一种用于脊髓损伤患者的足底轮式驱动自平衡动力外骨骼

摘要

本发明公开了一种用于脊髓损伤患者的足底轮式驱动自平衡动力外骨骼，包括髋关节、膝关节、踝关节、足底驱动模块、骨盆、股骨和胫骨。踝关节采用无动力被动式关节，在矢状面和冠状面各具有一个旋转自由度，膝关节采用主动式关节驱动器，髋关节为主动式关节驱动器或可控制动器，膝关节和髋关节在矢状面具有一个旋转自由度，配合足底轮式驱动双脚始终着地的优势，在冠状面运动学和动力学平衡；在骨盆处设计了支撑装置，利用足底轮式驱动双脚始终着地的优点，将人体重量由支撑装置经外骨骼传递到地面，有效减小了外骨骼需要约束的人体重量；通过在关节处设计扭簧等储能原件，可以将行走运动过程中的垂直向负重波动造成的对驱动器能量的消耗降低。

权利要求

1.一种用于脊髓损伤患者的足底轮式驱动自平衡动力外骨骼，包括髋关节(1)、膝关节(2)、踝关节(3)、足底驱动模块(4)、骨盆(5)、股骨(7)和胫骨(8)，髋关节(1)、股骨(7)、膝关节(2)、胫骨(8)、踝关节(3)、足底驱动模块(4)从上至下排列且左右对称设置，其中的所述髋关节(1)包括髋关节支条(16)、推力轴承(17)、异形螺母(18)、电磁制动器固定螺钉(19)、内侧髋关节(20)、电磁制动器(21)、外侧髋关节(22)、髋关节带键轴(23)和髋关节固定螺钉(24)；左右所述髋关节(1)通过骨盆(5)连接，髋关节(1)与膝关节(2)通过股骨(7)连接、膝关节(2)与踝关节(3)通过胫骨(8)连接、踝关节(3)与足底驱动模块(4)相连接，其特征在于，所述髋关节支条(16)上设置有多个螺孔，髋关节支条(16)与骨盆横向支架(10)通过螺栓拧入不同的螺孔实现位置的调节，内侧髋关节(20)与外侧髋关节(22)通过髋关节固定螺钉(24)连接，通过推力轴承(17)、异形螺母(18)和髋关节带键轴(23)共同组成髋关节旋转副，电磁制动器(21)通过电磁制动器固定螺钉(19)与内侧髋关节(20)连接，髋关节带键轴(23)设置有平键，所述平键与电磁制动器(21)的活动部键槽相配合，当电磁制动器(21)处于非使能状态时髋关节(1)活动部自由转动，当电磁制动器(21)处于使能状态时髋关节(1)因制动而无法自由转动；所述外骨骼的自由度布置方式为，髋关节(1)在矢状面具有一个旋转自由度，膝关节(2)在矢状面具有一个旋转自由度，踝关节(3)在矢状面和冠状面各具有一个旋转自由度；所述膝关节(2)包括驱动电机(25)、膝关节上部(26)、下内侧膝关节(27)、膝关节下部固定螺钉(28)、膝关节扭簧(29)和下外侧膝关节(30)，驱动电机(25)垂直布置以减小整体横向尺寸，减速器集成在膝关节上部(26)内，下内侧膝关节(27)与下外侧 膝关节(30)左右对称设置，通过膝关节下部固定螺钉(28)连接，膝关节上部(26)与下内侧膝关节(27)和下外侧膝关节(30)连接的中空部分分别安装有膝关节扭簧(29)，作为膝关节(2)的储能元件以减小驱动电机(25)所需最大功率并降低外骨骼在带动人体运动时垂直向重力波动对能量的消耗；所述踝关节(3)包括踝关节冠状面轴(31)、竖后侧踝关节(32)、踝关节横部(33)、竖前侧踝关节(34)、踝关节扭簧(35)和踝关节矢状面轴(36)，竖后侧踝关节(32)与竖前侧踝关节(34)左右对称设置，通过踝关节矢状面轴(36)连接，踝关节横部(33)通过踝关节冠状面轴(31)与足底驱动模块(4)连接，踝关节横部(33)通过踝关节冠状面轴(31)和踝关节矢状面轴(36)设置成十字连接轴的踝关节运动形态，踝关节横部(33)和竖前侧踝关节(34)之间、踝关节横部(33)与足部驱动模块(4)之间均设置有踝关节扭簧(35)，作为踝关节(3)的储能元件；所述足底驱动模块(4)包括轮式驱动器和轮子。

