用于人类外骨骼的通用张拉整体关节的制作方法

相关申请案交叉参考

本申请案主张2015年7月17日提出申请且标题为“用于人类外骨骼的通用拉伸关节”的第62/193,919号美国临时申请案的权益。本申请案的全部内容以引用方式并入本文中。

政府许可权利

本发明依据由美国特别行动指挥处颁发的合同h92222-15-c-0025在政府支持下制成。政府拥有本发明的某些权利。

本发明涉及一种在执行某些承重或需要力量的任务期间增大用户的承载能力及力量、增加性能且帮助防止损伤的装置及方法。更特定来说，本发明涉及一种适合于由从事重型工具使用或承重任务的人使用的装置，所述装置包括加强用户的附肢的经改进功能从而允许用户在行走时携载更多重量的一组假肢及相关控制系统，所述功能包含但不限于用户的腿的较大力量及耐力。

背景技术：

可穿戴外骨骼已经设计用于医疗、商业及军事应用。医疗外骨骼经设计以帮助恢复用户的移动性。商业及军事外骨骼通过在剧烈活动期间减轻由工人或士兵支撑的负载而帮助防止损伤且增大用户的体力及力量。经设计以供健全用户使用的外骨骼通常用于通过以下方式改进用户的体力：通过外骨骼结构转移工具或负载的重量且将所述重量转移到地面，因此减小用户所承载的重量。为使外骨骼将此重量转移到地面，外骨骼重量与地面之间的每一外骨骼支撑部件及外骨骼关节必须能够用作围绕用户的此力的导管。此需要一刚度(当前外骨骼的关节中所见)，所述刚度可限制一些外骨骼关节的运动范围。通过限制这些关节处的灵活性，降低外骨骼的移动性及可操作性，借此限制外骨骼在某些应用中的有用性。此为被动承重外骨骼及动力外骨骼两者中的问题。在动力外骨骼的情形中，致动器及例如电池的电力系统的重量必须也由外骨骼的结构及关节承载。

当前外骨骼设计依赖于非柔性压缩部件来支撑外骨骼结构的重量，其中外骨骼关节由以固定距离(所述距离为关节自身)连接两个刚性部件且通过压缩承载重量的旋转或枢转组件组成。此极大地限制一个刚性外骨骼部件相对于邻接外骨骼部件的自由度。虽然例如膝盖的一些外骨骼关节仅需要在所连接刚性部件之间具有固定距离的情况下在单个平面中的旋转，但例如髋关节及踝关节等其它关节通过在两个或多于两个平面中的旋转以及平移而更好地起作用。作为外骨骼关节的有限运动范围的后果的一个实例，当前外骨骼脚踝不能够进行任何显著外翻或内翻运动。因此，外骨骼脚的底部无法补偿冠状平面中的斜率，从而使当前外骨骼不能够在许多类型的地形上行走。作为另一实例，外骨骼踝关节及髋关节不能(或不太能)在横向平面中旋转使让行走及站立外骨骼转弯为困难的。具体来说关于髋关节，虽然人类髋部为不需要平移的球形及球窝关节，但外骨骼髋关节必须围绕人类髋部通过。由于外骨骼髋部无法与人类髋关节旋转的中心共处，因此关于外骨骼髋关节的平移允许外骨骼穿戴者在髋部处的灵活性极大地改进(尤其在例如内旋及外旋或者旋转与内收、外展、伸展或屈曲的组合的移动中)。此经改进灵活性将非常有利于在高度动态环境中穿戴外骨骼(例如体育活动或作战情景中所见)。

由于外骨骼关节中的受限运动范围对外骨骼使用强加的限制，因此此项技术中需要开发允许承重外骨骼关节的经改进灵活性的装置。此项技术中还需要开发低重量的此类装置。

技术实现要素：

本文中揭示允许承重外骨骼关节中极大地经改进的灵活性的装置及方法。除在一定范围的移动及地形条件下增强外骨骼关节的灵活性且允许经改进外骨骼移动性以外，这些装置及方法还具有与经减小外骨骼重量及经改进的到外骨骼用户的外骨骼装配有关的额外益处。

