CN109068835A - 用于加强人的外骨骼的臂的装置及方法 - Google Patents

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N.弗勒明
E.罗杰斯
B.耶格
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Abstract

一种外骨骼(251)包括联接至穿戴者(250)的臂(200)的臂支架(230)和连接至臂支架(230)的拉伸部件(257,258)。促动器(285)将拉力施加在拉伸部件(257,258)上。拉力减小了臂支架(230)与促动器(285)之间的拉伸部件(257,258)的长度，并且使穿戴者(250)的臂(200)在肘部(202)处弯曲。

Description

用于加强人的外骨骼的臂的装置及方法
相关申请的交叉引用
本申请要求享有2016年3月18日提交的且标题为“Devices for Strengthening theArms of Human Exoskeletons”的美国临时申请第62/310352号的权益。该申请的全部内容通过引用并入本文中。
政府许可权利
本发明在美国特种作战司令部授予的合同H92222-15-C-0040下利用政府支持完成。政府拥有本发明中的某些权利。
技术领域
本发明涉及增强穿戴者的承载能力和强度、提高性能并且有助于在某些承重或有强度要求的任务的执行期间防止受伤的装置及方法。更具体而言，本发明涉及适合于由从事重型工具使用或负重任务的人使用的装置，装置各自包括一组假肢、关节以及相关的控制系统，其加强了人的附肢的改进功能，以用于活动，包括但不限于在穿戴者的臂中赋予更大的力量和耐力，以及允许在很长一段时间内使用重型工具。
背景技术
可穿戴外骨骼为医疗、商业以及军事应用设计。医疗外骨骼设计成帮助恢复使用者的移动性。商业和军事外骨骼用于减轻在剧烈活动期间由工人或士兵支撑的负载，由此防止受伤并且增加这些使用者的力量和耐力。
在动力化外骨骼中，外骨骼控制系统规定和控制外骨骼的关节中的轨迹，导致外骨骼的结构的移动，并且在一些情况下，导致由外骨骼支撑的工具的定位。这些控制轨迹可规定为基于位置的方法、基于力的方法，或两种方法的组合，如在阻抗控制器中看见的那些。基于位置的控制系统可通过对规定的位置的修改来直接地修改。基于力的控制系统也可通过对规定的力曲线的修改来直接地修改。由于外骨骼使用者在比例方面有差异，各种调整或定制的动力化外骨骼将略有不同地配合各个使用者。外骨骼控制系统应当考虑在外骨骼使用者比例、外骨骼构造/定制以及外骨骼使用者配合方面的这些差异，以对规定的外骨骼轨迹进行改变。外骨骼使用者可通过经由各种手段与外骨骼控制系统通信来控制外骨骼轨迹的变化，包括但不限于体压传感器、操纵杆、触摸板、手势传感器、语音传感器，以及直接检测神经系统活动的传感器。
虽然外骨骼控制系统将轨迹分配给动力化外骨骼的关节，并且控制这些关节的位置，但是施加于动力化外骨骼关节的实际力由促动器施加。这些促动器可采用多种形式(如本领域中已知的那样)，它们在各种应用中各自具有优点和缺点。在当前的外骨骼中，将力施加在关节上的促动器典型地包括位于该关节近侧的电马达。促动器与关节的协同定位在机械和设计简单性方面具有优势，但是其也具有某些缺点。这些缺点之中最重要的是，将笨重的电马达添加至关节增加了关节的体积，从而限制关节和外骨骼在某些环境中的可操作性。相比之下，考虑人的手指：将力施加在手指关节上的肌肉组织不位于手指关节附近而是位于前臂，其中肌肉收缩拉动肌腱，该肌腱使该力中继越过距离至关节。这具有使手指的体积最小化的优点，从而允许更大的灵活性和手指彼此的更紧密放置两者。此外，与将配合在手指上的相比较，更多的肌肉可位于臂上，从而允许更大的力量。在美国专利第4843921号中描述的一种机械促动装置使用驱动机构，其中电马达在绳索环上扭转，其中该绳索环形成螺旋结构并且在其扭转时缩短，从而将绳索环的两个端部拉动得更靠近一起。以该方式，电马达的激活用于通过绳索环越过距离施加拉力。这允许驱动关节移动的马达位于关节远侧的位置处的设计。
现代士兵将大量的重量随着他们带入战斗行动，包括装备、弹药以及防弹衣。在最近的冲突中，美国步兵实际上承载比全副铠装和武装的中世纪骑士所承受的更多的重量。该承载重量的增加导致许多问题，包括速度降低和受伤风险增加(包括膝盖和背部受伤)，以及从俯卧位站立、爬过物体以及从车辆上拆卸的困难。外骨骼装置(动力化和未动力化两者)有助于解决与在重量增加的情况下行走有关的问题—允许更大的承载能力并且降低受伤风险。然而，使臂的力量增加由许多因素复杂化，包括人的肩部和腕关节的复杂性，以及在战斗中对实质性臂灵活性的需要，这些因素将由附连于臂和肩部的笨重促动器阻碍。此外，重型机器人臂将仅增加士兵(和外骨骼)的重量，导致附加的问题，包括与能量消耗和速度有关的权衡。
鉴于上述情况，存在如下未满足的需求：提供允许外骨骼向人的臂的移动供以动力的装置，其中该装置以如下方式提供动力，以便不约束肩部处的精细运动。对于不限制臂灵活性的向人的臂的移动供以动力的装置而言，并且更具体而言，对于不将实质性重量或体积添加至臂的装置而言，还存在未满足的需求。
