CN110678156B - 外骨骼的接合系统 - Google Patents

Abstract

一种用于外骨骼中的接合系统(100)，包括底部支撑件(104)，绑带组件(108)，以及后部支柱(102)。该后部支柱(102)具有垂直构件(110)，其限定了与底部支撑件相连的下端，以及连接到第一横向构件(112)和第二横向构件(113)的上端，该第一横向构件(112)和第二横向构件(113)从垂直构件(110)沿相反的方向延伸。第一横向构件(112)和第二横向构件(113)连接到绑带组件(108)。接合系统(100)适用于接收和支撑辅助装置(117)，其适用于增强使用者的能力，并减轻重复性肌肉劳损。

Description

外骨骼的接合系统

技术领域

本发明涉及一种用于外骨骼中的人体的接合系统，该接合系统还用于对适于加强使用者的表现和减轻重复性劳损的辅助装置进行支撑。

背景技术

可穿戴的工业外骨骼技术可以提高工业环境中的耐用性和安全性。这些外骨骼可以提高工业生产效率，并可以通过减少肌肉和腱的过度使用来防止常见的工伤。在剧烈活动(包括抬举，弯腰，弯曲，下蹲和高空工作)期间，外骨骼可以为使用者提供支撑和加强，以减少员工的疲劳和工伤。使用此类外骨骼的使用者可以轻松地抓握沉重的手工工具，从而能通过降低肌肉疲劳来提高生产效率。

可将外骨骼设置为能在站姿或跪姿下将负载通过外骨骼传递到地面，并允许使用者使用沉重的工具，就好像它们没有重量似的。优选地，外骨骼构造为使得其能随着身体自然地运动，并适应不同的身体类型和身高。

示例性的外骨骼设置为用于上半身(包括肩部和手臂)，并且通过减小肩部上的力和允许使用者以较少的努力在较长时间内执行从胸部到天花板的任务来提高性能。外骨骼可以帮助使用者抬起并支撑使用者的手臂，并且可以减少因在胸部上方或头顶上方进行的工作而造成的身体风险和不适感。

人们已经发现，下半身、躯干和上半身区域可受益于主动式外骨骼。有报道认为，主动式外骨骼会带来肌肉活动的减少。外骨骼有潜力来显著减少与工作相关的肌肉骨骼损伤相关联的潜在因素。尽管可以使用外骨骼，但是一些技术问题阻碍了外骨骼在工业中的实际使用。具体问题包括不舒适(针对被动式和主动式的外骨骼)，设备的重量，与人体解剖学和运动学的吻合性，以及为了实现平稳运动而对人类意图的检测(针对主动式外骨骼)。

现有的外骨骼设备沉重、笨重，且难以适应使用者的个体尺寸，从而导致效果欠佳和不舒适。另外，许多设备都在使用者的脊柱附近使用了简单的线性杆状支柱。由于设备无法适应使用者的特定尺寸且无法与使用者的身体恰当地配合，因此也会导致不舒适和结果欠佳。

这些设备通常更多地关注辅助装置，而非在辅助装置和使用者的身体之间的接合。因此，辅助装置对身体的作用可能不是最佳的。通过考虑使用者的身体结构以及辅助装置相对于使用者的身体的定位和操作方式，可以借由提供一种接合系统来得到更加有用的、改进的外骨骼，该接合系统适应于辅助装置在使用者的身体上所产生的动作，以及使用者的身体的生物力学。

发明内容

本发明的实施例旨在克服这些技术问题，并且为外骨骼的方案提供可以克服现有问题并实现更广泛的工业应用的改进的接合系统。

用于外骨骼中的人体的接合系统的实施例具有重量轻且紧密配合的部件，该部件适于支撑外骨骼的辅助装置，以在执行重复任务时增强使用者的力量和耐力。接合系统的实施例可将使用者保持在人体工学上有利的身体位置，减轻上身的载荷，并令使用者的后侧部分稳定。这些实施例可增加舒适度，减少伤害，并通过提高使用者完成任务的速度和准确性来提高工作场所应用中的使用者的生产效率。

接合系统适于许多使用者尺寸，包括通过调整接合系统的后部长度和绑带组件。由于可以为流水线工作提供接合系统，因此，假设不同班次的工人或使用者相对于彼此落入一般尺寸的范围内，他们可容易地调节和舒适地固定接合系统，而不用管接合系统的之前的使用者是谁，这是因为本发明的接合系统可调整为适用于大多数人使用。

在接合系统的实施例中，后部支柱在后侧与底部支撑件相连，该底部支撑件具有连接到使用者的前侧上的带部分。肩部绑带组件连接到后部支柱。后部支柱具有垂直构件，以及从该垂直构件的上端延伸出去并相对于垂直构件的方向大致水平的相对的横向构件。横向构件设置为通常在使用者的左肩胛骨和右肩胛骨上延伸。

在这里，支柱/接合系统的远侧基础支撑在后侧位于骶骨的高度处，在前侧位于前上髂骨(ASIC)或腰部的高度处。后部支柱可抵抗由所连接的辅助装置施加到其上的扭矩。在不稳定的情况下，该扭矩会使后部支柱和底部支撑件的面板向后旋转偏离身体。可束紧的腰带连接到面板，作为底部支撑件结合在一起，该腰带围绕身体的前部缠绕，以形成针对施加在后部支柱上的扭矩的反作用力。较长的后部支柱的概念与底部支撑件相结合，能减小施加在前侧身体上的感觉指向后侧的力，并能形成腰部支撑。如果使用者抬升重物，则具有适当轮廓的较长的后部支柱也可提供腰部支撑，以抵抗腰部弯曲。

