用于辅助人类运动的软式外装护具

摘要

在至少一个方面，提供了用于在一个或多个关节周围产生力的系统，所述系统包括软式外装护具，所述软式外装护具具有多个锚定元件和设置于所述多个锚定元件之间的至少一个连接元件。所述系统还包括至少一个传感器、至少一个致动器和至少一个控制器；所述传感器用于检测所述至少一个连接元件或多个锚定元件中的至少一个之中的力，并输出与所述力相关的信号；所述致动器被配置为在所述软式外装护具中改变张力；所述控制器被配置为接收由所述至少一个传感器输出的信号，并响应于所接收的信号对所述至少一个致动器进行致动。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求以下申请的优先权，并通过引用的方式将其整体并入： 2012年9月17日递交的美国临时专利申请号No.61/701,970，标题为“Soft  Wearable Motion Sensing Suit for Lower Limb Biomechanics  Measurements”；2013年5月31日递交的美国临时专利申请号No. 61/829,686，标题为“Method and System for Assisted Motion”；以及2013 年9月4日递交的美国临时专利申请号No.61/873,433，标题为“Soft  Exosuit for Assistance with Human Motion”。

联邦资助研究的声明

本公开的某些方面是在由美军授予的基金号W911QX-12-C-0084的 政府资助下作出的，政府对本公开的这些方面享有一定权利。

本公开的某些方面是在由美国国家科学基金会授予的NSF基金号 CNS-0932015的政府资助下作出的，政府对本公开的这些方面享有一定 权利。

技术领域

本发明的发明构思总体而言针对用于辅助人类运动的方法和系统， 更具体而言针对通过向一个或多个移动动作被动和/或主动地添加辅助 能量，来为运动提供辅助并减少运动(例如行走)期间的能量耗费的方 法和系统。

背景技术

现有技术中的运动辅助系统利用外骨骼，其包括硬质部件(例如连 杆(linkage))和接头(例如销接头(pin joint))，所述外骨骼贴附于使 用者身体，同时外骨骼关节被设置为具有与相邻关节的自然旋转轴理想 地处于同一直线的旋转轴。示例性的现有技术中的外骨骼示于美国公开 专利申请号No.2007/0123997和2011/0040216中，两者均属于Herr等人， 并且以引用的方式将二者的整体并入本文。此类硬质外骨骼提供了替代 已丧失或遭严重损害的人体移动的能力，并因此设计用于提高使用者的 稳定性、平衡性和安全性。其它硬质外骨骼起到平台的作用，在临床环 境(如在物理治疗临床)中提供物理治疗，或用于辅助健全的使用者更 轻松地或在更长的时间内执行任务。

然而，这些硬质外骨骼依靠连杆的硬质框架，通过垫、绑带(straps) 或其它接合技术在选定位置处结合至身体。当使用者弯曲或伸展其肢体 时，这些硬质连接与肢体平行移动，使得移动增加相当大的惯性，必须 由电动机或由使用者加以克服。尽管已经付出了许多努力来减小这些设 备的重量和外形，其仍然对使用者的运动造成相当大的限制，特别是对 自然动力学和步态运动学增加相当大的阻碍。这种对行走的正常运动学 造成的变化正是为何这些外骨骼系统无法减少运动所需代谢功率的一个 原因。硬质连接也会造成困难，特别是在运动的极端时，这是因为外骨 骼的销接头与人体关节的轴线并非精确匹配，后者通过复杂的三维路径 进行移动。这导致了正常移动期间的不重合度高达10cm，使得使用者产 生疼痛甚至受伤。一种解决方案包括冗余的被动自由度，以允许外骨骼 在穿戴者运动的关键区域发生飘移(travel)和变形，然而，这又进一步 增加了系统的重量。

发明内容

本发明的发明构思针对配置用于辅助使用者移动的方法、系统和设 备，更具体地说，针对涉及软式外装护具的方法、系统和设备，所述软 式外装护具包括多个不可伸长的或半可伸长的元件作为柔性连接元件 (例如，织带(webbing)、绑带、绳(cord)、功能纺织品(functional textile)、 金属线(wire)、缆线(cable)、复合材料或以上材料的组合等)，上述元 件设置于多个锚定点或锚定区域(例如，髂嵴、肩、大腿、脚踝、小腿 等)之间，所述软式外装护具还包括一个或多个致动器，上述致动器适 于适时地在选定的柔性元件处选择性地产生张力，此时将力传输至特定 肢体或身体部位，从而有利于所述特定肢体或身体部分的移动。本文所 述的软式外装护具通常是指代并包括利用柔性连接元件向至少一个肢体 (例如腿部)或肢体部分(例如足部)提供辅助力的可穿戴设备。在一 些方面，软式外装护具利用柔性连接元件向多个肢体(例如，双腿)或 一个或多个肢体的多个部分(例如，双足)提供辅助力。在至少一些方 面，除了驱动对侧双腿或对侧双臂的一个或多个关节以促进肢体在不同 时间向不同方向移动的运动(例如行走)以外，本发明的构思也包括提 供同时驱动多于一个的肢体，并且包括例如使双腿的运动相互配合、或 使腿和手臂的移动(同侧或对侧)相互配合、使手臂的移动相互配合， 或使其它身体移动相互配合，从而开发利用潜在的协同移动。

相比于现有技术的硬质外骨骼而言，软式外装护具更轻，穿戴更舒 适，并允许更完整、更自然的关节运动范围，同时仍然能够传递有助于 辅助运动的力或扭矩。根据本发明的构思，柔性连接元件可任选地与硬 质或半硬质连接元件组合使用，并且不必要使所有连接元件均为柔性。

在本发明构思的至少一些方面，可穿戴软式外装护具包括第一锚定 元件和第二锚定元件，所述第一锚定元件被配置为位于穿戴所述可穿戴 软式外装护具的人的第一身体部分处或位于所述第一身体部分附近，所 述第二锚定元件被配置为位于穿戴所述可穿戴软式外装护具的人的第二 身体部分处或位于所述第二身体部分附近。所述软式外装护具还包括： 多个连接元件，所述连接元件在所述第一锚定元件和所述第二锚定元件 之间延伸，并且所述多个连接元件中的至少一个跨越位于第一锚定元件 和第二锚定元件之间的至少一个关节；至少一个致动器；以及至少一个 控制器，所述控制器被配置为用于在所述至少一个关节进行移动期间的 预定时间，对所述至少一个致动器进行致动，以在所述至少一个关节周 围产生有益力矩。

在本发明的概念的至少一些其它方面中，用于在一个或多个关节周 围产生力的系统包括软式外装护具，所述软式外装护具包括：多个锚定 元件；多个连接元件，所述连接元件被配置在所述多个锚定元件之间； 至少一个传感器，所述传感器用于对所述多个连接元件中的至少一个之 中或所述多个锚定元件之中的力进行检测，并输出与所述力相关的信号； 至少一个致动器，所述致动器被配置为用于改变所述软式外装护具中的 张力；以及至少一个控制器，所述控制器被配置为用于接收来自所述至 少一个传感器输出的信号，并响应于所接收到的信号对所述至少一个致 动器进行致动。

在至少一些方面中，所述软式外装护具连接元件被布置在可穿戴矩 阵中，所述可穿戴矩阵限定了多个节点、点或区域，多个连接元件在上 述多个节点、点或区域处得以相互连接，并直接或间接地连接到多个锚 定点。节点上的力由连接元件的配置(例如，相互连接在节点处的连接 元件的数量、相互连接在节点处的连接元件的相对角度等)和沿着各构 成连接元件所施加的力而得以部分控制。在运动期间，软式外装护具致 动器选择性地在选定的节点和/或锚定点处沿着连接元件施加张力。作为 所施加的张力的结果，在一个或多个关节中产生力矩。当这些力矩与由 肌肉产生的自然力矩同向时，这些力矩被认为是有益力矩，并辅助运动 (和/或吸收功率)，需要较少的来自使用者的能量并减少运动的代谢消 耗。

基于连接元件相对于关节旋转轴的位置，来确定由致动器与每个关 节处的相关连接元件施加的力矩的大小和方向。力矩的大小可基于张力 相对于关节旋转轴的偏移来确定，此类偏移受使用者的自然身体结构 (如，肌肉、脂肪等)、服装(例如靴)和中介元件(例如，将锚定点连 接至连接元件的锚定元件)影响。在至少一些方面中，软式外装护具被 配置为用于通过设置连接元件，以对称地传递至关节的两侧，从而将基 本平衡的力施加至关节的每一侧，来有利地降低无益的力矩。通过配置 软式外装护具柔性元件尽可能接近地(如果未能覆盖的话)通过关节旋 转轴，可进一步减少软式外装护具中的不希望的力矩。软式外装护具中 抵抗拉伸的元件能够防止软式外装护具上的点(例如，节点或另一个点) 向可能导致该元件伸长的方向移动。将数个此类元件放置在软式外装护 具上的点(例如节点)周围可使得该点(例如节点)不受施加其上的多 个不同力矢量的影响，从而限制该点相对于身体的移动。

在至少一些方面中，所述软式外装护具包括控制系统，该控制系统 被配置为用于监测一个或多个参数(例如，所产生的软式外装护具刚度、 关节角度、足跟着地等)、优选多个参数，从而引导由一个或多个致动器 向选定的柔性连接元件施加力。对于所辅助的移动、所需要的力的水平、 舒适性和/或性能而言如果适当，所施加的力可以间歇地施加。

在至少一些方面中，软式外装护具的刚度、以及软式外装护具因此 具有的产生张力变化的能力受许多不同因素影响，所述因素例如但不限 于：软式外装护具对使用者的解剖结构的适应程度(例如，节点相对于 关节的位置等)、软式外装护具材料、软质外装护具元件配置的刚度(例 如，节点和锚定点的位置)、以及使用者身体的刚度(例如，若使用者的 肌肉紧张而非松弛，则该使用者的身体刚度较高)。举例来说，所述软式 外装护具的刚度可以通过使用跨关节的不可伸长或半可伸长的元件而得 以选择性地增强。作为进一步的实例，在至少一个方面中，使用跨关节 的不可伸长或半可伸长的元件来增强刚度优选在关节一侧、而非在关节 两侧进行，其结果是，当关节处于其最大屈曲点或最大伸展点时，软式 外装护具由于身体的配置而呈更为紧张的状态；但在关节并未处于其最 大屈曲位置或最大伸展位置的其它配置时呈松弛状态。在其它方面，软 式外装护具使用多关节系统得以张紧，所述多关节系统被配置为用于由 于多个关节的组合运动而跨多个关节产生张力。护具的预张紧可用于在 整个系统中增加所产生的张力，并且可以通过例如以下方式得以实现： 使节点和/或锚定点之间(例如，髋部/地面和大腿圆锥部分之间)的软式 外装护具连接元件张紧(例如，在使用前和/或在使用过程中被动或主动 地改变长度)；或减少节点和/或锚定点之间的连接元件的总长度。

在根据本发明构思的至少一些方面中，所述致动器可以提供位置或 力的曲线，其在致动时与软式外装护具和身体位置相结合，在选定的关 节周围提供所需的张力、刚度和力矩。控制系统被配置为使用所述致动 器以选择性地张紧所述软式外装护具的构成部件、例如节点和连接构件。 在一个方面，这一张紧作用用于动态地立即改变跨一个或多个关节的系 统的张力。在一个方面，可应用这一张紧作用(例如，自动张紧功能) 来调节软式外装护具的性能、舒适性和贴合度，所述调节通过在特定时 刻和/或在步态中(例如在行走或跑步时)或姿态中(例如站立)的特定 点测量致动器单元的力和位移，以确定最有效的外装护具刚度来进行。

通常，所公开的软式外装护具被配置为用于辅助使用者的运动。这 种基于运动的辅助并不限定于如在本文所述实施方式中作为主要特点的 行走或跑步。相反，本文所公开的基于运动的辅助广泛涉及任何基于运 动的辅助，其可以包括例如辅助任何一个或多个身体部分相对于另一个 身体部分的运动，例如包括：仅一个肢体的移动(例如，一臂相对于躯 干的移动、一腿相对于髋部的移动、或一足相对于相应的腿的移动)；多 个肢体的移动(例如，双臂相对于躯干的移动、双腿相对于髋部的移动、 一臂相对于躯干和一腿相对于髋部的移动等)；以及头部和/或躯干的移 动。举例来说，软式外装护具的上半身实施方式可以有利地由乘坐轮椅 的个人使用，以用于辅助其运动。

在一个实施方式中，软式外装护具可用于辅助带有负载或不带负载 而行走的人的运动，此类辅助提供了使用者代谢能量消耗的有益减少， 并减少了对跨关节的软组织(例如韧带、肌肉和肌腱)的负荷，从而也 减少了受伤风险和/或使得已有伤害或现有病症恶化的风险。这对于携带 负载而行走的士兵可以是特别有利的。在其它实施方式中，本文所公开 的软式外装护具可用于伤员、残疾人和老人，以增加移动性和/或减轻疲 劳(例如，行走、上半身的移动性、转动、绕轴转动等)。

在本发明的概念的至少一些方面，该软式外装护具是被动的，并被 配置为在一个或多个关节(例如髋部等)周围产生力而不使用致动器。 在该被动式软式外装护具中，软式外装护具包括上部锚定元件和多个下 部锚定元件、以及多个至少实质上不可伸长的连接元件，所述连接元件 设置在所述上部锚定元件和多个下部锚定元件之间，沿传递力的路径设 置，其中所述连接元件被配置为用于向髋部提供可回复的扭矩，使大腿 向中立位置偏转。护具与肌肉平行产生作用，以减少身体所需要的伸展 扭矩。

除了基于运动的辅助，软式外装护具还可进一步用于运动评估、康 复或步态辅助活动和移动训练，例如通过提供阻力而非辅助来进行(例 如，用来强化肌肉、为不正确的移动提供负反馈等)或在必要时提供纠 正性辅助来辅助训练(如高尔夫挥杆训练、网球训练等)。

更进一步地，软式外装护具可以由健康人用于参与下述活动，该活 动需要基于运动的辅助，包括个人活动(如远足、登山、骑自行车、散 步、皮划艇、独木舟、滑雪等)或工作活动(例如，建筑工作、垃圾收 集、运输装卸、草坪护理、急救人员等)。此外，根据不同的活动，致动 器和/或电源的重量和位置、以及电源的类型也可随变化的设计范围而改 变。

以下对软式外装护具的这些和其它功能进行更充分的说明。

附图说明

图1描绘了根据本发明构思的至少一些方面的软式外装护具的第一 实例。

图2A-2D描绘了图1的软式外装护具的一部分中的示例性的力矢 量。

图3A-3C示出了关于图1的软式外装护具的步态周期的运动学测试 数据，在步态周期不同点处的致动下，所述数据以平均值加或减一个标 准偏差表示。

图4示出了对于图1(a)的软式外装护具，步态周期内六次不同的 致动器开启时间的平均代谢功率。

图5示出了根据本发明构思的至少一些方面，用于气动系统的软式 外装护具控制和电力系统的实例，所述气动系统使用McKibben致动器。

图6A-6B示出了图1的软式外装护具的实例，其分别示出了不具有 致动器的软式外装护具连接矩阵和具有致动器的软式外装护具连接矩 阵。

图7示出了根据本发明构思的至少一些方面的软式外装护具的第二 实例的正视图。

图8(左侧)示出相对于步态周期的百分比而言，髋、膝和踝部所产 生的力矩，以及(右侧)示出相对于步态周期的百分比而言，髋、膝和 踝部所产生的运动范围。

图9A示出了在单步或者一个步态周期中的踝关节、膝关节和髋关节 的关节力矩的图。

图9B示出了在大腿至足跟之间延伸的绑带在步态周期内的移动。

图9C示出了在步态周期内，图7的软式外装护具沿身体的路径长度 响应于髋部角度改变而产生的变化。

图9D示出了作为长度s1、s2和s3的组合，两个锚定点(在所示的 实例中为髋部和足跟)之间的路径长度。

图9E示出了用于表示髋、膝和踝部的力矩的惯例。

图10A-10B是分别示出根据本发明构思的至少一些方面的软式外装 护具的侧视图，以及根据本发明构思的至少一些方面的软式外装护具的 透视图。

图11示出根据本发明构思的至少一些方面的软式外装护具(V5)的 侧视图，描述了软式外装护具的主要组件。

图12示出了根据本发明构思的至少一些方面的软式外装护具(V5) 的平面图案布局的实例。

图13示出了根据本发明构思的至少一些方面的软式外装护具(V5) 的腰带。

图14A-14B示出了根据本发明构思的至少一些方面的软式外装护具 (V5)的后视图，其上方部分示于图13中。

图15示出了骨盆运动范围的图。

图16示出了根据本发明的软式外装护具(V5)以及各个元件中传递 的力的图。

图17A-17B分别示出了覆盖在骨架上的图16的软式外装护具，示出 腰带和节点1的定位，以及使得在大腿支具中产生旋转力的水平错位的 实例。

图18示出了根据本发明构思的至少一些方面的软式外装护具(V5) 的大腿支具的定位。

图19示出了根据本发明构思的至少一些方面的软式外装护具(V5) 的小腿绑带的角度。

图20A-20B分别示出了根据本发明构思的至少一些方面，沿软式外 装护具的大腿支具的力、以及可对连接元件离开大腿支具的(1)位置和 (2)角度进行的调整。

图21根据本发明构思的至少一些方面，软式外装护具的下方部分的 T连接。

图22示出了根据本发明构思的至少一些方面，将靴连接至软式外装 护具的小腿绑带的附连构件(T型接头)的后视图。

图23A-23B示出了根据本发明构思的至少一些方面的软式外装护具 中，小腿绑带与膝关节的轴的对齐情况。

图24A-24B示出了根据本发明构思的至少一些方面的软式外装护具 中，步态周期内的功率要求的图。

图25A-25C示出了作用在图19的软式外装护具中，小腿绑带中的力。

图26A-26C示出了根据本发明构思的至少一些方面的软式外装护具 鞋具附连件的一个实施方式。

图26D示出了根据本发明构思的至少一些方面的软式外装护具鞋具 附连件的一个实施方式的各个视图。

图26E-26G示出了根据本发明构思的至少一些方面，软式外装护具 鞋具附连件的其它实施方式的多个方面。

图27示出了根据本发明构思的至少一些方面，软式外装护具鞋具附 连件的一个实施方式的详细视图。

图28A-28B示出了根据本发明构思的至少一些方面，软式外装护具 鞋具附连件的一个实施方式的详细视图，分别从侧面和底部示出靴上的 传力路径。

图29示出了致动系统的一个实施方式的实例，示出了用于根据本发 明构思的至少一些方面的软式外装护具的传动箱和滑轮模块。

图30示出了根据本发明构思的至少一些方面，软式外装护具致动系 统的一个实施方式的实例的框图。

图31示出了对于根据本发明构思的至少一些方面的软式外装护具， 感应元件的连接的框图。

图32示出了根据本发明构思的至少一些方面的软式外装护具的模拟 和数字I/O的框图。

图33示出了对于根据本发明构思的至少一些方面的软式外装护具， 电动机控制组件的框图。

图34示出了根据本发明构思的至少一些方面的软式外装护具中，软 式外装护具在步态周期的一部分期间的受控致动。

图35示出了根据本发明构思的至少一些方面的软式外装护具中，在 步态周期期间输入至电动机的近似功率。

图36示出了根据本发明构思的至少一些方面的软式外装护具中，缆 线位移相对于时间的函数的图的实例。

图37示出了根据本发明构思的至少一些方面，用于软式外装护具致 动器附连件的Bowden缆线末端装配情况。

图38示出了根据本发明构思的至少一些方面的软式外装护具中，滑 轮模型的负载传感器排列以及输入至输出的力的理论值的图。

图39示出了根据本发明构思的至少一些方面的软式外装护具中，用 于缆线张紧的并联和串联排列的实例；以及根据本发明构思的至少一些 方面的软式外装护具中，用于测量缆线张力的偏转惰轮(deflecting idler  pulley)。

图40示出了根据本发明构思的至少一些方面的软式外装护具中，使 用者的鞋具踝关节处的串联负载传感器位置。

图41A-41B分别示出了根据本发明构思的至少一些方面的软式外装 护具的实例，其中可以选择性地向髋关节的两侧(前/后)或向踝部施加 力。

图42A-42G分别示出了根据本发明构思的至少一些方面，致动器的 一个实例的组件和系统的实例。

图43A-43B分别示出了对于根据本发明构思的至少一些方面的软式 外装护具，定时滑轮配置的实例；以及在根据本发明构思的至少一些方 面的软式外装护具中，用于织带的惰轮配置的实例。

图44A-44C分别示出了根据本发明构思的至少一些方面的软式外装 护具(V3.2)的前视图、后视图和侧视图。

图45A-45D分别示出了根据本发明构思的至少一些方面的软式外装 护具(V4)的前视图、后视图和侧视图。

图46A-46B示出了根据本发明构思的至少一些方面，由使用者穿戴 的软式外装护具的实例的前视图和后视图。

图47给出了显示根据本发明构思的至少一些方面，软式外装护具的 初始实施方式的演变的统计学比较。

图48示出的柱状图描述了随着发明人开发并改进技术，根据本发明 构思的至少一些方面的软式外装护具由软式外装护具(V1)至软式外装 护具(V3)的重量减轻。

图49示出了根据本发明构思的至少一些方面，图46A-46B中示出的 软式外装护具的运动学结果。

图50示出了根据本发明构思的至少一些方面，图46A-46B中示出的 软式外装护具的踝部致动性能的力-时间曲线。

图51示出了根据本发明构思的至少一些方面，利用图46A-46B中示 出的软式外装护具的不同受试者的代谢结果。

图52A-52B分别示出了生物代谢功率饼图和护具代谢受益饼图。

图53示出了根据本发明构思的至少一些方面，不同版本的软式外装 护具(V3-V7)之间的软式外装护具刚度的演化。

图54A-54E示出了根据本发明构思的至少一些方面，软式外装护具 (V7)的多个方面。

图55A-55B示出了根据本发明构思的至少一些方面，软式外装护具 的多个方面。

图56A-56B示出了根据本发明构思的至少一些方面，软式外装护具 的腰带的多个方面。

图57示出了根据本发明构思的至少一些方面，软式外装护具的另一 腰带(V5)的多个方面。

图58示出了根据本发明构思的至少一些方面，软式外装护具的又一 腰带(V5)的多个方面。

图59示出了根据本发明构思的至少一些方面，软式外装护具的又一 腰带(V7.1)的多个方面。

图60示出了图59的腰带(V7.1)的多个方面。

图61示出了图59的腰带(V7.1)的其它方面。

图62示出了配置为对多个关节进行致动的、根据本发明构思的至少 一些方面的软式外装护具。

图63A-63B示出了配置为对多个关节进行致动的、根据本发明构思 的至少一些方面的软式外装护具。

图64A-64B示出了根据本发明构思的至少一些方面，配置为对多个 关节进行致动的软式外装护具的多滑轮。

图65示出了根据本发明构思的至少一些方面的软式外装护具的大腿 支具的后视图。

图66示出了根据本发明构思的至少一些方面的软式外装护具的 Bowden缆线末端点。

图67A-67D示出了根据本发明构思的至少一些方面，用于软式外装 护具的致动器的多个方面。

图68示出了根据本发明构思的至少一些方面，用于软式外装护具的 控制方案的多个方面。

图69示出了根据本发明构思的至少一些方面，用于软式外装护具的 控制方案的多个方面。

图70示出了根据本发明构思的至少一些方面，用于软式外装护具的 控制方案的多个方面。

图71A-71H示出了根据本发明构思的至少一些方面，软式外装护具 的实施方式的多个方面。

图72示出了根据本发明构思的至少一些方面，(a)辅助髋部屈曲的 被动髋部系统的正视图和后视图，以及(b)在前部添加了弹性材料的同 一系统的正视图和后视图。

图73示出了根据本发明构思的至少一些方面，(a)支撑臀部伸展的 被动髋部系统的正视图和后视图，以及(b)同时支撑髋部屈曲和髋部伸 展的服装(garment)的正视图和后视图。

图74示出了位于根据本发明构思的至少一些方面的护具前部的紧固 系统，所述系统具有弹性元件，其中下图为所述护具沿上图中虚线的横 截面。

图75示出了水平行走时髋关节的扭矩。

图76示出了在地面上水平行走时的曲线、电动机位置和脚踏开关信 号。

图77示出了在步态周期内，与缆线位置相关的软式外装护具的致动 时机以及相应的护具力的图。

图78示出了在步态周期内，与缆线位置相关的软式外装护具的致动 时机以及相应的护具力的另一图。

图79示出了根据本发明构思的至少一些方面的软式外装护具组件实 例(此处为鞋具附属元件)，其包括一个触觉致动器，以提供使用者反馈。

图80示出了根据本发明的构思的至少一些方面的软式外装护具组件 实例。

具体实施方式

本发明针对可与致动器系统结合使用，从而向诸如行走、跑步、加 速、减速等自然运动提供有效辅助的软式外装护具系统。

与现有技术的硬质外骨骼相对，根据本发明构思的软式外装护具利 用柔性材料和致动器，从而专门处理与外骨骼设备相关的人为因素挑战， 并且不具有负重的外骨骼而是依赖于使用者的生物骨骼，从而辅助施力 和负荷转移。

与具有硬质组件的传统外骨骼相比，软式外装护具大大降低了机械 阻抗和运动学限制，并且不会显著约束或限制使用者的自由度。用这样 的系统，就可以加入受控的能量脉冲(例如，在步态周期的关键部分)， 而非直接控制肢体位置，从而向运动提供辅助并降低移动(例如，行走/ 载重)的代谢消耗而不会显著约束移动。

最初的设计参数利用50^th百分位的男性的数据，遵循软式外装护具 必须能够模拟正常行走的力和运动范围这一规范。为了将扭矩和旋转运 动转变为在图1-6B中描述的软式外装护具10中使用的McKibben气动 致动器15的线性值(已知在致动期间收缩25％)，对每个关节均获取了 人体测量值以估算力矩臂和总所需行程。通过估算相对于关节中心的位 置，估算了力矩臂，并获知了运动范围，从而确定了所需要的力和位移。 根据这些初始参数，开发了设备规格，并示于下表I，其示出了50％的男 性(体重79kg，身高1.75m)的正常行走期间的范围、力矩和力量。

表1

*在行走期间最大膝部伸展小于零(直腿)

在图1-6B中描述的软式外装护具10的实施方式中，选择用于辅助 运动的致动器为McKibben气动致动器15。由于将压缩空气泵入所述气 动致动器15，其径向扩张并缩短长度，从而提供致动。所施加的力可以 通过改变压力输入进行调节。行程长度基于致动器的长度确定。将具有 有效长度(不包括末端硬件，如配件和钢制环)为200mm的气动致动器 15作为原型，并在Instron 5544负载框架系统上记录1-5bar(14.7至73.5 psi)输入压力下的力-位移数据。对于这一原型，将4bar(58.8psi)选择 为操作压力，以提供实质的致动力，且提供额外的安全措施，使得所提 供的力比5bar的设计压力低40％。如图5所示，通过内联电磁阀18对 来自压力源16、经调节器17至气动致动器15的空气流进行控制，并且 用3/8 inch OD(1/4 ID)的管路将空气从压缩机送至系统，并由分别具 有1/4 inch OD(1/8 ID)管路的通向致动器的阀门分配至每一致动器。

为了充分辅助动态运动、例如辅助步态，必须考虑各气动致动器15 的膨胀和收缩时间，这是由于致动器并不能立刻充气和放气。因此，必 须对移动期间的精确施力点(例如，在步态周期内的多少百分比处)加 以理解和限定，以确保在膨胀期间适当地将力施加至关节，并确保收缩 发生得足够快，从而不限制关节运动。作为一个实例，在对图1的软式 外装护具10所利用的McKibben气动致动器15的动态性能的评价中， 记录了在4bar下膨胀和收缩期间的力与时间的关系，并且确定力-时间曲 线通常为S形；其中，对于膨胀而言，当施加压力0.316秒后获得90％ 的最大力(235N)；对于放气而言，力在0.098秒内从最大力下降至最大 力的10％。使用该气动致动器15时，表1中列出的上述力和功率要求可 以通过为每个自由度选择适当数量的致动器而得以满足。例如，可在平 行于每个踝关节处配置4个致动器，用于辅助踝部跖屈。

在4.0bar(表压)时测试气动致动器15的耗气量被确定为每个致动 器消耗空气0.60克(0.021mol)。

为了开发主要为软式组件的软式外装护具(例如，10，图1)，本发 明人着手开发了使用张力将载荷施加给使用者的方法，所述张力使得选 定的肌肉在选定的时间加强，依赖于使用者的骨骼结构，从而产生任何 在系统中所需的压缩、弯曲或剪切负载。初始人为因素的设计规格为提 供具有以下特点的软式外装护具：(1)轻量，增加最小的惯性，所述惯 性可能潜在地破坏正常步态动力学；(2)非限制性，以免扰乱所有人体 平面中的任何自然关节运动；以及(3)舒适。