发明内容
在本文中公开的是允许在肘关节处对人的臂供以动力的装置，从而允许由这些装置的穿戴者在肘部的屈曲和伸展两者时增加力量，其中向这些装置供以动力的马达位于臂外，并且其中力通过拉伸部件传递至臂。包括附加的装置，其协助在肘部处被供以动力的臂的穿戴者攀爬和提起某些物体。
本发明的主要目的在于提供一种装置，该装置允许力施加于穿戴该装置的人的臂，从而在该人的肘部处屈曲和伸展时提高人的力量。本发明的附加目的在于该装置使重量和体积最小化，特别是在穿戴者的臂上，并且该装置使穿戴该装置的人的灵活性的阻抗最小化。
本发明的附加目的在于提供一种装置，该装置允许穿戴者的手/臂中承载的物体的重量得到补偿和支撑，从而允许穿戴者在较小疲劳的情况下稳定地保持重物且达很长一段时间。
本发明的附加目的在于提供一种装置，该装置允许赋予在装置的穿戴者之上的增强的臂力量来以如下方式有效地围绕穿戴者的手转移，以便使附加力的施加最大化，以加强由穿戴者的攀爬或类似活动。
动力至外骨骼臂(特别是用于在军事或紧急应答者应用中使用的外骨骼臂)的施加由在这些应用中对灵活性的需要而变得复杂。人的肩部的复杂性提出了特殊的问题，因为将该关节的柔性与笨重的机械臂相匹配为非常困难的。与肩部不同，肘部为相对简单的关节，在单个旋转点之上大体上仅具有双向(屈曲和伸展)。本发明力图将动力提供至肘部，而无需在肘部上安装马达或促动器，并且无需在肘部与肩部关节之间刚性地连接外骨骼结构。在生物力学上，人的骨骼用作压缩部件，并且肌肉经由肌腱跨过关节对这些骨骼施加力，该肌腱传递来自肌肉的力。向手指供以动力的肌肉位于前臂中，而向肘部供以动力的肌肉在上臂中，从而允许身体的远侧部分的重量更轻，肢体的重量分布更好，并且四肢的灵活性更高。
开发构思和原型，以利用外骨骼来将力提供至人的关节，而不需要外骨骼结构刚性地连接至被供以动力的关节，其中由外骨骼施加在关节之上的力由拉伸部件转移，并且其中人的肢体中的骨骼用作压缩部件(代替外骨骼结构)。
进一步开发构思和原型，以借助于附连于人的上臂和前臂的矫形支架来将力施加于人的肘部，其中支架的前臂和上臂部分可旋转地连接，其中来自前臂的延伸部在肘部处的旋转中心后面延伸，其中附连于该前臂延伸部的拉伸部件连接至胸部安装的马达或绞盘，并且其中该绞盘能够缩短拉伸部件的长度，从而导致臂的伸展。
进一步开发构思和原型，以借助于附连于人的上臂和前臂的矫形支架来将力施加于人的臂，其中支架的前臂和上臂部分可旋转地连接，其中一个或更多个拉伸部件附连于腕部附近的支架的前臂和/或上臂部分，其中这些拉伸部件布线穿过肩部引导件并且至背部安装的绞盘或弹簧，并且其中该绞盘或弹簧能够将力施加于拉伸部件，从而导致臂和由臂支撑的物体的支撑。
进一步开发构思和原型，以将手套附连于前臂支架，其中该手套在手掌上具有非弹性材料，并且其中该手套以如下方式连接至前臂支架，以便允许力从前臂支架到手套和由手套支撑的表面中的传递。拉伸部件在该前臂支架的腕部附近附接，其中胸部安装的绞盘允许拉伸部件的缩短，其中该缩短导致臂在肘部处的屈曲，并且其中这允许使用被供以动力的肘部来用于臂的攀爬或提起运动。
进一步开发构思和原型，以将钩或其它工具附连于前臂支架，从而允许力从拉伸部件通过前臂支架到钩或工具中的传递，并且其中这允许使用被供以动力的肘部来用于臂的攀爬或提起运动。
具体而言，本发明涉及一种外骨骼，其包括构造成联接至穿戴者的臂的臂支架和连接至臂支架的拉伸部件。促动器构造成将拉力施加在拉伸部件上。拉力减小了臂支架与促动器之间的拉伸部件的长度，并且使穿戴者的臂在肘部处弯曲。
在一个实施例中，手套联接至臂支架。手套包括非弹性手掌结构。第一带和第二带将手套连接至臂支架。
臂支架包括构造成联接至穿戴者的上臂的上臂支架，和构造成联接至穿戴者的前臂的前臂支架。拉伸部件连接至前臂支架和/或上臂支架。在一个实施例中，前臂支架包括肘部支撑件和连接至肘部支撑件的滑轮。拉伸部件布线穿过滑轮。
外骨骼还包括躯干支架，其构造成联接至穿戴者的躯干。促动器联接至躯干支架。优选地，躯干支架包括胸部结构和背部结构，并且促动器位于胸部结构或背部结构内。在一个实施例中，外骨骼还包括构造成引导拉伸部件的拉伸部件引导组件。拉伸部件引导组件联接至躯干支架。优选地，躯干支架包括肩部结构，并且拉伸部件引导组件联接至肩部结构。拉伸部件引导组件包括枢转拉伸部件引导本体，其具有构造成接触拉伸部件的水平或竖直引导件。
外骨骼还包括连接至臂支架的第二拉伸部件。将拉力施加在第二拉伸部件上使穿戴者的臂在肘部处弯曲。
在一个实施例中，促动器为绞盘，并且外骨骼还包括构造成驱动绞盘的电马达。在另一实施例中，促动器为弹簧。
在一个实施例中，工具联接至臂支架。工具可为钩。
本发明的附加目的、特征和优点将从连同附图进行时的其优选实施例的以下详细描述中变得更加容易显而易见，其中相似的参照标号在若干视图中表示共同的部分。
附图说明
图1A示出了人的肘部的常规屈曲和伸展移动。
图1B示出了人的肘部的常规屈曲和伸展移动。
图1C为表示人的肘部的常规屈曲和伸展移动的图。
