本發(fā)明涉及一種穿戴式外骨骼助行裝置，具體涉及一種具有行走模式和平衡車模式的穿戴式外骨骼助行裝置。

背景技術(shù)：

目前，隨著外骨骼技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)出越來(lái)越多的下肢外骨骼裝置用于提供支撐、保護(hù)以及增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)能力。但是到目前為止，穿戴式外骨骼助行裝置的移動(dòng)速度比較慢，無(wú)法進(jìn)行快速移動(dòng)。

近年來(lái)，兩輪平衡車技術(shù)不斷發(fā)展。在平坦路面上，兩輪平衡車因其靈活性和便捷性而得到日益增加的應(yīng)用。

目前，尚沒有結(jié)合穿戴式外骨骼助行裝置與平衡車優(yōu)點(diǎn)的裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種穿戴式外骨骼助行裝置，其特征在于：所述穿戴式外骨骼助行裝置具有行走模式和平衡車模式，包括

下肢外骨骼助行系統(tǒng)，所述下肢外骨骼助行系統(tǒng)包括腰部外骨骼、大腿外骨骼、小腿外骨骼、腳部外骨骼、輪架、電動(dòng)輪、陀螺儀和重力傳感器，所述腰部外骨骼與所述大腿外骨骼通過(guò)髖部鉸鏈部件連接，所述大腿外骨骼與所述小腿外骨骼通過(guò)膝部鉸鏈部件連接，所述小腿外骨骼與所述腳部外骨骼通過(guò)踝部鉸鏈部件連接，所述腰部外骨骼、大腿外骨骼、小腿外骨骼和腳部外骨骼各自具有人體固定件，所述輪架一端與所述腳部外骨骼的外側(cè)通過(guò)輪架鉸鏈部件連接，所述輪架的另一端安裝所述電動(dòng)輪，所述鉸鏈部件均包含電機(jī)，所述陀螺儀和重力傳感器安裝在所述小腿外骨骼外側(cè)，并與所述電動(dòng)輪通過(guò)信號(hào)線連接；

上體外骨骼，包括軀干外骨骼、上臂外骨骼、前臂外骨骼；所述軀干外骨骼與所述腰部外骨骼通過(guò)腰部鉸鏈部件連接，所述上臂外骨骼與軀干外骨骼通過(guò)肩部鉸鏈部件連接，所述前臂外骨骼與上臂外骨骼通過(guò)肘部鉸鏈部件連接；所述軀干外骨骼、上臂外骨骼和前臂外骨骼各自具有人體固定件，所述鉸鏈部件均包含電機(jī)；

所述電機(jī)和所述電動(dòng)輪由便攜式電源驅(qū)動(dòng)，

當(dāng)處于行走模式時(shí)，所述輪架繞所述輪架鉸鏈部件轉(zhuǎn)動(dòng)到使得所述電動(dòng)輪的下端高于所述腳部外骨骼的下端的位置并被鎖定；

當(dāng)處于平衡車模式時(shí)，所述輪架繞所述輪架鉸鏈部件轉(zhuǎn)動(dòng)到豎直位置并被鎖定，使得所述電動(dòng)輪的下端低于所述腳部外骨骼的下端。

優(yōu)選地，當(dāng)處于行走模式時(shí)，所述電動(dòng)輪位于小腿外骨骼外側(cè)。

優(yōu)選地，當(dāng)處于平衡車模式時(shí)，所述髖部鉸鏈部件、所述膝部鉸鏈部件和所述踝部鉸鏈部件被鎖定。

優(yōu)選地，當(dāng)處于平衡車模式時(shí)，所述髖部鉸鏈部件、所述膝部鉸鏈部件和所述踝部鉸鏈部件的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍被限定在±15度以內(nèi)。

優(yōu)選地，所述便攜式電源固定在腰部外骨骼上。

本發(fā)明的穿戴式外骨骼助行裝置可以允許穿戴者在平坦路面上以平衡車模式快速負(fù)重行進(jìn)，同時(shí)在平坦路面時(shí)可切換至行走模式，跨越障礙。

