CN110998104B - 纺织物致动器 - Google Patents

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Abstract

一种由用户穿戴的纺织物致动器包括纺织物封皮，所述纺织物封皮限定通过容纳在所述纺织物封皮中的不透流体气囊和/或并入到所述纺织物封皮中的不透流体结构而不透流体的腔室。所述纺织物封皮具有预定几何形状，所述预定几何形状在非180角移位下产生平衡状态，并且阻止在所述腔室加压后进一步移位并防止关节过度伸展。将流体递送入或递送出所述腔室，以主要通过归因于所述纺织物封皮的移位而不是藉由所述纺织物封皮的拉伸或收缩而引起的从未充气状态转变到所述预定几何形状来使所述纺织物封皮移位。当被致动时，所述纺织物致动器(a)使所述用户的身体部段移位和/或(b)支撑所述用户的所述身体部段并将其保持在适当的位置。

Description

纺织物致动器
背景技术
近年来，作为传统电磁致动技术的替代方案，软流体致动器已受到显著关注。与诸如电磁或刚性液压致动器的传统致动器相比，软流体致动器在重量、顺应性和制造成本方面具有潜在优势。另外，软流体致动器可以被机械地编程为仅使用单个输入(诸如加压的气体或液体)来产生复杂运动，如PCT申请公开号WO 2015/066143 A1、PCT申请公开号WO2015/050852 A1以及PCT申请公开号WO 2015/102723 A2中所述。
McKibben致动器也许是软流体致动器的最广泛应用的实例。McKibben致动器响应于压力改变而呈现出线性收缩。McKibben致动器主要由放置在编织壳内的气球或气囊组成；这些部件以及因此整个结构非常轻巧。编织壳用来约束气球的膨胀并引起致动器的特有运动。
发明内容
本文描述了一种用作软可穿戴机器人的纺织物致动器以及其制造和使用方法，其中设备和方法的各种实施例可以包括下文描述的元件、特征和步骤中的一些或全部。
一种由用户穿戴的纺织物致动器包括纺织物封皮，所述纺织物封皮限定通过容纳在所述纺织物封皮中的不透流体气囊和/或并入到所述纺织物封皮中的不透流体结构而不透流体的腔室。所述纺织物封皮在加压后提供机械止挡件的移位下具有预定几何形状和非线性平衡状态，所述机械止挡件防止所述纺织物致动器过度移位到使关节过度扩展的程度。将流体递送入或递送出所述腔室，以主要通过归因于所述纺织物封皮的移位而不是藉由所述纺织物封皮的拉伸或收缩而引起的从未充气状态转变到所述预定几何形状来使所述纺织物封皮移位。当被致动时，所述纺织物致动器(a)使所述用户的身体部段移位和/或(b)支撑所述用户的所述身体部段并将其保持在适当的位置。
一种用于穿戴者的肩部的软可穿戴机器人包括：背心；手臂包绕物；外展致动器，其在一侧上安装到所述背心且在另一侧上安装到所述手臂包绕物；以及一对水平伸展/屈伸致动器。前部水平伸展/屈伸致动器在一侧上在所述外展致动器的第一侧上安装到所述背心，并且在另一侧上安装到所述外展致动器，而后部水平伸展/屈伸致动器在一侧上在所述外展致动器的第二侧上安装到所述背心，并且在另一侧上安装到所述外展致动器、与所述前部水平伸展/屈伸致动器呈对抗配置。所述外展致动器和所述前部和后部水平伸展/屈伸致动器各自包括基本上不可伸展的纺织物封皮，所述纺织物封皮限定通过容纳在所述基本上不可伸展的纺织物封皮中的不透流体气囊和/或并入到所述基本上不可伸展的所述纺织物封皮中的不透流体结构而不透流体的腔室。所述基本上不可伸展的纺织物封皮在所述腔室加压后提供机械止挡件的移位下具有预定几何形状和非线性平衡状态，以防止所述基本上不可伸展的纺织物封皮过度移位。
此基于纺织物的方法的优点在于，所述机器人可以轻巧、低轮廓、舒适且对穿戴者无限制，且像衣物般容易穿上。所述致动器在不使用时能够折叠放平允许所述机器人在衣物下几乎不可见，从而允许所述用户避免与在公共场合使用辅助装置相关联的任何耻辱感。
附图说明
图1至图4呈现了对测力板14上施加不同载荷力(由经由用于流体递送的导管13与致动器10联接的压缩机12提供)的可伸展致动器10(图1和图2)以及也对测力板14施加不同载荷力的不可伸展致动器10(图3和图4)的侧视图比较，其中不可伸展致动器(图3和图4)的形状(截面)可能看起来不如可伸展致动器(图1和图2)能变形(径向膨胀)。
图5和图6示出了软可穿戴机器人16，其具有软纺织物致动器(外展致动器18和水平伸展/屈伸致动器20)和软传感器22以感测穿戴者24(图5)以及感测致动器18和20(图6)。
图7至图9示出了由用户24穿戴以提供步态辅助(图7)、工具支撑(图8)和下蹲支撑(图9)的软纺织物致动器10。
图10至图12示出了由用户穿戴以提供上肢辅助(图10)、步态辅助(图11)和膝盖稳定(图12)的软纺织物致动器的附加实施例。
图13至图15示出了用于制造软纺织物致动器的制造过程中的步骤，包括切割和缝合纺织物图案件以形成纺织物封皮26(图13)、通过将用于气囊的不渗流体层与纺织物封皮粘合来形成复合结构28(图14)、以及层压这些层以形成软纺织物致动器10(图15)。
图16至图19示出了处于未充气状态32和充气状态34的具有流体馈送管线的无气囊致动器10’(图16和图17)以及具有分立气囊30和纺织物封皮26的致动器(图18和图19)的实施例。
图20和图21示出了处于未充气状态32(图20)的和处于充气状态34(图21)以弯曲并建立预定的致动平衡几何形状的软纺织物致动器10。
图22至图24示出了处于未充气状态32和充气状态34的软纺织物致动器的截面图。
图25示出了膝盖辅助软纺织物致动器10的侧视图。
图26示出了处于未充气状态32和充气状态34的折叠软纺织物致动器10。
图27示出了处于未充气状态32和充气状态34的扭曲纺织物致动器10。
图28示出了提供膝盖辅助致动的伸展纺织物致动器10。
图29示出了经历从未充气状态32到充气状态34的致动以使载荷移位的展开纺织物外展致动器18。
图30示出了缩短纺织物致动器10，其在被致动时长度缩短(经由径向膨胀和轴向收缩)；在致动到平衡状态时左侧的具有预定圆形截面的致动器10经历直径增大57％，而在致动到平衡状态时右侧的具有预定椭圆形截面的致动器10经历直径增大260％。
图31和图32示出了包括半刚性/刚性板36的外展纺织物致动器18，半刚性/刚性板基本上不随致动而变形并且产生铰链以确保致动器18在致动时对准。外展致动器18还包括纺织物封皮26(呈通过缝线38接合的面板的形式)和气囊30。
图33至图35示出了水平伸展/屈伸致动器(HEFA)20，其包括呈半刚性板36形式的坚硬包裹体以通过产生连杆来规定运动路径。
图36和图37包括用于肩部辅助装置的外展纺织物致动器18的照片图像，其中纺织物致动器18被设计成藉由其分段结构的路径长度通过其致动仅具有165°运动范围，如图37所示。
图38和图39提供了使用分段纺织物外展致动器18(图38)和非分段纺织物外展致动器18(图39)的肩部致动的图示；如图所示，分段实现了致动器中的压力水平与归因于该压力的致动器的移位角度之间的近似线性关系。
图40示出了具有非线性压力-硬度曲线的软纺织物致动器10，其中致动器的特定“起皱压力”允许期望地维持致动器10中的压力，其中减小的硬度用来在步态的摇摆和站立阶段(左起前三个图像)中维持顺应的致动器10。接着在脚趾离地(最后一个、最右边的图像)期间，当需要致动和硬度时，在超过起皱压力时压力的小幅增大触发硬度的跳跃。
图41和图42示出了使用工具/模具40、夹具/工具引导件42和冲模44来制造纺织物致动器。
图43和图44示出了经由真空成型工艺制造纺织物致动器10，其中将真空46施加到模具40和冲模42。
图45和图46示出了经由将用于复合结构28的层压材料48和49层压来制造纺织物致动器10。
图47示出了软的流体动力可穿戴机器人(用作肩部致动器)，其并入有附接到背心50和手臂包绕物52的软纺织物致动器18和20以辅助穿戴者移动，包括以下解剖运动：外展(AB)、内收(AD)、水平屈伸(HF)和水平伸展(HE)。
图48是最终机器人的分解图，包括软十字连杆(SCL)54、带有用于连接到背心50的绑带56的手臂包绕物52、外展和水平伸展/屈伸致动器18和20、以及安装于背心50上的柔性板58，软十字连杆和水平伸展/屈伸致动器20安装到该柔性板。
图49是用以实现水平屈伸(HF)和水平伸展(HE)的软十字连杆(SCL)18的俯视图。
图50是外展致动器(ABA)18的分解图，其包括中间腔室60和远端腔室62。
图51是外展致动器(ABA)18的力图以及对接触区域64的带有肩部的旋转中心(COR)66的可视化。X1,2是从COR 66到压力中心A1,2的距离，该距离用以使用内部压力P来计算F1,2。
图52示出了在P1>P2的情况下施加相同力矩的起皱68的效果。P2提供的拉伸预荷载不足以防止屈曲。
