CN102256580A - 可穿用式物料操作系统 - Google Patents

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CN102256580A CN2009801514137A CN200980151413A CN102256580A CN 102256580 A CN102256580 A CN 102256580A CN 2009801514137 A CN2009801514137 A CN 2009801514137A CN 200980151413 A CN200980151413 A CN 200980151413A CN 102256580 A CN102256580 A CN 102256580A
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H·凯兹罗尼
N·哈丁
R·安戈尔德
K·阿蒙森
J·W·伯恩斯
A·佐斯
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Berkeley Bionics
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Berkeley Bionics
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/0006—Exoskeletons, i.e. resembling a human figure

Abstract

一种用于连接至人(187)的外骨骼(100)，其包括外骨骼躯干(109)和用于接触地面的腿部支撑件(101，102)。髋部扭矩发生器(145，146)延伸于所述外骨骼躯干(109)与各腿部支撑件(101，102)之间。负载保持机构(221)可旋转地连接至所述外骨骼躯干(109)，优选地通过肩上构件(138)，该肩上构件(138)用于在人(187)的前方支撑负载(154)。在使用中，髋部扭矩发生器(145，146)在步态站立期时在外骨骼躯干(109)和各腿部支撑件(101，102)之间产生扭矩，其中至少一个扭矩发生器(145或146)用于在步态站立期时在外骨骼躯干(109)和腿部支撑件(101，102)其中一个之间产生第一扭矩，该第一扭矩与负载(154)的重量在外骨骼(100)上产生的第二扭矩反向。可使用承重传感器(236，303)来确定由负载(154)产生的扭矩，并将该承重传感器(236，303)与控制器(137)相连，来控制输入扭矩发生器(145，146)的能量。

Description

可穿用式物料操作系统
相关申请的交叉引用
本申请要求申请日为2008年12月18日、申请号为61/138,751、名为“可穿用式物料操作系统”的美国临时专利申请的权益。
基于DAD19-01-1-0509号合同，本发明受到政府的支持，并由美国国防部高级研究计划局(DARPA)和美国国家科学基金会的资助，资助号为IIP-0739552。政府在这项发明中拥有特别权利。
发明背景
技术领域
本发明大致涉及物料操作系统，更具体地，涉及由其穿用者穿用的下肢外骨骼领域，该下肢外骨骼能在其穿用者前方进行负重。
背景技术
一般的，提供矫形设备来辅助人进行行走或负重，这是已知的现有技术。例如，公布号为2007/0056592的美国专利申请提供了一种包括动力单元的外骨骼，该动力单元向扭矩发生器输出能量，所述扭矩发生器连接外骨骼大腿连接件和外骨骼小腿连接件。上述公布号为2007/0056592的美国专利申请基本解决了向外骨骼的膝部提供能量的问题。在另一公布号为2007/0123997的美国专利申请中，提出一种由人类穿用的外骨骼，其包括髋关节，该髋关节具有反向弹簧或执行器，用于辅助抬升外骨骼以及推进外骨骼前行。
该公布号为2007/0123997的专利申请中还提到，可携带背包以最佳利用该外骨骼，但未给出有关背包结构的详细说明。另外，该2007/0123997专利申请还提到，步态站立期时在髋部增加了来自髋部执行器的正能量，以推进人体和背包前行，并在步态迈步期时抵消人体和外骨骼的质量。尽管上述所引有助于辅助使用者行走或负载背包，但并未给出使其使用者支撑前方负载、以充分利用外骨骼来减少人花费的能量的方法。因此，需要一种外骨骼设备，该外骨骼设备能为使用者提供一种装置，以操作前方负载，并减少操作和转移该负载所需的能量。
发明内容