后部支柱还能以较短的高度设置在已知的脊柱框架上。较短的后部支柱类似地将其横向构件定位在肩胛骨上。垂直构件的长度可以在远侧缩短，这是因为垂直构件将底部支撑件定位在使用者的肋骨下缘(ICM)处或恰好在其之上。支柱/接合系统的远侧基础支撑位于ICM处，从而使腰椎有更大的运动自由度。在这里，支撑束紧带(和辅助扭矩反作用力)处于ICM的高度。由于支柱的杠杆臂较短，因此作用在身体前部的感觉较短的力更大，但是如果需要的话，这也可以释放腰椎的运动范围。在这种构造中，虽然用户能以某些方式自由地运动，但是不能通过ROM限制对腰椎提供保护。

在这两种形式中，水平支柱部件或横向构件大致定位在能将辅助接合部设置在解剖学上的肩关节或肱骨头的高度处的高度。在后部支柱的较长形式中，底部支撑件位于腰部，其可将载荷从手臂支撑传递到下骨盆处，同时促进健康的姿势。在后部支柱的较短形式中，来自手臂支撑的载荷可传递到下肋骨处，同时释放腰部以进行俯屈，横向弯曲和旋转，从而以最小的限制而执行必要的任务。

从使用辅助工具来辅助提升物体的角度或目的来看，在完全穿戴在使用者身上时，较长形式的后部支柱的布置能限制腰椎过度弯曲。如果使用该较长形式，则使用者不太可能旋转扭曲脊柱，并且不太可能在抬升时过度弯曲脊柱。这具有迫使使用者在举起物体时更多地使用其腿部的优点，特别是与辅助装置结合使用时，可以降低背部受伤的风险并提高耐力。

通过较短形式的后部支柱的布置，后部支柱能将由辅助装置产生的载荷传递到使用者的下肋骨处，同时释放使用者的腰部以进行俯屈，横向弯曲和旋转，以使使用者以最小的限制来执行必要的任务，相对于较长形式，总体上提高了使用者的移动性，同时仍然提供了对辅助装置的帮助。

附图说明

图1显示了现有技术中的脊柱矫形器的正视图。

图2显示了图1中的脊柱矫形器的后部框架系统的示意性内侧视图。

图3显示了可穿戴的接合系统的一个实施例的示意图。

图4显示了具有可相对于下部支撑件调节的后部支柱的图3中的接合系统的示意图。

图5显示了图3中的接合系统的后部支柱的平面图。

图6显示了具有覆盖物的图5中的后部支柱的一种变形的平面图。

图7A显示了穿戴有图3中的接合系统的一种变形和辅助装置的个体的示意性后视图。

图7B显示了穿戴有图3中的接合系统和辅助装置的个体的示意性前视图。

图8A显示了图3中的接合系统中的臂套的一个实施例的示意图。

图8B显示了可用于图8A中的臂套中的可延展带的立体图。

图8C显示了图8A中的臂套的一种变形的示意图。

图9A显示了在骨架上的图3中的接合系统的较短形式的示意图。

图9B显示了在骨架上的图3中的接合系统的较长形式的示意图。

图10显示了用于图3中的接合系统的后部支柱的另一种变形的正视图。

图11显示了图10中的后部支柱的示意性立体图。

图12显示了不同尺寸的、具有图10中的构造的多个后部支架的示意图。

图13显示了具有铰接水平部分的图10中的后部支柱的一种变形的正视图。

图14显示了接合系统的另一实施例的后侧立体图。

图15A显示了图14中的实施例的前侧立体图。

图15B显示了图15A中的胸带的一种变形的示意图。

图15C显示了图15B中的胸带的一种变形的示意图。

图16显示了除去覆盖物的图14中的接合系统的后部组件的外侧立体图。

图17显示了图16中的接合系统的后部组件的内侧立体图。

图18A显示了图16和图17中的后部支柱的前侧正视图。

图18B显示了图18A中的后部支柱的侧面正视图。

图18C显示了底部被移除的图18A中的后部支柱的部分平面图。

附图不是按比例绘制的，而是为了更好地理解各部件而绘制的，并且附图不欲限制范围，而是提供示例性说明。

具体实施方式

A.概述

通过下文与附图的结合，可以更好地理解本发明的不同实施例，在附图中，相同的附图标记表示相同的元件。

为了进一步易于理解所公开的接合系统和变形的实施例，需要对几个术语进行说明。在使用时，术语“近侧”具有其普通含义，指的是接近或靠近连接点或起始点或中心点或朝向身体的中心定位的位置。类似地，术语“远侧”具有其普通含义，指的是远离连接点或起始点或中心点或远离身体的中心定位的位置。术语“后部”也具有其普通含义，指的是一个位置之后或后侧的另一位置。最后，术语“前部”具有其通常的含义，指的是一个位置之前或前侧的另一位置。

这些解剖学术语与穿戴接合系统的使用者相关，指的是解剖学位置。解剖学位置通常定义为身体的直立位置，面部朝前，手臂在侧面，手掌朝前，它是描述身体部位相互之间关系的基准。

术语“刚性”、“柔性”、“顺应性”和“弹性”可以区分接合系统的某些特征部分的特性。术语“刚性”应表示接合系统的元件(例如框架)通常缺乏柔性。在“刚性”特征的语境中，其应当表示这些特征不会在被施力时失去它们的整体形状，并且如果用足够的力弯曲则可能会损坏。术语“柔性”应该表示特征能够重复弯曲，使得该特征可以弯曲成保持的形状或者特征不保持大体形状，但是在被施加力时会连续变形。

术语“顺应性”可以将这种柔性特征限定为当与另一物体接触时通过任意适当的自然力或所施加的力(例如，重力或由外部机构、如带式机构所施加的力)而与该另一物体的形状大体上一致。术语“弹性”可以将这种柔性特征限定为能大体上返回到初始的整体形状，而没有永久变形。关于术语“半刚性”，该术语可以表示提供支撑并且独立的支撑件或壳体的特性；然而，这种支撑件或壳体可以具有柔性或弹性。

