專利名稱：功率產(chǎn)生腿的制作方法
功率產(chǎn)生腿城樹麵史叉M本申請案主張2006年3月9日申請的題為"功率產(chǎn)生腿(POWER GENERATING LEGS)"的第60/781,569號美國臨時申請案的優(yōu)先權(quán)，所述申請案的全部出于所有目的 以引用的方式并入本文。襪水領(lǐng)域本申請案大體.卜.涉及功率產(chǎn)生腿的領(lǐng)域，冊雙*人類以循環(huán)運動行走a因此存在著提供一種將行走機械功率轉(zhuǎn)換為電功率的裝置的 機會》特定來說，本申請案描述一種功率產(chǎn)生腿，其經(jīng)配置以耦合到人的下肢并在人行 走時產(chǎn)生功率，本文描述的功率產(chǎn)生腿可以是矯正腿或假腿，在一些實施例中，功率產(chǎn) 生腿是具有機器人外骨骼的腿。發(fā)明內(nèi)察在一個示范性實施例中， 一種功率產(chǎn)生腿經(jīng)配置以耦合到人的下肢，所述功率產(chǎn)生 腿包括大腿連桿、小腿連桿、膝蓋機構(gòu)、轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器和功率單元。所述膝蓋機構(gòu)連接到 所述大腿連桿和所述小腿連桿，且經(jīng)配置以允許所述大腿連桿和所述小腿連桿相對于彼 此的彎曲和伸展移動，所述轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器經(jīng)配置以在所述大腿連桿與所述小腿連桿之間產(chǎn) 生轉(zhuǎn)矩。所述功率單元耦合到所述轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器，且經(jīng)配置以促使所述轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器產(chǎn)生轉(zhuǎn) 矩。當(dāng)所述功率單元在功率再生模式中時，所述功率單元促使所述轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器產(chǎn)生對抗 所述大腿連桿與所述小腿連桿相對于彼此的角速度的轉(zhuǎn)矩，且所述功率單元將與所述轉(zhuǎn) 矩與所述小腿連桿和所述大腿連桿相對于彼此的所述角速度的乘積相關(guān)聯(lián)的功率的一 部分轉(zhuǎn)換為將存儲在存儲裝置中的電功率， 附困說明當(dāng)參看附圖閱讀以下具體實施方式
時將更理解本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu) 點，所有附圖中相同符號表示相同部分，其中-圉l是功率產(chǎn)生腿的示范性實施例的側(cè)視圖a圖2是耦合到人的下肢的功率產(chǎn)生腿的示范性實施例的側(cè)視圉。
圖3是耦合到人的下肢的功率產(chǎn)生腿的示范性實施例的側(cè)視圖a圖4是功率產(chǎn)生腿的示范性實施例的透視圖。圖5是耦合到人的下肢的充當(dāng)假腿的功率產(chǎn)生腿的示范性實施例的側(cè)視圉。圖6是耦合到人的下胺的功率產(chǎn)生腿的示范性實施例的側(cè)視圖， 圖7是耦合到人的下胺的功率產(chǎn)生腿的示范性實施例的側(cè)視圖。 圉8是耦合到人的下胺的功率產(chǎn)生腿的示范性實施例的側(cè)視圉， 圉9是功率產(chǎn)生腿的示范性實施例的一部分的側(cè)視圖。 團IO是功率單元的示范性實施例的框圖。 閣11是功率單元的示范性實施例的框閣。

圖12是功率單元的示范性實施例的框閣。圖13最功率單元的示范性實施例的框圖，圖14是描繪人在下樓梯時的膝蓋功率和膝蓋角度的曲線圉，圖15是描繪人在水平地面上行走時的膝蓋轉(zhuǎn)矩和膝蓋角度的曲線圖。圖16展示人在上樓梯時的膝蓋功率和膝蓋角度。圖n是功率單元的示范性實施例的框圖，圖18是功率單元的示范性實施例的框圖。
具體實施方式
根據(jù)一實施例，圖1是說明功率產(chǎn)生腿100的圖。功率產(chǎn)生腿100經(jīng)配置以耦合到 人的下肢。功率產(chǎn)生腿100包括大腿連桿103和小腿連桿105a膝蓋機構(gòu)107連接到大 腿連桿103和小腿連桿105。膝蓋機構(gòu)107經(jīng)配置以允許大腿連桿103與小腿連桿105 之間的彎曲移動(在箭頭240的方向上)和伸展移動(在箭頭241的方向上)。轉(zhuǎn)矩產(chǎn) 生器213經(jīng)配置以強加影響大腿連桿103與小腿連桿105相對于彼此移動的轉(zhuǎn)矩。功率 單元215耦合到轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器213，且經(jīng)配置以促使轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器213產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。當(dāng)功率單元215在功率再生模式中操作時，功率單無215經(jīng)配置以促使轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器 213產(chǎn)生對抗大腿連桿103與小腿連桿105相對于彼此的角速度的轉(zhuǎn)矩.在此功率再生 模式中，功率單元215進一歩將與所產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩與小腿連桿105和大腿連桿103相對于彼 此的角速度的乘積相關(guān)聯(lián)的功率的一部分轉(zhuǎn)換為將存儲在存儲裝置中的電功率，在一些 實施例中，存儲裝置位于功率單元215內(nèi)。在一些實施例中，存儲裝置在外部。在一些 實施例中，所轉(zhuǎn)換的電功率存儲在一組電池中。在一些實施例中，所轉(zhuǎn)換的電功率存儲 在一組電容器中。 在一些實施例中，功率單元215進一歩在功率利用模式中操作，在此模式期間，使 用所存儲功率的功率單元215經(jīng)配置以促使轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器213產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。在一些實施例中， 在功率利用模式中使用的功率的一部分是在功率再生模式中產(chǎn)生的電功率。在一些實施例中，功率單元215進一步在功率耗散模式中操作，在此模式期間，功 率單元215經(jīng)配置以促使轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器213產(chǎn)生對抗大腿連桿103與小腿連桿105相對于 彼此的角速度的轉(zhuǎn)矩，功率單元215還耗散與所述轉(zhuǎn)矩與大腿連桿103和小腿連桿105 相對于彼此的角速度的乘積相關(guān)聯(lián)的功率。