CN109070337B - 用于外骨骼结构的背部部分 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于外骨骼结构的背部部分(2)，该背部部分包括旨在沿着使用者的脊柱延伸的脊柱部段(21)，脊柱部段(21)包括多个堆叠在彼此之上的椎骨元件(211)和一个将椎骨元件(211)连接在一起的柔性连接元件(212)，脊柱部段(21)具有稳定平衡位置，在该稳定平衡位置，柔性连接元件(212)将椎骨元件(211)保持压在一起，并且柔性连接元件(212)是弹性的，以便在使用者的背部运动期间柔性连接元件(212)使得椎骨元件(211)能够相对于彼此运动，同时施加倾向于使脊柱部段(21)返回到稳定平衡位置的返回力。

Description

用于外骨骼结构的背部部分
技术领域
本发明涉及用于向使用者提供力辅助的外骨骼结构的背部模块。
背景技术
提供力辅助的外骨骼是复制人体骨骼结构并且能够改善人体的体能素质的机械结构。
存在不同类型的提供力辅助的外骨骼，该不同类型取决于使用者要完成的工作。
特别地，已知的是用于上部身体的外骨骼在运输重载荷期间和/或在重复运动期间能够减轻上部身体部位上的重量。这些外骨骼能够限制肌肉骨骼疾患的风险。
然而，这些外骨骼通常在背部具有非铰接式结构，在髋部接头处具有单点机动性。这些外骨骼不允许使用者的背部弯曲。
在其他外骨骼中，由上部身体抬起的质量由直接转移到地面的特定的机构支撑。这些外骨骼不允许使用者在空间中轻松移动并且不遵守使用者的生物力学。
换句话说，在这两种情况下，这些外骨骼都倾向于减小使用者的机动性。
发明内容
本发明的一个目的是提出一种用于辅助使用者的上部身体来支撑载荷同时仍能赋予较大的运动自由度的方案。
由于用于外骨骼结构的背部模块，在本发明的范围内实现了该目的，该背部模块包括：被设计成沿着使用者的脊柱延伸的脊柱部段，该脊柱部段包括多个堆叠在彼此之上的椎骨元件和将椎骨元件连接至彼此的柔性连接元件，脊柱部段具有稳定平衡位置，在该稳定平衡位置，柔性连接元件将椎骨元件保持为支撑抵靠彼此，并且柔性连接元件是弹性的，以便在使用者的背部运动期间柔性连接元件使得椎骨元件能够相对于彼此运动，同时施加倾向于使脊柱部段返回到稳定平衡位置的返回力。
脊柱部段由支撑抵靠彼此的多个椎骨元件形成，这使得能够传递施加在背部模块上的竖直载荷并能够适应使用者的上部身体的运动。事实上，柔性元件使得椎骨元件相对于彼此能够具有一定程度的自由度，这赋予了脊柱一定的运动自由度。
此外，可以根据使用者的尺寸调节椎骨元件的数量，这使得外骨骼结构能够容易地适应使用者的形态。
该模块还可以具有以下特征：
-柔性连接元件对椎骨元件施加压缩力，以便在稳定平衡位置将椎骨元件保持为支撑抵靠彼此，
-柔性连接元件穿过椎骨元件中的每一个在脊柱部段内部延伸，柔性连接元件保持在张力下，以便对椎骨元件施加压缩力，
-每个椎骨元件具有凹部和突起，每个突起能够被接纳在叠组中的直接位于上方或下方的另一个椎骨元件的凹部中，
-每个椎骨元件通过连接件连接到下一个椎骨元件，以允许使用者的背部的弯曲和/或径向旋转运动和/或侧向倾斜，
-每个椎骨元件具有拱形形状，该拱形形状具有凹面，当脊柱部段沿着使用者的脊柱延伸时，该凹面朝向脊柱的底部定向，
-模块还包括一个或多个电传输或数据传输线缆，该电传输或数据传输线缆穿过椎骨元件中的每一个在脊柱部段内部延伸，用以将电池和/或致动器和/或传感器连接到外骨骼结构的控制模块，或者用以连接外骨骼结构的两个控制模块，
-一个或多个电传输或数据传输线缆的长度大于脊柱部段的长度，如此该电传输或数据传输线缆允许脊柱部段的变形而不经受拉伸，
-模块包括附接装置，该附接装置包括附接到脊柱部段的下端部的附接部件，该附接部件能够被附接到与外骨骼结构的基部模块的腰带附接的互补的附接部件，以便将背部模块附接到基部模块。
本发明还涉及一种对使用者进行力辅助的外骨骼结构，该外骨骼结构包括：
-基部模块，该基部模块包括能够包围使用者的腰部的腰带，和附接到该腰带的附接部件，以及
-如之前所限定的背部模块，该背部模块包括附接到脊柱部段的下端部的附接部件，背部模块的附接部件能够被附接到腰带的附接部件，以便将背部模块附接到基部模块，
使得施加到脊柱元件的重量转移被到基部模块。
在本发明的一个实施例中，基部模块包括控制单元和电池，控制单元和电池被附接到腰带，并且背部模块包括额外的电池和/或致动器，附接部件各自包括电触头，当背部模块的附接部件被附接到基部模块的附接部件时，电触头能够将基部模块的电池和控制单元电连接到背部模块的电池和/或致动器。
附图说明
其它特征和优点还将通过以下说明揭示，所述说明完全是说明性的和非限制性的并且必须参照附图阅读，在附图中：
-图1以前视图示意性地示出了装备有根据本发明的可能的实施例的外骨骼结构的使用者，
-图2和图3以后视图和侧视图示意性地示出了装备有根据本发明的第一可能的构型的外骨骼结构的使用者，
-图4和图5以后视图和侧视图示意性地示出了装备有根据本发明的第二可能的构型的外骨骼结构的使用者，
-图6和图7以后视图和侧视图示意性地示出了装备有根据本发明的第三可能的构型的外骨骼结构的使用者，
