CN108471865A - 躯干支撑外骨骼及使用方法 - Google Patents

Abstract

躯干支撑外骨骼包括：支撑躯干；被构造为与人的大腿一致地移动的大腿连接件；以及大致靠近人的髋部而位于人的左半部分和右半部分的第一转矩发生器和第二转矩发生器。转矩发生器将支撑躯干联接至大腿连接件，并在大腿连接件和支撑躯干之间产生转矩。当人向前弯曲使得支撑躯干的预定部分从垂直线越过预定角度时，转矩发生器在支撑躯干和大腿连接件之间施加阻力矩，从而导致支撑躯干对人的躯干施加力并且大腿连接件将力施加到人的大腿上。当预定部分未越过预定角度时，转矩发生器不在支撑躯干和相应的大腿连接件之间施加任何阻力矩。

Description

躯干支撑外骨骼及使用方法

技术领域

本发明总体涉及外骨骼，更具体而言涉及用于减小使用者背部的肌肉力量的躯干支撑外骨骼。

背景技术

一般而言，被构造为辅助人弯曲、提升和/或直立的背部支撑装置在本领域中是已知的。美国专利第6,436,065号、美国专利第5,951,591号、美国专利第5,176,622号和美国专利第7,744,552号、美国专利第1,409,326号以及美国专利第4,829,989号描述了在弯曲期间产生力矩以抵消因人的躯干重量造成的力矩的装置。这些系统利用无源的弹簧阻力在佩戴者的躯干和腿之间产生转矩。通过在髋部产生复原力矩，脊骨的L5/S1区域受伤的可能性大大降低。一旦躯干和腿之间的角度在弯腰、蹲下或行走期间达到预定角度，该装置就提供阻力；然而，这些装置都不区分步行和弯曲，或者坐着和弯曲。这意味着使用者使用这些无源装置不能舒适地行走，因为使用者的腿在行走期间必须推靠这些无源装置。类似地，使用者使用这些无源装置不能舒适地坐着，因为使用者的腿在坐着时必须推靠这些装置。这是不舒适并且危险的，防止了使用者无限制地移动，并且是避免在各种工业环境中使用这些系统的最重要的原因。

发明内容

本发明涉及一种躯干支撑外骨骼，其被构造为由人佩戴以减小向前弯腰期间人的背部的肌肉力量。一般而言，躯干支撑外骨骼包括：支撑躯干，其被构造为联接至人的躯干；两个大腿连接件，它们被构造为与人的大腿一致地移动，使得导致相应的大腿连接件相对于支撑躯干屈曲和伸展；以及两个转矩发生器，它们大致靠近人的髋部(hip)而位于人的左半部分和右半部分。转矩发生器将支撑躯干联接至相应的大腿连接件并且被构造为在大腿连接件和支撑躯干之间产生转矩。在操作中，当人在矢状面中向前弯曲使得支撑躯干的预定部分从垂直重力线越过预定角度时，第一转矩发生器或第二转矩发生器中的至少一个在支撑躯干和至少一个大腿连接件之间施加阻力矩。这导致支撑躯干对人的躯干施加力，并且至少一个大腿连接件将力施加到人的大腿上。当支撑躯干的预定部分从垂直重力线未越过预定角度时，第一转矩发生器和第二转矩发生器在大腿连接件的整个运动范围内不在支撑躯干和相应的大腿连接件之间施加任何阻力矩。