为了将扭矩施加到第一位置(例如关节处)，致动器(例如在图1-6B 的实例中的气动致动器15)必须向使用者身体的一个或多个其它部分施 加反作用力。如上述表1所示，移动期间施加于关节的力可以相当高(例 如对于踝部跖屈25°而言为1867N)。因此，尽管可使用紧带或皮肤粘合 剂来保持可穿戴设备的位置，然而紧带或皮肤粘合剂均非保持可穿戴设 备(其用于施加使肢体致动所需的力)的位置的期望手段。相反，目前 优选的是紧带或皮肤粘合剂仅用于支持小负载、例如各组件的重量，而 非施加肢体致动力。此外，平行于皮肤的力会造成打滑、摩擦、不舒服， 并呈现高可能性的变形和/或滑动，这将使得致动失效。

在软式外装护具10的情况下(例如图1)，确定的是反作用力可以有 利地指向已知易于支持负载的锚定点12，例如但不限于肩膀、髋部的髂 嵴、以及足部的跖侧面。这些锚定点的特征在于皮肤表面附近的大的骨 标志，并能承受所施加的正常或接近正常的巨大反作用力(例如在髋部， 髂嵴区域的顶部向下的负载优选沿髋部一侧以剪切负载的力)。发明人进 一步观察到，在关节运动期间，在皮肤表面上的一些路径的长度相对于 彼此发生实质的变化(高应变路径)，而皮肤表面上的其它路径表现出小 的相对运动(低应变路径或者非伸展性线)。

重新回到通过软式外装护具在髋关节、膝关节和/或踝关节中的一个 或多个周围施加力矩的一个设计目标，发明人确定应将来自期望致动作 用的反作用力沿非伸展性线重定向至一个或多个锚定点，所述重定向经 由来自所期望的致动点的连接器矩阵进行，与其它连接器形成三角形， 以保持正常运动范围内的稳定性，同时将力重定向为终止于一个或多个 锚定点处(参见例如图1)。软式外装护具的这种配置强有力地限制了所 期望的致动点，使得运动范围的变形和影响最小化，并将反作用力传送 至使用者身体更适合于接收这种力的部分。与这些构思相一致，对于髋 部屈曲和伸展、膝部屈曲、踝部背屈和跖屈，软式外装护具(例如图1 的10)有利地利用沿非伸展性线选择的、形成三角路径的连接元件20。 在图1的实例中，经由中间节点30和连接元件20，软式外装护具10将 气动致动器15的远端连接至踝部，并将气动致动器15的近端连接至髋 部和/或肩部，从而使力尽可能地分散，并且使所述力至少基本上垂直于 皮肤。

为了说明上述构思，图2A-2D示出了涉及膝关节致动的力的实例。 图2A示出了左膝关节相对两侧上的第一节点N1和第二节点N2。这两 个节点之间施加的张力能够在伸展中致动(或辅助致动)膝部。根据本 发明的构思，期望节点N1和N2相对其下方肢体而言不发生相对移动， 因而以足够的刚度硬性地进行约束或锚定以抵抗显著的力(例如参见上 述表1)。从图2B的正视图观察节点N1可以看出，为了保持稳定，需要 在脚踝处沿着对侧路径额外连接至锚定点。为了保持平衡并避免锚定错 位，F1必须保持在F2-1和F2-2的连接件之间的角度之内。类似分析也 适用于气动致动器近端处的锚定点，所述致动器将反作用力传递至腰带 和/或肩部束带(harness)(如果设置的话)的近端，使得力沿髋部的髂 嵴分散(和/或分散至肩部)。

图6A-6B中示出了图1的软式外装护具10。在构建中，将包括三角 线索连接(Quik-Links)的节点30缝入连接元件20的矩阵中，所述连接 元件20由尼龙捆扎材料形成，将所述节点附着至一个或多个锚定点12 和/或其它节点。如有必要，在连接带的部分之间使用登山扣(carabiners)、 挤压脱出式带扣和椭圆Quick-Links以促进软式外装护具的穿戴和脱卸。 选择所需的致动器数量和长度，从而对于用于步态辅助的具有髋、膝、 踝关节致动器的软式外装护具而言，实现相关自由度所需的力量和范围。 为此目的，图6B中的软式外装护具10具有通过非硬质连接元件20(包 括织带)的网络连接至节点30和锚定点12的十二个McKibben气动致 动器15，从而对非延伸性线施加影响。

在图3A-6B所示的原型软式外装护具10中，将气动阀18和控制器 20安置在背式组装件中。将来自控制器20的信号输出至继电器板23， 其转而控制对气动致动器15进行操作的电磁阀18。向控制器20的输入 包括调整箱21和脚踏开关22。调整箱21安装在手腕上，使得使用者可 实时联机调整发动延迟和致动持续时间。足跟着地(heel strike)通过装 备有脚踏开关的内底(B&L Engineering)得以感测，将信号发送至Arduino  Mega 2560微控制器(http://arduino.cc/en/)。在感测到足跟着地时，控制 器20被配置为用于启动时序，在三个自由度上驱动肢体。每个自由度具 有可编程的开启时间(足跟着地后的致动器开启时间)和致动持续时间。 对于双足均感测足跟着地，并独立地用于启动延迟和致动。时序对双腿 而言相同以保持对称，但若期望的话也可以独立地调节，以考虑任何使 用者的步态不对称性。虽然在测试过程中，可经由中央压缩空气(市售 空气)或本地压缩机供给压缩空气用于静止/跑步机测试，然而软式外装 护具10也可替代地利用由一个或多个306bar(4500psi)的背式压缩空气 罐供给的压缩空气。

图6B的软式外装护具10在连接至压缩机时具有7144克的总质量， 而使用单独的使用者负载型压缩空气罐时则为9121克。软式外装护具10 本身所具有的质量仅为3500克(上衣、裤子、鞋、致动器、支持绑带)， 尽量减少已知对代谢消耗具有更高影响的远端质量。阀门盒和电池的质 量为3280克，并且包括调整箱21在内的控制模块为364克。软式外装 护具10每个步态周期消耗空气0.166mol(4.8克)，假设为1Hz的步频时， 每分钟将消耗9.94mol。根据这些假设，64in³、4500psi的压缩空气罐含 有41.3mol(415克)空气，且将持续4.15分钟的恒定行走。

使用图6B的软式外装护具10进行的试验性研究对软式外装护具10 使用气动致动器15在蹬离(push off)期间增强踝关节扭矩，从而辅助 步态的性能进行了检验。将图6B的软式外装护具10中所有其它致动器 的致动时间调整为0毫秒，使它们不产生力。在Wyss Institute’s Motion  Capture Laboratory收集运动学和代谢数据以量化软式外装护具功效，并 通过改变步态周期内致动器的开启时间来对外腓肠肌致动器的接合时机 对关节运动学和代谢功率的影响进行研究。对6个致动器开启时间进行 了研究，所述研究以10％的增量从步态周期的10％变化到步态周期的 60％。作为对照，也以处于完全被动的无动力模式的软式外装护具10、 以及受试者未穿戴所述软式外装护具的情况对关节运动学和代谢功率进 行了研究。同侧腿的足跟着地被定义为步态周期的0％。

使用具有8个红外摄像机的运动分析系统(Oxford Metrics， Oxford，UK)来获取一名健康男性受试者(42岁，65kg，身高1.73m) 的运动学。参与者沿10米平坦的路上以1.5m/s行走。排除行走速度偏离 1.5m/s±5％的试验，直至获得三次可接受的步态试验。以120Hz的取样 速率收集运动捕捉数据。基于改进的Cleveland Clinic标记物模组，将总 共44个标记物附着在参与者身上。将下半身标记物放置在以下解剖标志 处：双侧髂前上棘、双侧髂嵴顶端、L5骶骨界面背侧、股骨髁外侧和内 侧、内外侧踝尖、跟骨结节以及第一和第五跖趾关节上侧。将三元组的 标记簇放置于股骨和胫骨处。将上半身标记物放置在前额、左右太阳穴、 第七颈椎、胸骨、肩峰突的前端末梢、肱骨外上髁、以及桡骨和尺骨茎 突之间的中点处。

使用OpenSim 3.0进行逆运动学分析。基于14次拟人测量，将 OpenSim 23自由度的头部、躯干和下肢模型缩放至受试者。缩放通用模 型后，基于三维标记物轨迹计算解剖关节角度。计算了相对于步态周期 的踝关节、膝关节和髋关节角度的平均值和标准偏差。如图3A-3B所示， 矢状面髋关节和膝关节角度在无软式外装护具10、被动式软式外装护具 (无致动)以及致动的软式外装护具条件下彼此之间保持类似。对于所 有试验条件，髋关节具有典型的矢状面行为：在足跟着地时具有初始屈 曲，在整个站立期伸展，并在摆动期内发生屈曲(图3A)。被动和致动 测试例二者的矢状面膝关节角度也具有典型模式：膝部从足跟着地起具 有初始屈曲，在整个负载响应内屈曲，由站立中期至足跟抬起时伸展， 从足跟抬起至足尖离地时屈曲，并最终在摆动期内伸展(图3B)。然而， 矢状面踝关节的运动学受到致动的软式外装护具10影响(图3C)。由于 在站立期内经由Mckibben气动致动器15向踝关节提供了额外的关节扭 矩，导致负载响应期间踝部更加背屈，并且在站立末期结束至摆动初期 期间更加跖屈。使致动器在步态周期的10％和60％时开启的条件使得踝 关节运动学发生最大变化，达到比不穿戴软式外装护具10时基线行走偏 差约15°。与此相反，当步态周期30％时外腓肠肌致动器开启时，矢状面 踝关节运动学与不穿戴软式外装护具10时的基线行走保持相似，并且与 穿戴不具致动作用的被动式护具时的矢状面踝关节运动学也类似(图 3C)。

根据上述测试，在以下8个测试条件下对受试者的代谢功率进行测 量：1)静止站立；2)未穿着软式外装护具10时行走；3)穿着无动力 (被动式)软式外装护具时行走；以及4-8)在穿着软式外装护具、且致 动器开启时间为10％～60％(增量10％)的情况下行走。对于每一测试， 同一受试者以1.5m/s在水平跑步机上行走8～10min。使用了Cosmed K4b2 心肺运动试验设备(COSMED USA，Concord，CA)来测定测试过程中 的肺部气体交换(VO₂、VCO₂)。计算4min稳定状态的时间间隔内的平 均代谢功率(W)，并根据呼吸间的变化情况(inter-breath variability)计 算代谢功率的标准偏差。

如图4所示，在有动力的软式外装护具10的条件下，在步态周期30％ 处开启外腓肠肌致动器时，平均代谢动力得以最小化。在这一致动器开 启时机，行走时的平均代谢功率(±一个标准偏差)为386.7±4.4W，几 乎与完全未穿戴软式外装护具行走时的平均功率(381.8±6.0W)相同， 且实质上小于穿戴被动式无动力软式外装护具行走时的情况(430.6±8.6 W)。当将有动力并优化调整的软式外装护具与被动式无动力的软式外装 护具相比时，平均代谢功率存在43.9W或10.2％的降低。当气动致动器 在步态周期的20％激活时，产生了最高平均代谢功率(438.8±3.4W)。

已经确定的是，通过适当调整致动器开启时间，软式外装护具10协 同性地(且舒适地)增强使用者的运动学，同时使代谢功率最小化。进 一步确定了不当提供动力的关节力矩辅助会不利地改变步态运动学，并 且不利地增加代谢功率。本文公开的软式屈从式外装护具系统能够利用 使用者的基本骨骼结构作为结构支撑，同时通过张力促进被动的运动辅 助，并通过使用致动器系统促进主动的运动辅助，所述致动器系统可在 使用被动运动所产生的力之上产生额外的力。

与传统的硬质机器人外骨骼相比，以上公开以及本文公开的根据本 构思的软式外装护具提供了许多优点。目前公开的软式外装护具可容易 地由柔性材料构成，例如但不限于：织物、绳、金属线、缆线、网、功 能性纺织品和绑带。根据本发明的至少一些实施方式，使用柔性材料形 成连接元件，所述连接元件在张力下实质上无弹性(例如从而提供在张 力下的刚度)、具有弹性(例如吸收能量并向使用者送回能量)和/或无 弹性和具有弹性的柔性材料的组合。由柔性材料形成的连接元件比传统 的外骨骼硬质元件实质上更轻，并且需要更少的能量进行携带和移动(例 如低的惯性影响)。此外，这些柔性连接元件足够贴合，以适应使用者的 自然运动和运动学，并避免通常与基于硬质外骨架的系统有关的关节不 重合问题。

锚定点12或支持特征包括但不限于：由相对薄层皮肤所覆盖的骨突 出部分，其可以提供低的位移，并且当将软式外装护具压抵皮肤时具有 最小的屈从度(compliance)(例如髋骨髂嵴、肩等)。如上述所提到的， 使用连接元件20(例如柔性绑带或织带)来将力(例如通过相关联的锚 定元件)传递至选定的节点30和/或锚定点12。可通过直接路径和/或间 接路径将连接元件20对准至锚定点12或(例如通过致动器)可施加张 力的点(例如节点30)，来实现较高水平的软式外装护具刚度。例如，根 据本发明的一些实施方式，连接元件可以与由软式外装护具产生的张力 所造成的力矢量对齐。或者，可将连接元件20和/或节点30以一定角度 和位置进行排列，以允许将由软式外装护具10中引入的张力所产生的力 矢量施加至未与所述张力对齐的关节。

图7示出的根据本构思的至少某些方面的软式外装护具100的实施 方式。如上所讨论的，将软式外装护具100配置为使用一个或多个连接 元件(例如102-105、107)将力矩施加至一个或多个关节(例如图7中 所示的髋关节和踝关节)。这些连接元件可跨关节预先张紧，使得张力对 关节施加辅助力矩。根据至少一些实施方式，使用者可以有选择地增加 或减少软式外装护具中的预张力。由使用者选择性地调整预张紧这一特 征可包括一个或多个独立通道(例如整个护具和/或用于左/右和/或前/后 的独立控制)，所述功能通过机械或电-机械张紧装置加以控制，所述装 置设置为调节沿所述通道的张力(例如通过调节一个或多个连接元件的 功能性长度来实现)。预张紧也可任选地由软式外装护具控制器来调整和 /或优化，其在有或没有使用者输入的情况下进行，所述使用者输入向控 制器提供反馈，从而实现可接受的预张力舒适度。在另外的方面，使用 者可有利地通过调整一个或多个连接元件或锚定元件的长度，来对一个 或多个连接元件或锚定元件中的张力进行调节(例如通过穿过带扣的织 带环，并使用Velcro附连区域进行所述调整)。

图7示出了软式外装护具100，其包括腰带110、节点115、大腿支 具120以及连接腰带和大腿支具的连接元件102、103。腰带110作为支 撑构件环绕腰部并接合髂嵴。在腰带110之外，或替代于腰带110，也可 使用一个或多个附加支撑元件(例如肩部绑带(未示出))。通过在腰部 的窄处使腰带110紧密贴附于身体，自然身体特征协助将腰带维持在适 当位置。大腿支具120在大腿上提供支撑点或节点来引导并对齐髋关节 上方沿大腿设置的连接元件102、103，并且由于大腿的锥形形状，可将 大腿用作抵抗施加至大腿支具的向上张力的支撑点。腰带110和大腿支 具120之间的张紧作用使得产生比单独的腰带110所实现的更高的初始 张力。

图8(左侧)示出随步态周期的百分比而产生的髋、膝和踝部力矩， 并且(右侧)示出相对于步态周期的百分比所产生的髋、膝和踝部的运 动范围。可在行走期间张紧连接元件102、103，使得连接元件102、103 中的张力在髋部伸展时施加力矩，促使髋关节产生屈曲。在步态周期的 即将蹬离之前的部分(30-50％)内，髋部吸收力量。在此期间，软式外 装护具可通过抵抗髋部伸展来协助能量的吸收。紧接着，在步态周期的 50％-70％期间，髋部提供正功率。软式外装护具也可通过向髋部施加互 补力矩，从而有助于该功率的产生。进一步而言，连接元件102、103可 连接(例如经由大腿支具120间接连接或直接连接)至小腿连接元件107， 其向下伸展至膝部周围，并在小腿下方的腿部背侧相接。

如图10A所示，例如在腿部背侧，小腿连接元件107在至少一些实 施方式中被连接至足跟附连件或直接(例如在使用者鞋具内部，位于袜 子或衬里与使用者鞋具之间)或间接(通过鞋具)地与足部接合的锚定 元件(例如抵抗向上张力的锚定点)。连接元件107也可以直接或间接地 (例如通过中介的锚定元件)附连至位于鞋具(例如靴)外侧的点。因 此，在本发明构思的一些方面，软式外装护具终止于使用者的足部，其 中下侧(较低的)锚定点包含与使用者的足部或使用者的鞋具相接合的 锚定部件。

在每个将软式外装护具锚定至使用者的足部附近的上述配置中，连 接元件被固定并张紧以提升软式外装护具的刚度，并在足跟处有效地施 加力，以产生跖屈所需的力矩(或辅助跖屈，可能基于个案而有所改变)。

在将来自连接元件107的力施加至使用者的足部或鞋具的实施方式 中，可在跟骨(足跟)处经由例如包裹足跟的织物，通过固定于使用者 足部下方或固定于足部的内底插入件施加所述力，或者经由袜状织带结 构施加所述力。可将所述力施加至足跟本身(或鞋具的足跟部分)以辅 助背屈，或者可经由连接元件、织物、织带或类似物(例如适合于该应 用的金属线、缆线、齿轮、齿轮组、杆件等)从足跟重定向至足部上表 面(或鞋具上侧部分)，以在其上施加向下的力，从而辅助跖屈。

内底插入件例如可包含硬质或半硬质元件，通过足跟连接元件使力 施加于所述硬质或半硬质元件背侧。随后可将来自连接元件102-105的 张力施加至小腿连接元件107，直至附连至内底插入件的足跟连接元件 (或可替代地，直至鞋具的跟部或后部、或直至设置于包裹足部的袜状 结构或织带结构的跟部或后部)。足跟连接元件可在足跟下方沿足底延 伸，并与一个或多个包围足部上表面的连接元件相连接，使得施加至足 跟连接元件的张力使踝关节发生跖屈(例如足部蹬离运动)。

根据本发明的一些实施方式，软式外装护具被构造、设计和优化用 于特定生物力学活动(例如行走等)。当身体执行正常的无辅助运动(如 行走)时，肌肉组织消耗代谢能量来移动身体的骨骼，使重量从一足转 移至另一足，并提供能量用于向前推进和抵抗重力作用。肌肉向特定的 关节组施加力矩，使其以定时和协调的方式延伸并弯曲从而迈出每一步， 如图9A所示，对于踝关节、膝关节和髋关节，关节力矩(Nm/kg)表示 为步态百分比的函数。根据本发明的一些实施方式，可将软式外装护具 配置为在关节处施加力矩或扭矩，从而辅助或抑制身体涉及该关节的移 动。该力矩是有益的并辅助运动、还是有害的并阻止运动可以是进行运 动的时机和外装护具连接元件配置的函数。运动通常包括关节周围的身 体部分的往复式移动，并且在特定方向上、在适当时机施加外部力矩可 以补充由肌肉施加的力来辅助运动。当关节处于相反方向时施加的相同 力矩可阻碍肌肉产生的力并呈现运动阻力。

软式外装护具的连接构件通过自然的身体结构从关节旋转中心自然 偏移(例如更大直径的腿部使得软式外装护具偏移得更远离旋转中心)。 在本发明构思的至少一些方面，该偏移可通过使用被动式元件、如垫片 (例如织物、泡沫元件、垫等)或主动式元件、如致动器来增加软式外 装护具和穿着者的身体间的距离，或者在此类主动式元件的情况下得以 动态地增加软式外装护具与穿戴者的身体之间的距离。另外，随着关节 相对于另一关节移动，一个或多个软式外装护具连接构件的作用线可相 对于关节发生变化，从而在沿该连接构件施加力时改变力矩。更进一步 地，可使得节点和/或锚定元件在操纵软式外装护具期间响应于施加的力 而发生移动，这也可改变一个或多个软式外装护具连接构件的作用线。 在关节移动期间改变软式外装护具连接构件的作用线的实例示于图9B 中，其示出了在大腿支具120和鞋具连接元件130之间延伸的连接构件 107(也可参见图7-图8)，所述连接构件可随着腿部在步态周期30-70％ 内移动而相对于膝部旋转轴“A”改变位置。连接构件107位置的相对变 化改变了软式外装护具在这些移动阶段可施加至或跨越膝关节的力矩。 因此，当在步态周期的30-70％内将张力施加至所述连接构件107时，连 接构件107在步态周期的30-40％内提供了伸展膝盖的小力矩，在步态周 期的50％几乎不在膝部提供力矩，并且在步态周期的60-70％内提供较大 的力矩。

在本发明构思的至少一些方面，小腿连接元件107被设置为相对于 彼此而言略微不对称地设置，并且侧向(外侧)小腿连接元件107(参见 例如图9B)被设置为略微处于膝部转动轴A的后方，且内侧小腿连接元 件107被设置为略微处于侧向(外侧)小腿连接元件前方或略微处于膝 部转动轴的前方。这一配置有利于对张力进行导向使其在所有时刻均精 确地通过膝部转动中心。动态地，在步态初期，内侧小腿连接元件107 略微处于膝关节转动中心的前方，并且后一小腿连接元件107通过膝部 转动中心或稍微位于其后方，并且，在步态的后期阶段，这降低了膝部 周围的有效力矩臂(和力矩)。

图9C示出了在整个行走周期的不同部分内移动的人。还示出了整个 行走周期内的髋关节角的图。在这一实例中可以看出，在行走周期的0％ 和100％处髋关节角最大，并且在行走周期的50％处最小。由于髋关节角 的变化和身体的结构，腰带110与大腿支具120的顶部之间的路径长度S 随着身体在整个行走周期内移动而改变。因此，软式外装护具在移动期 间的张紧程度有所不同。如果对应于路径长度S设置连接元件，该连接 元件将在移动到某些点处拉紧(例如步态周期的50％处)，并将在运动的 另一点处变得松弛(例如步态周期的0％处)。当然连接元件的这一天然 (非致动)状态的程度受到例如预张紧和材料选择的影响。

类似地，图9D示出了延伸跨越多个关节、且经由腰带100(或等同 的腰部定位连接构件)锚定至髋关节、并经由鞋具连接元件130锚定至 足跟的软式外装护具的实例。如本文所定义，鞋具连接元件130包括任 何附连至所穿鞋具外侧(例如图21-22、图26A-26C)、附连至使用者的 足部(例如图26D)、和/或设置于所穿鞋具内部(例如图26E-26F)的连 接元件。在这一实例中，软式外装护具100的结构包括第一连接件元件 104，其具有位于腰带110和大腿支具120之间的长度(路径S1)，所述 大腿支具本身显示具有长度S2。具有长度(路径S3)的第二连接元件 107被附连至大腿支具120的底部，沿外侧腓肠肌行进，并连接至鞋具连 接元件130。第一连接元件104(S1)将在移动过程中随髋关节角的变化 而改变。大腿支具120的长度(S2)通常是固定的，这是因为它在不跨 越任何关节的身体部分上延伸。第二连接元件107的长度(S3)将基于 膝关节角和踝关节角之间的相对变化而改变。作为一个整体，这两个锚 定点(髋部和足跟)之间的距离为长度S1、S2和S3的组合，并且软式 外装护具的选择性张紧作用期望地考虑到多个关节的组合效应。

根据本发明，通过理解力矩施加至该关节组的时机，可将软式外装 护具配置为以定时且协调的方式向所述关节组的部分或全部施加力矩， 从而向具有降低的肌肉功能的人补足由天然肌肉运动产生的力矩，并使 身体以同样的速率移动，同时花费更少的代谢能量或恢复移动性。可以 按被动或主动的方式来产生这些力矩。在被动式配置中，自然运动可在 支持特征之间的软式外装护具和所述软式外装护具的连接元件中产生张 力，从而在运动周期的特定时刻在特定关节处产生力矩。在主动式结构 中，可将一个或多个以任何方式产生动力的致动器用于在软式外装护具 内产生张力，所述张力在运动周期的特定时刻在特定关节处产生力矩。 根据本发明的一些实施方式，可将软式外装护具配置为主动及被动地在 身体上产生力，从而补足由肌肉组织产生的力，以使身体与无辅助地执 行给定运动相比，能在进行该运动时做更少的功，并降低代谢消耗。这 可通过使用下述软式外装护具而实现，该软式外装护具能使用自然身体 移动而被动产生张力，且与主动向软式外装护具施加张力的一个或多个 致动器以协调的方式进行组合。

在本发明构思的至少某些方面，将软式外装护具配置为从使用者的 运动吸收能量，所述吸收以与使用者的肌肉从使用者的运动吸收能量相 类似的方式进行。例如在行走周期的不同时刻，肌肉吸收力量，例如从 而当躯干受重力影响向前下落时阻止躯干运动，或在准备站立时减缓腿 部运动。为了在这些以及其它时刻吸收力量，肌肉会异常地收缩，在施 加力的同时于所施加的外部力的作用下延伸。为了减少肌肉在这些情况 下(或在肌肉等长收缩时，力量由肌肉/肌腱吸收的情况下)必须施加的 力的量和/或减少软组织损伤的概率，所述软式外装护具可在任何时刻平 行地施加力以激活肌肉，从而由躯体吸收力量，否则可能证明存在潜在 危害或仅有最小的益处。这一吸收的力量可随后经由能量存储装置(例 如弹簧系统、回弹部件等)收集，并在随后的一些时间点及时送回至躯 体(例如在步态周期中的后续时间点)。举例来说，所吸收的力量可以通 过对弹簧进行压缩来收集，而后所述弹簧则响应于所施加的压缩力降低 而伸长。压缩弹簧可任选地使用插销(latch)或其它机构暂时保持或锁 定，从而将所述弹簧维持在压缩状态，直至将能量送回至软式外装护具 系统的时刻。在另一实例中，所吸收的力量可通过转换为电能并将能量 存储在电池中而收集。潜在地，能量可以通过其它适合于给定的设计范 围的方式储存，例如但不限于液压、气动或化学储能。由力量吸收而储 存能量可在护具的被动和主动模式中出现。在被动模式下，能量储存可 使用被动机制(例如绷紧的弹簧等)；而主动模式下，软式外装护具可以 使用这些方案，或者也可另外使用直接启动致动器以产生储存的能量的 方案，例如在其它时刻逆驱动所使用的同一电动机来致动所述软式外装 护具。

如图10A和图25A所示，例如小腿连接元件107向与足部接合的鞋 具连接元件130施加张力。根据小腿连接元件107相对于膝关节的位置， 小腿连接元件107中的张力可向膝关节施加力矩。通过将小腿连接元件 107定位于膝关节轴线前方，使得小腿连接元件107中的张力可促进膝关 节伸展；通过将小腿连接元件107定位于膝关节轴线后方，使得小腿连 接元件107中的张力可促进膝关节屈曲。将小腿连接元件107对齐穿过 膝关节轴线可用于传递张力而不在膝关节上产生(有益或有害的)力矩。

根据本发明的被动式配置实施方式，小腿连接元件107可由非弹性 部件(例如缆线、绑带等)或弹性部件连接至足跟连接元件，从而在正 常行走中，软式外装护具中产生的张力在适当的时间向一个或多个腿部 关节(例如髋、膝和/或踝关节)施加有益力矩，以补充自然肌肉运动。 例如，正常的行走步态在步态周期约一半(50％)时使得腿部向后延伸。 其结果是，在软式外装护具中产生张力，所述张力从腰带110向下延伸 至大腿前部的连接元件102-105，沿小腿连接元件107延伸，在膝部周围 延伸，并沿腿部背侧下延至足跟绑带。张力可在髋关节处产生有益力矩， 辅助髋部伸展，随后在由一个或多个致动器产生的主动力以外，当由于 这一张力储存的能量得以潜在释放时，辅助髋部屈曲并推动腿部向前移 动。张力也可以在踝关节处产生有益力矩，其中该力矩在由一个或多个 致动器施加的主动力以外，还辅助踝部背屈并随后辅助跖屈，使得足部 向前进方向蹬离。

根据本发明的主动式配置实施方式，可通过加入一个或多个在合适 时间主动提拉足跟连接元件的主动组件，以增加足部的蹬离能量，从而 进一步辅助使用者的运动。在本实施方式中，足跟连接元件可连接至在 预定时间拉动足跟连接元件，从而在足跟周围施加有益力矩的致动缆线 或其它致动构件。致动缆线或其它致动构件直接连接或通过中介传动系 连接至由控制器控制的电动机或其它致动器，从而在预定时间施加力并 产生特定力矩。在一个实例中，提供缆线(例如包含实质上不可压缩的 护套的Bowden缆线)使其在腿部背侧将小腿连接元件107连接至一个 或多个鞋具连接元件130。施加于踝部以辅助蹬离的力还可以辅助髋部屈 曲。

根据本发明的一些实施方式，软式外装护具被配置为在锚定点处提 供多个锚定元件，以允许软式外装护具接合至身体适合作为锚定点的自 然体征。然而，在根据本发明构思的其它方面，期望在不存在此类自然 体征的位置建立锚定点或支撑点，在该位置施加负载通常将导致不期望 的后果。根据这些实施方式，可将一个或多个连接元件或支杆(struts) 用于将力从设置于期望位置的支撑点传输至身体上的另一位置，诸如对 应于自然体征的一个或多个锚定点(例如肩部、髂嵴等)。