2.根据权利要求1所述的外骨骼，其特征在于，所述髋关节(1)为主动式关节驱动器；膝关节(2)为主动式关节驱动器，并包括有储能元件；踝关节(3)为无动力被动式关节，并在矢状面和冠状面各包括有储能元件。

3.根据权利要求1所述的外骨骼，其特征在于，所述骨盆(5)包括支撑装置，从胯部托举使用者，将人体重量由支撑装置经外骨骼传递到地面，减小外骨骼需要约束的人体重量。

4.根据权利要求1所述的外骨骼，其特征在于，所述骨盆(5)的支撑装置包括支撑座(6)、骨盆支撑板(9)、骨盆横向支架(10)、骨盆侧向支架(11)、支撑管连接件(12)、竖管(13)、管接头(14)和横管(15)，支撑座(6)通过支撑管连接件(12)、竖管(13)、管接头(14)和横管(15)与骨盆支撑板(9)连接，骨盆支撑板(9)设置成前后两块，通过骨盆侧向支架(11)连接，其中空部分用来安装电源和电控系统，骨盆横向支架(10)左右对称设置，通过螺钉与骨盆侧向支架(11)连接，骨盆横向支架(10)上设置有多个螺孔，可使骨盆(5)通过所述螺孔与髋关节(1)连接，支撑座(6)分别通过竖管(13)和横管(15)上设置的多个螺孔在前后、上下方向进行调节，所述骨盆(5)可通过骨盆横向支架(10)和骨盆侧向支架(11)在前后、上下、侧向方向进行调节。

5.根据权利要求1所述的外骨骼，其特征在于，所述轮子的前轮为无动力辅助轮，后轮为轮毂电机。

6.根据权利要求4所述的外骨骼，其特征在于，所述髋关节(1)、膝关节(2)、踝关节(3)、足底驱动模块(4)均采用铝合金，所述骨盆(5)除所述支撑座(6)外其他部分均采用铝合金，所述支撑座(6)采用高强度塑料并在与人体接触处采用海绵布，所述股骨(7)、胫骨(8)和骨盆支撑板(9)均采用碳纤维板。

说明书

一种用于脊髓损伤患者的足底轮式驱动自平衡动力外骨骼

技术领域

[0001] 本发明属于医疗器械技术领域，特别地，涉及一种动力下肢医疗外骨骼技术。

背景技术

[0002] 脊髓损伤是一种严重的下肢运动系统丧失疾病，按损伤程度可以分为截瘫和四肢瘫。脊髓损伤患者由于下肢运动机能丧失，需要依赖辅具来实现基本生活。动力下肢外骨骼由于可以辅助患者实现直立行走，因而成为目前非常具有发展潜力的智能医疗康复设备，由于脊髓损伤患者无法通过自身保证行走平衡，因此运动平衡性成为外骨骼设计中的重点和难点。

[0003] 目前已经实际应用的运动平衡方法主要有三种：第一种是采用辅助器件的方法，当前绝大多数的外骨骼都是依赖肘拐或者助行架来保证平衡，其中包括以色列的ReWalk，美国的Ekso和Indego等商用化比较成功的外骨骼产品，但使用这种外骨骼时需要患者拥有良好的上肢机能，因而仅能应用于低位脊髓损伤而无法应用于高位或四肢瘫患者；第二种是采用自运动平衡算法的方法，目前应用比较广的主要是零力矩点(Zero Moment Point,ZMP)平衡算法，但ZMP平衡算法仅能保证矢状面的平衡而无法实现冠状面的平衡，因而目前多应用于帮助健康人增强能力的动力外骨骼中，当应用于下肢机能损伤患者时，一些本身采用ZMP算法的外骨骼如日本的HAL等还是需要依赖肘拐来保证行走安全；第三种主要是采用自身机械结构的平衡方法，新西兰的REX是世界上首款采用这种方法的外骨骼，该外骨骼采用自身机械结构实现了无拐行走平衡，达到了Handsfree的使用体验，不但可以应用于低位的截瘫也可以应用于无法使用肘拐的四肢瘫，但目前REX仅能以低速行走避免动载的方式保证平衡，而无法实现快速运动平衡。