在一种由人穿用的下肢外骨骼的数个实施例中，上述需求得以解决。该外骨骼包括外骨骼躯干，用于连接至人的上身，以及第一和第二腿部支撑件，用于连接至人的下肢，并在步态站立期时搁放在支撑件表面上。每个腿部支撑件包括大腿连接件和小腿连接件，由各膝关节连接，以在各小腿和大腿连接件之间进行弯曲和伸展。优选地，负载保持机构旋转连接至外骨骼躯干，以支撑位于人前方的、连接至外骨骼的负载。
在一些实施例中，负载保持机构连接至从外骨骼延伸出的肩上构件。在使用中，连接至各第一和第二腿部支撑件的髋部扭矩发生器在步态站立期时产生扭矩，该扭矩位于外骨骼躯干与第一和第二大腿连接件其中之一之间，其中，至少一个扭矩发生器在步态站立期时产生位于外骨骼躯干与第一和第二腿部支撑件其中之一之间的第一扭矩，该第一扭矩与第二扭矩反向，所述第二扭矩由负载的重量作用在外骨骼上而产生。在优选实施例中，动力单元与扭矩发生器相连，基于外骨骼上的传感器所感测到的信号，选择性地向髋部扭矩发生器输出扭矩。
本发明更多的发明目的、特征和优点将结合附图、通过以下对优选实施例的详细描述而清晰展现，其中附图中同一附图标记指相同的部件。
附图说明
本发明的特征和优点将结合附图、通过以下对优选实施例的详细描述而清晰展现，附图中同一附图标记指相同的部件，其中：
图1为下肢外骨骼的正面透视图；
图2为下肢外骨骼的正面透视图，其中外骨骼躯干包括框架构件；
图3为本发明的一个实施例的正面透视图，其中负载保持机构连接至外骨骼躯干；
图4为本发明的一个实施例的正面透视图，该实施例包括负载保持机构，所述负载保持机构通过柔性铰链连接至肩上构件；
图5为本发明的一个实施例的正面透视图，该实施例包括负载支承平台构件，该负载支承平台构件可移动地连接在负载保持机构上；
图6为本发明的一个实施例的正面透视图，该实施例包括负载保持机构，该负载保持机构通过铰链连接至外骨骼躯干；
图7为本发明的一个实施例的正面透视图，该实施例包括连接至负载承重传感器的U形肩上构件；
图8为本发明的一个实施例的正面透视图，该实施例包括安装在侧部的多重自由度的负载保持机构；
图9为本发明的一个实施例的正面透视图，该实施例包括安装在前方的多重自由度的负载保持机构；
图10为本发明的一个实施例的正面透视图，该实施例包括连接至肩上构件的多重自由度的负载保持机构；
图11描绘了对应于本发明的使用者将盒子带入卡车、以充分利用负载保持机构的情形；
图12描绘了使用者使用本发明的负载保持机构支撑投射物的情形；
图13描绘了使用者充分利用本发明的外骨骼和负载保持机构，以辅助举起投射物的情形；
图14为本发明的一个实施例的正面透视图，该实施例包括U形肩上构件，该U形肩上构件连接至负载承重传感器，并包括悬挂机构。
具体实施方式
对应于本发明的一个实施例，图1为展示下肢外骨骼100的透视图，该下肢外骨骼100由人187穿用。下肢外骨骼100除其它部件外，还包括两个腿部支撑件101和102，用于连接至人的各下肢143和144，并用于在步态站立期时搁放在地面或支撑件表面上。腿部支撑件101和102除其它部件外，还包括各大腿连接件103和104，以及小腿连接件105和106。两个膝关节107和108用于在腿部支撑件步态迈步期时实现腿部支撑件101和102的各大腿连接件103和104与相应的小腿连接件105和106之间的弯曲(由箭头213示意)和伸展(由箭头214示意)。在一些实施例中，膝关节107和108用于在腿部支撑件的步态站立期时抵抗腿部支撑件101和102的各大腿连接件103和104与相应的小腿连接件105和106之间的弯曲。
下肢外骨骼100进一步包括外骨骼躯干109。外骨骼躯干109除其它部件外，还包括上身接口设备150，用于将外骨骼躯干109连接至穿用外骨骼的人的上身149。应当理解的是，上身149指的是大腿以上的任何部位，包括臀部。所述上身接口装置150的例子包括但不限于背心、皮带、绑带、肩带、胸带、石膏、背带和腰带等其中一个或多个的组合。
外骨骼躯干109在各髋部弯曲-伸展关节125和12处可旋转地连接至腿部支撑件101和102，以使腿部支撑件101和102分别关于髋部弯曲-伸展轴151和152进行髋部弯曲和伸展旋转(分别由髋部伸展箭头215和髋部弯曲箭头216所示)。在一些实施例中，如图1所示，外骨骼躯干109包括两个髋部连接件114和115，在髋部弯曲-伸展关节125和126处可旋转地连接至大腿连接件103和104，以使腿部支撑件101和102关于髋部弯曲-伸展轴151和152分别进行弯曲和伸展。髋部连接件114和115可在外展-内收关节113处可旋转地相互连接，以使腿部支撑件101和102进行外展和/或内收。腿部支撑件101和102的外展和内收分别由箭头217和218示意。