-图8A和图8B示意性地示出了将髋部模块连接到基部模块的髋部接头，
-图9示意性地示出了用于将髋部模块附接到基部模块的附接装置，
-图10A和图10B分别示意性地示出了处于解锁定构型和锁定构型的附接装置，
-图11示意性地示出了外骨骼结构的下部模块，
-图12A至图12E示意性地示出了在使用者行走的不同阶段期间装备有脚部模块的鞋，
-图13以放大图示意性地示出了外骨骼结构的上部模块，
-图14示意性地示出了形成背部模块的一部分的脊柱部段，
-图15示意性地示出了脊柱部段的椎骨元件，
-图16至图18示意性地示出了肩部模块，
-图19示意性地示出了用于将肩部模块附接到肘部模块的附接装置，
-图20和图21示意性地示出了背包支撑模块，
-图22示意性地示出了用于将背包支撑模块附接到每个髋部模块的附接装置。
具体实施方式
模块化的结构
在图1至图7中，所示的外骨骼结构包括基部模块1、背部模块2、两个肩部模块3、两个肘部模块4、两个髋部模块5、两个膝部模块6、两个脚部模块7和背包支撑模块14。
这些图中所示的外骨骼结构可以以不同的构型使用，以便获得适用于不同用途的不同外骨骼。
在图1至图3所示的第一构型中，外骨骼通过对基部模块1、背部模块2、两个肩部模块3、两个肘部模块4、两个髋部模块5、两个膝部模块6和两个脚部模块7进行组装而形成。
在图4和图5所示的第二构型中，外骨骼通过仅对基部模块1、背部模块2、两个肩部模块3和两个肘部模块4进行组装而形成。
在图6和图7所示的第三构型中，外骨骼通过仅对基部模块1、两个髋部模块5、两个膝部模块6、两个脚部模块7和背包支撑模块14进行组装而形成。
这些图中所示的构型的三个示例是基于模块化的外骨骼结构的三个不同组件获得的。然而，其他构型当然也是可实行的。在这些不同的构型中，外骨骼由组装在一起的一个或多个模块形成。
如图1至图3所示，基部模块1包括能够包围使用者的下部身躯的腰带11。腰带11围绕使用者的腰部设置并支撑在使用者的髋部上。基部模块1还包括第一电池12和控制单元13，第一电池使得结构的不同致动器能够被供应电能，并且控制单元被编程为控制不同的致动器。第一电池12和控制单元13被附接至腰带11。
背部模块2适于沿着使用者的背部附接到使用者的在基部模块1上方的上部身体。
肘部模块4适于附接到使用者的臂，即，分别附接到右臂和左臂。
每个肩部模块5适于将背部模块2连接到各自的肘部模块4。
背部模块2、肩部模块3和肘部模块4形成上部模块的组合件，该组合件例如在使用者用他的上部身体进行重复的工作时具有辅助使用者利用他的上部身体产生所有力的功能。
髋部模块5适于附接至使用者的大腿，即，分别附接至使用者的右大腿和使用者的左大腿。
膝部模块6适于附接至使用者的小腿，即，分别附接至使用者的右腿的小腿和使用者的左腿的小腿。
脚部模块7适于附接到使用者的脚，即，分别附接到右脚和左脚。
髋部模块5、膝部模块6和脚部模块7形成下部模块的组合件，下部模块具有的功能是在使用者用他的下部身体产生的力方面进行辅助，特别是在行走时或者当他运载或移动载荷时。
应该注意的是，髋部模块5彼此对称。髋部模块5因此包括相同或相似的部分。
类似地，膝部模块6彼此对称并且包括相同或相似的部分。
脚部模块7、肩部模块3和肘部模块4也是如此。
髋部模块
如图1至图3所示，每个髋部模块5包括能够附接到使用者的大腿的股骨部分51和髋部接头52。
股骨部分51包括被设计成沿着使用者的大腿延伸的股骨部段511和能够包围使用者的大腿以将股骨部段511附接到大腿的附接条带512。
每个髋部模块5通过各自的髋部接头52连接到基部模块1。更确切地说，髋部接头52使得髋部模块5的股骨部分51能够被连接到基部模块1的腰带11。
髋部接头
如图8A和图8B所示，髋部接头52包括髋部致动器521，髋部致动器允许在使用者的髋部进行弯曲或伸展运动期间辅助使用者。致动器521包括定子522和转子523，在定子522被供应电能时，转子能够相对于定子522被旋转驱动，以在髋部的弯曲或伸展运动期间相对于基部模块1旋转驱动髋部模块5。
髋部接头52还包括弹性返回元件524，该弹性返回元件被布置成在使用者从就坐位置或蹲下位置站起来时施加辅助转子523的弹性返回力。弹性返回元件524可以包括预加载的弹簧，该预加载的弹簧设置在定子522和转子523之间并处于被设置在定子522和转子523之间的引导凹槽525中。
更确切地说，弹性返回元件524被布置成使得：
-在转子523相对于定子522运动的第一角度范围α1内，弹性返回元件524不对转子523施加任何返回力，该第一角度范围对应于当使用者行走或跑步时转子523所处于的角度范围(图8A)，并且
-在转子523相对于定子522运动的第二角度范围α2内，弹性返回元件524对转子523施加返回力，第二角度范围对应于当使用者就坐或蹲下时转子523所处于的角度范围(图8B)。
为此，髋部接头52包括固定地安装在转子523上的挺杆526，只有当转子523位于第二角度范围α2内时，挺杆526才能够将弹性元件525加载到压缩状态。
在该第二范围内，由弹性元件524施加的返回力倾向于阻止转子523沿第一旋转方向(箭头A)相对于定子522旋转，并且辅助转子523沿与第一旋转方向相反的第二旋转方向(箭头B)相对于定子522旋转。