图1D示出了进行常规俯卧撑的人，其中臂处于屈曲。
图1E示出了进行常规俯卧撑的人，其中臂处于伸展。
图1F示出了进行常规引体向上的人，其中臂处于伸展。
图1G示出了进行常规引体向上的人，其中臂处于屈曲。
图2A为表示人的肘部的屈曲和伸展移动的图。图2A示出了前臂支撑件，其中支撑件超过肘部与前臂共线，并且其中支撑件相对于前臂与上臂绕着肘关节的角度相反地移动。
图2B为表示人的肘部的屈曲和伸展移动的图。图2B示出了前臂支撑件，其中支撑件超过肘部与前臂共线，并且其中支撑件相对于前臂与上臂绕着肘关节的角度相反地移动。
图2C为表示本发明的主要实施例的图，示出了臂在肘部处的伸展移动可如何通过缩短从前臂支撑件的末端至相对于肩部固定的点的距离来实现。
图2D示出了主要实施例的装置的臂支架。
图2E示出了穿戴主要实施例的装置的人。
图2F为表示本发明的主要实施例的图，示出了处于屈曲的臂。
图2G为表示本发明的主要实施例的图，示出了处于伸展的臂。
图3A为表示人的肘部的屈曲和伸展移动的图。
图3B为表示人的肘部的屈曲和伸展移动的图，示出了支撑臂和肘部的移动的拉伸部件。
图3C为表示本发明的第二实施例的图。图3C示出了从肩部上方连接至上臂和下臂的拉伸部件，其中这些拉伸部件增加了臂在肘部和肩部处移动时的力量，并且补偿了由臂承载的物体的重量。
图3D示出了穿戴第二实施例的装置的人。
图3E为第二实施例的装置的肩部和背部安装的构件的详细侧视图。
图3F为简化的顶部剖视图，示出了拉伸部件如何引导穿过第二实施例的装置的肩部和背部安装的构件。
图3G为简化的顶部剖视图，示出了拉伸部件如何引导穿过第二实施例的装置的肩部和背部安装的构件，其中肩部示出在相对于图3F中所示位置的向前或内部旋转的位置。
图3H为示出第二实施例的肩部安装的装置的简化前视图，其中肩部铰链的位置处于完全内收。
图3I为示出第二实施例的肩部安装的装置的简化前视图，其中肩部铰链的位置处于外展。
图3J为穿戴配备有第二实施例的装置的外骨骼的人的侧视图，其中该人在承载重物时行走。
图4A示出了本发明的第三实施例的装置的手套。
图4B示出了穿戴第三实施例的装置的人。
图4C示出了在第三实施例中手套与前臂结构的链接。
图4D示出了在第三实施例中手套与前臂结构的链接，其中示出的手套相对于前臂结构旋转。
图4E为表示第三实施例的图，示出了处于伸展的臂。
图4F为表示第三实施例的图，示出了处于屈曲的臂。
图5A示出了穿戴本发明的第四实施例的装置的人。
图5B示出了穿戴第四实施例的折叠变型的人，其中装置示出成处于闭合位置。
图5C示出了穿戴第四实施例的折叠变型的人，其中装置示出成处于开启位置。
图5D示出了穿戴第四实施例的伸缩变型的人，其中装置示出成处于延伸位置并且在伸缩延伸部的末端处具有拉伸附接点。
图5E示出了穿戴第四实施例的伸缩变型的人，其中装置示出成处于缩回位置并且在伸缩延伸部的末端处具有拉伸附接点。
图5F示出了穿戴第四实施例的伸缩变型的人，其中装置示出成处于延伸位置并且在伸缩延伸部的末端处具有拉伸附接点，并且其中拉伸部件穿过腕部附近的滑轮。
具体实施方式
本发明的详细实施例在本文中公开。然而，要理解的是，公开的实施例仅仅为可以以多种和备选的形式实施的本发明的示例。附图不一定按比例绘制，并且一些特征可被夸大或最小化，以示出特定构件的细节。因此，本文中公开的具体结构和功能细节不被解释为限制，而仅仅作为教导本领域技术人员采用本发明的代表性基础。
出于说明的目的，图1A-G示出了人的臂在肘部处的常规移动。关于图1A，示出了臂100，其中臂100具有肩部101、肘部102以及腕部103。肩部101由肱骨104以固定距离连接至肘部102，并且肘部102由尺骨105和桡骨106以固定距离连接至腕部103。臂100可在肘部102处在一定范围的运动112上枢转至伸展位置108和屈曲位置107。
关于图1B，示出了线109，其彻底穿过肩部101和肘部102。此外，线111在腕部103处于伸展位置108时穿过肘部102和腕部103，并且线110在腕部103处于屈曲位置107时穿过肘部102和腕部103。
在图1C中，距离113示出在腕部103处于伸展位置108时的肩部101与腕部103之间，并且距离114示出在腕部103处于屈曲位置107时的肩部101与腕部103之间。距离113大于距离114。
图1D和图1E示出了执行常规俯卧撑移动的人120，其中人120的肘部在图1D中在下位置121屈曲，并且在图1E中在上位置122伸展。图1D和图1E示出了由肘部的伸展生成的力如何与肩部移动协同作用，协助与俯卧撑移动中看见的重力相反的高度增加。
图1F和图1G示出了在握住杆131时执行常规引体向上移动的人130，其中人130的肘部在图1F中在下位置132伸展，并且在图1G中在上位置133屈曲。图1F和图1G示出了由肘部的屈曲生成的力如何与肩部移动协同作用，协助与引体向上移动中看见的重力相反的高度增加。更复杂的一系列移动可由肘部屈曲和肘部伸展两者的顺序利用产生，如从游泳池爬出的人的臂的移动，其中从水的初始提起涉及肘部屈曲，并且从水中的第二次提起涉及肘部伸展。