在一些實施例中，如圖2所示，膝蓋機構(gòu)107包括至少一個旋轉(zhuǎn)接頭，旋轉(zhuǎn)接頭經(jīng) 配置以允許大腿連桿103和小腿連桿105相對于彼此的旋轉(zhuǎn)彎曲和伸展移動。在一些實施例中，如兩2所示，大腿連桿103與人的大腿242接觸，因此其可由人 的大腿移動。在一些實施例中，大腿連桿103 W連接到人的大腿。罔3展示一實施例， 其中功率產(chǎn)生腿100包括大腿箍帶243,其可連接到人的大腿242并在人的大腿移動時 促使大腿連桿103移動，為了清楚起見，在圉3中未展示轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器213,在一些實施例中，大腿箍帶243尤其包括圍繞人的大腿而包裹的材料。順從材料包 括選自由織物、紡織品、彈性體、橡膠和維克羅(vdcro)材料組成的群組的元件或元 件組合。在一些實施例中，如圖4所示，大腿箍帶243包括經(jīng)成形以部分包圍人的大腿 的托架。在一些實施例中，如衝5所示，功率產(chǎn)生腿HKJ充當(dāng)用于膝蓋以上截肢者的假腿， 在此情形下，大腿連桿103包括可附接到截肢者的剩余大腿的承窩254,因此，功率產(chǎn) 生腿100充當(dāng)膝蓋上方假肢裝置。在一些實施例中，功率產(chǎn)生腿100包含人造足256,根據(jù)圖6所示的實施例，小腿連桿105經(jīng)配置以與人的小腿接觸，因此其可由人的 小腿移動。在一些實施例中，小腿連桿103經(jīng)配置以連接到人的小腿。圖7展示一實施 例，其中功率產(chǎn)生腿100包括小腿箍帶244,其可連接到人的小腿245并在人的小腿移 動時促使小腿連桿105移動。為了清楚起見，在圖7中部分展示轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器213。在一些實施例中，小腿箍帶244尤其包括圍繞人的小腿245而包裹的順從材料。順 從材料包括選自由織物、鈁織品、彈性體、橡膠和維克羅(vekro)材料組成的群組的 元件或元件組合。在一些實施例中，如圖8所示，小腿箍帶244包括經(jīng)成形以部分包圍 人的小腿245的托架，概括來說，功率產(chǎn)生腿IOO可以是矯正腿或假腿。在一些實施例中，功率產(chǎn)生腿100 是具有如圖4所示的外骨骼的腿。在一些實施例中，如圖l所示，轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器213包括液壓轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器，其中受壓的 液壓流體通過推動移動表面而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。液壓轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器213的實例包含(不限于)線 性液壓活塞汽缸和旋轉(zhuǎn)液壓致動器，其中受壓的液壓流體通過推動移動表面而產(chǎn)生力或 轉(zhuǎn)矩。圖1中展示利用線性液壓活塞汽缸轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器213的功率產(chǎn)生腿100的說明，其 中活塞249相對于汽缸250滑動，圖9中展示利用旋轉(zhuǎn)液壓致動器的功率產(chǎn)生裝置100 的說明，在一些實施例中，如圖9所示，將轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器213集成到膝蓋機構(gòu)107的構(gòu)造 中。團10展示功率單元215的實施例。功率單元215包括液壓電機217,其中其兩個液 壓端口連接到轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器213和流體儲集區(qū)195。液壓儲集區(qū)195可以是圖示的單獨儲 集區(qū)，或者其可以是轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生裝置213的另一個腔。液壓電機217是將液壓流體流轉(zhuǎn)換 為旋轉(zhuǎn)軸251的機械旋轉(zhuǎn)的裝置。能夠在其端子248上產(chǎn)生電壓的發(fā)電機218可旋轉(zhuǎn)地耦合到液壓電機217的旋轉(zhuǎn)軸 251-當(dāng)功率單元215在功率再生模式中時，發(fā)電機218在轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器213與流體儲集 區(qū)195之間的液壓流體流促使液壓電機217的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時在其端子248上產(chǎn)生電壓，在 端子248上產(chǎn)生的電壓是大腿連桿103與小腿連桿105相對于彼此的角速度的函數(shù)，當(dāng) 允許電流通過端子248以使得電流與所產(chǎn)生電壓的乘積指示產(chǎn)生電功率時,液壓電機217 抵制由大腿連桿103與小腿連桿105相對于彼此的運動引起的流體流。這種對流體流的 抵制促使轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器213強加一轉(zhuǎn)矩，所述轉(zhuǎn)矩抵制大腿連桿103與小腿連桿105相對 于彼此的運動。此轉(zhuǎn)矩是流過發(fā)電機218的端子248的電流的函數(shù)。通過控制流過端子 248的電流，可控制由液壓轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器213產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，當(dāng)功率單元215在功率再生模式中時，功率單元215僅將與所產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩與大腿連桿 103和小腿連桿105的相對速度的乘積相關(guān)聯(lián)的機械功率的一部分轉(zhuǎn)換為電功率。將此 功率的其余部分轉(zhuǎn)換為例如電機繞組和液壓流體等物體中的熱量。在一些實施例中，功 率單元215進一步包括對至少一個電池239充電的電池充電單元246。在一些實施例中， 電池239位于功率單元215外部，當(dāng)功率單元215在功率利用模式中操作時，液壓電機2n類似于液壓泵而作用，且 發(fā)電機218類似于電動機而作用。