CN109071116A - 用于外骨骼的工具保持臂的控制机构和方法 - Google Patents

Abstract

工具保持臂（405,505）包括多个连杆（409,410,509,510）和工具联接器（406,506），该工具联接器将工具（403,430,503）可移除地固定到工具保持臂（405,505）。第一流体弹簧（445,533,536）向工具保持臂（405,505）提供重力抵消力。锁定机构（422,450,552）选择性地锁定第一流体弹簧（445,533,536）。调节机构（520,550）选择性地调节由第一流体弹簧（445,533,536）提供的重力抵消力的量。

Description

用于外骨骼的工具保持臂的控制机构和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2016年1月20日提交的名为“用于改善人类外骨骼效用的装置”的美国临时专利申请序列号62/280,896的权益。该申请的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及这样的装置和方法，其增强穿戴者的承载能力和力量，从而在执行某些承受负载的或需要力量的任务期间提高表现并辅助防止受伤。更特别地，本发明涉及适合于从事沉重工具使用或承受重量的任务的人使用的控制机构和方法，特别是与外骨骼装置组合，该外骨骼装置加强了人的附肢的改善的活动功能，包括但不限于，赋予穿戴者臂更大的力量和耐力，并允许在较长时间段内使用沉重工具。

背景技术

可穿戴外骨骼已经被设计用于医疗、商业和军事应用。医疗外骨骼被设计成帮助恢复用户的移动性。商业和军事外骨骼帮助防止受伤并增强用户的力量。商业和军事外骨骼用于减轻在费力的活动期间由工人或士兵支撑的负载，从而防止受伤并增加工人或士兵的耐力和力量。

被设计用于身体强壮的穿戴者的外骨骼通常用于通过将工具或负载的重量通过外骨骼结构传递并且传递到地面中来改善穿戴者的耐力，从而减轻由穿戴者承受的重量。在一些情况下，工具保持外骨骼配备有支撑工具的重量的非拟人工具保持臂，通过提供工具保持辅助来减轻用户疲劳。工具保持臂通过外骨骼支撑的工具保持臂来传递而不是通过用户的臂和身体来传递保持工具所需要的竖直力。在其它情况下，外骨骼结构是大体上拟人的并且与用户的身体合作地起作用以通过这样来支撑工具重量的一些或全部：支撑穿戴者的臂的定位，并且然后将该工具重量围绕穿戴者的身体传递并传递到地面中。承受重量的外骨骼通过外骨骼的腿部而不是通过用户的腿部来传递外骨骼负载的重量。在一些情况下，承受重量的外骨骼被设计成承载特定负载，诸如，沉重的背包。在其它情况下，军用的承受重量的外骨骼支撑盔甲的重量。商用和军用的外骨骼能够具有增强外骨骼用户力量的被致动的关节，其中这些被致动的关节由外骨骼控制系统控制，并且其中外骨骼用户使用多个可能的输入装置中的任何来命令外骨骼控制系统。

在被提供动力的（powered）外骨骼中，外骨骼控制系统规定并控制外骨骼关节中的轨迹，引起外骨骼结构的运动，并且在一些情况下，引起由外骨骼支撑的工具的定位。这些控制轨迹能够被规定为基于位置、基于力或两种方法的组合，诸如，在阻抗控制器中见到的那些。能够通过修改规定的位置来直接修改基于位置的控制系统。基于力的控制系统也能够通过修改规定的力曲线来直接修改。随着外骨骼用户和外骨骼工具在比例上改变，各种调节的或定制的被提供动力的外骨骼将与每个用户在一定程度上不同地配合。外骨骼控制系统能够将外骨骼用户比例、外骨骼构造/定制、外骨骼用户配合、以及工具支撑方面中的这些差异考虑在内，以对规定的外骨骼轨迹进行改变。外骨骼用户能够通过与外骨骼控制系统进行通信来控制外骨骼轨迹的改变，所述通信使用各种装置来实现，包括但不限于身体压力传感器、操纵杆、触摸板、姿态传感器、语音传感器、和直接检测神经系统活动的传感器。

在无动力（unpowered）工具保持外骨骼中，外骨骼穿戴者提供用于移动外骨骼结构和任何被固定的工具的力，其中外骨骼通过在某些位置中支撑工具的重量来辅助穿戴者，辅助某些工具或外骨骼运动，以及将工具的重量围绕穿戴者身体传递、传递通过外骨骼的腿部结构并传递到支撑表面中。

在被提供动力的工具保持外骨骼和无动力的工具保持外骨骼二者中，外骨骼结构（并且特别是辅助工具支撑的拟人臂的结构或者工具保持臂和工具保持臂附接点的结构）的设计对于在工具使用应用中外骨骼对穿戴者的有用性起到重要作用。外骨骼臂或工具支撑结构的特定结构可变地适合于特定工具和穿戴者可能从事的特定运动。本领域中已知的非拟人工具保持臂的示例包括zeroG®和Steadicam®臂。这些无动力臂具有包括一个或多个弹簧构件的机构，该弹簧构件用于补偿附接到臂的端部的工具或摄像机的重量、支撑被附接的装置的重量、同时允许引导臂的人根据需要容易地重新定位臂和被附接的装置。

图1A和图1B示出了现有技术的支撑装置，该支撑装置最初被设计以获得稳定的电影录像和视频图像，并且以商标Steadicam®提供进行销售。另外参见美国专利第4,208,028号和第7,618,016号。如所示出的，用于该装置的支撑臂包括一对平行的上臂连杆102、104，该上臂连杆在一端处可枢转地联接到连接器铰链支架106。上臂连杆102、104的另一端可枢转地连接到上臂中间铰链支架108。第二对平行前臂连杆110、112可枢转地联接在前臂中间支架114和摄像机支撑支架116之间。摄像机安装销117被设置在摄像机支撑支架116中。上臂中间铰链支架108和前臂中间支架114通过铰链118沿一侧可旋转地联接在一起。连接器铰链支架106在其中心处可旋转地联接到下支撑铰链板120的一端。下支撑铰链板120的另一端通过销123可旋转地联接到固定支撑块122。销123延伸所穿过的弹簧121沿顺时针方向偏压下支撑铰链板120。张力弹簧124的一端联接到上臂连杆102的端部，上臂连杆102可枢转地联接到上臂中间铰链支架108。张力弹簧124的另一端通过缆线128的部段联接到张力弹簧126的一端，缆线128骑靠在滑轮130上并且围绕滑轮130，滑轮130可旋转地联接到上臂连杆102。张力弹簧126的另一端通过缆线134的部段联接到张力弹簧132的一端，缆线134骑靠在滑轮136上并且围绕滑轮136，滑轮136可旋转地联接到上臂连杆104。张力弹簧132的另一端联接到上臂连杆104的邻近于连接器铰链支架106的端部。类似地，张力弹簧138的一端联接到前臂连杆110的邻近于摄像机安装支架116的端部。张力弹簧138的另一端通过缆线142联接到张力弹簧140，缆线142骑靠在滑轮144上并且围绕滑轮144，滑轮144可旋转地联接到前臂连杆110。张力弹簧140的另一端通过缆线148联接到张力弹簧146的一端，缆线148骑靠在滑轮150上并围绕滑轮150，滑轮150可旋转地联接到前臂连杆112。张力弹簧146的另一端联接到前臂连杆112的邻近于前臂中间铰链支架114的端部。