图53绘制了在固定角度(图表中用度表示)输出的力矩的实验结果，其中阴影区域表示标准偏差。
图54绘制了在固定载荷下压力与角度之间关系的实验结果(数据70和拟合72)，其中Pmax是记录的最大压力。
图55是外展致动器(ABA)18和水平伸展/屈伸致动器(HEFA)20的运动学模型。
图56是附接到外展致动器(ABA)18的水平伸展/屈伸致动器(HEFA)20的架空力图(overhead force diagram)，其中大地是到躯干74。
图57是用于水平伸展/屈伸致动器(HEFA)20的测试固定装置。文本固定装置包括力传感器76、夹具78和标度80。
图58包括提供对x中的实验力与数值模型的比较的曲线图，其中模型由实线表示，而实验数据由星号表示。
图59包括提供对y中的实验力与数值模型的比较的曲线图。
图60包括图像i至v，这些图像示出样品五段180°图案角度致动器的充气的阶段。十字标指示FMOA的质心。图像vi标记五段致动器的部件，并示出相交的体积。
图61包括示出改变的图案角度和致动器在不同角度下的平衡效果的曲线图。
图62包括示出致动器分段对线性度和ROM的影响的曲线图。
图63绘制了在不同的纱线定向角度下的拉伸力与张力。
图64示出了横向地附接到躯干且在手臂98下方内侧的外展致动器18。
图65示出了外展致动器18使手臂98外展并且能够借助于织物“铰链”99在其纵轴上旋转到向前屈伸位置。
图66展示了取决于外展致动器18附接到手臂98的位置，外展致动器18将产生外部旋转(向前在前部)，如图像A所示；无旋转，如图像B所示，或内部旋转(附接在后部)，如图像C所示。
图67示出了通过下部伸展致动器(LEA)100和下部屈伸致动器(LFA)102共同充气/放气以调整手臂角度来移动外展致动器18和穿戴者的手臂98。
图68示出了水平屈伸致动器(HFA)20推动手臂98水平屈伸；这些力通过肩套带和臂袖52作出反应。
图69示出了用于手臂98的致动器配置，其中两对对抗的致动器控制肘和腕关节。致动器包括用于其相应关节的屈伸致动器106和110以及伸展致动器104和108。由这些致动器104、106、108和110产生的力通过臂袖52作出反应。
图70示出了使用不可伸展机织物112、可拉伸织物114、交叉式背带116和前胸骨带118的致动器锚定原理。
图71示出了产生竖直和扭转载荷的外展致动器18，竖直和扭转载荷通过围绕肩部的服装的非拉伸部分112和跨越肋骨的带118作出反应。
图72包括穿戴着带有臂袖52的致动器系统的用户的照片图像，臂袖的直径可调整并且在内部包括防滑材料120，从而有助于对轴向和扭转力作出反应。
图73示出了包括致动器124的阵列、服装基础128、集成锚定122和分布式感测126的分布式致动。
图74示出了带有用于辅助头顶上方任务的致动器18的软可穿戴机器人实施例。
图75示出了以其他方式由可拉伸织物形成的服装上的不可伸展织物的套带系统。套带系统包括用于对来自致动器的水平力作出反应的水平带130。
图76示出了包括外展致动器、水平伸展致动器和水平屈伸致动器的肩部致动系统。
图77示出了包括外展致动器、水平屈伸致动器、下部伸展致动器和下部屈伸致动器的肩部致动系统。
图78示出了用于分段致动器的纺织物封皮的图案件。
在附图中，贯穿这些不同的视图，类似的参考号指代相同或相似的部分；并且使用撇号来区分相同物项的多个例子或共享相同附图标记的物项的不同实施例。这些附图不必是按比例的；相反，在下文论述的实例中重点放在展示特定原理上。对于包括文本(单词、参考字符和/或数字)的任何附图，没有文本的附图的替代版本应被理解为是本披露内容的部分；并且可以用没有此类文本的正式替换图代替。
具体实施方式
从以下对本(这些)发明的较宽界限内的多种不同概念和具体实施例的更具体说明中，本发明的各个方面的以上以及其他的特征和优点将变得清楚。上文介绍的且在下文更详细论述的主题的多个不同方面可以按众多方式中的任一种来实现，因为该主题不局限于任何具体的实现方式。具体实现方式和应用的实例主要是为了展示的目的来提供的。
除非本文另作定义、使用或表征，否则本文所使用的术语(包括技术类和科学类术语)应解释为具有与其在相关领域的背景下可接受的含义相一致的含义、并且不得在理想化的或过度正式的意义上进行解释，除非本文明确地如此定义。例如，如果提及了具体的成分，那么该成分可以基本上是纯的但不是完全纯的，因为可能适用了实际而不完美的现实；例如，潜在存在至少痕量杂质(例如，少于1％或2％)可以理解为是在本说明的范围之内。同样，如果提及具体的形状，那么该形状旨在包括相对于理想形状的不完美变体，例如由于制造公差。本文表达的百分比或浓度可以以重量或体积计。除非另外指明，否则下文描述的工艺、程序和现象可以在环境压力(例如，约50至120kPa，例如约90至110kPa)和温度(例如，-20℃至50℃，例如约10℃至35℃)下发生。
虽然本文使用了术语第一、第二、第三等等来描述不同的要素，但这些要素不受这些术语的限制。这些术语只是用来将一个要素与另一个要素进行区分。因此，如下文论述的第一要素可以被称为第二要素，而并不背离这些示例性实施例的传授内容。
为了描述方便，本文可以使用与空间相关的术语，诸如“上方”、“下方”、“左”、“右”、“前方”、“后方”等等来描述一个要素相对于另一个要素的关系，如附图中展示的。应理解的是，这些与空间相关的术语以及所展示的构型旨在除了本文描述的和附图中描绘的定向之外还涵盖设备在使用中或在运行中的不同定向。例如，如果将附图中的设备翻转，那么描述为在其他要素或特征“下方”或“之下”的要素将定向成在这些其他要素或特征的“上方”。因此，示例性术语“上方”可以涵盖上方和下方定向二者。可以按其他方式来定向设备(例如，旋转90度或处于其他定向)并且本文使用的与空间相关的描述语句应相应地进行解释。术语“约”是指所叙述值的±10％内。另外，在提供值范围的情况下，考虑并且因此披露范围的上端与下端之间的每个子范围和每个单独值。
此外，在本披露内容中，当一个要素被称为“在”、“连接到”、“联接到”、或“接触”等等另一个要素上时，它可以是直接地在、连接到、联接到、或接触到该另一个要素上，或者可以是存在介入要素的，除非另外指明。
本文使用的术语是出于描述具体实施例的目的的而并不旨在限制示例性实施例。如本文所使用的，单数形式如“一个”和“一种”旨在也包括复数形式，除非上下文另外指明。此外，术语“包括”、“包括了”、“含有”和“含有了”指明了所叙述的要素或步骤的存在，但不排除存在或添加有一个或多个其他要素或步骤。
此外，本文所指明的这些不同部件可以以组装的或成品的形式提供的；或者这些部件中的一些或全部部件可以被包装在一起并作为套件与用于使顾客进行组装和/或修改来产生成品产品的说明书(例如，书面的、视频的或音频的形式)一起被出售。
用于规定各种类型的运动(诸如弯曲、扭曲和伸展)的软致动器主要依赖于可伸展材料(弹性体、可伸展针织物)，这些可伸展材料被模制在其弹性体中或包裹在周围的不可伸展材料(芳纶纤维、纸张、编织纺织物)约束以产生其特有的运动。本文描述了致动器，这些致动器被配置为主要藉由几何形状在未充气形状与其平衡状态(即，完全充气状态)的预定几何形状之间改变来产生移位，几何形状改变是因为纺织物封皮移位而不是藉由在腔室内部的压力相对增加期间拉伸纺织物封皮。
在特定实施例中，致动器可以包括封皮，该封皮仅或基本上由可以规定上文列出的相同运动的不可伸展纺织物(例如，不可伸展编织物、织物、非织物等)组成。不可伸展纺织物致动器(ITA)可以设计成具有特定平衡状态(尽管压力增加但仍保持稳定的最终状态或形状)、压力/硬度比和运动路径。ITA特别适合于准确地递送高力，因为不可伸展材料允许更好地控制力的方向性。例如，ITA施加的压力将随着内部压力增加而持续增大直到发生故障为止，而可伸展致动器施加的压力将达到可伸展材料将更偏向膨胀/变形的极限；图1至图4的实例示出压缩机12、致动器10、在压缩机12与致动器10之间提供流体连通的导管以及测力板14，这些实例在两种类型的致动器之间输出相同量的力，但是可伸展致动器10(图1和图2)以某一阈值膨胀，因此极大地扩展其接触区域和直径。在替代性实施例中，形成封皮的纺织物可以具有一定的可拉伸性，但就像ITA，它们具有导致几何形状在未充气形状与其平衡状态(即，完全充气状态)的预定几何形状之间改变的预定几何形状，几何形状改变主要归因于纺织物封皮移位而不是藉由在腔室内部的压力相对增加期间拉伸纺织物封皮。