[0004] 在外骨骼使用过程中，人机运动协调性是一个关键的评价指标。由于外骨骼带动人体运动本身属于采用机械方式约束人体随着既定的轨迹运动，而外骨骼质量相对于人体一般较小，属于小质量约束大质量，因而常出现人体无法紧随外骨骼运动的情况，即所谓人机运动不协调。提高人机运动协调性的关键是减小外骨骼需要约束的人体质量。目前常采用的办法是使用人体重量支撑系统(Body Weight Support,BWS)。但当前的BWS系统设计复杂并且基本没有移动性可言，因而常应用于基于跑步机的外骨骼系统中。此外由于人体行走过程属于周期性运动，在关节驱动型外骨骼中大量的能量被用来抵消垂直向的负重波动，真正用于前行的能量较小。采用储能元件可以有效减小负重对能量的消耗。但由于关节驱动型外骨骼在行走过程中要经历单支撑期和双支撑期，双腿并非时刻着地，因而目前这种方法在关节驱动型外骨骼中实现起来较为困难。

[0005] 由于超过一半的脊髓损伤患者是颈级损伤，C5最多其次胸级(T1-T12)(NSCISC 2015)，但目前绝大多数外骨骼只能覆盖胸级损伤患者，因而研发像REX一样采用无拐平衡方式的动力外骨骼对于覆盖整个脊髓损伤人群具有现实意义。但同时这种外骨骼相比于REX应该有根本性的结构改进以实现运动平衡能力。目前包括REX在内的绝大多数外骨骼在结构上都属于关节驱动型外骨骼。这种外骨骼行走方式更接近于人体，在前行时需要先抬脚后向前迈步。多出来的抬脚时间限制了这种类型的外骨骼前向平衡速度。相比之下，轮式驱动机构由于在前行时靠轮子的快速滚动可以实现运动平衡，这种机构借助于倒立摆平衡算法已经在平衡车如Segway和轮式机器人中得到了很好的应用。此外，配合适当的体重支撑设计，利用轮式驱动双脚始终着地的优势，可以将人体重量通过外骨骼自身结构传递到地面，有效提高人机运动协调性，减小驱动器性能要求和能量消耗。

[0006] 在分析现有动力下肢外骨骼和轮式驱动系统的基础上，本发明提出了一种采用足底轮式驱动的自平衡动力下肢外骨骼，该外骨骼能不依赖肘拐等辅助器械，通过特殊的机械机构设计可以同时实现在矢状面和冠状面的运动平衡；本发明同时采用了体重支撑设计，在移动穿戴式外骨骼上实现了类似于BWS系统的功能。

[0007] 本发明的外骨骼不但可以应用于截瘫患者，并且还可以应用于上肢机能受限而无法使用肘拐的四肢瘫患者。

发明内容

[0008] 为克服现有应用于脊髓损伤患者的下肢外骨骼仅能覆盖截瘫患者和有限的运动平衡能力以及人机运动不协调的问题，本发明公开了一种采用足底轮式驱动和动力关节的下肢外骨骼，可实现在无肘拐辅助下在矢状面和冠状面的运动平衡，帮助整个脊髓损伤人群实现直立双腿步行和康复训练，提高人机运动协调性。

[0009] 为了实现此目的，本发明采取的技术方案如下：

[0010] 一种用于脊髓损伤患者的足底轮式驱动自平衡动力外骨骼，包括髋关节1、膝关节2、踝关节3、足底驱动模块4、骨盆5、股骨7和胫骨8，髋关节1、股骨7、膝关节2、胫骨8、踝关节
3、足底驱动模块4从上至下排列且左右对称设置，通过骨盆5连接，髋关节1与膝关节2通过股骨7连接、膝关节2与踝关节3通过胫骨8连接、踝关节3与足底驱动模块4相连接。