由于张力弹簧124、126、132、138、140和146所施加的向上的力在效果上抵消了重力，所以在支撑支架116处支撑的重量（诸如，摄像机）表现为在不受重力的自由空间中的物体。该重量倾向于沿直线行进直到另外受到影响并且倾向于保持相同的角度直到另外受到影响。因此，当支撑臂被用于高处、低处或向任何一侧时，上臂连杆102、104在其三维几何结构方面大致对应于用户的上臂，并且前臂连杆110、112在其三维几何形状方面大致对应于用户的前臂。用户能够通过用用户的臂对工具施加力来调节支撑臂的位置，这将使支撑臂相对于他或她的身体移动。由于支撑臂的重力抵消作用，所以用户不承受静止的摄像机/工具或支撑臂的重量，而是仅在改变支撑臂相对于用户身体的位置时施加力。类似的支撑臂在本领域中是已知的，并且在诸如灯或用于医疗X射线装置的支撑臂的物体中见到。在一些实施例中，弹簧由气弹簧或其它类似装置替代，其起到向重量支撑臂施加重力抵消力的相同作用。

由于支撑臂张力弹簧124、126、132、138、140和146所施加的向上的力支撑在支撑支架116处所支撑的重量，因此张力弹簧的力应当与在支撑支架116处所支撑的物体的重量相匹配。在附接具有不同重量的不同物体的情况下，这需要改变弹簧力，以便匹配向上和向下的力并且获得附接到重力补偿臂的“失重”物体。因此，改变附接到支撑臂的端部的摄像机或工具导致臂支撑的重量改变并且需要更改由张力弹簧施加的力。图2A以图示示出了并入在平行四边形支撑联动装置内的提升三角形ABC的两个位置（前文示出的工具支撑臂具有两个这样的平行四边形支撑联动装置）。弹性构件203形成施力三角形的一条边，施力三角形在此被示出为提升三角形ABC。因此，弹性构件203在此被示出为张力弹簧。在该图示中，边201在两个位置中都与固定边205毗连，并且弹簧附接点219位于在点A与枢轴226之间的线上。如所示出的，为了在平行四边形202、204、205、206的所有潜在偏移中精确地抵消重量，张紧组件将需要由公式K=P/Dy指定的弹簧劲度系数，其中K是弹簧劲度系数，P是负载，并且Dy是边201的高度。仅在采用不切实际地高的弹簧劲度系数和边201的不切实际地低的值（例如，如果P为40磅，则在边201的长度为0.25英寸的情况下，160磅/英寸的弹簧劲度系数将恰好抵消P）的情况下，张力弹簧才会如所示出的配合于可用的对角距离BC内。如果边201的长度增加，则P的重量将必然成比例地增加以与三角形ABC的提升力保持平衡。

现有技术还包括改变施力三角形的提升动力的方法和装置，其中，调节终止点以改变施力三角形的第三条边的长度。参见美国专利第7,618,016号。终止点在大致垂直于第一调节方向的方向上进一步调节，当负载臂绕负载枢轴枢转时，终止点位置能够穿过经过负载枢轴的大致铅垂线，以在负载臂的枢转偏移的至少部分上更改平衡轮廓。图2B以图示示出了用于调节弹簧终止高度和从边225的偏移的示例性机构，并且进一步图示了使用张紧组件来平衡负载P的新颖方式，该张紧组件具有根据上述公式K=P/Dy来看不合适的劲度系数，但由于其它原因而有用。例如，张紧组件能够被指定为配合在平行四边形的对角空间内，而没有在其它情况下将要求的高弹簧劲度系数和低纵横比。如果弹簧223的终止点239移位到由边222、224、225和226形成的平行四边形的邻边225之外，则当平行四边形从所示出的水平姿态向上和向下移动时，提升力通常变得不那么有效，这在用于提供近似的均衡的本领域中已知。本发明的实施例引入机构以便以与提升三角形的改变的高度保持成比例的方式可调节地改变该偏移。潜在弹簧终止点的路径238借助于Dx丝杠234从线241（边225的延伸）成角度地移位，Dx丝杠234通过旋钮236来调节以使边221（路径238）在枢转点A处弧形地枢转，并且因此相对于边225偏移弹簧终止点239，边225在此处被示出为竖直的。另外，Dy调节旋钮235转动丝杠233以沿弹簧终止路径238升高和降低弹簧终止点239，以便增大或减小三角形ABC的提升力。

图2C是现有技术的完整的两部段式重力补偿支撑臂的侧视图。支撑主体安装硬件298可枢转地附接到上臂部段290，上臂部段290经由铰链292可枢转地附接到前臂部段294，前臂部段294适于使用柱296连接到有效负载（诸如，摄像机）。要注意的是，如果臂被倒置，则柱296与主体安装硬件298能够简单地互换并且臂将适当地提升。

在被提供动力的工具保持外骨骼和无动力工具保持外骨骼二者中，外骨骼结构（并且特别是外骨骼下部部分的结构）的设计在将外骨骼负载的重量（包括工具重量和工具支撑臂重量二者）围绕穿戴者的身体传递并传递到支撑表面中的方面起到重要作用。除了简单地支撑该重量外，外骨骼下部结构的设计确定了该重量能够被平衡的程度，该平衡影响外骨骼和/或工具对用户的有用性。例如，考虑具有髋部安装的工具保持臂的外骨骼。当工具和工具保持臂从外骨骼穿戴者的身体进一步延伸时，工具保持臂将用作杠杆，并且工具的重量将导致被施加在外骨骼髋部上的扭矩增加。为了抵消该髋部扭矩，外骨骼（和/或穿戴者）必须消耗能量，并且当工具的重量远离外骨骼延伸时，这导致更不平衡的、更可能会翻倒的外骨骼。平衡问题和不期望的关节扭矩的问题能够通过使得外骨骼框架和关节更重和更加刚性来解决，或通过添加在外骨骼后方延伸（与其进行平衡的工具保持臂相对）的加重平衡臂来解决。然而，这些解决方案以使得外骨骼愈发不易移动和/或不敏捷为代价，而移动性和灵活性是工具保持外骨骼（相对于例如台面/地面安装的工具或履带式车辆）的关键功能。因此，外骨骼支撑结构（并且特别是包括髋部、腿部、踝部和足部结构的下部结构以及互连关节）的设计应考虑在负载支撑/平衡与外骨骼移动性/可操作性之间的折衷。取决于工具保持外骨骼的应用，不同外骨骼特征的相对重要性能够改变。

具有被提供动力的关节的工具保持外骨骼能够以多种方式有助于穿戴者。例如，被提供动力的工具臂能够有助于工人提升工具，被提供动力的腿部能够有助于穿戴者带着工具或负载的重量行走，并且被提供动力的髋部能够通过抵消由被安装在延伸的工具保持臂上的工具的重量所施加的扭矩来有助于外骨骼平衡。然而，与具有被提供动力的关节的外骨骼相比，具有无动力关节的工具保持外骨骼具有一些显著的优点，包括但不限于降低的外骨骼成本、简化的维护需求，并且重要的是，对用于外骨骼操作的动力源或动力供应不具有依赖性。精心设计的具有无动力关节的工具保持外骨骼仍通过使用诸如zeroG®臂的装置进行重力补偿来提供工具支撑，并且通过抵消或传递由工具臂重量产生的髋部扭矩的机构来有助于外骨骼平衡，从而在这样的工具保持外骨骼中在很大程度上消除了对被提供动力的关节的需求。但是，动力在工具保持外骨骼中还存在除了致动外骨骼关节之外的用途。例如，如上文所引用的美国专利第7,618,016号描述了重力补偿工具保持臂，其中该工具臂中的弹簧构件中的弹簧力是可调节的，使得该臂能够支撑具有不同重量的工具或摄像机。虽然在美国专利第7,618,016号中描述的装置被构造成由用户手动调节，用户能够取决于由工具臂支撑的重量改变每个弹簧构件的角度和长度，但是这些调节能够替代性地由一个或多个计算机控制的马达来执行。