本发明的主要实施例在图2A-G中表示。图2A-C图解地示出了主要实施例的装置如何通过改变附连于前臂联接装置上的点的拉伸部件的长度，实现臂绕着肘部的屈曲。关于图2A，示出了臂200，其中臂200具有肩部201、肘部202以及腕部203。肩部201由肱骨(例如，肱骨104)以固定距离连接至肘部202，并且肘部202由尺骨和桡骨(例如，尺骨105和桡骨106)以固定距离连接至腕部203。人的臂骨不在图2A中示出，但它们用作压缩部件，以固定上臂和下臂的长度。臂200可在肘部202处在一定范围的运动212上枢转至伸展位置208和屈曲位置207。示出了线209，其穿过肩部201和肘部202。此外，线211在臂200处于伸展位置208时穿过肘部202和腕部203，并且线210在臂200处于屈曲位置207时穿过肘部202和腕部203。肘部支撑件215沿着穿过腕部203和肘部202的线延伸超过肘部202，其中肘部支撑件215在臂200处于伸展位置208时沿着线211，并且肘部支撑件215在臂200处于屈曲位置207时沿着线210。在臂200处于伸展位置208时肩部201与腕部203之间的距离213大于在臂200处于屈曲位置207时肩部201与腕部203之间的距离214。
在图2B中，距离216示出在臂200处于屈曲位置207时的肘部支撑件215与肩部201之间，并且距离217示出在臂200处于伸展位置208时的肘部支撑件215与肩部201之间。距离216大于距离217。因此，如果距离216改变为距离217，则臂200将绕着肘部202伸展222，使臂200从屈曲位置207移动至伸展位置208。
图2C示出了固定点218，其以固定距离219连接至肩部201。距离220示出在臂200处于屈曲位置207时的肘部支撑件215与固定点218之间，并且距离221示出在臂200处于伸展位置208时的肘部支撑件215与固定点218之间。因此，如果距离220改变为距离221，则臂200将绕着肘部202伸展222，使臂200从屈曲位置207移动至伸展位置208。
本发明的主要实施例的装置在图2D和图2E中示出。关于图2D，肘部(或臂)支架230具有上臂结构(或支架)231和前臂结构(或支架)232，其中上臂结构231和前臂结构232在肘关节280处由铰链233可旋转地连接。前臂结构232具有肘部支撑件234，其延伸超过肘关节280达距离235。支撑件附连点237相对于关节280位于支撑件234的远侧端部处。前臂结构232具有衬垫243和前臂带242，以便于前臂结构232至人的前臂的联接。上臂结构231具有上臂带241、带附接点240以及上臂衬垫(不可见)，以便于上臂结构231至人的上臂的联接。上臂结构231还具有外部拉伸部件附接点238和外部拉伸部件引导件236。对应的内部拉伸部件附接点和内部拉伸部件引导件在图2D中不可见。
关于图2E，示出了穿戴上身外骨骼251的人250。上身外骨骼251具有胸部结构252、背部结构253、肩部结构254、侧腹结构255，以及肘部支架230。胸部结构252和背部结构253由肩部结构254和侧腹结构255连接。胸部结构252、背部结构253、肩部结构254以及侧腹结构255限定躯干支架，其联接至人250的躯干283。肘部支架230的前臂结构232联接至人250的前臂281，并且肘部支架230的上臂结构231联接至人250的上臂282。外部拉伸部件257附连于上臂结构231上的外部拉伸部件附接点238，并且布线穿过外部滑轮259，其中外部滑轮259可旋转地连接至支撑件附接点237。在穿过外部滑轮259之后，拉伸部件257穿过外部拉伸部件引导件236并且进入固定点218，固定点218采用胸部结构252中的引导孔的形式。拉伸部件257接着连接至促动器285(例如，绞盘或弹簧)。促动器285为胸部结构252的内部构件，并且可由动力源286(如电马达)驱动。类似地，内部拉伸部件258附连于上臂结构231上的内部拉伸部件附接点(不可见)，并且布线穿过内部滑轮260，其中内部滑轮260可旋转地连接至支撑件附接点237。在穿过内部滑轮260之后，拉伸部件258穿过内部拉伸部件引导件(不可见)并且进入固定点218。拉伸部件258接着连接至促动器285。促动器285构造成将拉力施加在拉伸部件257和258上。该拉力减小了各个拉伸部件257,258在肘部支架230与促动器285之间的长度，由此使人250的臂200在肘部202处弯曲。
在一些实施例中，促动器285放置在外骨骼结构上的其它地方，并且拉伸部件257和258由拉伸部件引导件布线至促动器285。在一些实施例中，压缩套管或其它摩擦生成装置由人250穿戴，以增加肘部支架230的配合的紧密度，并且防止肘部支架230在移动期间的滑动。在一些实施例中，拉伸部件257和258不同地附接于肘部支架230并且布线穿过肘部支架230，包括内部布线或仿生布线。在一些实施例中，单个促动器用于拉伸部件257,258两者。在一些实施例中，各个拉伸部件257,258具有单独的促动器，其中这些促动器并置或单独地定位。在一些实施例中，传动装置、离合器或滑轮组装置应用于拉伸部件和促动器系统。在一些实施例中，动力源286为电马达。在其它实施例中，动力源286为本领域中已知的许多其它动力源中的任一种。在一些实施例中，连接至肘部支架230的拉伸部件257,258的部分可通过快挂锁扣、开口环、钩环、圆管插销或本领域中已知的其它联接装置或紧固件的使用，与连接至促动器285的拉伸部件257,258的部分选择性地和快速地分离。
