[发明专利]用于加强人的外骨骼的臂的装置及方法

说明书

一种外骨骼(251)包括联接至穿戴者(250)的臂(200)的臂支架(230)和连接至臂支架(230)的拉伸部件(257,258)。促动器(285)将拉力施加在拉伸部件(257,258)上。拉力减小了臂支架(230)与促动器(285)之间的拉伸部件(257,258)的长度，并且使穿戴者(250)的臂(200)在肘部(202)处弯曲。

相关申请的交叉引用

本申请要求享有2016年3月18日提交的且标题为“Devices for Strengthening theArms of Human Exoskeletons”的美国临时申请第62/310352号的权益。该申请的全部内容通过引用并入本文中。

政府许可权利

本发明在美国特种作战司令部授予的合同H92222-15-C-0040下利用政府支持完成。政府拥有本发明中的某些权利。

技术领域

本发明涉及增强穿戴者的承载能力和强度、提高性能并且有助于在某些承重或有强度要求的任务的执行期间防止受伤的装置及方法。更具体而言，本发明涉及适合于由从事重型工具使用或负重任务的人使用的装置，装置各自包括一组假肢、关节以及相关的控制系统，其加强了人的附肢的改进功能，以用于活动，包括但不限于在穿戴者的臂中赋予更大的力量和耐力，以及允许在很长一段时间内使用重型工具。

背景技术

可穿戴外骨骼为医疗、商业以及军事应用设计。医疗外骨骼设计成帮助恢复使用者的移动性。商业和军事外骨骼用于减轻在剧烈活动期间由工人或士兵支撑的负载，由此防止受伤并且增加这些使用者的力量和耐力。

在动力化外骨骼中，外骨骼控制系统规定和控制外骨骼的关节中的轨迹，导致外骨骼的结构的移动，并且在一些情况下，导致由外骨骼支撑的工具的定位。这些控制轨迹可规定为基于位置的方法、基于力的方法，或两种方法的组合，如在阻抗控制器中看见的那些。基于位置的控制系统可通过对规定的位置的修改来直接地修改。基于力的控制系统也可通过对规定的力曲线的修改来直接地修改。由于外骨骼使用者在比例方面有差异，各种调整或定制的动力化外骨骼将略有不同地配合各个使用者。外骨骼控制系统应当考虑在外骨骼使用者比例、外骨骼构造/定制以及外骨骼使用者配合方面的这些差异，以对规定的外骨骼轨迹进行改变。外骨骼使用者可通过经由各种手段与外骨骼控制系统通信来控制外骨骼轨迹的变化，包括但不限于体压传感器、操纵杆、触摸板、手势传感器、语音传感器，以及直接检测神经系统活动的传感器。

虽然外骨骼控制系统将轨迹分配给动力化外骨骼的关节，并且控制这些关节的位置，但是施加于动力化外骨骼关节的实际力由促动器施加。这些促动器可采用多种形式(如本领域中已知的那样)，它们在各种应用中各自具有优点和缺点。在当前的外骨骼中，将力施加在关节上的促动器典型地包括位于该关节近侧的电马达。促动器与关节的协同定位在机械和设计简单性方面具有优势，但是其也具有某些缺点。这些缺点之中最重要的是，将笨重的电马达添加至关节增加了关节的体积，从而限制关节和外骨骼在某些环境中的可操作性。相比之下，考虑人的手指：将力施加在手指关节上的肌肉组织不位于手指关节附近而是位于前臂，其中肌肉收缩拉动肌腱，该肌腱使该力中继越过距离至关节。这具有使手指的体积最小化的优点，从而允许更大的灵活性和手指彼此的更紧密放置两者。此外，与将配合在手指上的相比较，更多的肌肉可位于臂上，从而允许更大的力量。在美国专利第4843921号中描述的一种机械促动装置使用驱动机构，其中电马达在绳索环上扭转，其中该绳索环形成螺旋结构并且在其扭转时缩短，从而将绳索环的两个端部拉动得更靠近一起。以该方式，电马达的激活用于通过绳索环越过距离施加拉力。这允许驱动关节移动的马达位于关节远侧的位置处的设计。