附圖說(shuō)明

如圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例的平衡車模式下的示意圖。

如圖2為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例的行走模式下的示意圖。

如圖3為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例的小腿外骨骼、膝部鉸鏈部件和大腿外骨骼的示意圖。

如圖4為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例的平衡車模式下的另一個(gè)示意圖。

如圖5為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例的上臂外骨骼、肘部鉸鏈部件和前臂外骨骼的示意圖。

如圖6為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例的腳部外骨骼、輪架和電動(dòng)輪的示意圖。

如圖7為行走模式下的外骨骼側(cè)面示意圖。

如圖8為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例的行走模式下的另一個(gè)示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供一種穿戴式外骨骼助行裝置，其特征在于：所述穿戴式外骨骼助行裝置具有行走模式和平衡車模式，包括

下肢外骨骼助行系統(tǒng)，所述下肢外骨骼助行系統(tǒng)包括腰部外骨骼、大腿外骨骼、小腿外骨骼、腳部外骨骼、輪架、電動(dòng)輪、陀螺儀和重力傳感器，所述腰部外骨骼與所述大腿外骨骼通過(guò)髖部鉸鏈部件連接，所述大腿外骨骼與所述小腿外骨骼通過(guò)膝部鉸鏈部件連接，所述小腿外骨骼與所述腳部外骨骼通過(guò)踝部鉸鏈部件連接，所述腰部外骨骼、大腿外骨骼、小腿外骨骼和腳部外骨骼各自具有人體固定件，所述輪架一端與所述腳部外骨骼的外側(cè)通過(guò)輪架鉸鏈部件連接，所述輪架的另一端安裝所述電動(dòng)輪，所述鉸鏈部件均包含電機(jī)，所述陀螺儀和重力傳感器安裝在所述小腿外骨骼外側(cè)，并與所述電動(dòng)輪通過(guò)信號(hào)線連接；

上體外骨骼，包括軀干外骨骼、上臂外骨骼、前臂外骨骼；所述軀干外骨骼與所述腰部外骨骼通過(guò)腰部鉸鏈部件連接，所述上臂外骨骼與軀干外骨骼通過(guò)肩部鉸鏈部件連接，所述前臂外骨骼與上臂外骨骼通過(guò)肘部鉸鏈部件連接；所述軀干外骨骼、上臂外骨骼和前臂外骨骼各自具有人體固定件，所述鉸鏈部件均包含電機(jī)；

所述電機(jī)和所述電動(dòng)輪由便攜式電源驅(qū)動(dòng)，

當(dāng)處于行走模式時(shí)，所述輪架繞所述輪架鉸鏈部件轉(zhuǎn)動(dòng)到使得所述電動(dòng)輪的下端高于所述腳部外骨骼的下端的位置并被鎖定；

當(dāng)處于平衡車模式時(shí)，所述輪架繞所述輪架鉸鏈部件轉(zhuǎn)動(dòng)到豎直位置并被鎖定，使得所述電動(dòng)輪的下端低于所述腳部外骨骼的下端。

本發(fā)明的穿戴式外骨骼助行裝置包括下肢外骨骼助行系統(tǒng)和上體外骨骼。其中，下肢外骨骼助行系統(tǒng)的主要作用是實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)功能，上體外骨骼的主要作用是實(shí)現(xiàn)負(fù)重功能。

下肢外骨骼助行系統(tǒng)的各個(gè)外骨骼部件可以根據(jù)本領(lǐng)域公知的人體固定件固定到人體。固定件的實(shí)例包括約束帶等。這樣，當(dāng)外骨骼在電力驅(qū)動(dòng)下運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)人的肢體運(yùn)動(dòng)。

下肢外骨骼的各個(gè)關(guān)節(jié)均為鉸鏈部件，并且鉸鏈部件包括電機(jī)。在電力驅(qū)動(dòng)下，電機(jī)可以時(shí)各外骨骼繞鉸鏈部件轉(zhuǎn)動(dòng)，從而起到幫助穿戴者行走的作用。