特定来说，本发明针对于一种经配置以耦合到外骨骼的穿戴者的外骨骼，所述外骨骼包含第一压缩部件及第二压缩部件。张拉整体关节将所述第一压缩部件连接到所述第二压缩部件，所述关节包含具有第一端及第二端的拉伸部件。所述第一端在所述关节的第一侧上耦合到所述第一压缩部件，且所述第二端在所述关节的与所述第一侧相对的第二侧上耦合到所述第一压缩部件。优选地，所述关节进一步包含拉伸部件导引件，所述拉伸部件穿过所述拉伸部件导引件。

在一个实施例中，所述第一端及所述第二端中的每一者直接耦合到所述第一压缩部件。在另一实施例中，所述第一端直接耦合到第一支撑件，所述第二端直接耦合到第二支撑件且所述第一支撑件及所述第二支撑件中的每一者直接耦合到所述第一压缩部件。

所述关节进一步包含位于所述关节的所述第一侧上的第一滑轮及位于所述关节的所述第二侧上的第二滑轮。所述第一滑轮及所述第二滑轮中的每一者连接到所述第二压缩部件。在一个实施例中，所述第一滑轮及所述第二滑轮中的每一者直接耦合到所述第二压缩部件。在另一实施例中，所述第一滑轮直接耦合到第一支撑件，所述第二滑轮直接耦合到第二支撑件且所述第一支撑件及所述第二支撑件中的每一者直接耦合到所述第二压缩部件。

在一个实施例中，所述关节为踝关节，且所述第一压缩部件及所述第二压缩部件中的一者为下部腿支撑件。所述第一压缩部件及所述第二压缩部件中的另一者为靴子支撑件。在另一实施例中，所述关节为腹部关节，且所述第一压缩部件及所述第二压缩部件中的一者为躯干支撑件。所述第一压缩部件及所述第二压缩部件中的另一者为腰部支撑件。在又一实施例中，所述关节为髋关节，且所述第一压缩部件及所述第二压缩部件中的一者为腰部支撑件。所述第一压缩部件及所述第二压缩部件中的另一者为上部腿支撑件。

在一个实施例中，所述关节构成第一张拉整体关节。所述外骨骼进一步包含经配置以耦合到所述穿戴者的第三压缩部件及将所述第二压缩部件连接到所述第三压缩部件的第二张拉整体关节。所述第二张拉整体关节包含具有第一端及第二端的拉伸部件。所述第一端在所述第二张拉整体关节的第一侧上耦合到所述第二压缩部件，且所述第二端在所述第二张拉整体关节的与所述第一侧相对的第二侧上耦合到所述第二压缩部件。