本发明的实施例适用于人体，并且其尺寸可以设置成适应不同类型、形状和尺寸的人体尺寸和轮廓。为了说明的目的，所描述的接合系统的实施例对应于人体的不同部分，并由人体的一般解剖学术语来说明。

接合系统的实施例可对应于由前后平面所限定的前部和后部的身体部分。所描述的解剖学术语不欲损害在矫形、支架、人类接合件和支撑领域中的普通技术人员对这些术语的常规理解。

B.现有技术中的脊柱矫形器

为了理解本发明的接合系统，可以认为它是基于美国专利9,572,705中所描述的、为了方便而在图1和2中显示出的脊柱矫形器所构建的。

根据图1和2，除了其他功能之外，脊柱矫形器10还可用于增加躯干肌肉的强度，以及改善椎骨骨折的个体的姿势。

脊柱矫形器10包括腰部机构12(如美国专利8,172,779和美国专利申请公开文本2016/0250061中所述)，后部框架系统或脊柱框架14，以及绑带组件16。绑带组件16包括绑带18，该绑带18在脊柱框架14的靠近后部肩膀处或在后部肩处的一部分处与上部支架系统34相接合，并在肩膀上和腋下延伸，以在脊柱框架14的中间部分上对中部支架系统24进行定向。绑带18由中部支架系统24所携带的支架26重定向到腰部机构12的前侧，在那里，绑带端部20固定到腰部机构12的表面上。

绑带组件16允许在某一位置(例如，腰部或腹部)向下拉绑带18，对于老年人来说，与许多现有技术中的矫形器的在肩部处拉动相比，这种更加容易。有关节炎或灵巧性较差的矫形器10的使用者仅需在大致位于胸部之下的位置拉下绑带18，就能将绑带组件16紧固在肩膀上。类似地，他们可以在舒适的、便于使用者操作的相对较低的位置处将绑带端部20连接到腰部机构12上。

腰部机构12和脊柱框架14的闭合系统都可以被适当的套筒或覆盖物22、46所覆盖，以实现这些各种特征的缓冲和隐藏，从而导致美观和舒适的布置。腰部机构12包括第一带段38A和第二带段38B(总体上用附图标记38表示)，其允许将腰部机构12容易地穿戴在腰上。可以沿着绑带组件16而在肩部上、或沿着脊椎框架14和腰部机构12而设置适当的附加衬垫，以在绑带组件16张紧时向使用者提供压力缓解。

后部框架系统包括脊椎框架14，其限定了具有下部15、中部17和上部19的狭长的框架，该下部15对应于腰板或腰部支撑件32(例如，柔性或半刚性的板或框架)的下部并从该处延伸，该中部17位于腰部支撑件32之上并承载支架系统24，该上部19承载上部支架系统34。脊椎框架14沿其长度限定了多个开口21，并通过多个紧固件23而固定到腰部支撑件32上。脊柱框架14可以具有如图2所示的轮廓，其中，下部15向外张开，并且脊柱框架14随着其接近上部19而宽度变窄，以在解剖学上更好地符合使用者的身体结构。

脊柱框架14由可延展的铝构成，其由从业者根据使用者的个体身体结构来成形。腰部机构12的腰板32可由相对于脊柱框架14具有柔性的塑料形成。腰板32的外侧部可相对于脊柱框架14弯曲。在脊柱框架14可根据个体的身体结构来成形时，它提供了额外的刚度来确保使用者的背部可以被拉伸。脊柱框架14可以通过在金属支柱上注射成型塑料覆盖物而形成。

C.接合系统的实施例

图3显示了接合系统100的一个实施例，该接合系统100具有与底部支撑件104相连的后部支柱102，该底部支撑件104具有连接到使用者的前侧上的带部分106。底部支撑件104可由腰部机构12改进得到，以容纳后部支柱102，并提供与已知的腰部机构12相比更多的特征和优点。肩部绑带组件108连接到后部支柱102和底部支撑件104上。

后部支柱102具有垂直构件110以及相对的水平支柱部分或横向构件112、113，它们从垂直构件110的上端延伸出去，并相对于垂直构件110的方向垂直、水平或横向地布置。横向构件112、113设置为大体上在使用者的左肩胛骨和右肩胛骨S上延伸。垂直构件110具有加宽的构造，其宽度W_VM设置为能在使用者的脊柱上传递载荷，并且比在相反的方向上远离垂直构件110延伸的横向构件112、113的宽度W_HM要大得多，这在图9A和9B中有更详细的显示。

与现有技术中的脊柱矫形器10的特殊区别在于，接合系统100的后部支柱102替代了脊柱矫形器10的脊柱框架14。后部支柱102以较短的高度布置在脊柱框架14上。如图9A所示，后部支柱102缩短为使其横向构件112、113定位成在肩胛骨S的脊柱处从垂直构件110延伸出去。垂直构件110的高度设置为能在肱骨头和图7A中的冠状面中的旋转轴120之间形成同心关系。垂直构件110的长度同样在远侧缩短，这是因为在接合系统的较短形式中，垂直构件110将底部支撑件104定位在使用者的ICM处或正好在使用者的ICM之上。

图9A和图9B显示出了如何设置接合系统的较短形式和较长形式。在这两个形式中，水平支柱部分大致上位于将辅助关节设置在解剖学上的肩关节的高度处。在较长形式中(图9B)，底部支撑件位于腰部，其能将载荷从手臂支撑件传递到下骨盆处，同时促进健康的姿势。较短形式(图9A)将载荷从手臂支撑件传递到下肋骨处，同时释放腰部以进行俯屈，侧向弯曲和旋转，从而以最小的约束来执行必要的任务。