在考虑以下详细描述和附图后，本发明的其他目的、特征和优点将变得清楚，其中贯穿各图，相同的附图标记表示相同的特征。

附图说明

图1示出了本发明的躯干支撑外骨骼；

图2示出了在前倾的人身上的本发明的躯干支撑外骨骼；

图3描绘了本发明的躯干支撑外骨骼；

图4描绘了转矩发生器的实施方式；

图5描绘了转矩发生器的实施方式；

图6描绘了转矩发生器的实施方式；

图7描绘了转矩发生器的实施方式；

图8描绘了转矩发生器的实施方式；

图9描绘了转矩发生器的实施方式；

图10描绘了转矩发生器的实施方式；

图11描绘了转矩发生器的实施方式；

图12描绘了转矩发生器的实施方式；

图13描绘了支撑躯干的实施方式；

图14描绘了支撑躯干的调节的实施方式；

图15描绘了支撑躯干的调节的实施方式；

图16描绘了支撑躯干的调节的实施方式；

图17描绘了支撑躯干的实施方式；

图18描绘了支撑躯干的实施方式；

图19描绘了快速释放机构的实施方式；

图20描绘了快速释放机构的实施方式

图21描绘了示出由人佩戴着的躯干支撑外骨骼的实施方式的前部四分之三视图；

图22描绘了示出由人佩戴着的图21的躯干支撑外骨骼的后部四分之三视图；

图23描绘了示出由人佩戴着的具有脊骨旋转能力的躯干支撑外骨骼的实施方式的后部四分之三视图；

图24描绘了示出具有用于抵抗脊骨侧向旋转的抵抗元件的由人佩戴着的图23的躯干支撑外骨骼的后视图；

图25描绘了示出由人佩戴着的图24的实施方式的后视图，其中抵抗元件是片簧；

图26描绘了腰部高度处的俯视图，其示出了人佩戴着的躯干支撑外骨骼的实施方式，该实施方式具有联接至转矩发生器的悬吊装置；

图27描绘了腰部高度处的俯视图，其示出了人佩戴着的图27的实施方式，其中悬吊装置联接至下部框架；

图28描绘了示出图21的躯干支撑外骨骼的前部四分之三视图，其中为了清楚起见移除了人的身体；

图29描绘了示出下部框架的实施方式的截面图，其中下部拐角杆由收缩销锁定；

图30描绘了图29的实施方式，其中收缩销已经缩回并且下部拐角杆可自由滑动；

图31描绘了图示上部框架调节能力的图28的躯干支撑外骨骼；

图32描绘了图示上部前框架调节能力的图28的躯干支撑外骨骼的后部四分之三视图；

图33描绘了图28的躯干支撑外骨骼的后部四分之三视图，其中外部物体联接至脊骨框架和下部框架；

图34描绘了图示外部物体到上部框架的附接的躯干支撑外骨骼的实施方式的后部四分之三视图；

图35描绘了由人佩戴着的人机界面的前部四分之三视图；

图36描绘了图35的人和人机界面的后部四分之三视图；

图37描绘了快速释放机构的实施方式；

图38描绘了快速释放机构的实施方式；

图39描绘了快速释放机构的实施方式；

图40A和图40B描绘了防坠落安全带；

图41描绘了联接装置的实施方式；

图42描绘了联接装置的实施方式；

图43描绘了联接装置的实施方式；

图44描绘了联接装置的实施方式；以及

图45描绘了联接装置的实施方式。

具体实施方式

图1示出了躯干支撑外骨骼100的实施方式。它被构造为由人200佩戴以减小向前弯腰期间人的背部的肌肉力量。图2示出了在向前弯腰期间的人200。躯干支撑外骨骼100包括支撑躯干102，该支撑躯干102被构造为联接至人的躯干202。人的躯干202被定义为人的中央部分，颈部和四肢从该中央部分伸出。躯干包括胸部和腹部。

躯干支撑外骨骼100还包括第一大腿连接件104和第二大腿连接件106，第一大腿连接件104和第二大腿连接件106被构造为联接至人200的相应的大腿204和206。如图1所示，第一大腿连接件104和第二大腿连接件106被构造为分别与人的大腿204和206一致地移动，使得导致相应的第一大腿连接件104和第二大腿连接件106相对于支撑躯干102屈曲和伸展。第一大腿连接件104相对于支撑躯干102的屈曲被定义为当第一大腿连接件104和支撑躯干102朝向彼此旋转时。这由图2中的箭头220示出。类似地定义第二大腿连接件106相对于支撑躯干102的屈曲。第一大腿连接件104相对于支撑躯干102的伸展被定义为当第一大腿连接件104和支撑躯干102远离彼此旋转时。这由图2中的箭头222示出。类似地定义第二大腿连接件106相对于支撑躯干102的伸展。

躯干支撑外骨骼100还包括第一转矩发生器108和第二转矩发生器110。第一转矩发生器108被构造为在第一大腿连接件104和支撑躯干102之间产生转矩。第二转矩发生器110被构造为在第二大腿连接件106和支撑躯干102之间产生转矩。在本发明的一些实施方式中，第一转矩发生器108和第二转矩发生器110大致靠近人的髋部而位于人200的左半部分和右半部分。

在操作中，当人200在矢状面中向前弯曲使得支撑躯干102的预定部分从垂直线244越过预定角度242时，第一转矩发生器108或第二转矩发生器110中的至少一个在支撑躯干102与第一大腿连接件104和第二大腿连接件106中的至少一个之间施加阻力矩。这导致支撑躯干102对人的躯干202施加支撑躯干力230。在图2的实施方式中，支撑躯干力230通常施加在人的胸部区域210上。同时，第一大腿连接件104和第二大腿连接件106中的至少一个将力施加到人的大腿204和206上。由支撑躯干102对人的躯干202施加的支撑躯干力230有助于减小在208的大致区域处的人的腰部的肌肉力量。

如图3所示，当人200不处于弯曲姿势时(即，当支撑躯干102的预定部分从垂直线未越过预定角度242时)，第一转矩发生器108和第二转矩发生器110在第一大腿连接件104和第二大腿连接件106的整个运动范围内不在支撑躯干102和相应的第一大腿连接件104和第二大腿连接件106之间施加任何阻力矩。这意味着只要人200不是处于弯曲姿势(即，如图3所示，当支撑躯干102的预定部分从垂直线244未越过预定角度242时)，人200可以在没有任何来自支撑躯干102的施加在人200上的力的情况下行走、上下楼梯和坡道。然而，如果人200在矢状面中向前弯曲(即，如图2所示，支撑躯干102的预定部分从垂直线244越过预定角度242)，来自支撑躯干102的支撑躯干力230将有助于支撑人的躯干202。图2示出了人200弯曲的例子。图3示出了人200未弯曲的例子。图2还示出了其中由242示出从垂直线的预定角度的实施方式。在该实施方式中，支撑躯干102的预定部分由246示出。由于如箭头240所示，人200在图2中已经弯曲并且预定部分246已经越过了预定角度242，因此支撑躯干力230施加在人的躯干202上。预定角度242的例子可以是5度、10度或15度。在一些实施方式中，预定角度242可以是零。由于人200在图3中没有弯曲，因此预定部分246未越过预定角度242，并且没有力施加在人的躯干202上。