在操作中，當(dāng)功率單元215在功率利用模式中時，液 壓電機217促使轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器213在電流通過發(fā)電機218的端子248時產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩產(chǎn) 生器213中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩是通過端子248的電流的函數(shù)，通過控制通過端子248的電流， 可控制由液壓轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器213產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。當(dāng)液壓流體在流體儲集區(qū)195與轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器 213之間流動時，所存儲的電功率的一部分轉(zhuǎn)換為與所產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩與大腿連桿103和小腿 連桿105的相對速度的乘積相關(guān)聯(lián)的成為電功率的機械功率， 發(fā)電機218的實例包含(不限于)交流(AC)發(fā)電機、電劂型直流(DC)發(fā)電機、 無刷型DC發(fā)電機、電子換向電機(ECM)及其組合，液壓電機2H的實例包含(不限 于)液壓齒輪電機、軸向活塞泵、旋轉(zhuǎn)活塞泵、葉片型液壓電機及其組合，圉U展示功率單元215的另一實施例。此實施例類似于圖IO所示的實施例，但電 機隔離閥216與液壓電機217串聯(lián)定位。當(dāng)電機隔離閥216在打開位置中時，此實施例 的操作類似于圖10的實施例的操作。當(dāng)電機隔離閥在關(guān)閉位置中時，不準(zhǔn)許任何液壓 流動，且因此大腿連桿103和小腿連桿105無法相對于彼此移動。此特征可在站姿期間 使用，電機隔離閥216包括能夠執(zhí)行所指示功能的任何閥或閥組合。電機隔離閥216的 實例包含(不限于)流量控制陶、壓力控制閥、致動式針閥、電磁閥和開關(guān)閥，在一些實施例中，如圖12所示，功率單元215進一步包括致動式流量限制閥200, 其具有耦合到轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器213和流體儲集區(qū)195的可調(diào)節(jié)孔口 ，從而在轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器213 與流體儲集區(qū)195之間產(chǎn)生第二液壓路徑，當(dāng)電機隔離閥216在關(guān)閉位置中時，可調(diào)節(jié) 致動式流量限制閥200以允許適當(dāng)?shù)种妻D(zhuǎn)矩產(chǎn)生器213與流體儲集區(qū)195之間的流體流。 這種對流體流的抵制的量促使轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器213強加一抵制性轉(zhuǎn)矩，其抵制大腿連桿103 和小腿連桿105相對于彼此的運動，此特征用于功率耗散模式屮且可用于給膝蓋運動減 簾。致動式流量限制閥200包括能夠執(zhí)行所指示功能的任何閥或閥組合，致動式流量限 制閥200的實例包含(不限于)流量控制閥、壓力控制魄、致動式針閥、電磁閥和開關(guān) 閥。在一些實施例中，如閨13所示，功率單元215進一步包括止回閥(單向閥)199, 其耦合到轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器213和流體儲集區(qū)195,從而在轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器213與流體儲集區(qū)195 之間產(chǎn)生另一液壓路徑。止回閥l將始終允許在大腿連桿103與小腿連桿105相對于彼 此的伸展移動期間有從流體儲集區(qū)195到轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器213的最小抵制液壓流，在操作中，存在功率單元215移動到功率再生模式中的機會，且因此功率單元215 將與所產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩與小腿連桿105和大腿連桿103相對于彼此的角速度的乘積相關(guān)聯(lián)的功率的一部分轉(zhuǎn)換為電功率。圖14展示當(dāng)人下樓梯時的膝蓋角度和膝蓋功率a功率的負值識別具有功率再生可能的區(qū)域。功率再生區(qū)域被識別為功率產(chǎn)生腿IOO處于站姿狀態(tài) 并彎曲的地方。站姿狀態(tài)被界定為功率再生腿IOO或其連接到的人腿在地面上的配置。 在一些實施例中，功率單元215經(jīng)配置以當(dāng)功率產(chǎn)生腿100處于站姿狀態(tài)且在下坡和下 樓梯時在功率再生模式中操作，在一些實施例中，功率單元215經(jīng)配置以當(dāng)所述功率產(chǎn) 生腿100處于站姿狀態(tài)和在彎曲時在功率再生模式中操作，在一些實施例中，功率單元 215經(jīng)配置以當(dāng)所述功率產(chǎn)生腿100處于站姿狀態(tài)時在功率再生模式中操作，
圖15展示當(dāng)人在水平地面上行走時的膝蓋角度和膝蓋功率，功率的負值識別具有 功率再生可能的區(qū)域。在一些實施例中，功率單元215經(jīng)配置以當(dāng)功率產(chǎn)生腿100處于 站姿狀態(tài)和在水平地面上行走時在功率再生模式中操作，在一些實施例中，功率產(chǎn)生腿 IOO經(jīng)配置以當(dāng)功率產(chǎn)生腿IOO在擺動狀態(tài)時在功率再生模式中操作。在操作中，存在功率單元215移動到功率利用模式中的機會。圖16展示當(dāng)人在上 樓梯時的膝兼轉(zhuǎn)矩和膝蓋角度-功率的正值識別具有功率利用可能的區(qū)域。在一些實施 例中，功率單元215經(jīng)配置以當(dāng)功率產(chǎn)生腿IOO處于站姿狀態(tài)和在上坡和上樓梯時在功 率利用模式中操作，在一些實施例中，功率單元215經(jīng)配置以當(dāng)功率產(chǎn)生腿I00處于站 姿狀態(tài)和在伸展時在功率利用模式中操作，在一些實施例中，如圖n所示，功率單元215包括兩個發(fā)電機和液壓電機，功率 單元215耦合到液壓轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器213,且除其它組件外還尤其包括位于轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器213 與流體儲集區(qū)195之間的包括第一液壓電機217的第一液壓路徑。