CN105188633A - 外骨骼的非拟人髋关节位置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种外骨骼装置(103；113；302；402)，其用于在矢状平面中相对于所述外骨骼(103；113；302；402)的穿戴者(101；111；301；401)的髋部枢轴(133)的位置选择性地调整外骨骼髋部枢轴/枢轴位置(109；119；306；407；408；410)。所述外骨骼髋部枢轴/枢轴位置(109；119；306；407；408；410)可相对于所述穿戴者(101；111；301；401)的所述髋部枢轴(133)向前或向后移位且可由外骨骼控制系统自动致动或由所述外骨骼穿戴者(101；111；301；401)手动调整。特定来说，本发明允许不同髋部放置以便补偿变化的负载或致动条件。

Description

外骨骼的非拟人髋关节位置

相关申请案交叉参考

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-AnthropomorphicHipJointLocationsforExoskeletons)”的第61/781,376号美国临时申请案的权益。

背景技术

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。

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。

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。

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。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

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。

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。

图2a是穿戴工具固持外骨骼的工作者的示意性侧视图。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

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。

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中所展示的工作功能的过程期间，工具固持臂106支撑重型工具102的重量的一些或全部重量，其中此重量转移到由外骨骼腿107支撑的外骨骼103，所述外骨骼腿经配置以耦合到用户的下肢且在站相阶段期间搁置于支撑表面上。由于髋部下面的外骨骼腿的特定设计并非本发明的目标，且因为本发明的目标跨越一定范围的外骨骼腿设计而应用，因此将不进一步详述所述腿的设计。以此方式，外骨骼103支撑重型工具102的重量且允许工作者101在较不疲劳的情况下执行此任务达显著较长时间周期，从而相对于图1a中的工作者100产生较大工作者生产力及工作者损伤的经减少风险。

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测试，如上文所陈述。此装置通过提供工具固持帮助而减小用户疲劳，其中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。此应用的一个问题是工具固持在外骨骼的腿前面。此产生必须由外骨骼穿戴者抵抗的围绕外骨骼髋关节的向前下降扭矩。穿戴者往往过度向后倾斜来补偿将不希望负载放置于穿戴者的身体上的此向前扭矩。为减小穿戴者的身体上的此负载，必须在外骨骼髋关节处施加抵消扭矩。虽然此可借助经致动外骨骼髋关节完成，但此设计在站立时需要持续电力消耗。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。

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。

传统外骨骼髋部枢轴尽可能严密地与用户髋部对准以便不限制用户运动范围且使外骨骼与用户之间的相对运动最小化。然而，已发现在其中并不频繁需要髋部的大范围的运动的应用中违反此规则是可接受的。一种此应用是工具固持外骨骼，其中用户大部分时间站立且很少经由足够大范围的运动而移动其髋部以致使用户与外骨骼之间的相对运动。以此见解，将外骨骼髋部枢轴位置重新定位以更好地适合于所述应用。通过将外骨骼的髋部枢轴移动于用户的髋部枢轴前面，减小平衡工具所需的配重。分别在图2a及2b中对图2c及2d中展示具有放置于矢状平面中类似于用户的髋部枢轴的位置处的髋部枢轴的外骨骼的实例，及具有相对于用户的髋部枢轴向前放置的髋部枢轴的外骨骼的实例。

更特定来说，参考图2a，工作者101正穿戴通过人-外骨骼绑带105附接到工作者101的躯干104的商业外骨骼103。商业外骨骼103配备有工具固持臂106。工具固持臂106的重量转移到由外骨骼腿107支撑的商业外骨骼103，所述外骨骼腿通过髋部枢轴109连接到外骨骼103。由于工具固持臂106的重量使外骨骼103的平衡点向前移位，从而将向前扭矩施加于髋部枢轴109上，因此外骨骼103配备有将向后扭矩施加于髋部枢轴109上以便抵消髋部枢轴109上的向前扭矩的配重108。