图4示出了第一转矩发生器108的实施方式。第二转矩发生器110是第一转矩发生器108的镜像体，因此这里仅描述第一转矩发生器108。在实施方式中，除了其他部件之外，第一转矩发生器108还包括被构造为联接至支撑躯干102的上支架112。支撑躯干102未在图4中示出，但是这种联接在图1和图2中被示出。第一转矩发生器108还包括下支架114，下支架114被构造为联接至第一大腿连接件104，并且围绕外骨骼关节126可旋转地联接至上支架112。在本发明的一些实施方式中，上支架112和下支架114围绕外骨骼关节126相对于彼此旋转。第一转矩发生器108还包括可围绕摆接头117旋转地联接至上支架112的摆116。第一转矩发生器108还包括滑动地联接至上支架112的卡合支架118。箭头132和134示出了卡合支架118和上支架112之间的滑动运动。在图4的实施方式中，滑动运动由轨道136和滑架138提供。轨道136安装在上支架112上。滑架138安装在卡合支架118上。第一转矩发生器108另外包括压缩弹簧120，压缩弹簧120从其第一端部122围绕第一端部接头123可旋转地联接至下支架114。压缩弹簧120还从其第二端部124围绕第二端部接头125可旋转地联接至卡合支架118。在图4所示的本发明的一些实施方式中，压缩弹簧120是由杆128和气缸129构成的气体弹簧。在实施方式中，第一转矩发生器108还包括锁定销166，用于锁定滑动器162在通道160中的位置。

在操作中，当支撑躯干102的预定部分246越过预定角度242时(如图5所示)，摆116与卡合支架118接触。这防止了卡合支架118滑动，使压缩弹簧120能够在上支架112和下支架114之间提供阻力矩。此外，当支撑躯干102的预定部分未越过预定角度242时(如图6所示)，摆116与卡合支架118不接触。这造成卡合支架118可在上支架112上自由滑动。这意味着在该构造中，压缩弹簧120未被压缩并且不在上支架112和下支架114之间提供阻力矩。在这种情况下，人员200可以自由地步行、上下楼梯和坡道。

图5和6示出了卡合支架118的实施方式。在该实施方式中，卡合支架118包括几个齿130。卡合支架118和摆116形成棘齿机构。棘齿机构是只允许在一个方向上进行连续的线性或旋转运动同时防止相反方向的运动的机械装置。当摆116与卡合支架118接触时，卡合支架118不能相对于摆116和上支架112沿着第一方向132滑动，但是可自由地沿着第二方向134移动。图5示出了支撑躯干102的预定部分已经越过预定角度242的情况。摆116由于其重力已经与卡合支架118接触(即，在重力下，摆116的重量使其摆动到与卡合支架118接触)。这防止了卡合支架118沿着方向132滑动。这造成压缩弹簧120被压缩并且在上支架112和下支架114之间提供阻力矩。

图7示出了第一转矩发生器108的实施方式。在该实施方式中，第一转矩发生器108还包括允许调节预定角度242的角度调节机构140。调节机构140可以用来改变预定角度242。在图7所示的一些实施方式中，摆116是磁性的。角度调节机构140还包括磁性调节螺钉142a，该磁性调节螺钉142a位于上支架112上的紧靠摆116的调节螺钉孔144中。在操作中，当转动磁性调节螺钉142a以改变其相对于摆116的位置时，预定角度242改变。磁性调节螺钉142a越靠近摆116，预定角度242越大。这是事实，因为当磁性调节螺钉142a越靠近摆116时，支撑躯干102以及因此上支架112必须弯曲得更多，以便作用在摆116上的重力克服将摆116向磁性调节螺钉142a吸引的磁力。可使用调节机构140来将预定角度242设定为期望的角度。图8示出了磁性调节螺钉142b的实施方式。在该实施方式中，磁性调节螺钉142b由调节紧固件146和调节磁体148构成，其中调节磁体148联接至调节紧固件146。在本发明的一些实施方式中，如图8所示，调节磁体148被插入到调节紧固件146中。

图9示出了转矩发生器108的实施方式，其中使用手动操作的超控机构150来完全防止摆116接触卡合支架118，并且因此停用转矩发生器108。在本发明的一些实施方式中，如图9所示，摆116是磁性的并且超控机构150包括在上支架112上滑动的超控滑动器151以及联接至超控滑动器151的超控磁体152。在操作中，当使用者将超控滑动器151移动到图9所示的其超控位置时，超控磁体152将摆116吸引到其非接触位置，从而允许卡合支架118自由移动。当超控滑动器151移动到图10所示的其非超控位置时，超控磁体152不会将摆116吸引到其非接触位置，从而当支撑躯干102的预定部分越过预定角度242时，允许摆116与卡合支架118接触。本领域的普通技术人员将理解，可以有防止摆116接触卡合支架118的其他方法。

