[发明专利]用于重型工具支承和使用的人体外骨骼装置

说明书

一种外骨骼(101,901)包括用于将外骨骼(101,901)联接到穿戴者(100,900)上的束带。外骨骼(101,901)还包括臀部结构(108,908)、可旋转地连接到臀部结构(108,908)上的大腿连结件(113,913)以及可旋转地连接到大腿连结件(113,913)上的胫部连结件(115,915)。外骨骼(113,913)的重量通过臀部结构(108,908)、大腿连结件(113,913)和胫部连结件(115,915)转移到外骨骼(101,901)立在其上的表面(118,918)。臂支架(922)支承穿戴者(100,900)的臂(923)，且伸缩连结件(910)可旋转地连接到臂支架(922)上。储能装置(123)通过线管(121)将动力输送至工具(103,903)，且线管‑储能装置联接部(122)将线管(121)连接到储能装置(123)上。

相关申请的交叉引用

本申请要求享有2015年10月30日提交的且题为“用于重型工具支承和使用的人体外骨骼装置”的美国临时申请No.62/248,677的权益。该申请的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及增强穿戴者的承载能力和力量、提高性能且在执行某些承受负载或需要力量的任务期间有助于防止受伤的装置及方法。更具体而言，本发明涉及适合由从事重型工具使用或负重任务的人使用的结合了一组假肢、关节和相关的控制系统的装置，其提高了人的附肢在活动中的功能改进，包括但不限于穿戴者腿部的更大力量和耐力、允许穿戴者在行走时和在执行相同的工作任务时承受更大重量。

背景技术

可穿戴式外骨骼被设计用于医疗、商业和军事应用。医用外骨骼设计成帮助恢复使用者的活动性。商用和军用外骨骼有助于防止受伤和增强使用者的力量。商用和军用外骨骼用于在工作人员或士兵剧烈活动期间减轻由他们承受的负载，从而防止受伤并提高其耐力和力量。

设计成由健全的穿戴者使用的外骨骼通常用来通过使工具或负载的重量转移通过外骨骼结构并转移到地面中来改进穿戴者的耐力，从而减小由穿戴者承受的重量。在一些情况下，支持工具的外骨骼配备有非拟人化支持工具的臂，其支承工具的重量，通过提供支持工具协助来减轻使用者的疲劳。支持工具的臂将支持工具所需的竖向力转移通过外骨骼支承的支持工具的臂，而非通过使用者的臂和身体。在其它情况下，外骨骼结构大体上是拟人化的，且与使用者身体一前一后作用以通过支承穿戴者的臂的定位且然后将该工具重量转移到穿戴者的身体周围并转移到地面中来支承一些或全部工具重量。承重外骨骼将外骨骼负载的重量转移通过外骨骼的腿部，而非通过使用者的腿部。在一些情况下，承重外骨骼设计成承载特定负载，诸如沉重的背囊。在其它情况下，军用承重外骨骼支承防弹衣的重量。商用和军用外骨骼可具有受促动的关节，其增强外骨骼使用者的力量，其中这些受促动的关节由外骨骼控制系统控制，且其中外骨骼使用者使用任何多种可行的输入器件来对外骨骼控制系统下达命令。

在动力外骨骼中，外骨骼控制系统指示和控制外骨骼的关节中的轨迹，导致外骨骼的结构移动，且在一些情况下导致由外骨骼支承的工具的定位。这些控制轨迹可被指示为基于位置的、基于力的或两种方法的组合，诸如阻抗控制器中看到的那些。基于位置的控制系统可通过指示位置的修改而直接地被修改。基于力的控制系统也可通过指示的力简况的修改而直接地被修改。由于外骨骼使用者和外骨骼工具按比例而不同，故各种调整或定制的动力外骨骼将略微不同地配合每位使用者，需要外骨骼控制系统考虑到导致指示的外骨骼轨迹变化的外骨骼使用者比例、外骨骼构造/定制、外骨骼使用者适合度和工具支承中的这些差异。外骨骼使用者可通过通过多种器件与外骨骼控制系统的通信来控制外骨骼轨迹的变化，包括但不限于身体压力传感器、操纵杆、触摸垫、姿势传感器、语音传感器或直接地检测神经系统活动的传感器。