参考图2b，工作者111正穿戴通过人-外骨骼绑带115附接到工作者111的躯干114的商业外骨骼113。外骨骼113配备有工具固持臂116。工具固持臂116的重量转移到由外骨骼腿117支撑的外骨骼113，所述外骨骼腿通过向前移位的髋部枢轴119连接到外骨骼113。箭头150指示矢状平面中的通常在所述应用中称为“向前”的向前方向。由于工具固持臂116的重量使外骨骼113的平衡点向前移位，从而将向前扭矩施加于髋部枢轴119上，因此外骨骼113配备有将向后扭矩施加于向前移位的髋部枢轴119上以便抵消向前移位的髋部枢轴119上的向前扭矩的配重118。

参考图2c，工作者101正穿戴商业外骨骼103，其中工作者101的髋部枢轴及外骨骼103两者在矢状平面中位于一处。归因于工具臂重量及负载的围绕外骨骼103的髋部枢轴109的扭矩由力121及杠杆臂122形成。依据测试，已发现工作者101通常将可忽略力施加到负载，而非通常借助其手使负载稳定化；因此假定所述工作者并不将力施加到负载或工具臂是合理的。配重扭矩也围绕外骨骼103的髋部枢轴109起作用。配重扭矩由归因于配重108上的在杠杆臂125上方起作用的重力的力124形成。腿107的反作用力126在髋部枢轴109处起作用。如果配重108经选择以完美地平衡给定杠杆臂122处的给定负载，那么可将静态平衡写为：

(1)F₁₂₁×L₁₂₂＝F₁₂₄×L₁₂₅

其中F_xxx指示力xxx且L_yyy指杠杆臂长度yyy。

参考图2d，工作者111正穿戴商业外骨骼113，其中工作者111的髋部枢轴定位于工作者髋部枢轴133处，且外骨骼113的髋部枢轴119从工作者髋部枢轴133向前达距离137而定位。归因于工具臂重量的围绕外骨骼113的髋部枢轴119的扭矩由力131及杠杆臂132减去距离137形成。配重扭矩也围绕外骨骼103的髋部枢轴109起作用。也围绕外骨骼103的髋部枢轴119的配重扭矩由归因于配重118上的重力的力134及杠杆臂135加上距离137形成。腿117的反作用力123在外骨骼103的从工作者髋部枢轴133偏移达髋部偏移距离137的髋部枢轴119处起作用。如果配重124经选择以完美地平衡给定杠杆臂122处的给定负载，那么可将静态平衡写为：

(2)F₁₃₁×(L₁₃₂-L₁₃₇)＝F₁₃₄×(L₁₃₅+L₁₃₇)

其中F_xxx指示力xxx且L_yyy指示杠杆臂长度yyy。

针对其中工具臂的配置大体与图2c中相同的情形，即，当F₁₃₁＝F₁₂₁、L₁₃₂＝L₁₂₂、L₁₂₅＝L₁₃₅时，则F₁₃₄可实质上减小且配重124的质量也可实质上减小，借此减小总体外骨骼重量及外骨骼腿117上的力两者。或者，取决于设计，配重杠杆臂135的长度可实质上减小，从而使商业外骨骼113更可操纵。在一些实施例中，根据设计的目标，配重的质量及配重杠杆臂的长度两者均可稍微减小。

如上文所描述及图2a、2b、2c及2d中所展示，在矢状平面中的外骨骼髋部枢轴位置相对于穿戴外骨骼的人的髋部枢轴的向前移位导致工具固持外骨骼具有由于工具重量的减小的向前髋部扭矩。举例来说，如果髋部枢轴如工具那样远地向前移动，那么将不需要配重，但在大多数实施例中，此将导致甚至在小运动范围内的外骨骼与外骨骼穿戴者之间的不切实际的相对运动量。髋部枢轴的位置经选择以在需要可接受配重扭矩同时针对给定任务维持足够外骨骼穿戴者灵活性且控制外骨骼穿戴者的身体与装置之间的相对运动。