在本文中，我们还描述了用于产生软的流体动力可穿戴机器人的方法，这些机器人并入有具有预定几何形状以辅助穿戴者移动的致动器。这些可穿戴机器人由在用户24与致动器18和20之间接口连接的纺织物制成，从而舒适且有效地传递力(参见图47和图48)。这些装置可以使得能够以适当振幅和时间向不同的身体部段递送受控的辅助。纺织物/织物构造和气动致动对于可穿戴机器人应用是有利的，因为它们既顺应又轻巧且因此舒适，并且在不使用时对操作员“透明”(即，在无动力时提供最少的约束)。这种顺应性还允许致动器与关节之间具有较大对准公差，从而使装置备更易于穿脱。此外，纺织物技术利用可商购材料和工具来进行构造，且因此易于制造。这些装置可以模块化设计以便为任何任务提供最有效的配置，并且我们呈现了针对不同的身体部段和任务定制部件和其性能的方法。这些装置可以用以作为辅助或者康复装置辅助患有各种神经肌肉疾病或肌肉无力的个体，以及辅助健康的个体执行可能使肌肉负担过重或疲劳的活动。呈现了针对上肢和下肢的多个实施例。
包括传感器：
作为机器人装置，致动的软可穿戴装置可以利用反馈以便实现控制并尽可能提供帮助；此机器人反馈可以由传感器提供。在监测致动的软装置时，有帮助的是将与这些致动器18和20兼容的一个或多个传感器22(参见图5和图6)(例如，由弹性体或织物制成的软传感器或微型传感器，诸如压力传感器、惯性测量单元等)并入到可穿戴装置中或将传感器附接到用户的身体以免限制致动器和服装贴合人体。有两种主要模态来帮助感测可穿戴软机器人：感测致动器18/20(参见图6)和感测穿戴者24(参见图5)。
感测致动器
感测致动器10/18/20允许反馈致动器的状态，该反馈是压力、接触力、施加的扭矩/力、移位、曲率、变形、移动等。这样了解致动器的状态对于致动器的控制是有用的。这些传感器22可以向控制器(例如，与传感器22电子通信的计算机)通知致动器10/18/20是否正常工作或者它是否偏转、过载或损坏。传感器22还可以使控制器知道致动器10/18/20在其压缩/变形形状与其充气形状之间的位置。
感测穿戴者
第二感测模态是感测穿戴者/用户24(参见图5)。用软材料(例如，纺织物或弹性体)制造传感器22的益处在于，软传感器22固有地具有顺应性，并且因此可以理想地适合集成到服装或软致动器18和20与身体之间的接口中。此类传感器22可以测量关节角度、呼吸、接触力和其他生理现象。这些生理信息量度可以用于活动跟踪或控制可穿戴系统。可以将关节角度与致动器数据进行比较，以便控制器可以确定是否已实现期望的结果以及下一步该怎么做。
基于织物的传感器22的两种模态的有用性的实例可以在例如肩部辅助装置中找到，如图5和图6所示。如果用户24想要水平屈伸他或她的手臂(即，使手臂在横向平面上向前旋转)90度，那么装置激活本文所述的水平伸展/屈伸致动器(HEFA)20。可以在HEFA 20下方应用软接触传感器22，而同时可以将拉伸传感器应用于辅助装置，使得它测量关节的实际角度。在这种情况下，控制器与HEFA 20接合，直到拉伸传感器22指示手臂处于90度为止，其中处理读数以生成通信，接着将通信发送到致动器20以终止进一步充气。如果在致动期间接触传感器22上的压力变得太大，那么控制器可以终止充气以防止对用户24或装置造成伤害。
在致动器18和20中以及对它们的感测并不严格限于软传感器22。可以使用一系列常用的“硬”传感器类型，诸如惯性测量单元(IMU)、陀螺仪和弦丝电位计来跟踪穿戴者24的肢体和/或躯干的位置。这些硬传感器典型地由通常含于外壳内的刚性部件组成。还可以使用外部方法(诸如通过计算机的视觉跟踪或电磁跟踪)来控制装置。充气压力(例如藉由与腔室流体连通的泵或加压容器提供)可以由更传统的压力换能器测量，并且接触力也可以以类似方式捕获。可以开发这些常用“硬”传感器与软传感器的融合以实现对系统的最佳控制，例如，IMU可以用以跟踪肢体相对于身体的运动，而软传感器测量致动器的相互作用力和内部压力。
软可穿戴机器人的应用领域和需求
总体描述
可以将软可穿戴机器人应用于关节(例如脚踝、肩部、膝盖等)，以增加该关节的力输出。这样增加力输出可以对人体功能产生影响，诸如肢体更强壮、稳定性增加、运动范围增大、或运动的代谢成本降低。这些类型的机器人可以在人体需要肌肉产生的力或运动的辅助的任何时间使用。
软可穿戴机器人优于其刚性对应方的两个优点包括以下：第一，它们的柔软度和柔韧性使其非常适合配合软人体且在软人体上工作；第二，它们的致动不足特性允许通过简单的机构进行复杂移动。特别感兴趣的应用领域包括健康个体的应用，诸如工业制造和运营、建造、救援、军事，以及残障个体的应用，诸如神经功能障碍的康复和/或辅助、骨科功能障碍的康复和/或辅助、老年人辅助和休闲运动。
增强健康人群
下文提供且在图7至图9中示出用于健康个体的软机器人辅助的一些实例，这些图示出步态辅助(图7)、工具支撑(图8)和下蹲支撑(图9)。
第一，如本文所述的软可穿戴机器人可以辅助士兵搬运重物。在这种情况下，机器人在步态周期中的各个点向腿部关节施加少量力(参见图7)，从而减少步行所需的能量(或代谢成本)。套装轻巧且顺应以获得舒适性，并且不会干扰正常步态力学。
第二，软可穿戴机器人可以用作上肢辅助装置以进行制造和建造，其中需要长时间段来支撑并操作重型工具(例如，当将工具举过头顶时)(参见图8)。诸如爱科索仿生机械公司(EksoBionics)、洛克希德-马丁公司(Lockheed Martin)和Robomate等公司正在开发刚性套装，以在这些情况下辅助工人；然而，软可穿戴机器人具有一些明显的优势。由于此处的价值主张是最小化在长时间的机器工作期间经历的疲劳，因此舒适性非常有利。另外，许多建造和制造工作涉及密封或不自在的空间(诸如用于造船的干船坞)，在这些空间中刚性机器人可能笨重；然而，软机器人可以装配在用户的手臂下方和肘部褶皱中，从而使用户不受阻碍并且能够以任何角度进行操作。而且，尽管上述刚性机器人的格式可能使得很难在头顶上方进行工作，但是软机器人可以以任何手臂角度提供支撑。
第三，可以在工业环境中使用软机器人可穿戴装置来稳定用户的腿部(参见图9)。诸如Noonee和Archelis等公司生产复杂的刚性可穿戴装置以工作场所中支撑下蹲姿势，这种性质的刚性可穿戴装置在未接合时可以用例如低轮廓、轻巧且透明(对运动无限制)的软机器人代替。
辅助有障碍患者
在辅助日常生活活动(ADL)方面，存在急性临床需求。几种神经肌肉疾病，诸如中风、脊髓损伤(SCI)、肌肉营养不良(MD)、肌萎缩性侧索硬化症(ALS，也称为葛雷克氏症)等，导致执行ADL的能力有限，从而最终导致失去独立性。执行ADL的能力有限与死亡风险增加以及长达10年的预期寿命缩短相关联。在这种程度上，患病者移动他/她的上肢以及与环境互动的能力通常被认为对维持此人执行ADL的能力至关重要。
软可穿戴机器人可以通过多种方式辅助患有这些疾病的人；下文提供且在图10至图12中示出一些实例。第一，辅助抬起手臂的装置(参见图10)可以帮助患有ALS、MD等的人进行伸出运动，并因此维持自己洗手、从橱柜取出物品、进食等的能力。可以在老年患者的下肢上使用软可穿戴机器人(参见图11)，以辅助提供稳定和耐力的腿关节力量，从而促进移动性以及与其团体的互动。可以将用于骨关节炎(OA)患者的类似机器人放在膝盖上以使其在步态周期中保持稳定(参见图12)，因此最小化对原本需要来提供稳定性的疼痛性肌肉收缩的需求，从而减轻用户在行走时所经历的疼痛。
致动器设计
广义上讲，如本文所述，ITA和其他软可穿戴机器人具有与许多其他软流体致动器(诸如气动网、纤维增强致动器、软织物致动器等)相同的功能，尤其是藉由流体致动进行弯曲、伸展、扭曲和收缩的能力。软流体致动器可以用一些廉价的零件产生复杂运动，并且可以安全地放置在人体上。这些功能可以通过分配不同类型的材料固有的特定性质来实现，这些材料诸如是用纸或细绳增强的橡胶、具有各向异性拉伸性质的纺织物组件，或者在本文所述的机器人/致动器的情况下，具有特定几何形状的纺织物组件。这些致动器和其他软流体致动器之间的明显区别是，这些致动器具有主要藉由几何形状在未充气形状与其平衡状态的预定几何形状(即，完全充气形状)之间改变来产生移位的预定几何形状，几何形状改变是因为纺织物封皮移位而不是藉由在腔室内部的压力相对增加期间拉伸纺织物封皮；在特定实施例中，可以通过在封皮的构造中使用不可伸展材料来实现这种效果。背景技术中引用的所有以上参考的专利公开都依赖于使用受不可伸展材料约束的可伸展材料。
ITA包括基本上不可伸展的外壳(封皮)，该外壳限定其形状(在本文中对“不可伸展”或“基本上不可伸展”的引用可以允许在任何方向上膨胀不超过10％、不超过5％或不超过1％)、用于对致动器加压的内部气密体积和流体的入口。本文所述的ITA和其他致动器使用纺织物以通过剪裁-缝合图案、成型、层压等产生预定几何形状以限定腔室。几何形状可以在不同区域中包括不同几何特征，以便产生某些运动/力/硬度分布和最终平衡状态。这些几何形状控制致动器的许多属性，包括运动的类型(例如，弯曲、伸展、扭曲等)、运动范围(例如，3”、180度等)以及压力-硬度关系(例如，线性、非线性、指数等)。封皮的几何形状可以被配置为决定在流体致动时的基本上所有移位，并且可以是连续的而没有任何间隙，除了用于流体的输入/输出之外。致动器还可以并入有坚硬包裹体，以针对给定任务的需要而修改或约束其运动。