[0011] 优选地，所述外骨骼的自由度布置方式为，髋关节1在矢状面具有一个旋转自由度，膝关节2在矢状面具有一个旋转自由度，踝关节3在矢状面和冠状面各具有一个旋转自由度。

[0012] 优选地，所述髋关节1为主动式关节驱动器或可控制动器；膝关节2为主动关节驱动器，并包括有储能原件；踝关节3为无动力被动式关节，并在矢状面和冠状面各包括有储能原件。

[0013] 优选地，所述骨盆5包括支撑装置，从胯部托举使用者，将人体重量由支撑装置经外骨骼传递到地面，减小外骨骼需要约束的人体重量。

[0014] 优选地，所述髋关节1包括髋关节支条16、推力轴承17、异形螺母18、电磁制动器固定螺钉19、内侧髋关节20、电磁制动器21、外侧髋关节22、髋关节带键轴23和髋关节固定螺钉24，髋关节支条16上设置有多个可调节的螺孔，髋关节支条16与骨盆横向支架10通过螺栓拧入不同的调节孔实现位置的调节，内侧髋关节20与外侧髋关节22通过髋关节固定螺钉24连接，通过推力轴承17、异形螺母18和髋关节带键轴23共同组成髋关节旋转副，电磁制动器21通过电磁制动器固定螺钉19与内侧髋关节20连接，髋关节带键轴23设置有平键，所述平键与电磁制动器21的活动部键槽相配合，当电磁制动器21处于非使能状态时髋关节1活动部自由转动，当电磁制动器21处于使能状态时髋关节1因制动而无法自由转动。

[0015] 优选地，所述膝关节2包括驱动电机25、膝关节上部26、下内侧膝关节27、膝关节下部固定螺钉28、膝关节扭簧29和下外侧膝关节30，驱动电机25垂直布置以减小整体横向尺寸，减速器集成在膝关节上部26内，下内侧膝关节27与下外侧膝关节30左右对称设置，通过膝关节下部固定螺钉28连接，膝关节上部26与下内侧膝关节27和下外侧膝关节30连接的中空部分分别安装有膝关节扭簧29，作为膝关节2的储能原件以减小驱动电机25所需最大功率并降低外骨骼在带动人体运动时垂直向重力波动对能量的消耗。

[0016] 优选地，所述踝关节3包括踝关节冠状面轴31、竖后侧踝关节32、踝关节横部33、竖前侧踝关节34、踝关节扭簧35和踝关节矢状面轴36，竖后侧踝关节32与竖前侧踝关节34左右对称设置，通过踝关节矢状面轴36连接，踝关节横部33通过踝关节冠状面轴31与足底轮式驱动模块4连接，踝关节横部33通过踝关节冠状面轴31和矢状面轴36设置成十字连接轴的踝关节运动形态，踝关节横部33和竖前侧踝关节34之间、踝关节横部33与足部轮式驱动模块4之间均设置有踝关节扭簧35，作为踝关节3的储能原件。

[0017] 优选地，所述骨盆5的支撑装置包括支撑座6、骨盆支撑板9、骨盆横向支架10、骨盆侧向支架11、支撑管连接件12、竖管13、管接头14和横管15，支撑座6通过支撑管连接件12、竖管13、管接头14和横管15与骨盆支撑板9连接，骨盆支撑板9设置成前后两块，通过骨盆侧向支架11连接，其中空部分用来安装电源和电控系统，骨盆横向支架10左右对称设置，通过螺钉与骨盆侧向支架11连接，骨盆横向支架10上设置有可调节的螺孔，可使骨盆5通过所述螺孔与髋关节1连接，支撑座6分别通过竖管13和横管15上设置的多个可调节的螺孔在前后、上下方向进行调节，所述骨盆5可通过骨盆横向支架10和骨盆侧向支架11在前后、上下、侧向方向进行调节。

[0018] 优选地，所述足底驱动模块4包括轮式驱动器和轮子，其中轮子的前轮为无动力辅助轮，后轮为轮毂电机。

[0019] 优选地，所述髋关节1、膝关节2、踝关节3、足底驱动模块4均采用铝合金，外骨盆5除支撑座6外其他部分均采用铝合金，支撑座6采用高强度塑料并在与人体接触处采用海绵布，股骨7、胫骨8和骨盆支撑板9均采用碳纤维板。