本领域中存在提供如下的一系列装置和方法的未满足的需求，该装置和方法允许在人类外骨骼上使用被提供动力的装置以用于除了外骨骼关节致动之外的功能，其中这些装置改善工具保持外骨骼对于穿戴者的效用。存在提供如下的装置和方法的未满足的需求，该装置和方法允许响应于被支撑的工具或工具重量的改变而自动且快速地调节重力补偿工具保持臂。存在提供如下的装置和方法的另一未满足的需求，该装置和方法允许将工具保持臂锁定到固定位置中，从而允许穿戴者倚靠到工具中并向工具中施加更大的力。存在提供如下的装置和方法的另一未满足的需求，该装置和方法允许改变外骨骼平衡物/外伸支架的位置，从而改善外骨骼的平衡。存在提供如下的装置和方法的另一未满足的需求，该装置和方法允许在配备有髋部扭矩抵消装置的外骨骼中改善行走移动性。存在提供如下的装置和方法的另一未满足的需求，该装置和方法允许外骨骼向被支撑的工具直接供应动力。存在提供如下的装置和方法的另一未满足的需求，该装置和方法允许外骨骼向工具直接供应诸如紧固件的消耗品。存在提供如下的装置和方法的另一未满足的需求，该装置和方法允许外骨骼调节外骨骼穿戴者的温度。

本文公开了改善人类外骨骼平衡、可操作性和工具使用支撑能力的装置，该装置用于被提供动力的外骨骼和无动力的外骨骼二者。对外骨骼平衡、可操作性和工具使用的这些增强允许人类外骨骼的穿戴者更高效地使用工具工作以及在复杂环境中移动外骨骼和工具。

发明内容

本发明的目的是提供这样的装置，该装置允许外骨骼安装的重力补偿工具保持臂能够快速地调节，使得工具保持臂能够快速地被安装有改变重量的不同工具，其中该工具保持臂在这些可变工具重量下保持有效的重力补偿，从而允许外骨骼穿戴者容易地操纵这些工具的位置而不必支撑工具重量。本发明的另一目的是提供这样的装置，该装置允许外骨骼穿戴者相对于外骨骼、穿戴者和被安装在工具保持臂上的工具的位置选择性地固定工具保持臂的位置，从而允许外骨骼穿戴者倚靠到工具保持臂中，以便通过工具保持臂将力施加到工具中。

本发明的另外的目的是提供这样的装置，该装置允许改善配备有髋部扭矩传递装置的外骨骼的行走移动性。本发明的另外的目的是提供这样的装置，该装置允许配备有可调节平衡物的外骨骼的平衡。本发明的另外的目的是提供这样的装置，该装置允许外骨骼向工具或其它被附接的装置提供消耗品。本发明的另外的目的是提供允许外骨骼穿戴者的温度调节的装置。

开发了这样的概念，利用外骨骼控制系统来控制被附接到重力补偿工具保持外骨骼臂中的弹簧张力调节装置的马达，其中外骨骼控制系统调节弹簧张力以便补偿被固定到工具保持臂的改变的工具重量，其中外骨骼控制系统通过控制接口接收来自外骨骼穿戴者的输入和/或使用从外骨骼传感器接收的关于被固定的工具的重量的数据。还开发了这样的概念，将可锁定构件（诸如，可锁定的气弹簧）集成到重力补偿工具保持外骨骼臂中，以使得外骨骼穿戴者能够选择性地固定工具保持臂和工具相对于外骨骼穿戴者的位置，从而允许外骨骼穿戴者倚靠到外骨骼工具保持臂中并将力传递到工具中。进一步开发了这样的概念，将连接的气弹簧集成到外骨骼工具保持臂中，从而允许简化工具保持臂的弹簧劲度系数的调节。

进一步开发了这样的概念，将致动装置并入到配备有髋部扭矩传递装置的外骨骼中，其中该致动装置选择性地增加或减小拉伸构件上的张力，从而允许在行走时具有更大的移动性但当外骨骼工具臂处于使用中时保持髋部扭矩传递。进一步开发了这样的概念，致动外骨骼平衡物或外伸支架的位置，从而允许改善外骨骼平衡。进一步开发了这样的概念，将动力存储、传递或生成系统固定到外骨骼，其中这些动力系统为由外骨骼支撑或附接到外骨骼的工具或其它装置提供动力。进一步开发了这样的概念，为外骨骼配备消耗品供给装置，从而允许外骨骼为外骨骼安装的工具补充消耗品（诸如，紧固件，其包括但不限于铆钉或钉）。进一步开发了这样的概念，为外骨骼装置配备环境调节系统，该环境调节系统提供外骨骼穿戴者的加热或冷却。进一步开发了这样的概念，为外骨骼配备向外骨骼穿戴者提供净化的呼吸空气供应的装置。

特别地，本发明针对这样的工具保持臂，该工具保持臂包括多个连杆和工具联接器，该工具联接器被构造成将工具可移除地固定到工具保持臂。第一流体弹簧被构造成向工具保持臂提供重力抵消力。锁定机构被构造成锁定第一流体弹簧，并且调节机构被构造成调节由第一流体弹簧提供的重力抵消力的量。优选地，第一流体弹簧是液压弹簧或气动弹簧，该液压弹簧或气动弹簧包括第一杆、第一柱塞和第一筒。

在一个实施例中，锁定机构是被构造成控制流体流入和流出第一筒的阀。阀包括阀杆和阀座。当阀杆接触阀座时，阀处于关闭位置中，在关闭位置中阀防止流体流入和流出第一流体弹簧。当阀杆不与阀座接触时，阀处于完全打开或部分打开位置中，在完全打开或部分打开位置中阀不会防止流体流入和流出第一流体弹簧。在一个实施例中，工具保持臂进一步包括张紧弹簧，并且第一流体弹簧位于张紧弹簧内。

在一个实施例中，调节机构包括第二杆、第二柱塞、第二筒和流体导管。流体导管被构造成在第二筒与第一筒之间传递流体。第二柱塞在第二筒内的位置确定由第一流体弹簧提供的重力抵消力的量。优选地，调节机构进一步包括马达，该马达被构造成控制第二柱塞在第二筒内的位置。锁定机构是被构造成控制流体在流体导管内的流动的阀。优选地，工具保持臂进一步包括第二流体弹簧，该第二流体弹簧被构造成向工具保持臂提供重力抵消力。第二流体弹簧包括第三杆、第三柱塞和第三筒。流体导管进一步被构造成在第二筒与第三筒之间传递流体。第二柱塞在第二筒内的位置确定由第二流体弹簧提供的重力抵消力的量。

在一个实施例中，工具保持臂是外骨骼的部分。外骨骼包括髋部结构、和在髋部关节处联接到髋部结构的大腿连杆。小腿连杆在膝部关节处联接到大腿连杆，并且足部结构在踝部关节处联接到小腿连杆。当外骨骼被支撑在支撑表面上时，外骨骼的重量从髋部结构通过大腿连杆、小腿连杆和足部结构传递到支撑表面。优选地，外骨骼进一步包括后部结构。当外骨骼被用户穿戴时，后部结构位于用户后方。调节机构联接到后部结构。在一个实施例中，外骨骼进一步包括电子控制系统，该电子控制系统被构造成控制锁定机构或调节机构。

当结合附图考虑时，通过以下对本发明的优选实施例的详细描述，本发明的另外的目的、特征和优点将变得更加容易地显而易见，在附图中，在多个视图中，相同的附图标记指代共同的部分。

附图说明

图1A示出了现有技术的非拟人重力补偿支撑臂。

图1B示出了图1A的现有技术的非拟人重力补偿支撑臂。

图2A是并入在现有技术的重力补偿工具保持臂的平行四边形支撑联动装置内的提升三角形ABC的图示。

图2B是现有技术的重力补偿工具保持臂的平行四边形支撑联动装置内的弹簧终止高度和从竖直方向的偏移的DY和DX调节的图示。

图2C是现有技术的两部段式重力补偿工具保持臂的侧视图。

图3A是穿戴根据本发明的第一实施例构造的外骨骼的工人的侧视图，该外骨骼配备有髋部安装的非拟人重力补偿的工具保持臂装置和工具。

图3B是第一实施例中的通信的系统的框图，其中对于改变的工具重量，由外骨骼控制系统根据需要调节工具支撑臂中的弹簧张力。

图3C是图3A的工人和外骨骼的侧视图。

图3D是第一实施例的一个优选变型中的通信的系统的框图。

图4A是穿戴根据本发明的第二实施例构造的外骨骼的工人的侧视图，该外骨骼配备有髋部安装的非拟人重力补偿的工具保持臂装置和工具，其中能够选择性地固定臂的位置。工具保持臂在自由（即，非固定）位置中示出，允许工人通过他或她的臂将力施加到工具和工作表面中。