如上所述，可以以多种方式制造致动器。所有这些方法都可以利用各种类型的纺织物。现成的是紧密的机织物，诸如格子布、塔夫绸和牛津布。这些机织物在经纱或纬纱中往往具有很少/没有，并且由本身拉伸很少的材料制成。然而，机织物确实在斜纹中(即，在经线与纬线之间的45度角)有一定量的拉伸。非机织物或层压纺织物不具有经纱/纬纱/斜纹，且因此往往比机织物更稳定，且因此非常适合于制造ITA；然而，非机织物往往不如机织物坚固。另一选择是几乎没有拉伸的针织物，诸如经编针织物。在所有这些材料中，合成纤维是有利的。诸如尼龙和聚酯等合成纤维往往比诸如棉、亚麻和羊毛等具有更短纤维的有机纤维更细且更稳定；它们往往也更便宜。
这些材料可以以多种方式组装。纺织物封皮的组装的目的是准确地创建期望的几何形状，以确保致动器的期望属性。剪裁与缝合图案是用以限定大多数服装的尺寸和形状的相同方法。将期望的几何形状分解为可以从一块扁平材料切出的“图案件”，并接着通过缝合进行组装。类似的方法可以与织物焊接技术而不是缝合一起使用。这些方法中的一些包括脉冲密封、加热的冲模/模具和/或热压机、射频(RF)和超声焊接机、粘合和胶合。
对于将纺织物封皮的复杂几何形状图案化，有帮助的是以创建期望的平衡状态的模型开始。接着可以将织物或纸张覆盖在此形式上并进行标记以创建图案件。形状可以由单个成形件或单个织物件限定，将这些成形件或织物件被缝制或聚集以向致动器提供预定几何形状，该预定几何形状在织物在充气期间展开或以其他方式伸展时表现出来；因此，可以藉由封皮的不同侧上的路径长度的差异实现诸如弯曲和折叠等移位。剪裁与缝合或剪裁与焊接方法中的图案件还包括缝头，即，围绕图案件的周边的多余织物，以允许与邻近件附接。已经使用剪裁与缝合方法来产生外展致动器(ABA)18和水平伸展/屈伸致动器(HEFA)20的复杂几何形状，如在图47和图48中所见。
其他技术(诸如成型、层压和3维编织/针织)可以用来产生封皮几何形状，而无需使用接缝。可以利用热塑性合成材料(同样是尼龙、聚酯等)以及一些有机材料(诸如羊毛)来实现成型。形成封皮可以通过使用诸如模具40和冲模44等工具来实现，其中将织物压在模具、成型件或冲模上或中以呈现工具的形状，如图41和图42所示。可以根据需要增加热量、时间和/或压力(例如，施加的真空46，如图43和图46所示)，以实现更大/更深的形状；合成材料可以在此过程中塑性变形。如图43和44所示，成型产生期望的几何形状，但是在大多数情况下，也使几何形状的一侧保持开口，以供工具40进入。在开口侧上，成型也可以被设计为产生凸缘或缝头，以附接另一材料件来封闭几何形状。如图45和图46所示，层压可以使用诸如模具40和冲模44的工具来以类似方法执行，其中在工具上方形成几个材料层48和49，并接着将它们压在一起以产生具有期望的几何形状的均匀材料件；同样，可以调整热量/时间/压力以获得理想结果。
也可以利用诸如模具和冲模的工具并且在热量/时间/压力的辅助下执行层压。在此过程中，在工具上方形成层，并接着将其压制成一个均匀材料件。可以分别或同时进行成型和压制(参见图13至图15)。
如上所述，致动器可以包括用于形成几何形状的外壳(封皮)和用以保持气密性的内部气囊。可以以多种方式创建用于纺织物致动器封皮26的特定几何形状，包括但不限于剪裁与缝合图案(参见图13)、成型或模制(参见图14)、层压(参见图15)、毡制、三维(3-D)针织或编织、静电纺丝等。所有这些方法都可以与气囊一起使用，或者以不需要气囊来容纳空气或另一种气体或液体方式创建。
在封皮26本身是气密的情况下，封皮26不需要单独气囊，这些被称为无气囊致动器10'(参见图16和图17)，它们可以与包括单独气囊30的致动器10(参见图18和图19)形成对比。可以通过成型或层压气密材料或通过在构造期间或之后密封其他材料来产生无气囊致动器10’。一些密封方法包括密封(例如，藉由粘合或焊接)或在缝合接缝上方施用胶带或粘合剂、用不透气涂层喷涂致动器、将多孔材料热定型以封闭孔口、或将致动器浸入不透气涂层中或用不透气涂层喷涂致动器。附加实施例包括使材料成型以产生几何形状或密封与成型的组合。
无气囊致动器可以以多种方式成型或成形，例如，包括加热、热塑性材料(例如，纤维、纺织物或薄膜)和诸如模具、成型件或冲模的工具。将热量施加到材料，使得材料可以变形为工具的形状。也可以用真空或空气压力在气压上施加力，或直接使用工具以促进材料到模具上/中。此外，此过程可以用多个层执行，其中几个层同时模制在一起或分阶段施加到模具。
模制过程的实例：
在图41和图42所示的第一实例中，使用工具40和冲模44来形成致动器。首先，将一件或多件材料(例如，用于气囊30和封皮26的材料)夹紧在冲模44的开口上方。将工具40放置在冲模44的顶部上，使得材料介于工具40与冲模44之间。对材料进行加热，并且在材料变热时向工具40施加力，从而将工具和加热的材料推入冲模44中。将材料的背向冲模44的那侧涂覆有粘合剂(例如，预涂覆、在模制后涂覆或两者)；将不论是成型、扁平还是其他形式的另一件材料(例如，用于气囊30和封皮26的材料)放置在粘合剂的顶部上，并且施加热量和/或压力以沿着粘合剂粘合各层。将现在密封的致动器10从冲模44移除，并修剪掉多余的织物/材料以产生现在完成的致动器10。
在图43和图44所示的第二实例中，使致动器10真空成型。首先，将材料(例如，用于气囊30和封皮26的材料)夹紧到真空成型机的框架中，并将材料加热。接着将模具40压入加热且现在软的材料中，并抽出真空46以使材料26和30在模具40周围成型；这个真空成型可以用冲模44辅助。接着将材料从模具40中移除，并且搁置在冲模44中，其中粘合剂(无论是预涂覆在材料上还是在模制之后添加或两者)侧背离冲模44。将不论是成型、扁平还是其他形式的第二件材料(例如，用于气囊30和封皮26的材料)放置在粘合剂的顶部上，并且施加热量和/或压力以沿着粘合剂粘合各层。将现在密封的致动器10从冲模44移除，并修剪掉多余的织物/材料以产生现在完成的致动器10。
在第三实例中，藉由层压形成致动器10，如图45和图46所示。首先，在模具40之上或之内形成外层48’(例如，合成薄膜)(例如，使用上述过程)。接着将中间层49(例如，纤维)添加到外层48’上并且加热和/或成型。接着将内层48”(例如，另一合成薄膜)添加到中间层49和外层48’上并且加热和/或成型。接着将这个层压的复合层放置到冲模44中，其中粘合剂(无论是预涂覆在材料上还是在模制之后添加或两者)侧背离冲模40。将另一件材料(无论是成型、扁平还是其他形式)放置到粘合剂上，并且施加热量和/或压力以沿着粘合剂粘合各层。将现在密封的致动器10从冲模44移除，并修剪掉多余的织物以产生现在完成的致动器10。
a.产生运动
致动器通过其几何形状产生运动，几何形状藉由流体致动而改变。基于致动器中选定的几何形状，这些运动可以是弯曲/折叠、扭曲、伸展或收缩、或这些运动的任何组合。运动源于未充气形状与特定“预定”(还被称作“预编程”)平衡状态/形状之间的差异。为了产生运动，预充气形状不处于平衡状态，这是因为预充气形状由于载荷而变形，或者因为它被设计成使得致动器的非充气形状故意不同于其平衡形状。当加压流体被引入致动器时，它开始朝向其平衡形状膨胀，因此产生运动力和有势力。下文列出的产生运动的模式类似于先前在背景技术中提到的专利公开中所使用的那些模式；然而，利用这些概念的手段从根本上不同，因为致动器具有预定几何形状(例如，呈褶、折叠或收拢或剪裁-缝合图案的形式)，该预定几何形状主要藉由几何形状在未充气形状与其平衡状态的预定几何形状之间改变而产生移位，几何形状变化是因为纺织物封皮移位而不是藉由在腔室内部的压力相对增加期间拉伸纺织物封皮。在特定实施例中，致动器是仅使用非弹性材料的ITA(如本文所用的“非弹性”可以包括最小的弹性，例如，在工作压力下的任何方向上小于10％、小于5％或小于1％拉伸)。这种非弹性的优点是更准确且一致地施加力(如上文简要描述，且如图3和图4中展示)，并且更有能力控制输出，如下文在章节b、c和d中描述。
弯曲致动器
弯曲致动器是在预充气状态和平衡状态之间产生的运动的良好实例。可以通过在封皮的一侧上比另一侧指定更长“路径长度”(即，更多纺织物)来产生弯曲致动器10[参见图20(未充气32)和图21(充气34)]。可以通过将封皮分段(图22至图24，其示出未充气状态和充气状态下的段)或通过将封皮图案化或成型为其平衡状态的准确形状来产生此路径长度差；产生弯曲致动器10的其他方法包括但不限于使用纺织物打褶和收拢的封皮。