压缩弹簧120相对于外骨骼关节126的位置决定转矩发生器108的转矩输出的大小。可以改变压缩弹簧120的第一端部122的位置以产生各种转矩。图11示出了压缩弹簧120的第一端部122的位置距离外骨骼关节126的距离164比图12中的距离164更远的情况，从而允许更多的转矩。相应地，图12示出了压缩弹簧120的第一端部122位于更接近外骨骼关节126的情况，其中它产生较少的转矩。图11和图12中弹簧距离164的比较表明，当弹簧距离164更大时，可以提供更多的转矩。在本发明的一些实施方式中，该转矩调节通过改变滑动块162在通道160内的位置来实现。滑动块162可旋转地联接至压缩弹簧120的第一端部122并且能够在通道160中具有多个位置。通道160形成在下支架114内。在操作中，调节滑动块162在通道160中的位置允许压缩弹簧120相对于外骨骼关节126有各种位置，因此允许各种转矩水平。锁定销166用于锁定滑动块162在通道160中的位置。从图11和图12中可以看出，滑动块162具有三个位置。这些位置由滑动块162中的三个凹口确定。通过将滑动块162定位在各种位置并通过锁定销166将其锁定，可以提供各种水平的转矩。

图13示出了支撑躯干102的实施方式。在该实施方式中，支撑躯干102包括第一侧支架402和第二侧支架404，它们联接至第一转矩发生器108和第二转矩发生器110。支撑躯干102还包括与人200接触的胸板406。特别地，胸板406在人的胸部210的大致区域中与人的躯干202的前部接触以施加支撑躯干力230(如图2所示)。在操作中，当人200向前弯曲并且转矩发生器108和110接合时，支撑躯干102的胸板406对人的躯干202施加支撑躯干力230，并将该支撑躯干力230施加到人的胸部区域上。如图13的实施方式所示，两个侧支架402和404的位置可相对于第一转矩发生器108和第二转矩发生器110进行调节，以将胸板406保持在适当的位置。图13示出了本发明的一个实施方式，其中侧支架402和404的位置可以调节。在图14中可以看出，侧支架402包括多个侧支架孔410，并且转矩发生器108包括至少一个销412。对可以插入至少一个销412的侧支架孔410中之一的选择指定了侧支架402相对于转矩发生器108的位置。图15和图16示出了，在一些实施方式中，销412通过弹簧加载板414联接至转矩发生器108。弹簧加载板414具有两个位置。在操作中，当弹簧加载板414处于其第一位置时，销412将穿过一个侧支架孔410并且侧支架402不能自由滑动。当弹簧加载板414处于其第二位置(如图16所示)时，销412没有插入任何侧支架孔410中，并且侧支架402可在转矩发生器108中自由滑动。

图17示出了本发明的实施方式，其中侧支架402和404之间的水平距离可以通过调节侧支架402和404相对于胸板406的联接位置来调节。在该实施方式中，侧支架402包括宽度调节孔420。胸板406包括胸腔通道422。胸腔通道422包括多个胸板孔424。在穿过宽度调节孔420和胸板孔424的紧固件426的帮助下，胸板406与侧支架402的连接导致支撑躯干102的宽度的调节。图17示出了胸板406还包括胸垫408的实施方式。胸垫408能够相对于所述胸腔通道422移动和旋转。在一些实施方式中，胸垫408相对于胸腔通道422的运动和旋转的幅度受到限制。这些旋转允许人200相对于胸板406轻微移动。在操作过程中，当人200弯曲时，胸板406将支撑躯干力230施加到人的胸部210上(如图2所示)。重要的是，支撑躯干力230被分布在力分布保持与人胸部相当垂直的区域上。为此，胸垫408具有相对于胸腔通道422的所有可能的自由度。这些自由度确保了力分布保持与人的胸部轮廓相当垂直。另外，在人的胸部210和胸垫408之间不会发生任何摩擦力。

图21和图22示出了人200所佩戴的支撑躯干102的另一个实施方式的两个视图。支撑躯干102包括大致位于人200后面的下部框架302。下部框架302被构造为部分地围绕人的躯干202并且从人200的两侧联接至第一转矩发生器108和第二转矩发生器110。如图22所示，支撑躯干102还包括位于人200后面的脊骨框架304。在本发明的一些实施方式中，脊骨框架304可旋转地联接到下部框架302。支撑躯干102另外包括联接至脊骨框架304的上部框架306。在本发明的一些实施方式中，上部框架306被构造为与人的躯干202的大致区域接触，以在人的躯干202的前部上施加力230。在本发明的一些实施方式中，上部框架306与人的躯干202的总体胸部区域210接触以施加力230。在本发明的一些实施方式中，上部框架306与人的躯干202的总体肩部区域218接触以施加力230。在一些实施方式中，脊骨框架304沿着与人的腰椎中侧屈曲和伸展轴线214中的一个大致平行的轴线相对于下部框架302旋转。如图3所示，脊骨框架304相对于下部框架302围绕轴线308旋转。轴线308大致平行于人的腰椎中侧屈曲和伸展轴线214中的一个。箭头310示出了脊骨框架304围绕轴线308相对于下部框架302旋转的方向。在一些实施方式中，脊骨框架304沿着与人的头-尾轴线216大致平行的轴线312相对于下部框架302旋转。箭头314示出了围绕轴线312的这种旋转的方向。