图4B是第二实施例中的通信的系统的框图，其中工具支撑臂的位置根据外骨骼穿戴者的选择由外骨骼控制系统固定或释放。

图4C是第二实施例的装置的在重力补偿工具保持臂的平行四边形支撑联动装置内的简化图。

图4D是第二实施例的装置的在类似于重力补偿工具保持臂的支撑联动装置的平行四边形内的简化图。

图4E是图4A的工人和外骨骼的侧视图。工具保持臂在固定位置中示出，允许工人通过工具保持臂通过他或她的臂将力施加到工具和工作表面中。

图5A是根据本发明第三实施例构造的装置的简化图。

图5B是穿戴根据第三实施例构造的外骨骼的工人的侧视图。

图5C是第三实施例的装置的变型的简化图。

图5D是第三实施例的装置的另一变型的简化图，其中该装置允许能够选择性地固定工具保持臂的位置，并且其中工具保持臂在自由（即，非固定）状态中示出。

图5E是图5D的变型的简化图，其中工具保持臂在固定状态中示出。

图6A是穿戴根据本发明的第四实施例构造的外骨骼的工人的侧视图，该外骨骼配备有髋部安装的非拟人工具保持臂装置和工具。外骨骼在外骨骼的腿部后方另外地配备有刚性和拉伸连杆，以抵消由工具保持臂的重量引起的髋部扭矩，其中这些拉伸连杆平行于外骨骼的腿部连杆。

图6B是图6A的工人和外骨骼的侧视图，其示出了外骨骼的腿部支撑连杆与外骨骼的腿部后方的拉伸连杆之间的相等距离。

图6C是图6A的工人和外骨骼的侧视图，其示出了外骨骼中的各种连杆和结构所经受的力。

图6D是穿戴根据第四实施例构造的外骨骼的工人的侧视图，其中拉伸连杆的长度和其张力能够通过绞盘调节。

图7A是穿戴根据本发明第五实施例构造的外骨骼的工人的侧视图，该外骨骼配备有髋部安装的非拟人工具保持臂装置和工具。外骨骼在外骨骼的后部另外地配备有可调节的平衡物，其中平衡物在缩回位置中示出。

图7B是图7A的工人和外骨骼的侧视图，其中平衡物在伸展位置中示出。

图8是穿戴根据本发明的第六实施例构造的外骨骼的工人的侧视图，该外骨骼配备有髋部安装的非拟人工具保持臂装置和工具。该工具从被安装在远离工具的外骨骼结构上的能量源汲取动力。

图9A是穿戴根据本发明第七实施例构造的外骨骼的工人的侧视图，该外骨骼配备有髋部安装的非拟人工具保持臂装置和工具。该工具从被安装在远离工具的外骨骼结构上的能量源汲取动力，并且液体消耗品从被安装在外骨骼结构上的存储罐供给到工具。

图9B是穿戴根据第七实施例构造的外骨骼的工人的侧视图，该外骨骼配备有髋部安装的非拟人工具保持臂装置和工具。该工具从被安装在远离工具的外骨骼结构上的能量源汲取动力，并且固体消耗品从被安装在外骨骼结构上的存储罐供给到工具。

图10A是穿戴根据本发明的第八实施例构造的外骨骼的工人的侧视图，该外骨骼配备有髋部安装的非拟人工具保持臂装置和工具。外骨骼向工人的呼吸器提供经处理的空气供应。

图10B是穿戴根据第八实施例构造的外骨骼的工人的侧视图，该外骨骼配备有髋部安装的非拟人工具保持臂装置和工具。外骨骼向工人的呼吸器提供经处理的空气供应，并有助于工人的温度调节。

具体实施方式

本文公开了本发明的详细实施例。然而，应当理解的是，所公开的实施例仅仅是本发明的示例，本发明能够以各种形式和替代性形式来实施。附图不一定按照比例，并且一些特征可能被夸大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文公开的特定结构和功能细节不应被解释为是限制性的，而是仅仅作为用于教导本领域技术人员采用本发明的代表性基础。

图3A示出了穿戴根据本发明第一实施例构造的工具保持外骨骼301的人300。外骨骼301配备有重力补偿工具保持臂305并且通过捆扎件302附接到外骨骼穿戴者300。外骨骼301的髋部结构308在髋部联接器307处连接到工具保持臂305，其中工具保持臂305在工具联接器306处连接到工具303并支撑工具303的重量。工具保持臂305包括上工具臂连杆309和下工具臂连杆310，其中工具保持臂305的工具臂连杆灵活地连接，以使得其能够相对于每个连杆移动，以便允许外骨骼穿戴者300使用臂304来改变工具303相对于外骨骼301和外骨骼穿戴者300的位置。工具303的重量通过工具联接器306传递到上工具臂连杆309，然后传递到下工具臂连杆310，然后传递到髋部联接器307并传递到外骨骼301的髋部结构308中。髋部结构308在髋部312处可旋转地连接到大腿连杆313，其中大腿连杆313在膝部314处可旋转地连接到小腿连杆315，其中小腿连杆315在踝部316处可旋转地连接到足部结构317。这种连接性允许外骨骼301、工具303和工具保持臂305的重量这样传递：围绕外骨骼穿戴者300的腿部311、通过髋部结构308、通过大腿连杆313和小腿连杆315传递到足部结构317中并最终到达支撑表面318。外骨骼穿戴者300还能够在穿戴着外骨骼301时行走，其中外骨骼301继续支撑工具303和工具保持臂305的重量。

图3B是示出第一实施例中的通信的系统的框图。外骨骼穿戴者300使用用户界面321命令外骨骼控制系统320基于被固定到工具安装件306的工具的身份（或者工具的缺失）来指挥工具臂调节马达322，以针对工具的重量来适当地调节工具臂弹簧张力，以便实现重力补偿。例如，外骨骼穿戴者300以第一弹簧张力设置323来使用固定到工具安装件306的工具303，从而引起对工具303的重力补偿并允许外骨骼穿戴者300在不支撑工具303的重量的情况下操纵工具303的位置。为了更换工具，外骨骼穿戴者300使用用户界面321命令外骨骼控制系统320以发信号通知工具臂调节马达322将工具臂弹簧张力设置改变为空弹簧张力设置325（对于没有附接工具的重量）。然后，外骨骼穿戴者300从工具安装件306移除工具303，将第二工具326固定到工具安装件306并经由用户界面321命令外骨骼控制系统320，以发信号通知工具臂调节马达322设置第二弹簧张力设置324，从而引起对于工具326的重力补偿并且允许外骨骼穿戴者300在不支撑工具326的重量的情况下操纵工具326的位置。图3C示出了使用臂304来操纵工具326的外骨骼穿戴者300，其中工具326的重量327被提升力328抵消，提升力328由工具保持臂305中的弹簧张力324产生。