通过将髋部枢轴向前移动，所需的配重扭矩通过减小从外骨骼髋部枢轴到工具的距离达髋部偏移的量(图2d中的髋部偏移137)而降低。用户上的归因于工具重量的扭矩减小，此允许配重扭矩减小而不增加外骨骼用户上的负载。配重扭矩可通过减小重物与用户之间的距离或减小所使用的质量而减小。图2e展示针对各种髋部枢轴位置的配重距离对配重质量之间的关系。针对此曲线图，工具的重量是25lbs且定位工具的臂的重量是14lbs，但分析具有一般意义。具有空心圆符号的线141表示针对设计有与用户的髋部枢轴对准的髋部枢轴的外骨骼的重量对距离关系，y轴145表示从外骨骼穿戴者到配重的距离，且x轴146表示配重的重量。随着髋部偏移增加，曲线朝向较小所需重量及较小所需距离移位；具有1英寸髋部偏移的外骨骼由具有空心三角形符号的线142展示，具有2英寸髋部偏移的外骨骼由具有空心倒三角形符号的线143展示，且具有3英寸髋部偏移的外骨骼由具有空心正方形符号的线144展示。假定从外骨骼用户到配重的固定距离，所需配重的量随着髋部枢轴偏移距离增加而降低。同样，假定固定配重量，从外骨骼用户到所需配重的距离随着髋部枢轴偏移距离增加而降低。在图2e中还展示用黑色实心圆符号标记的线148，线148标绘随着配重的重量沿着x轴146增加而在y轴147上增加的由外骨骼腿支撑的垂直分力。

针对特定工具固持任务设计的外骨骼可极大受益于此向前安装的髋部枢轴设计。所述向前安装的髋部枢轴通过减小配重从用户突出的距离而增加用户的移动性。在局限空间中，对用户的大小的任何增加均为不期望的。其它益处包含减小的配重质量，此减小穿着所述装置行走时的用户疲劳。在具有经致动髋部的外骨骼的情形中，向前安装的髋部枢轴归因于减少的外骨骼髋部致动器扭矩输入而产生减小的电力消耗。

在主实施例的一个实例中，如果工具固持外骨骼针对以给定配重重量在局限空间中使用而设计，那么可减小配重距外骨骼用户的距离。基于图2e中所展示的曲线图，具有27.5磅配重且不具有髋部偏移的外骨骼将需要从外骨骼穿戴者到配重的15英寸距离，而具有相同27.5磅配重但具有3英寸髋部偏移的外骨骼将仅需要从外骨骼穿戴者到配重的8英寸距离。此较短配重差异将为在局限空间中操纵外骨骼方面的显著优点。

本发明的第二实施例由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组成。针对背包承载外骨骼的应用，此机械设计出于当负载在用户前面时应将髋部枢轴放置于用户前面的相同原因而减小将负载固持于适当位置中所需的反向扭矩：当外骨骼枢轴接近于其正接纳的负载的质量中心而放置时，用户将能够采取较直立位置。此种类的外骨骼的非拟人髋部位置是基关于人体中的髋关节的性质的见解：髋关节通常与所述髋关节承受的负载的质量中心成直线放置，使得不需要围绕髋部的扭矩。正如较早实施例中，其中将髋部枢轴直接与负载成直线放置可为不实际的，仅将所述髋部枢轴尽量实际可行地接近地移动足以具有有益效应。注意在这些实施例中人的重量传递到地面而非外骨骼(即，外骨骼并不经由外骨骼髋部枢轴来承受人的身体重量)是重要的。然而，如果人紧密连接到外骨骼的躯体使得人的身体重量转移到外骨骼且经由外骨骼髋部枢轴，那么理想外骨骼枢轴位置将在外骨骼躯干、人的躯干及负载的经组合质量中心处。在图3a及3b中展示具有向后移位的髋部的承载外骨骼的表示。

参考图3a及3b，工作者301正穿戴通过人-外骨骼绑带305附接到工作者301的躯干304的商业外骨骼302。商业外骨骼302配备有承载背包303及髋部致动器313，所述髋部致动器经配置以围绕向后移位的髋部枢轴306产生扭矩。向后移位的髋部枢轴从工作者301的髋部枢轴向后移位达距离309。承载背包303的重量转移到由外骨骼腿307支撑的商业外骨骼302，所述外骨骼腿通过向后移位的髋部枢轴306连接到外骨骼302。