图24示出了本发明的一个实施方式，其中支撑躯干102还包括至少一个抵抗元件316，以提供抵抗脊骨框架304相对于下部框架302的旋转运动318的阻力。在本发明的一些实施方式中，抵抗元件316选自气体弹簧、片簧、拉伸弹簧、压缩弹簧及其组合。图25示出了本发明的一个实施方式，其中抵抗元件是片簧319a、319b。在本发明的一些实施方式中，如图25所示，对于脊骨框架304相对于下部框架302的有限范围的运动，抵抗元件319a、319b不抵抗旋转运动。图26示出了本发明的一个实施方式的俯视图，其中下部框架302包括悬吊装置321。悬吊装置321在人200的每侧与躯干支撑外骨骼100联接。悬吊装置321被构造为在人200与下部框架302之间提供距离323，以防止人200与下部框架302之间接触。在图26中可以看出，在本发明的一些实施方式中，悬吊装置321联接至转矩发生器108和110。在图27中可以看出，在本发明的一些实施方式中，悬吊装置321联接至下部框架302。

图28示出了本发明的一个实施方式，其中下部框架302的宽度可调节以适应各种人。箭头322和324分别表示增加和减小宽度的方向。在一些实施方式中，下部框架302的深度可调节以适应各种人。箭头326和328分别表示增加和减小深度的方向。在图28所示的本发明的一些实施方式中，下部框架302包括下部中间杆330和两个下部拐角杆332a、332ba、332a、332bb。下部拐角杆332a、332ba、332a、332bb可以在下部中间杆330上的各种位置334处联接至下部中间杆330，以为下部框架302提供期望的宽度调节以适应各种人。

图28和图29示出了下部框架302的一个实施方式的横截面，其中使用手动收缩销336在各种位置334处将下部拐角杆332a、332b联接至下部中间杆330。在图29中可以看出，下部中间杆330具有通道截面并且拐角杆具有矩形截面，以提供沿箭头322和324的滑动运动，从而进行调节。图29示出了其中收缩销336插入下部框架302中的构造。图30示出了收缩销336从位置334缩回，因此下部拐角杆332a、332b可在下部中间杆330内自由滑动。

在本发明的一些实施方式中，如图28所示，下部框架302还包括两个相对的侧支架342a、342b。每个侧支架342a、342b都可以在下部框架302上的各种位置344处联接至下部框架302的其余部分，以为下部框架302提供期望的深度调节，从而适应各种人。在本发明的一些实施方式中，类似于下部框架的宽度调节程序，已经使用手动收缩销336在各种位置344处将相应的侧支架342a、342b联接至下部框架302。图31示出了本发明的一个实施方式，其中支撑躯干102的上部框架306的宽度可调节以适合各种人。箭头346和348分别表示增加和减小宽度的方向。在一些实施方式中，支撑躯干102的上部框架306的深度可调节以适应各种人。箭头350和352分别表示增加和减小深度的方向。

上部框架306包括联接至脊骨框架304的上部后框架354。上部框架306还包括联接至上部后框架354的上部前框架356。例如，如图21所示，上部前框架356被构造为与人的躯干202的前部(例如，胸部210和肩部218的大致区域)接触。在图31所示的本发明的一些实施方式中，上部后框架354包括上部中间杆358和两个上部拐角杆360a、360b。上部拐角杆360a、360b可以在上部中间杆358上的各种位置362处联接至上部中间杆358，以为上部框架306提供期望的宽度调节，从而适应各种人。在本发明的一些实施方式中，如图32所示，类似于下部框架302的宽度调节程序，已经使用手动伸缩销336在各种位置362处将上部拐角杆360a、360b联接至上部中间杆358。在图32所示的本发明的一些实施方式中，上部前框架356包括联接至上部后框架354的两个连接构件364a、364b。上部前框架356还包括联接至连接构件364a、364b的至少一个胸板366。至少一个胸板366与人的躯干的前部(例如，胸部210和肩部218的大致区域)接触。连接构件364a、364b可以选自刚性构件、半刚性构件、带、可调节长度的带环以及它们的组合。

图32示出了本发明的一个实施方式，其中上部前框架356的宽度可调节以适应各种人。箭头368和370分别表示增加和减小宽度的方向。如图32所示，在本发明的一些实施方式中，连接构件364a、364b可以在各种位置372处联接至上部后框架354的其余部分，以为上部框架306提供期望的深度调节，从而适应各种人。在图32的实施方式中，各种位置32形成为用于容纳连接元件364a、364b(例如，带)的凹口。在本发明的一些实施方式中，上部框架306被构造为沿着脊骨框架304线性地滑动。图32中的箭头374表示沿着脊骨框架304的线性滑动运动的方向。在本发明的一些实施方式中，如图32所示，上部框架306被构造为沿着脊骨框架304的主轴线312在脊骨框架304上旋转。箭头314表示该旋转。在本发明的一些实施方式中，躯干支撑外骨骼100也可以用于承载外部物体。在一些实施方式中，图33所示的外部物体保持器382(例如，承载钩)可以安装在躯干支撑外骨骼100上，以将外部物体联接至躯干支撑外骨骼100。如图33所示，外部物体保持器382可以安装在脊骨框架304上。同样在图33中示出，外部物体保持器382也可以安装在下部框架302上。外部物体可以是背包、箱子和其他重物。图34示出了本发明的一个实施方式的分解图，其中外部物体378可以直接联接至上部框架306。在这种情况下，躯干支撑外骨骼100还包括限制上部框架306沿脊骨框架304的滑动运动的锁定元件380。图34示出了上部框架306的实施方式，其中上部拐角杆360a、360b具有多个联接特征，例如用于将外部物体378连联接至上部框架306的螺纹孔376。