关于图2F和图2G，主要实施例的装置的移动在俯卧撑式移动的执行期间图解地表示，其中臂200与表面269接触。随着肘部支撑件215与固定点218之间的距离从距离220减小至距离221，受到拉伸部件通过主要实施例的装置的使用而缩短的影响，臂200绕着肘部202伸展，并且表面269与肩部201之间的距离从距离270增加至距离271。
作为本发明的主要实施例的实例，考虑了穿戴重型防弹衣和满载背包的处于战斗状态的士兵。如果该士兵在战场上开火，那么俯冲到俯卧位将减少该士兵被射弹击中的几率。然而，随着盔甲和背包的重量从该俯卧位迅速上升将为有挑战性的，消耗士兵的能量并且导致比在没有盔甲和背包的重量的情况下将可能的更慢的、至站立位的上升。受阻的移动性和附加的能量消耗两者将使士兵置于附加的伤害风险(包括受到敌人射击的伤害)下。通过本发明的主要实施例的装置的使用，士兵可在外骨骼上使用动力化绞盘，以向他或她的臂赋予增加的力量，从而允许从俯卧位至站立(或跑步)位的更快返回，由此提高该士兵的耐力和生存能力。
本发明的第二实施例在图3A-J中表示。图3A-C图解地示出了第二实施例的装置如何支撑臂，并且通过将力施加于从肩部上方延伸至臂结构的前臂和上臂部分的拉伸部件来实现臂绕着肘部的屈曲。关于图3A，示出了臂300，其中臂300具有肩部301、肘部302以及腕部303。肩部301由肱骨(例如，肱骨104)以固定距离连接至肘部302，并且肘部301由尺骨和桡骨(例如，尺骨105和桡骨106)以固定距离连接至腕部303。人的臂骨不在图3A中示出，但它们用作压缩部件，以固定上臂和下臂的长度。臂300可在肘部302处在一定范围的运动312上枢转至伸展位置308和屈曲位置307。在腕部303处于伸展位置308时的肩部301与腕部303之间的距离313大于在腕部303处于屈曲位置307时的肩部301之间的距离314。因此，如果距离313改变为距离314，则臂300将绕着肘部302屈曲，使腕部303从伸展位置308移动至屈曲位置307。
在图3B中，距离310示出在臂300处于屈曲位置307时的固定点318与前臂321之间，并且距离309示出在臂300处于伸展位置308时的固定点318与前臂321之间。因此，如果距离309改变为距离310，则臂300将绕着肘部302屈曲322，使臂300从伸展位置308移动至屈曲位置307。
在图3C中，距离315示出在固定点318与上臂320之间，并且距离316示出在固定点318与前臂321之间。如果距离315和距离316为固定的，则施加于臂300的向下力311(例如，来自承载物体的重量)将被抵消，并且臂300的位置和肘部302的伸展/屈曲都将不会改变。此外，如果拉力沿着距离315和316施加，则可补偿力311，从而允许臂300绕着肘部302和肩部301比在不抵消力311的情况下更自由地移动。
本发明的第二实施例的装置在图3D-J中示出。第二实施例的装置可包括主要实施例的肘部支架230(在图2D和2E中示出)或另外的类似装置。关于图3D，示出了穿戴上身外骨骼351的人350。上身外骨骼351具有胸部结构352、背部结构353、肩部结构354、侧腹结构355以及肘部(或臂)支架330。胸部结构352和背部结构353由肩部结构354和侧腹结构355连接。胸部结构352、背部结构353、肩部结构354以及侧腹结构355限定躯干支架，其联接至人350的躯干383。肘部支架330的前臂结构(或支架)332联接至人350的前臂321，并且肘部支架330的上臂结构(或支架)331联接至人350的上臂320。拉伸部件358附连于上臂结构331上的拉伸部件附接点391，并且布线穿过肩部拉伸引导组件340，越过滑轮341，并且进入背部结构353的内部。拉伸部件358接着连接至促动器395(例如，绞盘或弹簧)。促动器395为背部结构353的内部构件，并且可由动力源(如电马达)驱动。作为备选，促动器395为未动力化的(如所示)。拉伸部件357附连于前臂结构332上的拉伸部件附接点343，并且布线穿过肩部拉伸引导组件340，越过滑轮342，并且进入背部结构353的内部。拉伸部件357接着连接至促动器395。促动器395构造成将拉力施加在拉伸部件357和358上。该拉力减小了各个拉伸部件357,358在肘部支架330与促动器395之间的长度，由此使人350的臂300在肘部302处弯曲。