本發(fā)明的下肢外骨骼助行系統(tǒng)還包括輪架、電動(dòng)輪、陀螺儀和重力傳感器。輪架的作用是將電動(dòng)輪連接到下肢外骨骼系統(tǒng)上并且可以調(diào)節(jié)固定電動(dòng)輪的位置。具體地，輪架可以為一桿件，其一端通過(guò)輪架鉸鏈部件鉸接在腳部外骨骼的外側(cè)，另一端上有軸孔，用于安裝電動(dòng)輪。安裝后，電動(dòng)輪位于腳部外骨骼的外側(cè)。當(dāng)輪架繞輪架鉸鏈部件轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電動(dòng)輪可以在豎直面上隨之繞輪架鉸鏈部件轉(zhuǎn)動(dòng)。輪架鉸鏈部件包含電機(jī)，以主動(dòng)帶動(dòng)上述轉(zhuǎn)動(dòng)。此外，電機(jī)可以鎖定位置(即角度)，或者可以通過(guò)其他鎖定方式將輪架和電動(dòng)輪鎖定在想要的位置。

陀螺儀和重力傳感器安裝在所述小腿外骨骼外側(cè)，并與所述電動(dòng)輪通過(guò)信號(hào)線連接。在平衡車模式下，當(dāng)使用者身體重心變化時(shí)，陀螺儀和重力傳感器可以感測(cè)該重心變化，并將信號(hào)通過(guò)信號(hào)線傳輸給電動(dòng)輪。電動(dòng)輪可以通過(guò)該信號(hào)，來(lái)控制裝置在該模式下的移動(dòng)方向和平衡。

利用陀螺儀和重力傳感器并通過(guò)電動(dòng)輪構(gòu)成平衡車的一些方案是已知的。本發(fā)明可以采用任何具體方案，只要與本發(fā)明的原理和結(jié)構(gòu)不矛盾即可。

本發(fā)明也包括上體外骨骼。上體外骨骼無(wú)論在平衡車模式還是行走模式下都具有助力作用，可以幫助使用者負(fù)重，提高負(fù)重運(yùn)動(dòng)能力。

當(dāng)本發(fā)明的裝置處于行走模式時(shí)，所述輪架繞所述輪架鉸鏈部件轉(zhuǎn)動(dòng)到使得所述電動(dòng)輪的下端高于所述腳部外骨骼的下端的位置并被鎖定。這時(shí)，下肢外骨骼助行系統(tǒng)發(fā)揮行走功能。行走模式的下肢外骨骼助行系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)可以是任何適合于下肢助行目的的設(shè)計(jì)，包括本領(lǐng)域已知的各種下肢外骨骼助行器。各關(guān)節(jié)部將各外骨骼轉(zhuǎn)動(dòng)連接，其中轉(zhuǎn)動(dòng)連接可以是具有適宜的自由度的。例如膝關(guān)節(jié)可以是僅提供屈伸自由度的，而髖關(guān)節(jié)可以是提供屈伸和側(cè)展兩個(gè)自由度的。在這些部件中，還可以包括合適的助力或驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以及各種其他機(jī)械、電氣等輔助系統(tǒng)。例如，關(guān)于髖關(guān)節(jié)部，除電機(jī)外，可以包括髖關(guān)節(jié)角度傳感器、及髖部寬度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等。在行走模式下，關(guān)節(jié)處可隨人體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，各關(guān)節(jié)處傳感器感應(yīng)人體關(guān)節(jié)的屈伸，驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)責(zé)提供驅(qū)動(dòng)力，使穿戴者行走更輕松。

需要注意的是，在行走模式下，固定的輪架及電動(dòng)輪的位置不應(yīng)影響助行系統(tǒng)的正常行走。雖然在站立在平坦地面時(shí)，電動(dòng)輪的下端高于腳部外骨骼下端即地面即可，但是考慮到邁步動(dòng)作和地面不平坦等因素，在行走模式下，電動(dòng)輪位置高是有利的。