依据连同图式一起进行的对本发明的优选实施例的以下详细描述将更容易地明了本发明的额外目标、特征及优点，其中在数个视图中相似元件符号是指共同零件。

附图说明

图1a是根据本发明的第一实施例构造的简化外骨骼关节的透视图；

图1b是包含额外拉伸部件导引件的第一实施例的外骨骼关节的透视图；

图1c是具有不止一个关节链接的第一实施例的外骨骼关节的透视图；

图1d是在装置的一部分经切除以便允许装置耦合到人的情况下第一实施例的外骨骼关节的透视图；

图2a是根据本发明的第二实施例构造的外骨骼踝关节的侧视图；

图2b是在踝关节的一部分经移除以展示在下部腿支撑件的内部上的滑轮的情况下第二实施例的外骨骼踝关节的侧视图；

图2c是在脚踝经展示处于中立位置中的情况下第二实施例的外骨骼踝关节的正视图；

图2d是在脚踝经展示处于内翻中的情况下第二实施例的外骨骼踝关节的正视图；

图2e是在脚踝经展示处于内翻中的情况下第二实施例的外骨骼踝关节的正视图；

图2f是在脚踝及腿经展示处于中立位置中的情况下第二实施例的外骨骼踝关节的俯视图示；

图2g是在脚踝及腿经展示处于内旋中的情况下第二实施例的外骨骼踝关节的俯视图示；

图2h是在脚踝及腿经展示处于外旋中的情况下第二实施例的外骨骼踝关节的俯视图示；

图3a是人与外骨骼的侧视图，所述外骨骼具有根据本发明的第三实施例构造的躯干与腹部关节；

图3b是在躯干经展示处于中立位置中的情况下第三实施例的外骨骼躯干与腹部关节的俯视图示；

图3c是在躯干经展示为相对于腹部向右旋转的情况下第三实施例的外骨骼躯干与腹部关节的俯视图示；

图3d是在躯干经展示为相对于腹部向左旋转的情况下第三实施例的外骨骼躯干与腹部关节的俯视图示；及

图4是人与外骨骼的侧视图，所述外骨骼具有根据本发明的第四实施例构造的髋关节。

具体实施方式

本文中揭示本发明的详细实施例。然而，应理解，所揭示实施例仅仅示范可以各种及替代形式体现的本发明。各图未必按比例，且可放大或最小化一些特征以展示特定组件的细节。因此，本文中所揭示的具体结构及功能细节不应解释为限制性，而是仅仅解释为用于教示所属领域的技术人员采用本发明的代表性基础。

结合本发明，通过将一或多个拉伸部件并入到外骨骼关节中而改进外骨骼关节的灵活性。这些拉伸部件联合或替代外骨骼关节的旋转组件起作用以在不损害受影响关节承载重量的能力的情况下允许受影响关节中更大的自由度及灵活性。还在以引用方式并入本文中的第15/023,773号美国申请案中描述此些张拉整体关节。

与当前外骨骼的设计不同，人类骨骼系统由非柔性压缩部件(即，骨骼)以及拉伸部件(即，韧带及腱)两者组成。这些拉伸部件通过达成压缩部件的位置相对于彼此的小移位而允许某些关节处的大运动范围。此通过在旋转手腕时人类前臂中的骨骼的移动来很好地证明。虽然人类关节的解剖设计无法直接应用于外骨骼关节，但张拉整体的原理可应用于外骨骼关节。张拉整体设计利用在连续压缩下的压缩部件，其中这些压缩部件通过在连续张力下的拉伸部件连接(且保持于压缩中)。通过在外骨骼关节中使用这些拉伸部件，增加两个关节经连接压缩部件可移动的自由度数。具体来说，与当前外骨骼关节的压缩部件连杆(当前外骨骼关节限制于链接式压缩部件之间的旋转移动)相比较，这些拉伸链接式关节允许链接式压缩部件以额外方式相对于彼此移位。这些关节处的经增加灵活性不仅在其中当前使用外骨骼的条件(例如在平坦表面上移动)下改进外骨骼可操作性，而且允许在妨碍当前外骨骼设计的使用的条件(例如在冠状平面中急剧倾斜的地形)中使用外骨骼。

除经改进关节灵活性以外，将拉伸部件并入到外骨骼中还具有额外优点。在一些情形中，拉伸部件基本上轻于其刚性配对物，如吊桥的组件(与钢架桥的那些组件相比较)中所见。在外骨骼关节的情形中，拉伸组件可替换更重及更昂贵经机械加工的关节组件。进一步地，拉伸组件的长度可相对容易地改变(在制造期间或在制造后调整中)，从而在不具有刚性组件的更复杂或昂贵修改的情况下允许外骨骼到使用者的经改进装配。

尽管拉伸部件可并入到外骨骼关节中使得拉伸部件以与存在于生理关节中的拉伸部件类似的方式起作用，但情形未必如此。在本发明中，拉伸部件实际上以与生理关节中所见不类似的方式起作用。具体来说，开发概念以通过以使得拉伸部件横跨外骨骼关节的两侧的方式将拉伸部件并入到外骨骼关节中来改进外骨骼关节的灵活性，其中拉伸部件用于使关节上面的外骨骼结构与关节下面的外骨骼结构悬接。拉伸部件单独地或者与滑轮或其它拉伸部件导引组件联合用于在不损害关节承载重量的能力的情况下允许受影响外骨骼关节中的旋转及平移自由及灵活性。关节中的拉伸部件的连接性使得拉伸部件可从关节的一侧滑动到另一侧，从而有效地允许在拉伸部件的总长度保持不变时在关节的每一侧上的拉伸部件的长度改变，结果为在不损害关节的承重能力的情况下改进关节灵活性。进一步开发概念以将此关节设计并入到各种外骨骼关节中。基于这些概念，构造不同外骨骼关节以证实且证明其中拉伸部件用于外骨骼关节中的这些概念的可行性及效用。