例如，在如图10A所示的上述Bowden缆线的实施方式中，Bowden 缆线护套可从使用者背包上的点沿腿部侧方下延至小腿后方的位置。因 此，可在Bowden缆线与小腿连接元件107的小腿背面交会点处将 Bowden缆线固定至小腿连接元件107，并将缆线护套的近端连接至致动 器的壳体(例如包括驱动电动机和滑轮系统的肩负式背包)，以帮助在外 装护具中保持张力。类似地，如本文其它部分所述，也可使用其它类型 的缆线或致动元件(例如带状物、织物等)，并将其由致动器布线(route) (例如通过软式外装护具的织物或软式外装护具中的通道)至期望施加 力的特定位置。

可在Bowden缆线护套144附着至软式外装护具的点与中央缆线142 附着至软式外装护具100的点之间产生力。其结果是，可在软式外装护 具100中的腰带110与Bowden缆线护套144在腿的背侧联接至踝部连 接元件113的端点之间产生张力。当使用者行走时，背包与小腿发生移 动，改变Bowden缆线护套144近端和Bowden缆线护套远端之间的距离， 该距离为连接点113提供了软式外装护具的下部连接构件，就此意义而 言，该张力是动态的。另外，髋部也发生移动，改变髋部上的锚定点和 小腿上的锚定点之间的距离，这在使用期间会影响软式外装护具中的张 力。

因此，该软式外装护具的有益力矩可以通过被动和/或主动组件得以 增强，所述组件施加可产生有益力矩以补充肌肉动作的力。通过分析所 辅助的自然运动的生物力学以及进行运动时各个关节所消耗的功率，可 将补充力矩识别为接受期望水平的辅助。

例如，在正常行走期间，躯体随着在推动身体向前的过程中将其支 撑由一条腿转移至另一条腿而消耗功率。这一功率的显著部分由髋部和 踝部提供。图9A示出了单步或一个步态周期内踝部、膝部和髋部关节力 矩的图。该图显示，踝部在步态周期约50％或中途时具有大的正向力矩 (同时参见图46)。根据本发明的一些实施方式，行走辅助可通过在步态 周期约35％至60％期间向踝部施加正向力矩而提供。

根据本发明的一些实施方式，可将软式外装护具100设计为：通过 向一个或多个关节(例如踝部)施加正向力矩有益时对处于或成为进一 步相分离的支承点进行识别，从而由躯体各部分的自然运动获益。可以 使用在关节周围延伸的连接元件对软式外装护具100进行配置，从而使 用一个或多个节点或锚定点建立张力，以便在关节轴线周围产生有益力 矩。例如在图10A的实例中，软式外装护具100可在髋部(经由腰带110) 与鞋具连接元件130之间张紧，从而在步态周期的适当时间时，在踝部 产生有益的跖屈力矩。另外，可将软式外装护具中的张力引导通过髋关 节，施加促使髋部屈曲的有益力矩，和/或引导通过膝关节，施加促使膝 部伸展的有益力矩，其中一者或两者在步态周期中力矩对于髋部和/或膝 部运动有益的时间点进行。

可以通过提供一个或多个致动器节省额外的代谢能量，所述致动器 可以在软式外装护具100中产生增加的或额外的张力，从而提供增加的 和/或额外的有益力矩。例如，在图10A所示的软式外装护具100中，可 通过拉动与踝关节轴线偏移数厘米的足跟，使用致动器缆线142来向踝 关节施加正向力矩。如前所述，在本发明构思的一个实施方式中，所述 缆线为包含实质上不可压缩的护套的Bowden缆线。在另一个实施方式 中，所述护套本身被配置为诸如通过具有回弹护套(所述护套存储并释 放能量)或通过将弹簧元件安装入护套来提供动力学性能。

如前所述，致动器缆线142的远端直接或间接地(例如经由连接元 件)附连至锚定元件，如图10A的实例所示，所述锚定元件从足跟延伸 至足底并缠绕于足顶部。可将驱动电动机和滑轮系统连接至致动器缆线 142的近端，并由板载控制器(例如计算机)进行控制以驱动电动机，从 而在期望的时间段(例如步态周期的35％至60％)内对致动器缆线进行 致动，来提供运动辅助。有利地使用传感器(例如足部着地传感器、关 节角度传感器等)来使致动器缆线142的缆线致动作用与使用者的步态 周期相同步。举例来说，张力由一个或多个连接元件、节点或锚定点中 的力传感器进行感测，并由控制器对这些力进行监控和评价(例如可持 续多个移动周期)，来估算步态周期，随后控制器在数个或更多移动周期 内、或在使用者发出进行致动的指令后逐步与致动器接合。或者，控制 器根据其它反馈、诸如使用者手动输入或来自绑带中力传感器所感测到 的张力，来推算使用者的步态(例如控制器可在数个移动周期内监测绑 带中的力，随后在数个或更多移动周期内、或在使用者发出进行致动的 指令后逐渐提升致动)。

如先前所指出的，本文的软式外装护具的构思可通过在活动的特定 点提供辅助，从而用于减少各种活动(诸如行走)的代谢消耗，并减少 软组织(肌肉、肌腱和韧带)上的跨关节负载。当使用者在活动(例如 行走)中消耗较少能量时，与无辅助的使用者相比，使用者将产生更少 的疲劳。疲劳最终将导致性能劣化(例如步态崩溃)，将增加受伤的风险。 减少代谢消耗可降低与疲劳有关的受伤的风险。根据本发明构思的至少 一些方面，软式外装护具系统能够将使用者的代谢降低至低于使用者不 使用软式外装护具进行活动(例如行走)时所经历的水平。软式外装护 具也可以通过由软式外装护具在每一关节处产生一部分的力来减少软组 织上的应力。

如图10A所示，软式外装护具100包括多个连接元件，举例来说， 其包括布、织物或织带(例如合成纤维和/或天然纤维、Kevlar等)，穿 戴于衣物内部或外部。可将致动器单元200穿戴于背部(例如位于附着 至肩负式框架的肩负式背包中等)、腰部(例如附连至腰带等)、或使用 者使用的设备上或设备内(如自行车、轮椅、皮艇或独木舟、助行器等)。 如图10A所示，Bowden缆线单元140由致动器单元200延伸，并将软 式外装护具100连接至鞋具连接元件130。在致动器单元200位于使用者 所使用的仪器内或由所述仪器负载的配置中，Bowden缆线护套144可有 利地连接至固定的锚定点(例如位于腰带110上)，随后所述护套和 Bowden缆线142向下延伸以附连至鞋具连接元件130。如前所述，软式 外装护具100包括一个或多个连接元件(例如102-105、107)、节点(例 如113)和锚定点，以控制将力沿使用者身体传输、传输至使用者身体以 及由使用者身体传输。软式外装护具系统100还任选地包括足部传感器 150或可致动的开关，以在行走期间感测施加在足部的力，或在对应于足 部着地的实质上最大的力的时间点进行致动(开启或关闭)。能够用于辅 助确定步态的传感器例如包括但不限于脚踏开关、惯性测量单元(Inertial  Measurement Units，IMUs)、加速计、肌电图(Electromyogram，EMG) 传感器、在使用者皮肤的选定位置处检测应变的应变传感器、内置于软 式外装护具中以检测护具中的张力和/或剪切力的传感器、电动机或其它 致动器中检测致动器位置的传感器、与Bowden缆线或Bowden缆线护套 的部分相串联以检测缆线中的力的传感器、或其它传感器。

根据本发明的一些实施方式，软式外装护具100可以包括一个或多 个致动器单元200(参见例如，图10A-10B)，使得Bowden缆线单元140 的缆线142的远端回缩至护套144中。缆线142的远端可连接至鞋具连 接元件130，且Bowden缆线护套144的远端可在小腿背侧连接至软式外 装护具100。当缆线142回缩时，缆线142向上拉动鞋具连接元件130， 并且护套144由小腿背侧的附连点向下推压软式外装护具100。软式外装 护具100随后通过连接元件(参见例如图7)将力向上经由腰带110传递 至使用者的骨盆处。使用者的骨骼结构随后将力向下回送至踝关节，并 通过足部送至地面。

有利地对由软式外装护具100所产生的力进行配置，使其通过平行 地作用于使用者的肌肉来对使用者的肌肉组织进行补足。这可通过对连 接元件(例如图7-8中的102-105)和节点(例如节点1，图7)进行配 置使其沿着沿身体的预定位置延伸而得以实现。通过这一配置，使得使 用者的肌肉能够在步态循环的某些部分期间活动减少，这是因为软式外 装护具提供了运动所需的剩余的力。这一肌肉活动的减少可用于降低使 用者的代谢速率并降低随时间产生的疲劳水平。

根据本发明的一些实施方式，代谢降低通过在肌肉产生功率的同时 向身体施加功率、以及通过在肌肉吸收功率的期间内从身体吸收功率而 得以实现。在步态周期的约40-60％之间，踝部产生大的功率脉冲，由一 次足部着地延伸至另一次足部着地。这一踝部的功率输入在腿部推动身 体离地时发生，是整个行走周期中任何关节所爆发出的最大功率。根据 本发明的一些实施方式，可将辅助力或力矩施加至在运动周期内肌肉组 织产生该功率爆发时经受该最大功率爆发的关节处，从而以有效的方式 实现代谢降低。例如，基于关节功率的评价，根据本发明，可对软式外 装护具100进行配置，以在步态周期的约40-60％这一时间点期间向踝关 节施加辅助力。

根据本发明构思的一些实施方式，软式外装护具100可由踝部向上 延伸至骨盆，并可额外或替代地在膝部和髋部以及踝部产生力矩。在多 关节系统中，所施加的力可能会有益地影响各关节，从而提供更有效的 辅助。根据这些方面，步态周期内当力矩将有益地影响膝部和/或髋部时， 软式外装护具100能够在这些关节处产生力矩。因此，在一个位置/关节 处使软式外装护具产生张力或位移的自然运动和/或致动器可有利于多 于一个的位置/关节。

根据本发明的一些实施方式，软式外装护具100可以提供许多功能。 软式外装护具(例如100)可以通过例如髋关节和/或踝关节产生精确控 制的有益力矩。如前面提到的，若力矩辅助自然肌肉组织，则认为该力 矩是有益的。期望将所公开的软式外装护具的架构和连接元件的拓扑结 构配置为尽可能地模仿与由使用者的肌肉所提供的力相近似的力矢量。

根据本发明构思的一些实施方式，对软式外装护具进行优化，以使 刚度最大化(例如在身体的锚定部位将其牢固地捆扎至锚定元件)。对于 踝部外骨骼中的低系列弹簧刚度，所需功率以1/k增加。因此，希望使 软式外装护具尽可能具有刚度，从而在向穿戴者施加辅助力时提供更高 的功率效率。此外，高的外装护具刚度会在运动期间和/或致动期间减少 软式外装护具相对于使用者身体的位移，从而减少节点与连接元件的错 位风险，并减少皮肤擦伤。然而同在考虑之列的是，各种应用可能倾向 于最小化的刚度和/或可变的刚度(例如由控制器自动改变或手动控制)， 使刚度基于使用者的活动而发生改变(例如使刚度最小化并在不需要辅 助时提高透明性，在需要辅助时使刚度最大化)。

无论是软式外装护具100的合身程度还是其刚度均可受到外装护具 的张力和对齐程度的影响。如果软式外装护具未正确对齐，无论是通过 初始设置还是在使用期间通过软式外装护具100的移动，所产生的力矩 均不会是最佳的；并且更显著的是，随着时间的推移，力矩可能显示出 分散或甚至是有害的，这是因为它们不再出现在必要位置处。理想的是， 即使随着使用者移动、且当软式外装护具被致动时，软式外装护具100 仍保持在身体的正确位置上，以免软式外装护具在功能或效率方面受到 不利影响。为了促进在使用期间将软式外装护具100保持于适当位置， 有利的是在穿戴软式外装护具后对软式外装护具(例如致动器缆线、连 接元件等)进行预张紧。可手动调节软式外装护具中的初始张力(例如 通过调节绑带、带扣、装配、缆线、同时调节多个组件中的张力的控制 装置等来进行)，或使用一个或多个致动器(例如电动机驱动的机构)自 动调节。

在图7-8和图10的实例中，在使用者穿戴软式外装护具100期间， 使用者可以张紧连接元件，使软式外装护具舒适贴合。随后，使附连至 连接件113(其转而连接至锚定构件130)的缆线142回缩至护套144中， 从而向下拉动软式外装护具100并向上拉动锚定构件130，在缆线142 中消除任何松弛并在系统中产生少量张力。根据本发明构思的一些实施 方式，使用者可以对所述张力进行设定，以便勉强检测运动(例如行走) 期间外装护具的存在。随后可从该系统张紧点向软式外装护具100施加 致动。

根据本发明构思的一些实施方式，使用致动器的致动构件、例如 Bowden缆线，将致动系统200(图10A)的大部分定位于远离所致动的 足部和踝关节。使用该致动构件，可将致动系统200连接至使用者的腰 部或携带于背包中。根据至少一些方面，利用Bowden缆线的致动系统 200允许缆线护套沿着不对使用者的运动产生不利影响的路径布线。 Bowden缆线的护套144可通过多种方式附连至软式外装护具。举例来说， 用于护套的一个附连方案包括设置在软式外装护具的一个或多个点上的 公/母连接件，以及沿缆线护套适当区段设置的相应的公/母连接件。在另 一配置中，可将缆线护套144固定地连接至软式外装护具(例如缝制、 粘接剂、粘合剂等)，通过软式外装护具中的成形通道布线，使用Velcro 附连构件附连至软式外装护具，或使用一个或多个捆扎构件附连至软式 外装护具。

当致动系统200使用Bowden缆线时，例如可提供小的齿轮传动电 动机来驱动滑轮，或者可使用较大的电动机直接驱动滑轮来拉动缆线 142，从而向足跟施加辅助力，如图10A的实例所示。当然，也可使用其 它的驱动机构，例如但不限于线性电动机和液压/气动致动器。致动系统 200的使用方式部分取决于将要辅助的运动以及所辅助的该运动的特定 重量和性能要求。根据针对行走辅助的一些方面，致动器系统200使用 一个或多个电池，所述电池被配置为提供小于100W的平均输出功率， 这使得软式外装护具100致动系统200的重量最小化，同时保持代谢益 处。例如，由使用者携带的额外质量导致使用者的代谢产生可预测的相 应增加(例如以增加每千克背部负荷约0.9％的比率增加)，因此，当由 使用者负载时，使致动系统200的重量最小化通常是有利的。

图11示出根据本发明构思的至少某些方面的软式外装护具100的实 例。如图所示，软式外装护具100包括：腰带110，其通过连接元件102、 103经节点1连接至连接元件104、105，连接元件104、105顺次连接至 大腿支具120。大腿支具120由小腿绑带107连接至T-连接件113。可将 软式外装护具100制成可调节的，以适应使用者的自然动作，并协调由 致动系统200和缆线142(参见例如图10A)所产生的力与自然运动的力。 随着使用者行走，由致动系统产生并传送至缆线的力被施加至使用者的 足跟，从而在行走时减少使用者的肌肉组织所做的功。

在行走和跑动期间，腿部肌肉在步态周期内在髋关节、膝关节和踝 关节产生力矩(力矩力)，以推动人的重心前进并抵御重力来保持直立姿 势。这些力矩在幅度和方向上随时间改变(因为该力矩由这些关节周围 的肌肉产生)，从而通过姿态来引导人从足跟着地和承重期(weight  acceptance)至蹬离并进入摆动期。如前所述，根据本发明构思的方面的 软式外装护具系统100理想地使由致动系统200和缆线142产生的力增 加数倍，从而在踝关节补足自然力矩，减轻代谢负担并提高移动性。在 一些方面，软式外装护具100结构还延伸至髋关节和膝关节周围，从而 在步态周期期间在髋关节和膝关节处提供有益力矩。当致动系统200使 缆线142回缩并向使用者足部施加力时，护套144也向T-连接件113和 软式外装护具100施加向下的力，随后T-连接件113和软式外装护具100 可在步态周期内向髋部或膝部施加有益力矩。

根据一些方面，施加于软式外装护具100的T-连接件113的力使得 在软式外装护具中T-连接件113和腰带110之间产生张力。节点1和大 腿支具120帮助在膝部和髋部对齐所述张力，以在各关节处提供有益力 矩。对于健康成人，以自主选择的速度走在平地上的功率大部分产生自 髋关节和踝关节处，并在膝盖处消散。反过来，肌肉消耗代谢能量来产 生这些力矩。如前所述，本文所公开的软式外装护具各方面的优点之一 是在蹬离期间通过在踝部增加能量来减少行走的代谢消耗从而辅助跖 屈，在站立后期期间辅助在髋部吸收能量，并在站立的更后期部分期间 增加能量。在踝部增加能量可以减少产生蹬离时所需的巨大踝部力矩和 功率所需要的肌肉活动，从而减少了必要的代谢消耗。为了减少行走的 代谢消耗，本文所公开的软式外装护具有利地允许自然的步态动力学。 在软式外装护具的一些方面，施加至踝关节的能量由缆线提供，向上提 拉足跟并促进和/或引起跖伸(plantar extension)。来自缆线护套144的力 穿过软式外装护具100的连接元件向上分布(参见例如图10A)。

如图11所示，软式外装护具100架构将腰带110连接至大腿支具120 (固定至使用者的大腿下部)，而大腿支具连接至鞋具(例如靴、鞋等) 连接元件130。腰带110和大腿支具120通过连接元件102、103相连接， 连接元件102、103与节点1在使用者的大腿前侧中间部分相互作用。大 腿支具120和鞋具连接元件130通过连接元件107和缆线142相连接， 在踝部施加致动器的力。腰带和节点1之间的连接元件102、103以及节 点1和大腿支具之间的连接元件104、105可例如通过拉伸两侧并在期望 位置以Velcro连接而预张紧，或将一侧拉伸穿过另一侧上的滑扣(slide) 或带扣而预张紧，从而除去系统中任何会妨碍有效操作的松弛。可在例 如节点1已固定就位且大腿支具已就位并紧固于使用者大腿周围之后对 连接元件104、105进行预张紧。因此，软式外装护具100在大腿(大腿 支具120)和骨盆(腰带110)之间预张紧，大腿和骨盆两者均为锥形形 状，从而为所施加的预张力提供阻力。

当例如通过图10-11中描述的软式外装护具100在踝部施加力时， 也将张力重定向为跨膝关节和髋关节沿软式外装护具向上直至骨盆。随 着连接元件(进一步)张紧，它们在髋部、膝部和踝部周围产生力矩， 并在各个软式外装护具与使用者的接触点处产生正常的力。根据一些方 面，有利地将软式外装护具100贴合并对齐至使用者，以确保这些力矩 和力不对使用者的自然步态产生不利影响，所述不利影响将导致该使用 者消耗额外的代谢能量。对连接元件、节点和锚定点的排列和取向进行 选择，从而在外装护具的各种元件上施加张力时，在感兴趣的关节(例 如髋关节、膝关节和/或踝关节)周围产生有益力矩。

随着软式外装护具100的刚度增加，软式外装护具能够更好将致动 力传递至使用者，所述传递以提供期望的辅助水平和软式外装护具构成 组件(例如节点、连接元件等)的最小位错水平的方式进行。如前所述， 软式外装护具100能够有利地依赖一个或多个锚定点(例如骨盆、肩部 等)来增强外装护具的刚度，例如通过将腰带110置于髂嵴顶部而允许 由骨盆承担力来进行，髂嵴提供了解剖学上的平台(ledge)，用于分配下 方和内侧/外侧的力。如图7的实例所示，软式外装护具100将腿部中产 生的力通过均源自节点1的连接元件102、103传递至骨盆的每一侧。由 于连接元件102、103将来自节点1(例如每一腿的节点1)的力分散至 骨盆两侧，因此可将来自致动作用的力分散于骨盆两侧，与锚定在同一 侧骨盆骨上的整个致动力相对，减少了对每一髂嵴上的峰值力，在使用 过程中提高了软式外装护具的舒适程度。此外，通过使用连接元件(如 图7中的103)将节点1连接至对侧的髋部，软式外装护具可在对侧的髂 嵴上产生水平力与垂直力，这归因于其附着至对侧髋部的角度。这一水 平力有助于保持腰带110不致滑落，这是因为它有助于将腰带偏压靠至 髂嵴顶部。

如图16所示，连接元件1(腰带)上的力大致水平地位环绕身体， 而连接元件3上的力则成向下的角度。这两个连接元件的合力矢量位于 这两个向量之间并且大致垂直于骨盆，而由身体的矢状面观察，骨盆在 这一区域是圆形的。垂直向身体拉动将使得连接元件保持在适当位置， 同时施加大的负荷，并避免在切线方向产生可能导致不适的运动。

图16中节点1的位置允许由踝部上行的力到达每一相应腿部上的一 点，然后将其重定向至骨盆的每一侧。根据本发明构思的一些方面，节 点1可通过允许对将节点1连接至腰带110的连接元件进行调节，来调 整施加至腰带的力的方向，从而对软式外装护具100在各个关节上产生 的力矩进行控制。

可将大腿支具120配置为通过使小腿连接元件107(参见例如图7) 稍微成角度来在软式外装护具100中保持张力，从而相对于膝部旋转中 心保持其适当位置。小腿连接元件107可经由致动器缆线142连接至鞋 具连接元件130。鞋具连接元件130可包括一个或多个可充当鞋具(如靴、 鞋等)足跟周围的束带的元件(例如绑带等)。鞋具连接元件130可提供 与使用者足部的刚性连接，并将力分布在鞋具上。例如，当致动器缆线 142向鞋具连接元件130施加向上的力时，该力通过连接元件或材料的系 统传递至足的底部和足的前部，其中在足跟背侧施加向上的力，并且在 足部前段顶部施加向下的力。鞋具连接元件130在足跟处为致动器缆线 142提供了刚性附连点，从而有效地在踝部施加力。鞋具连接元件130 还在蹬离时通过将向上的致动力传递至足跟背侧，并传递至足部前侧(向 足顶部施加向下的力)，从而在踝部两侧均施加辅助跖屈的力，来辅助跖 屈力矩。

在至少一些方面，软式外装护具100由扁平材料(如织带、织物等) 构成，所述材料被切割或以其它方式成型为预定尺寸并缝合在一起。图 12示出了根据本发明构思至少某些方面的软式外装护具的平面图案布局 的一个实例。腰带110可以以分段的方式形成，各段可与传统的带固定 装置重叠和固定，从而为具有各种腰部直径的人调节腰带。举例来说， 图12中所示的各段或各面板可由一层或多层防破裂尼龙和可熔接口层构 成，或由一层或多层防破裂尼龙和泡沫衬垫层(例如1/16”至1/2”厚的聚 氨酯或乙烯-乙酸乙烯酯(EVA))构成。连接元件可以由例如1/2”-3”聚 酯织带构成。在一个方面，连接元件102和103由2”宽的聚酯织带构成， 而余下的其它连接元件由1”宽的聚酯织带构成。可将一些连接元件(例 如小腿连接元件107的远端)缝合成环状，使其便于连接至其它连接元 件或结构。可用带扣(例如塑料带扣)来固定和收紧连接元件。大腿支 具120可包括单个片件或两个片件，并且在至少一些方面由具有弹力的 斜纹材料(例如棉-聚酯混纺)构成，所述材料配有缝合至一侧的钩环固 定件(如)。

图13提供了根据本发明构思的至少某些实施方式软式外装护具的连 接元件如何排列和配置的示意性实例。在图13中，软式外装护具的不同 连接元件13包括绑带，并且在下表2中编号并命名。

表2

绑带编号 名称/描述 1 腰带连接元件 2 节点1至同侧髋部连接元件 3 节点1至对侧髋部连接元件 4 大腿连接元件-外侧 5 大腿连接元件-内侧 6 大腿连接元件至小腿连接元件-外侧 7 大腿连接元件至小腿连接元件-内侧 8 小腿连接元件-外侧 9 小腿连接元件-内侧

在图13中，腰带被摊平展示，呈现背对使用者的一侧。这一视图提 供了腰带以及与之直接相连的连接元件的概况。根据本发明的一些实施 方式，腰带包括顶部带连接元件和底部带连接元件，二者可以在末端连 接至连接元件和带扣，使得腰带固定于使用者腰部周围，且泡沫或其它 衬垫排列在腰带和身体上的任何接触点(例如髂嵴)之间。如图13和图 14B所示，图13的连接元件2和3悬挂自腰带110，并连接至节点1的 顶部。图13的连接元件4和5悬挂自节点1的底部，并连接至大腿支具 200的上部。在图14A-14B中，为了示意起见，在人体模型上示出了图 13中部分示出的软式外装护具。

腰带110保持软式外装护具不致受垂直力作用向下拉动或由于水平 力作用而在髂嵴处滑动，所述水平力是由将大腿支具附连至外装护具的 骨盆部的连接元件的角度所致。由于通过收紧腰带连接元件而施加于骨 盆周围的张力，也防止所述腰带发生滑落。这是通过腰带的一部分穿过 髋骨的髂嵴顶部而在骨盆周围产生张力而得以实现的。对从踝部的T-连 接件113向上穿过软式外装护具100的连接元件传递至腰带112的力而 言，骨盆起到支撑点或锚定点的作用。

根据一些实施方式，与其它骨骼标志、如膝部和肩部相比，骨盆在 整个步态周期内具有相对较小的运动范围。在整个步态周期内，骨盆在 横向平面内具有最大移动，总共旋转约12°。相比较而言，膝盖在矢状面 内移动约50°，肩部移动在任何给定时间均高度取决于使用者的姿势。因 此，根据本发明的构思，使用骨盆有利于主要针对步态辅助的本发明构 思的软式外装护具110实施方式。在整个步态周期内的骨盆运动范围以 及各腿部区段位置的循环性质使得骨盆和各个腿部区段在整个步态周期 均是高度可预测的，这有助于在步态周期内的特定时间告知选择能够维 持软式外装护具100张力的适当锚定点。另外，骨盆结构限定了突出部 分，可将腰带110有效地附连至所述突出部分，以锚定垂直和水平的力。

软式外装护具100的刚度部分地由使用者与软式外装护具交界处的 屈从度来确定。在使用者和软式外装护具100之间交界处的屈从度越低， 则软式外装护具的在工作中的刚度越高。通过锚定至稳定且低屈从度的 身体特征，软式外装护具可将更大的力传递至使用者的身体。另外，骨 盆的对称性使得载荷均匀地分布至使用者的身体上。通过将致动力分散 至身体的每一侧，可减少软式外装护具在任一点上对身体施加的法向力， 这有助于减少压疮、摩擦和磨损的形成，从而增加外装护具的感知舒适 度。如先前在本发明的概念的至少一些方面所述，也可将致动力分散或 可替代地分散至身体上的一个或多个其它位置(例如躯干、肩部等)。

在至少一个方面，腰带110包括顶部带连接元件和底部带连接元件， 并且顶部带连接元件设置在髋骨顶部(任选地在带连接元件顶部，在搁 置于髂嵴顶部的位置处设置有泡沫衬垫)，底部带连接元件设置在位于紧 邻髂嵴的下方。这两个连接元件共同提供了稳定的附连平台。

在髂嵴处，骨盆提供了合适的锚定点，从而尽量减少软式外装护具 的屈从度。如前所述，软式外装护具可有利地利用骨盆的几何形状，所 述骨盆在髂嵴处提供了可搁置腰带的突出部位。这使得有可能同时锚定 垂直力和水平力。也可以通过连接元件(例如底部腰带绑带)来抵抗水 平力，所述连接元件包围骨盆侧方。降低屈从度允许更具刚性的软式外 装护具，这可用于有效地向护具施加力，从而向使用者施加力。当软式 外装护具达到一定刚度水平时，可将其用于保护使用者不受经由软式外 装护具向其传递的力的影响。可将衬垫、例如层状织物或泡沫衬垫用于 跨更大的表面积将这些力传递至使用者，并提供阻尼媒质从而降低这些 力的影响。然而，这种衬垫会提高系统中的屈从度，从而呈现另一个变 量，可控制该变量以优化屈从度和刚度，以实现效率和舒适性的平衡。

在至少一些方面，可将节点1(参见例如图7、图13、图14B)配置 为满足下述条件的接头：在该接头处，由各自腿部上的踝部致动所产生 的力相汇合，随后发生分解以分散至使用者骨盆的每一侧。调整使用者 大腿上节点1的位置可用于保持力的平衡及软式外装护具100的张紧。 力可经由将大腿支具120附连至软式外装护具腰带110的一个或多个绑 带而得以分散。

如图7和图14B、图16中的实例的方式所示，根据本发明构思的至 少一些方面，将节点(例如图14B中的节点1)设置在大腿中部正面， 并且可如图14A所示通过连接元件2和连接元件3进行调整。大腿上节 点1的垂直位置可以根据使用者的尺寸和从节点到大腿顶部的距离(因 使用者而异)而调整，但通常向下足够远，使其不干扰髋部屈曲。适当 的垂直放置可通过令穿戴软式外装护具的使用者在设置节点位置后弯曲 其髋部，看它是否干扰髋部屈曲来进行验证。节点的放置可以用于最优 化地对齐并调整软式外装护具100中的力的路径，根据本发明构思的一 些方面，所述力的路径可防止或减少与大腿支具120由于力失衡而产生 旋转有关的问题。错误对齐的力的路径可在髋部和膝部产生不必要的力 矩，可导致不自然的运动、肌肉疲劳和酸痛。通过使用节点1(参见例如 图13、14B、16)，在受控和线性路径中将由踝部致动产生的力从踝部传 递至大腿前部，可在此处将其进一步分散至骨盆两侧。随着连接元件连 接至一个接头(节点)，其通过这种方式允许在髋部和膝部周围设置张力 路径，通过拉紧、放松或重新定位软式外装护具上的连接元件，可更连 贯地对张力路径进行调整。这使得可进行更多控制并对力矩进行微调， 所述力矩在在整个步态周期内由软式外装护具在髋部和膝部产生。