功率單元215進一步 包括位于轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器213與流體儲集區(qū)195之間的包括第二液壓電機252的第二液壓路 徑。第一發(fā)電機218可旋轉(zhuǎn)地耦合到第一液壓電機217,第二發(fā)電機253可旋轉(zhuǎn)地耦合 到第二液壓電機252。在操作中，當(dāng)功率單元215在功率再生模式中時，發(fā)電機218和 253中的至少一者在液壓流體從轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器213流向所述儲集區(qū)195時產(chǎn)生電壓，電機 隔離閥216和255經(jīng)配置以選擇液壓電機217或252進行操作,這兩個隔離閥216和255 可由在液壓電機217或252之間進行選擇的三向選擇器閥取代。功率單元215進一步包 括對至少一個電池239充電的電池充電單元246。在一些實施例中，第一發(fā)電機218當(dāng)功率產(chǎn)生腿IOO處于站姿狀態(tài)和在下樓梯或下 坡時在功率再生模式中使用。在此情形下，電機隔離閥255關(guān)閉并阻止到第二液壓電機 252的流體流，而電機隔離閾216打開并允許到第一液壓電機217的流體流，在此些實 施例中，第一發(fā)電機218在功率產(chǎn)生腿100在站姿和上樓梯或上坡時在功率利用模式中 用作電動機。在一些實施例中，第二發(fā)電機253當(dāng)功率產(chǎn)生腿100處于站姿狀態(tài)和在水平地面上 行走時在功率再生模式中使用，在此情形下，電機隔離魄216關(guān)閉并阻止到第一液壓電 機217的流體流，而電機隔離閥255打開并允許到第二液壓電機252的流體流。在此些 實施例中，第二發(fā)電機253在功率產(chǎn)生腿100處于擺動狀態(tài)時在功率利用模式中用作電 動機。在一些實施例中，功率單元215進一步包括包含流量限制閥200的第三液壓路徑。 在操作中，流量限制閥200用于產(chǎn)生對流體流的可控抵制，此特征用于功率耗散模式中 且可用于給膝蓋運動減簾。在一些實施例中，功率單元215進一步包括包含單向閥199的第四液壓路徑。在操 作中，單向閥199總是允許從所述儲集區(qū)195到轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器213的最小抵制流，在一些實施例中，如圖18所示，如果轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器213是旋轉(zhuǎn)液壓致動器或雙作用 雙桿液壓汽缸，那么液壓儲集區(qū)195可以是轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器213的另一個腔，在一些實施例中，功率產(chǎn)生腿100尤其包括至少一個站姿傳感器，站姿傳感器產(chǎn)生 站姿信號157。站姿信號157識別功率產(chǎn)生腿WO是處于站姿狀態(tài)還是處于擺動狀態(tài)。 在一些實施例中，站姿信號157表示對功率產(chǎn)生腿100的地面反作用力的量值。在擺動 狀態(tài)期間，站姿信號157將檢測到地面反作用力的較小或零量值，站姿傳感器包括選自 由力傳感器、壓力傳感器和能夠執(zhí)行所指示功能的開關(guān)組成的群組的元件或元件組合。在一些實施例中，功率產(chǎn)生腿100尤其包括至少一個膝蓋角度傳感器。膝蓋角度傳 感器產(chǎn)生膝蓋角度信號158,膝蓋角度信號158識別小腿連桿105與大腿連桿103之間 的角度，膝蓋角度傳感器包括選自由編碼器、旋轉(zhuǎn)器、電位計、LVDT和能夠執(zhí)行所指 示功能的傾角if組成的群組的元件或元件組合。在一些實施例中，如圖18所示，功率單元215進一步包括信號處理器159,其經(jīng)配 置以產(chǎn)生用于功率單元215的各種組件的命令信號以控制功率單元215。在一些實施例 中，信號處理器159接收站姿信號157,在-'些實施例中，信號處理器159接收膝蓋角 度信號158。信號處理器159包括選自由模擬裝置、模擬計算模塊、數(shù)字裝置(包含但 不限于小規(guī)模、中等規(guī)模和大規(guī)模集成電路、專用集成電路、可編程門陣列和可編程邏 輯陣列)和數(shù)字計算模塊(包含但不限于微型計算機、微處理器、微控制器和可編程邏 輯控制器)組成的群組的元件或元件組合。在一些實施例中，信號處理器1S9包括選自 由機電繼電器或MOSFET開關(guān)組成的群組的元件或元件組合。信號處理器159可位于 功率單元215內(nèi)或外。存在信號處理器159可用以控制功率單元215的許多控制算法。在一些實施例中， 當(dāng)功率產(chǎn)生腿IOO在下坡或下樓梯和處于站姿狀態(tài)時，信號處理器159產(chǎn)生命令信號， 因此功率單元215進入功率再生模式。在站姿開始時的接近180。的膝蓋角度以及在站姿 結(jié)束時的較小角度可表示功率產(chǎn)生腿100在下坡或下樓梯的情形。參見2004年10月29 日申請的題為"下肢增強器(LOWER EXTREMITY ENHANCER)"的第10/976,652號 美閨專利申請案、2006年1月18日申請的題為"下肢外骨骼(LOWER EXTREMITY EXOSKELETON)"的第11/335,392號美國專利申請案以及2006年4月13日申請的題 為"半動力下肢外骨骼(SEMI-POWERED LOWER EXTREMITY EXOSKELETON)"的 第11/404,719號美國專利申請案，所述全部申請案出于所有目的以全文引用的方式并入 本文。在一些實施例中，當(dāng)功率產(chǎn)生腿100在上坡或上樓梯和處于站姿狀態(tài)時，信號處理 器159產(chǎn)生命令信號，因此功率單元215在功率利用模式中操作。此模式幫助佩戴者爬 坡和爬樓梯。在站姿狀態(tài)開始時的小膝蓋角度可表示功率產(chǎn)生腿IOO在上坡或上樓梯的 情形。在一些實施例中，當(dāng)功率產(chǎn)生腿100在水平地面上行走和處于站姿狀態(tài)時，信號處 理器產(chǎn)生命令信號，因此功率單元215依據(jù)操作者偏好而在功率耗散模式或功率再生模 式中操作。在站姿狀態(tài)開始時在長期站姿期間不改變的接近180°的大膝蓋角度可表示功 率產(chǎn)生腿IOO在水平地面上行走的情形，在一些實施例中，當(dāng)功率產(chǎn)生腿100在擺動狀態(tài)時，信號處理器159產(chǎn)生命令信號, 因此功率單元215依據(jù)操作者偏好而進入功率耗散模式或功率利用模式以幫助擺動。盡管為了理解清楚的目的而略為詳細地推述了上述發(fā)明，但應(yīng)了解，在所附權(quán)利要 求書的范圍內(nèi)可實踐特定改變和修改，因此，所描述的實施例應(yīng)視為說明性而不是限制 性的，且本發(fā)明應(yīng)不限于本文給出的細節(jié)，而是應(yīng)由所附權(quán)利要求書及其整個范圍的等 效物來界定。