从使用辅助装置来作为补充的举起物体的观点或目的来看，在完全穿戴在使用者身上时，图9B中的较长形式中的后部支柱102的设置就会限制过度的腰部弯曲。如果使用图9B中的较长形式，则使用者不太可能进行脊柱的旋转扭曲，并且不太可能在抬举时过度弯曲脊柱。这有利于迫使使用者在抬起物体时更多地使用其腿部，特别是与辅助装置结合使用时，这会降低背部受伤的风险。

根据图9B中的设置，支柱/接合系统的远侧基础支撑在后部位于骶骨的高度上，在前部位于ASIC的高度上。支柱可以抵抗由附接的辅助装置施加到其上的扭矩。如力F1和扭矩T1所示，该扭矩在不稳定的情况下会使后部支柱和板体向后旋转离开身体。可束紧的腰带连接到该板体上，其缠绕在身体的前部，由力F3形成针对后部支柱上的扭矩的反作用力。较长的后部支柱能减小前部身体上的感觉向后的力F3。轮廓较长的支柱还提供了腰部支撑，如果使用者抬起物体，则可以防止腰部弯曲。

通过在图9A的较短形式中的后部支柱102的设置，后部支柱102能将由图7A和图7B中的肩部辅助装置117所产生的载荷传递到使用者的下肋骨(LR)处，同时允许使用者的腰部(W)自由地俯屈、横向弯曲和旋转，从而令使用者能够以最小的约束执行必要的任务。与图9B中的较长形式相比，这种布置总体上为使用者增加了活动性，同时仍提供了肩部弯曲辅助。

在该实施例中，后部支柱102也可以较短的高度设置在已知的脊柱框架上。后部支柱102同样可将其横向构件112、113定位在肩胛骨上。垂直构件110的长度可以在远侧缩短，这是因为垂直构件110将底部支撑件定位在使用者的ICM处或恰好位于使用者的ICM之上。支柱/接合系统100的远侧基础支撑位于ICM处，从而允许腰椎有更大的运动自由度。在这里，底部支撑(以及辅助扭矩反作用力)处在ICM的高度上。由于后部支柱102的杠杆臂较短，所以与力F1和力矩T1相反的作用在前部身体上的力F2的感觉较短的力更大，但是如果需要，这也可以释放腰椎的运动范围，因为这种特征的组合对于某些用途可能是有利的，例如当预计不进行重举但必须适应旋转运动时。在这种结构中，尽管某些动作更加自由，但是通过ROM限制不能对腰椎提供保护。

回到图3，与脊柱矫正器10中的腰部机构14相比，底部支撑件104优选地具有更窄的高度。该更窄的高度可由带部分106的高度所限定。与脊柱矫形器10相比，与后部支柱102相结合的底部支撑件104的总体高度较小。该较小的高度使得载荷能够被传递至使用者的肋骨处，同时使乳房和胸肌区域自由，以在正常任务期间增加使用者的活动性。

肩部绑带组件108包括肩部绑带，该肩部绑带具有在肩部上延伸的第一部分116和用于连接到底部支撑件104上的第二部分118，如在脊柱矫正器10中那样。然而，由于如图7A所示的肩部辅助装置117的连接，与脊柱矫正器10相比，绑带组件108的第一部分116围绕使用者肩膀的路线不同。

图3示意性显示了后部支柱102如何在横向构件112、113之间具有中心部分114，肩部绑带组件108的第一部分116的支架144固定在该中心部分114处。中心部分114限定了多个开口148，支架144中的一个可以固定在其中任何一个开口上。开口148沿水平和垂直方向成排地延伸，以使绑带组件108能够容易且方便地针对不同使用者的尺寸进行定制。绑带组件108的第二部分118具有固定到底部支撑件104上的支架。

适当的衬垫150可至少为后部支柱102的直接与使用者的身体相邻且面向使用者的身体的面向内侧部分加衬，以增强舒适性、透气性和使用者顺应性。衬垫150可以被包覆成型在后部支柱102上，或者可包括可拆卸的元件，以便于衬垫150的清洁、更换或用户定制。

参照图3和图4，后部支柱102限定了下部部分152，该下部部分152与底部支撑件104的面板156相连。图3描绘了与直接位于下部部分152之上的中间部分153的宽度相比，下部部分152如何具有较宽宽度，以减小后部支柱102覆盖在使用者的脊柱上的面积，并减轻接合系统100的重量。下部部分152可以比中部部分153要宽，例如为7∶8的比例。

后部支柱102相对于底部支撑件104在高度上可滑动式调节。面板限定了与后部支柱102的下部部分152的垂直侧槽159对齐的多个孔154。紧固件157可根据后部支柱102的高度设定而固定在任意孔154处，以将下部部分152接合并固定在垂直侧槽159处。面板限定了从下部部分152大体上侧向延伸的第一翼部160和第二翼部161，以提供对底部支撑件104的另外的支撑，并用于在使用者的腰部或下背部的周围分配接合系统100的压力和锚固。这种设置分散了使用者身上的压力，特别是在缩短的构造中，提高了舒适度和使用者顺应性。

后部支柱102可通过具有多个通道或槽而连接到底部支撑件104上，由此，按钮或类似的调节机构允许后部支柱102的方便且直观的垂直调节。

图5和图6为图3中的后部支柱102的详细视图，其中有上文中讨论了的一些特征。后部支柱102以薄且透气的方式设置，以在使用者的身体上提供较少的覆盖和较小的重量。后部支柱102限定了大体上与使用者的脊柱相对应的狭长的垂直开口162，并允许如图10和图11的实施例所示的轮廓。后部支柱102限定了下开口164，该下开口164可产生用于后部支柱102相对于中部部分153的轮廓的加硬区域。优选地，下部部分152延伸至腰部。