[0020] 本发明能够实现以下的有益效果：

[0021] 1)通过在足底安装轮式驱动器的方式，可以帮助脊髓损伤患者在不需要拐杖或助行架的情况下使用外骨骼完成康复训练，既可以应用于截瘫也可以覆盖上肢机能同样缺失的四肢瘫患者。由于足底轮式驱动没有关节驱动型外骨骼提脚过程，因而可以在较小的能量消耗下做到快速运动平衡。足底轮式驱动中，驱动执行器位于运动链的末端，因而整个大腿作为力臂可以有效减小髋关节所需力矩大小，进而减小驱动器重量和尺寸，有效解决了关节驱动型外骨骼由于髋关节运动力臂较小而导致的髋关节驱动器设计困难的问题。通过现有的成熟的轮式驱动运动平衡控制算法，加上轮式驱动功耗和扭矩要求小的优势，外骨骼可以做到在较小的动力系统要求下实现在矢状面的运动学和动力学平衡。

[0022] 2)采用了2-1-1型的机械自由度布置方式，即踝关节在矢状面和冠状面各一个旋转自由度，膝关节矢状面一个旋转自由度，髋关节矢状面一个旋转自由度。配合足底轮式驱动双脚始终着地的优势，外骨骼可以通过两腿间各关节间的差异化旋转做到在冠状面运动学和动力学平衡。

[0023] 3)采用体重支撑设计，在骨盆处设计了支撑装置，然后利用足底轮式驱动双脚始终着地的优点，将人体重量由支撑装置经外骨骼传递到地面，有效减小了外骨骼需要约束的人体重量。与关节驱动型外骨骼通过绑带等物理接口约束人体相比，本外骨骼可以有效提高人机运动协调性。

[0024] 4)通过在关节处设计扭簧等储能原件，可以将行走运动过程中的垂直向重力波动造成的对驱动器能量的消耗降低。在移动穿戴式外骨骼上实现类似于跑步机式外骨骼中BWS系统的效果。

附图说明

[0025] 图1是本发明的用于脊髓损伤患者的足底轮式驱动自平衡动力外骨骼的整体结构示意图(所有柔性绑带及电线未示出)；

[0026] 图2是本发明的外骨骼的骨盆结构示意图；

[0027] 图3是本发明的外骨骼的髋关节分解图；

[0028] 图4是本发明的外骨骼的膝关节分解图；

[0029] 图5是本发明的外骨骼的踝关节分解图；

[0030] 图中附图标记说明如下：

[0031] 1—髋关节，2—膝关节，3—踝关节，4—足底驱动模块，5—骨盆，6—支撑座，7—股骨，8—胫骨，9—骨盆支撑板，10—骨盆横向支架，11—骨盆侧向支架，12—支撑管连接件，13—竖管，14—管接头，15—横管，16—髋关节支条，17—推力轴承，18—异形螺母，19—电磁制动器固定螺钉，20—内侧髋关节，21—电磁制动器，22—外侧髋关节，23—髋关节带键轴，24—髋关节固定螺钉，25—驱动电机，26—膝关节上部，27—下内侧膝关节，28—膝关节下部固定螺钉，29—膝关节扭簧，30—下外侧膝关节，31—踝关节冠状面轴，32—竖后侧踝关节，33—踝关节横部，34—竖前侧踝关节，35—踝关节扭簧，36—踝关节矢状面轴。