第一旋转方向(箭头A)是当使用者使大腿相对于上部身体弯曲时(当使用者就坐或蹲下时)转子523相对于定子522的旋转方向。
第二旋转方向(箭头B)是当使用者使大腿相对于上部身体伸展时(当使用者在就坐或蹲下之后起立时)转子523相对于定子522的旋转方向。
换句话说，当转子523位于第二角度范围α2内时，弹性返回元件524对转子523施加返回力，该返回力倾向于在髋部的弯曲运动期间阻止髋部模块5相对于基部模块1旋转并且在髋部的伸展运动期间辅助髋部模块5相对于基部模块1旋转。
第一角度范围α1对应于髋部相对于使用者的额平面(frontal plane)PF的例如介于+60度到-15度之间的弯曲或伸展运动。
第二角度范围α2对应于髋部相对于使用者的额平面PF的大于+90度的弯曲或伸展运动。
因此，在致动器的转子的运动的第一角度范围α1内，使用者得益于通过致动器521的主动辅助，其中在致动器的转子的运动的第二角度范围α2内，使用者完全或作为补充得益于通过弹性返回元件524的被动辅助。
以这种方式，由致动器521传递的动力在运动的第二角度范围内被限制。
弹性元件524可支撑抵靠抵接部，从而使得弹簧能够保持被预加载。抵接部相对于定子的位置可以通过例如螺钉进行调节，以便能够改变上文限定的角度范围。
用于将髋部模块附接到基部模块的装置
外骨骼结构还包括使得髋部模块5能够被附接到基部模块1的附接装置8。
图9、图10A和图10B示意性地示出了附接装置8。在这些图中所示的实施例中，附接装置8是所谓的“卡销式”附接装置。附接装置8能够从解锁定构型(在图10A中示出)转换到锁定构型(在图10B中示出)，在解锁定构型中，髋部模块5与基部模块1分离，在锁定构型中，髋部模块5附接到基部模块1。
附接装置8包括固定地安装在基部模块1上的第一部件81和固定地安装在髋部模块5上的第二部件82。更确切地说，第一部件81附接到腰带11。第二部件82附接到致动器521的定子522。
第二部件82能够卡扣到第一部件81中，从而使得髋部模块5能够可逆地附接到基部模块1。
第一部件81包括具有插入开口812并具有内引导表面813的主体811，该内引导表面具有回转圆筒的形状。主体811具有限定出插入开口812的具有圆形形状的自由边缘814。第一部件81包括两个槽孔815，该两个槽孔在主体812中形成在沿直径相对的位置处。每个槽孔815从第一部件81的自由边缘814延伸并且具有端部816。此外，每个槽孔815具有U形(或发夹)形状并且包括两个直的部分817、819和一弯曲的部分818。第一直的部分817沿平行于内引导表面813的轴线X的方向从起于槽孔815的入口的自由边缘延伸到弯曲的部分818。弯曲的部分818从第一直的部分817延伸到第二直的部分819，以形成弯曲部。第二直的部分819从弯曲的部分延伸到端部816。这些部分因此界定出第一部件81的主体811中的突出部831。
第二部件82包括主体821，该主体具有回转圆柱体形状的外引导表面823。第二部件82能够通过开口812插入到第一部件81中。将第二部件82插入到第一部件81中是通过彼此接触的圆筒形表面813和圆柱形表面823来引导的。第二部件82包括位于沿直径相对的位置并且从外表面823突出的两个径向销825。当第二部件82插入到第一部件81中时，径向销825能够接合在第一部件81的槽孔815中。
第一部件81能够沿与插入方向相对应的平行于轴线X的第一方向(箭头C)插入到第二部件82中。
附接装置8还包括呈弹簧形式的弹性返回元件83，该弹性返回元件能够沿与第一方向相反的第二方向(箭头D)对第二部件82进行加载。因此，弹性元件83倾向于阻止第二部件82插入到第一部件81中。
在解锁定位置(图10A)，第二部件82从第一部件81脱离。
在锁定构型(图10B)中，第二部件82接合在第一部件81中。
附接装置8的锁定是通过将第二部件82通过插入开口812插入到第一部件81中来完成的。在该插入期间，每个销825被引入到各自的槽孔815中。
然后，第二部件82相对于第一部件81移动，以使每个销825在其中接纳该销的槽孔815中滑动。由于槽孔815的形状，销825从槽孔815的入口滑动到槽孔815的端部816需要第二部件82相对于第一部件81进行平行于轴线X的平移和围绕轴线X的旋转的组合运动。第二部件82首先沿与由弹性元件83施加的返回力相反的第一方向(插入方向)相对于第一部件81被平移。然后，第二部件82沿与第一方向相反的第二方向平移，同时围绕轴线X相对于第一部件81进行旋转。
一旦销825位于槽孔815的端部816处，则第二部件82被突出部831阻止相对于第一部件81进行旋转。此外，弹性元件83沿第二方向对第二部件82进行加载，这具有使销825保持紧靠槽孔815的端部816的效果。弹性元件83和突出部831止挡槽孔815中的销825并防止销815从槽孔825脱离。
以这种方式，第二部件82保持卡扣到第一部件81中。