根据本发明的一些实施方式，使用节点1的软式外装护具的特定配 置有助于与其它情况相比实现高得多的外装护具刚度，这是因为其将力 的路径锚定至骨盆的每一侧，从而可能实现高得多的外装护具刚度。使 用节点1使得软式外装护具100将力分散至骨盆，其中腰带的刚度大得 多，使得软式外装护具能够保持较高的力，同时仅遭受很小的位移。将 节点1连接至腰带110的连接元件可被固定至该节点的位置，这是因为 所述连接元件被约束在内侧、外侧和垂直方向上。可张紧连接元件4和5 (参见例如图16)，在软式外装护具中、在腰带110和大腿支具120之间 产生预张紧，从而通过向下朝向骨盆以及向上朝向大腿而进行预载荷， 来增加软式外装护具的刚度。由张紧连接元件4和5产生的正确的预载 荷可通过得到的可以在大腿前侧定性地产生舒适的张力来实现，所述舒 适的张力可根据使用者的舒适度(会因使用者而异)进行调整。

根据本发明构思的至少一些方面，腰带110(参见例如图7)在腰带 中保持张力时发挥最佳作用。如果腰带110未正确张紧，则软式外装护 具100会在施加致动时下垂。

期望腰带110处于适当的垂直放置，以保持适当的软式外装护具刚 度。根据本发明构思的一些实施方式，软式外装护具100利用骨盆上的 髂嵴作为大多数作用于使用者的力的锚定点。如果腰带110未受髂嵴支 持，则软式外装护具100可能不能提供尽可能多的初始刚度，除非其由 身体的其它特征获得支持。如果腰带110位置设置得过低，或在使用中 变得过低，则其可能会干扰使用者的髋部运动，引起不适(例如髋部屈 肌酸痛)并降低软式外装护具功能。

在对软式外装护具的各方面进行评估期间，本发明人发现在站立早 期至站立中期期间跨髋部产生的张力可能导致髋屈肌和臀中肌的肌肉发 生肌肉疲劳。在站立早期至站立中期，髋发生屈曲，从而为了产生对抗 该屈曲的力矩，需要产生从髋部旋转中心后部起、经其下方直至大腿前 方的张力。因此，若图13或图14B中的连接元件2经过髋部旋转中心下 方，它能够产生此类力矩。存在两种可能使得连接元件2产生这些力矩 的方式。第一种为节点1定位于大腿过低处。第二种为连接元件2进一 步附连于腰带后方。若节点1(参见图13或图14B)相对于大腿中心正 确放置，则可将连接元件2直接附连至腰带(例如通过进行附连)。 节点1一经正确放置，则可通过将连接元件2附连至腰带来对节点1进 行固定，所述附连通过从节点1在直线上延伸连接元件2直至腰带(即 确保该连接元件与穿戴者保持平顺)来进行，确保连接元件2具有附连 至腰带的正确角度。通常，节点1可在外侧定位在大腿中心处，骨盆向 内约10cm(例如髂嵴)，髌骨正上方以及大腿和躯干之间折痕的垂直正 下方处。连接元件2和3可以从该点以一定角度分别向上延伸直至身体 同侧和对侧的骨盆侧方(髂嵴侧方)。外部连接元件2可相对于水平方向 成约40-65°角，且连接元件3可相对于水平方向成相对较小的角度。

如果将节点1放置在不正确的水平位置，将导致外装护具产生不利 的旋转。如图17B所示，如果将节点1放置于大腿中部的偏左或偏右处， 则软式外装护具中的张力随后将相对于腿部的对称性产生不平衡。在这 种情况下，由连接元件2和3对节点1进行约束，从而固定其位置。当 对软式外装护具100进行致动时，连接元件4和5将开始向大腿支具施 加旋转力，这是因为力的路径被引导至腿部对称线的一侧或与腿部对称 线相对的一侧。当对软式外装护具100进行致动时，大腿支具120被拉 至产生不平衡的一侧，从而由大腿支具120引起旋转。当软式外装护具 100在致动后释放张力时，大腿支具120回复至使用者，但并不返回原来 位置，这是因为它已略微朝向失衡方向发生平移。这将在每一致动周期 内重复，直至连接元件4和5恢复节点1的对称性。此时大腿支具120 将已旋转，使得小腿连接元件107不再正确地与膝部旋转中心对齐，从 而使得软式外装护具对使用者施加不正确的力矩。

在本发明的概念的至少一些方面，如图17A中的实例所示，节点1 被放置在大腿中心正下方的大腿屈曲点下方数厘米处。当放置节点后， 可通过使穿戴者屈曲其髋部来查看节点1是否以任何方式干扰髋部屈曲， 从而确定大约的垂直位置。名义上，节点1接近屈曲点放置，但并非过 于接近以至于干扰髋部屈曲。节点1应水平放置于大腿中心处，这是因 为水平错位可能导致软式外装护具产生不希望的旋转。当节点1相对于 所述大腿正确定位后，首先通过将连接构件2附连至腰带来对其进行固 定，所述附连通过将连接构件2从节点1沿直线延伸至腰带来进行，这 确保了连接构件2以适当的角度附连至腰带，使第二连接构件3通过节 点1带扣进行环接，当固定连接构件3时，加以小心以确保节点中心位 置不发生移位。节点1的垂直位置对于软式外装护具的功能而言并不如 水平放置时那么关键。如果节点1在大腿上定位过高，它会干扰该使用 者的髋部屈曲，这是显而易见的。

根据本发明构思的一些实施方式，大腿支具120可以包裹于大腿下 部周围。在一个方面，大腿支具120包括两个彼此相连接的片件，具有 钩环紧固件(例如)的前部片件朝向使用者，具有钩环紧固件(例 如)的后部片件背向使用者。小腿连接元件107可夹于两个层之 间，并通过钩环紧固件(例如)固定就位。

根据本发明构思的至少某些实施方式，如图18所示，大腿支具120 的底部被放置于髌骨顶部上方约3-6厘米之间(优选约4-5厘米之间)， 但该距离可根据使用者的生理情况而变化。优选地，将所述大腿支具120 更高地放置，以使得小腿连接元件107具有更大范围的可调节性。对于 具有低至中等肌肉质量的瘦小与中等体型的使用者，大腿支具120可位 于髌骨上方4厘米处。对于具有更大的大腿直径的使用者，大腿支具120 可位于髌骨上方5或6厘米处，以允许小腿连接元件107正确定位。因 此，可对大腿支具120在膝盖上方的位置进行选择，从而为附连至大腿 支具120的小腿连接元件107提供合适的放置，并确保小腿连接元件107 不会干扰膝部的运动范围。此外，大腿通常在腿部上方具有较大直径， 这使得小腿连接元件避免接触膝盖区域，从而避免在膝盖区域发生擦伤。

如图19所示，可对小腿连接元件107离开大腿支具120处的位置和 角度进行调节。这一可调节性允许使用者对软式外装护具进行调节，以 在将小腿连接元件107相对于膝部旋转中心适当定位时适应于其特定的 生理情况和肌肉组织。对于小腿连接元件107相对于膝部旋转中心的放 置进行调整，从而确保在膝部产生正确的力矩。

根据本发明的一些实施方式，大腿支具120可通过在张紧外装护具 时平衡水平载荷，从而对外装护具的刚度作出贡献。如图19和20A-20B 所示，这一水平载荷可以归因于软式外装护具的载荷路径随着从踝部向 上行进至骨盆时略微地成角度。在大腿支具120处方向发生改变，从而 调节小腿连接元件107相对于膝部旋转中心的正确放置。期望正确放置 小腿连接元件107，这是因为当软式外装护具致动时跨膝关节产生了张 力。根据小腿连接元件107相对于膝部旋转中心的位置不同，响应于该 张力而产生的力矩可以帮助或阻碍使用者。为了使软式外装护具张力不 会不利地影响使用者的自然膝盖力矩，该张力可在致动时处于与膝部旋 转中心共线或略微靠前的位置。可对小腿连接元件107在大腿支具120 上的位置及其离开大腿支具120的角度进行调整，以使张力处于与膝部 旋转中心共线或其前方的位置。

图19示出了当向T-连接件施加力时在外侧小腿连接元件107上的张 力，对于腿部另一侧的内侧小腿连接元件107(未示出)而言情况是相同 的。图20A-20B示出了内侧和外侧小腿连接元件107上的力如何在大腿 支具120处交会。小腿连接元件107各自经由固定附连件(例如) 连接至大腿支具120。作用于小腿连接元件107上的力的方向使其彼此分 离，并在两个小腿连接元件107附连至大腿支具120的附连点之间的织 物上施加张力。图20A中示出了由图16A中垂直矢量产生的张力曲线， 在大腿支具120中，在大腿支具120的底部具有最高的张力(最大矢量)， 由大腿支具120底部起高度增大时张力减小(较小矢量)。可能的是，对 于一些使用者而言，水平力将在大腿支具120顶部改变符号，这是由于 力曲线依赖于施加的力的方向以及小腿连接元件107相对于大腿支具 120而言成何角度而定。

小腿连接元件107可附连至大腿支具120，并在小腿肌肉块下方的胫 骨背侧彼此相连接。两根绑带在小腿肌肉块下方的接头为Bowden缆线 护套144可附连至软式外装护具100的点。如前所述，在本发明构思的 至少一些方面，小腿连接元件107的长度、角度以及连接至大腿支具120 的位置均可进行调整，以适应具有不同生理情况的使用者。在一些实施 方式中，对于小腿连接元件107的正确放置而言存在4个调节因素，并 且这些变量中每一个的首要目标是将小腿连接元件107相对于使用者的 膝部旋转中心正确放置。第一个因素是小腿连接元件107离开大腿支具 120处的位置(图20B)，第二个因素是小腿连接元件107离开大腿支具 120处的角度(图19)，第三个因素是大腿支具在髌骨上方的垂直位置(图 18)，第四个因素是Bowden缆线T-附连件相对于胫骨的垂直位置(图21)。

上述因素可相对于使用者的大腿周长和大腿长度进行调整。当根据 本发明构思至少某些方面的软式外装护具的实施方式使得这些因素中的 一个或多个中产生此类可变性时(例如在设计或贴合用于特定使用者的 护具中，软式外装护具可能无需提供此类后续可调节性)，小腿连接元件 107的最佳放置方式为：当小腿连接元件107张紧时，它们不会在膝部产 生将对使用者的自然步态周期产生不利影响的力矩。确保小腿连接元件 107不在膝部产生将对使用者的自然步态周期产生不利影响的力矩的一 种方式是使张力穿过膝部旋转关节的中心，从而确保软式外装护具对膝 部不产生力矩。然而，由于膝部在整个步态周期内通过大范围的运动进 行屈曲和伸展，具有不断变化的瞬时旋转中心，因此这一方法难以实现。 实现这一目的更实用的另一方式是允许产生不会对使用者的自然步态产 生负面影响的力矩。

为了进一步说明小腿连接元件107的正确放置，对膝部和踝部动力 学的理解是有帮助的。在本发明的概念的至少一些方面，配置用于辅助 行走移动的软式外装护具在站立末期和预摆动阶段致动，该阶段出现于 步态周期的约30％至步态周期的62％。在站立末期开始(30％步态周期) 时，腓肠肌(小腿肌肉)和比目鱼肌(内部小腿肌肉)逐渐增加其收缩 来对抗增大的足部前段屈肌力矩，并在肌肉和肌腱组织中储存弹性能量， 以在身体向前下落时发生的提踵/蹬离期间释放。这一动作随着踝部开始 跖屈而增加，所述跖屈在足跟提起且枢转点移动至足部前段时产生。此 外，由于发生了这一情况，膝部屈曲至其最低点(在40％处约5°)。随着 身体重量向前下落至足部前段，将下落中的身体的力矢量置于膝部旋转 中心前方，使得膝部产生被动伸展，这一屈曲得以减少。然而，这一伸 展受到后部肌肉作用抵抗，即，已经由于膝部和踝部动作而张紧的腓肠 肌、以及跨膝关节的腘肌。随着达到最小屈曲角度(40％步态周期)，膝 部立即开始屈曲，这是因为此时膝关节已由于足跟上升而移动至身体矢 量前方。此时，曾产生作用以抵抗膝部伸展的后部肌肉目前促进膝部屈 曲，且身体矢量目前位于膝部旋转中心的后方，从而被动地促进膝关节 屈曲。随着对侧肢体初次着地(50％步态周期)，站立末期结束。随着预 摆动阶段开始(50％步态周期)，重量转移至另一腿，允许膝部自由屈曲， 使得跟腱弹性回缩，后部肌肉作用以及身体矢量的被动作用位于膝部旋 转中心后方。然而，如果膝部屈曲发生过快，则股直肌产生作用以使膝 部减速，在膝部形成伸展力矩，因而在预摆动期间并非总是存在伸展力 矩，并且伸展力矩根据腿部多快地进入屈曲而定。

根据以上描述，在致动阶段内关于跨膝关节的软式外装护具的张力 需要注意三点。首先，如果该张力在步态周期的30％至40％之间存在于 膝部旋转中心前方，这将导致后部肌肉(腓肠肌和腘肌)做功更多以减 少屈曲的降低。这将导致穿戴外装护具的人产生“张力过大”的感觉， 这可通过将小腿连接元件107移动至大腿支具120的更后方的位置来进 行补救。其次，如果该张力在步态周期的40％至50％之间存在于膝部旋 转中心前方，此时这将阻碍由于身体矢量位于旋转中心后方而被动发生、 以及由于后部肌肉而主动发生的膝部屈曲。此时，使小腿连接元件107 处于与膝部旋转中心共线或其后方将是有益的，这是因为使其处于膝部 旋转中心前方将可能过度使用后部肌肉。第三，如果该张力在步态周期 的50％至62％之间存在于膝部前方，这将阻碍由于跟腱的回缩而被动发 生的膝关节屈曲运动，以及后部肌肉的直接肌肉作用。尽管膝部屈曲力 矩在预摆动期间有时受到股直肌的抵抗，然而并非总是如此，并且可预 期对于步态周期的该部分而言，并非必然出现伸展力矩。

通过对膝部的力矩和相应移动进行观察并对不同配置软式外装护具 的大量实验室试验结果进行分析，本发明人开发了小腿连接元件107的 配置，其是张紧的、或者可以是张紧的，以便对于广泛的使用者生理学 而言产生不妨碍使用者的自然行走周期的力矩。为确定适当的软式外装 护具连接元件位置(例如对于不同生理情况，实现重量、功率、代谢效 果、舒适性和可变性等的最佳平衡)，第一个挑战是人与人在尺寸方面存 在非常大的差别。第二个挑战是在膝部在蹬离(50％步态周期)前后从 伸展到屈曲的速率，所述蹬离接近致动阶段的末期。如果绑带迁移至膝 部旋转中心后面过早，这将导致不必要的屈曲力矩，将妨碍使用者的自 然步态。在这一点上，使小腿连接元件107迁移至与膝部运动中心共线 或位于其后方是有益的，从而避免对使用者造成不利影响。

根据一些实施方式，小腿连接元件107的期望放置示于图23A-23B 中，其通过在穿戴者处于直立位置时使其作用线通过膝部的有效转动中 心来避免上述问题。这一位置可通过在胫骨上的每一侧寻找股骨和胫骨 之间的接头，并通过观察表面解剖而确定，通过分别位于股骨和胫骨上 的骨突起来识别合适的位置，在所述骨突起之间是沿前后方向延伸的“低 谷”或洼坑。如果从侧面来看膝部的话，小腿连接元件107名义上将经 过的位置约为距膝部背侧(后侧)约30％-40％的位置。对于一些人来说 情况正是如此。对于其它人(例如大块头的人、肌肉发达的人)而言， 使用逼近法和试错法来在个案基础上确定正确的放置。

图24A-24B示出根据本发明构思的软式外装护具100的一个实施方 式在一个步态周期内的致动阶段。致动阶段190在膝部力矩(图24A) 和运动范围(图24B)两个图中均高亮显示。左侧部分191表示软式外 装护具100在膝部周围产生伸展力矩，而右侧部分192表示在膝部周围 产生屈曲力矩。理想的是，软式外装护具施加于穿戴者上的力矩与穿戴 者自然产生的力矩相同(即，关节周围的力矩与运动期间的自然生物力 矩尽可能接近相等)。对于指定时间处的移动，在来自软式外装护具100 的关节力矩可被自然力矩抵消的情况下，软式外装护具100理想地使关 节周围的力矩臂最小化(例如放置连接元件107使之通过膝部转动中心， 而使膝关节力矩尽可能小)。

如图25A所示，小腿连接元件107终止于T-连接件113处，Bowden 缆线护套144(未示出)在此处连接至软式外装护具。根据一些实施方式， T-连接件113被定位在小腿肌肉群的下方。小腿肌肉是屈从性的并向外 隆起，因此如果将T-连接件113放置在其上的话，将在致动时咬入肌肉， 从而增加系统屈从性并导致使用者产生不适。小腿肌肉下方的空间屈从 性低得多，并且也使得小腿连接元件107以较直的路径沿胫骨向下延伸， 而非成更深入的角度以容纳小腿肌肉群。如果小腿连接元件107相对于 竖直方向以更大角度沿胫骨向下延伸，将使得软式外装护具力的路径的 效率降低，这是因为现在当将其张紧时倾向于被拉直。

图25A示出了根据本发明构思的一些实施方式，从侧方观察到的作 用于小腿连接元件107上的力。虚线矢量200(上部和下部箭头)表示致 动力的路径，实线矢量201表示位于小腿连接元件107和T-连接件的底 部以及顶部(离开大腿支具120之处)的反作用分力。沿小腿连接元件 107作用的虚线矢量202表示所示出的小腿连接元件107中因致动而产生 的张力。还示出了作用于使用者的水平分力203。

图25B示出了T-连接件相对于穿戴者小腿的放置。图25C示出了垂 直放置方式(1)和(2)的角度区别。由放置方式(1)产生的较大角度 具有产生较大的水平力分量的效果，这将使得T-连接件推动勒入穿戴者 的小腿。小腿连接元件107的正确定位通过围绕小腿肌肉群而有利于系 统中的整体屈从性。小腿肌肉下方的区域主要是皮肤和骨骼，从而提供 了相对低的屈从性。围绕小腿肌肉也使得小腿连接元件107相对于垂直 方向沿更直的线向下延伸。如果小腿连接元件107终止于小腿顶部，将 随后产生两点不利影响。首先，小腿连接元件107以相对于垂直而言更 大的角度沿胫骨向下延伸，使得软式外装护具在张紧时试图绷紧，其力 的路径的有效性降低。其次，由于小腿的屈从性，小腿绑带倾向于相对 于垂直方向绷紧，这将导致T-连接件113陷入小腿，从而将降低软式外 装护具中的刚度，这是由于致动器需要对这一额外的位移进行补偿。通 过将T-连接件113直接设置于与足跟的中心线共线，可使位于小腿元件 107端部的T-连接件113相对于水平位置正确定位。为了使小腿连接元 件107相对于垂直方向正确定位，对连接元件进行调整，以使得T-连接 件位于鞋具(如果穿戴的话)的顶部或名义上如此调整，从而使得T-连 接件113位于小腿肌肉群下方，这使得小腿绑带成功围绕小腿的失灵 (mushy)肌肉群。根据一些实施方式，可将一些更硬质的组件替换为更 软更具屈从性的组件。

鞋具连接元件130提供了与使用者足部的刚性交界。在至少一些方 面，鞋具连接元件130采用设置于靴周围的束带的形式，举例来说如图 26A-26C所示，这些附图分别示出了该靴的侧视图、后视图和底部视图。 图27(侧视图)示出了所描述的示例性鞋具连接元件130上提供的三个 调节点，所述调节点1-3以白色虚线圈出。以下表3示出各调节点的功 能。如图28A所示，鞋具连接元件130将由足跟处的致动产生的向上的 力转送至足前部，在此处施加向下的力。以这样的方式将向上的水平力 传递至足前部有助于通过借助于产生的补足性力矩来促进踝部跖屈。图 28B示出了靴底的鞋具连接元件130上的力的路径。

关于连接构件的定位，图26A-26C中的连接构件1如图所示绕于鞋 具中部周围。应将其置于足跟和足部前段之间的槽内。连接构件1必须 由附连机构(例如)固定，以防止滑动。在所示的实例中，连接 构件2包括宽的区段，并在足部上方连接至连接构件1的中心部分。如 图所示，连接构件3绕于踝部周围，从而提供约束以保持鞋具连接元件 130不致滑离足跟，并向上张紧以提供更大的刚度。连接构件4限制了鞋 具连接元件130使其不致向内侧和外侧滑脱。连接构件4的底部边缘可 以有利地设置于靴背侧边缘周围约0.5cm。连接构件4的这一定位将由节 点2的正确定位而确定。连接构件5为致动器缆线附连点，且连接构件6 将致动力传递至足跟。理想地在垂直方向上将节点2放置在尽可能靠近 足跟的底部，并且在内外方向上位于足跟正中。节点3置于足底中部稍 后处，并且它的位置取决于节点2的放置。

在正确穿戴靴附连件的方法的一个实例中，首先将节点2置于足跟 上，然后如图26A-26C所示，将连接构件1和6置于靴底示出的正确位 置。在这一点上，穿戴者可有效地站立在靴上，使连接构件1和6固定 就位。在这些连接构件固定在其标称位置处时，依次地，根据需要对连 接构件1进行调整(例如张紧/放松)，随后根据需要对连接构件3进行 调整(例如张紧/放松)，最后根据需要对连接构件4进行调整(例如张 紧/放松)。

表3

在另一个实施方式中，鞋具连接元件130可以包含袜状结构，可非 常类似于袜子地穿戴所述袜状结构(参见例如图26D、79)。鞋具连接元 件130任选地包括一个或多个可调整的紧固件(例如通过绷紧或收紧， 例如通过使用等来进行调整)，以将所述鞋具连接元件固定于穿 戴者的足部周围。或者，鞋具连接元件130可包括踏入(step-into)结构， 可随后对踏入结构进行折叠以包住足部，在该位置上设置一个或多个绷 紧或收紧的紧固件(例如等)以将鞋具连接元件130固定于穿戴 者的足部周围。该鞋具连接元件130的一个实例示于图26D中，其示出 了靴内附连件附连至足部的多个视图，显示足部处于中间位置(左图)， 足部进行跖屈且所述附连件相对于足部张紧(中图)，以及在足部背屈时 所述附连件松弛(右图)，并且在底部，足部附连件显示出其结构。图26D 的鞋具连接元件130为简单的基于织物的结构，其中织带延伸至穿戴者 足跟下方并覆盖足部前段。如图所示，织带在足部前段上附连至但这也可以被缝合为单个片件。图26D的鞋具连接元件130包括被配置 为连接于穿戴者踝部周围的连接元件，可将其用于保持鞋具连接元件处 于合适位置。

图26E-26G示出了根据本发明构思的至少一些方面的软式外装护具 鞋具附连件130的另一实施方式的各个方面。图26A-26C中所述的设计 集中于处于束带形式的鞋具连接元件130，所述束带设置于靴上或鞋上， 提供了连接至Bowden缆线142致动器的连接点。这些方案为“靴外式” 方案，其中缆线142进行拉动以在靴跟上产生相对于跟部向上的力。对 于利用“靴内式”力致动器(如图26E-26G所示)以在踝关节周围产生 力矩的鞋具连接元件130，利用了附连有缆线的内底和缆线护具这两部 分。为了向穿戴者施加力，如图26E所示，缆线必须延伸至穿戴者的鞋 或靴内，其一端固定至位于鞋的外部的致动器(A)，另一端为在穿戴者 足部(B)内底下方固定的鞋内部件。

在另一方面，任选地将塑料或泡沫元件131插入至足部前段上方的 织带133与穿戴者的足部之间，从而使得与仅使用织带相比，使足部上 方的压强更均匀地分散，例如如图26G(a)中所示。在另一方面，可将 中底(midsole)132与织带(以及任选的如前所述的泡沫或塑料)在踝 部和/或足部上方相组合，从而为将扭矩转移至足部提供额外的路径，如 图26G(b)中所示。

如图26E-26F所示，将缆线或织带附连于内底元件130背侧部分提 供了对点B进行固定的方法，从而在矢状面上将施加至缆线或织带上的 点的力传递至穿戴者踝关节近侧的足跟，在关节周围产生扭矩。这一内 底可以是部分或完整的内底。期望的是，该内底具有一些强化(stiffening) 元件、如碳纤维，从而将负载分散至足跟。如果使用了强化元件，则可 有利地对所述内底进行分段，以使得跖球(ball of the foot)运动范围最 大。在腿下部的背侧部分提供缆线护具(参见例如图26F)。为了进行致 动，需要收缩所述缆线。在缆线被压缩于靴和使用者腿部之间的情况下， 磨损可同样导致效率损失，所述损失由缆线穿戴者和靴之间的摩擦造成。 因此，提供开放通道以使缆线可自由移动的系统是期望的。

一经固定至穿戴者的足部，所述袜状鞋具连接元件130将随后经由 连接元件(例如织带)连接至软式外装护具100，所述连接元件附连至袜 状结构顶部并直接上延至小腿连接元件107的底部。在又一实施方式中， 鞋具连接元件130包括配置成环绕跟部(例如穿戴者的足跟、鞋具跟部) 的护踵(heel cup)。在又一实施方式中，鞋具连接元件130包括位于穿 戴者足部一部分(例如足跟)或整个足部下方的、进入鞋具内部的内底 插入件，该内底插入件或前述护踵在背侧部分和/或背侧外侧部分附连至 连接构件(例如织带)，所述连接构件离开鞋具并附连至软式外装护具致 动器缆线。理想的是，设置于鞋具内部的任何连接构件包括低摩擦护套、 低摩擦涂层或低摩擦材料，从而使得相对于穿戴者的摩擦最小化。在又 一方面，鞋具连接元件130包括进入鞋具鞋底的一部分(例如仅进入跟 部)或鞋具整个鞋底下方的鞋底插入件。在所述鞋底插入件背侧部分和/ 或背侧外侧部分提供连接构件(例如织带、缆线等)，以连接至下述连接 构件，该连接构件附连至软式外装护具的致动器缆线。

根据本发明的一些实施方式，致动器200也可用于降低穿戴本发明 构思所述的软式外装护具100时行走(或其它移动或活动)的代谢消耗。 致动器200被用于对所需力矩的力进行补充，例如(对于行走而言)，在 步态周期的脚趾蹬离部分期间，当踝部肌肉产生最大功率时在踝部周围 将力补足。为了执行这一动作，举例来说，可使用电动机在Bowden缆 线142上产生必要的力/位移，并且可使用传感器150来感测关节位置并 确定致动时机。

通过使用缆线来改变使用者的靴与软式外装护具的底部之间的距 离，致动器200产生可传递至使用者鞋具(例如靴)的力(参见例如图 21-22)。使用最小可扩展的软式外装护具，这一收缩距离在软式外装护 具100、鞋具连接元件(例如靴附连件)和缆线142中产生张力。可将该 张力施加于偏离踝关节轴线的位置，并在踝部周围产生力矩。

作为一个实例，系统100可使用柔性Bowden缆线142将来自致动 器单元200的力传递至软式外装护具100。可将硬质和/或更重的致动器 200安装在远距离或远端(例如安装在远离下半身的背包上)，如图10A 所示。

在本发明构思的至少某些方面，各肢体(例如腿)可由其自身的致 动器单元200驱动，所述致动器单元可包括一个或多个致动器。在本发 明构思的其它方面，各关节可由其自身的致动器单元200单独驱动，所 述致动器单元可包括一个或多个致动器。在本发明构思的其它方面，多 个关节可由致动器单元200驱动，所述致动器单元可包括一个或多个致 动器。

在根据本发明构思的一个实施方式中，各致动器单元200包括驱动 电动机222和滑轮组件224，如图29所示。使用致动器单元200驱动 Bowden缆线142，并通过测量足跟着地接触来感测使用者的步态(参见 脚踏开关，图30)。Bowden缆线142被附连至滑轮组件224中的滑轮225， 并通过滑轮125的旋转来伸长或回缩。根据一些实施方式，驱动电动机 222包括传动装置(例如图29所示的齿轮箱)，以增加联结至滑轮组件 224的输出轴的驱动扭矩，从而驱动所述Bowden缆线142为使用者的运 动提供辅助。在其它方面，电动机222直接连接至滑轮组件224，而无需 中间的传动装置。

驱动电动机222有利地包括编码器(未示出)或其它位置传感器， 所述位置传感器被配置为用于指示电动机输出轴的旋转位置。驱动电动 机222(以及编码器，如果设置的话)被连接至用于控制驱动电动机222 的功率、速度和方向的电动机控制器228。根据本发明构思的一些方面， 提供中央电动机控制器来对一个或多个电动机进行控制。或者，每一致 动器单元200包括自身驻留的系统控制器226，所述系统控制器226被配 置为用于接收传感器输入并与电动机控制器228进行通信，从而控制该 致动器单元的驱动电动机222的运行。系统控制器226(或任选的中央电 动机控制器)可包括计算机或基于微处理器的系统，例如但不限于基于 PC/104标准的系统。驱动电动机222被直接地或间接地(例如通过齿轮 系)联结至滑轮组件224，所述滑轮组件包括接合至Bowden缆线142近 端的滑轮225。