现在参考图1a，展示本发明的第一实施例。特定来说，简化外骨骼关节经标记为100。关节100将上部压缩部件105连接到下部压缩部件110，其中上部压缩部件105支撑在下部压缩部件110上方。关节100包含通过右支撑件120连接到下部压缩部件110的右滑轮115及通过左支撑件121连接到下部压缩部件110的左滑轮116。右支撑件120及左支撑件121直接耦合到下部压缩部件110。类似地，右前支撑件125、左前支撑件126、右后支撑件130、左后支撑件131及后导引件135直接耦合到上部压缩部件105。关节100还包含分别在右附接件145及左附接件146处直接耦合到右前支撑件125及左前支撑件125的拉伸部件140。拉伸部件140缠绕在右滑轮115及左滑轮116上且穿过右后支撑件130、左后支撑件131及后导引件135。作为此布置的结果，通过右前支撑件125、左前支撑件126、右后支撑件130、左后支撑件131及后导引件135将重量从上部压缩部件105转移到拉伸部件140，其中接着通过右滑轮115、左滑轮116、右支撑件120及左支撑件121将此重量从拉伸部件140转移到下部压缩部件110。因此，跨越关节100将重量从上部压缩部件105转移到下部压缩部件110。另外，由于拉伸部件140缠绕在可旋转右滑轮115及左滑轮116上且可滑动穿过提供于右后支撑件130、左后支撑件131及后导引件135中的导引件孔150到152，因此关节100可沿着任一轴线倾斜及/或旋转。

尽管关节100未经展示为对应于任何特定外骨骼关节，但应理解，关节100可围绕人体的一部分(例如，肢体)放置，使得此部分位于上部压缩部件105及下部压缩部件110内侧。所得外骨骼结构在压缩下是坚硬的，但仍能够提供与人体的位于压缩部件105及110内侧的部分的旋转共处的三个旋转自由度。此机构可围绕人体放置的方式结合下文所论述的本发明的额外实施例将变得更显而易见。

转向图1b，展示第一实施例的外骨骼关节的变化形式。具体来说，已添加拉伸部件导引件155。拉伸部件导引件155以一方式导引拉伸部件140穿过右后支撑件130、左后支撑件131及后导引件135以便减少拉伸部件140被缠住的机会，减少对拉伸部件140的磨损且增加由关节100限定的空间(外骨骼穿戴者的肢体或一些其它部分可穿过所述空间)。

图1c展示根据第一实施例构造的两个链接式关节。除上部压缩部件105及下部压缩部件110以外，链接式关节结构160还包含中间压缩部件165。中间压缩部件165分别通过上部关节170及下部关节171连接到上部压缩部件105及下部压缩部件110。上部关节170及下部关节171两者均能够以一方式倾斜及旋转以便相对于相同类型的单个关节结构(例如，关节100)改进链接式关节结构160的灵活性。尽管图1c展示链接三个压缩部件105、110、165的两个关节170、171，但应认识到，可视需要添加额外关节及压缩部件。

在图1d中，展示第一实施例的外骨骼关节的另一变化形式。特定来说，上部压缩部件105'及下部压缩部件110'的若干部分已在关节100'的每一侧上经移除以便允许压缩部件105'及110'围绕人的一部分放置且接着耦合到所述人的所述部分。换句话说，上部压缩部件105'及下部压缩部件110'包含人的一部分可插入穿过的开口175及176。

尽管已图解说明第一实施例的数个变化形式，但应认识到，可做出其它改变。举例来说，耦合到上部压缩部件105的组件可与耦合到下部压缩部件110的组件交换(即，滑轮115及116可连接到上部压缩部件105而支撑件125、126、130及131以及导引件135直接耦合到下部压缩部件110)。而且，在一些布置中，拉伸部件140缠绕每一滑轮115、116不止一次。在一些布置中，在每一侧上存在不止一个滑轮。在一些布置中，存在额外组件以将拉伸部件140导引到滑轮115及116上或导引拉伸部件140离开滑轮115及116。此外，在一些布置中，拉伸部件140为缆线。在其它布置中，拉伸部件140为由例如芳纶纤维的材料制成的高强度绳索。在一些布置中，拉伸部件140为无弹性的。在其它布置中，拉伸部件140或其区段具有一些弹性。