通过执行反向操作，即通过使每个销815沿着反向路径从槽孔815的端部816滑动到槽孔815的入口的，来获得第二部件82的解卡扣(un–snapping)。销815从槽孔815的端部816滑动到槽孔815的入口再次需要第二部件82相对于第一部件81的组合的平移和旋转运动。首先，第二部件82沿与由弹性元件83施加的返回力相反的第一方向(插入方向)相对于第一部件81平移，同时相对于第一部件81进行反向旋转。然后，第二部件82沿第二方向相对于第一部件81平移。
此外，第一部件81和第二部件82各自包括电触头，当第二部件82在锁定构型中处于第一部件81中时，电触头能够将基部模块1的第一电池12和控制单元13电连接到致动器。
膝部模块
如图3所示，每个膝部模块6包括连杆61、膝部接头62和能够附接到使用者的小腿的胫骨部分63。
连杆61能够在髋部模块5的股骨部段511内滑动，从而将膝部模块6附接到髋部模块5，同时使得能够调节髋部接头52与膝部接头62之间的距离。固定螺钉使得连杆61能够相对于股骨部段511固定不动。
胫骨部分63包括被设计成沿着使用者的小腿延伸的胫骨部段631和能够包围使用者的小腿以将部段631附接到小腿的附接条带632。
一旦膝部模块6附接到髋部模块5，则胫骨部分51通过膝部接头62连接到股骨部分51。膝部接头62使得胫骨部分63能够在平行于使用者的矢状缝平面的平面内相对于股骨部分51旋转(对应于使用者的膝部的弯曲或伸展)。
膝部接头62可以包括致动器，该致动器使得能够在膝部弯曲或伸展运动期间辅助使用者。
膝部接头62的致动器可以与图8A和图8B中所示的髋部接头的致动器521相同。特别地，致动器可包括定子、转子和弹性返回元件，该转子能够相对于定子被旋转驱动以在膝部的弯曲或伸展运动期间相对于髋部模块旋转驱动膝部模块，弹性返回元件被布置成当使用者从就座或蹲下位置起立时施加辅助致动器的弹性返回力。弹性返回元件可包括预加载的弹簧，该预加载的弹簧被设置在定子和转子之间并处于设置在定子和转子之间的引导凹槽中。
但是，对于膝部接头致动器的情况，角度范围是不同的。第一角度范围α1对应于膝部相对于使用者的额平面PF的介于例如+15度到-60度之间的弯曲或伸展运动。第二角度范围α2对应于膝部相对于使用者的额平面PF的小于-60度的弯曲或伸展运动。
对角度范围的调节可以通过改变被施加弹簧的抵接部相对于定子的位置来获得。
脚部模块
如图3所示，脚部模块7被附接膝部模块6。
脚部模块7包括连杆71、踝部接头72和能够附接到使用者的脚的脚部部分73。
连杆71能够在膝部模块6的胫骨部段631内滑动，以将脚部模块7附接到膝部模块6，同时使得能够调节膝部接头62与踝部接头72之间的距离。固定螺钉使得连杆71能够相对于胫骨部段631固定不动。
如图11所示，脚部部分73包括第一部段731、第一支撑板732、第二部段733、第三部段734和第二支撑板735。
踝部接头72使得在弯曲或伸展运动期间、在内转或外转运动期间以及在使用者的脚踝外翻或内翻运动期间脚部模块7能够相对于膝部模块6旋转。
踝部接头72包括第一框架721、在使用者的脚相对于小腿的旋转运动期间能够相对于第一框架721转动的第二框架722、以及设置在框架721和框架722之间的弹性元件723。
第一框架721固定地安装在脚部模块7的连杆71上，而第二框架722固定地安装在脚部部分73的第一部段731上。
弹性元件723包括由弹性体材料形成的预先压缩在第一框架721和第二框架722之间的环。弹性元件723能够施加倾向于阻止第二框架722相对于第一框架721的相对旋转的返回力。
第一部段731将踝部接头72连接到第一支撑板732。更确切地说，第一部段731具有附接到第二框架722的第一端部和附接到第一支撑板732的第二端部。
第二部段733和第三部段734将第一支撑板732连接到第二支撑板735，同时在第一支撑板和第二支撑板之间形成角度。
第二支撑板735在其被设计成与地面接触的下表面上可以具有例如由有槽橡胶制成的防滑表层。
在图12A至图12D中，脚部模块7例如与“半统皮靴”或“军靴”类型的靴子9一起使用。靴子9被设计成支撑施加在靴子9顶部上的负荷，该负荷可以达到40千克。靴子9还可以包括保护脚的前部的外壳和/或由金属制成的加强元件。
如图12A所示，第一支撑板732被设计成支撑使用者的靴子9的顶部。
第二支撑板735被设计成当使用者站在地面上时支撑在地面S上。第二支撑板735被布置成使得第二支撑板被设置在使用者的靴子9的靴底91下方并且设置在形成于靴底中且介于跟部93和前端部94之间的凹部92中。
第一部段731和第二部段733形成V形弹簧。当靴子9的靴底91与地面接触时弹簧能够被压缩(部段731和733移动得更靠近彼此)，并且当靴子9的靴底91不与地面S接触时弹簧扩展(部段731和733移动远离彼此)。
第二部段733和第三部段734位于踝部接头72下方以一角度彼此连接。更确切地说，当使用者处于站立位置时，穿过踝部接头72的旋转中心的竖直轴线V与两个部段733和734相交。部段733和部段734相对于踝部接头72的这种位置使得能够产生脚部部分73的向下变形，并且因此确保脚部部分73倾向于按压在靴子9的前部上，而不是抬起靴子的前部。
图12A至图12E示出了使用者的行走周期的不同阶段。
在图12A中，靴子9的靴底91与地面S接触。在此阶段期间，第二支撑板735与地面S接触。由部段731和部段733形成的弹簧被压缩，使得施加在脚部模块7上的重量经由第二支撑板735转移到地面S。