后部支柱102的中部部分153允许在矢状面内的偏转，以增加“弹力”，并允许一定程度的横向平面扭转，这两者都在许多活动中提供了功能上的舒适性。后部支柱102可由强韧但比形成后部支柱102的材料更柔软的材料包覆成型，从而为使用者提供增强的舒适感。根据后部支柱102的这种实施例，后部支柱102的基线强度能提供足够的刚度，但在加载有双侧肩部辅助装置时在矢状面和横向平面中都允许屈服。后部支柱102的尺寸与材料特性相结合可以将尺寸和重量减到最小，同时提供某一所需程度的变形和刚度。

图7A和图7B示意性显示了接合系统100上的工业外骨骼或肩部辅助装置117。辅助装置117具有通过水平槽或连接元件而连接到横向构件112、113的各个自由端115A，115B上的支撑框架119，或者由横向机构112、113所限定的支撑框架119。由于使用者的肩部的宽度和高度会基于个人而变化，因此辅助装置117可在水平槽内平移，以使辅助装置117的连接能在支撑框架119与横向机构112、113之间靠近使用者的肱骨头定位。

支撑框架119可包括用于辅助装置117的铰接机构120，以及用于与绑带组件108的第一部分116相连的连接件122。连接件122可沿着使用者的上背部以及在肩膀之上垂直地延伸到前部。如图3所示，连接件122可以包括刚性或半刚性的框架，或者可形成为可直接固定到支撑框架119上的第一部分116的延伸部分。辅助机构124由连接件122所支撑，用于提供肩膀抬升/弯曲的机械化辅助，并可包括用于提供肱骨弯曲辅助的驱动机构。

如图7A和图7B所示，接合系统100可具有用于将连接件122支撑在使用者的手臂上的臂套168，以及用于将辅助装置117更好地设置到使用者的身上的胸骨绑带166。

图8A至图8C示意性显示了臂套168的实施例。由于辅助装置117可提供肱骨弯曲辅助，所以辅助机构124可以连接到臂套168，臂套168大体上附接到肱骨上。这些臂套168可调节，以适应使用者手臂的相当大的尺寸范围，以及相对于适于潜在使用者的围长变化而进行调节，以及在收缩期间随着使用者的手臂改变尺寸而进行调节。

图8A示出了示例性的臂套168的剖视图。臂套168包括闭合绑带或带170，其具有弹性特性以适应由于收缩而引起的臂围的变化。闭合绑带170延伸并悬挂在由臂套168所形成的间隙171上。闭合绑带170在间隙171的第一侧与臂套168永久式固定，并且在臂套的第二端处可拆卸式固定到设置在臂套168的外层182上的紧固件(例如，钩环紧固件176)上。间隙171允许通过在间隙中接收手臂的增加的体积来适应使用者的臂围变化，同时仍通过保持与手臂相接合的弹性闭合绑带170将辅助装置117牢固地保持在使用者的身上。

臂套168具有由包围衬垫174的层172形成的内层，该内层适于与使用者的肱骨相邻并围绕使用者的肱骨。衬垫174可以是沿着除了间隙171之外的整个臂套168延伸和成衬的泡沫层。在衬垫174之外设置有半刚性塑料的增强层178，其能在封闭绑带170围绕使用者的手臂固定时围绕使用者的手臂弯曲但保持刚性。增强层178能保持臂套的形状，同时减小在闭合绑带170端部处所感受到的压力。

可延展带180与增强层178相邻，并且优选地仅沿着臂带168的圆周的大约20％至40％延伸。可延展带180与辅助机构124相固定，并优选地缠绕在使用者的手臂的后部，特别是在希望辅助装置117将手臂悬挂在直立位置时，这是因为袖套168可为使用者提供最佳支撑。可延展带180优选地在肱骨侧部连接，并在肱骨之下指向中间地穿过。可延展带180围绕臂套168延伸的程度在肱骨后面提供了足够的支撑，同时允许臂套168抵靠着使用者的胸壁舒适地弯曲。

如图8B所示，可延展带180具有至少一个附接点184，其可以由孔来限定，用于与辅助机构124相固定。可延展带180可由使用者或临床医生基于预定轮廓186来修改，以适应个体使用者的手臂的形状。

图8C示意性显示了臂套168如何限定由臂套168的外层182所形成的通道188。该通道188绕臂套168延伸的长度小于增强层178的长度。通道188适于可拆卸式地接收可延展带180，其中至少一个固定点184可以延伸到臂套168之外，以与辅助机构124附接。可由外层182形成开口，以允许辅助机构124与可延展带180相接合。通道188使臂套168的可延展带180的剪切和滑动减小，并允许拆卸可延展带180，以进行清洁和/或调节。

如上文所述，可延展带180的至少一部分优选地通过外层182暴露出来，以便于辅助装置124的安装，如图8C所示，特别是在至少一个固定点184所在的位置处进行安装。如图8A所示，外层182可隐藏可延展带180。

参考图10和图11所示的接合系统的另一实施例，示例性的后部支柱202优选为整体式的，使得后部支柱202连续地形成并与横向构件212、213成形为一体。与前述实施例一样，后部支柱202可大致上形成为T形，其中，横向构件212、213的宽度W_HM小于垂直构件210的宽度W_VM。根据本发明，术语“整体式”应理解为单一的、一件式的结构，例如金属或注射成型塑料的模制件。该塑料可由例如为玻璃纤维的材料来增强，例如为玻璃填充尼龙。

“整体式”也可以是注射成型塑料在足够硬但具有延展性的金属芯上的组合，该金属芯包括一个或多个金属框架件。支柱202也可以是具有足以承受两个横向构件212、213的规定载荷的刚度和强度的、完全由塑料制成的注射成型部件。

垂直构件210可以在宽度W_VM上设置为基本上或完全平坦的结构。相比于平坦的结构，垂直构件210可具有横跨宽度W_VM的弯曲截面，以容纳使用者的脊柱。类似地，横向构件212、213可在宽度W_HM上具有基本或完全平坦的构造。