腿部支撑件101和102可通过下肢接口绑带135和136连接至人的下肢143和144。在一些实施例中，如图1所示，下肢接口绑带135和136连接至各大腿连接件103和104。在另外的实施例中，下肢接口绑带135和136连接至各小腿连接件105和106。下肢接口绑带还可同时连接至小腿连接件105、106和大腿连接件103和104。每个下肢接口绑带135和136包括但不限于绑带、条状物、C形支架、石膏和弹性体中的一个或多个的组合。在操作中，人187通过上身接口设备150(图1中为简单绷带)连接至(或穿用)下肢外骨骼100，并通过下肢接口绑带135和136连接至腿部支撑件101和102。从图2中可见，下肢外骨骼100进一步包括两个髋部扭矩发生器145和146，用于在外骨骼躯干109和各腿部支撑件101和102之间制造扭矩。另外，两个扭矩发生器110和111可横跨各膝关节107和108连接。
在一些实施例中，髋部扭矩发生器145和146为驱动式执行器。优选地，下肢外骨骼100进一步包括至少一个动力单元201，能向髋部执行器145和146提供能量。在一些实施例中，只有一个动力单元向髋部执行器145和146提供能量，而在另一些实施例中，每个髋部执行器145和146都接收来自单独的动力单元(未图示)的能量。髋部执行器145和146包括任何能产生扭矩的设备或设备的组合。髋部执行器145和146的例子包括但不限于AC(交流)电动机、刷式DC(直流)电动机、无刷直流电动机、带变速器的直流电动机、电子整流电动机(ECMs)、步进电动机、液压执行器、气动执行器以及其组合。
在本发明的一些实施例，扭矩发生器145和146包括弹簧。在另一些实施例中，髋部执行器145和146由压缩气体驱动。本发明要使用的髋部执行器的更多细节参见申请号为12/468487、名称为“通过使用负载外骨骼、以降低人在稳步行走时的氧耗的设备和方法”的美国专利申请，在此以引用的方式并入该申请。
优选地，外骨骼100还包括控制器或信号处理器137，其与动力单元201相连，以调节动力单元201。信号处理器137包括选自以下一组的一个或多个部件：模拟设备；模拟计算机模块；数字设备，包括但不限于小规模、中规模和大规模集成电路、专用集成电路、可编程门阵列、可编程逻辑阵列；数字计算模块，包括但不限于微计算机、微处理器、微控制器和可编程逻辑控制器。在一些实施例中，信号处理器137选自一组由机电式继电器或MOSFET开关组成的部件或部件的组合。在信号处理器137的控制下，动力单元201产生控制信号，用于(除其它用途之外)扭矩发生器145和146施加的扭矩。应当理解的是，信号处理器137可并容纳在动力单元201内，或位于动力单元201之外。
图2展示了本发明的一个实施例，其中外骨骼躯干109为框架构件180的形式，该框架构件180沿人187的背部向上延伸到至少人187的肩部区域。如图3所示，负载保持机构221连接至外骨骼躯干109，并用于支撑位于人187前的前方负载154的至少一部分重量。在操作中，当下肢外骨骼100由人187穿用时，扭矩发生器145用于在步态站立期时，在外骨骼躯干109和腿部支撑件101之间产生扭矩。该扭矩与前方负载154的重量所产生的扭矩反向。类似地，扭矩发生器146用于在步态站立期时在外骨骼躯干109和腿部支撑件101之间产生扭矩。该扭矩与前方负载154的重量所产生的扭矩反向。另外，尽管未图示，外骨骼躯干109还可用于在人187的后方支撑后方负载。
在图3的优选实施例中，负载保持机构221通过一个或多个肩上承载构件138连接至外骨骼躯干109。通过这种设置，来自负载154的重量由外骨骼100而不是人187承受。在图4的实施例中，负载保持机构221通过柔性铰链225连接至每个肩上构件138。柔性铰链225包括选自包括皮革、纤维、弹性体、橡胶、布、塑料其中之一或其组合。这种弹性特征使支撑机构221能沿箭头233所示方向围绕外骨骼躯干109摆动。在一些实施例中，如图3和图4所示，负载保持机构221还包括负载保持构件或负载支承平台构件163，其位于人187前方，用于支撑人187前方的负载143的至少一部分重量。
在本发明的一些实施例中，负载支承平台构件163包括大致水平延伸的板构件167。在图5、6、12和13所示的实施例中，负载支承平台构件163铰接至负载保持机构221，从而使负载支承平台构件163相对于负载保持机构221移动。箭头234示意了负载支承平台构件163关于负载保持机构221的相对旋转。从图12中尤其可见，这一旋转使人能可选择地将前方负载154定位在理想方向。类似图5的实施例，图6展示了通过至少一个铰链225连接至外骨骼躯干109的负载保持机构221，该负载保持机构221使负载保持机构221相对于外骨骼躯干109在箭头233所示方向竖直摆动。