图3D是示出第一实施例的一个优选变型的框图，其中外骨骼传感器330接收来自或关于被固定到外骨骼的工具的信息，从而允许外骨骼控制系统320自动设置用于工具臂调节马达322的参数，以便设置用于针对特定工具的重力补偿的最佳弹簧张力。换句话说，外骨骼传感器330接收来自或关于第一工具303和第二工具326的信息，并将该信息传送至外骨骼控制系统320，外骨骼控制系统320使用该信息来自动选择用于第一工具303的第一弹簧张力设置323和用于第二工具326的第二弹簧张力设置324，而不是穿戴者300使用用户界面321来选择用于第一工具303的第一弹簧张力设置323和用于第二工具326的第二弹簧张力设置324（如图3B中所示出）。在一些实施例中，用户界面是触摸屏装置。在一些实施例中，用户界面是按钮、开关、旋钮或其它输入装置。在一些实施例中，用户界面从穿戴者接收语言命令。在一些实施例中，穿戴者从用户界面中示出的预设列表中选择特定工具。在一些实施例中，穿戴者指定特定的工具重量。在一些实施例中，穿戴者手动调节弹簧张力直到达到期望的重力补偿。在一些实施例中，外骨骼传感器使用射频ID标签、蓝牙信标、光学标记（诸如，条形码）或本领域中已知的其它通信装置来识别工具。在一些实施例中，外骨骼传感器随着时间测量压力或位置，以便直接测量工具的重量，以确定用于重力补偿的最佳弹簧张力设置。

作为第一实施例的示例，考虑穿戴工具保持外骨骼的建筑工人。在上班过程中，这名工人需要在点焊机、铆钉安装工具和混凝土锯的使用之间交替。通过使用第一实施例的装置，工人能够在这些工具之间快速切换，允许单个工具保持臂在执行劳动时根据需要支撑每个工具，而不需要消耗时间的手动调节弹簧张力。

在图4A-图4E中示出了本发明的第二实施例，其中工具支撑臂能够被外骨骼穿戴者选择性地锁定到固定位置中。在图4A中，人400穿戴工具保持外骨骼401，工具保持外骨骼401配备有重力补偿工具保持臂405，外骨骼401通过捆扎件402附接到外骨骼穿戴者400。外骨骼401的髋部结构408在髋部联接器407处连接到工具保持臂405，其中工具保持臂405在工具联接器406处连接到浮动工具403并且支撑浮动工具403的重量。工具保持臂405包括上工具臂连杆409和下工具臂连杆410，其中工具保持臂405的工具臂连杆灵活地连接，使得其能够相对于每个连杆移动，以便允许外骨骼穿戴者400使用臂404来改变浮动工具403相对于外骨骼401和外骨骼穿戴者400的位置。工具保持臂405的工具臂锁定马达422在该附图中处于解锁状态。工具403的重量通过工具联接器406传递到上工具臂连杆409，然后传递到下工具臂连杆410，然后传递到髋部联接器407并传递到外骨骼401的髋部结构408中。髋部结构408在髋部412处可旋转地连接到大腿连杆413，其中大腿连杆413在膝部414处可旋转地连接到小腿连杆415，其中小腿连杆415在踝部416处可旋转地连接到足部结构417。这种连接性允许外骨骼401、工具403和工具保持臂405的重量这样传递：围绕外骨骼穿戴者400的腿部411、通过髋部结构408、穿过大腿连杆413和小腿连杆415传递到足部结构417中并最终传递到支撑表面418。外骨骼穿戴者400还能够在穿戴着外骨骼401时行走，其中外骨骼401继续支撑工具403和工具保持臂405的重量。由于工具保持臂405在图4A中处于解锁的工具臂状态423，因此如果外骨骼穿戴者400希望将浮动工具403推动到工作表面419中，则力426必须通过外骨骼穿戴者400的臂404被传递到浮动工具403。

图4B示出了，借助于第二实施例的装置和方法，外骨骼穿戴者400能够使用用户界面421来指挥外骨骼控制系统420启动工具臂锁定马达422，从而将工具臂的状态405从解锁工具臂状态423改变成锁定工具臂状态424，并且将工具的状态从浮动工具403改变成固定工具430。

图4C是简化图，其示出根据第二实施例如何能够锁定工具臂提升平行四边形490的位置。刚性边431-434以使得刚性边431-434的连接性不改变的方式在拐角点435-438处枢转。切向构件443从拐角436跨越到刚性边434的相交部444，其中切向构件443的长度能够通过气弹簧445的作用而改变。气弹簧445包括杆446、柱塞447、筒448和气体449，其中由阻尼阀450控制气体449流入和流出气体弹簧445。阻尼阀450包括管451、马达452、阀杆453、阀座455和入口/出口454。当阻尼阀450处于打开位置中时，气体449能够自由地传送进和传送出筒448，从而允许通过改变提升平行四边形490的形状而快速地改变柱塞447的位置并且根据需要来改变切向构件443的长度，从而允许工具保持臂自由移动。替代性地，当马达452被接合从而使得阀杆453接触阀座455时，防止气体449流入和流出筒448，从而限制切向构件443的长度改变并限制或防止提升平行四边形490的形状改变，其中中间阀位置导致对于提升平行四边形490的形状改变的中间阻力。

图4D示出了第二实施例的优选变型，其中提升平行四边形491具有在弹簧附接点461和462处沿切向构件443固定的张紧弹簧460。气弹簧445位于张紧弹簧460的线圈内并且沿着切向构件443的长度位于弹簧附接点461与462之间。另外，管451和阻尼阀450被构造成在提升平行四边形491的一系列位置上与张紧弹簧460不接触。

图4E示出了外骨骼401，其中工具保持臂405处于锁定工具臂状态，其中固定工具430相对于人400处于锁定位置中。这允许人400倚靠到工具保持臂405中，从而使得除了通过人400的臂404被传递到工具430上的力426之外，力427通过工具保持臂405被传递到固定工具430中并传递到工作表面419。在一些实施例中，可锁定弹簧构件平行于张紧弹簧。在一些实施例中，锁定弹簧包含液压流体而不是空气。在一些实施例中，阀被手动地提供动力，而不是由外骨骼控制系统来控制和提供动力。在一些实施例中，入口/出口是简单的通风口。在一些实施例中，入口/出口包括流体或气体储存器。在一些实施例中，提升平行四边形的位置能够通过除气弹簧之外的机械装置锁定。

作为第二实施例的示例，考虑在制造设施处用研磨机完成焊接的工人。通过使用第二实施例的装置，工人能够倚靠到工具支撑臂中，将他或她的身体和外骨骼的重量传递到研磨机和工作表面中，从而引起与仅通过他或她的臂传递的力将能够实现的相比，更轻松地施加更大的力。

在图5A-图5E中示出了本发明的第三实施例，第三实施例是这样的机构，通过该机构，能够远程调节重力补偿臂的每个提升平行四边形中的弹簧张力和/或刚度。首先参考图5A和图5B，外骨骼穿戴者500穿戴着外骨骼501。外骨骼501的髋部结构508在髋部联接器507处连接到工具保持臂505，其中工具保持臂505在工具联接器506处连接到工具503并支撑工具503的重量。工具保持臂505包括上工具臂连杆509和下工具臂连杆510，其中工具保持臂505的工具臂连杆灵活地连接，以使得工具臂连杆能够相对于每个连杆移动，以便允许外骨骼穿戴者500使用臂504来改变工具503相对于外骨骼501和外骨骼穿戴者500的位置。工具臂505的每个连杆的弹簧张力由远程压力装置520控制，其中远程压力装置520被安装在外骨骼501的后部结构上。压力导管521使加压流体530通过压力导管521传递到液压活塞533和543，其中液压活塞533和543分别位于下工具臂连杆510和上工具臂连杆509的切向构件534和544上。远程弹簧压力装置520的马达525控制杆526和柱塞527在筒528中的位置，导致压力529的改变。由于流体储存器530通过压力导管521连接到液压活塞533中的流体532和液压活塞543中的流体542，允许流体有效地自由移动，所以液压活塞533和液压活塞543二者经受相对于远程压力装置520中的压力529的相同的弹簧力。以此方式，工具臂505的弹簧张力能够被调节以用于针对一系列工具进行最佳重力补偿，而不需要手动调节工具臂上的弹簧位置，也不需要将笨重的或沉重的马达安装在工具臂本身上。在一些实施例中，531处的相由诸如浮动柱塞的物理装置分离。在一些实施例中，远程弹簧装置不是由马达加压，而是通过由压缩机或压缩空气罐供给的调节器改变其压力。在一些实施例中，远程压力装置由外骨骼控制系统控制。