如图35所描绘的，躯干支撑外骨骼100可以联接至被构造为由人200佩戴的人体连接系统500。在本发明的一些实施方式中，如图35和图36所示，人体连接系统500包括佩戴在人的腰部上的腰带502。在本发明的一些实施方式中，人体连接系统500包括佩戴在人200的肩部上的两个肩带504。在本发明的一些实施方式中，人体连接系统500包括佩戴在人200的胸部上的胸带506。在本发明的一些实施方式中，人体连接系统500包括围绕人200的大腿佩戴的两个大腿带508。在本发明的一些实施方式中，人体连接系统500包括连接人200后面的两个大腿带508的桥接带510。在本发明的一些实施方式中，人体连接系统选自由安全带、工具带吊带、工具带、攀爬带、建筑工人防坠落安全带组成的组及其任何组合。通常，存在将躯干支撑外骨骼100联接至人体连接系统500的各种方法。重要的问题是确保躯干支撑外骨骼100联接至人体连接系统500，使得躯干支撑外骨骼100在所有类型的操纵期间稳健地停留在人200上。在本发明的一些实施方式中，转矩发生器108和110被构造为联接至人体连接系统500。在本发明的一些实施方式中，支撑躯干102被构造为联接至人体连接系统500。在本发明的一些实施方式中，转矩发生器108和110被构造为联接至腰带502。在本发明的一些实施方式中，支撑躯干102被构造为联接至腰带502。在本发明的一些实施方式中，支撑躯干102被构造为联接至胸带506。在本发明的一些实施方式中，支撑躯干102被构造为联接至肩带504。上述所有实施方式中的联接可以通过使用维可牢(Velcro)、旋钮、束带、缝合、胶水和其他联接机构来发生。实际上，在本发明的一些实施方式中，例如，躯干支撑外骨骼100被构造为通过使用图37中描绘的快速释放机构530而被联接至人体连接系统500。当躯干支撑外骨骼100与图40A和图40B所示的防坠落安全带570一起使用时，这是特别有用的。躯干支撑外骨骼100可以通过下面描述的快速释放机构530联接至防坠落安全带570。

图37示出了用于将转矩发生器108或支撑躯干102联接至腰带502的快速释放机构530的实施方式。快速释放机构530包括保持支架532和旋钮540。保持支架532包括形成在保持支架532内的腔534。保持支架532还包括可围绕接头544旋转的解锁杠杆536。解锁杠杆536具有两个位置：锁定位置和解锁位置。图38示出了快速释放机构530，其中解锁杠杆536处于解锁位置并且旋钮540朝向腔534移动。图39示出了快速释放机构530，其中旋钮540已经移动到其最终目的地并且解锁杠杆536处于锁定位置。在本发明的一些实施方式中，解锁杠杆536相对于保持支架532被弹簧加载。这造成解锁杠杆将自身定位到锁定位置。图37示出了本发明的一个实施方式，其中扭转弹簧542促使解锁杠杆536到其锁定位置。在旋钮540已被放置在腔534中时的操作中，如果解锁杠杆536处于其锁定位置，则旋钮540不能被移除。然而，如果解锁杠杆536处于其解锁位置，则旋钮540可自由地从腔534移除。在本发明的一些实施方式中，旋钮540联接至腰带502并且保持支架532联接至躯干支撑外骨骼100。在本发明的一些实施方式中，保持支架532联接至腰带502并且旋钮540联接至躯干支撑外骨骼100。在本发明的一些实施方式中，旋钮540联接至腰带502并且保持支架532联接至转矩发生器108。在本发明的一些实施方式中，保持支架532联接至腰带502并且旋钮540联接至转矩发生器108。在本发明的一些实施方式中，旋钮540联接至腰带502并且保持支架532联接至支撑躯干102。在本发明的一些实施方式中，保持支架532联接至腰带502并且旋钮540联接至支撑躯干102。

图19示出了快速释放机构590的另一个实施方式，快速释放机构590用于将转矩发生器108或支撑躯干102联接至腰带502。快速释放机构590包括保持支架532和旋钮540。保持支架532包括形成在保持支架532内的腔534。保持支架532还包括解锁杆杠536。解锁杠杆536具有两个位置：锁定位置和解锁位置。图19示出了快速释放机构590，其中旋钮540朝腔534移动。图20示出快速释放机构590，其中旋钮540已经移动到其最终目的地并且解锁杠杆536处于锁定位置。在该实施方式中，解锁杠杆536是片簧，并且当其被推动时，旋钮540可以从腔534移除。