具体实施方式

[0032] 本发明采用了足底轮式驱动器和关节驱动器实现了无拐支撑情况下矢状面的运动学和动力学平衡。采用了2-1-1型机械自由度设计，即踝关节在矢状面和冠状面各一个旋转自由度，膝关节矢状面一个旋转自由度，髋关节矢状面一个旋转自由度。通过两腿关节间的不同的关节转角可改变两腿间在冠状面映射长度，实现在路面不平或其他干扰情况下的外骨骼在冠状面的运动学和动力学平衡。本外骨骼采用体重支撑设计，在骨盆处安装有可调坐垫，并在关节上设计有储能原件，可以将人体重力传递到地面，并通过储能原件有效减低垂直向负重波动造成的能量消耗，减小关节驱动器性能要求。本外骨骼踝关节采用被动式关节，膝关节采用主动式关节驱动器，而髋关节根据使用要求可设计为主动式关节驱动器或可控制动器。当髋关节采用主动关节驱动器时需要设计解耦算法来实现与足底轮式驱动器和对侧髋关节间的运动解耦。当采用可控制动器时可以实现机械解耦而无需设计特定运动算法。外骨骼股骨、胫骨、坐垫、骨盆都设计有可调机构以适配不同身体特征的使用者。外骨骼能源和电控系统都被安装在骨盆处，并通过电线将能量传递到关节驱动器和轮式驱动器，并将运动反馈信号回传到骨盆处的电控系统。用于外骨骼姿态检测的传感器也被安装在骨盆处以实时检测外骨骼运动姿态以控制驱动原件。

[0033] 为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0034] 在对全部附图的描述中，相同的附图标记表示相同的元件。同时应该理解，如在此所用的术语“和/或”包括一个或多个相关的列出项的任意和所有组合。

[0035] 另外应该理解，当部件或单元被称为“连接”或“耦接”到另一部件或单元时，它可以直接连接或耦接到其他部件或单元，或者也可以存在中间部件或单元。此外，用来描述部件或单元之间关系的其他词语应该按照相同的方式理解。

[0036] 下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

[0037] 如图1所示，用于脊髓损伤患者的足底轮式驱动自平衡动力外骨骼，与人体下肢各截段及关节的划分方式类似，包括髋关节1、膝关节2、踝关节3、足底驱动模块4、骨盆5、股骨7和胫骨8。其中，髋关节1、股骨7、膝关节2、胫骨8、踝关节3、足底驱动模块4从上至下排列且左右对称设置，通过骨盆5连接；髋关节1与膝关节2通过股骨7连接、膝关节2与踝关节3通过胫骨8连接、踝关节3与足底驱动模块4相连接。

[0038] 如图2所示，外骨骼的骨盆5设计了支撑装置的模式，包括支撑座6、骨盆支撑板9、骨盆横向支架10、骨盆侧向支架11、支撑管连接件12、竖管13、管接头14和横管15。其中，支撑座6通过支撑管连接件12、竖管13、管接头14和横管15与骨盆支撑板9连接；骨盆支撑板9设置成前后两块，通过骨盆侧向支架11连接，其中空部分用来安装电源和电控系统；骨盆横向支架10左右对称设置，通过螺钉与骨盆侧向支架11连接，骨盆横向支架10上设置有多个可调节的螺孔，可使骨盆5通过所述螺孔与髋关节1连接。该设计可从胯部托举使用者，将人体重量由支撑装置经外骨骼传递到地面，有效减小外骨骼需要约束的人体重量。

[0039] 如图2中箭头所示，为了能适配不同身体特征的使用者，支撑座6可分别通过竖管13和横管15上设置的多个可调节的螺孔在前后、上下方向进行调节；骨盆5可通过骨盆横向支架10和骨盆侧向支架11在前后、上下、侧向等方向进行调节。

[0040] 如图3所示，外骨骼的髋关节1包括髋关节支条16、推力轴承17、异形螺母18、电磁制动器固定螺钉19、内侧髋关节20、电磁制动器21、外侧髋关节22、髋关节带键轴23和髋关节固定螺钉24。其中，与骨盆横向支架10相同，髋关节支条16上同样设置有多个可调节的螺孔，髋关节支条16与骨盆横向支架10通过螺栓拧入不同的调节孔实现位置的调节；内侧髋关节20与外侧髋关节22通过髋关节固定螺钉24连接，通过推力轴承17、异形螺母18和髋关节带键轴23共同组成髋关节旋转副；电磁制动器21通过电磁制动器固定螺钉19与内侧髋关节20连接；髋关节带键轴23设置有平键，所述平键与电磁制动器21的活动部键槽(未示出)相配合，当电磁制动器21处于非使能状态时髋关节1活动部可以自由转动，当电磁制动器21处于使能状态时髋关节1因制动而无法自由转动。