铰链225可为受载弹簧，以辅助负载保持机构221进行竖直切换。另外，为防止负载保持机构推动使用者的上身149，铰链225可用于限制负载保持机构221朝使用者上身149的摆动。负载保持机构221也可包括能使支撑机构221沿大致平行于使用者冠状平面移动的铰链，例如图9和图12所示的铰链256和258。在另一实施例中，负载保持机构221包括铰链257，用于使负载保持机构221关于肩上构件138竖直运动，如图10所示。
在本发明的一个实施例中，如图7所示，负载保持机构221包括为U形部件300形式的肩上构件，能通过例如钩状物或绑带的负载连接装置306与各类负载相连。U形部件300能通过铰链302围绕轴301(在径向方向上沿使用者的冠状平面)相对于外骨骼躯干109进行旋转，为清除起见，仅示意了铰链302的一侧。在此铰接U形部件300，原因有两个：(1)使操作者向上摆动U形部件300，并脱离进入或离开外骨骼100的轨迹；(2)精确测量由负载154作用在U形部件300上的运动或扭矩。该运动是通过负载传感器303来测量的，该负载传感器303通过杆或缆绳305安装，该杆或缆绳305连接至曲臂304，所述U形部件300围绕该曲臂304旋转。
缆绳305的长度设置为，当使用者将U形部件300从使用者上方的装载位置旋转至使用者前方的工作位置时，由于缆绳305变紧，U形部件300停止在使用者前方的舒适位置处。一旦完成该步骤，任何悬挂在使用者前方的U形部件300上的负载154将在传感器303的承重构件上产生负载，该负载大致与U形部件300携带的负载成比例。负载信号由负载传感器303产生，并被传送至动力单元201的控制器137(如图2所示)。这种方法对顺利控制下肢外骨骼100是极为重要的。更具体地，动力单元201将向下肢外骨骼100的髋部扭矩发生器145和146增加扭矩，该扭矩与负载传感器303所感测到的负载大小成正比，并将逐步取消由U形部件300作用在外骨骼躯干109上的扭矩。
这使得下肢外骨骼100能平滑地接受作用在U形部件300上的负载154。负载信号也可由使用者手动控制产生，例如通过连接至控制器137的手动控制器(未图示)。
在图14所示的类似实施例中，外骨骼100进一步包括悬挂机构307，其与U形部件300相连，并能减弱从外骨骼躯干109到和人187到负载154的振荡。悬挂机构307可包括弹簧或阻尼器。图7和图14所示实施例使外骨骼100的操作者能很轻易地穿戴或脱下机器，并测得由负载154施加在外骨骼躯干上的力矩。因此，图7和图14中的实施例是方便的设计，展示了两个创新的概念：(1)使穿戴和脱下外骨骼100变得容易；(2)实时测量外骨骼100前方的负载引起的力矩。另外，图7和图14中的实施例可用来携带人的盔甲或盾牌(未图示)。盾牌可具有不同的大小和重量，大到保护使用者全身的的盾牌，小到保护使用者身体局部的盾牌。将盾牌连接至支撑机构221为使用者提供了针对抛射物或其它危险的保护，同时将盾牌的重量基本支撑在外骨骼上。
本领域技术人员将注意到，随着操作者在下肢外骨骼100内弯腰，负载传感器303上的负载与关于髋部轴151和152所产生的扭矩之间的比例将改变。因此，在本发明的一个优选实施例中，在外骨骼100上增加了例如传感器这种形式的设备，以测量外骨骼躯干109与重力矢量之间的绝对角度，从而能够更精确地计算负载154关于髋部轴151和152所产生的力矩。动力单元201用于向髋关节125和126施加更精确的扭矩，以抵消携带负载154产生的影响。一种能测量外骨骼躯干109与重力矢量之间的绝对角度的传感器称为倾斜计。
构建这种倾斜计有许多种类型和方法，都有详尽的文献记录，在此无需详述。出于图示的目的，图2示意了位于大腿连接件103和104上的角度传感器或倾斜计243或244；然而，应当理解的是，传感器的实际位置并不局限于该实施例中的位置。在使用中，传感器243或244向控制器137发出角度信号260和261，以判断外骨骼100的前行速率。
在此将详细讨论动力单元201修正由扭矩发生器145和146作用的扭矩，以提供在具有前方负载154时外骨骼100的平滑操作。首先，应当理解，出于某些原因、例如要以理想加速度移动髋部等，控制器137和动力单元201可同时决定髋部之一所需扭矩的一部分。在这种情况下，一种解决办法是，简单地将各部分扭矩相加，(一部分扭矩是用来抵消前方负载154的影响的，另一部分扭矩是用来产生理想运动的)。在此，我们仅讨论髋部扭矩的一部分(即由扭矩发生器145和146施加在外骨骼上的、关于髋部轴151和152的扭矩)，计算该部分扭矩，来抵消前方负载154施加在外骨骼躯干109上的力矩。