滑轮组件224包括壳体230，其适于接合Bowden缆线护套144，使 得当滑轮225以第一方向旋转时，Bowden缆线142围绕滑轮进行卷绕， 使得Bowden缆线142的远端回缩至Bowden缆线护套144的远端内；并 且当滑轮以第二方向旋转时，Bowden缆线由该滑轮退绕，使得Bowden 缆线142的远端自Bowden缆线护套144中伸出。在至少一些实施方式 中，滑轮225封闭在壳体230中，使得当其以第二方向旋转时，缆线142 被驱出并可施加伸展力。

如上所述，在本发明构思的至少一些方面，可将单个致动器单元200 用于向一个或多个肢体和/或一个或多个关节提供能量。举例来说，交替 地将动力传递至单独的肢体可经由在肢体之间切换动力传递的离合器实 现，所述离合器利用对侧肢体的异相位移动(例如在行走时双腿通常为 异相位)。

控制系统226被配置为用于感测或确定使用者的步态，并在步态周 期中的特定时间对驱动电动机222进行致动以拉动Bowden缆线或对另 一致动系统进行致动，所述另一致动系统被配置为用于在步态周期(或 其它移动)的特定时间引入力。在步态周期内的预定点对驱动电动机222 进行致动可在软式外装护具100中产生预定张力，所述软式外装护具在 踝关节周围施加辅助行走的力。设置由使用者佩戴的一个或多个传感器 (例如一个或多个脚踏开关、一个或多个关节角度传感器等)来将信号 发送至控制系统226，使得控制系统226能够将电动机致动作用与使用者 的步态周期(或其它移动)相同步。根据本发明的各种实施方式，传感 器可采取多种形式，包括感测特定关节的角位置的传感器。参见例如共 同拥有的WO 2013/044226 A2，以引用的方式将其整体并入本文。根据 一些方面，传感器包括在步态周期期间(例如足跟着地)感测足部压力 的简单开关或压力传感器。

根据本发明构思的其它方面，一个或多个传感器可以采用在特定位 置感测肌肉激活的EMG传感器的形式。这些激活的模式和规模可以确定 步态周期(模式)或所需辅助的量(基于规模)。其它检测关节(相对于 地面或相对于穿戴者身体上的点)的相对或绝对位置的传感器可用于确 定步态模式，因此可将其用于控制致动器的激活。其它传感器可包括但 不限于：超弹性应变传感器、加速度计、惯性测量单元、内部测量单元 (IMU)和/或测角仪传感器。这些传感器或其它传感器可单独或组合地 检测由身体位置表明的运动。根据所使用的传感器，能够开发专用于该 系统的启发式算法(heuristics)，以确定体内的肌肉何时向关节(例如踝 关节、膝关节或髋关节)施加力，从而软式外装护具100可转而被配置 为在适当的时间以与估计的肌肉力量成比例地施加力。例如，一种可能 的方案是通过估计每一关节的速度并利用穿戴者的近似刚体模型来估算 使用者身体的动力学，在每个关节估算扭矩，从而确定产生足量、有益 扭矩的合适张力。

另一种方案将包括在训练阶段同时对EMG测量和传感器进行记录。 在收集数据后，使用机器学习算法来预测肌肉何时发生收缩(作为传感 器输入的函数)。然后在实践中，将不使用EMG传感器，而基于该传感 器已训练的算法将预测肌肉激活，并在适当肌肉被激活时向软式外装护 具施加张力。

另一种方案包括使用EMG、检测肌肉直径的传感器或一些其它手段 直接对肌肉激活进行测量。随后，可根据某些肌肉或肌肉组合的激活按 比例张紧软式外装护具100。

根据本发明的一些实施方式，将一个或多个脚踏开关定位于足部和 靴垫之间以感测足跟着地，从而对使用者的步态周期率进行测量。在步 态周期内，当每一足的足跟首次着地时，使用脚踏开关或传感器来检测 力矩，并且控制系统226使用来自脚踏开关的信号来计算步态周期。可 基于已知的踝部位置与时间的关系曲线来对步态周期内任一点时的踝部 位置进行估计(假定水平地面和标称步态)。所估计的踝部位置可用于确 定何时回缩Bowden缆线142并张紧软式外装护具100。张紧的软式外装 护具100可在步态周期的足趾蹬离部分期间在踝部周围提供力矩，以补 足肌肉提供的力，并减少使用者消耗的能量。

在一些方面，使用或一些其它附连机制在手动拉动至期望的 张力之后，将软式外装护具100的一部分连接至另一部分。例如，可使 用具有紧固件的连接元件将节点1(参见例如图7)连接至腰带 110和大腿支具120。例如，在图16中，连接元件4和5穿过大腿支具 120上的带扣在底部形成环，并且随后可将其向上拉动并使用或 其它紧固组件将其自身固定。或者，可直接以将连接元件2和3 分别固定在腰带110上，而无需穿过带扣形成环，或通过另一紧固构件 或元件固定。另一选项是使用穿过防止其在张紧后回退的通孔带扣的织 带，并手动拉紧织带的突出端。

根据一些方面，使用力传感器在各Bowden缆线142中对张力进行 连续测量。将惰轮232(参见例如图29、30、34)偏置至Bowden缆线 142，并且可使用负载传感器234(参见例如图29)来对缆线142的张力 进行感测。记录这些测量结果并用于将软式外装护具自动张紧至适当水 平。根据一些方面，软式外装护具控制器(例如系统控制器226)检测到 软式外装护具由于自然身体运动而产生的张力上升，并基于该信号施加 致动作用。在一方面，软式外装护具控制器对外装护具中的力进行连续 监测。当软式外装护具由于使用者的位置的几何变化而被少量张紧时， 控制器可感测该(小的)力并对软式外装护具进行致动以适当增加或减 少张力。对于行走来说，例如可通过对来自控制系统226(例如PC/104) 的电动机位置信号施加连续偏移来实现软式外装护具的张紧。

在一些方面，致动器单元200配置为与本地或远程的外部计算机(例 如台式或笔记本电脑、平板电脑或智能电话)通过通信信道、诸如以太 网(例如有线或无线通信-Wifi)、蓝牙、I2C或其它公开或专有的通信信 道进行通信。例如，可使用外部计算机在首次通电时启动致动器系统控 制程序、调整控制参数(如外装护具张力)、执行诊断检测、传输软件、 或甚至对致动器单元200进行远程控制。在至少一些方面，控制系统226 在通电时自动启动，并由致动器单元200外部上的开关、或者手持的有 线或无线遥控器或电子设备(例如智能电话app)上的开关接收控制输入。 在其它方面，控制系统基于预编程的算法独立运行，所述算法对使用者 的意图或动作进行检测或预测，并施加适当的援助。

在至少一些方面，如图29-30的实例所示，致动器单元200是由 PC/104规格的Diamond Systems Aurora单板计算机250控制，所述单板 计算机250连接至Diamond Systems MM-32DX-AT模拟和数字I/O扩展 板。PC/104计算机250可由4芯(14.8-16.8V)锂聚合物电池通过Diamond  Systems Jupiter功率调节板进行供电。当然，随着技术的改进，也预计了 利用改进的处理器(例如更快、更小等)以及小型化和轻量化的电池和/ 或具有更高功率密度的电池。图29-30示出了根据本发明构思的一方面 的滑轮组件224和驱动箱223的一个实例。Bowden缆线142中的张力可 使用安装于滑轮组件224中与惰轮232相对的50kg梁式负载传感器234 (Phidgets，产品代码3135)来进行感测。负载传感器234上的全桥应变 仪通过电接口(例如pogo销)连接至信号放大器242(例如Futek  CSG110)。通过调节放大器242的输出，同时将已知负载施加至传感器 234来对各放大器/负载传感器对进行校准。对应于负载传感器234上的 力，放大器242输出0-10V的直流电压。通过MM-32DX-AT的模拟输入 引脚读取这一电压。放大器242可以由PC/104的14.8V电池经由自身的 板载电源调节器进行供电。

根据本发明构思的一些方面，可使用脚踏开关150感测足跟着地(图 30)，例如来自B&L Engineering的脚踏开关(产品代码FSW)。脚踏开 关150可以是足底形状的力敏电阻。如图31所示，各脚踏开关150的跟 部的端子分别接地以及接至数字输入引脚MM-32DX-AT。各脚踏开关数 字输入与+5V轨间并联的1kΩ和10kΩ电阻可对数字引脚进行上拉(pull  up)。当发生足跟着地时，脚踏开关150两个端子之间的电阻降低，数字 引脚上的电压减小至约为零，并且可以通过MM-32DX-AT I/O板读取状 态的变化。脚踏开关150可连接至3.5mm音频插孔，其可插入立体声缆 线并连接至滑轮组件224中的相应3.5mm音频插孔。与脚踏开关150之 间的电连接可以通过pogo销接口传递至PC/104计算机250。音频插孔使 得脚踏开关容易地从外装护具的其余部分分离，这有利于穿上和脱卸软 式外装护具100。

图32示出了根据本发明的一些实施方式的与PC/104计算机250和 MM-32DX-AT I/O板的连接。PC/104计算机250连接至位于驱动箱223 外侧的控制开关。对于各驱动箱，设置有电源开关来切断PC/104和电动 机控制器电池的正电压线路。两个瞬时切换开关和摇臂开关向PC/104计 算机250上运行的控制算法提供了用户输入。摇臂开关可用于接合控制 算法的行走模式，且瞬时切换开关可用于旋转左侧或右侧电动机，从而 在行走之前张紧软式外装护具。这三个用户接口开关连接至具有10kΩ上 拉电阻的MM-32DX-AT上的数字输入引脚，并与PC/104共享同一地线。 当每一开关均被打开时，数字输入端接地，并且引脚被下拉。在安装在 箱上的开关之外，或作为其替代，可提供小型手持式的有线或无线远程 遥控器(未示出)。遥控器上的开关可以与箱上的开关并联，并提供相同 功能。在用户输入的开关之外，或作为其替代，可将其它用户接口系统 集成至软式外装护具，包括语音控制、触摸屏、可穿戴计算机、或平视 显示器(例如谷歌眼镜或具有视网膜感测的可穿戴显示器或其它输入， 如无线连接的轨迹板或软键盘)。

根据一些实施方式，电动机246、电动机编码器248、以及电动机控 制器组装件示于图33中。每一EC-4极30 Maxson电动机246连接至 Copley Controls Accelnet Panel ACP电动机控制器260。使用RS-422数字 信号进行每转500次计数的HEDL 55403-信道编码器248被用于反馈。 举例来说，可通过两个4-芯(+14.8-16.8V)锂聚合物电池串联，总共 +29.6-33.6V来对各电动机控制器260进行供电。在所示出的实例中，电 动机控制器260以高达+24V向电动机供电。Accelnet Panel电动机控制 器260可以接受-10和10V之间的DC电压，来改变滑轮的角度取向、并 张紧或放松缆线142。-10V信号可移动滑轮，使其从通电时的起始位置 起以逆时针方向转动一整圈；+10V信号可转动滑轮，使其以顺时针方向 转动一整圈。根据一些方面，不使用负电压，这是因为在运行中电动机 控制器260仅在缆线142向外伸出至极限时通电。在软件中，可将控制 信号限制为正，以防止由于使电动机运行至物理停止而对系统造成破坏。

控制电压可产生自MM-32DX-AT的模拟输出引脚之一。为了确保电 动机顺利运行，通过低通滤波器发送电压信号。该滤波器可包括R＝68Ω 且C＝47μF的RC单极结构，并提供48.9Hz的截止频率。该信号可另外 由电动机控制器进行滤波，所述电动机控制器在模拟输入上实施数字过 滤。

根据本发明构思的一些方面，每一滑轮模组224包括一个或多个指 示器，如蓝色、绿色和/或红色LED，其发光以表明系统状态的不同情形 (例如滑轮模组正确连接至驱动箱223时发绿光)。LED的电源和接地可 通过来自PC/104的电池的pogo销接口。可使用1kΩ的电阻使来自电池 的电压降低至合适的驱动电流。

根据本发明构思的一些方面，所述Bowden缆线142经由金属滑轮 箱224和驱动箱223的外壳接地，其对于电路内部接地而言起到接地的 作用。使Bowden缆线142接地有利地防止Bowden缆线起到类似天线的 作用，向负载传感器和系统的其它组件发送电噪声。

根据本发明构思的一些方面，致动器单元200使用200W无刷电动 机222(其在降低的占空度(duty cycle)下运行)，通过辅助轨迹来移动 滑轮225和缆线142。滑轮225将电动机扭矩和转速转化为可通过缆线施 加至踝部的力和位移(图34)。

可对致动器单元提供的辅助进行限制，例如通过电动机供电功率进 行限制(在测试的软式外装护具中为100W)，但这并非功能这方面的限 制。在所测试的软式外装护具中，在周期的一部分，电动机246的占空 度提供高达约200W，然后在该周期的剩余部分返回至低功率，同时维持 等于或低于工作值100W这一要求的平均功耗，所述工作值为选定用于 测试的要求(图35)。

根据本发明构思的一些方面，可使用EC-4极30无刷电动机246 (Maxon Motors)，因为它是高效率的电动机，可提供高的功率重量比和 紧凑的尺寸。可根据系统的性能要求使用其它电动机。当在各个上述实 施例中使用旋转电动机时，也可使用其它致动器，包括但不限于：电气- 机械致动器(例如电动机、螺线管等)、气动致动器(例如气压缸、 McKibben型致动器等)和液压致动器(例如液压缸等)。在本发明构思 的其它方面，可利用不同类型的电动机(例如高扭矩和低速)，其无需减 速机(gearhead)，从而提供减小的重量、降低的噪音和提高的效率。

此外，尽管前述实例中公开了缆线致动器142系统包括控制Bowden 缆线移动的滑轮系统224，然而也可有利地将其它致动器用于软式外装护 具。举例来说，可使用任何能够缩短连接于两点间的缆线或绳长度的致 动器，所述缆线或绳可具有护套(Bowden缆线)或不具有护套(如上述 的游离缆线)。这些致动器可以放置在人身体上或远离身体的任何位置， 这取决于所辅助的移动、该运动的环境、禁忌症、以及设置替代性致动 的可行性。致动器可以位于远侧(例如处于使用者肩部背负的背包内)， 并使功率传输元件(例如缆线)的远端如前所述附连至软式外装护具系 统的合适位置(例如鞋具附连元件130)。可替代地，可将一个或多个致 动器定位在锚定点、连接元件和/或节点之间，或定位于缆线末端之间的 长度一部分上。其它类型致动器的实例可包括一个或多个气动或液压的 线性致动器、液压或气动的旋转致动器、滚珠或丝杠式致动器、皮带或 缆线驱动的致动器。

根据本发明构思的其它方面，使用了降低末端间长度的致动器，其 包括一个或多个半被动式致动器，例如磁力或机械离合器。这些致动器 在应给予辅助时(例如膝部弯曲时)在步态的两点间长度变短处接合。 同时具有可伸缩的缆线长度使得其具有最低的张力水平，离合器将长度 锁定在较短状态，使得当腿自然伸展时，将由于软式外装护具和缆线中 的拉伸而产生力。将这一系统归类为半被动式系统，并预期其将比主动 式系统需要更低的能量水平。

在根据本发明构思的其它方面，可使用各种机构来对软式外装护具 中的张力进行调节。在一些实施方式中，对软式外装护具进行致动的同 样机制也可以用于调节外装护具中的张力。在其它实施方式中，可使用 单独的机构来张紧软式外装护具，所述张紧单独进行或连同致动器共同 进行。可使用致动器主动缩短软式外装护具，以减少护具上两点之间的 长度。可能做到这点的一种机构是拉动Bowden缆线的电动机，其中护 套连接至软式外装护具上的一点，且其中心被连接至护具上不同的点。 这可以使用机械气动、液压或其它致动器来实现。

当然，如前所述，可通过对连接元件、锚定点和节点的相对位置进 行物理调节来手动调节张力(例如使用搭扣和/或调整绑带、张 紧拉带、金属线或缆线并将其锁定就位等)。作为另一实例，穿戴者可以 拉动织带穿过锁定带扣，所述带扣在释放后对该织带进行固定。在另一 个实例中，穿戴者可拉动一条织带(例如连接元件)，并使用将 织带固定至护具的一部分。

穿戴者也可以拉动或以其它方式张紧缆线，所述缆线通过棘轮机构 (例如旋转棘轮机构，诸如由Boa Technology制成，设置在腰带110上 的旋转棘轮机构)或可锁定的线轴进行，所述棘轮机构或可锁定的线轴 被配置为在设定的张力下使缆线固定就位。棘轮机构或线轴连接至 Bowden缆线的一端(例如缆线顶部，在此处棘轮机构安装至髋部处)， 其另一端连接至软式外装护具的两个位置上，从而降低它们之间的距离， 同时相互作用的元件(例如棘爪元件、棘轮元件)提供可释放的固定作 用。穿戴者也可以通过旋转缠绕缆线的中心轮毂来运行棘轮机构，或者 可以通过螺旋机构张紧软式外装护具，所述螺旋机构随后被锁定至最终 位置。可通过按下按钮以释放所述棘轮机构的相互作用元件(例如将控 制杆移离棘轮齿)，来释放张力。棘轮机构或线轴可以由软式外装护具穿 戴者手动转动(张紧或放松)或由致动器、例如齿轮传动电动机来转动。 即使并未将软式外装护具作为辅助系统致动，也仍然可在张紧模式下穿 戴该软式外装护具。在各种配置中，棘轮机构可位于穿戴者的腰部或髋 部处(以便于在行走或跑步时调整)、靠近踝部、或可能位于穿戴者的躯 干别处之上或其周围。

根据一些实施方式，张紧软式外装护具的机构可以包括螺杆(screw) 元件。在一个方面，将滑架(carriage)元件连接至Bowden缆线的端部 并且配置为通过在其中设置螺杆元件的螺纹部分上下移动。支撑结构将 滑架元件保持在相对于缆线护套的位置处，并且螺杆的顶部部分暴露至 使用者，以使得对螺杆进行旋转。螺杆的旋转使得滑架及所附连的 Bowden缆线末端发生线性移动，从而分别增加或减少软式外装护具中的 张力。提供了任选的锁定元件，以尽量减少该设置发生松动的可能性。 在一个方面，可通过小电动机或其它致动器来对螺杆进行控制从而转动 螺纹，在这种情况下则不需要锁定元件。

如前所述，软式外装护具可任选地根据程序随软式外装护具的使用 者进行移动而主动张紧(例如缩短或加长缆线)。或者，在其它方面，所 述软式外装护具使用一个或多个致动器自动张紧，并且维持在一个或多 个设定的张力下(例如固定值、固定范围的值、对于移动的不同部分的 取不同值或不同范围的值、标称平均值、标称峰值等)，其中所设定的点 可由使用者进行调整。在这方面，该系统被配置为感测软式外装护具中 的张力，从而为对所述张力进行控制的控制器提供适当的输入。

对于所有这些机构，软式外装护具可制成为通过释放这些张紧机构 使得在穿戴者身上变得宽松，从而例如促进脱卸所述软式外装护具。此 类张紧(或放松)设备允许使用者例如保持在软式外装护具上某些点之 间的第一水平的张力以及第二水平的张力(高于或低于所述第一张力)。 软式外装护具有利地包括能够同时运行的多个张紧机构。

在步态周期中，电动机246可以在一定范围的扭矩和速度下运行， 以获得所需的缆线142的轨迹。由于较高的电动机效率在高速和低扭矩 下出现，因此本发明的一些实施例可以选择包括具有滑轮和齿轮箱的电 动机的组合，所述滑轮和齿轮箱用于保持所述电动机在步态周期内的运 行尽可能接近最大效率。

根据一些实施方式，Maxon EC-4极30具有15,900RPM的标称连 续速度。然而，对于这一实施方式，电动机受到编码器的最大速度 12,000RPM的限制。另一种编码器(MR，Type ML，500 CPT，3信道， 具有Line Driver Maxon#225778)可用于致动器系统，来增加电动机的 最大速度。

根据本发明构思的一些实施方式，对于这一系统，更好的电动机对 于较高的扭矩将具有更低的标称连续速度。较低的运行速度可减少齿轮 箱中必需的级数，并将产生更高的整体效率。

根据本发明构思的一些实施方式，滑轮225和齿轮箱244将电动机 的快速旋转转化为缆线142在滑轮225上伸长和缩短的移动。滑轮225 和齿轮箱244共同决定了对于给定负载状态的最大缆线行程和最大缆线 速度。滑轮225的直径和齿轮减速可以通过所需的最小缆线行程和满足 生物力学和外装护具刚度需求所需的最大缆线速度逆推确定。辅助的总 量由这两个限制以及功率预算而得以驱动。

根据本发明构思的一些实施方式，滑轮225可以是单次卷绕的设计， 而在其它实施例中，滑轮可以是多次卷绕的设计。使用单次卷绕设计时， 滑轮225的周长不能小于缆线的行程距离。根据一些实施方式，缆线行 程可基于软式外装护具100的架构和使用者行走的生物力学而确定。根 据一些实施方式，缆线行程可包括三个长度以防止触底：缆线拉伸长度、 外装护具张力长度、以及安全余量。根据一些实施方式，缆线行程由于 设计参数和用户可变性方面的不确定性而被赋予了显著的安全长度。缆 线的拉伸长度和缆线的张紧长度由软式外装护具和先前的致动器系统得 以确定(参与者身高从5'8”到6'5”不等)。上述三个长度以及计算得到的 滑轮直径可见于表4中。

表4

根据本发明构思的一些实施方式，使用单卷绕式滑轮将产生340° (0.94转速)的可用角度。所选择的约70mm的滑轮直径提供了适当的 缆线长度。在一般情况下，较大的滑轮和较大的弯曲半径提供更少的磨 损和降低的缆线应力。

根据本发明构思的一些实施方式，对齿轮箱244进行选择以满足缆 线在辅助踝部时拉动和释放期间所需的最大速度。如图36所示，可将最 大辅助情况下的缆线位移视为在周期的有效部分内运行的三角形。在前 的线是以厘米为单位的电动机位置信号命令，在后的线为由CME-2电动 机控制器软件范围测量得到的电动机位置。正位移对应于缆线的收缩和 信号命令与电动机移动杆之间的延迟，所述延迟来自电动机控制器的加 速极限。

如表5中所示，其示出了根据本发明构思的至少一些方面的齿轮减 速的计算值，发现对于给定的滑轮直径(70mm)和最大电动机速度，最 大缆线速度为37cm/sec。由最大缆线速度可得，必要的齿轮减速比为 107:1，并且选择了减速比为111:1的齿轮箱。

表5

理想的情况是电动机在其转速-扭矩曲线内运行，并且在高速拉动期 间施加的力不超过电动机的极限值，以维持电动机的寿命。

根据本发明构思的一些实施方式，利用了Bowden缆线，其中包括 不可伸长的缆线，其在不可伸长的护套内平移。Bowden缆线142将力从 致动器单元200(经由传递至鞋具连接元件130的力)传递至踝部。Bowden 缆线护套144附连至软式外装护具和致动器单元200，并且缆线142被锚 定至鞋具连接元件130(图21-22)。在其它实施方式中，织带或缆线可 通过织物中的导向线进行布线。

根据本发明构思的一些实施方式，可在系统中使用多种类型的 Bowden缆线。除了标准的Bowden缆线，也可使用非标准和类似的工作 缆线，如牌缆线。缆线可以提供超过传统Bowden缆线 的增加的效率。更有效的缆线使得对于每一给定的输入功率将更多的功 率传递至踝部。这可为功率预算有限的系统提供优势。系统中的 卷绕线缆的直径为1.5mm，并且具有2200N的最大抗拉强度。

图37示出了Bowden缆线144上的端部配件。这些端部套箍配件146 可以与致动器单元200和软式外装护具进行整合。可创建T-连接件，使 其通过缝制于小腿绑带处的环内与软式外装护具和靴附连件相连接。在 其它实施方式中，另一种T-连接件可以是Velcro附连件(带扣)。在一些 实施方式中，可移除T连接件，并且可在其位置处使用具有可调节滑扣 的连续织带。在缆线端部的套箍既可以接合至滑轮，也可将缆线固定至 下部T-连接件。这些套箍也可以作为机械引信(mechanical fuses)，当将 预定的力(例如600-650N)施加至T-连接件时脱离缆线，从而提供对系 统可向使用者施加的力进行限制的安全措施。在近端，缆线可包 括延长的铝制外壳，所述铝制外壳可装配至滑轮组件上的孔中，并且可 以通过定位螺钉进行固定。Bowden缆线的另一端部配件可以包括例如扣 袢(button tab)。在一些实施方式中，可在织带中设置铆钉或索环 (grommet)，其允许缆线通过，同时对外部护套进行限制。在一些实施 方式中，压缩接头将外部护套夹持至织带。

根据本发明构思的一些实施方式，可将缆线中的当前系统张力输入 至用于数据记录和在行走前对软式外装护具进行预张紧的控制系统。缆 线中的感测张力也可用于步态控制算法中。可将滑轮模块的负载传感器 安装至小的惰轮，随缆线从箱外通过滑轮，其以小的角度偏转缆线。一 般情况下，使缆线偏转8°缆线角度所需要的力随着缆线中的张力而线性 增加，如图38中由标号167所示。滑轮系统224的当前实施方式中张力 的一般范围由操作范围(operational envelope)166表示，其表现出约150N 的负载传感器力以及约500N的缆线张力。可沿8°弯曲角使用50kg梁式 负载传感器对系统可能具有的缆线张力全范围进行测量。标号168表示 缆线断裂强度。

根据本发明构思的其它实施方式，图39-40显示了串联固定以及并 列固定的力传感器和混合组合之间的区别。偏转惰轮232的几何形状可 用于代替内联(inline)的力传感器设置(参见图39和图40中的串联力 传感器275)，这是因为惰轮并未限制缆线的移动。然而，内联串联的传 感器275可提供力的直接测量，并且可放置于踝部或踝部附近，这将消 除由于在Bowden缆线142中的摩擦产生的测量误差。另一个实施方式 为使用位于Bowden缆线护套144远端、附连至Bowden缆线护套和连接 元件的力传感器(例如275)。这将由于传感器位于远端而允许不受限制 的缆线移动和优异的测量。

根据本发明构思的一些实施方式，可将B&L Engineering脚踏开关安 装于靴中，并为普通成人提供正确的灵敏度(脚踏开关可任选地对于使 用者的体重或工作重量范围进行优化)。当未压缩时，脚踏开关具有数百 兆欧姆的标称电阻，形成一个有效的闭合电路。电阻在足跟着地(约300 磅的力)期间下降至14Ω，该值比909Ω的上拉电阻(1kΩ与10kΩ并联) 低得多，这将使PC/104数字引脚发生下拉。与10kΩ的电阻器并联增加 1kΩ电阻，以尽量减少在过渡运动期间诸如足跟着地时和足跟提起时的 开/关切换作用。

配置在软式外装护具的测试配置中的Diamond Systems Aurora  PC/104计算机250具有1.6GHz的Intel Atom CPU，使用2GB的RAM， 并由4GB SSD硬盘使用实时内核引导MS-DOS。可对MS-DOS的安装进 行配置，以在启动时运行xPC Target二进制可执行文件。xPC Target应用 程序等待来自主计算机的连接，从MATLAB/Simulink的主机上接收已编 译的程序，并执行该程序。Aurora PC/104可与Diamond Systems  MM-32DX-AT I/O扩展板进行配对，提供32路模拟输入、4路模拟输出、 以及分配为输入或输出的24路数字引脚。根据本发明构思的一些实施方 式，PC/104 xPC Target组合提供了有用量的处理能力和灵活性。PC/104 具有能进行48.2 FLOPS的台式机CPU和2GB的RAM，并且可开发用 于本发明中的控制算法，而不必担心速度或内存。小尺寸和低功耗使得 PC/104适合用于便携式系统。根据本发明构思的一些实施方式，Copley  Control Accelnet Panel ACP电动机控制器是能够进行速度控制和位置控 制的高性能控制器。其拥有众多的命令输入(RS232串口、CAN、PWM、 模拟电压)。Copley Controls软件允许进行基本的自动调节并计算控制器 增量。

根据本发明构思的一些实施方式，使用Futek CSG110作为全桥应变 仪的通用放大器。Futek CSG110具有：DIP开关，用于设置激励电压和 mV/V传感器范围；以及旋转电位器，用于校准零点和直流电压输出至每 一特定负载传感器的范围。Futek CSG110放大器允许负载传感器连接至 PC/104。

根据本发明构思的一些实施方式，使用五个电池来对系统进行供电。 使用四个Gens Ace 14.8V 4S1P 5000mAh 40C锂聚合物电池来为电动机 控制器和电动机供电，每一个驱动箱使用两个电池(每一肢对应一个驱 动箱)。每对电池串联以导线连接，从而为电动机控制器提供29.6V的直 流电。第五电池为锂聚合物Gens Ace 14.8V 2S1P 4000mAh 25C，用于对 PC/104计算机、两个Futek放大器、滑轮模组的LED以及各驱动箱的冷 却风扇进行供电。PC/104的电池可以与电动机控制器电池对和系统中的 每一组件共享接地。根据本发明一些实施方式的电池可以是系统的附属 件。这些电池可使用末端连接件包含在外壳中，所述末端连接件与至少 两个能够负载大于200W的电连接器刃片相接触。这些刃片也可以与电 动机内的匹配连接件相作用，形成能够为电动机供电的供电连接。电池 外壳和电动机外壳可具有匹配保留特征、如插销，以固定所述外壳，形 成快速松脱的可更换系统。