将旋钮540或保持支架532联接至人体连接系统500的腰带502或防坠落安全带570的方法有许多。图41示出了联接装置550的实施方式，其允许旋钮540或保持支架532与人体连接系统500的任何腰带502或防坠落安全带570的这种安全联接。夹紧装置550包括被构造为联接至外骨骼的外板552和内板554。如图43所示，外板552具有诸如螺纹孔588的接合或联接特征以联接至保持支架532或旋钮504。在本发明的一些实施方式中，内板554包括腔564以允许带弯曲。在内板554和外板552彼此推靠时的操作中，腰带502被夹紧在内板554和外板552之间。在本发明的一些实施方式中，内板554和外板552沿轴线556相对于彼此旋转。箭头562示出了内板554和外板552相对于彼此的运动方向。在本发明的一些实施方式中，扭簧560可以用于保持内板554和外板552二者相对于彼此打开或关闭。图42示出了内板554和外板552二者处于打开位置的构造。图43示出了人体连接系统500的腰带502或防坠落安全带570被夹紧在夹紧装置550中的情况。外板552具有诸如螺纹孔588的接合特征以联接至保持支架532或旋钮504。使用弹簧柱塞558将外板552从其夹紧位置锁定和释放。当弹簧柱塞558被拉出时，板552被释放。在本发明的一些实施方式中，通过使用紧固件使内板554和所述外板552彼此推靠。图40示出了其中采用夹紧装置550来将外骨骼联接至防坠落安全带570的实施方式。图44和图45示出了用于将外骨骼联接至由人佩戴的腰带502的联接装置580的另一个实施方式。联接装置580包括块582。块582包括两个开口584和586。当腰带502穿过两个开口584和586时，腰带502被固定到块582上。联接特征588用于将块582联接至外骨骼。

在本发明的一些实施方式中，如图18所示，大腿连接件104和106还包括两个旋转的外展-内收轴线434和436。由于大腿连接件104和106是镜像的，因此这里仅描述大腿连接件104。如图18所示，大腿连接件104和106能够沿着轴线434和436旋转。在本发明的一些实施方式中，大腿连接件104包括被构造为联接至人的大腿的至少一个大腿支持物430。大腿支持物430包括能够执行指示的功能的任何材料或材料的组合。大腿支持物430的材料的例子包括但不限于织物材料、塑料材料、皮革材料、碳纤维材料、金属材料及其组合。在本发明的一些实施方式中，大腿连接件104和106的长度可调节，以适合各种使用者。如图18所示，在本发明的一些实施方式中，使用大腿孔433和紧固件432来调节大腿支持物430的位置。

Claims (30)

1.一种躯干支撑外骨骼，其被构造为由人佩戴以在向前弯腰期间减小人的背部的肌肉力量，所述躯干支撑外骨骼包括：

支撑躯干，其被构造为联接至人的躯干；

第一大腿连接件和第二大腿连接件，它们被构造为与人的大腿一致地移动，使得导致相应的第一大腿连接件和第二大腿连接件相对于支撑躯干屈曲和伸展；以及

第一转矩发生器和第二转矩发生器，它们大致靠近人的髋部而位于人的左半部分和右半部分，分别将支撑躯干联接至第一大腿连接件和第二大腿连接件，并且被构造为在第一大腿连接件和第二大腿连接件与支撑躯干之间产生转矩，其中：

当人在矢状平面中向前弯曲使得支撑躯干的预定部分从垂直线越过预定角度时，第一转矩发生器或第二转矩发生器中的至少一个在支撑躯干与第一大腿连接件和第二大腿连接件中的至少一个之间施加阻力矩，导致支撑躯干对人的躯干施加力并且第一大腿连接件和第二大腿连接件中的至少一个将力施加到人的大腿上，并且

当支撑躯干的预定部分从垂直线未越过预定角度时，第一转矩发生器和第二转矩发生器在第一大腿连接件和第二大腿连接件的整个运动范围内不在支撑躯干与相应的第一大腿连接件和第二大腿连接件之间施加任何阻力矩。

2.根据权利要求1所述的躯干支撑外骨骼，其中，第一转矩发生器和第二转矩发生器中的至少一个包括：

上支架，其被构造为联接至支撑躯干；

下支架，其被构造为联接至第一大腿连接件和第二大腿连接件中的一个并且能旋转地联接至上支架；

摆，其能旋转地联接至上支架；

卡合支架，其滑动地联接至上支架；

压缩弹簧，其能从其第一端部旋转地连接至下支架并且能从其第二端部旋转地联接至卡合支架；

其中，当支撑躯干的预定部分从垂直线延伸超过预定角度时，摆与卡合支架接触并且防止它滑动，导致压缩弹簧在上支架和下支架之间提供阻力矩，并且

其中，当支撑躯干的预定部分从垂直线未延伸超过预定角度时，摆与卡合支架不接触，卡合支架在上支架上自由滑动，并且压缩弹簧在上支架和下支架之间不提供阻力矩。

3.根据权利要求2所述的躯干支撑外骨骼，其中，卡合支架在一侧还包括与摆卡合的齿。

4.根据权利要求2所述的躯干支撑外骨骼，其还包括允许调节预定角度的角度调节机构。

5.根据权利要求4所述的躯干支撑外骨骼，其中，摆是磁性的并且角度调节机构还包括磁性调节螺钉，该磁性调节螺钉位于上支架上的紧靠摆的调节螺钉孔中，其中当转动磁性调节螺钉以改变其相对于摆的位置时，从垂直线的预定角度改变。