当人用双脚139和140站立在地面上时，可以理解，每个髋关节125和126之间分担等同的扭矩。然而，当外骨骼腿部101或102其中之一未接触地面时，则负载154产生的全部力矩将由作用在腿部支撑件101或102的外骨骼髋部上的大扭矩予以抵消，所述腿部支撑件101或102仍接触地面。例如，如果外骨骼右腿支撑件101正处于步态迈步期且未接触地面时，则要抵消由前方负载154作用在外骨骼躯干109上的力矩所需的全部髋部扭矩将通过左髋部扭矩发生器146只作用在外骨骼左髋关节126上。
更值得质疑的问题是，如何进行各种情形之间的过渡(双脚139和140等同地站立在地面vs.仅一只脚在地面上)。在图2所示的实施例中，过渡是这样来完成的：负载传感器236集成在每个外骨骼足部139和140内，以测量操作者施加在每个足部139和140上的重量。更清楚地说，传感器236测量操作者的足部与外骨骼足部139和140之间的力，并向控制器137发出负载信号262和263。控制器137利用有关这些负载的测量值，来确定操作者的负载分配意图。因此，抵消由前方负载154作用在外骨骼躯干109上的力矩所需的髋部扭矩可在腿部支撑件101和102之间分配，其分配比例与操作者已选择的在相应的足部139和140之间分配的他/她的重量的比例相同。
例如，如果对外骨骼足部139和140的负载传感器236进行测量，且控制器137确定操作者正将其70％的体重承载在外骨骼右足139上，而将30％的体重承载在外骨骼左足140上，则动力单元201向其右髋部扭矩发生器145的控制扭矩增加一部分扭矩，该扭矩为要抵消由负载154产生的力矩所需扭矩的70％，并向左髋部扭矩发生器146的控制扭矩增加一部分扭矩，该扭矩等于所需扭矩的30％。
当外骨骼100的操作者开始高速行走时，由于在双步态站立期时(即双足139和140都与地面接触)，在操作者的足部139和140之下负载发生动力学改变，这种策略将变得复杂。例如，在脚跟击地时，操作者脚跟击地的脚在冲击作用下将经受高负载，而由于操作者使用脚尖推进，其脚尖离地的脚也经受着高负载。这将使得前述策略在双步态站立期时输出的结果极其不稳定。本发明的一个优选实施例以如下方式解决了这个问题：动力单元201能确定稳步行走何时开始以及正在继续。这可通过许多方式来完成。一个例子是，动力单元201的控制器137使用来自角度传感器243和244的度数(图2)，该角度传感器243和244邻接外骨骼膝关节107和108，以估计外骨骼100的前行速率。当该速率看似较大且稳定时，动力单元201确定稳步行走已经开始。
当稳步行走正在继续时，动力单元201计算要抵消由前方负载154作用在外骨骼躯干109上的力矩的全部髋部扭矩，并对与外骨骼腿部支撑件101或102相关联的髋部扭矩发生器145和146的命令扭矩增加该髋部扭矩，所述外骨骼腿部支撑件101或102正处于站立期。当脚跟击地发生时(在双步态站立期开始时)，要抵消由前方负载154作用在外骨骼躯干109上的力矩所需的全部髋部扭矩从髋部执行器145或146的脚尖离地时迅速转移，并同步移至脚跟击地的髋部执行器145或146，以在该切换发生时使所施加的总扭矩保持恒定(以抵消负载154的影响)。例如，假定外骨骼右腿101正处于步态迈步期，且不与地面接触，因此，要抵消由前方负载154作用在外骨骼躯干109上的力矩所需的全部髋部扭矩通过左髋部扭矩发生器146仅作用在外骨骼左髋部126上。
当外骨骼右足139接触地面时，控制器137和动力单元201将使扭矩迅速地从左髋部扭矩发生器146转移至右髋部扭矩发生器145，其转移方式能在该变化发生时，使作用在两个髋部扭矩发生器145和146上的总扭矩保持恒定(以抵消负载154的影响)。
在此描述的外骨骼100可用在物料装卸装置中，用于将负载从第一地点移到第二地点。在此所述的使用方法使人能使用负载保持机构221直接将至少一部分负载重量(以及其它的力，例如惯性力)转移至外骨骼躯干109上。负载154的重量通过外骨骼躯干109转移至第一和第二腿部支撑件101和102上，接着转移至地面或支撑件表面上。在使用中，负载154可由外骨骼100的使用者或通过其它方式(如通过另一个人或通过其中设备)连接至负载保持机构221。同样地，还可使用各种不同方法来从外骨骼负载保持机构221上卸下负载154，例如通过将负载154简单地从负载轴承机构221的水平板构件167上滑下，或通过使用其中设备。由许多种充分利用外骨骼100以进行负载支撑的应用。例如在自动装配工厂，受伤风险高的工作常常是那些需要工人长期弯腰进行的工作。外骨骼100减轻了这类动作给使用者背部带来的压力。