选择了锂聚合物电池，这是因为它们在本申请中提供了可接受的性 能。锂聚合物化学结构提供了最高的能量存储与重量的比率之一，并且 比锂离子更加坚固(robust)且更安全。在本发明的其它实施方式中，软 式外装护具可以包括能量获取元件(例如由太阳、风、身体自然运动、 体热、振动、与充电设备的电感耦合、有线锂电池充电端口等获取能量)， 以减少为护具供电所需的总电池尺寸。

根据本发明构思的一些实施方式，图29所示的滑轮组件可由五个部 分组成。滑轮壳体230可提供机械结构以支持滑轮模块224，并且包括具 有内壳(例如Delrin)和外壳(例如Delrin)的滑轮壳体(例如铝制)。 滑轮壳体230抵抗由Bowden缆线上的滑轮产生的负荷，为电动机轴提 供了额外的支撑，使滑轮系统对齐并附连至驱动箱，并任选地包括允许 对滑轮系统进行可视化检查和移动的窗口，任选地包括将缆线保持在外 壳中以允许推拉缆线致动的导向槽或通道，任选地提供防止滑轮过度旋 转或向后旋转的挡块(stop)，任选地由两个螺钉附着至驱动箱，其允许 “快速松脱”除去滑轮模块子系统，并在滑轮由驱动箱脱卸时为滑轮提 供第二支撑面。主支撑面由电动机轴提供，并且当滑轮模块由驱动箱脱 卸时，可通过配合外壳表面对滑轮凸缘进行支撑。在另一实例中，可将 轴承正中放置于滑轮缆线槽下方以减少垂直于旋转轴线的力矩力。通过 悬臂表面将这一正中放置的轴承固定至滑轮外壳。这一配置允许在电动 机轴承上产生最小的侧向作用力。另外，该滑轮组件可以使用插销，以 将其固定至电动机壳体，并设置快速松脱机构。

滑轮225引导缆线142，并且可以包括以下附加特征的一些或全部： 1)数字/颜色标记，为了故障排除的目的在观察窗口中给出绝对位置；2) 减重织带，提供轻量设计，以减少滑轮惯性；3)套箍捕捉螺钉，用于在 推拉致动期间保持缆线就位；4)止动销，用于与滑轮外壳相互作用，以 限制滑轮移动。

根据本发明构思的一些实施方式，考虑到滑轮模块的组成部分，电 动机座可位于驱动箱中，并为滑轮组件提供定位和紧固点来将其固定至 定位于驱动箱上的电动机。

根据本发明构思的一些实施方式，控制方案可以包括决定如何基于 来自传感器的输入来移动电动机的过程。该控制方案可以在运行于 PC/104嵌入式计算机上代码中实现。根据一些实施方式，可使用Simulink 程序块和MATLAB代码写入控制方案。用于MM-32DX-AT模拟扩展板 的Simulink程序块可处理输入和输出(例如I/O)。可使用一个Simulink 程序块来读取全部传感器的值，并使用另一个Simulink程序块来将位置 值发送至电动机控制器。可使用另外的Simulink程序块来捕获数据，并 将其保存至PC/104的磁盘或将其发送至主机以进行保存或调试。大块的 处理工作可通过Simulink程序块中嵌入的MATLAB脚本来完成。这一 MATLAB脚本可以使用脚踏开关状态、用户界面按钮以及当前时间步长 (time step)来计算期望的电动机位置。根据本发明的一些实施方式， Simulink程序块框图可在PC/104上以0.001秒(1毫秒)的固定时间步 长运行。

根据本发明构思的一些实施方式，电动机246对各腿部的输出可由 运行时间之前产生的梯形轨迹计算。这一轨迹具有单位宽度和对应于所 需致动的可变峰高(例如4cm振幅的脉冲、6cm振幅的脉冲)。使用者步 态的节奏可由多次足跟着地之间的时间计算，特别地，可对于预先确定 的步数(例如此前的20步)记录步态时期，并取其平均值。已证明二十 步移动的平均值足以用于低通滤波器。这一平均步态时间可用于将梯形 轨迹放大至各腿部的整个步态周期。可对各腿部进行独立处理，并可独 立地计算各腿部的波形。在一些实施方式中，可对双腿进行同样处理并 且可将以相同方式计算的波形用于各腿。

在足跟着地时，控制方案可使用速查表(look-up table)来产生所需 的电动机拉力。步态周期(GC)的0-40％内的平直轨迹表现为延迟，由 于足部位于地面而使软式外装护具保持松弛，并且使用者的髋部在足部 上方枢转就位。由40％开始，电动机拉入缆线并在62.5％GC时张紧软 式外装护具至最大水平，此时发生脚趾离地。当保持一段时间后，电动 机随后解绕缆线，直至83％GC时解绕至零点处并重置用于新的周期。

所述轨迹可通过电动机246、齿轮箱244和Bowden缆线142的物理 性能进行限定。轨迹的下降斜率可由电动机的最大转换速率而得以约束。 另外，电动机控制器可将电动机的最大加速度限定为2500转/秒²，电动 机的最大速度限定为11500rpm，从而有效平滑梯形轨迹的尖角并略微 (～3％)使其向右移动。最后，这一轨迹可基于踝部相对于时间的位置 图生成，其起始于足跟首次着地。这一系统中使用的脚踏开关要求显著 量的压力来触发，因此直至足跟触及地面且使用者的体重开始施加至足 部才能感测到足跟着地。这一时刻发生于标称步态周期的2-6％之间的某 处，很可能是2-3％时。

根据本发明构思的一些实施方式，在驱动箱233外侧、在手持遥控 器上或经由无线装置设置了用户界面开关，从而对控制方案的作用方式 进行调整。当行走开关脱离时，控制方案可任选地继续运行，但并不在 足跟着地后输出脉冲信号。各张力切换开关向由梯形轨迹查得的电动机 位置增加或减少偏移量。偏移量的大小依据张力切换开关下压多久而定。

根据本发明构思的一些实施方式，力传感器的值可以是记录并用于 调整梯形轨迹大小的数据，但并不用于计算期望的电动机位置。根据本 发明的一些实施方式，可将力传感器引入反馈回路，从而在步态周期内 跟踪期望的力轨迹而非期望的电动机位置。

根据本发明构思的一些方面，可将直线缆线用于替代Bowden缆线， 直线缆线可包括由致动器至作用点的游离缆线。这将在两端点间通过缆 线产生直线的力。根据本发明构思的其它方面，使用了多点缆线系统。 例如，多点缆线系统可包括游离缆线，其从致动器120起经角度转变点 穿过沿通向远端的路径，并沿其长度通过一些或全部转变点(包括端点) 传递力和位移。缆线两端之间各关节周围的力矩取决于它们相对于游离 缆线转变点的位置。缆线或织带可配置为相对于转变点和穿戴者滑动， 这与缆线在脱出末端之前都具有护套的Bowden缆线不同。多点缆线和/ 或直接缆线可包括一根或多根金属线或丝状绳索、织带、例如软式外装 护具材料、弹性元件(例如橡胶)或其它任何柔性力传递元件。

根据本发明构思的一些实施方式，Bowden缆线142系统可由螺线管 或其它类型的远距离置的致动器(例如设置于使用者背负的背包中)或 局部设置的致动器(例如位于辅助的肢体上，例如：基于大腿的致动器， 用于向膝部、踝部增加能量；或基于腓肠肌的致动器，用于向踝部增加 能量等)替代。根据一些实施方式，可使用液压活塞换能器。在这一实 施方式中，可使用线性活塞替代Bowden缆线的下方部分，并可通过液 压管路连接至液压压力源和液压流。换能器包括缸和活塞，用于降低其 长度以对软式外装护具进行致动。在另一实施方式中，可使用气动换能 器、如McKibbon致动器替代Bowden缆线的下方部分，并经由气动管路 连接至气压源和气流。所述换能器可包括缸和活塞或可膨胀的气囊，用 于在充气时降低其长度。

所描述的缆线致动器包括电动机驱动的滑轮系统，其连接至Bowden 缆线。可使用其它致动器替代电动机。替代性的致动器可包括可用于缩 短两点之间的缆线或绳索长度的致动器或电动机，所述缆线或绳索可具 有护套(Bowden缆线)或不具有护套(例如游离缆线)。可将这些致动 器如前所述设置于近端，或在某些情况下设置于缆线两端之间的长度部 分上。这些致动器可包括一个或多个气动或液压线性致动器、气动或液 压旋转致动器、滚珠式或丝杠式致动器、以及皮带或缆线驱动的致动器。

根据本发明构思的一些实施方式，可使用基于织物的力传感器来对 A和B两点之间纺织品织带的线性位移进行测量。这一线性位移的测量 可与纺织基底的性质(例如弹性)相组合，以计算力的测量值。可沿点 A和点B形成的直线测量所述力，并终止于该直线上织物与其它连接件 交会处的端点。纺织织带通常提供了常以带状形式(例如长度、宽度和 厚度)制成的强健耐用的织物。沿织物长度线性施加的力将导致织物中 产生拉伸(应变)。已对这一拉伸进行了测量，并且其相对一致，从而使 得施加至织物的力将产生特定的应变测量值。使用这一性质，基于纺织 品的力传感器可基于所测量的应变来对力进行计算。为了使其正常工作， 传感器必须能够测量0.05-5％范围的应变并具有极低的刚度。对0.05-5％ 范围的需求基于织带的材料性质而定。对低刚度的需求是由于这样所述 力传感器不会显著增加织带的刚度。

根据本发明构思的一些实施方式，基于纺织品的力传感器可用于帮 助控制一个或多个外装护具致动器。控制系统可使用力测量值、以及致 动器位置测量值和力的位移曲线，来检测运动并提供反馈。其还有助于 确定护具元件的正确位置(通过刚度测量值确定)。

根据本发明的一些实施方式，基于纺织品的力传感器可用于在任何 活动期间对软式外装护具元件中的力进行重编码，从而通过测量软式外 装护具特定区域中的力来辅助开发，通过测量关节角来检测损伤，以及 检测关节角以用于控制或数据分析。

根据本发明构思的一些实施方式，传感器可位于软式外装护具的不 同位置。在一方面，在沿连接元件或其它元件长度上的两点处，将基于 表面的传感器粘附至或附连至连接元件(例如纺织织带织物)或其它元 件。在另一方面，在连接元件或其它元件的区域内的两点处，将全表面 传感器粘附至或附连至连接元件(例如纺织织带织物)或其它元件。在 另一方面，在连接元件或其它元件中形成或纺织(对于纺织材料的情况) 成袋槽(pockets)，并将传感器置于所述袋槽内(在计算力时将需要用到 所述袋槽的材料性质)。在又一方面，直接将传感器安装在织带中。在其 它方面，载有一个或多个传感器元件(任何类型)的连接元件或其它元 件为叠层材料或复合材料，并且所述传感器设置于叠层材料或复合材料 的各层之间的内部。

根据本发明构思的一些实施方式，系统中可使用测量线性位移的传 感器。优选地，所述传感器对于目前的织带能够测量约0.05-5％的范围内 的应变。具有中等应变范围的传统应变传感器通常包括应变范围0％-10％ 的传感器。其它传感器包括具有大的应变范围的超弹性传感器(例如WO  2013/044226 A2中公开的液态金属，以引用的方式将其整体内容并入本 文)。或者，通过使附连传感器的区域刚度变得很大以降低织带应变，也 可使用具有低应变范围的传统应变传感器。

图41A-41B示出了本发明构思的另一实施方式，其中，致动器200 向髋关节的两侧施加力(图41A)或向踝部施加力(图41B)。致动器可 以是任何引起如图41A所示的位于大腿前方和后方的滑块两端共同移动 的装置。致动器可包括例如：跨越该空间进行连接的Bowden缆线、由 软管控制的气动致动器、或具有可替换活塞的电磁致动器。

根据本发明构思的一些实施方式，可在髋关节处提供致动作用以辅 助运动，并且特别是辅助行走、跑步和跳跃。并且，由于髋关节与躯干 接近，因此可直接由固定在躯干上的致动器将力传递至髋关节自身。以 上功能可通过以张紧元件(如缆线、织带片、带状物(ribbon)等)拉动 髋部而完成。由于这一张紧元件无需任何护套，故摩擦极低，因而该系 统具有高的效率。髋关节位于接近躯干处的一个益处是容易完成软式外 装护具的穿戴与脱卸。位于使用者衣物上的背包或腰包结构以及张紧元 件可保持在身体外部，并使用同样位于衣物外部的支具固定至大腿，从 而提供易于附连至大腿和由大腿脱下的低剖面(low-profile)装置。

根据本发明构思的至少一些内容，软式外装护具100包含致动器单 元以及一定长度的织带、绑带、缆线或其它施加张力的手段(此后称为 “带状物”)，所述带状物从所述致动器单元延伸直至附连至髋部。在运 行中，致动器单元120可收回所述带状物以产生力，使得髋部发生伸展， 并伸展所述带状物使得带状物放松。

如本文所述，致动器单元120可如通过腰带或背包附连至人体。可 使用其它组件来将所述致动器相对于使用者进行固定(例如固定于后方、 前方、或围绕后方和前方进行分布)。根据本发明的一些实施方式，致动 器可通过两个螺钉进行附连，所述螺钉可位于装置两侧，并给出将单元 面对两侧方向之一的选项，所述带状物可从装置靠近人体一侧延伸或与 人体有些偏移。所述装置也可进一步向上固定于使用者背部，此时所述 带状物平行于背部延伸一段距离。在一些方面，从致动器单元120延伸 的带状物可卷绕或延伸于使用者臀部区域周围以包裹髋部。在一些实施 方式中，带状物下端可附连至大腿周围的支具，其可能延伸至膝部周围 并且类似地向下直至踝部从而提供增加的支撑。

当致动器单元120收回所述带状物时，若髋部处于屈曲状态，由于 所述带状物的角度发生改变，因此所述带状物倾向于陷入臀部区域。为 了防止由这一配置产生的不适，可能存在数种解决方案。一种解决方案 是使带状物在某种程度上于致动器末端处从身体偏移，例如上述附图的 左侧和中心处所示。这将增大带状物陷入臀肌前髋部可达到的角度。另 一选项则是设置宽的带状物(例如2”)来尽量减小穿戴者所承受的压强。 也可将低摩擦材料穿戴于臀部区域以减小摩擦并增加相对于身体运动的 带状物的舒适感。可在带状物的较大长度上使用护套，即，可使用Bowden 缆线，来保护身体不受带状物运动的影响。另一降低身体上的压强的手 段为使带状物在大腿附连件处的远端偏移。这可通过使用附连至大腿支 具的硬质或半硬质组件而实现，所述组件可向后延伸为“马刺(spur)” 以使带状物连接点从大腿偏移。例如，在髋部附连件系统的一个实施方 式中，可在前方使用Velcro将织物片固定于大腿周围。可使用2”宽的带 状物将致动器附连至这一大腿支具，并且这一带状物的顶端可向上拉动。 由于腿部呈圆锥形状，因此限制了所述大腿支具使其不能沿使用者腿部 向上移动。同样由于所述圆锥形状，几乎不能阻止大腿支具向下移动， 因此若不向所述带状物施加向上拉动的张力，该大腿支具可具有从腿部 下滑的倾向。所述大腿支具可由将其连接至腰带的其它元件或其它手段 保持向上。

在一些方面，致动器单元120带状物(织带、缆线等)向下延伸跨 过使用者的臀部区域并直接或间接地连接至接合至大腿的软式元件(例 如大腿支具)。在一方面，可使用硬质或半硬质的马刺来在大腿背侧产生 偏移。在一个实例中，将半硬质的元件连接至大腿背侧，并且当经由带 状物将力施加至该半硬质元件时，其由大腿向外弯曲，从而增加从大腿 的偏移(以及力矩)。这可用于产生低剖面护具，其在不使用时由身体滑 落，并在需要大的力时产生较大的力矩臂。在中间程度的力时，力矩臂 可位于中间位置。单一系统中可使用许多各自具有不同刚度的其它元件 配置，包括不同排列的软式、柔性、硬质和半硬质元件，为了再生的目 的，作为系统元件也可包括弹簧和其它弹性元件。

根据本发明构思的一个或多个实施方式，致动器单元120包括电动 机驱动的驱动滑轮，其适应于响应于控制系统的控制信号，接合并卷绕 所述带状物。可使用传动装置将驱动电动机连接至驱动滑轮。所述传动 装置可包括将功率由驱动电动机转移至驱动滑轮的同步皮带和同步齿轮 或齿轮组。在其它实施方式中，也可使用驱动杆和一个或多个齿轮或同 步滑轮来将驱动电动机连接至驱动滑轮，从而以预定速率卷绕和解绕所 述带状物来提供运动辅助。致动器还可包括惰轮，所述惰轮接合所述带 状物并对施加在所述惰轮上的力进行测量。可将例如由一个或多个应变 仪提供的力信号传递至致动器控制器，以对带状物的致动作用进行控制。 可在使用者髋部或其它关节处设置额外的传感器来对运动进行检测并控 制致动器提供辅助。例如，髋部屈曲可作为使用者开始移动的指示。

根据本发明构思的一些实施方式，如前所述，可为一腿或双腿设置 控制系统，以对致动器进行控制并从传感器接收信号，从而检测运动并 调整致动力以使其与运动相协调。

根据本发明构思的一个实施方式，如图42A所示，为构建为轻量、 小型且快速搭建的原型，将全部系统组件安装于两块铝制侧板400之间 和/或之上，并通过定位销实现对齐。侧板400包含挖空部分402以减轻 整个系统和/或提供通向系统特定部分的通路。在所示的实例中，致动器 200使用滑轮235，所述滑轮适应于驱动2”织带以将力传递至使用者大腿 背侧，从而在人体髋部周围施加力矩；若有需求，其它类似配置的实例 可使用不同宽度的织带。使用宽的带状物而非如在先实施方式和实例中 所示的Bowden缆线使得材料接触使用者身体而不发生割伤或切刻 (incising)。然而，较窄的织带尺寸或缆线可有利地与加强织物、元件(例 如衬垫、Delrin等)或引导物组合使用，以类似地减少织带擦伤、割伤 或切刻的能力。

尤其在人体进行诸如下蹲或攀登阶梯的运动时，髋部系统倾向于接 触臀部区域。带状物的位移为约200mm(8”)，这将有利于例如下蹲的活 动。通过使用宽的织带和线轴，带状物可在所述线轴上卷绕多圈，而无 需增加额外的引导特征。为了卷绕圆形缆线，所述线轴需要具有额外的 凹槽，并可能需要某种送线器来使所述缆线位于所述凹槽内。此外， Bowden缆线损失比使用带状物时产生的损失更高。使用宽的带状物的主 要不利之处在于：由于髋部具有三个自由度，所述带状物可能自身向后 折叠。为了防止折叠，可将凸缘附连至引导带状物的滑轮。

对髋部速度的初始测量显示，在行走、慢跑、跳跃和下蹲期间，在 髋部处于最大速度时，需要约0.325m/s的线速度来对髋部进行致动。这 一线速度是由髋关节的角速度与臀肌周围的张紧元件的偏移(约8cm的 距离)组合得到的。系统使用具有23:1齿轮比的电动机齿轮箱和具有 3.333:1传动比的同步皮带。从而，总的传动比为约77:1。线轴直径也对 带状物速度具有显著影响，并因此使得能根据带状物速度灵活使用系统。

设计紧凑系统时的一个挑战是找出电动机246、齿轮箱244和编码器 248的正确位置，所述位置不会过度限制穿戴者的移动。这些部分的组装 件具有约150mm的长度。在一些方面，可使用直齿轮或锥齿轮来以90° 的角度附连驱动单元。同步皮带270(参见图42B、43A)相对于驱动单 元223的位置提供了高的灵活性。同步皮带270允许通过改变同步滑轮 的直径来灵活适应系统传动装置，而无需改变驱动单元223的位置。使 用直齿轮或锥齿轮将驱动单元安置于无法轻易改变的固定位置。在至少 一些方面，同步皮带270的设计包含了两个同步滑轮271、272和一个惰 轮273，所述惰轮向系统施加预张紧作用。最大的皮带力为约300N，这 与齿轮箱轴上允许施加的力相一致。

如图42F中所示，驱动杆265作为现成的Misumi部件，在其较短一 端(左侧)具有12mm的直径，在其较长一端(右侧)具有10mm的直 径，其被选定为适合于选定的同步滑轮271的12mm的最小内径。此外， 如图42B-42C中所示，预张紧惰轮273的凸缘274应当防止皮带270发 生滑脱。较大的同步滑轮271包含任选的骨架化结构以有利地降低部件 重量。如图42E所示，预张紧件由轴和两个轴承组成，所述轴承通过扣 环而得以固定。

如图43B的实例所示，使用了数个惰轮232和275-276来对本发明 的一些方面使用的宽的织带进行引导。为了对系统中的力进行测量，使 用了两个负载传感器234。当力施加在带状物上时，两个负载传感器234 在下述方向上被拉动，该方向使得负载传感器中的电容与所施加的力成 比例地改变。为了保证带状物总是沿着测力惰轮232成同一角度，使用 了一个或多个额外的惰轮(例如275-276)。在一些方面，测量力的角度 为约13°。如图43B所示，该机构控制带状物(未示出)移动，并同时 保持与力传感器的角度恒定。

此处描述的致动器可通过许多不同方式实施。其可包括棘齿线轴和 离合器，以允许线轴自由回缩，但除非由离合器解锁否则阻止发生伸长。 这可提供非常低功率的解决方式，其中致动器仅阻止发生进一步伸长， 并且任何施加至身体的力均为从身体先前的运动所储存的力。这一机构 还可包括与带状物相串联的弹簧，以允许储存能量和送回能量。

或者，致动器可包括由张紧的弹簧提供动力的机构，其用来以较轻 的力连续回缩织带。由于与可反向驱动的致动器或棘齿机构相连接，这 一机构可允许带状物连续追踪髋部运动，而无需使用致动器。随后，致 动器可在有需要时向带状物施加力。

可使用棘轮机构来将线轴连接至电动机，这是由于电动机仅能施加 在一个方向上拉动带状物的力。可将其与轻量张紧弹簧组合使用，所述 弹簧使线轴发生卷绕。若电动机在一个方向上转动，其可接合至棘轮机 构并将扭矩转移至线轴。若髋部伸展移动过快使得致动器跟不上该运动， 棘轮机构将使得线轴比电动机更快移动并继续卷绕带状物。若髋部发生 屈曲，则电动机可旋转小的距离以脱离棘齿，此时髋部可自由移动，电 动机不会阻碍其运动。或者，可使用小的离合器机构来使电动机接合至 线轴或由线轴脱离。

图44A-44C分别示出了根据本发明构思至少一些方面的软式外装护 具(V3.2)的正视图、背视图和侧视图。连接元件1将腰带两侧连接在 一起，从而对锚定点进行固定，并保持软式外装护具在向其施加向下的 力时不致下滑。连接元件2在腰带和大腿支具之间保持张力。其位于大 腿侧面的位置使得其在整个站立阶段保持恒定张力。连接元件3在向下 方向和内侧方向对节点1进行约束。连接元件4施加作用以对大腿支具 处的力进行平衡，所述平衡通过抵消来自连接元件7的张力进行，并且 其进一步通过在大腿支具上施加垂直力来使得支具进行预张紧。连接元 件5也在向下的垂直方向和外侧对节点1进行约束。增加连接元件6以 增加跨大腿前方的张力。连接元件7在大腿支具内侧施加向上的力，从 而使得施加至大腿支具的向上的力变得平均。小腿连接元件8-9附连于 膝部前方，从而在致动期间产生的张力可在膝部周围产生有益力矩。

图45A-45D分别示出了根据本发明构思至少一些方面的软式外装护 具(V4)的正视图、背视图和侧视图。关于图44A-44C，增加了连接元 件4和6来向节点2施加向下垂直和外侧的约束，增加了连接元件8-9 来代替大腿前方的连接元件(从而使得力的分布更优，减少大腿支具的 旋转量)，以及增加了连接元件10来提高小腿绑带放置的可调整性。连 接元件12以较小的角度附连至连接元件10的底部。随后将连接元件10 在大腿支具层之间对齐并紧固，以使得连接元件12相对于膝部转动中心 正确放置。发现连接元件4和6的几何学在节点2和骨盆间产生非常高 刚度的路径，使得节点2在高负载下也几乎不发生偏斜。还发现连接元 件8-9使得负载得以有效分布并平均分布于节点2和大腿支具之间，消 除了高的大腿支具旋转。

图46A-46B分别示出了由使用者穿戴的根据本发明构思的至少一些 方面的软式外装护具实例的正视图和后视图。

图47给出了统计学比较，示出了根据本发明构思至少一些方面的软 式外装护具的初始实施方式的演进过程。在软式外装护具100的第一个 版本(V1)中，最大行走速度为1.25m/s(2.8mph)，总的能耗为59.2W， 电池持续时间4.1小时(2.5kg的电池)，最大输出力150N，100N时的刚 度为3500N/m。在软式外装护具的第二个版本(V2)中，最大行走速度 为1.5m/s(3.4mph)，总的能耗为59.2W，电池持续时间4.1小时(2.5kg 的电池)，最大输出力200N，100N时的刚度为4000N/m。在软式外装护 具的第三个版本(V3)中，最大行走速度为2.0m/s(4.5mph)，总的能耗 为50W，电池持续时间5.5小时(2.5kg的电池)，最大输出力270N，100N 时的刚度为5000N/m。这些性能上的改善伴随着软式外装护具100总重 量(外装护具、致动器、电子元件、电池等)的下降，如图48所示，其 示出了表示软式外装护具重量由软式外装护具V1(12.2kg)下降至软式 外装护具V2(10.00kg)，再下降至软式外装护具V3(6.53kg)的柱状图。

图49示出了图46A-46B中所示的软式外装护具100的运动学结果。 图49显示了右踝角度作为步态周期百分比的函数(左上图)、右膝角度 作为步态周期百分比的函数(右上图)、以及右髋角度作为步态周期百分 比的函数(左下图)。在这些图表的每一幅中，第一曲线301示出了当软 式外装护具100在移动期间处于“松弛”的非致动状态下时的各自的运 动学角度，且第二曲线302示出了软式外装护具100在移动期间以向鞋 具连接元件130施加150N辅助力的水平致动时各自的运动学角度。明显 地，对于每一关节而言，运动学角度在松弛条件下和致动条件下的密切 相关表明，软式外装护具的运行并未显著或不利地影响步态。同样，图 50示出了对于图46A-46B中所示软式外装护具100的踝部致动性能而 言，力相对于时间的曲线。在受试者以1.25m/s的速度行走时记录数据， 其如图302(致动)所示具有高达300N的局部峰值力，并与当软式外装 护具100处于“松弛”的非致动状态时，在移动期间的力(图301)进行 比较。再次地，图50中的图301、302表现出软式外装护具100的松弛 状态和致动状态之间具有密切的相关性。

图51示出了对于不同受试者，在相似的测试条件下，使用如图 46A-46B所示的软式外装护具100得到的代谢结果(如图49-50所表示)。 对于受试者1，受试者1在穿戴处于“松弛”的非致动状态的软式外装护 具100时，在移动期间消耗了710W能量，但在穿戴软式外装护具100 且踝部在移动期间激活时，在类似的移动期间仅消耗了611W能量，所 消耗的能量节省了99W(消耗能量降低了14％)。受试者2在穿戴处于“松 弛”的非致动状态的软式外装护具100时，在移动期间消耗了530W能 量，但在穿戴软式外装护具100且踝部在移动期间激活时，在类似移动 期间仅消耗了460W能量，所消耗的能量节省了70W(消耗能量降低了 13％)。受试者3-5也实现了类似的获益，只是获益较少。基于这一样本， 平均消耗能量降低了53W，消耗能量降低了9％。

图52示出了生物代谢功率饼图，表明1.25m/s的行走速度下，总关 节有效功率包含46％的踝部贡献、40％的髋部贡献，以及14％的膝部贡 献。测试中迄今为止，软式外装护具100的代谢收益已经显示出在髋部 具有高达12％的代谢收益(消耗能量减少)，在踝部具有14％的代谢收益。

图53显示出软式外装护具100刚度在根据本发明构思的各个方面的 软式外装护具不同版本(V3-V7)之间的演进。受试者穿戴了许多不同 版本的软式外装护具100，包括V3、V3.1、V3.2(参见图44A-44C)、 V5(参见例如图14A-14B、图46A-46B)和V7(参见图54A-54E)。通 过所公开的软式外装护具100由V3演进至V7，软式外装护具100的所 得刚度显著地且非线性地升高。

图54A-54E示出了根据本发明构思的至少一些方面的软式外装护具 (V7)的多个方面。在图54A-54E中的每一图中，使用了以下参考编号： (1)连接元件，如织带或绑带材料；(2)不可延展的织物；(3)连接至 护具腰部顶端、用于固定于穿戴者腰部周围的1”织带；(4)用于缆线和 小腿绑带织带的布线袋槽；(5)缆线(例如Bowden缆线)；(6)氨纶基 材；以及(7)Bowden缆线与软式外装护具间的连接的可滑动部分。总 的来说，图54A-54E的软式外装护具100包含两个腿部部分400和一个 环绕腰部的腰部附连件3。腰部附连件3与上文描述的腰带110(参见例 如图13)相似之处在于其是可调节的(例如在后方、侧方或前方调节)， 并具有对更高应力区域内的织物进行强化的织带。