權(quán)利要求
1. 一種功率產(chǎn)生腿，其經(jīng)配置以耦合到人的下肢，其包括大腿連桿；小腿連桿；膝蓋機構(gòu)，其連接到所述大腿連桿和所述小腿連桿，且經(jīng)配置以允許所述大腿連桿和所述小腿連桿相對于彼此彎曲和伸展移動；轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器，其經(jīng)配置以在所述大腿連桿與所述小腿連桿之間產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩；以及功率單元，其耦合到所述轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器，且經(jīng)配置以促使所述轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，其中當(dāng)所述功率單元處在功率再生模式中時，所述功率單元促使所述轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器產(chǎn)生對抗所述大腿連桿和所述小腿連桿相對于彼此的角速度的轉(zhuǎn)矩，且所述功率單元將與所述轉(zhuǎn)矩與所述小腿連桿和所述大腿連桿相對于彼此的所述角速度的乘積相關(guān)聯(lián)的功率的一部分轉(zhuǎn)換為將存儲在存儲裝置中的電功率。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率產(chǎn)生腿，其中所述存儲裝置是一個或一個以上電池，
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率產(chǎn)生腿，其中所述存儲裝置是一個或一個以上電容器，
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率產(chǎn)生腿，其中當(dāng)所述功率單元處在功率利用模式中時， 所述功率單元使用所存儲的電功率促使所述轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的功率產(chǎn)生腿，其中所述存儲的電功率是所述轉(zhuǎn)換的電功率。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率產(chǎn)生腿，其中當(dāng)所述功率單元處在功率耗散模式中時， 所述功率單元促使所述轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器產(chǎn)生對抗所述大腿連桿和所述小腿連桿相對于 彼此的所述角速度的轉(zhuǎn)矩，且所述功率單元耗散與所述轉(zhuǎn)矩與所述小腿連桿和所述 大腿連桿相對于彼此的所述角速度的乘積相關(guān)聯(lián)的所述功率。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率產(chǎn)生腿，其中所述膝蓋機構(gòu)包括至少一個旋轉(zhuǎn)接頭，且 允許所述大腿連桿和所述小腿連桿相對于彼此旋轉(zhuǎn)彎曲和伸展移動。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率產(chǎn)生腿，其中所述大腿連桿可配置為與人的大腿接觸， 因此其可由所述人的大腿移動。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率產(chǎn)生腿，其中所述大腿連桿可配置為連接到人的大腿。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率產(chǎn)生腿，其中所述功率產(chǎn)生腿包括大腿箍帶，所述大腿 箍帶可配置為連接到人的大腿且促使所述大腿連桿在所述人的大腿移動時移動。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的功率產(chǎn)生腿，其屮所述大腿箍帶包括圍繞所述人的大腿包 裹的順從材料，
12. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的功率產(chǎn)生腿，其中所述大腿箍帶包括經(jīng)成形以部分包圍所 述人的大腿的托架。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率產(chǎn)生腿，其中所述小腿連桿可配置為與所述人的小腿接 觸，因此其可由所述人的小腿移動，
14. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的功率產(chǎn)生腿，其中所述小腿連桿可配置為連接到人的小腿。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率產(chǎn)生腿，其中所述功率產(chǎn)生腿包括小腿籀帶，所述小腿 箍帶可配置為連接到人的小腿且促使所述小腿連桿在所述人的小腿移動時移動。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的功率產(chǎn)生腿，其中所述小腿箍帶包括圍繞所述人的小腿包 裹的順從材料。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的功率產(chǎn)生腿，其中所述小腿箍帶包括經(jīng)成形以部分包圍所 述人的小腿的托架。
18. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率產(chǎn)生腿，其中所述大腿連桿包括承窩，所述承窩可配置 為附接到截肢者的剩余大腿且因此所述功率產(chǎn)生腿充當(dāng)膝蓋上方假肢裝置，
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的功率產(chǎn)生腿，其中所述小腿連桿進一步包括人造足。
20. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率產(chǎn)生腿，其中所述轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器包括液壓轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器，其 中液壓流體對移動表面的壓力在所述小腿連桿與所述大腿連桿之間產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的功率產(chǎn)生腿，其中所述液壓轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器是液壓活塞和汽缸， 其中所述活塞相對于所述汽缸滑動。
22. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的功率產(chǎn)生腿，其中所述液壓轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器是旋轉(zhuǎn)液壓致動器。
23. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的功率產(chǎn)生腿，其中所述功率單元包括-液壓電機，其具有兩個液壓端口，一個液壓端口可連接到流體儲集區(qū)，且另一液壓端口可連接到液壓轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器；以及發(fā)電機，其可旋轉(zhuǎn)地耦合到所述液壓電機，所述發(fā)電機具有端子， 其中當(dāng)所述功率單元處在所述功率再生模式中時，所述液壓電機抵制由所述液壓轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器的運動引起的液壓流，且電流流過所述發(fā)電機的所述端子，指示所述發(fā)電機產(chǎn)生電功率。
24. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的功率產(chǎn)生腿，其中當(dāng)所述功率單元處在所述功率再生模式 中時，所述液壓轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器產(chǎn)生對抗所述轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器的速度的轉(zhuǎn)矩，且電流流過所 述發(fā)電機的端子，指示所述發(fā)電機產(chǎn)生電功率，
25. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的功率產(chǎn)生腿，其中當(dāng)所述功率單元處在功率利用模式中時, 電流流過所述發(fā)電機(現(xiàn)在是電動機)的端子，指示所存儲的電功率被利用且所述 轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。
26. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的功率產(chǎn)生腿，其中所述發(fā)電機包括選自由交流(AC)發(fā)電 機、電刷型直流(EiC)發(fā)電機、無刷DC發(fā)電機、電子換向電機(ECM)及其組 合組成的群組的元件或元件組合，
27. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的功率產(chǎn)生腿，其中所述流體儲集區(qū)包括位于所述液壓轉(zhuǎn)矩 產(chǎn)生器的活塞或葉片的相對側(cè)上的腔。
28. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的功率產(chǎn)生腿，其進一步包括與所述液壓電機串聯(lián)連接的電 機隔離閥，其中當(dāng)所述電機隔離閥處在打開位置中時且當(dāng)所述功率單元處在所述功 率再生模式中時，所述液壓電機抵制由所述液壓轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器的運動引起的液壓流， 且電流流過所述發(fā)電機的端子，指示所述發(fā)電機產(chǎn)生電功率。
29. 根據(jù)權(quán)利要求28所述的功率產(chǎn)生腿，其中當(dāng)所述電機隔離閥處在打開位置中且所 述功率單元處在所述功率再生模式中時，所述轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器產(chǎn)生對抗所述轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器的速度的轉(zhuǎn)矩，且電流流過所述發(fā)電機的端子，指示所述發(fā)電機產(chǎn)生電功率。
30. 根據(jù)權(quán)利要求28所述的功率產(chǎn)生腿，其中當(dāng)所述電機隔離閥處在打開位置中且所 述功率單元處在功率利用模式中時，電流流過所述發(fā)電機(現(xiàn)在是電動機)的端子， 指示所存儲的電功率被利用且所述轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。
31. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的功率產(chǎn)生腿，其中所述功率單元迸一步包括致動式流量限 制閥，所述致動式流量限制閥耦合到所述轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器和所述流體儲集區(qū)，從而在所 述轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器與所述流體儲集區(qū)之間產(chǎn)生液壓路徑，其中可調(diào)節(jié)所述致動式流量限 制閥以控制對所述轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器的運動的抵制。
32. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的功率產(chǎn)生腿，其中所述功率單元進一步包括單向閥，所述 單向閥耦合到所述轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器和所述流體儲集區(qū)，從而在所述轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器與所述流 體儲集區(qū)之間產(chǎn)生液壓路徑，以允許從所述流體儲集區(qū)到所述轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器的最小抵 制液壓流。
33. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率產(chǎn)生腿，其中所述功率單元經(jīng)配置以當(dāng)所述功率產(chǎn)生腿 處于站姿狀態(tài)時操作進入功率再生模式中。
34. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率產(chǎn)生腿，其中所述功率單元經(jīng)配置以當(dāng)所述功率產(chǎn)生腿 處于站姿狀態(tài)和在彎曲時在功率再生模式中操作。
35. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率產(chǎn)生腿，其中所述功率單元經(jīng)配置以當(dāng)所述功率產(chǎn)生腿 處于站姿狀態(tài)以及在下坡和下樓梯時在功率再生模式中操作。
36. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率產(chǎn)生腿，其中所述功率單元經(jīng)配置以當(dāng)所述功率產(chǎn)生腿 處于站姿狀態(tài)以及在水平地面上行走時在功率再生模式中操作。
37. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率產(chǎn)生腿，其中所述功率單元經(jīng)配置以當(dāng)所述功率產(chǎn)生腿處于擺動狀態(tài)時在功率再生模式中操作a
38. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的功率產(chǎn)生腿，其中所述功率單元經(jīng)配置以當(dāng)所述功率產(chǎn)生腿 處于站姿狀態(tài)和在伸展時在功率利用模式中操作。
39. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的功率產(chǎn)生腿，其中所述功率單元經(jīng)配置以當(dāng)所述功率產(chǎn)生腿 處于站姿狀態(tài)以及在上坡和上樓梯時在功率利用模式中操作。
40. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的功率產(chǎn)生腿，其中所述功率單元包括-所述轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器與儲集區(qū)之間的第一液壓路徑，所述第一液壓路徑包括與電機隔 離閥串聯(lián)連接的第一液壓電機所述轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器與所述儲集區(qū)之間的第二液壓路徑，所述第二液壓路徑包括第.' 液壓電機第一發(fā)電機，其可旋轉(zhuǎn)地耦合到所述第一液壓電機 第二發(fā)電機，其可旋轉(zhuǎn)地耦合到所述第二液壓電機其中當(dāng)所述功率單元處在所述功率再生模式中時，所述第一或第二液壓電機中的 至少-'者抵制由所述液壓轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器的運動引起的液壓流，且電流流過相應(yīng)的所述 第--或第二發(fā)電機的端子，指示所述第--或第二發(fā)電機產(chǎn)生電功率，
41. 根據(jù)權(quán)利要求40所述的功率產(chǎn)生腿，其中所述第二液壓路徑進一步包括與所述第 二液K電機串聯(lián)定位的電機隔離閥。
42. 根據(jù)權(quán)利要求40所述的功率產(chǎn)生腿，其中所述功率單元進一步包括位于所述轉(zhuǎn)矩 產(chǎn)生器與所述儲集區(qū)之間的第三液壓路徑，所述第三液壓路徑包括流量限制閥，其 中所述流量限制閥經(jīng)配置以控制對所述轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器的運動的抵制。
43. 根據(jù)權(quán)利要求40所述的功率產(chǎn)生腿，其中所述功率單元進一步包括位于所述轉(zhuǎn)矩 產(chǎn)生器與所述儲集區(qū)之間的第四液壓路徑，所述第四液壓路徑包括單向閥，從而始 終允許從所述儲集區(qū)到所述轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器的最小抵制流，
44. 根據(jù)權(quán)利要求40所述的功率產(chǎn)生腿，其中所述轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器耦合到另一功率產(chǎn)生腿 的另一膝蓋機構(gòu)，
45. 根據(jù)權(quán)利要求40所述的功率產(chǎn)生腿，其中所述儲集區(qū)包括位于所述液壓轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生 器的活塞或葉片的相對側(cè)上的腔。
46. 根據(jù)權(quán)利要求40所述的功率產(chǎn)生腿，其中所述轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器耦合到機器人外骨骼的 所述膝蓋機構(gòu)。
47. 根據(jù)權(quán)利要求46所述的功率產(chǎn)生腿，其中所述轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器是液壓汽缸，
48. 根據(jù)權(quán)利要求46所述的功率產(chǎn)生腿，其中當(dāng)所述功率產(chǎn)生腿處于站姿狀態(tài)以及在 下樓梯或下坡時所述第一發(fā)電機在功率再生模式中使用，
49. 根據(jù)權(quán)利要求46所述的功率產(chǎn)生腿，其中當(dāng)所述功率產(chǎn)生腿在水平地面上行走時 所述第二發(fā)電機在功率再生模式中使用，
50. 根據(jù)權(quán)利要求46所述的功率產(chǎn)生腿，其中當(dāng)所述功率產(chǎn)生腿處于站姿狀態(tài)以及在 上樓梯或上坡時所述第一發(fā)電機在功率利用模式中用作電動機。
51. 根據(jù)權(quán)利要求46所述的功率產(chǎn)生腿，其中-當(dāng)所述功率產(chǎn)生腿處于站姿以及在下樓梯或下坡時所述第一發(fā)電機在功率再生 模式中使用，且當(dāng)所述功率產(chǎn)生腿處于站姿以及在上樓梯或上坡時所述第一發(fā)電機 在功率利用模式中用作電動機；且當(dāng)所述功率產(chǎn)生腿在水平地面上行走時所述第二發(fā)電機在功率再生模式中使用，
52. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率產(chǎn)生腿，其中所述功率單元包括信號處理器，
53. 根據(jù)權(quán)利要求52所述的功率產(chǎn)生腿，其中所述功率產(chǎn)生腿包括至少一個膝蓋角度 傳感器，其中所述膝蓋角度傳感器產(chǎn)生表示所述小腿連桿與所述大腿連桿之間的角 度的膝蓋角度信號。
54. 根據(jù)權(quán)利要求53所述的功率產(chǎn)生腿，其中所述信號處理器從所述膝蓋角度信號中 產(chǎn)生用于所述功率單元的組件的命令信號，
55. 根據(jù)權(quán)利要求52所述的功率產(chǎn)生腿，其中所述功率產(chǎn)生腿包括至少一站姿傳感器, 其中所述站姿傳感器產(chǎn)生識別所述功率產(chǎn)生腿是處于站姿狀態(tài)還是處于擺動狀態(tài) 的站姿信號。
56. 根據(jù)權(quán)利要求55所述的功率產(chǎn)生腿，其中所述信號處理器從所述站姿信號中產(chǎn)生 用于所述功率單元的組件的命令信號。
57. 根據(jù)權(quán)利要求52所述的功率產(chǎn)生腿，其中所述信號處理器包括選自由模擬裝置、 模擬計箅模塊、數(shù)字裝置(包含但不限于小規(guī)模、中等規(guī)模和大規(guī)模集成電路、專 用集成電路、可編程門陣列和可編程邏輯陣列)和數(shù)宇計算模塊(包含但不限于微 型計算機、徼處理器、微控制器和可編程邏輯控制器)組成的群組的元件或元件組合。
58. 根據(jù)權(quán)利要求52所述的功率產(chǎn)生腿，其中所述信號處理器包括選自由機電繼電器 或金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)開關(guān)組成的群組的元件或元件組合,
59. —種功率產(chǎn)生假腿，其包括大腿連桿，其經(jīng)配置以耦合到膝蓋上方截肢者的剩余肢體； 小腿連桿；膝蓋機構(gòu)，其連接到所述大腿連桿和所述小腿連桿，且經(jīng)配置以允許所述大腿連 桿和所述小腿連桿相對于彼此彎曲和伸展移動轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器，其經(jīng)配置以在所述小腿連桿與所述大腿連桿之間產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩以及 功率單元,其耦合到所述轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器,且經(jīng)配置以促使所述轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩, 其中當(dāng)所述功率單元處在功率再生模式中時，所述功率單元促使所述轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器 產(chǎn)生對抗所述大腿連桿和所述小腿連桿相對于彼此的角速度的轉(zhuǎn)矩，且所述功率單 元將與所述轉(zhuǎn)矩與所述小腿連桿和所述大腿連桿相對于彼此的所述角速度的乘積 相關(guān)聯(lián)的功率的一部分轉(zhuǎn)換為將存儲在存儲裝置中的電功率。 60. —種使用人造腿的方法，其包括將功率產(chǎn)生腿耦合到人的下腔，所述功率產(chǎn)生腿包括-大腿連桿； 小腿連桿膝蓋機構(gòu)，其連接到所述大腿連桿和所述小腿連桿，且經(jīng)配置以允許所述大腿連桿和所述小腿連桿相對于彼此彎曲和伸展移動；轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器，其經(jīng)配置以在所述小腿連桿與所述大腿連桿之間產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩以及 功率單元，其耦合到所述轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器，且經(jīng)配置以促使所述轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，在功率再生模式中操作所述功率單元，其中當(dāng)所述功率單元處在所述功率再生模 式中時，所述功率單元促使所述轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器產(chǎn)生對抗所述大腿連桿和所述小腿連桿 相對于彼此的角速度的轉(zhuǎn).矩，且所述功率單元將與所述轉(zhuǎn)矩與所述小腿連桿和所述 大腿連桿相對于彼此的所述角速度的乘積相關(guān)聯(lián)的功率的一部分轉(zhuǎn)換為禱存儲在 存儲裝置中的電功率，
全文摘要
本發(fā)明提供一種功率產(chǎn)生腿，其可配置為耦合到人的下肢，所述功率產(chǎn)生腿包括大腿連桿、小腿連桿、膝蓋機構(gòu)、轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器和功率單元。所述膝蓋機構(gòu)連接到所述大腿連桿和所述小腿連桿，且允許所述大腿連桿和所述小腿連桿相對于彼此移動。所述轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器經(jīng)配置以在所述小腿連桿與所述大腿連桿之間產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。所述功率單元耦合到所述轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器，且經(jīng)配置以促使所述轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。在功率再生模式中，所述功率單元促使所述轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生器產(chǎn)生對抗所述大腿連桿和所述小腿連桿的角速度的轉(zhuǎn)矩，且所述功率單元將與所述轉(zhuǎn)矩的乘積相關(guān)聯(lián)的功率的一部分轉(zhuǎn)換為將存儲在存儲裝置中的電功率。
文檔編號A61F5/00GK101400324SQ200780008317
公開日2009年4月1日 申請日期2007年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月9日
發(fā)明者亞當(dāng)·佐斯, 內(nèi)森·H·哈丁, 拉斯頓·安戈爾德, 胡馬勇·卡澤魯尼 申請人:加利福尼亞大學(xué)董事會