在图12B中，靴子9的跟部93与地面S分离。在该阶段期间，由部段731和部段733形成的弹簧扩展。当它扩展时，弹簧对脚部模块7施加向上的返回力F，这辅助使用者抬起脚。
在图12C中，仅靴子9的靴底91的前部94与地面S接触。由部段731和部段733形成的弹簧被扩展。于是，施加在脚部模块7上的重量经由第一支撑板732转移到靴子9。只要靴子9与地面接触，重量就经由靴子9转移到地面。
在图12D中，一旦脚已经从地面S抬起，则重量主要施加在外骨骼结构的另一个脚部模块7上。
在图12E中，使用者再次将跟部93置于地面S上。在此阶段期间，第二支撑板735再次与地面S接触，这具有压缩由部段731和部段733形成的弹簧的作用。由部段731和部段733形成的弹簧被压缩，直到施加在脚部模块上的重量经由第二支撑板735转移到地面S。
脚部模块7允许将施加在外骨骼上的载荷转移到地面S：当行走时，载荷接连地经由第二支撑板735、然后经由第一支撑板732以及使用者的靴子9转移到地面。
脚部模块7使得能够适应军队当前使用的靴子，而不需要修改靴子。脚部模块7可以与标准的靴子一起使用，并且不需要修改或调整靴子。
脚部模块7还使得由使用者携带的载荷能够转移到地面上，包括在行走阶段期间，并且这适用于任何类型的地形。
背部模块
图13以放大图示意性地示出了背部模块2。
背部模块2包括脊柱部段21、靠背22和条带23，条带使得靠背22能够附接到使用者的背部。
当背部模块2附接到使用者的背部时，脊柱部段21沿使用者的脊柱延伸。更确切地说，脊柱部段21在基部模块1的腰带11和靠背22之间延伸。
靠背22包括壳体221和容纳在壳体221中的第二电池222。
每个肩部模块3能够被连接到背部模块2。
外骨骼结构还包括使得背部模块2能够被附接到基部模块1的附接装置24。
附接装置24包括固定地安装在基部模块1上的第三部件241和固定地安装在背部模块2上的第四部件242。更确切地说，第三部件241附接到腰带11。第四部件242附接到脊柱部段21的下端部。
第四部件242能够利用例如螺钉附接到第三部件241以将背部模块2附接到基部模块1。
此外，第三部件241和第四部件242包括插座和插头，插头能够插入到该插座中，以在第四部件242附接到第三部件241上时将背部模块2的第二电池222电连接到基部模块1的控制单元13。
脊柱部段
图14更精确地示出脊柱部段21。脊柱部段21包括多个堆叠在彼此之上的椎骨元件211。
椎骨元件211的数量可以根据使用者的尺寸来调节，这使得外骨骼结构能够易于适应使用者的形态。
替代地或作为补充，靠背22可以被安装成沿着脊柱部段21能够滑动，以便允许调节背部模块2。
椎骨元件211可以由刚性的和轻质的材料形成，例如由基于填充有碳纤维的环氧聚合物的复合材料形成。
脊柱部段21还包括一个或多个使得椎骨元件211能够彼此连接的一个或多个柔性连接元件212。
在图14所示的示例中，每个柔性连接元件212穿过每个椎骨元件211在叠组内延伸。然而，作为变型，脊柱部段21可以包括呈柔性管状护套形式的柔性连接元件，该护套包封椎骨元件211。
在图14所示的示例中，每个柔性连接元件212是细长元件，例如为线缆或弹性绳。
每个柔性连接元件212具有连接到靠背22的壳体221的第一端部和连接到第四附接部件242的第二端部。
每个柔性连接元件212在椎骨元件211内保持在张力下，以便对椎骨元件211施加纵向压缩力。压缩力具有保持椎骨元件211彼此挤压的作用。
以这种方式，脊柱部段21具有稳定的平衡位置。
然而，由于它们的弹性，柔性连接元件211使得脊柱部段21能够在使用者的背部运动(弯曲和/或径向旋转运动和/或背部的侧向倾斜)期间变形，同时对椎骨元件211施加使脊柱部段21倾向于返回到其稳定平衡位置的返回力。
如图15所示，每个椎骨元件211包括具有拱形形状的主体213，该拱形形状具有凹面，当脊柱部段21沿着使用者的脊柱延伸并且使用者站立时该凹面朝向脊柱的底部定向。
每个椎骨元件211具有凹部214和突起215，每个突起215能够被接纳在叠组中的直接位于上方或下方的另一个椎骨元件211的凹部214中。
如果这样的话，则每个椎骨元件211通过将突起215插入凹部214中而连接到下一个椎骨元件。凹部214和突起215具有的形状使得它们能够使椎骨元件211相对于下一个椎骨元件发生侧向倾斜运动。因此，凹部214和突起215在两个椎骨元件211之间形成连接，以使得使用者的身躯能够侧向倾斜。
此外，每个椎骨元件211具有设置在主体213内部的通道221至223，用于使柔性连接元件212通过和用于使一个或多个电传输线缆224通过。
背部模块2还包括一个或多个电传输或数据传输线缆224，该线缆穿过每个椎骨元件211在脊柱部段21内延伸，用以将背部模块2的第二电池222和致动器或传感器连接到基部模块1的控制单元13。
应该注意的是，一个或多个电传输线缆224具有比脊柱部段21的长度更大的长度，因此电传输线缆允许脊柱21的变形而没有损坏一个或多个线缆的风险。
脊柱部段21允许传递施加在背部模块2上的竖直载荷，同时允许使用者的脊柱进行一定自由度的运动。
肘部模块