一种示例性材料为7075铝合金，但是其他结构材料显然也是可以的，包括纤维增强树脂、金属合金，以及它们的组合，其强度足以支撑肩部辅助机构，同时能在使用者的肩膀上提供弹力感。弹力感可以令使用者在佩戴带有肩部辅助机构的肩部支撑接合系统时的感受变得柔和。弹力感是由后部支柱202的弹性产生的，并且部分用于肩部辅助机构的悬挂。

横向构件212、213的自由端215、217可设置为以角度220处于垂直构件210的平面之外。根据“平面之外”的定义，自由端215、217相对于看上去如同为平坦的且处于一个平面中的垂直构件210向外延伸，并且横向构件212、213从垂直构件210处垂直地延伸，尤其是在平面图中观察时更是如此。

这种角度220使得横向构件212、213相对于垂直构件210具有更大的弹力。可根据各个使用者来修改和选择角度220，特别是通过从一过渡线处来铰接角度220来实现，在该过渡线处，各个横向构件212、213连接或连续地融合到垂直构件210上。从可选择和修改横向构件212、213的角度的方面来看，用于形成后部支柱202的材料可选择为可延伸的，然而在使用时，横向构件212、213不会在承受载荷时损失固定的角度220，并且具有足够的弹性以在释放载荷时返回到角度220。

横向构件212、213还可以一定角度设置在垂直构件210的弯曲平面中，其中，横向构件212、213相对于垂直构件210的垂直轴线A-A而设置在假设平坦的垂直构件210的平面中。横向构件212、213可设置在垂直构件210的平面之外，并且相对于该平面成一定角度。横向构件212、213可有利地提供附加的弹性和舒适性，同时还可以沿着肩胛骨以及胸部和腰部的轮廓而更精确地针对使用者的尺寸而形成轮廓。

垂直构件210可限定多个释放开口220，用于在使用者的脊柱上提供释放，从而进一步形成相对轻便且通风的结构。释放开口220优选地沿着轴线A-A设置。

横向构件212、213限定了大体上垂直于轴线A-A的狭长的水平槽226，以支撑辅助装置。如上文所述，垂直槽218位于后部支柱202的下部，并设置为用于固定和调节底部支撑件的高度。水平槽226可由实心材料来代替，在其位置处，连接元件可连接到横向构件212、213上，以用于连接辅助装置。无论使用者的特定尺寸如何，垂直槽218和水平槽226都允许辅助装置117设置在使用者的肱骨头之上，并有助于方便且直观地进行调整。

图11显示了垂直构件210如何相对于轴线A-A形成轮廓，以使后部支柱202适应个人的脊柱。垂直构件210可沿着垂直构件210的长度相对于轴线A-A而具有不同的角度区域222、224。沿着长度A-A，预形成的轮廓定位成与使用者的胸部轮廓(T)或腰部轮廓(L)的身体结构相符。位于垂直构件与水平构件的相交处的垂直轮廓能形成与肩胛骨接近的结构轮廓。所形成的形状不仅支撑背部，而且还提供了整个支柱的低姿态轮廓。在工作或其他环境中，优选地使用最小的轮廓来减小周围物体的意外冲击或卡住的可能性。

图12示意性显示了如何根据使用者的尺寸来提供多个不同尺寸的后部支柱202A，202B，202C，以及上述后部支柱可包括针对定制选择适配、舒适度、强度、弹性、重量等的不同结构的孔。

图13显示了后部支柱230的另一实施例，该后部支柱230包括相对于垂直构件232铰接的横向构件234、236。与前述实施例中的在全部三个运动平面中保持刚性的整体式支柱概念相比，在此实施例中，横向构件234、236可在冠状面内旋转。横向构件234、236可在旋转点238处相对于垂直构件232旋转。垂直构件232可包括用来加强横向构件234、236的基础部分240。在该实施例中，后部支柱230不只是如图6的实施例中所示的那样由一个整体式、一件式的结构一体成型。

在高空作业任务期间，在肩胛骨抬高或下移时，这种旋转铰接允许支柱在胸部之上跟随肩胛骨的一般的解剖学旋转和滑动运动而运动。在适应这些相对冠状面的运动的同时，接合系统继续提供针对由辅助元件传递至后部支柱230的横向构件234、236的矢状面扭矩的抵抗力。在该实施例中，ROM在冠状面内相对自由，而横向平面和矢状面的运动受到限制。在这种铰接结构中，优选地可对运动范围的端点进行限制，以将运动限制为不超过所期望的端点。通过在各个运动平面中允许或限制ROM，后部支柱230可分别在矢状面、冠状面和横向平面中抵抗扭矩，同时还允许在关键方向上运动。

图14显示了接合系统300的另一实施例，该接合系统300具有形成人体工学形状的后部支柱302。如在前述实施例中那样，底部支撑件304连接到后部支柱302，并且具有带部分306。如在其他实施例中那样，肩部绑带组件308类似地固定到接合系统300上，并且可以由横向构件312、313处回到后部支柱302固定。至少后部支柱302衬有衬垫333，并且可以覆盖有织物、涂层或其他材料。底部支撑件304的后部组件336被覆盖物隐藏。

图14、图16和图17示出了固定到底部支撑件304上的后部支柱302的底部320，如在任一前述实施例中那样。后部支柱302具有从底部320分叉的下部309，该下部309具有从底部320延伸或外张的第一段310和第二段311，以将压力分布在使用者的下背部上。底部320可比后部支柱302的在上部314之间的部分要宽，在该上部314处，第一段310和第二段311在接合部315处返回到一起，这特别是因为底部320要固定到底部支撑件304上。