外骨骼100在分配中心和仓库设施中也有所应用。另外，主要的物流行业，例如美国邮政服务公司(USPS)在全球拥有许多分配中心和仓库，其中工人要搬运各种箱子和其它物体。以下仅仅是本发明的外骨骼100的众多应用中的一些：(1)在货架和传送带之间搬运箱子；(2)在货架和卡车之间搬运箱子；以及(3)在传送带和卡车之间搬运箱子。
图11展示了本发明的一个实施例，其中，下肢外骨骼100与负载保持机构221联合使用，以装载卡车247。图12和13展示了本发明的实施例，其中，负载支承平台构件163用于举起携带负载的投射物(壳体)296。在图12的实施例中，当处于装载位置时，携带负载的投射物296的至少一部分重量由负载支撑构件163支撑。如图13所示，也可以使用绳索295形式的负载连接装置306，将携带负载的投射物296连接至负载保持机构221。负载保持机构221还可以通过悬挂机构(未图示)连接至外骨骼109，该悬挂机构能够减弱从外骨骼躯干109和人187到负载154的振荡。
在本发明的一些实施例中，如图8所示，负载保持机构221包括安装在侧部地多级自由度机构224，该机构可用于在人187的前方支撑前方负载154，并使负载154关于外骨骼100进行受控运动。多级自由度机构224包括多个依次连接的铰接连接件或部段250-252。每个部段通过铰链或接头248与另一部段相连。在所示的第一实施例中，多级自由度机构224连接至人187背上的外骨骼躯干109。在图9所示的一替代性实施例中，安装在前部的多级自由度机构224连接至人187前方的外骨骼躯干109。在图9所示的实施例中，多级自由度机构224连接至照相机299、监视器298和电池297。然而，应当理解的是，多级自由度机构224可连接至任何理想负载154，例如工具或武器。在一些实施例中，如图10所示，多级自由度机构224通过肩上承载构件138连接至人187肩上的外骨骼躯干109。
在一些实施例中，如图8所示，多级自由度机构224的接头248为弹簧239的受载弹簧，其目的是辅助负载保持机构221，以举起负载154而无需使用者花费力气。在一些实施例中，多级自由度机构224的接头248为受载弹簧，以产生能大致补偿前方负载154的重量的力。这使得操作者无需费力便能竖直移动负载154，从而将前方负载154保持为基本在操作者前方移动。图9展示了多级自由度机构224其中，所述机构的接头248包括容纳在其中的扭力弹簧(未图示)，以产生类似效果。在一些实施例中，如图10所示，多级自由度机构224进一步包括一个或多个串联链路229，以提升前方负载154关于外骨骼躯干109的可选位置。更具体地，依次连接的多个铰接部段251和252可围绕轴240彼此相对自由旋转，所述轴240大致平行于重力矢量，以使外骨骼100的操作者改变负载154的位置，同时在大致平行于地面的平面内移动。
在一些实施例中，如图10所示，多级自由度机构224进一步包括四杆连接件238(或具有类似功能的其他连接件)，该四杆连接件238包括在257处铰接连接、以将前方负载154竖直定位(沿大致平行于重力矢量的方向移动)的面板。
本发明提供了一种下肢外骨骼，能辅助使用者携带多种物体，例如各种工具、武器、照相设备及其它重物，并能减少进行例如负载、举重、携带和卸载物体这些任务所需的能量。尽管结合本发明的优选实施例进行了描述，应当理解的是，可在不脱离本发明精神前提下对本发明做出各种变化和/或修正。例如，所述外骨骼可包括多重负载保持机构。例如，上述的多重自由度负载保持机构可在使用者的侧部连接至框架，同时另一负载承重机构连接在使用者的肩上。总的来说，本发明只收到权利要求范围的限制。

Claims (41)

1.一种外骨骼，可用于连接至人体，所述外骨骼包括：
第一和第二腿部支撑件，用于连接至人的下肢，并在步态站立期时搁放在支撑件表面，其中每个腿部支撑件包括大腿连接件和小腿连接件；
第一和第二膝关节，该第一和第二膝关节连接各第一和第二腿部支撑件的大腿连接件和小腿连接件，以在各小腿和大腿连接件之间进行弯曲和伸展；
外骨骼躯干，用于连接至人的上身，并可旋转地连接至每个第一和第二腿部支撑件的大腿连接件，以在第一和第二腿部支撑件和外骨骼躯干之间进行弯曲和伸展；
至少一个髋部扭矩发生器，用于在所述外骨骼躯干与第一和第二大腿连接件的其中一个之间产生扭矩；以及