在一些实施例中，促动器395放置在外骨骼结构上的其它地方，并且拉伸部件357和358由拉伸部件引导件布线至促动器395。在一些实施例中，压缩套管或其它摩擦生成装置由人350穿戴，以增加肘部支架330的配合的紧密度，并且防止肘部支架330在移动期间的滑动。在一些实施例中，拉伸部件357和358在前臂结构332和/或上臂结构331中不同地布线，包括内部布线或仿生布线。在一些实施例中，单个促动器用于拉伸部件357,358两者。在其它实施例中，各个拉伸部件357,358具有单独的促动器，其中这些促动器并置或单独地定位。在一些实施例中，传动装置、离合器或滑轮组装置应用于拉伸部件和促动器系统。在一些实施例中，促动器395由电马达驱动。在其它实施例中，促动器395由本领域中已知的许多其它动力源中的任一种驱动，如弹簧。在一些实施例中，不同水平的力施加于各个拉伸部件357,358。在一些实施例中，该水平的力由外骨骼控制系统或外骨骼穿戴者调节。在一些实施例中，拉伸部件附接点343和391不是点而是短的轨道，拉伸部件357和358可沿着该轨道滑动，允许提高臂灵活性。在一些实施例中，拉伸部件357和358可如通过推动断开式吊索旋转安装件或本领域中已知的其它装置的使用，与拉伸部件附接点343和391选择性地断开。
图3E-I示出了肩部拉伸引导组件340的详细视图。肩部拉伸引导组件340为第二实施例的装置的重要元件，因为肩部拉伸引导组件340允许第二实施例的装置的穿戴者具有高度的臂柔性和灵活性，同时仍然能够利用改进的臂力量，以用于肘部处的屈曲移动。关于图3E，肩部拉伸引导组件340包括肩部安装件345、铰链关节347、安装结构346、后部拉伸引导本体349，以及枢转拉伸引导本体344。肩部安装件345附连于肩部结构354，并且可旋转地连接至安装结构346。后部拉伸引导本体349附连于安装结构346，并且枢转拉伸引导本体344绕着关节377可旋转地连接至安装结构346，允许枢转拉伸引导本体344绕着一定范围的运动348旋转。
关于图3F和图3G，拉伸部件357和358分别从滑轮342和341供给到后部拉伸引导本体349中，其中各个拉伸部件357,358由竖直引导件360和水平引导件361引导(并且与另一个拉伸部件357,358分离)。拉伸部件357和358接着进入枢转拉伸引导本体344，其中各个拉伸部件357,358由竖直引导件362和364以及水平引导件363和365引导(并且与另一个拉伸部件357,358分离)。
关于图3H和图3I，示出了肩部拉伸引导组件340绕着铰链关节347的移动，其中肩部拉伸引导组件340在一定范围的运动366内相对于外骨骼穿戴者在冠状平面中行进。在一些实施例中，附加的外部构件添加至肩部拉伸引导组件340，以防止材料变成缠绕在引导件360-365或拉伸部件357和358中。在一些实施例中，弹簧用于在臂300未被操纵、拉伸部件357和358未接合、或者拉伸部件357和358与臂300断开时，将肩部拉伸引导组件340保持在静止位置。
图3J示出了在行走时穿戴外骨骼351的人350，其中外骨骼351配备有第二实施例的装置。人350将物体378承载在臂300的手379中。向下的力380由物体378的重量施加，其中向下的力380由臂支架330抵消。臂支架330由拉伸部件357和358支撑，其中拉伸部件357和358穿过肩部拉伸引导组件340至背部结构353。向下的力380由此通过臂支架330传递至拉伸部件357和358，并且至背部结构353。背部结构353由后连接器381连接至腹部结构382。臀部结构387在臀部384处由腹部结构382支撑，其中臀部结构387在髋关节385处可旋转地连接至上腿结构386。上腿结构386在膝关节389处可旋转地连接至下腿结构390，并且下腿结构390在踝关节392处可旋转地连接至靴388。靴388最终由支撑表面393支撑。通过该连接性，向下的力380中的一些或全部通过外骨骼351的结构围绕人350转移，并且进入表面393。
作为本发明的第二实施例的实例，考虑了人提起重物(如反坦克武器)并且在一段距离内行走时承载其。通过第二实施例的装置的使用，外骨骼可向该人的臂赋予更大的力量，允许该人在他或她的臂中保持附加的重量或者在减轻臂疲劳的情况下承载重量达更长的时间段。
本发明的第三实施例的装置在图4A-F中示出。关于图4A，手套400具有弹性结构401、非弹性手掌结构402、腕带403、绑带404，以及手套连接件405和406。关于图4B，弹性结构401和绑带404允许手套400至人450的手(不可见)的紧密配合。示出了穿戴上身外骨骼451的人450，其中外骨骼451配备有本发明的第三实施例的装置。肘部(或臂)支架430的前臂结构(或支架)432联接至手套400的手套连接件405和406，允许力从非弹性手掌结构402至前臂结构432的传递。
图4C和图4D示出了在本发明的第三实施例中手套400如何附接于前臂结构432，以便允许人450的腕部在前臂结构432内扭转。前臂结构432具有前臂连接件460和461。手套连接件405由带462附接于前臂连接件460，并且手套连接件406由带463附接于前臂连接件461，从而允许力从前臂结构432至手套400和非弹性手掌结构402的传递。
再次参照图4B，由于非弹性手掌结构402至前臂结构432的连接性，由位于胸部结构452(不可见)内的绞盘生成的力由拉伸部件457从固定点418传递至拉伸部件附接点443，围绕人450的手，并且进入手套400，赋予人450更大的提起或攀爬能力。