相對(duì)地，在平衡車模式下，輪架向下旋轉(zhuǎn)，本發(fā)明的裝置的構(gòu)造變?yōu)殡妱?dòng)輪著地而腳部外骨骼底部不著地。這樣，對(duì)于穿戴者來(lái)說(shuō)，本裝置變?yōu)橐粋€(gè)平衡車。在平坦路面上，穿戴者可以借助平衡車快速前進(jìn)。

本發(fā)明的電機(jī)和所述電動(dòng)輪由便攜式電源驅(qū)動(dòng)。便攜式電源可以為蓄電池。電源與各電機(jī)和電動(dòng)輪的連接方式可以是任何不影響本發(fā)明效果的方式。

本發(fā)明的穿戴式外骨骼助行裝置還可以具有其他的部件，例如用手控制的操作系統(tǒng)等等，只要這些部件與本發(fā)明的行走模式及平衡車模式構(gòu)造不沖突即可。

通過(guò)上述方案，本發(fā)明的穿戴式外骨骼助行裝置可以在自由的行走模式和快速的平衡車模式之間切換。

所述鉸鏈部件的電機(jī)能夠提供轉(zhuǎn)動(dòng)功能并可以被鎖定。優(yōu)選地，它們可以為諧波減速器。

在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，當(dāng)處于行走模式時(shí)，所述電動(dòng)輪位于小腿外骨骼外側(cè)。由此，可以使電動(dòng)輪對(duì)行走的影響盡可能小。

優(yōu)選地，所述髖部鉸鏈部件、所述膝部鉸鏈部件和所述踝部鉸鏈部件被鎖定。鎖定方式可以是已知的各種鎖定方式，在本發(fā)明中不作特別的限制。這樣，可以通過(guò)使用者上半身的重心移動(dòng)，控制平衡車的移動(dòng)和轉(zhuǎn)向。所述髖部鉸鏈部件、所述膝部鉸鏈部件和所述踝部鉸鏈部件也可以在一定程度上被鎖定，即僅可以在一定角度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。所述角度范圍可以是例如±15度以內(nèi)、±10度以內(nèi)、±5度以內(nèi)，從而在平衡車模式下仍為使用者的下肢提供一定的自由度。

優(yōu)選地，所述便攜式電源固定在腰部外骨骼上。便攜式電源一般比較沉重。如果將其與電動(dòng)平衡車一樣設(shè)置在腳踏板下方或周邊時(shí)，當(dāng)處于行走模式時(shí)，邁步是將花費(fèi)較多能量提升和移動(dòng)電源。另一方面，如果將其設(shè)置在上體外骨骼上，雖然在行走時(shí)其重心顛簸較小，但當(dāng)處于平衡車模式時(shí)，使用者通過(guò)上身重心移動(dòng)來(lái)控制平衡車將會(huì)變得困難。因此，將便攜式電源固定在腰部外骨骼上，既不過(guò)多耗費(fèi)行走模式的能量消耗，又便于使用者在平衡車模式改變重心。

本發(fā)明的穿戴式外骨骼助行裝置在平面的自由場(chǎng)地，能夠切換成平衡車模式利用其電動(dòng)輪移動(dòng)，當(dāng)遇到障礙或路況不好的地形，能夠轉(zhuǎn)換成行走模式，使用外骨骼助行系統(tǒng)行走。本發(fā)明可以使穿戴者增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)能力，攜帶負(fù)重運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明能夠在所有地形上移動(dòng)，并將平衡車的快速移動(dòng)和外骨骼的輔助行走功能集合于一體。

以下通過(guò)附圖更詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明的。注意附圖僅是說(shuō)明性的，不意在限制本發(fā)明。