如图1至图5以及图13所示，每个肘部模块4包括能够附接到使用者的臂的肱骨部分41、肘部接头42和能够附接到使用者的前臂的径向部分43。
肱骨部分41包括能够沿着使用者的臂延伸的肱骨部段411，以及能够包围使用者的臂以将肱骨部段411附接到臂的附接条带412。
径向部分43包括能够沿着使用者的前臂延伸的径向部段431和能够包围使用者的前臂以将径向部段431附接到前臂的附接条带432。
径向部分43通过肘部接头42连接到肱骨部分41。肘部接头42使得径向部分43能够相对于肱骨部分41旋转，该旋转对应于使用者的肘部的弯曲或伸展运动。肘部接头42还可以包括肘部致动器以在肘部弯曲或伸展运动期间辅助使用者。
肩部模块
图16至图18示意性地示出了肩部模块3。
每个肩部模块3能够将肘部模块4连接到背部模块2。
肩部模块3使得肘部模块4能够根据三个自由度相对于背部模块2运动，即：
-肘部模块4围绕平行于肩部的外展轴线或内收轴线的第一轴线旋转，
-肘部模块围绕平行于肩部的外旋转轴线或内旋转轴线的第二轴线旋转，
-肘部模块围绕平行于肩部的弯曲轴线或伸展轴线的第三轴线旋转。
肩部模块3包括第一枢轴31、四杆机构32、第二枢轴33，第一连接部件34、第三枢轴35、第二连接部件36、第四枢轴37、第三连接部件38、第五枢轴39和第三连接部件310。
四杆机构32包括第一杆321、第二杆322、将第二杆322连接到第一杆321的第一接头325、第三杆323、将第三杆323连接到第二杆322的第二接头326、第四杆324、将第四杆324连接到第三杆323的第三接头327以及将第四杆324连接到第一杆321的第四接头328。
四个杆321至324通过四个接头325至328彼此连接，以便形成在平行于使用者的冠状面的平面中的可变形的平行四边形。四杆机构32还包括弹性元件329，该弹性元件沿着平行四边形的对角线延伸并将第一接头325连接到第三接头327，以便在四个杆321至324上产生倾向于阻止由于施加在肩部模块3上的重力引起的平行四边形变形的返回力。弹性返回元件329是拉伸弹簧，拉伸弹簧的一个端部被连接到第一接头325，另一个端部被连接到第三接头327。
第一杆321借助于第一枢轴连接件31围绕大致竖直的轴线相对于靠背22的壳体221旋转地安装。
同样地，第三杆323借助于第二枢轴33围绕大致竖直的轴线相对于第一连接部件34旋转地安装。
第二连接部件36借助于第三枢轴35相对于第一连接部件34旋转地安装。第三枢轴35包括致动器。
致动器包括定子和转子，转子能够围绕第一旋转轴线相对于定子被旋转驱动，第一旋转轴线垂直于第二枢轴33的轴线。致动器使得能够在肩部的外展或内收运动期间辅助使用者。为此，第一旋转轴线X1平行于肩部的外展或内收轴线。
第三连接部件38借助于第四枢轴37连接到第二连接部件36。第四枢轴37使得第三连接部件38能够围绕第二旋转轴线X2相对于第二连接部件36旋转，该旋转对应于使用者的臂的外旋转运动或内旋转运动。
第四连接部件310借助于第五枢轴39相对于第三连接部件旋转地安装。第五枢轴39使得第四连接部件310能够围绕第三旋转轴线X3相对于第三连接部件38旋转。第五枢轴39包括致动器。
致动器包括定子和转子，转子能够围绕第三旋转轴线X3相对于定子被旋转驱动，第三旋转轴线X3垂直于第四枢轴37的轴线。致动器使得能够在肩部的弯曲或伸展运动期间辅助使用者。为此，第三旋转轴线X3平行于肩部的弯曲和伸展轴线。
第三枢轴35的第一旋转轴线X1与第四枢轴37的第二旋转轴线X2垂直相交。同样地，第五枢轴39的第三旋转轴线X3与第四枢轴37的第二旋转轴线X2垂直相交。然而，第一旋转轴线X1和第三旋转轴线X3与第二旋转轴线X2相交在不同的点处。
当使用者的臂处于静止状态时(即，当臂沿着在站立位置的使用者的身体延伸时)，第四枢轴37的第二旋转轴线X2平行于第二枢轴33的旋转轴线。另外，第三旋转轴线X3垂直于第三枢轴35的第一旋转轴线X1并垂直于第四枢轴37的第二旋转轴线X2。
如图17所示，第三连接部件38包括借助第一滑道383相对于彼此滑动安装的两个部件381和382。部件381和部件382相对于彼此的滑动允许在使用者的肩部的外展或内收运动期间缩短或伸长第三连接部件38。第一滑道383包括第一弹性返回元件384，该第一弹性返回元件倾向于阻止部件381和部件382相对于彼此的分离，并因此阻止第三连接部件38的伸长。第一弹性返回元件384因此是拉伸弹簧。
如图18所示，第四连接部件310包括借助第二滑道3103相对于彼此滑动安装的两个部件3101和3102。部件3101和部件3102相对于彼此的滑动允许在使用者的前臂相对于臂的旋转期间缩短和伸长第四连接部件310，从而引起肘部的弯曲或伸展。第二滑道3103包括第二弹性返回元件3104，第二弹性返回元件倾向于阻止部件3101和部件3102相对于彼此的分离，并因此阻止第四连接部件310的伸长。第二弹性返回元件3104是拉伸弹簧。
由于肩部模块3的旋转轴线X1、X2和X3与使用者肩部的关节复合体的实际旋转轴线不重合，所以两个滑道383和3103使得第三连接部件38的长度以及第四连接部件310的长度能够改变以补偿旋转轴线的偏移。