第一实施例的外骨骼关节表示普通或通用关节。当然，由此关节体现的概念可适用于将获益于相对于当前关节设计的经改进灵活性(或经减小关节重量)的特定外骨骼关节。下文描述此些关节的非限制性实例。

图2a到h展示根据本发明的第二实施例构造的外骨骼踝关节200。最初参考图2a及2b，结合外骨骼穿戴者(或用户)205的右脚来展示关节200。具体来说，刚性靴子支撑件210直接耦合到由穿戴者205所穿戴的靴子215。带220将靴子支撑件210选择性地耦合到靴子215同时还限制穿戴者的右脚的脚踝翻滚。直接耦合到靴子支撑件210的靴子215及地面相互作用结构225两者均与穿戴者205站立于其上的支撑表面230接触。拉伸部件235在左附接点245处直接耦合到左前支撑件240。拉伸部件235缠绕在左滑轮250上且穿过左后支撑件255进入拉伸部件导引件260。左滑轮250围绕轴承265旋转，轴承265将左滑轮250连接到左下部腿支撑件270。在图2b中，左下部腿支撑件270的一部分已经移除使得可更清晰地看到左滑轮250。尽管未展示，但左下部腿支撑件270通常耦合到穿戴者205的下部腿且还经由膝关节连接到上部腿支撑件。此些外骨骼腿布置在此项技术中为众所周知的且因此将不进行详细论述。

图2c是关节200的正视图。因此，可看到关节200的右侧。如上文所论述，拉伸部件235在左附接点245处直接耦合到左前支撑件240。拉伸部件235缠绕在左滑轮250上且穿过左后支撑件255进入拉伸部件导引件260。另外，拉伸部件235在右附接点246处直接耦合到右前支撑件241。拉伸部件235缠绕在右滑轮251上且穿过右后支撑件256进入拉伸部件导引件260。右滑轮251围绕轴承266旋转，轴承266将右滑轮251连接到右下部腿支撑件271。一般来说，关节200以与关节100相同的方式起作用，即使颠倒关节100及200的定向。也就是说，关节100的滑轮115及116耦合到底部压缩部件(即，下部压缩部件110)，而关节200的滑轮250及251耦合到顶部压缩部件(即，左下部腿支撑件270)。因此，通过滑轮250及251将由下部腿支撑件270及271承载的重量转移到拉伸部件235中，其中拉伸部件235通过前支撑件240及241、后支撑件255及256以及拉伸部件导引件260将重量转移到靴子支撑件210。以此方式，通过地面相互作用结构225将由下部腿支撑件270及271承载的重量转移到靴子支撑件210且接着转移到支撑表面230，而重量不通过靴子215或穿戴者的右脚传递。

除了允许当前外骨骼踝关节中可用的跖屈及背屈移动以外，本发明的第二实施例的机械设计还相对于当前外骨骼踝关节改进外骨骼踝关节在内翻、外翻、外旋及内旋运动中的灵活性。此经改进灵活性起因于刚性压缩部件在与柔性拉伸部件的界面处枢转而且沿着柔性拉伸部件的长度平移的能力。图2d及2e图解说明关节200在相对于中立脚踝位置(其在图2c中经展示)的内翻及外翻中的灵活性。图2g及2h图解说明关节200在相对于中立脚踝位置(其在图2f中经展示)的内旋及外旋中的灵活性。

图2d是关节200的正视图，其中靴子215经展示围绕关节200内翻。由于关节200在内翻中，因此拉伸部件235的长度的较大部分位于关节200的左侧(页面的右侧)上，拉伸部件235已在靴子215从图2c中所展示的中立位置的移动期间平移穿过拉伸部件导引件260。图2e是关节200的正视图，其中靴子215经展示围绕关节200外翻。由于关节200在外翻中，因此拉伸部件235的长度的较大部分位于关节200的右侧(页面的左侧)上，拉伸部件235已在靴子215从图2c中所展示的中立位置的移动期间平移穿过拉伸部件导引件260。关节200处的这些内翻及外翻可在靴子215从支撑表面230举起的情况下或在靴子215与非水平或不规则支撑表面(未展示)接触时发生。在后一情形中，通过关节200将由下部腿支撑件270及271承载的重量转移到靴子支撑件210且接着转移到支撑表面230，而重量不通过靴子215或穿戴者的脚传递。