圖1顯示了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，其處于平衡車模式。此穿戴式外骨骼助行裝置包括下肢外骨骼助行系統(tǒng)和上體外骨骼。下肢外骨骼助行系統(tǒng)包括腰部外骨骼及左右大腿、小腿和腳部外骨骼、輪架、電動(dòng)輪、陀螺儀和重力傳感器。上體外骨骼包括軀干外骨骼及左右上臂和前臂外骨骼。具體地，包括電動(dòng)輪1、大腿外骨骼2、小腿外骨骼3、軀干外骨骼4、上臂外骨骼5、腳部外骨骼6、膝部鉸鏈部件7、前臂外骨骼8、踝部鉸鏈部件9、髖部鉸鏈部件10、肩部鉸鏈部件11、肘部鉸鏈部件12、腰部外骨骼13、腰部鉸鏈部件14、輪架15和輪架鉸鏈部件16組成，左右下肢外骨骼用于固定于使用者的大腿、小腿和腳、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)。腰部外骨骼將腰部固定，通過(guò)髖關(guān)節(jié)10連接了左、右大腿外骨骼；上體外骨骼固定于使用者上身各部位。圖中僅示出了部分部件，一些不影響裝置結(jié)構(gòu)的部件(如便攜式電源、電線等)未示出。圖1中，電動(dòng)輪1著地而腳部外骨骼6不著地，穿戴者可以將該裝置當(dāng)作平衡車使用。在圖中，踝部鉸鏈部件9和輪架鉸鏈部件16位于相同的位置。但是，這兩個(gè)鉸鏈部件也可以位于不同的位置。腳部外骨骼與輪架及電動(dòng)輪一起形成平衡車，其中腳部外骨骼相當(dāng)于平衡車中的踏板。

圖2是行走模式的示意圖。如圖中所示，輪架繞輪架鉸鏈部件向后轉(zhuǎn)動(dòng)，電動(dòng)輪抬高，腳部外骨骼著地。由此，形成了正常的下肢外骨骼助行系統(tǒng)。注意到，電動(dòng)輪的位置應(yīng)不影響穿戴者的正常邁步行走。

圖3是部分下肢外骨骼示意圖。大腿外骨骼下端與小腿外骨骼上端通過(guò)膝關(guān)節(jié)鉸鏈部件相連，提供膝關(guān)節(jié)的屈伸能力。此外，大腿外骨骼上端與腰部外骨骼通過(guò)髖關(guān)節(jié)鉸鏈部件相連，提供髖關(guān)節(jié)的側(cè)展和屈伸的運(yùn)動(dòng)能力。小腿外骨骼下端通過(guò)踝關(guān)節(jié)鉸鏈部件和腳部外骨骼相連，提供踝關(guān)節(jié)的屈伸運(yùn)動(dòng)能力。

圖4是從側(cè)后方觀察本發(fā)明一個(gè)實(shí)例的圖。

圖5是臂部外骨骼示意圖。上臂外骨骼的下端和前臂外骨骼通過(guò)肘關(guān)節(jié)鉸鏈部件相連，提供肘關(guān)節(jié)的屈伸運(yùn)動(dòng)能力。此外，上臂外骨骼上端與軀干外骨骼通過(guò)肩關(guān)節(jié)鉸鏈部件相連，提供肩關(guān)節(jié)的屈伸和外展運(yùn)動(dòng)能力。

圖6顯示了腳部外骨骼和電動(dòng)輪通過(guò)輪架的連接。在圖中，腳部外骨骼呈腳套的形式。不過(guò)，腳部外骨骼也可以為其他形式，只要其能完成本發(fā)明的兩種模式即可。

圖7顯示了電動(dòng)輪通過(guò)輪架與腳部外骨骼在踝部鉸鏈部件的位置相連，在行走模式下將電動(dòng)輪抬高，而移動(dòng)模式下，電動(dòng)輪向下轉(zhuǎn)動(dòng)。需要再次指出的是，輪架鉸鏈部件不必須與踝部鉸鏈部件處于同一位置。

圖8顯示軀干外骨骼與腰部外骨骼通過(guò)腰部鉸鏈部件連接的示意圖。本發(fā)明的便攜電源、控制設(shè)備等可以固定在腰部外骨骼的背部。

應(yīng)當(dāng)注意，上述附圖均為示意性的，其并未顯示本發(fā)明的所有特征，并且本發(fā)明也不限于這些附圖所具體表示的結(jié)構(gòu)。

以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。