腿一致地移动。

10.根据权利要求0所述的机械关节，其中，锁定机构构造为使用第一摩擦表面与第二摩擦表面之间的摩擦力来阻碍第二连杆相对于中间连杆在第一旋转方向上的自由旋转。

11.根据权利要求10所述的机械关节，其还包括电致动器，其中第一摩擦表面是连接于中间连杆的心轴的外表面，其中第二摩擦表面是从卷簧的第一端部处连接于第二连杆的、卷簧的内表面，并且其中通过移动卷簧的第二端部，电致动器在心轴的外表面与卷簧的内表面之间施加压力。

12.根据权利要求0所述的机械关节，其还包括可操作为从机械关节接收至少一个腿部信号的至少一个控制器，其中控制器构造为基于至少一个腿部信号使机械关节移动到锁定状态。

13.根据权利要求0所述的机械关节，其中，至少一个信号表示第一连杆或第二连杆中的、连接于人的大腿的连杆相对于从垂直重力线和与人的躯干实质平行的线组成的组中选择的线的绝对角度。

14.根据权利要求0所述的机械关节，其中，至少一个信号表示人的大腿相对于从垂直重力线和与人的躯干实质平行的线组成的组中选择的线的绝对角度。

15.根据权利要求0所述的机械关节，其中，当至少一个腿部信号表示人的大腿相对于从垂直重力线和与人的躯干实质平行的线组成的组中选择的线的绝对角度大于预先规定的最大正大腿角度时，控制器构造为使机械关节移动到锁定状态。

16.根据权利要求0所述的机械关节，其中，当至少一个腿部信号表示人的大腿相对于从垂直重力线和与人的躯干实质平行的线组成的组中选择的线的绝对角度小于预先规定的最小负大腿角度时，控制器构造为使机械关节移动到解锁状态。

17.根据权利要求0所述的机械关节，其中，当至少一个腿部信号表示第一连杆和第二连杆中的、连接于人的大腿的连杆相对于从垂直重力线和与人的躯干实质平行的线组成的组中选择的线的绝对角度大于预先规定的最大正大腿角度时，控制器构造为使机械关节移动到锁定状态。

18.根据权利要求0所述的机械关节，其中，当至少一个腿部信号表示第一连杆和第二连杆中的、连接于人的大腿的连杆相对于从垂直重力线和与人的躯干实质平行的线组成的组中选择的线的绝对角度小于预先规定的最小负大腿角度时，控制器构造为使机械关节移动到解锁状态。

19.根据权利要求0所述的机械关节，其还包括可操作为针对至少一个控制器产生手动锁定信号的手动锁定装置，其中当手动锁定信号被人启动时，锁定机构移动到锁定状态。

20.根据权利要求0所述的机械关节，其还包括可操作为针对至少一个控制器产生手动解锁信号的手动解锁装置，其中当手动解锁装置被人启动时，锁定机构移动到解锁状态。

21.一种机械关节，其包括：

第一连杆；

中间连杆，其包括第一端部和第二端部，其中中间连杆的第一端部旋转地连接于第一连杆；

力矩产生器，其中力矩产生器构造为在第一连杆和中间连杆之间产生被动力矩；

第二连杆，其旋转地连接于中间连杆的第二端部；

至少一个腿部传感器，其可操作为产生表示人的大腿相对于从垂直重力线和与人的躯干实质平行的线组成的组中选择的线的绝对角度的腿部信号；

锁定机构，其中锁定机构可在锁定状态和解锁状态之间切换，其中当锁定机构处于解锁状态时，锁定机构允许第一连杆相对于第二连杆在第一旋转方向和第二旋转方向上自由旋转，并且其中当锁定机构处于锁定状态时，锁定机构构造为阻碍第一连杆相对于第二连杆(110)在第一旋转方向上的旋转，并且允许第一连杆相对于第二连杆在与第一旋转方向相反的第二旋转方向上旋转；以及

与锁定机构通信的控制器，其中控制器构造为基于至少一个腿部传感器产生的腿部信号的测量结果使锁定机构移动到锁定状态和解锁状态。

22.根据权利要求0所述的机械关节，其中，当机械关节处于锁定状态并且腿部信号表示人的大腿相对于从垂直重力线和与人的躯干实质平行的线组成的组中选择的线的绝对角度小于预先规定的最小负大腿角度时，控制器适于使机械关节移动到解锁状态。

23.根据权利要求0所述的机械关节，其中，当机械关节处于解锁状态并且腿部信号表示人的大腿相对于从垂直重力线和与人的躯干实质平行的线组成的组中选择的线的绝对角度大于预先规定的最大正大腿角度时，控制器适于使机械关节移动到锁定状态。

24.根据权利要求0所述的机械关节，其中，第一连杆相对于中间连杆旋转的轴线与第二连杆相对于中间连杆旋转的轴线彼此重合。

25.根据权利要求21所述的机械关节，其中，当锁定机构处于锁定状态时，锁定机构构造为在第一旋转方向上相对于第二连杆锁定中间连杆，并允许中间连杆相对于第二连杆在与第一旋转方向相反的第二旋转方向上旋转。

26.一种机械关节，其构造为连接于人的下肢，该机械关节包括：

第一连杆；

中间连杆，其包括第一端部和第二端部，其中中间连杆的第一端部旋转地连接于第一连杆；

力矩产生器，其中力矩产生器构造为在第一连杆和中间连杆之间产生被动阻力力矩；

第二连杆，其旋转地连接于中间连杆的第二端部；

卷簧，其中卷簧的第一端部连接于第二连杆；

至少一个电致动器，其连接于卷簧，以定位卷簧的第二端部：

控制器，其与至少一个电致动器通信；以及

心轴，其连接于中间连杆，其中心轴的一部分位于卷簧内部，并且其中心轴的主轴线实质平行于卷簧的主轴线，

其中控制器使电致动器定位卷簧的第二端部，以相对于第二连杆阻碍第一连杆。

27.根据权利要求0所述的机械关节，其中，力矩产生器从气动缸体、液压缸体、具有液压部件的缸体、具有气动部件的缸体、气弹簧、液压阻尼器、可锁定的气弹簧、气垫、可锁定的阻尼器、压缩弹簧、拉伸弹簧和螺旋弹簧组成的组中选择。

28.一种机械关节，其包括：

第一连杆；

中间连杆，其包括第一端部和第二端部，其中中间连杆的第一端部旋转地连接于第一连杆；

力矩产生器，其中力矩产生器构造为在第一连杆和中间连杆之间产生力矩；

第二连杆，其旋转地连接于中间连杆的第二端部；以及

锁定机构，其中锁定机构可在锁定状态和解锁状态之间切换，其中当锁定机构处于解锁状态时，锁定机构允许第一连杆相对于第二连杆在第一旋转方向和第二旋转方向上自由旋转，并且其中当锁定机构处于锁定状态时，锁定机构构造为阻碍第一连杆相对于第二连杆在第一旋转方向上的旋转。

29.根据权利要求0所述的机械关节，其中，力矩产生器从气动缸体、液压缸体、具有液压部件的缸体、具有气动部件的缸体、气弹簧、气垫、液压阻尼器、可锁定的气弹簧、可锁定的阻尼器、压缩弹簧、拉伸弹簧、螺旋弹簧、电动马达、具有传动装置的电动马达以及液压马达组成的组中选择。

30.根据权利要求0所述的机械关节，其中，第一连杆相对于中间连杆旋转的轴线与第二连杆相对于中间连杆旋转的轴线彼此重合。