第四连接部件310借助于附接装置10连接到肘部模块的肘部接头42。
用于将肩部模块连接到肘部模块的装置
外骨骼结构包括两个附接装置10，每个附接装置10使得肩部模块3能够附接到肘部模块4。
图19示意性地示出了附接装置10。在该图所示的实施例中，附接装置10是所谓的“卡销式”附接装置，其类似于图9、图10A和图10B所示的用于将髋部模块5附接到基部模块1的装置8。
附接装置10能够从解锁定构型转换到锁定构型，在解锁定构型中，肩部模块3从肘部模块4分离，在锁定构型中，肩部模块3附接到肘部模块4。
附接装置10包括固定地安装在肘部模块4上的第一部件101和被可旋转移动地安装在肩部模块3上的第二部件102。
更确切地说，第一部件101附接到肘部接头42的致动器的定子。第二部件102围绕平行于第二部件102插入第一部件101的方向的轴线X旋转安装在肩部模块3的第四连接部件310上。
第二部件102能够卡扣到第一部件101中，以使得肩部模块3能够可逆地附接到肘部模块4。
第一部件101和第二部件102与用于将髋部模块5附接到基部模块1的装置8的第一部件81和第二部件82相同。附接装置10还包括呈弹簧形式的弹性返回元件103，该弹性返回元件能够沿与第二部件102插入第一部件101的方向相反的方向对第二部件102进行加载。
此外，第一部件101和第二部件102各自包括电触头，当第二部件102在锁定构型中处于第一部件101中时，该电触头能够将基部模块1的第一电池12和控制单元13电连接到肘部接头42的致动器。
背包支撑模块
如图20和图21所示，背包支撑模块14包括环箍141和支撑棒142。
环箍141被设计成连接到基部模块1。环箍具有两个相对的端部143。
背包支撑模块14还包括两个球形接头145和两个使得环箍能够被连接到髋部模块5的附接装置16。
以这种方式，背包的重量被转移到下部模块，即髋部模块5、膝部模块6和脚部模块7，这使得使用者能够减轻施加到背部的载荷。
支撑棒142被设计成沿着使用者的背部、平行于使用者的脊柱延伸。棒142能够被接合在背包17的袋171中，以将背包17悬挂在背包支撑模块14上。
棒142包括第一棒元件1421、第二棒元件1422和阻尼器1423。
第一棒元件1421通过枢轴144连接到环箍141，该枢轴使得棒142能够围绕使用者的前-后轴线相对于环箍141旋转。枢轴144使得背包支撑模块能够在行走或跑步期间适应使用者髋部的运动。
第二棒元件1422能够相对于第一棒元件1421滑动，以便改变棒142的长度。
第一棒元件1421和第二棒元件1422可以由用碳纤维增强的合成材料(例如，基于环氧聚合物的复合材料)形成。此外，第二棒元件1422可以包括由金属形成的端部部分。
第二棒元件1422可以是伸缩的，以便使得能够调节棒142的长度。
阻尼器1423适于对由使用者的行走引起的第二棒元件1422相对于第一棒元件1421的运动起缓冲作用。
因此，当使用者行走、跑步或跳跃时，阻尼器1423使得能够减小由外骨骼结构上的背包17的运动引起的摇晃。
为此，阻尼器1423包括附接到第一棒元件1421的圆筒1424、附接到第二棒元件1422并且能够在圆筒1424内滑动的活塞1425，和布置在第一棒元件1421和第二棒元件1422之间的弹性元件1426。
活塞1425在圆筒1424的内部界定出两个容纳流体的腔室1427和1428，活塞1425在圆筒1424内的滑动导致对容纳在腔室中的一个腔室1427中的流体的压缩，以及导致流体转移到另一个腔室1428。
弹性元件1426优选地具有大于或等于2000牛顿每米的刚度。这种刚度使得能够消除背包振动放大现象，这种振动放大现象可在使用者行走或跑步期间由背包17和弹性元件1426形成的质量弹簧系统发生共振的情况下发生。
此外，阻尼器1423可以具有可调节的阻尼比，这使得阻尼能够适应于背包的质量。实际上，背包的质量可以根据使用者执行的任务类型而变化。可以通过改变腔室1427和腔室1428的总体积(例如通过螺钉)来获得对阻尼比的调节，以便调节阻尼器的阻尼比。
背包支撑模块14还包括将第一棒元件1421连接到第二棒元件1422的保护性波纹管密封件1429。保护性波纹管密封件1429使得棒142能够伸长，同时仍然防止液体或碎屑进入棒142和阻尼器1423内。
此外，背包支撑模块14可以包括力传感器，以评估所携带的包17的质量。力传感器可以是压缩应变仪式力传感器。传感器可以被设置在棒142的在阻尼器1423上方的下部部分中。
用于将背包支撑模块附接到髋部模块的装置
图22示意性地示出了使得环箍141的一个端部143能够被连接到髋部模块5的附接装置16。
在该图所示的实施例中，附接装置16是所谓的“卡销式”附接装置，其类似于图9、图10A和图10B所示的用于将髋部模块5附接到基部模块1的装置8。
附接装置16能够从解锁定构型转换到锁定构型，在解锁定构型，背包模块14从髋部模块5分离，在锁定构型，背包模块14附接到髋部模块5。
附接装置16包括固定地安装在髋部模块5上的第一部件161，以及可旋转且可平移移动地安装在背包支撑模块14上的第二部件162。
更确切地说，第一部件161被附接到髋部接头52的致动器521的定子522。第二部件102借助于球形接头145被旋转安装在环箍141上。第二部件162还沿着轴线X相对于球形接头145被滑动安装。
