用于加强人的外骨骼的臂的装置及方法制造方法及图纸

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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于加强人的外骨骼的臂的装置及方法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“DevicesforStrengtheningtheArmsofHumanExoskeletons”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。政府许可权利本专利技术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。政府拥有本专利技术中的某些权利。
本专利技术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，本专利技术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。
技术介绍
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。现代士兵将大量的重量随着他们带入战斗行动，包括装备、弹药以及防弹衣。在最近的冲突中，美国步兵实际上承载比全副铠装和武装的中世纪骑士所承受的更多的重量。该承载重量的增加导致许多问题，包括速度降低和受伤风险增加(包括膝盖和背部受伤)，以及从俯卧位站立、爬过物体以及从车辆上拆卸的困难。外骨骼装置(动力化和未动力化两者)有助于解决与在重量增加的情况下行走有关的问题—允许更大的承载能力并且降低受伤风险。然而，使臂的力量增加由许多因素复杂化，包括人的肩部和腕关节的复杂性，以及在战斗中对实质性臂灵活性的需要，这些因素将由附连于臂和肩部的笨重促动器阻碍。此外，重型机器人臂将仅增加士兵(和外骨骼)的重量，导致附加的问题，包括与能量消耗和速度有关的权衡。鉴于上述情况，存在如下未满足的需求：提供允许外骨骼向人的臂的移动供以动力的装置，其中该装置以如下方式提供动力，以便不约束肩部处的精细运动。对于不限制臂灵活性的向人的臂的移动供以动力的装置而言，并且更具体而言，对于不将实质性重量或体积添加至臂的装置而言，还存在未满足的需求。
技术实现思路
在本文中公开的是允许在肘关节处对人的臂供以动力的装置，从而允许由这些装置的穿戴者在肘部的屈曲和伸展两者时增加力量，其中向这些装置供以动力的马达位于臂外，并且其中力通过拉伸部件传递至臂。包括附加的装置，其协助在肘部处被供以动力的臂的穿戴者攀爬和提起某些物体。本专利技术的主要目的在于提供一种装置，该装置允许力施加于穿戴该装置的人的臂，从而在该人的肘部处屈曲和伸展时提高人的力量。本专利技术的附加目的在于该装置使重量和体积最小化，特别是在穿戴者的臂上，并且该装置使穿戴该装置的人的灵活性的阻抗最小化。本专利技术的附加目的在于提供一种装置，该装置允许穿戴者的手/臂中承载的物体的重量得到补偿和支撑，从而允许穿戴者在较小疲劳的情况下稳定地保持重物且达很长一段时间。本专利技术的附加目的在于提供一种装置，该装置允许赋予在装置的穿戴者之上的增强的臂力量来以如下方式有效地围绕穿戴者的手转移，以便使附加力的施加最大化，以加强由穿戴者的攀爬或类似活动。动力至外骨骼臂(特别是用于在军事或紧急应答者应用中使用的外骨骼臂)的施加由在这些应用中对灵活性的需要而变得复杂。人的肩部的复杂性提出了特殊的问题，因为将该关节的柔性与笨重的机械臂相匹配为非常困难的。与肩部不同，肘部为相对简单的关节，在单个旋转点之上大体上仅具有双向(屈曲和伸展)。本专利技术力图将动力提供至肘部，而无需在肘部上安装马达或促动器，并且无需在肘部与肩部关节之间刚性地连接外骨骼结构。在生物力学上，人的骨骼用作压缩部件，并且肌肉经由肌腱跨过关节对这些骨骼施加力，该肌腱传递来自肌肉的力。向手指供以动力的肌肉位于前臂中，而向肘部供以动力的肌肉在上臂中，从而允许身体的远侧部分的重量更轻，肢体的重量分布更好，并且四肢的灵活性更高。开发构思和原型，以利用外骨骼来将力提供至人的关节，而不需要外骨骼结构刚性地连接至被供以动力的关节，其中由外骨骼施加在关节之上的力由拉伸部件转移，并且其中人的肢体中的骨骼用作压缩部件(代替外骨骼结构)。进一步开发构思和原型，以借助于附连于人的上臂和前臂的矫形支架来将力施加于人的肘部，其中支架的前臂和上臂部分可旋转地连接，其中来自前臂的延伸部在肘部处的旋转中心后面延伸，其中附连于该前臂延伸部的拉伸部件连接至胸部安装的马达或绞盘，并且其中该绞盘能够缩短拉伸部件的长度，从而导致臂的伸展。进一步开发构思和原型，以借助于附连于人的上臂和前臂的矫形支架来将力施加于人的臂，其中支架的前臂和上臂部分可旋转地连接，其中一个或更多个拉伸部件附连于腕部附近的支架的前臂和/或上臂部分，其中这些拉伸部件布线穿过肩部引导件并且至背部安装的绞盘或弹簧，并且其中该绞盘或弹簧能够将力施加于拉伸部件，从而导致臂和由臂支撑的物体的支撑。进一步开发构思和原型，以将手套附连于前臂支架，其中该手套在手掌上本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种外骨骼，包括：臂支架，其构造成联接至穿戴者的臂的肘部并且跨过所述穿戴者的臂的肘部延伸；拉伸部件，其连接至所述臂支架；以及促动器，其构造成将拉力施加在所述拉伸部件上，其中所述拉力减小所述臂支架与所述促动器之间的所述拉伸部件的长度，并且使所述穿戴者的臂在所述肘部处弯曲。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.03.18 US 62/3103521.一种外骨骼，包括：臂支架，其构造成联接至穿戴者的臂的肘部并且跨过所述穿戴者的臂的肘部延伸；拉伸部件，其连接至所述臂支架；以及促动器，其构造成将拉力施加在所述拉伸部件上，其中所述拉力减小所述臂支架与所述促动器之间的所述拉伸部件的长度，并且使所述穿戴者的臂在所述肘部处弯曲。2.根据权利要求1所述的外骨骼，还包括联接至所述臂支架的手套。3.根据权利要求2所述的外骨骼，其中，所述手套包括非弹性手掌结构。4.根据权利要求2所述的外骨骼，还包括：第一带，其将所述手套连接至所述臂支架；以及第二带，其将所述手套连接至所述臂支架。5.根据权利要求1所述的外骨骼，其中：所述臂支架包括上臂支架，所述上臂支架构造成联接至所述穿戴者的上臂；所述臂支架还包括前臂支架，所述前臂支架构造成联接至所述穿戴者的前臂；以及所述拉伸部件连接至所述前臂支架。6.根据权利要求1所述的外骨骼，其中：所述臂支架包括上臂支架，所述上臂支架构造成联接至所述穿戴者的上臂；所述臂支架还包括前臂支架，所述前臂支架构造成联接至所述穿戴者的前臂；以及所述拉伸部件连接至所述上臂支架。7.根据权利要求6所述的外骨骼，其中，所述前臂支架包括肘部支撑件和连接至所述肘部支撑件的滑轮，并且所述拉伸部件布线穿过所述滑轮。8.根据权利要求1所述的外骨骼，还包括躯干支架，所述躯干支架构造成联接至所述穿戴者的躯干，其中所述促动器联接至所述躯干支架。9.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：R安戈尔德，N弗勒明，E罗杰斯，B耶格，C帕雷蒂奇，
申请(专利权)人：埃克苏仿生公司，
类型：发明
国别省市：美国,US