图2f是关节200的俯视图，其中靴子215及关节200经展示处于中立位置中。图2g是关节200的俯视图，其中靴子215及关节200经展示处于内旋中。由于关节200在内旋中，因此拉伸部件235的长度的较大部分现在位于右附接点246与右滑轮251之间以及左滑轮250与拉伸部件导引件260之间，拉伸部件235已在靴子215从图2f中所展示的中立位置的移动期间平移穿过拉伸部件导引件260且围绕滑轮250及251。图2h是关节200的俯视图，其中靴子215及关节200经展示处于外旋中。由于关节200经展示处于外旋中，因此拉伸部件235的长度的较大部分现在位于左附接点245与左滑轮250之间以及右滑轮251与拉伸部件导引件260之间，拉伸部件235已在靴子215从图2f中所展示的中立位置的移动期间平移穿过拉伸部件导引件260且围绕滑轮250及251。

在关节未承受负载时增加关节灵活性然而在关节承受负载时增加关节的稳定性是本发明的第一实施例的关节设计的固有特征。此原理以有效方式适用于第二实施例的踝关节，其中在站位中的负载脚踝稍微稳定化，且其中未负载脚踝拥有更多自由。此对于在人类外骨骼装置中使用为合意的以在不导致站位期间脚踝不稳定的情况下允许不与地面接触的脚踝中的最大灵活性。在一些实施例中，拉伸部件为无弹性的，从而将经增加稳定性提供给关节。在其它实施例中，拉伸部件或其区段具有一些弹性，从而将一些冲击吸收性提供给关节。在一些实施例中，可调整拉伸部件的长度，借此允许在一些情景中灵活性增加且在其它情景中稳定性增加。

作为本发明的第二实施例的实例，考虑到外骨骼与穿戴者沿着平滑且水平表面(例如邻接不平坦且倾斜地形的铺面道路)行走。当前外骨骼脚踝足以用在道路上，但尤其关于踝关节处的内翻或外翻的受限制脚踝灵活性使沿着斜坡或在不规则地面上行走具挑战性且可能是危险的。在某些情形中，例如在作战环境中，沿着道路行走带来由简易爆破装置、地雷或轻武器射击引起的显著增加的损伤风险，从而使人类外骨骼具有跨越不平坦或倾斜地形的灵活性为非常有利的。通过使用第二实施例的装置，人类外骨骼的穿戴者能够选择对于给定情形最合意的任何路线，而不管许多表面(包含天然地形或具有复杂人造特征的地形)的不平坦性质，因为外骨骼脚踝内翻或外翻的能力允许在这些表面上的更好牵引力。此经增加牵引力归因于穿戴者的靴子的底部的更多部分与穿戴者跨越其行走的表面接触的事实。另外，外骨骼脚踝旋转的经增加能力通过以下方式有助于在不平坦表面上的导航：使得使外骨骼围绕或朝向某些地形特征转弯对于穿戴者更容易。

图3a到d展示根据本发明的第三实施例构造的外骨骼腹部关节300。一般来说，关节300将外骨骼腰部及髋部结构连接到外骨骼躯干结构。最初参考图3a及3b，外骨骼305由穿戴者205穿戴。外骨骼305包含通过侧板320及带325连接的胸板310及背板315(共同界定躯干支撑件)。关节300包含在左附接点335处连接到胸板310的拉伸部件330。拉伸部件330缠绕在左滑轮340及342上且路由到拉伸部件导引件345中，拉伸部件导引件345直接耦合到背板315或与背板315整体形成。拉伸部件330还缠绕在右滑轮341及343上且在右附接点336处连接到胸板310。滑轮340到343直接耦合到腰部支撑件350，腰部支撑件350通过腰带355耦合到穿戴者205的腰部。腰部支撑件350在髋关节365处以可旋转方式耦合到上部腿支撑件360。上部腿支撑件360通过大腿支架370耦合到穿戴者205的大腿且在膝关节380处以可旋转方式耦合到下部腿支撑件375。下部腿支撑件375通过下部腿支撑支架385耦合到穿戴者205的下部腿。下部腿支撑件375还在踝关节395处耦合到刚性靴子支撑件390。靴子支撑件390与支撑表面230接触。关节395为根据本发明的第二实施例构造的张拉整体关节。