图4E和图4F图解地表示第三实施例在攀爬或提起运动中的使用。人450的臂420包括肩部421、肘部422以及腕部423。腕部423由人450的手和手套400(在图4E和图4F中未示出)联接至壁架425。固定点418以固定距离419附接于肩部421。图4E示出处于伸展位置的臂420，具有腕部423与固定点418之间的距离424和肩部421与壁架425之间的距离426。图4F示出处于屈曲位置的臂420，其中腕部423与固定点418之间的距离减小至距离427，导致肩部421关于距离426的提起。
在一些实施例中，手套400为全指的。在一些实施例中，手套400具有高摩擦表面。在一些实施例中，手套400由本领域中已知的其它手段附连于前臂结构432、肘部支架430或拉伸部件457。
作为本发明的第三实施例的装置的实例，考虑了在穿戴全身盔甲时试图爬过8英尺的墙壁的处于战斗的士兵。如果该士兵配备有第三实施例的装置，那么他或她将能够使用来自绞盘的动力来协助提起自身以及承载的盔甲和装备的重量，以攀登墙壁。在没有该协助的情况下，士兵可能不能够穿过墙壁，可能使他或她置于如下增加的风险：遭遇敌人袭击或者使他或她沿着最佳或最快的路线的移动减慢。
本发明的第四实施例的装置在图5A中示出。示出了穿戴上身外骨骼501的人500，上身外骨骼501配备有本发明的第二实施例的装置。肘部(或臂)支架530的前臂结构(或支架)532附连于刚性钩571，允许来自位于胸部结构552内的绞盘(不可见)的动力通过拉伸部件557从固定点518传递至拉伸部件附接点543，至前臂结构532，并且到刚性钩571中，从而允许大量的力跨过拉伸部件557的传递。
在一些实施例中，钩571为适合于攀爬金属或光滑水泥的高摩擦表面。在其它实施例中，钩571为锋利的，并且适合于攀爬木材或软材料。在一些实施例中，协同定位钩571，以便匹配手的第五个手指(即，小指或“小拇”指)的曲率，允许钩571和手指两者与相同的攀爬表面相互作用。在其它实施例中，钩571为另一种类型的工具，包括但不限于挖掘工具、冰镐、攀爬上升器、锤子或刀片。
在本发明的第四实施例的一些变型中，钩或工具使用用于开启和闭合的机构(像在各种口袋刀设计中看见的那些或本领域中已知的其它折叠机构)折叠并锁定到位。此类实施例示出在图5B和图5C中，其中人502穿戴外骨骼503，其具有安装在前臂结构532上的折叠钩560。折叠钩560具有折叠器本体572、枢轴574以及钩573。图5B示出了处于闭合位置的折叠钩560，并且图5C示出了处于开启位置的折叠钩560。如果合乎需要的是折叠工具在被折叠时最大限度地紧凑，则此类折叠工具的长度可延伸并且大体上仅由前臂结构532的长度限制。
在一些实施例中，折叠工具将机构(像在折叠刀中看见的那些)以使折叠工具锁定在开启或闭合位置或者协助折叠工具的开启，包括但不限于衬垫锁、摩擦锁、弹簧协助机构，或如美国专利第5878500号中看见的挂钩装置。在一些实施例中，多种类型的工具能够由穿戴者按需要可选择性地展开，以用于攀爬或其它活动，这与折叠式多功能工具或瑞士军队式工具不同。
在本发明的第四实施例的其它变型中，除了折叠(例如，伸缩)之外的机构用于减小或延伸工具的长度。一个此类实施例示出在图5D和图5E中，其中人504穿戴外骨骼505，其具有带伸缩工具570的外骨骼505的前臂结构532。伸缩工具570具有工具本体540、伸缩长度部544、钩545，以及伸缩拉伸部件附接点571。图5D示出了处于延伸位置的伸缩工具570，并且图5E示出了处于缩回位置的伸缩工具570。在该实施例中，拉伸部件557附接于伸缩工具570的端部而不是前臂结构532(如图5A-C中所示)，允许钩545和拉伸部件557达到比人540的臂在不存在该装置的情况下可达到的更远。
在一些实施例中，绞盘足够坚固以提起人504和外骨骼505，允许人504使用超出臂之所达的附接点来攀爬结构或物体。在一些实施例中，伸缩工具570的延伸部为未动力化的，利用摆动和摩擦锁定装置，像在可折叠警察警棍中看见的锁定装置，或本领域中已知的其它机构。在其它实施例中，伸缩工具570的延伸由本领域中已知的多种手段中的任一种供以动力。
在一些实施例中，拉伸部件557布线在伸缩工具570的伸缩长度部544之内，以使缠结最小化。在一些实施例中，钩545或伸缩工具570的另一端部固定装置能够在缩回伸缩工具570时折叠，以使伸缩工具570更紧凑。在一些实施例中，不存在伸缩长度部544，并且钩545和拉伸部件557被投掷或者以其它方式突出(像抓钩)，其中胸部安装的绞盘用于将外骨骼505提起至钩545所附接之处的点。在一些实施例中，钩545用竖钩或另一联接装置代替。
在一些实施例中，拉伸部件557布线穿过前臂结构532或者越过附连于前臂结构532的滑轮575，如图5F中所示，以改进该装置在攀爬中的使用。