进一步参考图3a及3b，工作者301正穿戴商业外骨骼302，其中工作者301的髋部枢轴定位于矢状平面中在虚线310处，且商业外骨骼302髋部枢轴于矢状平面中从虚线310向后达距离309而定位。归因于承载背包303的重量的围绕髋部枢轴306的扭矩由归因于重力308的力及杠杆臂311减去距离309形成。由于外骨骼髋部偏移距离309，因此减小必须由致动器313供应的用以抵消由归因于重力308的力产生的扭矩的扭矩。以此方式，商业外骨骼302的向后偏移髋部枢轴降低髋部致动器要求。

在第二实施例的另一变化形式中，如果背包类型承载商业外骨骼由工作者使用以在一距离内携载重型物品，且外骨骼不具有任何髋部致动(即，缺乏髋部致动器313)，那么将承载外骨骼的髋关节位置向后移位将允许人施加相对于不具有向后移位的髋部的类似外骨骼来说在抵抗由外骨骼的负载造成的向后扭矩时较少的物理输入/能量。在穿戴具有向后移位的髋部的外骨骼的过程中由工作者所作出的持续努力的此降低将允许工作者携载相同重量负载较远距离，或携载较大重量达类似距离，或以经降低疲劳及损伤风险执行相同任务。

在一些实施例中，动力外骨骼围绕髋部枢轴产生实质净扭矩。此装置的实例揭示于美国申请案12/468,487中，所述美国申请案以引用的方式并入本文中。在此装置中，由致动器在相同的方向上围绕髋部枢轴产生大扭矩(犹如在外骨骼上存在后负载)，使得外骨骼提供推进帮助。因此，穿戴者必须向前倾斜以平衡从外骨骼躯干转移到穿戴者的躯干的扭矩；来自外骨骼的扭矩是致动器扭矩与在外骨骼前面或后面的任何负载的组合。如果已知典型负载条件及致动器扭矩，那么根据本发明通过将髋部枢轴从正常拟人位置移动适当距离来平衡围绕髋部枢轴的负载是可能的。通常在此实施例中，枢轴将向后移动，除非在外骨骼前部上的负载相当大。

本发明的第三实施例由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组成。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。在图4a及4b中展示此外骨骼装置。

参考图4a，工作者401正穿戴通过人-外骨骼绑带404附接到工作者401的躯干403的商业外骨骼402。商业外骨骼402配备有工具固持臂405及配重400。工具固持臂及负载405的重量转移到由外骨骼腿409支撑的商业外骨骼402，所述外骨骼腿通过可调整髋部枢轴407连接到外骨骼402。由于工具固持臂405及负载406的重量使外骨骼402的平衡点向前移位，因此可调整髋部枢轴407移动到向前可调整髋部枢轴位置408中以平衡由配重400及臂405以及负载415产生的扭矩。

在一些实施例中，外骨骼可使用电子控制系统自动移动调整装置406，而在其它实施例中，人可手动移动调整装置406。在一些实施例中，枢轴可具有离散位置，而在其它实施例中，位置可为可连续调整的。

参考图4b，工作者401正穿戴通过人-外骨骼绑带404附接到工作者401的躯干403的商业外骨骼402。商业外骨骼402配备有工具固持臂405，但不具有任何负载。工具固持臂405的重量转移到由外骨骼腿409支撑的商业外骨骼402，所述外骨骼腿通过可调整髋部枢轴407连接到外骨骼402。由于缺乏任何负载而使外骨骼402的平衡点向后移位，因此可调整髋部枢轴407移动到后部可调整髋部枢轴位置410中以平衡由配重400及臂405产生的扭矩。当然，在未绘制的进一步类似配置中，图3中所绘制的装置的髋部枢轴的位置可能可以此处描述的相同方式调整，从而允许髋部位置的调整基于放置于装置的后部上的负载。

通过可调整髋部枢轴407的调整，可现在改变较早描述的方程式中2的杠杆臂长度。具体来说，返回参考图2d及方程式2，可将L₁₃₇改变以适合于正携载的负载，从而允许外骨骼或人减小所述人必须施加于其髋部处以实时地平衡负载的扭矩。