图5C示出了第三实施例的变型，其中系统中不存在流体，并且加压气体管线571将远程压力装置550与气弹簧536和546连接。压力529等于压力535和压力545，从而允许远程压力装置550控制在气弹簧536和气弹簧546二者中的弹簧张力。

图5D和图5E示出了第三实施例的另一变型，其中被致动的阀552的球阀553的位置选择性地限制或允许流体（或在一些实施例中为气体）流动通过压力导管521，从而允许将工具支撑臂505的位置选择性地锁定到固定位置中。在一些实施例中，该阀的位置由外骨骼控制系统来控制。在一些实施例中，该阀由外骨骼穿戴者手动地控制。在所有实施例中，马达和阀的放置能够远离工具支撑臂或与工具支撑臂相对，从而改善外骨骼的平衡。在一些实施例中，提供超过重力补偿所需要的提升力。

作为第三实施例的示例，考虑穿戴工具保持外骨骼的建筑工人。在上班过程中，这名工人需要在点焊机、铆钉安装工具和混凝土锯的使用之间交替。通过使用第三实施例的装置，工人能够在这些工具之间快速切换，允许单个工具保持臂在执行劳动时根据需要支撑每个工具，而不需要消耗时间的手动调节弹簧张力。因为调节马达不位于工具臂上，所以该实施例具有减轻工具臂上的重量的优点，从而允许支撑更大的工具重量、减小髋部扭矩并改善外骨骼平衡。此外，通过使用配备有阀的变型，工人能够在工作时固定工具臂的位置，从而允许工人在诸如铆接的活动期间倚靠到工具中。

图6A-图6D中示出了本发明的第四实施例。首先参考图6A-图6C，示出了穿戴着外骨骼671同时用臂604使用工具603的人600。外骨骼671通过捆扎件602附接到人600。外骨骼671的工具支撑臂605支撑工具603，其中工具支撑臂605在髋部安装件678处以固定角度附接到髋部支撑件672。髋部支撑件672附接到外骨骼671的结构并且在髋部670处可旋转地连接到大腿连杆673。大腿连杆673在膝部674处可旋转地连接到小腿连杆675，其中小腿连杆675具有膝部支撑件679。小腿连杆675在踝部676处可旋转地连接到足部结构677，其中足部结构677具有踝部支撑件680。足部结构677与支撑表面618接触。工具603和工具支撑臂605的重量626这样传递：与压缩支撑627一样围绕人600的腿部611传递、通过大腿连杆673、到小腿连杆675，到足部结构677并且传递到表面618中。髋部支撑件672通过上拉伸构件681连接到膝部支撑件679，并且膝部支撑件679通过下拉伸构件682连接到踝部支撑件680。从上拉伸构件681的连接点到髋部670的距离683等于从上拉伸构件681的连接点到膝部674的距离684。从下拉伸构件682的连接点到膝部674的距离684等于从下拉伸构件682的连接点到踝部676的距离685。这种连接性引起上拉伸构件681平行于大腿连杆673并且下拉伸构件682平行于小腿连杆675，即使当膝部674的角度改变时也是如此。由于这种连接性和固定距离结构，髋部支撑件672相对于髋部670的角度与踝部支撑件680相对于踝部676的角度相关联，这导致髋部支撑件672平行于踝部支撑件680，使得当足部结构677站立在平坦表面618上时，与髋部支撑件672连接的工具支撑臂605被保持在平行（相对于髋部670）位置中，从而抵消由在距离621上的工具603的重量626和支撑臂605产生的髋部扭矩628。髋部扭矩628在髋部支撑件672处作为力629传递，并且分别通过拉伸构件681和682作为力630和636传递到踝部支撑件680，从而在踝部676处产生踝部扭矩637，其中在踝部676处的旋转被表面618防止。虽然髋部扭矩传递到踝部对于在静止位置中从事工具使用的工人是有利的，但是高的踝部扭矩使得行走变得不方便。

在图6D中，绞盘690被安装在髋部支撑件672上，其中绞盘690选择性地影响拉伸构件681（以及能够被连接的拉伸构件682，或者拉伸构件681和682能够是单个拉伸构件）上的长度和张力。释放拉伸构件张力（延长）实现了踝部扭矩的减小/移除，从而允许外骨骼和穿戴者行走到新的位置，此时绞盘能够重新张紧（缩短）拉伸构件的长度，减少髋部扭矩并加强工具使用。在一些实施例中，控制拉伸构件的长度的马达位于不同的位置中，包括需要一个或多个拉伸构件的额外长度和布设的位置，诸如，髋部安装件。在一些实施例中，螺旋驱动装置用于改变拉伸构件的长度。在一些实施例中，拉伸构件由刚性构件替代。在一些实施例中，能够使用手动曲柄、凸轮或其它无动力装置来影响拉伸构件的长度/张力。

作为第四实施例的示例，考虑在干坞中使用安装在外骨骼上的研磨机以清洁船的船体的工人。如果该工人需要爬上脚手架或楼梯以在受限制的环境中工作，则将不期望在外骨骼中行走的任何额外的不方便。通过使用第四实施例的装置，工人能够带着外骨骼不那么不方便地行走，但仍然使用外骨骼来支撑研磨机并在工具使用期间防止髋部扭矩，从而减少工人疲劳并改善工人的输出。

在图7A和图7B中示出本发明的第五实施例，其中在工具保持外骨骼后部处的可调节平衡物有助于外骨骼平衡以及与工具保持臂相关的髋部扭矩问题。人700穿戴着外骨骼701，外骨骼701配备有工具保持臂705和工具703。工具保持臂705被安装在髋部712处，其中髋部结构708也被连接在髋部712处。配重臂730在枢轴732处可旋转地连接到髋部结构708，其中配重臂730的位置由拉伸构件733的长度控制。拉伸构件733的长度由绞盘734控制，其中绞盘734被安装在髋部结构708上。重量731到髋部712的距离导致在髋部712处的逆时针髋部扭矩抵消由工具保持臂705和工具703的重量导致的在髋部712处的顺时针髋部扭矩。图7B示出了向上位置中的平衡臂，其向工具保持臂和工具提供更大的平衡力。图7A示出了在向下位置中的平衡臂，其提供较少的平衡但不那么笨重。在一些实施例中，工具保持臂的长度显著更大，从而允许当延伸时更好的平衡，但导致体积增加和在狭窄空间中不方便的可操作性。在一些实施例中，能够通过伸缩或另一类似的机制来改变平衡臂的长度，从而允许进一步调节平衡物选择。在一些实施例中，借助于除绞盘之外的装置来致动平衡臂。在一些实施例中，平衡臂能够在轴向平面中被致动，以平衡延伸到中央矢状平面外的工具保持臂。在一些实施例中，绞盘或其它平衡物致动与外骨骼控制系统通信并由外骨骼控制系统控制。在一些实施例中，平衡臂的位置由外骨骼穿戴者手动地控制和/或操纵。在一些实施例中，平衡臂包含能够独立地定位的n连杆，并非与生物尾部的功能不同。

作为第五实施例的示例，考虑在具有开放和紧凑工作空间二者的环境中的建筑工人。通过使用第五实施例的装置，该工人能够在开放区域中最大化平衡并最小化髋部扭矩，但是在更紧凑的工作空间中将外骨骼快速调节到更紧凑的状态以用于工作活动。