作为此布置的结果，通过附接点335及336以及拉伸部件导引件345将胸板310、背板315及侧板320的重量转移到拉伸部件330中。拉伸部件330接着通过滑轮340到343将此重量转移到腰部支撑件350使得跨越关节300转移重量。通过上部腿支撑件360、下部腿支撑件375、关节395及靴子支撑件390将重量从腰部支撑件350转移到支撑表面230。在一些实施例中，在关节300的每一侧上使用仅一个滑轮。在一些实施例中，切换拉伸部件330与胸板310及背板315的相对连接性(即，拉伸部件导引件345耦合到胸板310且附接点335及336位于背板315上)。在一些实施例中，拉伸部件330为无弹性的。在其它实施例中，拉伸部件330或其区段具有一些弹性，此弹性给予关节300一些冲击吸收性。在另一实施例中，装置经设计以便在关节300处容易地附接及拆卸，从而允许外骨骼305的躯干部分与外骨骼305的其余部分分离。在另一实施例中，可调整拉伸部件330的长度。

本发明的第三实施例的机械设计相对于当前外骨骼腹部关节改进外骨骼腹部关节在倾斜及旋转运动中的灵活性，其中此关节处的运动范围类似于第二实施例的踝关节的运动范围。图3c及3d展示在穿戴者205的上半身相对于穿戴者205的下半身扭动的情况下的腹部关节300。具体来说，在图3c中，穿戴者205的上半身相对于穿戴者205的下半身向右扭。因此，胸板310向右扭，而腰部支撑件350保持在中立位置中。而且，拉伸部件330的长度的较大部分现在位于左附接点335与左滑轮340及342之间以及右滑轮341及343与拉伸部件导引件345之间，拉伸部件330已在从图3b中所展示的中立位置的移动期间平移穿过拉伸部件导引件345且围绕滑轮340到343。

在图3d中，穿戴者205的上半身相对于穿戴者205的下半身向左扭。因此，胸板310向左扭，而腰部支撑件350保持在中立位置中。而且，拉伸部件330的长度的较大部分现在位于右附接点336与右滑轮341及343之间以及左滑轮340及342与拉伸部件导引件345之间，拉伸部件330已在从图3b中所展示的中立位置的移动期间平移穿过拉伸部件导引件345且围绕滑轮340到343。

作为本发明的第三实施例的实例，考虑到外骨骼由士兵在作战环境中穿戴。当士兵向前行走(其中腹部关节处于中立位置中以促进行走)时，士兵发现在左侧的潜在威胁。士兵使其躯干(及因此外骨骼躯干)在横向平面中围绕腹部关节向左旋转以便促进将步枪扛到射击位置中。在确定潜在威胁不受持续关注后，士兵即刻使其躯干返回到中立位置以促进行走。第三实施例的关节不仅有助于躯干旋转，其在不需要重组件的情况下也如此，借此减少外骨骼的重量且增加外骨骼与穿戴者的潜在速度。

现在参考图4，展示根据本发明的第四实施例构造的外骨骼髋关节400。一般来说，关节400将外骨骼腰部结构连接到外骨骼腿结构。更具体来说，外骨骼405由穿戴者205穿戴。与外骨骼305一样，外骨骼405包含通过侧板420及带425连接的胸板410及背板415(共同界定躯干支撑件)。根据本发明的第三实施例构造的腹部关节430将胸板410及背板415连接到腰部支撑件435，腰部支撑件435通过腰带440耦合到穿戴者205的腰部。关节400包含在左附接点450处连接到腰部支撑件435的拉伸部件445。拉伸部件445缠绕在左滑轮455上且路由到拉伸部件导引件460中，拉伸部件导引件460直接耦合到腰部支撑件435且与腰部支撑件435整体形成。类似于第三实施例的拉伸部件330，拉伸部件445还缠绕在右滑轮(未展示)上且在右附接点(未展示)处连接到腰部支撑件435。左滑轮455直接耦合到左上部腿支撑件465，左上部腿支撑件465通过大腿支架470耦合到穿戴者205的大腿。右滑轮直接耦合到对应右上部腿支撑件(未展示)。上部腿支撑件465在膝关节480处以可旋转方式耦合到下部腿支撑件475，且下部腿支撑件475通过下部腿支撑支架485耦合到穿戴者205的下部腿。下部腿支撑件475还在踝关节495处耦合到刚性靴子支撑件490。靴子支撑件490与支撑表面230接触。关节495为根据本发明的第二实施例构造的张拉整体关节。