负载保持机构，可旋转地连接至所述外骨骼躯干，用于使所述负载保持机构关于所述外骨骼躯干进行选择性运动，所述负载保持机构用于支撑位于人前方的负载的至少一部分重量，所述人与所述外骨骼相连，其中，当所述外骨骼由人穿用时，所述至少一个扭矩发生器在步态站立期时产生第一扭矩，该第一扭矩位于所述外骨骼躯干和所述第一和第二大腿连接件其中一个之间，并与由负载重量作用在外骨骼上产生的第二扭矩反向。
2.根据权利要求1所述的外骨骼，其特征在于：所述负载保持机构通过至少一个肩上构件连接至所述外骨骼躯干。
3.根据权利要求1所述的外骨骼，其特征在于：所述至少一个扭矩发生器为弹簧。
4.根据权利要求1所述的外骨骼，其特征在于：所述至少一个扭矩发生器为执行器。
5.根据权利要求1所述的外骨骼，其特征在于：至少一个扭矩发生器构成执行器，该执行器选自一组液压执行器、液压旋转执行器、液压气缸、电动机、气动执行器及其组合。
6.根据权利要求2所述的外骨骼，其特征在于：所述负载保持机构通过铰链连接至所述至少一个肩上构件。
7.根据权利要求6所述的外骨骼，其特征在于：所述铰链为受载弹簧。
8.根据权利要求6所述的外骨骼，其特征在于：所述铰链为柔性铰链构件，其包括选自皮革、纤维、弹性体、橡胶、布、塑料及其组合的元件。
9.根据权利要求6所述的外骨骼，其特征在于：所述铰链位于与所述外骨骼相连的人的前方。
10.根据权利要求2所述的外骨骼，其特征在于：所述肩上构件通过铰链连接至所述外骨骼躯干，以使所述负载保持机构相对于所述外骨骼躯干产生旋转。
11.根据权利要求10所述的外骨骼，其特征在于：所述旋转发生在径向平面内。
12.根据权利要求10所述的外骨骼，其特征在于：所述铰链位于与所述外骨骼相连的人的后方。
14.根据权利要求10所述的外骨骼，其特征在于：所述肩上构件未U形部件，其能够通过铰链相对于所述外骨骼躯干在径向平面内旋转。
15.根据权利要求2所述的外骨骼，其特征在于：所述负载保持机构包括负载保持构件，该负载保持构件位于与外骨骼相连的人的前方，以在与外骨骼相连的人的前方支撑所述负载。
16.根据权利要求15所述的外骨骼，其特征在于：所述负载保持构件可旋转地连接至所述负载保持机构的一部分，以使负载保持构件相对于负载保持机构的所述部分运动。
17.根据权利要求15所述的外骨骼，其特征在于：所述负载保持构件包括大致水平的板。
18.根据权利要求2所述的外骨骼，其特征在于：所述负载保持机构进一步包括多级自由度机构，以使负载相对于外骨骼进行受控运动。
19.根据权利要求18所述的外骨骼，其特征在于：所述负载保持机构在与外骨骼相连的人的前方连接至肩上构件。
20.根据权利要求18所述的外骨骼，其特征在于：所述多级自由度机构进一步包括串联链接机构，该串联链接机构包括一系列相互串联连接的连接件。
21.根据权利要求18所述的外骨骼，其特征在于：所述多级自由度机构进一步包括并联链接机构，该并联链接机构包括一系列相互并联并联连接的连接件。
22.根据权利要求18所述的外骨骼，其特征在于：所述多级自由度机构中的至少一个连接件为负载弹簧。
23.根据权利要求18所述的外骨骼，其特征在于：所述多级自由度机构中的至少一个连接件为负载弹簧，用于将所述负载保持在浮动状态。
24.根据权利要求2所述的外骨骼，其特征在于：所述负载保持机构通过悬挂机构连接至所述肩上构件，该悬挂机构能减弱从所述外骨骼躯干及与所述外骨骼相连的人到所述负载的振荡。
25.根据权利要求24所述的外骨骼，其特征在于：所述悬挂机构包括弹簧。
26.根据权利要求24所述的外骨骼，其特征在于：所述悬挂机构包括阻尼器。
27.根据权利要求2所述的外骨骼，进一步包括：
动力单元，其与至少一个所述髋部扭矩发生器相连，用于向所述至少一个髋部扭矩发生器选择性地输出扭矩；以及
至少一个负载传感器，其与所述动力单元相连，用于感测由所述负载作用在所述负载保持机构上的扭矩，其中，所述动力单元基于来自所述负载传感器的信号，控制至少一个髋部扭矩发生器。
28.根据权利要求27所述的外骨骼，进一步包括：
第一和第二足部，其分别连接至第一和第二小腿连接件，其中，所述至少一个负载传感器包括第一和第二负载传感器，其分别连接至第一和第二足部。
29.根据权利要求2所述的外骨骼，进一步包括：
动力单元，其与所述至少一个髋部扭矩发生器相连，用于向所述至少一个髋部扭矩发生器选择性地输出扭矩；
信号处理器，其与所述动力单元相连；以及
传感器，用于估测所述与所述信号处理器相连的所述外骨骼的前行速率。