作为本发明的第四实施例的装置的实例，考虑了在穿戴重型防弹衣并承载大量装备重量时的战斗状态下爬到建筑物的屋顶的士兵。通过第四实施例的装置的使用，该士兵可在较小疲劳的情况下更快速地和容易地攀登。此外，该士兵可在攀爬时将物体保持在他或她的手中，在某些情况下提供了潜在的战术优势。作为备选，钩可用于引体向上运动中，允许手和腕部离开钩翻滚进入用手在表面上的推动运动，从而允许更快的攀爬。
在一些实施例中，可组合本发明的各种实施例。在所有实施例中，各种传感器(包括但不限于压力传感器或拨动开关)可与外骨骼控制系统连通，允许外骨骼响应使用者。在一些实施例中，外骨骼控制系统可控制促动器或其它动力化构件的激活。
在一些实施例中，不存在下部外骨骼(例如，腿部)。在此类实施例中，可优选的是，线束将穿戴者连接至上身外骨骼，以将外骨骼支撑于穿戴者的身体，以用于某些攀爬活动。在其它实施例中，上身动力化外骨骼为外骨骼的构件，其还包括动力化或未动力化的外骨骼腿部。在一些实施例中，外骨骼的上体可与外骨骼的下体可选择性地断开。
在一些实施例中，快速断开装置并入到拉伸部件的端部中，允许拉伸部件按外骨骼穿戴者的需要快速地连接或断开。臂动力在拉伸部件被连接时提供，并且拉伸部件的断开例如减少了刷缠结的几率。在其中拉伸部件可断开的实施例中，相同的促动器可用于向各种实施例(例如，攀爬或肘部伸展)供以动力。在此类实施例中，至外骨骼的胸部的附接点可通过将拉伸部件布线穿过滑轮或类似装置来选择。
在一些实施例中，促动器和/或拉伸部件附接点不同地放置在外骨骼结构上。在一些实施例中，拉伸部件跨过外骨骼结构不同地布线，包括滑轮或影响机械优势的装置的使用。
基于上述情况，应当容易显而易见的是，本发明提供了允许外骨骼向人的臂的移动供以动力的装置及方法，其中该装置以如下方式提供动力，以便不约束肩部处的精细运动。此外，该装置不限制臂的灵活性，并且不将实质性重量或体积添加至臂。尽管参照优选的实施例来描述，但是应当容易理解的是，可对本发明进行各种变型或改型，而不脱离其精神。大体上，本发明仅旨在由以下权利要求的范围限制。

Claims (20)

1.一种外骨骼，包括：
臂支架，其构造成联接至穿戴者的臂的肘部并且跨过所述穿戴者的臂的肘部延伸；
拉伸部件，其连接至所述臂支架；以及
促动器，其构造成将拉力施加在所述拉伸部件上，其中所述拉力减小所述臂支架与所述促动器之间的所述拉伸部件的长度，并且使所述穿戴者的臂在所述肘部处弯曲。
2.根据权利要求1所述的外骨骼，还包括联接至所述臂支架的手套。
3.根据权利要求2所述的外骨骼，其中，所述手套包括非弹性手掌结构。
4. 根据权利要求2所述的外骨骼，还包括：
第一带，其将所述手套连接至所述臂支架；以及
第二带，其将所述手套连接至所述臂支架。
5.根据权利要求1所述的外骨骼，其中：
所述臂支架包括上臂支架，所述上臂支架构造成联接至所述穿戴者的上臂；
所述臂支架还包括前臂支架，所述前臂支架构造成联接至所述穿戴者的前臂；以及
所述拉伸部件连接至所述前臂支架。
6.根据权利要求1所述的外骨骼，其中：
所述臂支架包括上臂支架，所述上臂支架构造成联接至所述穿戴者的上臂；
所述臂支架还包括前臂支架，所述前臂支架构造成联接至所述穿戴者的前臂；以及
所述拉伸部件连接至所述上臂支架。
7.根据权利要求6所述的外骨骼，其中，所述前臂支架包括肘部支撑件和连接至所述肘部支撑件的滑轮，并且所述拉伸部件布线穿过所述滑轮。
8.根据权利要求1所述的外骨骼，还包括躯干支架，所述躯干支架构造成联接至所述穿戴者的躯干，其中所述促动器联接至所述躯干支架。
9.根据权利要求8所述的外骨骼，其中，所述躯干支架包括胸部结构和背部结构，并且所述促动器位于所述胸部结构或所述背部结构内。
10.根据权利要求8所述的外骨骼，还包括构造成引导所述拉伸部件的拉伸部件引导组件。
11.根据权利要求10所述的外骨骼，其中，所述拉伸部件引导组件联接至所述躯干支架。
12.根据权利要求11所述的外骨骼，其中，所述躯干支架包括肩部结构，并且所述拉伸部件引导组件联接至所述肩部结构。
13.根据权利要求10所述的外骨骼，其中，所述拉伸部件引导组件包括枢转拉伸部件引导本体，所述枢转拉伸部件引导本体具有构造成接触所述拉伸部件的水平或竖直引导件。
14.根据权利要求1所述的外骨骼，还包括连接至所述臂支架的第二拉伸部件，其中将拉力施加在所述第二拉伸部件上还使所述穿戴者的臂在所述肘部处弯曲。
15.根据权利要求1所述的外骨骼，其中，所述促动器为绞盘。
16.根据权利要求15所述的外骨骼，还包括构造成驱动所述绞盘的电马达。
17.根据权利要求1所述的外骨骼，其中，所述促动器为弹簧。
18.根据权利要求1所述的外骨骼，还包括联接至所述臂支架的工具。
19.根据权利要求18所述的外骨骼，其中，所述工具为钩。
20.一种向外骨骼穿戴者的臂提供协助的方法，所述方法包括：利用促动器在拉伸部件上施加拉力，所述拉伸部件连接至臂支架，所述臂支架联接至所述穿戴者的所述臂的肘部并且跨过所述穿戴者的所述臂的肘部延伸，其中所述拉力减小所述臂支架与所述促动器之间的所述拉伸部件的长度，并且使所述穿戴者的所述臂在所述肘部处弯曲。
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