作为此布置的结果，通过关节430将胸板410、背板415及侧板420的重量转移到腰部支撑件435。通过左附接点450及拉伸部件导引件460将重量从腰部支撑件435转移到拉伸部件445。拉伸部件445接着通过滑轮455将重量转移到上部腿支撑件465使得跨越关节400转移重量。接下来，通过下部腿支撑件475、关节495及靴子支撑件490将重量转移到支撑表面230。

除允许当前外骨骼髋关节中可用的伸展及屈曲移动以外，本发明的第四实施例的机械设计还增加外骨骼髋关节在内收及外展移动中及在外旋及内旋运动中的灵活性。与第二实施例一样，第四实施例的装置在承受负载时更稳定且在不承受负载时更灵活。因此，髋关节在站位期间稍微稳定化，同时在与此装置一起使用的腿不与地面接触时维持最大灵活性。在一些实施例中，拉伸部件445为无弹性的。在其它实施例中，拉伸部件445或其区段具有一些弹性，此弹性给予关节400一些冲击吸收性。在一些实施例中，可调整拉伸部件445的长度。

作为第四实施例的实例，考虑到外骨骼与穿戴者坐在车辆的前排乘客座中。如果穿戴者想要打开车门且使用与未穿戴外骨骼的人所使用的运动类似的运动离开车辆，那么其将需要若干个髋部运动(包含两条腿的内收及外展以及髋部处的外旋及其它移动)。此移动组合对于具有受限制髋部灵活性的当前外骨骼将为非常困难的。然而，在根据第四实施例构造外骨骼的情况下，穿戴者能够使用经增加髋部灵活性，尤其在髋部不承受负载(如在坐位中)时，以便下车且离开车辆。

鉴于以上说明，应认识到，可在外骨骼内的各种不同位置中实施张拉整体关节。作为又一实例，外骨骼的经分割颈部及头盔可利用根据第一实施例构造的一系列张拉整体关节，借此允许颈部承载头盔与颈部盔甲的重量将围绕穿戴者的身体的此重量转移到外骨骼站立于其上的支撑表面中。在另一实例中，外骨骼的经分割n链脊柱、颈部及头盔可利用根据第一实施例构造的一系列张拉整体关节，借此允许脊柱承载头盔、颈部盔甲、胸甲及背甲的重量且将围绕穿戴者的身体的此重量转移到外骨骼站立于其上的表面中。在再一实例中，外骨骼的经分割的一系列肩膀、腕部及臂关节可利用根据第一实施例构造的一系列张拉整体关节，借此允许高度灵活盔甲臂固定到外骨骼。

一般来说，结合本发明描述的张拉整体关节的类型在外骨骼的上下文中将比在机器人的上下文中执行得更好，因为外骨骼的穿戴者可通过穿戴者的平衡及控制将一些约束及稳定性提供给关节。

在本发明的所有实施例中，张拉整体关节可经配置以便最大化围绕关节的灵活性。在所有实施例中，张拉整体关节可经配置以便最小化外骨骼重量。在所有实施例中，张拉整体关节可经配置以便最大化外骨骼的承重能力。在所有实施例中，拉伸部件可为无弹性的。在所有实施例中，拉伸部件可具有一些弹性。在所有实施例中，可以某种方式覆盖张拉整体关节以便防止植物、衣服或其它材料困在关节中或干涉关节的功能。在所有实施例中，将拉伸部件连接到外骨骼的支撑件可为刚性、不可压缩或不可屈曲的。在所有实施例中，将拉伸部件连接到外骨骼的支撑件可为稍微可压缩或可屈曲的。在所有实施例中，拉伸部件可为可压缩的。在所有实施例中，拉伸部件的长度及/或张力可为可调整的。在所有实施例中，拉伸部件可为可迅速拆卸或替换的。

基于上文，应容易地明了，本发明提供承重外骨骼关节中的经改进灵活性。尽管参考优选实施例描述，但应容易地理解，可在不背离本发明的精神的情况下对本发明做出各种改变或修改。一般来说，本发明仅打算由所附权利要求书的范围限制。