在一方面，腰部附连件的第一片件织带由髂嵴顶部起在腿部两侧延 伸并跨越对侧腿，且第二片件织带在同一侧延伸包围髋部。在腰部附连 件3内或其上提供1”皮带(任选地由缝纫、绑带、环、子母扣或其它固 定手段而得以固定)，使得护具固定于腰部周围(例如松弛地固定，而软 式外装护具的其余部分张紧，在使用期间贴身固定等)。在一个实施方式 中，在护具前方提供襟口型(fly-type)开口(例如位于中心或偏离中心 处)，其中两侧可在此处容易地且稳固地连接(例如经由拉链、 钮扣等连接)或分离。基于的襟口型开口使得软式外装护具100 更好地适应于各种生理特点。整个腰部部分由以强化的、不能大 量伸展的织物构成。期望地将泡沫插入件置于骨盆的髂嵴区域上，从而 出于舒适的目的提供额外的衬垫。

如图54C右下图所示，腰部附连件3通过大片连接至裹腿 部分400，可将其与图54C的左下图相比较，其中左腿2的相同区段由 大片2连接。这一片位于大腿前方的大片不可伸展织物 2的上方。裹腿部分的其它部分由弹性氨纶材料6制成。这一结构防止当 向护具施加负载时大腿前端发生拉伸。宽的织物区域使负载在大腿上分 布，从而使位移和压强最小化。使用护具后方周围的氨纶将这一宽的织 物区域紧密贴合至大腿。氨纶处于拉伸状态，并将不可伸展的织物张紧 贴附于大腿，以防止其在软式外装护具运行期间发生移动。

在大腿前方附连至的还有两个连接元件(例如绑带)，所述 连接元件由大腿前方经膝部延伸至小腿后方(类似于图14A-14B中示出 的连接元件107)。这些连接元件的底部部分以参考编号1示于图54E中。 这些连接元件穿过软式外装护具侧部上的氨纶袋槽，所述袋槽由紧邻膝 部上方延伸至小腿底部。连接元件之间的袋槽底部的氨纶和皮肤帮助防 止连接元件对皮肤造成磨伤和擦伤。封入有连接元件的袋槽顶部的氨纶 用于使连接元件相对于腿部保持平伏，这可增强刚度，并防止连接元件 成为尖利物风险。大腿前方的附连件允许连接元件的有效长度发 生改变，从而使得护具对于不同高度的穿戴者而言是可调节的，并且将 护具张紧至适当水平。这一调节可通过绑带和带扣、系带(lacing)或任 何其它手段完成。

在另一结构中，并不使图54A-54E的连接元件1在袋槽中滑动，而 是将其缝入衣料中，形成织物的不可伸展部分。因此，软式外装护具100 通常包含氨纶衬底层，其中缝入不可伸展的织物区域以产生软式外装护 具不能拉伸的路径，从而可传递力。或者，软式外装护具可包含氨纶织 物，其中包括以不可伸展的纤维(被织入到织物中)增强的区域。

通常，可将裹腿400组合入单件裤子结构，所述结构由共同缝入传 统裤子形状的两条裹腿组成，所述缝入通过在顶部增加氨纶进行，其将 覆盖穿戴者的臀部和腹股沟区域。这一裤子结构将下行至腰部附连件结 构之下。

如图54E所示，在含有通向小腿后方的连接元件1的袋槽顶部或与 其相邻处，缝入了第二袋槽，其含有下行至小腿后方的Bowden缆线。

氨纶袋槽中使用的连接元件可例如在顶部和底部包含：2”宽的织带 绑带，从而提供相对于小腿的巨大表面积并使应变最小化；以及1”宽的 中间区段，其对应于膝部的位置。这一配置目前通过将不同宽度的织带 缝制在一起而实现，但此类结构也可通过制造定制纺制的织带片而获得。 织带在膝部周围逐渐缩窄至1”宽，以防止织带在膝部弯曲时向外大量突 出，例如在行走的摆动阶段内发生的膝部弯曲。若绑带从上至下均为2” 宽，则织带有时可能突出超过1cm，从而可能在行走期间与对侧腿产生 摩擦。

如图54E所示，Bowden缆线5附连至连接元件1，其由腿侧方经滑 动附连件向下延伸。在沿腿侧方向下之后、并且在延伸回至腿部之前， 连接元件通过金属滑扣形成环(织带搭扣)。这使得当向缆线施加力时， 对右侧和左侧的连接元件的长度进行均衡。通过这一滑动机构，Bowden 缆线5将沿连接元件1移动直至其抵达最小能量的位置，该位置趋向于 位于小腿中心，这是由于内侧缆线5的末端固定在足跟后方处。

图55A-55B示出了根据本发明构思的至少一些方面的软式外装护具 100的多个方面。图55A-55B的软式外装护具100向髋部屈伸提供适当 辅助，所述辅助通过使用Bowden缆线致动，以产生平行力来伴随髋部 屈伸而进行，其与图41A中示出的实施方式在构思上相类似。在本发明 构思的这一方面，软式外装护具包含腰带(1)、保持Bowden缆线远端 锚定点的大腿支具(2)、以及形成Bowden缆线近端锚定点的连接元件 (例如织带绑带)(3)、以及两个可拉伸的侧方连接元件(例如织带绑带) (4)，所述侧方连接元件位于腿的侧方，用于保持大腿支具的位置不致 下落。在图55A-55B中，腿部前方用于髋部屈曲的锚定点被标记为点5 和7，用于髋部伸展的锚定点被标记为点6和8，其位于腿部后方。分别 用于髋部屈曲和伸展的近端锚定点5、6位于髋关节正上方，而远端锚定 点7、8位于大腿支具2的上侧，其与5和6分别处于同一矢状面。

图55A和图55B也分别示出了相邻的细节图，显示Bowden缆线142 和负载传感器425的附连。Bowden缆线护套144连接至近端锚定点5、 6，且其间具有负载传感器425的内部缆线142附连至位于大腿支具120 上的远端锚定点7、8。为了对髋关节进行辅助，软式外装护具100通过 对Bowden缆线142进行致动来产生收缩力，使得所述锚定点5-8相互接 近，从而分别产生与髋屈肌和伸肌相平行的向上力。由于锚定点与髋部 旋转中心有着数厘米的距离，因此Bowden缆线142的收缩产生髋部屈 曲和伸展扭矩。通过在合适时机对Bowden缆线142实施致动，由软式 外装护具产生的扭矩与髋部肌肉相同步，从而在行走(或跑动)期间有 助于穿戴者的推进和摆动，并因此降低穿戴者的能量消耗，并改善代谢 功率。

图55A-55B中示出的大腿支具2在至少一些方面包含低伸展性棉纱 或其它低伸展性材料，所述棉纱或其它材料绕大腿卷绕并且以固 定。将四根低伸展性聚酯织带卷绕于所述低拉伸性棉纱外侧，从而为 Bowden缆线142形成两个远端锚定点，并且当对护具进行致动时将张力 分布在大腿支具2周围。将四根2”聚酯织带绑带缝入或以其它方式整合 入所述低拉伸性棉纱。当辅助髋部伸展时，这两根绑带由大腿绑带的后 方顶端起始，向前方对角卷绕使其交叉，并卷绕回后方，在后方使用 将其固定于彼此的顶端。可拉伸的侧方织带绑带为1”宽、18”长 的可拉伸棉纱，其在两端装有并连接腰带1与大腿支具2，从而 在护具未被致动时保持大腿支具就位。

图56A-56B示出了根据本发明构思的至少一些方面的软式外装护具 的腰带110的多个方面。在所示的实例中，腰带110包含背侧板9、两个 侧板10、以及两个对角连接元件(例如绑带、织带)11。腰带110设计 用于通过对角绑带将来自Bowden缆线142(图56A-56B中未示出)的 力分散至髂嵴以及腰部周围。当对Bowden缆线142进行致动时，腰带 110上向下的力起始于髋关节正上方的对角连接元件11处。由于这一配 置，由Bowden缆线142上的张力产生的正交力不会累加额外扭矩以影 响所期望的屈曲或伸展辅助，并且所述向下的力分散至4”英寸宽的腰带 110周围。

图57示出了根据本发明构思的至少一些方面的软式外装护具的另一 腰带110(V5)的多个方面。在图57中，标记示出了将力由右腿转移至 骨盆的组件。在这一版本中，对于各腿而言，一个连接元件5(例如织带 绑带)跨过骨盆前方附连至骨盆的对侧，并且一个连接元件2(例如织带 绑带)在腿的同侧卷绕于骨盆侧方。连接元件5终止于骨盆髂嵴顶部。 连接元件2在髂嵴下方绕髋部卷绕。随后将连接元件2、5两者连接至宽 的腰带110，所述腰带绕至人的后方并坐落于其腰背部和骨盆后方(参见 图58中的参考编号9、10、11，其在背侧具有类似结构)。这一配置使得 将高的力转移至腰部，这是由于骨盆顶部(跨越式绑带终止于此)起到 平台的作用，所述平台抵抗向下的力和侧向力(参见插页照片)。在同侧， 髋部是刚性的，其抵抗由卷绕在髋部侧方周围的绑带引起的向内的力。 由腰背部和骨盆背侧抵抗绑带的向下的力。

在另外的方面，另一连接元件系统将在同样的力作用下发生更少的 位移，这一系统将由图58所示的拓扑学而得以实现，图58与图57具有 同样的组件编号。图58示出了软式外装护具的又一腰带(V5)的多个方 面，并示出了腰带向右腿施加力的附连方式，其中上方一行示出了腰带 组件，下方一行示出了腰带组件相对于骨盆髂嵴的位置，其由照片中画 出的弧线示出。在图58中，除连接元件(例如织带绑带)2和5以外， 还增加了连接元件1和4，其形成V型形状，连接元件6将连接元件1 和4连接至连接元件2和5。连接元件1在骨盆同侧延伸至髂嵴上方，并 向其施加负载(如图所示为右侧)。连接元件4在骨盆对侧延伸至髂嵴上 方。随后经由连接元件6将连接元件1和连接元件4的接头处连接至连 接元件2和连接元件5的接头处。在这一结构中，连接元件1和4支撑 部分负载，而连接元件1在高的力下将滑过髂嵴侧方。然而，由于与连 接元件2和5相连接，这可用于提高能向骨盆施加的最大力，或可改善 附连至身体的刚度(由连接元件6底部下拉并记录所施加的力，将其与 该点所产生的位移相比而测得)。

为了在这些连接元件之间实现理想的负载分担，应设定连接元件1、 2、4、5和6之中的张力全部近似相等。或者，由于连接元件2和5比连 接元件1和4承担了更大的力，因此连接元件2和5中可具有比1和4 中更高的张力，或者连接元件6可被制成具有较低张力，从而连接元件2 和5需要发生轻微位移以略微拉紧。

图58中还将连接元件1和2之间的缺口标记为参考编号“3”。髂嵴 的主体由这一缺口处伸出。其由与连接元件1和2相连的氨纶拉伸材料 覆盖，尽管也可使其保留在未被织物覆盖的状态。所述材料为回弹的(例 如允许连接元件1和2在垂直方向上发生相对移动)，使得连接元件2的 向下运动不会将连接元件1拉过髂嵴边缘。图58还示出了由带扣8在前 方进行连接的腰带7。腰带7可用于拉动连接元件使其贴附至髂嵴，并在 拉紧连接元件时支撑整个结构。

通常，拉伸小于约20％、理想地拉伸小于约5％的织物可用于这些以 及其它附图中的任何连接元件的适当位置。

图59示出了根据本发明构思的至少一些方面的软式外装护具的又一 腰带110(V7.1)的多个方面。图59示出了一种腰带附连方式，所述附 连方式使用织物作为屈从性元件来平衡腰带中的力，其中上方一行示出 了腰带组件，下方一行示出了腰带组件相对于骨盆髂嵴的位置，其由照 片中画出的弧线示出。在图59的实例中，所使用的参考编号广泛引用了 图57-58中同一组件的编号。此处，连接元件2和5类似于图57-58中的 连接元件，其在身体对侧的髂嵴上方和身体同侧的髂嵴下方进行连接， 从而向腰带施加向下的力。此时，连接元件1、4和6已由织物代替，其 以比图58中的织带所覆盖的更多的表面积覆盖骨盆前方。并且，所述织 物比连接元件材料更具可伸展性。

在图59的这一实例中，当平行于纤维进行负载时，织物在300N的 负载下伸长5％，而连接元件材料(2”宽安全带织带)在300N的负载下 伸长0.2％。因此，当向元件6的底部施加向下的负载时，对于给定负载 而言，连接元件2和5将比织物1和4具有更小的位移。这意味着由于 其相对更高的屈从性，由元件1和4进行支持的力将低于由连接元件2 和5进行支持的力。这将使得护具易于调整，从而当穿戴者直立时，其 平顺贴附于穿戴者前方，并且力将自动分散于两个区段之间。通常，腰 带的结构可整个由同一种织物组成，其代价是更难以适当调整以获得密 切贴合。

图59的元件3包含氨纶织物。这一实施方式中不具有腰带，这是由 于所述织物足以覆盖腹部顶端部分并将腰带固定至骨盆。可任选地增加 腰带。通常，除了在图59中示出的元件(连接元件和织物)以外，也可 使用额外元件。可以放置连接元件或织物以连接至骨盆对侧的髂嵴下方。 例如，当连接元件5跨过人躯体中线后，其可以类似于“Y”型的方式分 裂为两个区段，其一延伸至髂嵴上方，另一者延伸至髂嵴下方。

在图59的实例中，腰带结构使得腰带原理可分别在每一腿上保持。 这将使得具有高的刚度，这是由于连接两片织物的固定件很可能引入屈 从性或滞后作用。要注意的是在本文公开的软式外装护具的任何方面， 软式外装护具可有利地配置为具有滞后作用。这可能是有用的，例如由 于致动器200可在拉起护具时(例如步态周期40％-50％内，这将需要快 速移动)移动以施加力，并可在随后(例如步态周期60％-80％内)更慢 地移动以回到初始位置。

对于图59的腰带的穿戴，图61给出了示意性说明。图61中左侧两 幅图像为软式外装护具坐落于右大腿上的部分，右侧两幅图像为软式外 装护具坐落于左大腿上的部分。在每种情况中，图像示出了护具在穿戴 时面向背向人体的一侧。为了穿戴软式外装护具，首先对护具在右大腿 上方支持向下的力的部分进行连接。通过滑扣(织带扣)将连接元件2 设置于连接元件4的末端，连接元件4在左侧髂嵴上方从身体左侧延伸。 随后使用将连接元件2固定回至自身。随后，对软式外装护具在 左大腿上承受力的部分进行连接。通过滑扣将连接元件3设置于连接元 件1的末端，连接元件1由身体右侧在右侧髂嵴上方延伸。随后使连接 元件3自身对折并使用固定。以这一方式，支持右腿的腰带结构 处于支持左腿的腰带结构下方，并且其并未在中间连接至彼此(尽管其 可进一步对腰部附连件进行固定)。在将装置附连至腰部周围后，使用位 于身体左侧的连接元件7和8、以及位于身体右侧的类似绑带和 附连件将其进一步张紧。图61中的连接元件7对应于图59中的 连接元件2。

图60示出了图59的腰带(V7.1)的多个方面，并示出了织物的纹 理方向。由双向箭头示出的方向为织物片相对不可伸长的方向。通过接 缝连接这些织物片，从而通过期望途径提供力的传递。已经确定这一纹 理方向的对齐以提供最高的刚度。通常，纺织织物具有经线方向和纬线 方向，其在织物设置在织机(loom)上时作为主轴。纺织织物倾向于沿 这些主轴相对不可伸长，并且沿与经线轴和纬线轴成45°旋转的一组轴相 对可伸长。因此，为了在腰带织物中产生高的刚度，如图所示缝制织物， 其中三片织物在不同方向上取向，从而使其最低伸展的轴(由箭头表示) 沿织物片将支持的力的路径方向取向。接缝可任选地以带子相连接，从 而提供额外的低伸展材料的线。

图62描述了根据本发明构思的至少一些方面的软式外装护具的多个 方面，所述软式外装护具被配置为对多个关节进行致动。在左图中，示 出了具有滑轮224的致动器200被配置为对多组Bowden缆线142进行 致动，从而向不同关节(例如踝部、髋部)分别提供辅助力。在右图中， 示出软式外装护具整合有传感器350来测量关节运动学。示例性的传感 器公开于WO 2013/044226 A2、WO 2012/103073 A2、WO 2012/050938 A2 和US 8,316,719 B2中，以引用的方式将其整体内容分别并入本文。此外， 本发明构思的任何方面可进一步整合其它主动控制的材料，例如但不限 于WO 2011/008934A2或WO 2013/033669 A2公开的材料，以引用的方 式将其整体内容分别并入本文。举例来说，根据所公开的任意方面的软 式外装护具可包含超弹性应变传感器，所述传感器位于例如踝部、膝部 和髋部的一处或多处(例如附连至各关节的双侧)，从而测量矢状面上的 人体生物学关节旋转。所获得的软式外装护具非常轻量，成本效率高， 并易于穿戴和脱却。

图63A-63B示出了根据本发明构思的至少一些方面的软式外装护具 的多个实例，所述软式外装护具被配置为对多个关节进行致动。这一软 式外装护具由弹性和不可伸展的织物或材料的组合形成，所述织物或材 料能够在下肢跨关节施加力。在所示的实例中的力通过收缩缆线而产生， 所述缆线具有在所述关节上方固定至护具的第一末端和固定于所述关节 下方的第二末端。如本文所述，所收缩的缆线(例如Bowden缆线)通 过软式外装护具的不可伸展性构件将力传递至各个锚定点，从而对负荷 进行承载。通过该配置，软式外装护具允许以有益的方式对多个关节同 时进行作用，所述作用使用如下所述的多滑轮和驱动箱。有利地，软式 外装护具包含传感器系统，其可对一个或多个关节、理想情况下对三个 关节(髋、膝、踝)的关节角进行测量。传感器可包括但不限于上述关 于图62的传感器，并包括任何相同类型或不同类型的能够测量关节角的 传感器。

尽管图62和63A-63B的实例涉及腿部，其中所关心的活动为行走或 跑动，然而本发明构思还包括除了行走或跑动以外的运动，以及除了腿 部以外的肢体(例如手臂)。相应地，多滑轮和驱动箱也可同样地(例如 对上述而言额外地)或替代地(与上述不同地)为手臂移动提供辅助。

图64A-64B示出了根据本发明构思的至少一些方面的软式外装护具 100的多滑轮的实例，所述软式外装护具被配置为对多个关节进行致动。 由图62和63A-63B的实例继续，通过单个驱动单元提供了多关节致动能 力，所述驱动单元被配置为对1-N个滑轮进行激活(其中N为整数)。 驱动单元包含适于直接或间接(例如通过一个或多个齿轮)驱动多个滑 轮的单个输入(例如轴)。对于彼此协力运行的关节如髋部屈曲和踝部屈 曲，可在同一时间激活两个滑轮。激活两个以上滑轮可经由换轮之间的 永久连接或可同时接合至一个或多个滑轮的选择器而实现。对于每一致 动点，滑轮可具有不同直径。滑轮直径的比将使得单一输入在可能具有 不同力和速度需求的每一关节处对致动器进行驱动。

图65示出了根据本发明构思的至少一些方面，软式外装护具的大腿 支具的后视图。所描述的大腿支具以任选的单片结构示出，其被配置为 不仅容纳不同的大腿尺寸，还提供位于膝部上方的校准点以允许紧固贴 合，也可配置为允许对于最优的圆锥形状匹配进行调节。位于大腿后方 的外侧挖空部分和最小化的高度促进移动和舒适度，并通过锥形接头处 提供的提供足够的固定作用。圆周上的调整较为简单：松开 附连件，按照期望将大腿支具张紧，同时保持大腿支具的一端不 动，并固定附连件。

图66示出了根据本发明构思的至少一些方面的软式外装护具100的 Bowden缆线末端点。如前所述，Bowden缆线致动器通过降低两个固定 点之间的距离而起作用。此处进行操作的固定点为附连至护具的点，并 且通过护具的力，这些点被固定至所作用的关节的上方和下方身体上。 这些固定的力在关节周围产生力矩。通过在髂嵴上方额状面前将Bowden 缆线的套管上部(1)固定至护具，并且在髂嵴下方将缆线(2)固定至 护具，产生了髋部屈曲力矩。当这一缆线通过位于腰带和大腿锥形截面 周围的不可伸展性织物发生收缩时，软式外装护具固定所产生的力。通 过在髂嵴上方额状面后方将Bowden缆线的套管上部(3)固定至软式外 装护具、并在髂嵴下方将缆线(4)固定至软式外装护具，产生髋部伸展 力矩。当这一缆线通过位于腰带和大腿锥形截面周围的不可伸展性织物 发生收缩时，软式外装护具固定所产生的力。通过在穿戴者的靴上方将 Bowden缆线的套管上部(5)固定至小腿处上的一点、并在穿戴者足跟 下方固定缆线(6)，产生踝部伸展力矩。当这一缆线通过位于腰带处的 不可伸展性织物发生收缩时，软式外装护具固定所产生的力。

图67A-67D示出了根据本发明构思的至少一些方面的软式外装护具 的致动器200的多个方面。举例来说，如图46A-46B以及图62所示，背 包负载的致动器是实施软式外装护具致动系统的一个有利方式。然而， 由于现有致动系统的尺寸和重量，当穿戴者需要迅速放下背包并离开时 该系统可能难以脱卸。当Bowden缆线固定至动力和驱动单元以及电连 接时，这可能对此类策略产生障碍。因此，在本发明构思的至少一些方 面，致动器200可包含快速释放的特征，从而允许快速除去将致动系统 连系至软式外装护具的系统部分。举例来说，如图67A-67D所示，配置 快速释放以允许由主驱动500件(以及动力箱)迅速脱却小的滑轮盒510。 滑轮盒510由具有Bowden缆线匹配特征的滑轮以及软式外装护具电连 接组成。因此，当穿戴者希望脱出背包时，他/她可简单地拉动附连至两 个固定插销的绳或插头/销栓，从而打开所述插销，使得所述滑轮盒脱出 驱动花键(drive spline)。也可采用其它传统快速松脱机构(QRM)来将 滑轮盒510可松脱地连接至主驱动件500。

根据图67A-67D，通过利用电动机单元500上的传动花键(其与盒 式滑轮上相应的匹配特征得以匹配)，有助于所公开的盒式滑轮510容易 脱卸的性质。大而薄的轴承进一步促进了对接合于驱动箱500的电动机 和盒式滑轮510之间的中央花键的利用。将盒式滑轮510保持至驱动箱 500的电动机的夹片(clips)可包括任何当打开时允许单元脱离的传统夹 片。目前优选弹簧夹片，但并非必须如此。另外，抵抗电动机扭矩的键 销(keying pins)或特征和/或对齐特征使得在各单元连接时将电动机功 率传递至滑轮。

使用接触式弹簧销(例如POGO销)使得在盒式滑轮510和驱动箱 500之间建立稳定的电连接，所述电连接允许在软式外装护具100和驱动 箱500之间具有双路信号和/或双路输电(例如可再生式输电)，而无需 永久性连接。当取下盒式滑轮510时，电连接暂时切断。对于将流体连 接或空气连接用于任何板载软式外装护具系统(例如致动系统等)的任 何软式外装护具，可实施类似的快速连接系统。盒式滑轮510一经取下， 无任何元件将软式外装护具的穿戴者连接至载有致动器200和/或相关系 统的背包(或腰包)，从而可无障碍地迅速移除背包。盒式滑轮510可以 手持、抛下以自由悬垂，或者在设置有所述小袋或口袋并且可用的情况 下，可迅速插入穿戴者衣物的小袋或口袋中(例如若软式外装护具穿在 衣物之下)或软式外装护具的小袋或口袋中。

图67A-67B的致动器另一任选但是有利的特征包括集成的可快速更 换的电池系统。这将允许迅速移除耗尽或不能充分充电的电池，并替换 为新的电池和/或将现有电池替换为更大或更小的电池，以改变软式外装 护具的运行范围(例如从而增加电池续航，降低系统重量，其中低容量 且较轻的电池满足任务特定目标或作业特定目标等)。图67C-67D示出了 由驱动箱500移除位于其下的电池箱，并进一步示出了从驱动箱取下的 盒式滑轮510。

如图所示，驱动箱500包含被动冷却系统(即，空气冷却)。尽管在 某些方面，适当地使用了冷却风扇来将电动机保持在合适的温度运行范 围，然而一些任务和运行条件也从空气冷却的冷却系统中受益。在这些 方面，电动机由放置于电动机表面上(例如电动器上半部分)的辐射鳍 片系统(例如经加工的铝件，其包含导热底座，所述底座向外伸出多个 鳍片)进行冷却，从而允许传导热从电动机传递至辐射鳍片系统的导热 底座和鳍片，其再以对流方式将热从鳍片传递至大气。这一鳍片系统具 有无声冷却的优点，并允许制成封闭设备。有利地，空气冷却系统是安 静的，降低致动器系统的总功率需求，并避免在致动器系统中存在开口， 否则废热将由冷却风扇(已省略)排出。

图68-70示出了对于根据本发明构思至少一些方面的软式外装护具 而言，可实施的控制方案的各个方面。此类控制方案是灵活的，可根据 需要调整用于具体护具和应用。举例来说，图68的软式外装护具100包 括多个超弹性应变传感器(例如WO 2013/04426 A2中公开的传感器)来 对护具刚度和压强进行测量。举例来说，此类超弹性应变传感器可包含 可伸展的硅酮橡胶(例如EcoFlex 0030、SmoothOn、PDMS、Dow Corning) 片，其上嵌有非毒性共晶镓-铟(eGaIn)的导电液体微通道，其中所述 通道的变形导致电阻相应于长度改变而产生变化(所述长度改变可转而 与关节旋转相关)。如图所示，将超弹性应变传感器设置为跨越踝部、膝 部和髋部，从而对所监测关节的角度变化进行测量。超弹性应变传感器 可与主动式护具的力的途径相平行设置，以便对实时护具变形进行测量， 如图68中所示。

控制系统能够经由人类运动模式检测算法或速查表、所感测的关节 运动(例如仅观察角度的绝对变化、观察角度相对于时间、速度和/或加 速度的变化等)来关联至多个预测活动之一，所述活动例如在水平表面 上行走、在向上斜面上行走、在向下斜面上行走、在水平表面上跑动、 在向上斜面上跑动、在向下斜面上跑动、走上楼梯、走下楼梯、蹲伏、 爬行、跳跃、跛行、相对而言更倾向于某一肢体等。基于这一运动数据， 控制系统可以：(1)将数据存储于本地物理存储媒介；(2)经由板载通 信系统将数据无线传输至另一本地或远程设备；(3)通过有线连接(例 如信号缆线)将数据传输至另一本地或远程设备，该设备为经由板载通 信系统的设备；和/或(4)使用数据提供实时力辅助控制，以使护具无 缝地适应于穿戴者的活动状态和环境状态。例如，若软式外装护具测得 的关节变形处于基于舒适度(例如使用者偏好)和/或护具机械性能考虑 而限定的阈值以上，控制系统可配置为自动降低辅助水平，直至这些变 形再次处于期望的操作区域。另外，软式外装护具可与主动式可穿戴外 骨骼组合使用。在此类实施方案中，测量数据可无线地或通过有线连接 传递至外骨骼的控制器，从而使外骨骼适应于辅助水平。此外，可使用 软式超弹性传感器来对穿戴者和软式外装护具之间交界处的任一点相关 的压强进行测量，这可用于基于舒适度考量来在线调整辅助水平。

若使用力传感器测量缆线中的张力(例如线内传感器)，则可将附加 控制方案用于软式外装护具。软式外装护具由于行走的生物力学而被动 产生张力。对于给定腿而言，这一张力在步态的15-35％左右时(这取决 于软式外装护具如何调整)开始出现，并随着腿部蹬离地面而上升。这 一上升的力可用作控制系统的输入，给出关于软式外装护具应在何时和/ 或如何(例如力曲线、出力时机等)致动的信息。

来自这一信息的一个控制方案包括：首先，将护具张紧至在平地行 走期间峰值力位于某一阈值量级的点(例如F_peak)。护具一经以此方式张 紧，则对缆线上的力进行监测，并可将其用于预测使用者位于或即将位 于步态周期的何处，这是由于缆线上的力可预测地在步态周期的同一点 处跨越所述阈值。与此相关，图77示出了描述在步态周期内对软式外装 护具100进行致动的时机以及两个状态下相对应的护具力的图：护具张 紧时(800)以及护具致动时(810)。张紧的图800表示护具已被设定为 一定长度，并且该长度在整个步态周期内保持固定。致动的图810表示 通过在踝部使用Bowden缆线等对其进行拉动，使得护具中的张力发生 改变。在图800中，护具中的张力在整个步态周期内由于关节的不同运 动而改变(如图9D所示)。图78示出了对于致动的实例810，缆线位置 和护具力的相对时机，尤其是描述步态周期内对软式外装护具进行致动 的时机(以步态周期的百分比表示)以及相应的护具力(图830)与缆线 位置关系(图820)的图。