虽然关于本发明的优选实施例进行描述，但应理解，可在不背离本发明的精神的情况下做出各种改变及/或修改。当然，存在用以改变相对于外骨骼穿戴者的髋部的外骨骼髋部枢轴偏移的许多可能方式。举例来说，外骨骼的骨盆部分可具有允许穿戴者通过将把手转动连接到螺杆而手动调整骨盆的深度(即，改变从装置的后部到髋部枢轴的距离)的螺杆机构。或者，所述装置可通过对连接到螺杆的电机进行供电而自动调整此位置。在极简单实施例中，可将不同厚度的衬垫放置于用户的躯干与外骨骼的后部之间，使得将基于衬垫的厚度而改变外骨骼与用户髋部枢轴之间的相对距离。

在此第三实施例的一个实例中，工作者正穿戴具有可调整髋部枢轴定位的工具固持外骨骼。在工作者在长时间周期内操作重型工具时，外骨骼髋部枢轴相对于工作者的髋部在向前位置中，以便减小外骨骼的髋部枢轴处的向前扭矩。当工作者进行此工具使用任务时，工作者拉动啮合电机的开关，所述电机将可调整髋部枢轴向后改变到与工作者的髋部对准的位置中。在外骨骼髋部枢轴处于此经对准位置中的情况下，工作者能够较容易地穿着外骨骼操纵及行走，从而允许将工具固持外骨骼重新定位到其中需要工具使用的下一位置。当工作者到达其中需要工作的新位置时，工作者再次拉动啮合电机的开关，所述电机将外骨骼髋部枢轴调整到向前位置(在外骨骼平衡方面最适合于经扩展工具使用的位置)中。

在其它实施例中，具有可在矢状平面中从外骨骼穿戴者的髋部向前或向后两者移位的可调整外骨骼髋部可为有利的。此将允许向前或向后扭矩的减小，且对于针对极重前部负载的暂时提升而设计的外骨骼(例如将可能具有执行类叉车重型物体堆叠、拆堆叠、重新定位或装载任务的经致动髋部的外骨骼)来说可为有利的。这些外骨骼将可能安装有用以在正进行前部提升或负载携载时将髋部扭矩向前偏移的极重后配重，且当外骨骼的前部无负载时将经受显著向后扭矩。在前部有负载时的外骨骼髋部枢轴的向前调整及在无负载时的外骨骼髋部枢轴的向后调整在减小髋部扭矩及抵消髋部扭矩所需要的对应外骨骼致动器功率方面将为有利的。在任何情形中，外骨骼髋部枢轴与用户的髋部枢轴在躯干与腿支撑件之间的某一角度范围内不对准。

在其他实施例中，可期望髋部枢轴为多中心的。多中心关节是其中关节中心随输入连杆与输出连杆之间的角度移动而移动的关节。此项技术中众所习知的简单实例是四杆连杆机构。将四杆连杆机构设计且用作髋部枢轴是可能的，使得当外骨骼穿戴者垂直站立时，髋部枢轴通常如上文所论述的第一实施例中将期望而在外骨骼前面，但使得所述髋部枢轴随髋部角度变得大得多(例如当人坐下或蹲下时)而向后且朝向通常拟人位置移动。此实施例具有以下优点：在站立期间提供向前髋部枢轴，但在大的路程期间将髋部枢轴移动到拟人位置，使得在这些操纵期间外骨骼与用户之间的运动并不大。应理解，此实施例可连同本文中所揭示的其它实施例(包含经致动外骨骼济其中髋部枢轴位置为可调整的外骨骼)一起使用。此处未揭示多中心连杆机构的细节，但基于本发明，所属领域的技术人员可容易地设计出一种在随髋部角度而变的不同位置之间连续移动髋部枢轴以实现各种最优配置(即，针对负载将在前部的外骨骼，枢轴可在站立期间向前移动；针对其中负载将在后部的外骨骼，枢轴在站立期间向后移动)的连杆机构。