在预充气状态32下，致动器10可以被收拢/起皱，如在图20中所见。当致动器10充气时，致动器10的所有部分都将膨胀、延伸等，从而受引导并去除褶皱。致动器10的具有较短路径长度的部分将变得更快受引导，并且随着更长的路径长度继续膨胀，致动器10将开始弯曲、折叠等。如果此长/短差被设计为在致动器10的相反侧(例如，顶部和底部)上，那么它将产生弯曲运动。平衡状态34是长路径长度和短路径长度都处于相等压力/张力下的情况，在这种情况下，致动器10“弯曲”(参见图25，其中致动器10被示出为未充气32和充气34)。弯曲量可以沿着致动器10变化，这取决于在给定截面区域处在致动器10的相反侧(例如，顶部与底部)上的封皮的路径长度的比率。改变这些比率会影响弯曲的半径，并且可以被控制以适合于给定的应用。例如，腕部的弯曲将涉及与膝盖处的弯曲不同的半径。为了使致动器10的致动循环，可以使封皮中的压力在封皮的起皱压力之上(以致动)和之下(以去致动)波动。
折叠
此半径甚至可以磨削到单个点，以便产生折叠致动器。这些致动器的旋转中心位于致动器自身上(参见图26，其中致动器10被示出为未充气32和充气34)。
扭曲致动器
扭曲是依赖于致动器的任一侧上的封皮的路径长度差的类似概念。可以容易利用分段方法实现扭曲运动，其中段的主体彼此成角度设置。当致动器10的段充气时，最宽部分的偏移产生螺旋弯曲形状(参见图27)。
伸展致动器
伸展运动对于以大量力推动载荷特别有效。例如，为了伸展膝盖，可以在膝盖后面放置圆柱形致动器。在步态周期期间，膝盖屈伸(弯曲)，从而迫使致动器进入起皱的不平衡状态。当致动器10被致动时，它想要朝着其作为圆柱体的平衡状态移动，并且随它一起推动小腿(参见图28)。伸展致动器可以依赖于载荷以使它们变形为预充气形状，或者可以并入有一些其他机制(诸如，弹性)，以确保它们在膨胀之前返回变形的形状。
展开驱动器
伸展致动器的一种特别有用的形式是展开致动器，诸如在我们的辅助肩部装置中使用的ABA。这些致动器被设计为在受载荷变形时横向对折。当充气时，展开致动器10将在其折叠线上旋转并将载荷与地面分开(参见图29，其中充气从左侧的未充气32进行到右侧的完全充气34)。
缩短致动器
还可以通过形成其中充气的平衡状态比其张紧(完全伸长)的未充气形状更短的几何形状来产生缩短致动器。当张紧的未充气致动器被加压时，它试图膨胀并返回到其压力均匀分布的平衡状态，因此将径向膨胀转换为轴向收缩。与现有的可伸展缩短致动器不同，封皮具有预定几何形状的致动器可以被设计成具有最大化预充气形状与充气形状之间的增量的几何形状。例如，具有圆形截面的平衡形状的致动器的实施例只能实现其直径的57％的增量。然而，椭圆形截面的致动器10的实施例(其长轴垂直于载荷的轴线)可以合理地实现其直径的260％的增量(参见图30)。
b.半约束运动
刚性、坚硬或柔性包裹体36可以集成到致动器中(参见图31)，以限制特定区域中的运动并促进其他区域中的运动，从而允许在原本致动不足的系统中进行关键约束。这种设计既有受约束又致动不足的系统的益处。通过使用选定的坚硬包裹体(在致动时基本上抵抗变形)，致动器10可以抵抗剪切力、对运动进行定序、控制致动路径、确保对准、和/或确保或防止峰值接触力，同时仍对用户保持顺应性和透明性(非限制性)。
这些包裹体36可以通过多种方法附接到软机器人和/或其致动器，包括但不限于缝合、钩环附接、系带、胶合、热粘合或装配到预制袋中。在一个特定实施例中，可以将坚硬包裹体36施加到弯曲或伸展致动器10，使得包裹体36之间的间隙产生垂直于期望的旋转平面的铰链；此铰链确保在整个充气周期中的对准，特别是在致动器10折叠在其自身顶部上的周期开始时(参见图32)。在另一实施例中，坚硬包裹体36可以并入到以张力和剪切力两者拉动以便防止由剪切力引起的预期起皱的织物中，诸如在将外展致动器(ABA)18附接到人类接口的软十字韧带54中。在第三实施例中，坚硬包裹体36可以并入在多腔室伸展致动器10的腔室之间，以便规定特定路径并确保腔室致动的特定顺序，诸如在推动和旋转ABA18的HEFA 20中。在此，坚硬包裹体36还确保力在HEFA 20与ABA 18之间有效传递(参见图33至图35)，因为坚硬包裹体36通过产生连杆来规定运动路径，如图35所示。
c.平衡状态和运动范围
致动器的几何形状可以被设计或“编程”为特定平衡形状，使得尽管致动器中的压力增大，但仍可以任意地限制致动器的运动范围。在出于安全考虑而需要机械限制或在致动不足的系统中需要特定最终状态的应用中，此功能性特别有用。
可以在肩部辅助装置的外展致动器(ABA)中找到安全性平衡状态的实例。此致动器18的初始原型具有300度旋转的工作范围；由于此工作范围远大于人类手臂可以外展的范围，所以致动器18被设计为仅具有165度的运动范围(参见图36和图37)。此平衡状态是由ABA 18的分段几何形状产生的。封皮沿致动器18的任一侧的路径长度使得ABA 18在充气时以165度搁置。当致动器18的角度接近平衡角度时，净外力减小。一旦达到平衡角度，所有内力便会平衡，从而导致净零输出力。
类似应用可以用于受控的最终状态，例如，在膝盖需要弯曲7度的工业应用中，代替依赖于限制带或确保角度的其他手段，致动器18可以被设计为具有处于7度的平衡点。
d.针对比压/硬度关系的几何设计
从控制和致动的角度来看，通常期望调节输入与输出之间的关系。然而，在软流体致动器中，由于起皱的影响，在整个充气过程中压力输入与力输出之间的关系可能会急剧变化。起皱导致充气的主体的硬度和施加力的能力急剧降低。当纺织物中的局部应力随着纺织物在压缩应力下屈曲而变得压缩时，发生起皱。在探索可充气梁和可充气锥中的起皱聚结标准的研究中，已经研究并实验验证了这个现象。不管期望的压力/硬度关系是线性的还是非线性的，有帮助的都是能够指定关系的参数。
线性压力/硬度关系
防止致动器中起皱的一种方法是将分段添加到致动器封皮(例如，藉由通过沿着封皮的长度以周期性间隔的剪裁与缝合图案化形成的结节)。这种分段用以隔离起皱的影响；如果一个段起皱，那么它不会导致整个致动器像非分段体积的情况那样屈曲。当致动器内部的压力继续增大时，在妥协的段中满足起皱压力，并且它返回到其未起皱状态。通过更改段的数量、大小或形状，我们可以因此更改压力与起皱之间的关系，并且因此更改硬度。实验上，分段在固定载荷下实现输入压力与输出角度θ之间的线性关系(R2＝0.98)。如前所述，分段也可用以增大路径长度并产生运动的可能性(例如，弯曲和折叠致动器)[参见图38(分段致动器18)和图39(非分段致动器18)，其中图像显示致动器18，其中左侧为0％压力、中心为50％压力、右侧为100％压力、接着是致动器角度随压力而变的曲线图]。
在一个实施例中，提供分段以使肩部辅助装置的ABA 18中的硬度线性化。此致动器18用于将手臂外展到0至90的任何期望程度。此致动器18中的起皱将导致“软塌的”致动器，直到压力水平克服起皱为止，此时致动器18将变得非常坚硬。通过减少起皱的影响，我们可以消除硬度的突然飙升，并且由此在所有压力和0至90°的所有角度下更精确地控制手臂。
非线性轮廓的潜力
有时在硬度与起皱之间产生特定的非线性关系也很有用。这个实用实例是在步态周期期间用低压系统致动脚踝，如图40所示。脚踝需要大量力来致动；因此，低压致动系统需要大体积致动器。在正常步态周期是相对高频率(每秒1.7步)且致动周期仅是步幅的一小部分的情况下，致动器10将需要相对快速地循环。通过设计具有特定“起皱压力”的致动器10，可以维持致动器中的该压力，从而利用减小的硬度在步态的摇摆和站立阶段中维持顺应性致动器10。接着在脚趾离地期间，当需要致动和硬度时，在超过起皱压力时压力的小幅增大将触发致动器10的硬度跳跃(参见图40)。
致动器控制模式
以下致动器控制模式可以由控制器实施：
·连续被动运动模式允许关节的预设轨迹，所述预设轨迹可以重复设定的次数，以便使关节以指定速度在其整个运动范围内移位。我们设想这种模式对于一些患者可能是最有用的。例如，可以从治疗师那里记录运动概况并在此模式下播放。
·功能辅助模式试图通过检测穿戴者意图或某种自愿的运动/活动来预期用户的期望运动，并且接着通过将其放大到治疗师指定的安全水平来提供辅助。中风和患者人群通常会有一些残余移动，但缺乏执行功能上有用的任务所需的力量或持久协调性。在此模式下，系统连续地监测患者关节的位置，并且如果检测到移动超过某个阈值，那么致动器将在所述患者的预编程时间内加压。由于机器人的顺应性质，此模型是可能的。此模式允许适应恢复，因为可以修改最小阈值以鼓励在辅助之前进行其他运动。
用于肩部的软可穿戴机器人
下文提供实施例的附加论述，其中使用软致动器的配置来辅助个人使用肩部肌肉来执行活动。用于肩部的软可穿戴机器人辅助肩部外展(AB)/内展(AD)和肩部水平屈伸(HF)/伸展(HE)(图47)。
为了实现离散式可穿戴机器人，设定了减小致动器的轮廓的目标，从而理想地将致动器重新放置在人类手臂的下侧。此重新定位对于提高用户和团体在日常生活中的接受性很重要。减小机器人轮廓的关键因素是减小致动器的体积，同时仍传递必要的输出力和力矩。减小致动器的轮廓的另一结果是可用力矩臂也减小。给定大小的气动致动器可以产生的总力矩/力是供应压力的函数，我们选择将该供应压力限制到200kPa(29PSI)，因为这是许多小型电动压缩机的压力极限。此压力极限导致在致动器尺寸与期望的输出力矩/力之间进行权衡。为了使手臂外展，将产生约15至20Nm的力矩(使用拟人化数据计算)，以克服手臂的重量和用户承受的最大1kg附加载荷。