第二部件162能够卡扣到第一部件161中，以便将背包支撑模块14可逆地附接到髋部模块5并因此附接到基部模块1。
第一部件161和第二部件162与用于将髋部模块5附接到基部模块1的装置8的第一部件81和第二部件82相同。附接装置16还包括呈弹簧形式的弹性返回元件163，该弹性返回元件能够沿与第二部件162插入第一部件161的插入方向相反的一个方向对第二部件162进行加载。
以这种方式，环箍141在其每个端部143被固定到髋部模块5的髋部接头52。因此，背包17的重量借助于下部模块，即髋部模块5、膝部模块6和脚部模块7被转移到地面。

Claims (9)

1.一种用于外骨骼结构的背部模块(2)，所述背部模块包括：
-被设计成沿着使用者的脊柱延伸的脊柱部段(21)，所述脊柱部段(21)包括多个堆叠在彼此之上的椎骨元件(211)和将所述椎骨元件(211)连接至彼此的柔性连接元件(212)，所述脊柱部段(21)具有稳定平衡位置，在所述稳定平衡位置，所述柔性连接元件(212)将所述椎骨元件(211)保持为支撑抵靠彼此，并且所述柔性连接元件(212)是弹性的，以便在使用者的背部运动期间所述柔性连接元件(212)使得所述椎骨元件(211)能够相对于彼此运动，同时所述柔性连接元件施加倾向于使所述脊柱部段(21)返回到所述稳定平衡位置的返回力，和
-一个或多个电传输或数据传输线缆(224)，所述电传输或数据传输线缆穿过所述椎骨元件(211)中的每一个在所述脊柱部段(21)内部延伸，用以将电池和/或致动器和/或传感器连接到所述外骨骼结构的控制模块(13)，或者用以连接所述外骨骼结构的两个控制模块。
2.根据权利要求1所述的背部模块，其中，所述柔性连接元件(212)对所述椎骨元件(211)施加压缩力，以便在所述稳定平衡位置将所述椎骨元件(211)保持为支撑抵靠彼此。
3.根据权利要求1所述的背部模块，其中，所述柔性连接元件(212)穿过所述椎骨元件(211)中的每一个在所述脊柱部段(21)内部延伸，所述柔性连接元件(212)被保持在张力下以便对所述椎骨元件(211)施加压缩力。
4.根据权利要求1所述的背部模块，其中，每个椎骨元件(211)具有凹部(214)和突起(215)，每个突起(215)能够被接纳在叠组中的直接位于上方或下方的另一个椎骨元件(211)的凹部(214)中。
5.根据权利要求1所述的背部模块，其中，每个椎骨元件(211)通过连接件连接到下一个椎骨元件，以允许使用者的背部的弯曲和/或径向旋转运动和/或侧向倾斜。
6.根据权利要求1所述的背部模块，其中，每个椎骨元件(211)具有拱形形状，所述拱形形状具有凹面，当所述脊柱部段(21)沿着使用者的脊柱延伸时，所述凹面朝向脊柱的底部定向。
7.根据权利要求1所述的背部模块，其中，所述一个或多个电传输或数据传输线缆(224)的长度大于所述脊柱部段(21)的长度，如此所述电传输或数据传输线缆允许所述脊柱部段(21)的变形而不经受拉伸。
8.根据权利要求1所述的背部模块，所述背部模块包括附接装置(24)，所述附接装置包括附接到所述脊柱部段(21)的下端部的附接部件(242)，所述附接部件(242)能够被附接到与所述外骨骼结构的基部模块(1)的腰带(11)附接的互补的附接部件(241)，以便将所述背部模块(2)附接到所述基部模块(1)。
9.一种对使用者进行力辅助的外骨骼结构，所述外骨骼结构包括：
-基部模块(1)，所述基部模块包括能够包围使用者的腰部的腰带(11)和附接到所述腰带(11)的附接部件(241)，以及
-背部模块(2)，所述背部模块包括：被设计成沿着使用者的脊柱延伸的脊柱部段(21)，所述脊柱部段(21)包括多个堆叠在彼此之上的椎骨元件(211)和将所述椎骨元件(211)连接至彼此的柔性连接元件(212)，所述脊柱部段(21)具有稳定平衡位置，在所述稳定平衡位置，所述柔性连接元件(212)将所述椎骨元件(211)保持为支撑抵靠彼此，并且所述柔性连接元件(212)是弹性的，以便在使用者的背部运动期间所述柔性连接元件(212)使得所述椎骨元件(211)能够相对于彼此运动，同时所述柔性连接元件施加倾向于使所述脊柱部段(21)返回到所述稳定平衡位置的返回力；和附接到所述脊柱部段(21)的下端部的附接部件(242)，所述背部模块(2)的附接部件(242)能够被附接到所述腰带(11)的附接部件(241)，以便将所述背部模块(2)附接到所述基部模块(1)，
使得施加到脊柱元件的重量被转移到所述基部模块(1)，
其中，所述基部模块(1)包括控制单元(13)和电池(12)，所述控制单元和所述电池被附接到所述腰带(11)，并且所述背部模块(2)包括额外的电池和/或致动器，并且其中，所述附接部件(241，242)各自包括电触头，当所述背部模块(2)的附接部件(242)被附接到所述基部模块(1)的附接部件(241)时，所述电触头能够将所述基部模块(1)的电池(12)和控制单元(13)电连接到所述背部模块(2)的电池和/或致动器。
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