外骨骼的非拟人髋关节位置的制作方法
【专利说明】外骨骼的非拟人髋关节位置
[0001]相关串请案交叉参考
[0002]本申请案主张2014年3月14日提出申请的标题为“外骨骼的非拟人髋关节位置(Non-Anthropomorphic Hip Joint Locat1ns for Exoskeletons)，，的第61/781，376 号美国临时申请案的权益。
【背景技术】
[0003]本发明涉及一种在执行某些需要力量的任务期间增大用户的力量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，包括加强人的用于活动的附肢的经改进功能的一组假肢及相关控制系统，所述功能包含但不限于穿戴者的臂的较大力量及耐力或允许在行走时穿戴者携载更多重量。
[0004]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。商业及军事外骨骼帮助防止损伤且增大用户的力量。商业外骨骼用以减轻由工作者在其劳动期间所支撑的负载，借此防止工作者损伤且增加其精力及力量。
[0005]已使用装备有支撑工具的重量的工具固持臂的外骨骼执行初始测试。这些装置通过提供工具固持帮助而减小用户疲劳。工具固持臂经由外骨骼的腿而非经由用户的臂来转移固持工具所需的垂直力。此外骨骼使用的一个问题是工具固持在外骨骼的腿前面。此产生必须由用户抵抗的围绕外骨骼髋关节的向前下降扭矩。用户往往过度向后倾斜来补偿将不希望负载放置于用户的身体上的此向前扭矩。
[0006]为减小用户的身体上的此负载，必须在髋关节处施加抵消扭矩。使用弹簧来形成此扭矩将在摆动相中产生太大扭矩(除非可使弹簧脱离，且此类机构通常为重且复杂的)。虽然此可借助经致动髋关节避免，但此设计在站立时需要持续电力消耗，此需要重型电池且否定优点。对于具有未致动髋部的外骨骼，必须在用户后面安装重物以提供用以抵消工具的重量并使由用户感到的负载最小化的必需扭矩。可借助一定范围的重物及力臂产生反向扭矩:较轻重物需要较长力臂且较重重物需要较短力臂。然而，这些是不期望的，这是因为较重配重将使外骨骼较重且较难以移动，同时较长力臂减小在通常为局限工作环境中的可操纵性。
[0007]至少出于这些原因，需要开发一种借助工具固持臂而允许外骨骼中的向前髋部扭矩的减小的装置及方法。
【发明内容】
[0008]本发明的目标是提供一种致使工具固持外骨骼的髋关节处的向前扭矩减小的新颖装置及方法。
[0009]本发明的额外目标是提供一种致使在负载在用户后面的情况下(如在其中外骨骼用以承受背包的负载的情形中)外骨骼的髋关节处的向后扭矩减小的新颖装置及方法。
[0010]本发明的额外目标是提供一种允许外骨骼的髋部处的向前或向后扭矩以可调整方式减小、从而允许外骨骼穿戴者或外骨骼控制系统如各种移动任务所需要或优选而针对向前或向后扭矩选择扭矩减小的新颖装置及方法。
[0011]本文中所揭示的本发明包括用于通过修改外骨骼的髋关节相对于矢状平面中的外骨骼重量分布的放置而减小外骨骼的髋关节处的向前或向后扭矩的装置及方法。对外骨骼髋部放置的这些修改基于当前外骨骼技术以使外骨骼系统能够使各种其它外骨骼参数(包含但不限于减少的外骨骼穿戴者髋部扭矩输入、减少的外骨骼髋部致动器扭矩输入、较大工具重量、较大负载重量、减少的后配重质量、较短力臂或这些参数的一些组合)移位。
[0012]本发明的主要实施例包括一种具有使外骨骼髋部枢轴在矢状平面中相对于外骨骼穿戴者的髋部枢轴向前不对准的机械设计的外骨骼装置。针对工具固持外骨骼的应用，此机械设计减小将工具固持于适当位置中所需的反向扭矩。