在此实施例中，可穿戴机器人包括背心50，两种类型的基于纺织物的致动器18和20附接到该背心(图48)。背心50由也称为聚氯丁二烯(美国Seattle Fabrics公司)的氯丁橡胶制成，并在穿戴者的腋下下方用柔性板58加固，以牢固地锚定软十字连杆(SCL)54和水平伸展/屈伸致动器(HEFA)20。外展致动器(ABA)18经由具有钩环紧固件(例如，维克罗公司(Velcro Companies)的VELCRO紧固件)的带衬垫手臂包绕物52联接到上臂，以允许调整以适应个别用户24。为了防止包绕物52滑动，包绕物52经由带56系到背心50。HEFA 20缝制到ABA 18的边缘和背心50上的柔性板58，而SCL 54用以将ABA 18连接到背心50上的柔性板58。
软十字连杆(SCL)
开发出模仿十字韧带的四杆连杆系统(软十字连杆)54以将ABA 18连接到背心50，如图48和图49中展示(经由线18)。连杆54允许ABA 18绕竖直轴线旋转，同时使水平和竖直移位最小。选择四杆连杆18的不对称安排以允许最大水平屈伸(HF)而同时限制水平伸展(HE)，这在图49的下部中示出。用芳族聚酰胺纤维(杜邦公司的KEVLAR纤维)增强的帆布(美国Dimension公司)用以制造连杆54的这些实施例。下文进一步解释四杆连杆机构。
外展致动器(ABA)
先前提到的ABA 18可以包括由不可伸展纺织物(美国Weathermax公司制成的分段腔室)，该分段腔室附接到包括藉由柔性铰链连接的两个柔性板36(图50)的脊柱件。柔性板36帮助抵抗段60、62之间的失去对准且位于两层纺织物26之间，其中它们之间的分隔缝线用作铰链。由热密封的热塑性聚氨酯(TPU)(美国Fiberglast公司)制成的大尺寸气囊30被插入到纺织物部件中以形成可充气的气密体积。气囊30是大尺寸的，因为其功能仅是保持诸如空气的流体，而织物结构被设计为吸收并分配归因于加压的应力。由于机器人最初旨在针对直立的(即，非平躺的)用户，因此不致动肩部内展(即，重力辅助的运动)。通过以受控方式简单地将ABA 18放气来实现肩部内展。
致动器18的主腔室已被分成五个子腔室60、62，以限制起皱的影响。起皱导致致动器的硬度和支撑载荷的能力急剧下降。当纺织物中的局部应力随着纺织物在压缩应力下屈曲而变得压缩时，发生起皱。在探索可充气梁和可充气锥中的起皱聚结标准的研究中，已经研究并实验验证了这个现象。致动器18的充气在纺织物中产生拉伸应力预载荷，以克服任何存在的压缩应力；并且在图52中展示此效果，其中较大的压力P1(P1>P2)在整个梁上产生足够的拉伸应力(σP1)，以超过来自所施加力矩(σMA)的压缩应力，从而防止起皱形成(σFA>0)。如果一个段68起皱，那么它不会像单个分段致动器那样导致整个致动器18屈曲。通过减小起皱压力(即，避免起皱的最小压力)，合理地假设对于给定的角度，可以实现压力与输出力矩之间的更精确关系。
由致动器18产生的总力矩大约为图50和图51中的三个中间腔室60之间的力矩之和。鉴于它们减小的力矩臂，两个远端腔室62(图50)对力矩产生的贡献最小。致动器18的理论旋转中心(COR)66位于两个柔性板的接头处，而不是与肩关节共置。在刚性框架系统中，将使用棱柱形接头以允许手臂包绕物在旋转期间平移。然而，归因于板36的柔性和纺织物元件的顺应性，致动器可以直接与人体联接而不会过度约束用户。
为了评估并表征外展致动器，开发了一种测试固定装置，其包括用以记录施加的力矩的六轴测力传感器(Gamma 15-50，美国ATI-IA公司)和用以记录驱动角度的1024计数正交编码器(E6B2，美国Sparkfun公司)。用700kPa压力传感器(100PAAA5，美国霍尼韦尔公司(Honeywell))监测压力。使用NI PCIe 6259数据获取(DAQ)系统(美国国家仪器公司(National Instruments))和SIMULINK软件(美国Mathworks公司)以500Hz的频率捕获所有数据。致动角度可以是固定的或自由的以便旋转。通过将致动器锁定在多个离散角度以评估致动器相对于压力的力矩输出来执行静态力矩测试。此外，我们试图通过允许自由旋转并在致动器充气时施加固定载荷来验证分段致动器输出运动相对于压力的线性关系。
图53和图54报告我们对ABA 18的实验评估的结果。在图53中，呈现多个固定角度下的压力与输出力矩之间的关系。存在两个不同的区域，第一个区域是变化较大的区域，如由标准偏差(SD)的增大指示，我们将标准偏差变化归因于起皱的腔室之间的改变的接触区域，接着是线性区域，其中我们假设不会由于内部压力增大且接触区域保持相对恒定而发生起皱。改变的接触区域是由于含有某些纺织物的褶皱的褶层，该褶皱然后不再是接触区域的部分，因为它在褶层内。在图53中，也明显的是，所产生力矩随角度θ增大而减小。这是预期行为，因为对于较小的θ值，致动器18的子腔室之间存在附加接触区域，从而增大力矩产生和力矩臂的有效区域，其中导致所施加的力矩增大(在图51中展示的接触区域64处)。随着每个段趋于准球形平衡状态，用于力矩产生的区域继续随着致动器角度θ增大而减小。在图54中，在固定载荷下，输入压力与输出角度θ之间的线性关系(R2＝0.98)显而易见。压力与外展角度之间的此线性关系是理想的，因为它极大地简化了致动器18的开环控制。
水平伸展/屈伸致动器(HEFA)
为了致动肩部的第二自由度(DoF)(即，水平伸展/屈伸运动)，我们开发了水平伸展/屈伸致动器(HEFA)20(参见图33和图34)。为了使外展运动与水平伸展/屈伸分离，我们设计了HEFA 20以将旋转运动应用于ABA 18(图55)。为了实现伸展和屈伸两者，使用一对对抗的致动器20，因为不能像在内展的情况下那样利用重力。
每个HEFA 20包括与共同空气供应源相连的两个楔形腔室，所述楔形腔室在与SCL54组合时形成在HEFA 20充气时将压缩力传递给ABA 18的四杆连杆，如图56中表示。与ABA18一样，HEFA 20由带有内部气密TPU气囊30的不可伸展纺织物封皮26构成。HEFA 20与ABA18之间的接口点(图56中的点B)的轨迹是ABA 18的边缘在它围绕其相对边缘旋转时所跟踪的弧。当未充气时，HEFA 20折叠放平，其中α和
Figure GDA0003603797380000261
等于0度。通过改变柔性板的长度、其宽度w和弧a(图56)，可以实现不同行程和力分布。顶部柔性板从顶部腔室的充气产生力矩，同时还从底部腔室产生的力矩传递力。在底部腔室下方不需要柔性板，因为底部腔室安装到背心的柔性板。我们观察到，在任何压力下角度α始终小于角度
Figure GDA0003603797380000276
并且我们推测此效果归因于顶部柔性板相对于底板的较大变形。
以下等式描述由致动器的单个腔室产生的力；如从图56中描绘的自由体图推导：
Figure GDA0003603797380000271
Figure GDA0003603797380000272
Figure GDA0003603797380000273
F2随着α接近α平衡而减小。α平衡是加压的顶部腔室可实现的最大α角度，并且它是基于纺织物的弧长a和致动器的半径r来计算的。一旦达到α平衡，施加到柔性板的压力就通过纺织物中的应力而平衡，从而将F2减小到0。此效果由根据经验确定的函数k捕获，该函数描述与平衡状态的接近度：
k(i)≈(1-e-3(i-1))， (4)
其中：
Figure GDA0003603797380000274
HEFA 20向ABA 18传递的在点B处沿x和y方向的总力是两个贡献的总和：
FBX＝Fx1+Fx2； (6)
Figure GDA0003603797380000275
FBY＝Fy2。 (8)
为了实验地评估HEFA 20的性能，开发了测试固定装置(图57)以测量多个离散角度下的力输出。使用微型6轴测力传感器76(Nano17，美国ATI-IA公司)来测量所施加的力。用700kPa压力传感器(100PAAA5，美国霍尼韦尔公司(Honeywell))监测压力，并且通过NIPCIe 6259DAQ(美国国家仪器公司(National Instruments))以500Hz的频率捕获所有数据并在SIMULINK软件(美国Mathworks公司)中进行处理。
估计的力的量值与所记录的实验数据很好地相关，如在图58和图59中可观察到。x方向上的力具有0.94的平均R2值，而y方向上的力具有0.71的平均R2值。
关于可穿戴肩部致动机器人例示的结论