最后，应认识到在所有实施例中，外骨骼可承受用户的重量。替代地，在所有实施例中，外骨骼可如针对外骨骼应用为优选而仅支撑外骨骼及工具或负载的重量。另外，在所有实施例中，外骨骼可具有一或多个经致动关节，包含但不限于髋关节及膝关节。这些经致动关节可或可不帮助外骨骼及外骨骼穿戴者的推进。

Claims (14)

1.一种外骨骼，其经配置以耦合到用户，所述外骨骼包括：

第一腿支撑件及第二腿支撑件，所述第一腿支撑件及第二腿支撑件经配置以耦合到所述用户的下肢且在站相期间搁置于支撑表面上；及

外骨骼躯干，其经配置以耦合到所述用户的上身，所述躯干在相应外骨骼髋部枢轴处与所述第一腿支撑件及所述第二腿支撑件中的每一者互连以允许在所述第一腿支撑件及所述第二腿支撑件与外骨骼躯体之间围绕相应外骨骼髋部轴挠曲及延伸，其中所述外骨骼髋部轴不与所述用户的髋部枢轴对准。

2.根据权利要求1所述的外骨骼，其进一步包括连接到所述外骨骼的负载，其中所述外骨骼髋部轴在连接到所述外骨骼的所述负载的方向上相对于所述用户的所述髋部枢轴移位。

3.根据权利要求2所述的外骨骼，其进一步包括经配置以将所述负载固持在所述用户前面且经配置以耦合到所述躯干的承载臂，其中所述外骨骼髋部轴从所述用户的所述髋部枢轴向前移位。

4.根据权利要求2所述的外骨骼，其进一步包括经配置以将负载固持所述用户后面且经配置以耦合到所述躯干的承载臂，其中所述外骨骼髋部轴从所述用户的所述髋部枢轴向后移位。

5.根据权利要求2所述的外骨骼，其中所述外骨骼髋部枢轴可相对于所述躯干移动，借此所述外骨骼髋部轴可选择性地与所述用户的所述髋部枢轴不对准。

6.根据权利要求5所述的外骨骼，其中所述外骨骼髋部轴可选择性地从所述用户的所述髋部枢轴向前或向后定位。

7.根据权利要求1所述的外骨骼，其中所述外骨骼髋部枢轴与所述用户的所述髋部枢轴在所述躯干与所述腿支撑件之间的某一角度范围内不对准。

8.根据权利要求7所述的外骨骼，其中所述外骨骼髋部枢轴为多中心的。

9.一种控制外骨骼的髋部几何形状的方法，所述外骨骼包含：第一腿支撑件及第二腿支撑件，所述第一腿支撑件及第二腿支撑件经配置以耦合到人的下肢且在站相期间搁置于支撑表面上；及外骨骼躯干，其经配置以耦合到所述人的上身且携载负载，所述外骨骼躯干在相应外骨骼髋部枢轴处与所述第一腿支撑件及所述第二腿支撑件中的每一者互连以允许在所述第一腿支撑件及所述第二腿支撑件与所述外骨骼躯干之间围绕相应髋部轴挠曲及延伸，所述方法包括：

使所述外骨骼髋部枢轴中的每一者的位置相对于所述外骨骼躯干变化以当所述腿支撑件搁置于所述支撑表面上时，减小由所述负载围绕所述外骨骼髋部枢轴产生的扭矩。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述外骨骼髋部枢轴相对于所述外骨骼躯干向前移位。

11.根据权利要求9所述的方法，其中所述外骨骼髋部枢轴相对于所述外骨骼躯干向后移位。

12.根据权利要求9所述的方法，其中所述外骨骼髋部枢轴相对于所述外骨骼躯干自动移位。

13.根据权利要求9所述的方法，其中所述外骨骼髋部枢轴相对于所述外骨骼躯干手动向前。

14.根据权利要求9所述的方法，其中所述外骨骼髋部枢轴经移位以便与耦合到所述外骨骼的人的髋部枢轴不对准，其中所述外骨骼髋部枢轴在某一角度范围内选择性地移位。