在图14所示的实施例中，下部309通常与底部320和桥部322以及第一段310和第二段311一起形成椭圆形。下部309限定了第一开口317，并在其接近底部320的区域具有锥形部319，以向底部320提供更大的强度，并能在下部309的周围容纳用于接收绑带组件308的绑带的绑带连接部323、324。位于开口317之上的下部314可形成朝向接合部315逐渐变窄的第二开口321。在第一开口317和第二开口321之间，桥部322为后部支柱302提供了稳定性，而具有第一开口317和第二开口321的第一段310和第二段311能避免与使用者的脊柱接触，从而将压力分布在使用者背部的脊柱旁的肌肉组织上，而不是在中线的敏感的棘突上。

大的椭圆形开口317还能在腰椎和胸椎附近的支撑支柱周围形成加强的空气循环。第二绑带连接部323、324可沿着第一段310和第二段311的弧形轮廓而设置，特别是当它们在下部309处形成椭圆形时。第二绑带连接部323、324可相对于绑带组件308的第二部分318具有较大的尺寸，以便部分地有助于改变尺寸，或适应使用者的不同尺寸和轮廓。

第一段310和第二段311在上部314处彼此靠近，并在横向构件312、313和横向中心部分325下方的接合部315处相遇。可在横向中心部分325之上设置中心凹槽331，以在使用者的颈部下方提供较好的间隙，从而释放该区域，同时在中心凹槽331之下的横向中心部分325处提供刚性。

横向构件312、313可在中心凹槽331的相反两侧设置有凸起，并包括第一绑带连接部326、327，因此绑带组件308的第一部分316固定在接合系统300的后侧。横向构件312、313可在其与横向中心部分325相反的自由端处逐渐变窄，以减小在使用者的肩胛骨上的覆盖范围。第二部分318可沿着后部支柱302的下部309而固定到第一段310和第二段311上。

如前述实施例所述，横向构件312、313可限定多个开口329，以用于选择性地且个性化地连接辅助装置，如前述实施例所示。多个开口329通常可沿着横向构件312、313的长度排列，但是也可根据辅助装置的构造而提供其他布置。

参照图15A，接合系统300的前侧可以适配有可调节的胸带332，该胸带332具有带扣334，用于固定和调节胸带332的长度。胸带332具有调节特征328，其允许胸带332沿着绑带组件308的第一部分316上的滑动件330而上下滑动，以适应不同使用者的身高。在通过带扣334来张紧和保持胸带332时，胸带332可相对于第一部分316而保持。

图15B示意性显示了一种胸带380的变形。胸带380沿着绑带组件(如其他实施例中所示)的绑带382的带部分384限定了衬垫部分383。带部分384可固定到衬垫部分383上，其中，金属连接件385在衬垫部分383之下与绑带382相连。带扣388连接胸带380的两个端部386、387，该端部386、387沿着绑带部分384通过滑动件390可滑动式安装。紧固件388(例如铆钉)可加固绑带组件380中的衬垫部分383。可沿着这种部分而设置能用作为滑动件390的停置点的各种位置389。

图15C示意性显示了一个实施例，其中带部分384包括多个不连续的独立部分394、395、396，而在图15B的实施例中，这些部分是连续的。如图15C所示，部分394、395、396之间的接合点397、398用作为相应的滑动件在各个部分394、395、396之间的停置点。

图16和图17示出了除去覆盖物的接合系统300的后部组件336，并显示了后部支柱302与底部支撑件304的后部组件336的连接。后部组件336包括具有第一翼部348和第二翼部350的主部件338，这两个翼部能沿着狭长的旋转连接部352、354而相对于中心件356旋转。滑轮面板342、344可滑动式地固定在翼部348、350上，并可与美国专利8,172,779中所公开的腰部装置类似地工作。

图17特别示出了滑轮面板342、344如何具有能与由翼部348、350所形成的狭长的、大体上指向侧部的槽368相接合的滑动件370，如美国专利8,172,779中所述。然而，因为后部组件336优选地在中心件356处保持基本刚性以牢固地保持后部支柱302，所以翼部348、350可以在外侧上设置有伸出的斜坡365，优选地朝向中心件356变得陡峭，朝向翼部348、350的自由端逐渐变得平坦。当滑轮面板相对于翼部348、350滑动并相对于狭长的旋转连接部352、354转变时，斜坡365使滑轮面板能平稳工作。

斜坡的形状提供了从形成基本上刚性的套筒355的面板的中心部分到更柔性的翼部348和350的过渡的刚性。翼部348、350的内侧具有对应于斜坡365的凹槽366，在该凹槽366内设置有滑动件370，从而滑动件在工作期间不会卡在其任何覆盖物或其一部分上或令使用者感到不适。在斜坡365在翼部348、350上移动时，斜坡365的高度能提供光滑的过渡，并且允许载荷向外扩散或过渡，并减缓了翼部348、350上的应力点，以确保底部支撑件304容易张紧。

根据底部支撑件304的张紧，翼部348、350设置为能围绕使用者的腰部旋转，并可适应使用者的不同腰部尺寸。翼部348、350可以是刚性的，或者可表现出柔性以符合使用者的腰围尺寸。由翼部348、350形成的孔372可提供通风并减轻设备的重量，并且可以独立地或以一定样式布置以助于翼部348、350围绕使用者的腰部弯曲。

在图16和图17所示的实施例中，孔372通过适应解剖学的方式而排列为从中间件356向外散开，以便更好地符合使用者腰部的一种或多种形状。尽管翼部348、350可符合使用者的腰部，但是在底部支撑件304固定到使用者身上时，翼部348、350与中间件356一起用作牢固的基础，以在使用时将后部支柱302和辅助装置牢固地固定到使用者身上。

板346沿其内侧固定在中间件356上，以形成用于接收后部支柱302的底部支撑件304的刚性或基本刚性的套筒355。锁定件340固定在中间件356上，并可包括旋钮，该旋钮被弹簧偏压在由中间件356形成的孔洞341中。在位于套筒355内的底部320处，锁定件340与由后部支柱302形成的对应开口中的至少一个相接合，从而能方便且直观地调节后部支柱302相对于底部支撑件304的高度。