此处描述的原型包括三个单独致动器：用于肩部外展的一个致动器18，以及用于水平屈伸和伸展的双向控制的两个致动器20。在此实施例中，总穿戴部件重0.48千克、水平折叠并且在无动力时不会限制用户的运动。初步结果显示目标肌肉的肌肉力量大大减少，从而证明用于肩部的此软可穿戴机器人的可行性和前景。
这些结果为使用这些软可穿戴机器人铺平了道路，以在成本、便携性、易维护性和减小的形状因数都至关重要的情况下促进自主性，诸如家庭和团体使用。制造本文所述的可穿戴机器人所采用的技术是高度可扩展的以便服装行业进行大批量生产。
可以通过使用不可伸展纺织物部件和防滑材料来改善致动器对穿戴者的锚定。集成软传感器以测量各种部件之间的角度可以为控制提供有价值的信息。对于此原型，压力由外界压缩机提供；但是带有集成控制和电力电子装置的便携式系统可以提供完全移动的解决方案。
示例性圆柱形致动器的致动器功能
当图60的致动器折成两部分并充气时，它可以认为是具有变化的截面面积(CSA)和力矩臂的波纹管。此面积与力矩臂的乘积形成第一面积力矩(FMOA)81。接着可以将致动器的扭矩输出计算为FMOA 81与致动器的内部压力的乘积。CSA被估计为与将弯曲的变形致动器等分的平面相交的变形致动器的面积(如在图60的图像vi中所见，其中示出致动器94与段82、腹部84和脊柱件86的相交平面88处的偏转角度
Figure GDA0003603797380000291
)。此区域包括致动器94的腹部84与其自身的接触。
此波纹管的两侧是可充气梁，其辅助力传递和力分布。随着致动器继续充气和展开，致动器的腹部84之间的自接触减少，从而导致FMOA 81减小，而可充气梁的有效长度增大。对于圆柱形梁的情况，随着致动器94展开，FMOA 81单调减小。当致动器达到其平衡形状时(如在图60的图像iii中所见)，由致动器产生的净力矩变为零。
在图60的图像iii中示出的致动器经图案化以达到大约90°的平衡。图案角度可以控制致动器的ROM，从而防止关节过度致动。当致动器接近其图案化平衡角度时，纺织物中的应力开始产生反力矩以反作用于FMOA力矩，从而减小致动器的力矩输出。在致动器的图案角度下，致动器的FMOA产生的力矩与纺织物中的应力引起的反力矩平衡，从而导致绕旋转中心的零净扭矩输出。
图61展示在136kPa(20psi)的压力下的一系列半径相等但图案角度不同(即，90°、120°、150°和180°，每个都用度标记)的圆柱形致动器的扭矩曲线。在小角度下，当致动器更加折叠时，由于增加的FMOA 81，由致动器产生的扭矩典型地更大。由于致动器的相等半径，致动器的扭矩响应在致动器之间是一致的。对于此特定测试，当致动角接近图案角度的～80％时，随着平衡反力矩变得显著，扭矩响应开始下降。
超出致动器的所需ROM的过多图案化导致致动器中存在附加材料。对于致动器ROM的较大部分来说，这种材料保持无应力，并且由于纺织物固有的弯曲硬度不足，可以在无应力时自由地移动。这种自由运动增加了对致动器的相交区域的顺应性，从而允许致动器在较低角度下更容易变得失去对准，并因此减小致动器的扭矩输出。
图60的图像iv中的致动器具有90°的基本图案角度，但也划分为五个段82。一旦致动器达到由图案角度限定的标称平衡角度，段的端部就开始变圆并推动开来，从而增加致动器的ROM。等分的致动器的FMOA 81保持恒定(参见图60的图像iv)，而圆形段端部83(图60的图像v)之间的接触区域的改变率不如平衡效应的改变率陡，这导致扭矩更逐渐减小，从而导致更加线性的扭矩到角度响应。由段产生的三维(3D)结构限制纺织物在相交区域中的自由运动，从而限制由附加材料引入的附加顺应性。
图62展示分段对ROM的影响以及在恒定压力下对扭矩-角度关系的线性度的影响。未分段的150°致动器92用作用于比较的基线。当分解成具有150°基本图案的五段致动器94时，致动器的ROM增大～60°至～210°。当将分段致动器94与具有相等图案角度(210°)的未分段致动器92进行比较时，与归因于未分段版本92中的平衡的相对突然的扭矩下降相比，分段致动器94具有更加线性的扭矩-角度关系。还绘制了分段的基本角度96。
高硬度纺织物用以约束致动器的最终充气几何形状。与弹性致动器不同，使用高硬度纺织物会减少致动器的弹性变形，从而导致致动器几何形状随着内部压力变化而保持相对恒定。
坚硬纺织物可以被定义为在450牛顿的单轴拉伸载荷下沿着任一其纱线族定向拉伸少于或等于25％的纺织物，其中样本宽度为70mm并且长度为110mm。测试应以恒定伸展速率进行。用足够宽的波浪形夹具夹紧样品，以与测试样品的整个宽度接合达到各自35mm的深度。拉伸被定义为相对于被测样品的原始标距长度40mm的标距长度的改变。纺织物的纱线族定向可以包括但不限于纺织物的经纱、纬纱、经圈或纬圈的方向。
对于图63的曲线图中表征的纺织物，纺织物(编织)的纱线族定向是经纱和纬纱方向，这些方向对应于此曲线中的0°和90°(用以度数表示的角度绘制)。在不是优选方向的45°下，纺织物的硬度显著地低于任一纱线族定向上的硬度。
各纱线族方向上的刚度不需要相等，就像在一个纱线族定向上与另一个纱线族定向相比可能显著更坚硬的双向拉伸织物的情况一样。最终样品大小为70mm×(35+40+35)mm。
医疗手臂辅助装置
本文中，我们描述了一种被设计成帮助遭受手臂(包括肩部、肘部、腕部和手)无力或瘫痪的用户的装置，该装置也可以用作康复锻炼中的工具。在一些实施例中，该装置可以包括用于一个关节的一个致动器、用于一个关节的多个致动器、或用于多个关节的多个致动器。用户可能患有中风或脊髓损伤，或者可能患有肌肉营养不良、ALS或其他神经或骨科疾病。移动手臂是执行原本可能困难或不可能的日常生活活动(ADL)的关键要素。执行ADL的能力与健康和预期寿命相关，并且示出为极大改善残障人群的生活质量。
装置需要特别考虑的因素包括：(a)穿戴者的舒适度；(b)谨慎穿戴的能力；(c)不使用时无妨碍；以及(d)在护理人员的帮助下易于穿脱。本文所述的致动器被集成到装置中以辅助肩部移动，其中由致动器产生的特定运动随它们的定位、定向和集成致动器在装置上的附接而变。
致动：
外展致动器(ABA)18附接到身体的外侧、在手臂98下方、在额状面处或刚好在前方，并且跨过腋下伸展以附接到手臂98的内侧，如图64所示。ABA的自然移动是通过外展、屈伸或其某种组合来抵抗重力以抬起手臂，如在图65中所见。致动器18通过软铰链99(例如，单个接缝)附接到躯干，从而允许绕纵向轴线旋转。ABA 18通过在加压以抬起手臂98时产生扭矩来产生运动。ABA 18被设计为具有充气形状，该充气形状被图案化用于比期望角度(例如，90度)高的角度(例如，135度)，以考虑到用户接口和致动器材料的顺应性。将致动器18图案化成角度允许致动器18更贴近腋下(图64)，从而减小装置的视觉轮廓。
手臂98的内部和外部旋转也可以由ABA 18控制。通过使ABA 18在上臂上的附接偏置，可以被动地实现旋转控制。如果附接朝向手臂98的前部偏置，如图66的图像A所示，那么在外展期间引起外部旋转；并且，如果偏置是朝向手臂98的后部，如图66的图像C所示，那么引起内部旋转。旋转也可以通过分叉的ABA 18的差别充气来主动控制，其中致动器18的一个臂位于前部而另一臂位于后部。
下部伸展致动器(LEA)100和下部屈伸致动器(LFA)102决定ABA围绕其铰接缝的旋转程度，如图67所示。这些致动器是一对对抗的致动器，它们位于ABA 18的任一侧上并且共同充气以定位ABA 18，从而确定ABA在额状面与矢状面之间的旋转程度。因此，LEA 100位于ABA 18的前侧上，而LFA 102位于后部。LEA 100和LFA 102通过在躯干与充气的ABA 18之间膨胀从而推动ABA 18(以及因此用户的手臂98)围绕ABA的铰链旋转来产生运动。
一旦手臂98部分地或完全地外展，水平屈伸致动器(HFA)20就将手臂向前推动成水平屈伸，如图68所示。HFA 20从用户的背部(肩胛上方)跨越肩部伸展并且伸展到手臂98的后侧上；在手臂98外展时平行于横向平面。HFA 20被图案化成在充气时弯曲并伸展，由此向前推动手臂98(伸展)并随着手臂98屈伸(弯曲)而适应肩部的曲线。为了使由低拉伸纺织物制成的致动器具有显著的伸展特性，在将致动器缝制到可拉伸纺织物基本层上时将其收拢。
具有单一自由度的肘部需要可以共同充气以便控制肘部屈伸的角度的一对对抗的致动器104与106(图69)；肘部伸展致动器(EEA)104和肘部屈伸致动器(EFA)106。EEA 104由在手臂98的前侧上跨越肘关节定位的伸展致动器组成。EFA 106由在手臂98后侧上跨越肘关节定位的弯曲或弯曲/伸展致动器组成。
腕部周围的致动器使用两个对抗对(图69)来产生运动：一对用于屈伸110和伸展108，而另一对用于桡侧/尺侧偏斜。所有此类致动器通过弯曲或弯曲/伸展运动向手施加力。伸展和屈伸致动器108和110分别在前侧和后侧上跨越腕关节定位。桡侧/尺侧偏斜致动器分别安装在内侧和外侧上。