[0013]本发明的第二实施例包括一种具有使外骨骼髋部枢轴在矢状平面中相对于外骨骼穿戴者的髋部枢轴向后不对准的机械设计的外骨骼装置。针对背包承载外骨骼的应用，此机械设计减小将负载固持于适当位置中所需的反向扭矩。
[0014]本发明的第三实施例包括一种具有在矢状平面中相对于外骨骼穿戴者的髋部枢轴的位置可调整地变更外骨骼髋部枢轴位置的机械设计的外骨骼装置。可由外骨骼控制系统自动致动或由外骨骼穿戴者手动调整的此装置允许不同髋部放置以便补偿改变的负载或致动条件。针对工具固持外骨骼的应用，此机械设计通过将髋部枢轴向前移位而减小在站立时将工具固持于适当位置中所需的反向扭矩，且通过将髋部枢轴向后移位而增加在行走或操纵时的外骨骼移动性。
[0015]将依据在结合图式的情况下进行的对本发明的特定实施例的以下描述而较完全明了本发明的额外目标、特征及优点。
【附图说明】
[0016]图1a是展示根据现有技术的将工具固持于其头部上方的工作者的前视图的图式。
[0017]图1b是展示根据本发明的在将工具固持于其头部上方时穿戴工具固持外骨骼的工作者的前视图的图式。
[0018]图2a是穿戴工具固持外骨骼的工作者的示意性侧视图。
[0019]图2b是表示展示穿戴工具固持外骨骼的工作者的示意性侧视图的第一实施例的图式，其中外骨骼具有向前移位的髋部。
[0020]图2c是展示由工具、配重及地面施加的力以及向下力与外骨骼穿戴者的髋部之间的距离的穿戴工具固持外骨骼的工作者的示意性侧视图。
[0021]图2d是展示穿戴具有向前移位的髋部的工具固持外骨骼的工作者的示意性侧视图的第一实施例的表示，所述示意性侧视图展示由工具、配重及地面施加的力以及这些垂直力与外骨骼的髋部之间相对于外骨骼穿戴者的髋部的距离。
[0022]图2e是展示如图2c及2d中所展示的各种髋部枢轴位置所需的所计算配重距离及重量的曲线图。
[0023]图3a是表示展示穿戴具有承载背包的外骨骼的人的侧视图的第二实施例的图式，其中此外骨骼的髋部相对于外骨骼穿戴者的髋部向后移位。
[0024]图3b是表示展示穿戴具有承载背包的外骨骼的人的侧视图的第二实施例的图式，其中此外骨骼的髋部相对于外骨骼穿戴者的髋部向后移位，所述示意性侧视图展示由背包及地面施加的力以及背包向下力与外骨骼穿戴者的髋部之间的距离及从外骨骼的髋部到向外骨骼穿戴者的髋部的偏移。
[0025]图4a是表示展示穿戴具有可调整外骨骼髋部定位的工具固持外骨骼的工作者的示意性侧视图的第三实施例的图式，其中可调整外骨骼髋部展示于向前位置中。
[0026]图4b是表示展示穿戴具有可调整外骨骼髋部定位的工具固持外骨骼的工作者的示意性侧视图的第三实施例的图式，其中可调整外骨骼髋部展示于向后位置中。
【具体实施方式】
[0027]本发明连同一种在执行某些需要力量的任务期间增大用户的力量且帮助防止损伤的动力矫形装置一起使用。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及方法，包括加强用于活动的附肢的经改进功能的支撑杆机动系统及相关控制系统，所述功能包含但不限于穿戴者臂的较大力量及耐力或在行走时携载更多重量。
[0028]如图1a的已知布置中所展示，工作者100在站立于支撑表面151 (为简洁起见，通常在其它图中省略)上执行工作功能时将重型工具102(在此图解说明中展示为重型磨机)固持於其头部上面。在此工作功能的过程期间，重型工具102的重量完全由工作者100支撑。根据本发明，图1b展示穿戴外骨骼103的工作者101，所述外骨骼通过人-外骨骼绑带105附接到工作者101的躯干104。商业外骨骼103配备有支撑重型工具102的重量的工具固持臂106。在图1b中所展示的工作