30.一种使用外骨骼来支撑物体的方法，该外骨骼可与人相连，且包括：第一和第二腿部支撑件，用于连接至人的下肢，并在步态站立期时搁放在支撑件表面，其中每个腿部支撑件包括大腿连接件和小腿连接件；第一和第二膝关节，连接各第一和第二腿部支撑件的大腿连接件和小腿连接件，以在各小腿和大腿连接件之间进行弯曲和伸展；外骨骼躯干，用于连接至人的上身，并可旋转地连接至每个第一和第二腿部支撑件的大腿连接件，以在第一和第二腿部支撑件和外骨骼躯干之间进行弯曲和伸展；负载保持机构，连接至所述外骨骼躯干，并用于支撑位于人前方的负载的至少一部分重量，所述人与所述外骨骼相连，以及至少一个髋部扭矩发生器，用于在步态站立期时在所述外骨骼躯干与第一和第二大腿连接件其中一个之间产生扭矩；所述方法包括：
将所述物体连接至所述负载保持机构；以及
使用至少一个所述扭矩发生器在步态站立期时产生第一扭矩，该第一扭矩位于所述外骨骼躯干与所述第一和第二大腿连接件其中一个之间，且与由所述物体重量在所述外骨骼上产生的第二扭矩反向。
31.根据权利要求29所述的方法，进一步包括：
产生负载信号，其中，所述负载信号表示由所述物体作用在所述外骨骼上的一部分力或扭矩，并且，由至少一个扭矩发生器作用的所述扭矩为所述负载信号的函数。
32.根据权利要求30所述的方法，其特征在于：所述负载信号由人手动产生。
33.根据权利要求30所述的方法，其特征在于：所述负载信号由负载传感器产生。
34.根据权利要求33所述的方法，其特征在于：所述负载传感器位于所述外骨骼躯干和所述负载保持机构之间。
35.根据权利要求33所述的方法，其特征在于：所述负载传感器位于所述第一和第二腿部支撑件上。
36.根据权利要求33所述的方法，其特征在于：所述外骨骼进一步包括第一和第二外骨骼足部，其与各小腿连接件相连，且所述负载传感器包括位于每个第一和第二外骨骼足部上的负载传感器，其中，产生负载信号包括基于由至少一个负载传感器感测的负载值产生负载信号的步骤，所述负载传感器位于每个第一和第二外骨骼足部。
37.根据权利要求33所述的方法，其特征在于：所述负载传感器为测力装置，其产生负载信号，其中，所述负载信号表示由所述物体作用在所述外骨骼上的一部分力或扭矩。
38.根据权利要求30所述的方法，其特征在于：所述物体包括选自以下各项的元件或元件组合：箱子，照相机，电池，监视器，和投射物。
39.根据权利要求30所述的方法，进一步包括：
用所述外骨骼，通过带着外骨骼从从第一地点行走到第二地点，将所述物体从第一地点移动到第二地点；以及
在第二地点处将所述物体从所述负载保持机构上分离。
40.根据权利要求30所述的方法，其特征在于：所述至少一个扭矩发生器构成第一和第二髋部扭矩执行器，用于在所述外骨骼躯干和各第一和第二腿部支撑件之间产生扭矩，其中，所述在步态站立期时使用所述至少一个扭矩发生器在所述外骨骼躯干和所述第一和第二大腿连接件其中一个之间产生第一扭矩的步骤包括：
感测使用者的第一足部和第一外骨骼足部之间的力；
感测使用者的第二足部和第二外骨骼足部之间的力；
确定使用者将分配在第一足部上的负载；
确定使用者将分配在第二足部上的负载；
向所述第一髋部执行器作用扭矩，其中，计算由所述第一髋部执行器作用的扭矩，以基于对第一足部意图分配的负载，来抵抗由负载作用在所述第一足部上的而产生的扭矩；以及
向所述第二髋部执行器作用扭矩，其中，计算由所述第二髋部执行器作用的扭矩，以基于对第一足部意图分配的负载，来抵抗由负载作用在所述第一足部上的而产生的扭矩。
41.根据权利要求40所述的方法，进一步包括：
估测所述外骨骼的前行速率；
确定行走运动何时开始；
计算第一和第二髋部执行器要抵消由负载产生的、作用在所述外骨骼上的扭矩所需的总扭矩；
当确定所述第一和第二髋部执行器其中之一或两者将处于步态站立期时，将所述
总扭矩的值加入作用在第一和第二髋部执行器其中之一或两者上的扭矩中。
42.一种控制外骨骼的方法，所述外骨骼可连接至人，所述外骨骼除其它部件外，还包括：第一和第二腿部支撑件，用于连接至人的下肢，并在步态站立期时搁放在支撑件表面；外骨骼躯干，可旋转式与所述第一和第二腿部支撑件相连；至少一个髋部扭矩发生器，用于在步态站立期时在所述外骨骼躯干与第一和第二大腿连接件其中一个之间产生扭矩；动力单元，其与至少一个髋部扭矩发生器相连，用于向所述至少一个髋部扭矩发生器产生扭矩；以及负载保持机构；所述方法包括：
感测由负载传感器作用在所述负载保持机构上的扭矩；
产生信号，表示作用在所述负载保持机构上的扭矩；
使用所述动力单元，处理来自负载传感器的信号；以及
向至少一个髋部扭矩发生器作用扭矩，以抵消作用在所述负载保持机构上的至少一部分扭矩。
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