板346和后部组件336一起形成面板，如图4所示。该面板形成用于底部支撑件304的带构件的基础，如图14所示，其能产生针对后部支柱302的反作用力，如图9A和9B所示。带构件能阻止后部支柱被向远侧拉开或撬离身体。当手臂的重量推向辅助装置并被引导至后部支柱302时，底部支撑件304能保持后部支柱302抵在使用者的身体上，以分散和传递其上的力。

套筒355可通过中间件356和板346上的开口358、362而通风。中间件356和板346可包括增强元件360、364，尽管设置有开口358、362，但是该增强元件仍能向套筒355提供刚性。板346可通过连接部374而可拆卸式固定到中间件356上。套筒355的内边缘呈锥形374，以减小使用者在骶骨区域上感受到的边缘压力。

图18A至图18C示意性显示了后部支柱302，以及其各个部分如何倾斜以更好地适应一个使用者的身体结构或一般使用者的身体结构，特别是当最初处于解剖学位置时。后部支柱302可以被预先配置为在特征之间具有成角度的关系，以适应解剖学位置。尽管后部支柱302可以是刚性的，但是其同样可具有弹力或弹性，以适应使用者和辅助装置的运动或对其的冲击，同时能将辅助装置牢固地稳定在使用者身上。

底部320在边界371处与上部314邻接。底部320在沿着垂直平面J保持平行的同时，与上部314相关联，这是因为上部314以大约10度的示例性角度而相对于垂直平面向外延伸。上部314可基本笔直地延伸至中心部分325处的边界373，该边界373同样可平行于垂直平面J延伸。横向构件312、313可由中心部分325所在的水平平面K以在过渡线375、377处限定的一定角度(例如约10度)而向内延伸。这些角度不是限制性的，并且当处于解剖学位置时，特别是当后部支柱可延展为使后部支柱302的一部分定位时，后部支柱能以适合于各个使用者的许多角度来预配置，但在使用中仍然具有足够的刚性以承受在使用中相对于这种位置的永久变形。

通过提供如本文所述的接合系统，外骨骼设备的沉重、不舒适以及与使用者的身体结构的对准性差的问题可通过提供一种改进的接合系统而得以解决，该接合系统具有对使用者尺寸的改善的适应性和增强的舒适性。这是通过以下内容来实现的：带构件的提高的适配和定位，垂直支柱的延展性，以及将旋转轴放置在肱骨头处的调节机构，从而能在不牺牲扭矩阻力的情况下提高舒适度。

虽然只简要描述了肩部辅助机构，但是其不限于所显示的实施例，接合系统可适用于不同的肩部辅助机构。

Claims (7)

1.一种外骨骼的接合系统(300)，包括：

底部支撑件(304)，具有带部分(306)；

绑带组件(308)；以及

后部支柱(302)，所述后部支柱具有下部(309)和上部(314)，所述下部(309)限定了在后侧与所述底部支撑件(304)相连的第一端，所述上部(314)限定了与在相反的方向上从所述后部支柱延伸出去的第一横向构件(312)和第二横向构件(313)相连的第二端，所述第一横向构件(312)和第二横向构件(313)与所述绑带组件(308)相连，所述后部支柱(302)具有固定到底部支撑件(304)的底部(320)；

其中，所述下部从所述底部(320)分叉，并形成从所述底部(320)延伸和外张的第一段(310)和第二段(311)，以将压力分布在使用者的下部背上，所述第一段(310)和第二段(311)在所述上部(314)处彼此接近，并在所述第一横向构件(312)和第二横向构件(313)之间的中心部分(325)下方的接合部(315)处接合；

其中，所述接合系统(300)的远侧基础支撑在后侧对应于使用者的骶骨的高度处，在前侧对应于前上髂骨的高度处，所述后部支柱能抵抗在第一横向构件(312)和第二横向构件(313)处施加到其上的扭矩，可束紧的腰带从所述后部支柱(302)的底部(320)延伸，并设置为围绕使用者的身体的前部延伸，以形成针对施加在后部支柱(302)上的扭矩的反作用力；

所述底部(320)在边界(371)处与所述上部(314)邻接，所述底部(320)设置为沿着所述后部支柱(302)的垂直平面(J)保持平行，所述上部(314)相对于所述垂直平面(J)以第一角度(Y)向外延伸；

所述上部(314)笔直地延伸到所述中心部分(325)处，所述中心部分(325)平行于所述垂直平面(J)延伸，所述第一横向构件(312)和第二横向构件(313)相对于水平平面(K)以第二角度(Z)向内延伸，所述中心部分(325)沿所述水平平面延伸。

2.根据权利要求1所述的外骨骼的接合系统(300)，其特征在于，所述第一横向构件(312)和第二横向构件(313)具有相对于中心部分(325)倾斜设置在平面之外的端部。

3.根据权利要求1所述的外骨骼的接合系统(300)，其特征在于，所述后部支柱(302)相对于所述底部支撑件在高度上能调节。

4.根据权利要求3所述的外骨骼的接合系统(300)，其特征在于，所述底部支撑件(304)包括能调节式安装到所述后部支柱(302)的底部上的面板。

5.根据权利要求1所述的外骨骼的接合系统(300)，其特征在于，所述第一横向构件(312)和第二横向构件(313)相对于所述后部支柱(302)设置和定位成能在使用者的左肩胛骨和右肩胛骨(S)上延伸。

6.根据权利要求1到5中任一项所述的外骨骼的接合系统(300)，其特征在于，所述第一角度(Y)为10度。

7.根据权利要求6所述的外骨骼的接合系统(300)，其特征在于，所述第二角度(Z)为10度。

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