[发明专利]用于外骨骼的工具保持臂的控制机构和方法

说明书

工具保持臂（405,505）包括多个连杆（409,410,509,510）和工具联接器（406,506），该工具联接器将工具（403,430,503）可移除地固定到工具保持臂（405,505）。第一流体弹簧（445,533,536）向工具保持臂（405,505）提供重力抵消力。锁定机构（422,450,552）选择性地锁定第一流体弹簧（445,533,536）。调节机构（520,550）选择性地调节由第一流体弹簧（445,533,536）提供的重力抵消力的量。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2016年1月20日提交的名为“用于改善人类外骨骼效用的装置”的美国临时专利申请序列号62/280,896的权益。该申请的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及这样的装置和方法，其增强穿戴者的承载能力和力量，从而在执行某些承受负载的或需要力量的任务期间提高表现并辅助防止受伤。更特别地，本发明涉及适合于从事沉重工具使用或承受重量的任务的人使用的控制机构和方法，特别是与外骨骼装置组合，该外骨骼装置加强了人的附肢的改善的活动功能，包括但不限于，赋予穿戴者臂更大的力量和耐力，并允许在较长时间段内使用沉重工具。

背景技术

可穿戴外骨骼已经被设计用于医疗、商业和军事应用。医疗外骨骼被设计成帮助恢复用户的移动性。商业和军事外骨骼帮助防止受伤并增强用户的力量。商业和军事外骨骼用于减轻在费力的活动期间由工人或士兵支撑的负载，从而防止受伤并增加工人或士兵的耐力和力量。

被设计用于身体强壮的穿戴者的外骨骼通常用于通过将工具或负载的重量通过外骨骼结构传递并且传递到地面中来改善穿戴者的耐力，从而减轻由穿戴者承受的重量。在一些情况下，工具保持外骨骼配备有支撑工具的重量的非拟人工具保持臂，通过提供工具保持辅助来减轻用户疲劳。工具保持臂通过外骨骼支撑的工具保持臂来传递而不是通过用户的臂和身体来传递保持工具所需要的竖直力。在其它情况下，外骨骼结构是大体上拟人的并且与用户的身体合作地起作用以通过这样来支撑工具重量的一些或全部：支撑穿戴者的臂的定位，并且然后将该工具重量围绕穿戴者的身体传递并传递到地面中。承受重量的外骨骼通过外骨骼的腿部而不是通过用户的腿部来传递外骨骼负载的重量。在一些情况下，承受重量的外骨骼被设计成承载特定负载，诸如，沉重的背包。在其它情况下，军用的承受重量的外骨骼支撑盔甲的重量。商用和军用的外骨骼能够具有增强外骨骼用户力量的被致动的关节，其中这些被致动的关节由外骨骼控制系统控制，并且其中外骨骼用户使用多个可能的输入装置中的任何来命令外骨骼控制系统。

在被提供动力的（powered）外骨骼中，外骨骼控制系统规定并控制外骨骼关节中的轨迹，引起外骨骼结构的运动，并且在一些情况下，引起由外骨骼支撑的工具的定位。这些控制轨迹能够被规定为基于位置、基于力或两种方法的组合，诸如，在阻抗控制器中见到的那些。能够通过修改规定的位置来直接修改基于位置的控制系统。基于力的控制系统也能够通过修改规定的力曲线来直接修改。随着外骨骼用户和外骨骼工具在比例上改变，各种调节的或定制的被提供动力的外骨骼将与每个用户在一定程度上不同地配合。外骨骼控制系统能够将外骨骼用户比例、外骨骼构造/定制、外骨骼用户配合、以及工具支撑方面中的这些差异考虑在内，以对规定的外骨骼轨迹进行改变。外骨骼用户能够通过与外骨骼控制系统进行通信来控制外骨骼轨迹的改变，所述通信使用各种装置来实现，包括但不限于身体压力传感器、操纵杆、触摸板、姿态传感器、语音传感器、和直接检测神经系统活动的传感器。

在无动力（unpowered）工具保持外骨骼中，外骨骼穿戴者提供用于移动外骨骼结构和任何被固定的工具的力，其中外骨骼通过在某些位置中支撑工具的重量来辅助穿戴者，辅助某些工具或外骨骼运动，以及将工具的重量围绕穿戴者身体传递、传递通过外骨骼的腿部结构并传递到支撑表面中。