[0041] 如图4所示，外骨骼的膝关节2包括驱动电机25、膝关节上部26、下内侧膝关节27、膝关节下部固定螺钉28、膝关节扭簧29和下外侧膝关节30。其中，驱动电机25垂直布置以减小整体横向尺寸；减速器集成在膝关节上部26内；下内侧膝关节27与下外侧膝关节30左右对称设置，通过膝关节下部固定螺钉28连接；膝关节上部26与下内侧膝关节27和下外侧膝关节30连接的中空部分分别安装有膝关节扭簧29，作为储能原件可以有效减小驱动电机25所需最大功率并降低外骨骼在带动人体运动时垂直向重力波动对能量的消耗。

[0042] 如图5所示，外骨骼的踝关节3包括踝关节冠状面轴31、竖后侧踝关节32、踝关节横部33、竖前侧踝关节34、踝关节扭簧35和踝关节矢状面轴36。其中，竖后侧踝关节32与竖前侧踝关节34左右对称设置，通过踝关节矢状面轴36连接，此处使用的异形螺母及推力轴承与髋关节处使用的属于同一种类型，在此不再赘述；踝关节横部33通过踝关节冠状面轴31与足底轮式驱动模块4连接；踝关节横部33通过踝关节冠状面轴31和矢状面轴36设置成类似于十字连接轴的踝关节运动形态；踝关节横部33和竖前侧踝关节34之间、踝关节横部33与足部轮式驱动模块4之间均设置有踝关节扭簧35作为运动储能原件。

[0043] 本发明的外骨骼的旋转自由度为2-1-1式，即踝关节3在矢状面和冠状面各具有一个旋转自由度，膝关节2和髋关节1在矢状面具有一个旋转自由度。由机械自由度计算公式可知该外骨骼的机械自由度为6，即只要六个驱动器就可以完全确定本外骨骼的运动状态。

[0044] 本发明的膝关节2为主动关节驱动器，踝关节3为无动力被动式关节，而髋关节1可根据使用要求安装与膝关节2类似的主动关节驱动器或使用可控制动器改变其自由度状态。当髋关节1安装主动关节驱动器时，在双脚着地期髋关节1运动与脚部轮式驱动器和对侧髋关节驱动器之间相互耦合，需要采用数学建模方法做到运动解耦，为简化控制系统也可以采用可控制动器来控制髋关节1旋转状态，采用机械的方法进行运动解耦。本发明公布的具体实施例中采用后一种即可控制动器的设计方法，此处可控制动器在实际实施时优选器件为电磁制动器。

[0045] 为了能在矢状面做到快速运动平衡，每个脚的足部都安装有轮式驱动器。每个脚共有两个轮子，其中前轮为无动力辅助轮，后轮为小尺寸的轮毂电机。为了能更好的适配不同身高的使用者，外骨骼在各关节连接处都设计有可调螺孔，由此实现对股骨7和胫骨8长度的调节。在实际外骨骼中，分别在骨盆5、股骨7、胫骨8和足部均设计有柔性绑带以将外骨骼与人体上肢、大腿和足部绑定在一起。本发明附图中将这些属于人机柔性物理接口的器件全部移除，以便更清晰的显示外骨骼的机械结构。

[0046] 为了能更好的兼顾重量和强度，本发明的外骨骼在不同部分采用了不同优选材料以尽可能降低重量。股骨7和胫骨8分别由两块碳纤维板通过支撑螺柱由固定螺钉组合而成。骨盆支撑板9同样采用碳纤维板，而除支撑座6外骨盆5其他部分均采用铝合金。支撑座6采用高强度塑料并在与人体接触处采用海绵布。髋关节1、膝关节2、踝关节3整体外壳均采用铝合金。足底驱动模块4也是由多块铝合金板拼装组合而成。

[0047] 应当需要指出的是，本外骨骼面向的主体对象是脊髓损伤患者，是因为在下肢机能损伤人群中脊髓损伤患者为多数。然而其他如偏瘫、脑卒中患者的助行康复也可适用于该外骨骼。这种使用人群不同导致面向对象的变化不应对本发明保护范围产生任何影响。

[0048] 最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。