图8中示出本发明的第六实施例，其中外骨骼向被安装在工具保持臂上的工具供应动力和消耗品。工人800穿戴着外骨骼801，其中工具803被安装在工具支撑臂805上。工具支撑臂805在髋部联接器807处被附接到外骨骼801的结构。工具803从能量存储装置813接收动力，其中能量存储装置813远离工具803地被安装在外骨骼801的后部上。工具803通过导管821汲取动力，其中导管821在导管-工具联接器820处连接到工具803，并且在导管-能量存储装置联接器822处连接到能量存储装置813。导管821沿着工具保持臂805在导管引导件830处布设。在一些实施例中，能量存储装置是电池、压缩空气筒、燃料电池或本领域中已知的另一能量存储装置。在一些实施例中，能量存储装置用联接到发电机、压缩空气筒或液压泵的内燃发动机替换或增强。在一些实施例中，能量存储装置用作动力路由/适配器系统，允许外骨骼与外部动力供应之间的持续或间歇的连接。在一些实施例中，导管是电线、压缩空气软管、液压管线、机械传递线或本领域中已知的另一能量传递装置。在一些实施例中，外骨骼是被动的（passive），并且仅工具和相关系统接收或需要动力。在其它实施例中，外骨骼被提供动力，并且在被提供动力的外骨骼系统（诸如，关节致动器）和被安装的工具之间共享动力。在一些实施例中，外骨骼控制系统与工具通信，从而允许对一些工具设置（诸如，点焊枪）进行调节，并且允许工具向外骨骼控制系统报告故障或其它警报，其中外骨骼穿戴者能够通过外骨骼用户界面访问这些数据和功能。在一些实施例中，用于工具的动力源用作外骨骼平衡物，从而抵消由工具臂和工具重量产生的髋部扭矩并平衡外骨骼。

作为第六实施例的示例，考虑在拆除环境中穿戴工业外骨骼的工人，其中长的动力线是不切实际的并且表面是不平坦的。通过使用第六实施例的装置，通过重量重新分布和平衡来改善外骨骼的平衡，并且以降低工人被缠绕在线中的可能性的方式来布设动力线。防止线缠结具有在某些封闭的环境中或者在线可能会钩挂碎石或机械上的环境中改善外骨骼可操作性的益处。

在图9A和图9B中示出本发明的第七实施例，其中外骨骼支撑用于被安装的工具的消耗品。首先参考图9A，工人840穿戴着外骨骼841，其中工具847被安装在工具支撑臂881上。工具支撑臂881在髋部联接器887处附接到外骨骼841的结构。在该附图中，工具847被示出为涂料喷射器作为需要液体消耗品的工具的示例，其中工具847通过阀849和涂料软管850从涂料罐897接收涂料。工具847另外通过压缩空气软管848从空气罐846接收加压空气，其中压缩空气软管848和涂料软管850二者均通过保持夹852被限制并连接到工具支撑臂881。在一些实施例中，液体在罐中被加压，并且输送加压液体而不是同时输送气体和液体。在一些实施例中，通过承载超临界液体（诸如，丙烷或CO₂）的管线将气体输送到工具，所述超临界液体在工具处积聚并蒸发以供使用。在一些实施例中，工具是不同的装置，诸如，割炬、喷射电镀器、杀虫剂喷射器、灭火器或需要液体和/或气体消耗品来操作的任何其它装置。

图9B示出穿戴外骨骼861的工人860，其中工具867被安装在工具支撑臂882上。工具支撑臂882在髋部联接器888处被附接到外骨骼861的结构。在该附图中，工具867被示出为带供给式铆钉枪作为需要固体消耗品（在这种情况下，是诸如铆钉或钉的紧固件）的工具的示例。铆钉枪867通过供给引导件870从库871接收铆钉，库871被安装在外骨骼861的后部外骨骼结构872上。铆钉枪867另外通过出口869和动力导管868从后部外骨骼结构872接收动力（电动力或作为加压空气）。供给引导件870和动力导管868二者均通过保持夹862被限制并连接到工具支撑臂882。在一些实施例中，使用不需要动力的带供给式工具，诸如，使用爆炸力驱动的储存匣的紧固件枪（并非与子弹上所见到的那些不同）。在一些实施例中，工具由电点火气体来提供动力，除了消耗品供给之外，还需要至工具的燃料气体供给和电源。在一些实施例中，用于工具的消耗品源和/或动力源用作外骨骼平衡物，从而抵消由工具臂和工具重量产生的髋部扭矩并平衡外骨骼。

作为第七实施例的示例，考虑在搜索和救援环境中穿戴配备有工具保持臂和割炬的工业外骨骼的急救员。通过使用第七实施例的装置，急救员将能够在不平坦的散布有碎石的表面上携带沉重的割炬而不会缠结软管，并且在工具使用期间具有的改善平衡。这能够允许更快地救援灾难幸存者。

在图10A和图10B中示出本发明的第八实施例，其中外骨骼为穿戴者提供环境支持，包括但不限于提供经过滤的空气供应或穿戴者体温的温度调节。首先参考图10A，工人900穿戴着外骨骼901，其中外骨骼901配备有工具保持臂905和工具903。人900穿戴着呼吸器907，其中呼吸器907通过空气软管906从空气过滤单元908接收经过滤的空气。空气过滤单元908被安装在外骨骼901的后部结构904上。

在图10B中，工人910穿戴着外骨骼911，其中外骨骼911配备有工具保持臂915和工具913。人910穿戴呼吸器917，呼吸器917通过空气软管916从空气过滤单元918接收经过滤的空气。空气过滤单元918被安装在外骨骼911的后部结构914上。人910穿戴着温度调节装置921和912，其中温度调节装置921和912分别通过导管919和925从温度调节单元920接收加热或冷却。温度调节单元920被安装在外骨骼911的后部结构914上。在一些实施例中，经过滤的空气由风扇加压。在一些实施例中，空气过滤是被动的，但是通过使用较大表面面积过滤介质，相对于面部安装的呼吸器，流率得到改善。在一些实施例中，外骨骼配备有罩，诸如，强制通风罩或正压力罩，而不是面部安装的呼吸器。在一些实施例中，空气过滤单元由水肺或换气器装置替代，适合于在高毒性或无氧环境中在水下使用。在一些实施例中，过滤系统通过固相或液相吸附装置增强。在一些实施例中，温度调节装置通过电阻加热（如在加热毯中一样）。在一些实施例中，通过强制空气流动来冷却温度调节装置。在一些实施例中，使用液体热交换系统来增加或降低温度调节装置的温度。在一些实施例中，蒸发冷却和/或散热器被并入到温度调节单元中。在一些实施例中，使用热泵。在一些实施例中，使用介质的结晶焓来提供加热或冷却。在一些实施例中，提供至穿戴者的经过滤的呼吸空气被加热或冷却。在一些实施例中，向工具提供加热或冷却，或者从工具向用户交换热量（例如，通过液体热交换系统的装置，工具或另一被提供动力的外骨骼系统被冷却并且用户被加热）。

作为第八实施例的示例，考虑在炎热的夏日穿戴着配备有链锯的工具支撑外骨骼的在野火附近切割防火线的野地消防员。通过使用第八实施例的装置，外骨骼能够从被提供动力的空气过滤系统为消防员提供经过滤的空气的持续供应，其中过滤和气流容量优于（就流率和/或颗粒/毒素移除而言）可由被动的面部安装的呼吸器提供的过滤和空气流容量。外骨骼还能够有助于降低消防员的温度。空气流量的改善和温度的降低将允许消防员在火灾前线上以减少的疲劳进行费力的活动，从而允许在对时间敏感的活动中快速地完成更多工作。

在一些实施例中，组合了本发明的各种实施例。例如，第五实施例的自平衡工具臂能够被安装在具有第四实施例的腿部设计的外骨骼上。在所有实施例中，外骨骼能够为动力工具提供动力-即使外骨骼本身是被动的并且没有动力需求也是如此。在被提供动力的（即，被致动的）外骨骼实施例中，工具和外骨骼的动力系统能够共享，从而消除对不同能量存储装置的需要。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）能够与外骨骼控制系统通信，从而允许外骨骼响应于用户。在所有实施例中，外骨骼控制系统能够与任何工具电子设备或工具控制系统通信，诸如，点焊枪上的功率和时间设置或剩余的用于工具的消耗品（例如，用于钉枪的钉）。外骨骼穿戴者能够通过与外骨骼控制系统通信的用户界面来访问这些通信或发出命令。