在图77的图中，张紧的力在步态周期40％时跨过了50N，这可在多 步内重复。这一力出现于每一周期开始致动之前，因此可获取这一信息 而无需考虑是否对缆线进行了致动。因此，对于图77的实例而言，当控 制系统测得致动缆线中的力接近(或任选地等于或超过)阈值力F_thresh， 控制系统能够利用穿戴者在步态周期中的位置这一信息采取一个或多个 动作(例如立即进行致动或在一定延迟后进行致动)。例如，控制器可通 过观测连续两步内力跨越阈值之间的间隔时间(或在连续若干步之间观 测并取平均值)，来对人步态周期进行估测。

此外，根据阈值缆线力的大小和/或表现出跨越阈值力大小的标志这 一信息，控制器还可知晓此时人处于其步态的何处。例如，控制器可设 置为在步态周期40％时开始以位置受控的方式拉动缆线。在此情况下， 无论控制器何时检测出跨越对应于步态周期40％的阈值的力，控制器均 可立即开始拉动。或者，若控制器应在步态周期43％时开始以位置受控 的方式拉动，则控制器将使用步态周期时间来计算步态周期40％与步态 周期43％之间的延迟，并在补偿该计算机延迟后预测性地开始拉动。

此外，为了获得人处于其步态周期何处的更准确评价，控制器还可 对张力随时间的变化进行监测，并观察其跨越不同力阈值的若干个点。 通常，力对时间的曲线将根据人的行走速度而改变。力对时间曲线的斜 率也可用于估算人的行走速度(或步态周期)。所述斜率还可用于预测人 正处于步态周期的何处，这是由于峰值张力也是人的行走速度的函数， 其中随行走速度增加，张力降低。总的来说，可对控制器进行配置使其 进行如下估算：

(Current％InGait,GaitPeriod)＝f(CableForce(t),CableForce(t-1), …,CableForce(t-N))

其中f()为函数，N为用于追踪缆线力相对于时间的变化情况的样本 数。N可以小至1(使用两个样品来估算斜率)或大至100-1000，这取 决于力传感器的取样速率。为了对斜率进行准确估算，应在步态周期约 5-10％左右时对力进行检测。即，若步态周期为1秒，则为了估算斜率， 控制器应使用当前时间回算至比当前时间早0.05或0.1秒的样本。

更进一步地，除了使用位置曲线(步态％)将缆线(例如Bowden 缆线142)或多根缆线(例如用于多关节激活的软式外装护具)拉动(和 释放)，还存在着其它控制选项。电动机可以某些规定速度拉动，直至达 到某一峰值力为止。电动机也可进行拉动使得踝部的力遵循某些预定的 力的轨迹。电动机还可以某些规定速度拉动直至其检测到由于行走的生 物力学而造成的力的降低。与步态周期15-35％时如何因行走的生物力学 和软式外装护具改变长度而使得软式外装护具和缆线中的张力增加相类 似，在步态周期60-65％左右时由于身体结构导致软式外装护具放松也会 使得软式外装护具和缆线中的张力降低。尤其是，踝部在步态周期 60-65％时提起，并且膝部弯曲，使得软式外装护具变得松弛，即使是缆 线保持固定长度或正由电动机以中等速度或慢速拉动(从而长度减少) 时也是如此。由于生物力学而导致的这一力的减小可被用作应何时释放 并再次馈出(feed out)缆线的触发信号。在此时，应当以某一规定速度 或在某一力轨迹回复至标称张紧点之后释放缆线。

通常，张紧和释放缆线的过程可在力的轨迹、位置轨迹、速度轨迹、 以上轨迹的某些组合或其它方案之后进行。

如上所述，可使用可穿戴式应变传感器(例如超弹性应变传感器， 其包含液体金属导体、集成有非导电性可拉伸织物的导电性纤维等)或 其它类型传感器(例如由多个附连至不同肢体部分的回转仪/加速度计测 量的角速度、惯性系统等)，对人体生物学关节角进行实时测量，所述测 量可用于在执行日常任务或现场任务(field task)时通知软式外装护具和 /或辅助性外骨骼的控制系统，如图69中所示。一旦为穿戴者或与穿戴 者相类似的群体(例如解剖学上相似的群体)建立合适的基线，可将这 些应变传感器(或提供位置数据或其衍生数据的其它传感器)提供的信 息用于对不同人体运动进行分类，如行走、上或下台阶、在斜面上行走、 蹲伏、爬行、停止、跳跃等。当人在现实世界的应用(即，在实验室以 外)中穿戴可穿戴外骨骼或辅助装置时，对人体运动进行实时分析至关 重要。执行这些各种活动所需的辅助完全不同，对于行走而言工作良好 的策略可能在使用者进行同一任务的变型(斜面行走)或进行其它移动 时并不会对使用者产生有益作用，甚至可能使得使用者的运动失稳。根 据本发明构思的至少一些方面，使用集成于软式外装护具的传感器(例 如应变传感器、压力传感器、陀螺传感器、加速度计等)来对一个或多 个关节转动或肢体运动(例如髋部、膝部和/或踝部的转动)进行测量， 或用于允许对一个或多个关节转动或肢体运动进行确定，并将这一信息 与用于软式外装护具穿戴者的参考数据(例如穿戴者的基线数据)相比 较、或与和穿戴者具有类似特征的群体的参考数据相比较(例如速查表、 算法等)，以确定运动的运动学和/或其它特征。随后，软式外装护具的 控制系统可使用所确定的运动来影响板载系统(例如对单一关节类型的 致动时间和/或大小、对多个关节类型的致动时间和/或大小等)，或与本 地或远程外部系统(例如穿戴的外骨骼)间进行通信和/或对其产生影响。 从而，所获得的人体运动的分类可用于对状态机进行定义，所述状态机 实时更新以通知控制系统穿戴者正在执行何种运动。

此外，当将多个软式外装护具部署在多个使用者(例如一小队士兵) 之中时，将来自所述多个软式外装护具的运动数据实时通信至一个或多 个本地或远程外部系统，并对总体中的运动数据进行分析(单独分析或 与其它测量数据组合分析，所述其它测量数据例如每一穿戴者的位置数 据、呼吸作用、心率等)以测定群体的运动以及该运动的特征，推测与 期望值发生偏差的原因，并启动校正动作或接合至其它认为对该运动特 征作出合适响应的本地或远程系统。举例来说，若预计一小队士兵沿公 路行走，且所述士兵的GPS数据显示所述士兵移动至路的另一侧，仅靠 GPC数据并不能表明士兵是否正在沟渠内掩护还是仅是允许车辆通过。 然而，若将同一GPS数据与表明每一士兵迅速移动，且使用推定为俯伏 或半俯伏的姿态的信息相组合，该实时传递至远程控制系统的信息将自 动开始发出警报表明该小队可能已与敌方交火，并且附近资源的数据可 远程地或在战场内被自动传送至合适的决策者。从而，软式外装护具传 感器数据并不仅由单个使用者的软式外装护具控制系统加以利用，而且 可由外部(命令以及)控制系统加以使用，所述系统可利用来自单个通 道(例如一件软式外装护具)或多个通道(例如多个软式外装护具)的 输入数据作为控制。

根据上述传感器数据用途，该传感器数据还可用于向软式外装护具 控制系统提供关于使用者步态的信息，诸如步态阶段、速度和幅度。这 些参数将允许由适应的致动器200在行走期间将力曲线实时递送至使用 者的生物关节，从而获得提高的辅助效率。举例来说，对传感器数据的 这一利用可使得消除其它将变得不那么必要的传感器、诸如上述脚踏开 关传感器。

图70示出了一个示例性的高级控制架构的实例，所述高级控制架构 被调整为基于所检测的软式外装护具使用者运动来改变软式外装护具的 辅助。由于执行不同运动时各关节所需的辅助力完全不同，因此应将控 制系统配置为在不同的所考量的活动期间向使用者提供适当的辅助力。 在图70中，人体运动模式识别算法输出(例如与图68-69相关的以上概 述的内容)通知控制系统确定将递送至使用者的参考轨迹的力。人在执 行不同运动(如在倾斜地形上行走、跑动等)时，对其肢体的生物学阻 抗进行适应。实施使用力作为输入(F_Ref)的基于位置的导纳控制使得对 致动期间使用者感受到的实际阻抗(惯性、阻尼和刚度)(F_Suit)进行限 制，前提是内部位置控制回路对动力和摩擦分量进行补偿，如图70所示， 提供更天然和更有效的致动作用。人体运动模式识别将用于改变主动式 外骨骼的辅助力，并改变向使用者递送的有效阻抗。

图71A-77H示出了根据本发明构思的至少一些方面的软式外装护具 100的多个方面。与上述图29-43B中描述的致动器系统200相关，图 71A-71H中示出的致动器系统200显示出许多有益的改进(例如进一步 减少重量、提高可靠性等)。举例来说，四板式框架500的高刚度使其能 够降低壁厚度并省去更多材料，使得其本身重量为1.5kg。图71A-71H 中示出的致动器200还包含不同设计的下方滑轮510。尽管现有设计的下 方滑轮并不能绝对防止缆线阻塞，然而图71A-71H中示出的设计使得缆 线不可能发生阻塞。轮缘半径增加，并且作为引导结构的额外部件520 被添加至每一侧，例如通过直接设置至侧板，位于转动滑轮之间，仅具 有小的公差以防止织带由相邻的旋转部分之间脱出。作为另一增强措施， 还改变了负载传感器设计以允许使用高质量(例如低噪声)、市售的负载 传感器。如上所述，图71C的设计使用按钮式负载传感器530代替梁式 负载传感器。仅供参考，图71A-71H也在各个方面示出了相对于上述示 于图29-43B的同步滑轮271、滑轮225以及挖空部分402。

图71D-71H示出了上述具有致动器200的软式外装护具100的图片， 所述软式外装护具100被配置为使用大腿支具120和连接元件800提供 髋部致动。如图所示，致动器200包括两个致动器，每一致动器被配置 为对躯体特定侧面(左侧/右侧)进行致动。在图71H中，移除了致动器 200的左侧通道。

图72-74示出了软式护具600的数个可能的实施方案，所述软式护 具包括被动式系统，所述被动式系统被配置为对髋部屈曲和/或髋部伸展 进行支持。软式护具600和所公开的被动式系统可与本文所述的软式外 装护具100组合使用，或可整个单独地用作独立系统。此外，软式护具 600可有利地集成传感器，例如但并不限于多个超弹性应变传感器(诸如 WO 2013/044226 A2中公开的传感器)，从而对所检测的关节(例如髋部) 的角度变化进行测量，或对软式护具形变的改变进行测量。可将这一数 据和/或来自其它传感器的其它传感器数据输出至本地存储装置(例如固 态记忆装置)和/或无线传递至本地装置(例如经由蓝牙等传递)或远程 装置用于存储和/或处理。

现在来看图72(a)，被动式软式护具600为基于氨纶短裤的服装， 具有添加的材料以在服装中形成某些不可伸展性途径。在图72(a)中， 标记1为在右腿上提供力的不可伸展性织物，标记2为在左腿上提供力 的不可伸展性织物。元件3为弹性氨纶材料，沿不可伸展性织物的边缘 连接至(例如缝至)所述不可伸展性织物，或作为位于全部其它元件下 方的基底层提供。任选的元件4为允许软式护具600密切贴合于腰部周 围的弹性区域，而任选的元件5为允许软式护具600密切贴合于大腿周 围的弹性区域。任选元件4和任选元件5均可包含氨纶，或包含与氨纶 相比具有不同刚度和/或滞后作用的不同材料。若不包括图72(a)的元 件4和5，则不可伸展性织物1和2将在这些区域内彼此相连接。或者， 元件4、5可包含子母扣、钩子、拉链、基于鞋带或线的连缀 系统、或基于绑带的张紧系统、或各种其它闭合装置。重要之处在于， 这些区域使得软式护具600密切贴附于腰部和腿部周围。替代位于大腿 和腰部后方的元件4、5或在此之外，可使其位于软式护具上的各种其它 位置。例如，位于腰部侧方(代替元件4)、位于腹部前方的成角度绑带 上(代替元件4)、位于大腿前方不可伸展性织物形成“X”处、或位于 大腿侧方(代替元件5)、以及其它位置。任选地在软式护具600顶部周 围增加额外的腰带610。也可使用弹力、Velcro、连缀、或其它各种传统 固定方法将该腰带610固定至中心处。

类似地，不可伸展性织物元件1、2可包含各种材料，包括刚度高于 氨纶但仍具有弹性的织物。在这一情况下，将无需元件4、5，这是由于 整个软式护具600将拉伸和接触以平整地贴附于穿戴者。元件1、2所采 取的具体路径可遵循如前所述任何传递力的路径。例如，元件1、2可理 想地在身体对侧沿骨盆的髂嵴顶部延伸，而在身体同侧其可在髂嵴下方 卷绕于身体周围，或可具有分支，一枝通向髂嵴下方，一枝通向髂嵴上 方。当大腿向后伸展时，该软式护具600通过向前拉动大腿起作用，从 而在髋部产生扭矩，所述扭矩可帮助腿部返回至中立位置，所述中立位 置在穿上软式护具或随后移动所述软式护具时将受到软式护具600位置 影响。

图72(b)示出了图72(a)的软式护具600，其具有额外元件6， 所述额外元件6位于穿戴者大腿和腹部之间的折痕上方。这一元件6可 包含弹性材料，从而提供与元件1、2相连接的给定刚度，在此情况下使 其很大程度上具有不可延展性。增加弹性元件6将降低软式护具600的 刚度，从而对于给定的髋部角位移而言，在髋部周围提供较小的扭矩。 然而，增加弹性元件(其可包含橡胶、硅酮、不同类型的氨纶、数层氨 纶、弹性绑带、或其它材料)可减少整个系统的滞后作用，从而在腿部 偏转发生屈曲并随后再次向前移动时向穿戴者的腿部送回更多能量。

图73(a)示出了与72(b)中相类似的软式护具600，不同之处在 于图73(a)中描述的配置被设计用于辅助髋部伸展。在此情况下，若穿 戴者向前移动膝部，软式护具600将拉动大腿前方以尝试使大腿回到垂 直取向。这可以在多种情况下有用，例如当下坡行走时，此时髋部承受 升高量的扭矩。在此情况下，软式护具600可提供该力的一部分从而使 肌肉做更少的功。软式护具600的另一可能的用途将在于，在某人负有 沉重背包上坡行走时起到作用。在此情况下，在步态周期开始时，髋部 周围存在着巨大力矩，这是由于人将其整个身体重量和背包重量置于一 条腿上。若使用者穿戴适于辅助髋部伸展的软式护具600，其将仍需消耗 额外能量，从而在将腿置于地面之前使腿部抬起，但这一额外能量将被 用于拉伸所述护具(例如拉伸元件6，所述元件6位于臀部和大腿间的折 痕处)。当使用者一经将其足部置于地面，软式护具600可随后平行于其 臀肌施加力，允许臀肌在向上提举其重量以及其背包重量时的步态周期 部分内做更少的功。最后，图73(b)示出了同时适于辅助髋部屈曲和髋 部伸展的软式护具600系统，其通过将图72(a)和73(a)的系统进行 组合而得以实现。

图74示出了另一可能的实施方案，其中图72-73的软式护具600在 大腿前方包含弹性元件6，并且图74进一步描述了对护具在大腿前方的 长度进行调整的方法。在这一情况下，穿戴者可张紧或放松软式护具600 (例如通过将位于元件6顶部边缘的固定于软式护具前方更高处 或更低处来进行)以使其适合于偏好。在这一情况下，元件6将与下衬 的氨纶相分离，使得其可向上或向下移动，从而固定于软式护具600前 方的更高处或更低处。位于元件6顶端边缘处的不可伸展性织物将具有 补充手段来向下固定元件6。例如，元件6可在其顶部边缘具有朝向下方 的钩。不可伸展性织物下衬可具有朝向上方的环，其处 于离元件6的标称位置上方和下方一定距离处。图72和73中的元件4 和5也可具有这一结构。

对于图72A所示的软式外装护具600的实施方式，在正常行走期间， 髋部在步态30-70％附近发生伸展。最初时，髋部在步态周期30-50％吸 收功率，并随后在50-70％产生功率。当穿戴软式外装护具600的图 72A-72B的实施方式时，软式外装护具接管肌肉某些功能，在这一时间 段内吸收并产生功率。图73A中的软式外装护具600的实施方式可能部 分地有利于在多变地形(例如崎岖地形、爬山等)上移动，无论上坡还 是下坡均是如此。在上坡和下坡行走期间，髋部在伸展方向支持升高的 扭矩。对于下坡行走，图73A中的软式外装护具600将被动地向髋部提 供支持，以减少所需的肌肉活动。对于上坡行走，当足部置于地面上时， 图73中的软式外装护具600必须通过抬起膝部来进行预伸展。随后，护 具将与肌肉平行作用，从而减少身体所需的伸展扭矩。

尽管示出了图72-73中软式外装护具600的主要功能元件，然而也 可包括额外元件。例如，也可在所示区域以外(如延伸至腿部侧方)引 入功能性织物(例如不可伸展性织物、可拉伸织物等)。

再次回到上述软式外装护具100的实施方式，此类实施方式可有利 地用于各种不同应用，包括但不限于医学应用、体育或休闲应用、和/或 控制系统输入。对于医学应用，软式护具100提供成本效率高、易于使 用(例如易于穿上和脱却)、感觉舒适的护具，使得在康复治疗(例如中 风后康复、身体康复等)期间和之后改善患者预后(例如活动范围)的 评价，并可用于临床和/或在患者家中使用。所感测的数据(例如关节角、 推荐的重复理疗表现等)不仅可用于追踪进展以将其用作改变治疗方案 的输入值，也可用于(或可能需要用于)保证依从性，例如由健康保险 公司使用，所述健康保险公司寻求保证患者正尽力保证自身的良好状态。

根据软式护具100的至少一些方面，所感测的数据可有利地本地存 储至物理存储装置(例如固态存储器)，可将所述物理存储装置插入使用 者的家用计算机、无线设备、或家庭保健监控装置(例如数据记录装置 和/或无线通信装置)以进行记录和/或传输。在一些方面，软式护具100 传感器有利地与使用者的装置(例如智能手表、智能电话或平视显示设 备)联网(例如经由蓝牙或其它跳频扩频(FHSS)系统进行)。

回到软式护具100，特别是建立用于在正常行走和上坡/下坡行走期 间辅助髋部伸展的系统(参见，例如图71A-71H的软式外装护具)，图 75示出在水平行走期间的髋关节扭矩，其中，软式外装护具在步态周期 约0％至约25％之间致动，在步态周期约25％至约75％之间未致动，并 在步态周期约75％至约100％之间再次致动。正扭矩对应于髋部伸展(与 致动相关的曲线部分)，而负扭矩对应于髋部屈曲(与未致动相关的曲线 部分)。两个控制方案可用于提供该辅助，基于位置的控制和基于力和导 纳的控制。

对于基于位置的控制，在正常步态内，髋部伸展在足跟着地之前开 始。基于位置的控制方案需要将这一特征纳入考量。为了获得关于正常 步态期间的步频信息，使用脚踏开关来检测足跟着地。通过由前次足跟 着地的时间减去本次足跟着地的时间对单步时间进行测量。随后将这一 信息储存在缓冲区内，其随后包括步频。通过对缓冲区内储存的踏步数 据或由其衍生的数据进行平均，可通过将特定时间加至上一次足跟着地 事件来对下一次足跟着地进行预测。在该情况下，位置控制是指当系统 时间达到预测的下次足跟着地时间时，重放固定轨迹。为了使位置控制 器适应于不同速度，所述固定轨迹进行时标处理(time-scaled)，意味着 轨迹的峰从不变化，但电动机达到该最大值的时间可根据测得的步频而 改变。

图76示出了平地行走期间所记录数据的摘录，其描述了力曲线、电 动机位置和脚踏开关信号的曲线。由曲线705可以看出，电动机在发生 如曲线710所示的足跟着地前就开始旋转。通过重放经时标处理的电动 机轨迹，产生了对应的力，如曲线715所示。注意到该力为缆线中的力 而非实际髋部力矩。这种基于位置的控制的主要不利之处在于需对系统 进行至少轻度的预张紧，以允许轨迹重放以施加所需的力。否则，系统 将主要卷起松弛的缆线，从而导致施加的力较低。

对于基于力和导纳的控制，基于力的控制可有利地用于追踪髋部运 动。由于缆线中总是具有轻度(<5N)张力，因此控制器能够跟随髋部 运动，其消除了基于位置的控制的主要不利之处。由于基于位置的控制 对于施加的力矩和对于辅助使用者显示出良好结果，因此导纳控制被选 为系统的高级控制器。电动机仍是位置控制的，其形成内控制回路。通 过创建有效的位置控制器，可忽略类似于惯性和摩擦的实体系统性质。 通过增加外侧导纳控制回路，可对系统行为进行模拟并相应地成型为实 体系统。控制器设定点、期望值以及误差现在均成为该特定情况下的力。

为了遵循髋部伸展的正确扭矩曲线(参见图75)，首先使用脚踏开关 来对控制器进行同步。相同的原理也完全适用于位置控制器。通过使用 导纳控制器对髋部运动进行追踪，使得系统无需脚踏开关也可运行。脚 踏开关仅能提供足跟着地发生的时间。类似信息可通过对电动机编码器 进行读取并标记伸展转为屈曲的点而获得。通过获知该特定点，与使用 脚踏开关相同的原理也同样适用。如前所述，使用电动机编码器信号来 对髋部角度进行估测。尽管如此，并非必须获知准确角度，这是由于使 控制器与步态相同步所需的唯一信息为伸展与屈曲之间的转变。

尽管关于软式外装护具100和软式护具600的上述概念已根据基于 地面的应用进行了描述，所述应用通常适合于诸如行走、跑动或康复的 活动，然而所述软式外装护具和所述外装护具也适合于在潮湿或潜在的 潮湿环境中应用(例如越野滑雪、水肺式潜水等)，所述应用使用合适的 材料、附连件、以及适于所述活动的连接件。举例来说，软式外装护具 100和软式护具600可集成于潜水服中或紧身防水服中，且致动系统200 包裹于中性的浮力防水包中，从而使得潜水者可附连至空气罐。

在期望软式外装护具100或软式护具600与远程计算机或远程控制 系统(和/或指挥控制系统)通信的应用中，可有利地将可穿戴式天线集 成于软式外装护具100或软式护具600中，例如但不限于：Pharad (Hanover，MD)可穿戴式天线产品(适当选定频率和应用以用于所述 活动)或Patria(Helsinki，Finland)可洗式可穿戴天线。

其它实施方式也处于本发明的范围和精神之内。例如，由于软件的 性质，上述功能可使用软件、硬件、固件、硬接线以及上述内容的组合 而得以实现。实施功能的特征也可在物理上位于多个位置，包括进行分 配使得各部分功能在不同物理位置处实施。

根据本发明构思的至少一些方面，本文所公开的软式外装护具可有 利地具有足够的柔性和轻量性，以允许将所述软式外装护具穿戴于衣物 下方。在至少一些方面，将软式外装护具连接元件、节点和任选的锚定 点集成于可穿戴内衣中。

更进一步地，根据本发明构思的任何公开方面的软式外装护具100 可进一步配置，从而以无线方式与各种其它用户设备互动和/或通过有线 连接与各种其它用户设备互动。举例来说，软式外装护具100可包括适 于利用来自软式外装护具的电源进行供电的接口和连接件，所述接口和 连接件在有需要时(例如在Tier-1环境中操作时)，当软式外装护具中仍 有足够备用电力时，对一个或多个其它外部设备(例如通讯装置、夜视 眼镜、GPS设备等)进行供电。类似地，可设置接口和连接件以使得可 由外部源(例如车载电池、固定电池、手提太阳能电池、可穿戴太阳能 电池、组合有适合于电网电压/频率的适配器的交流电源输出等等)对软 式外装护具的电池系统进行充电。

图79示出了根据本发明构思至少一些方面的软式外装护具组件(此 处为鞋具附连元件)的实例，所述组件由软式材料(例如氯丁橡胶)制 成，包括触觉致动器(例如压电致动器、压电纤维、双压电晶片、非硬 质压电元件、电活性聚合物等)，用于向穿戴者提供输入。在至少一方面， 有利地将小型触觉致动器集成于软式外装护具100的一个或多个区域中 (例如任何由图54A中的织物覆盖之处、位于连接元件下方、位于大腿 支具120下方等)。这些触觉致动器对于随机共振(SR)效应而言可以是 亚阈值的(从而使人不会感觉到震动)或者是超阈值的(从而使人感觉 到震动)，并提供用户-机器接口，其能够通知用户穿戴者正在正确或错 误地做某事(例如正确地进行移动、错误地进行移动、接近预定限制、 超出预定限制、进行关节的最小所需运动等)。在图79的实例中，将具 有隔离外壳的压电致动器嵌入于织物袋槽内，所述袋槽位于踝部支具内 侧。绝缘电缆将附连的电子箱连接至所述压电致动器。

此类触觉致动器可作为人体平衡的反馈控制系统起作用。在这一反 馈回路中，外界刺激触发体内的感受器、机械感受器，从而将与该刺激 有关的信息发送至中枢神经系统，后者随后向肌肉发出信号。用于平衡 的机械感受器位于下肢的皮肤、肌肉、肌腱以及其它软组织。为了使感 觉神经元发送信号，刺激必须超出最低感觉阈，该最低感觉阈可伴随疲 劳或损伤而增加。特定的亚阈值水平噪音的存在有效降低了这一感觉阈， 并可用于提高信号识别与检测(SR)。因此，触觉装置无论是亚阈值或超 阈值的，均可增强软式外装护具100的穿戴者动静平衡活动的性能。

在本发明构思的至少一些方面，一个或多个软式外装护具组件可包 括内部线路(和/或任选的外部线路)，其包含可逆的胶粘剂(例如“壁 虎型”胶粘剂，其包含纳米尺度的表面特征，例如但不限于纳米聚合物 柱状阵列)。该可逆胶粘剂可促进将软式外装护具相对于躯体而言保持在 固定位置。或者可选择性地施加其它表面处理，以提高软式外装护具的 内部或外部表面性质。

图80示出了根据本发明构思至少一些方面的软式外装护具组件的实 例。所示的软式外装护具配置为在膝部周围提供伸展扭矩，并在踝部周 围提供跖屈扭矩，向髋部提供伸展扭矩。在下蹲或下坡行走时，踝部、 膝部和髋部在步态周期15-40％或15-60％内(取决于斜坡的陡度以及人 的步态)具有这些扭矩。在图80(a)中，显示软式外装护具100包括腰 带1，其包括延伸跨越臀部区域直至大腿顶部的襟部(flap)以及分别位 于大腿前方和胫骨前方的织物区域2、3。还显示软式外装护具100包括 作为附连件包围足部的元件4，其与图26A-26F中的元件130具有相同 功能，不同之处在于其与更多的足部区域相接触，使力更为均匀地分散。 织物区域2、3以位于其侧方的一段Bowden缆线护套为边界，所述护套 在腿外部(外侧方面)以粗线画出，并标记为元件5、6。腿的内部(内 侧方面)在元件2、3边缘处具有类似的护套，但在图80中并未示出。

缆线7将腰带1与足部附连件4进行连接，并穿过位于腿内部和外 部的这些缆线护套5、6。第二缆线(未示出)在腿内部从腰带1穿至踝 部。缆线7末端和位于织物区域2、3边缘处的护套5、6的定位使得缆 线在髋关节后方、膝关节(图80中标记为8)前方、以及踝关节后方延 伸。从而，若缆线7中存在张力，则在这些关节周围产生适当扭矩。缆 线7可包括弹簧或其它回弹或弹性材料，以允许额外的能量存储或吸收。 在图80(a)中，所示的系统为被动式系统，其中可在开始下坡行走之前 对缆线7进行张紧(例如手动张紧等)直至适当水平。随后可放松缆线7 以进行上坡或水平行走，或进行其它活动。

图80(b)示出了与图80(a)中相同的护具，不同之处在于额外增 加了另一段Bowden缆线护套9和致动器、离合器或阻尼单元10。致动 器可在步态周期中的适当时间点时(例如步态周期约15-40％之间)，在 缆线7中产生张力，从而增强软式外装护具在这些关节周围产生的力矩， 或一经检出穿戴者正下坡行走(例如通过一个或多个传感器向控制器提 供数据表明正进行下坡行走，所述数据包括但不限于加速度计数据、GPS 数据、足跟着地的力等)时，仅使张力增强至基准水平。或者，离合器 单元(例如10)可卷绕缆线7(例如在步态周期的一部分或大部分内以 低的力卷绕)，并在步态周期内的合适的点内使缆线保持就位以在护具中 产生力。在其它方面，该离合器单元(例如10)可配置为以轻量弹簧连 续卷绕所述缆线，并在随后若缆线7由于行走的生物力学而被拉出时， 所述离合器单元可向缆线施加阻尼力，从而在护具中产生瞬态力，这可 有利于使用者。

此外，尽管上述说明指的是本发明，然而上述说明也可包括多于一 个的发明。这些实施方式中的每一个以及其明显变体也被考虑为落入所 要求的发明的精神和范围之内，其中至少一些方面阐述于下述权利要求 之中。