6.根据权利要求2所述的躯干支撑外骨骼，其还包括防止摆与卡合支架卡合的超控机构。

7.根据权利要求6所述的躯干支撑外骨架，其中，摆是磁性的，并且超控机构包括：

在上支架上滑动的超控滑动器；以及

联接至超控滑动器的超控磁体，其中当超控滑动器处于其超控位置时，超控磁体使摆缩回并防止摆接触卡合支架；

当超控滑动器处于其非超控位置时，超控磁体不使摆缩回，从而当上支架的预定部分从垂直线越过预定角度时允许摆与卡合支架接触。

8.根据权利要求2所述的躯干支撑外骨骼，其中，压缩弹簧的第一端部在下支架中的位置能够相对于外骨骼关节调节到不同位置，以提供各种转矩水平。

9.根据权利要求8所述的躯干支撑外骨骼，其中，下支架包括通道和滑动块，该滑动块能旋转地联接至压缩弹簧的第一端部并且能够在通道中具有多个位置，并且其中将滑动块定位在通道中的各种位置允许压缩弹簧相对于外骨骼关节有各种位置，因此允许各种转矩水平。

10.根据权利要求1所述的躯干支撑外骨骼，其中，支撑躯干包括联接至第一转矩发生器和第二转矩发生器的两个侧支架以及能够在人的胸部的大致区域中在人的躯干的前部接触的胸板。

11.根据权利要求1所述的躯干支撑外骨骼，其中，支撑躯干相对于第一转矩发生器和第二转矩发生器的位置是能调节的。

12.根据权利要求1所述的躯干支撑外骨骼，其中，躯干支撑外骨骼的宽度能够通过调节支撑躯干的宽度而调节转矩发生器之间的距离来调节。

13.根据权利要求1所述的躯干支撑外骨骼，其中，支撑躯干包括：

大致位于人的后面的下部框架，该下部框架被构造为部分围绕人的躯干并且从人的两侧联接至第一转矩发生器和第二转矩发生器；

位于人的后面的脊骨框架，该脊骨框架能旋转地联接至下部框架；以及

联接至脊骨框架的上部框架，该上部框架被构造为与人的躯干的大致区域接触。

14.根据权利要求13所述的支撑躯干，其中，脊骨框架能够沿着轴线相对于下部框架旋转，该轴线与人的腰椎中侧屈曲轴和伸展轴中的一个大致平行。

15.根据权利要求13所述的支撑躯干，其中，脊骨框架能够沿着与人的头-尾轴线大致平行的轴线相对于下部框架旋转。

16.根据权利要求13所述的支撑躯干，其中，支撑躯干还包括至少一个抵抗元件，以提供抵抗脊骨框架相对于下部框架的旋转运动的阻力。

17.根据权利要求13所述的支撑躯干，其中，下部框架包括在人的每一侧联接至躯干支撑外骨骼的悬吊装置，该悬吊装置被构造为在人和下部框架之间提供距离以防止人与下部框架之间接触。

18.根据权利要求17所述的支撑躯干，其中，下部框架能调节以适应各种人。

19.根据权利要求13所述的支撑躯干，其中，上部框架能调节以适应各种人。

20.根据权利要求13所述的支撑躯干，其中，上部框架被构造为相对于脊骨框架移动。

21.根据权利要求1所述的躯干支撑外骨骼，其中，躯干支撑外骨骼联接至被构造为由人佩戴的人体连接系统。

22.根据权利要求21所述的躯干支撑外骨骼，其中，人体连接系统包括佩戴在人的腰部上的腰带。

23.根据权利要求21所述的躯干支撑外骨骼，其中，人体连接系统包括佩戴在人的肩部上的两个肩带。

24.根据权利要求21所述的躯干支撑外骨骼，其中，人体连接系统包括围绕人的大腿佩戴的两条大腿带。

25.根据权利要求21所述的躯干支撑外骨骼，其中，人体连接系统选自安全带、工具带吊带、工具带、攀爬带、建筑工人防坠落安全带及其任意组合。

26.根据权利要求21所述的躯干支撑外骨骼，其中，转矩发生器被构造为联接至腰带。

27.根据权利要求21所述的躯干支撑外骨骼，其中，躯干支撑外骨骼被构造为通过快速释放机构联接至腰带，其中快速释放机构包括：

旋钮；

保持支架，其包括形成在保持支架内的腔；以及

解锁杠杆，其具有两个位置；

其中当旋钮已经放置在腔中时，如果解锁杠杆处于其第一位置，则旋钮不能被移除，但是如果解锁杠杆处于其第二位置，则旋钮自由地从腔移除。

28.一种外骨骼，其中，该外骨骼被构造为通过快速释放机构联接至防坠落安全带的腰带上，其中快速释放机构包括：

旋钮；

保持支架，其包括形成在保持支架内的腔；以及

解锁杠杆，其具有至少两个位置；

其中当旋钮已经放置在腔中时，如果解锁杠杆处于其第一位置，则旋钮不能被移除，但是如果解锁杠杆处于其第二位置，则旋钮自由地从腔移除。

29.一种用于将外骨骼联接至由人佩戴的腰带的联接装置，其中，该联接装置包括被构造为联接至外骨骼的外板以及内板，其中当内板和外板彼此推靠时，腰带被夹紧在内板和外板之间。

30.一种用于将外骨骼联接至由人佩戴的腰带的联接装置，其中，该联接装置包括具有两个开口的块，其中当腰带穿过两个开口时，腰带被固定到块上。