基于上文，应容易地显而易见的是，本发明提供了一系列装置和方法，该装置和方法允许在人类外骨骼上使用被提供动力的装置以用于除了外骨骼关节致动之外的功能，其中这些装置改善了工具保持外骨骼对穿戴者的效用。本发明还提供了这样的装置和方法，该装置和方法允许响应于被支撑的工具或工具重量的改变而自动且快速地调节重力补偿工具保持臂。本发明进一步提供了这样的装置和方法，该装置和方法允许将工具保持臂锁定在固定位置中，从而允许穿戴者倚靠到工具中并施加更大的力到工具中。本发明进一步提供了这样的装置和方法，该装置和方法允许改变外骨骼平衡物/外伸支架的位置，从而改善外骨骼的平衡。本发明进一步提供了这样的装置和方法，该装置和方法允许改善配备有髋部扭矩抵消装置的外骨骼的行走移动性。本发明进一步提供这样的装置和方法，该装置和方法允许外骨骼直接向所支撑的工具供应动力。本发明进一步提供这样的装置和方法，该装置和方法允许外骨骼向工具直接供应诸如紧固件的消耗品。本发明进一步提供这样的装置和方法，该装置和方法允许外骨骼调节外骨骼穿戴者的温度。尽管参考优选实施例进行了描述，但应当容易地理解的是，在不脱离本发明的精神的情况下，能够对本发明进行各种改变或修改。一般而言，本发明仅旨在由以下权利要求的范围限制。

Claims (20)

1.一种工具保持臂，所述工具保持臂包括：

多个连杆；

工具联接器，所述工具联接器被构造成将工具可移除地固定到所述工具保持臂；

第一流体弹簧，所述第一流体弹簧被构造成向所述工具保持臂提供重力抵消力；以及

下述中的至少一者：

a）锁定机构，所述锁定机构被构造成锁定所述第一流体弹簧；以及

b）调节机构，所述调节机构被构造成调节由所述第一流体弹簧提供的所述重力抵消力的量。

2.根据权利要求1所述的工具保持臂，其中：

所述第一流体弹簧是液压弹簧或气动弹簧；并且

所述第一流体弹簧包括第一杆、第一柱塞和第一筒。

3.根据权利要求2所述的工具保持臂，其中，所述工具保持臂包括所述锁定机构。

4.根据权利要求3所述的工具保持臂，其中，所述锁定机构是阀，所述阀被构造成控制流体流入和流出所述第一筒。

5.根据权利要求2所述的工具保持臂，其中，所述工具保持臂包括所述调节机构。

6.根据权利要求5所述的工具保持臂，其中，所述调节机构包括：

第二杆；

第二柱塞；

第二筒；以及

流体导管，所述流体导管被构造成在所述第二筒与所述第一筒之间传递流体，其中，所述第二柱塞在所述第二筒内的位置确定由所述第一流体弹簧提供的重力抵消力的量。

7.根据权利要求6所述的工具保持臂，其中，所述工具保持臂进一步包括所述锁定机构，并且其中，所述锁定机构是阀，所述阀被构造成控制所述流体在所述流体管道内的流动。

8.根据权利要求4和7中任一项所述的工具保持臂，其中：

所述阀包括阀杆和阀座；

当所述阀杆接触所述阀座时，所述阀处于关闭位置中，在所述关闭位置中所述阀防止所述流体流入和流出所述第一流体弹簧；以及

当所述阀杆不接触所述阀座时，所述阀处于完全打开或部分打开位置中，在所述完全打开或部分打开位置中所述阀不防止所述流体流入和流出所述第一流体弹簧。

9.根据权利要求6所述的工具保持臂，所述工具保持臂进一步包括第二流体弹簧，所述第二流体弹簧被构造成向所述工具保持臂提供所述重力抵消力，其中：

所述第二流体弹簧包括第三杆、第三柱塞和第三筒；

所述流体导管进一步被构造成在所述第二筒与所述第三筒之间传递流体；并且

所述第二柱塞在所述第二筒内的位置确定由所述第二流体弹簧提供的重力抵消力的量。

10.根据权利要求6所述的工具保持臂，其中，所述调节机构进一步包括马达，所述马达被构造成控制所述第二柱塞在所述第二筒内的位置。

11.根据权利要求6所述的工具保持臂，所述工具保持臂进一步包括阀，所述阀被构造成控制所述流体在所述流体导管内的流动。

12.根据权利要求2所述的工具保持臂，所述工具保持臂进一步包括张紧弹簧，其中，所述第一流体弹簧位于所述张紧弹簧内。

13.根据权利要求1所述的工具保持臂，其中，所述工具保持臂是外骨骼的部分，所述外骨骼包括：

髋部结构；

大腿连杆，所述大腿连杆在髋部关节处联接到所述髋部结构；

小腿连杆，所述小腿连杆在膝部关节处联接到所述大腿连杆；以及

足部结构，所述足部结构在踝部关节处联接到所述小腿连杆，其中，当所述外骨骼被支撑在支撑表面上时，所述外骨骼的重量从所述髋部结构通过所述大腿连杆、小腿连杆和足部结构传递到所述支撑表面。

14.根据权利要求13所述的工具保持臂，其中，所述工具保持臂包括所述锁定机构，并且所述外骨骼进一步包括电子控制系统，所述电子控制系统被构造成控制所述锁定机构。

15.根据权利要求13所述的工具保持臂，其中，所述工具保持臂包括所述调节机构，并且：

所述外骨骼进一步包括后部结构；

当所述外骨骼被用户穿戴时，所述后部结构位于所述用户后方；并且

所述调节机构被联接到所述后部结构。

16.根据权利要求13所述的工具保持臂，其中，所述工具保持臂包括所述调节机构，并且所述外骨骼进一步包括电子控制系统，所述电子控制系统被构造成控制所述调节机构。

17.一种控制工具保持臂的方法，所述工具保持臂包括：多个连杆；工具联接器，所述工具联接器被构造成将工具可移除地固定到所述工具保持臂；以及第一流体弹簧，所述第一流体弹簧被构造成向所述工具保持器提供重力抵消力，

所述方法包括以下中的至少一者：

a）用所述工具保持臂的锁定机构来锁定所述第一流体弹簧；以及

b）通过所述工具保持臂的调节机构来调节由所述第一流体弹簧提供的重力抵消力的量。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述第一流体弹簧是液压弹簧或气动弹簧，所述液压弹簧或气动弹簧包括第一杆、第一柱塞和第一筒，并且所述方法进一步包括：在锁定所述第一流体弹簧时更改流体进入和离开所述第一筒的流动。

19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述第一流体弹簧是液压弹簧或气动弹簧，所述液压弹簧或气动弹簧包括第一杆、第一柱塞和第一筒，所述工具保持臂包括第二杆、第二柱塞和第二筒，并且所述方法进一步包括：在调节由所述第一流体弹簧提供的重力抵消力的量时，更改流体在所述第二筒与所述第一筒之间的流动。

20.根据权利要求17所述的方法，其中，所述工具保持臂被并入到外骨骼中，所述外骨骼包括：髋部结构；大腿连杆，所述大腿连杆在髋部关节处联接到所述髋部结构；小腿连杆，所述小腿连杆在膝部关节处联接到所述大腿连杆；足部结构，所述足部结构在踝部关节处联接到所述小腿连杆；以及电子控制系统，所述电子控制系统用于选择性地移动所述外骨骼，其中，所述方法进一步包括：通过所述外骨骼的所述电子控制系统来控制所述锁定机构和所述调节机构中的至少一者。