锚定：
这些致动器向手臂施加力，力必须反作用于身体，由此需要锚定系统。
肩部的锚定原理如下：围绕肩部定位的两个稳定套带(用作背心50)提供主要锚定点。肩部是理想锚定点，因为它们可以承受载荷，并且圆周不会显著改变。交叉的背带116和前胸骨带118连接两个肩套带，如图70所示，该图示出了由不可伸展机织物112和相对可拉伸的织物14形成的套带。这些带116和118有助于进一步稳定套带并且将力分布在它们两者上。
如图71所示，支撑手臂98的重量的ABA 18的位置产生需要作出反应的两个主要力：竖直力和水平力。竖直力通过将致动器18缝制到用直接缝制到肩套带的半刚性塑料增强的不可伸展织物贴片来作出反应。因此，竖直力分布到此肩套带并且通过不同的带分布到其他套带。水平力通过半刚性贴片的基础处的水平带130作出反应。上臂上的外展力主要通过臂袖(包绕物)52作出反应，如图72所示。附接到相对无特征的上臂的臂袖52依赖于直径可调节的袖52内部的防滑材料120。在外展期间，此袖52确保ABA 18相对于手臂98保持稳定，并且手臂的重量仍在致动器18的顶部上。在ABA 18还用以控制旋转的情况下，袖52还用以将来自ABA 18的向上外展力也转换成旋转力。
如图68所示，由HFA 20产生的力通过肩套带和臂袖作出反应。在这种情况下，袖将由HFA 20产生的轴向伸展力转换成手臂98的上部上的剪切力。
LFA 102和LEA 100直接附接到相同半刚性板，ABA 18也附接到该半刚性板上。力反作用于板，该板靠着躯干搁置，如图67所示。
使用附接在肘部上方和下方的两个可调整且防滑的袖52，肘部致动器104和106以类似于上臂袖52的方式锚定到身体。这些袖52将旋转扭矩转换成上臂部段和下臂部段上的剪切力，如图69所示。
腕部致动器108和110同样依赖于缠绕在下臂部段的悬垂端周围的袖52和缠绕在手周围的手套或袖52，如图69所示。
分布式致动
刚性和软可穿戴机器人两者都典型地使用单个致动器或一对对抗致动器来控制关节中的单个自由度。这种谨慎致动方案可能具有局限性，因为它与实际人类移动没有密切相关，人类移动使用连续变化的肌肉组合来产生流体和受控移动。此外，在软装置中，谨慎系统的对准对其性能变得至关重要，并且在使用过程中始终存在穿戴不当或“漂移”的风险。如图73所示，具有致动器124的分布式阵列的服装128不依赖于任何一个致动器的准确放置或对准，因此适应装置在身体上的任何不对准并且允许对手臂运动进行平滑且可变的控制。下文描述一种分布式致动装置，其用以通过对致动器选择性地加压来控制肩关节、肘关节和腕关节中的运动。
分布式致动装置对于具有大运动范围和多个自由度的肩关节和腕关节特别有用。用于肩部的装置可以由多个致动器组成，该多个致动器产生各种类型的运动并根据它们的相对定位而在关节周围施加各种力。
例如，横向地位于手臂下方的躯干上的致动器124的阵列可以被图案化以在被加压时展开并抬起手臂。可以将在手臂的前面和后面的致动器124的阵列设计成使得它们可以取决于输入压力而膨胀或收缩，并且手臂的顶部上的致动器124的阵列可以产生附加抬起力。这些力进而通过类似于在医学和工业应用说明中描述的套带系统作出反应，其中由可拉伸织物制成的衬衫状服装128被集成到由较硬纺织物构成的套带系统中，该较硬纺织物跨越背部牢固地附接在穿戴者的肩部、胸骨和肋骨周围。此锚定系统122将力从致动器124传递到手臂和躯干以产生手臂的移动。
此装置可以配备有各种分布式传感器126，包括但不限于用于内部致动器压力和用户与服装之间接触压力的压力传感器、用以确定致动器和穿戴者的几何改变的应变传感器、或者用以确定关节部段角度的IMU。这些传感器126可以提供可以用于跟踪装置使用情况或辅助装置控制的数据。此类感测系统还可以用以向控制算法警告系统漂移和对准问题，并且自动纠正这些问题。
工业肩部辅助
工业防护服可以减轻执行持续性头顶上方任务的工人的肩部疲劳。此类任务在工业装配线上很常见且周期性地连续重复数小时，从而增加工人疲劳时受伤的风险。某些制造商的人体工程学规则认为，将手臂保持超过60°屈伸甚至超过90°是危险因素。人体工程学规则还将肩部屈伸限于10秒的持续时间。在制造环境中经常打破关于屈伸角度和持续时间的这些人体工程学规则以提高效率，从而使工人面临增加的疲劳和受伤风险。
工业防护服可以满足以下标准：全天穿戴舒适、无动力时允许自由运动、有动力时允许足够执行任务的运动范围、包括完全软远端部件、包括紧凑近端动力源、在整个班次中需要最少管理、快速穿脱。
工业肩部装置由如图74所示的具有半主动辅助方案的推动架构和可充气致动器18组成。
半主动辅助意味着装置不会主动帮助手臂进入抬高位置，而是仅在手臂抬起后才支撑手臂。由于在制造和其他应用中经常需要长时段的不间断肩部屈伸，因此这样的辅助可以非常有用，即使在用户抬起他或她的手臂与装置支撑手臂之间存在滞后也是如此。
致动器可以藉由铰链接缝附接，如图64和图65所示，且如图70和图71所示那样锚定。图75示出集成于服装上的肩套带的锚定系统，并且该锚定系统包括用于对致动器的水平力作出反应的水平带130。
此装置的致动器能够在制造任务所需的整个运动范围内(例如60度与150度之间)支撑手臂。如上描述，装置和致动器可以配备有各种传感器，包括但不限于用于内部致动器压力和用户与服装之间接触压力的压力传感器、用以确定致动器和穿戴者的几何改变的应变传感器、或者用以确定关节部段角度的IMU。这些传感器可以提供可以用于跟踪装置使用情况或辅助装置控制的数据。当控制系统从任何数量的传感器检测到指示用户的一个或多个手臂已抬起的传感器信号时，系统可以自动作出反应以使致动器充气并支持头顶上方工作。系统还可以检测到用户想要降低其一个或多个手臂的任何传感器信号并且足够迅速地放气使得用户的自然运动最小程度地受阻碍。
在以下带编号的条款中列出与本教导相一致的其他实例：
1.一种纺织物致动器，包括：
纺织物封皮，所述纺织物封皮限定藉由以下各项中的至少一项而不透流体的腔室：
(a)不透流体气囊，其容纳在所述纺织物封皮中；以及
(b)不透流体结构，其并入到所述纺织物封皮中，
其中，所述纺织物封皮在其平衡状态下具有预定几何形状，所述预定几何形状被配置为主要藉由几何形状在未充气形状与充气之后的其平衡状态的所述预定几何形状之间改变来产生移位，所述几何形状改变归因于所述纺织物封皮的移位而不是藉由在所述腔室内部的压力相对增加期间拉伸所述纺织物封皮。
2.如条款1所述的纺织物致动器，其中，所述纺织物封皮是基本上不可伸展的。
3.如条款2所述的纺织物致动器，其中，所述基本上不可伸展的纺织物封皮是全封闭的闭合体积，除了用于流体进入所述腔室和从所述腔室移除的输入和输出之外。
4.如条款2所述的纺织物致动器，其中，所述纺织物封皮包括多个纱线族，并且其中基本上不可伸展意味着按照70mm的样本宽度和40mm的标距长度，所述纺织物封皮在450牛顿的单轴拉伸载荷下沿着任何纱线族定向拉伸少于25％。
5.如条款2所述的纺织物致动器，其中，基本上不可伸展意味着所述纺织物具有至少180MPa的杨氏模量。
6.如条款1至5中任一项所述的纺织物致动器，其中，所述纺织物封皮包括多个纱线族，并且其中当将所述流体泵入所述腔室时，所述纺织物封皮在主纤维方向上(即，在平行于形成纱线族的纤维的最长尺寸的方向上)拉伸不超过10％，并且在附加实施例中，按照70mm的样本宽度和110mm的长度，在450牛顿的单轴拉伸载荷下沿着所述主纤维方向拉伸不超过5％或甚至不超过1％。
7.如条款1至6中任一项所述的纺织物致动器，其中，所述纺织物封皮具有分段结构。
8.如条款7所述的纺织物致动器，其中，所述分段结构包括处于流体连接的多个腔室。
9.如条款8所述的纺织物致动器，其中，所述分段结构沿着所述纺织物封皮隔离段边界的褶皱聚结。
10.如条款9所述的纺织物致动器，其中，所述多个腔室中的至少两者被配置为以不同速率充气。
11.如条款10所述的纺织物致动器，其中，具有更多路径延长特征的腔室在具有更少路径延长特征的腔室之前充气或部分地充气。
12.如条款1至11中任一项所述的纺织物致动器，其中，所述纺织物封皮与所述不透流体气囊分立。
13.如条款1至11中任一项所述的纺织物致动器，其中，所述纺织物封皮是不透流体的。
14.如条款1至13中任一项所述的纺织物致动器，其中，所述纺织物封皮的所述预定几何形状包括多个路径延长纺织物特征，其中所述纺织物致动器被配置为藉由所述纺织物封皮的所述路径延长纺织物特征在藉由所述腔室中的所述压力相对增加而被致动时伸展来提供大部分的所述移位。
15.如条款14所述的纺织物致动器，其中，所述路径延长纺织物特征呈图案化几何形状的形式。
16.如条款15所述的纺织物致动器，其中，所述图案化几何形状包括选自密褶、缩褶、褶层和缝褶的至少一个特征。
17.如条款1至16中任一项所述的纺织物致动器，进一步包括传感器，其被配置为感测应变、移位、力和压力中的至少一者，其中，所述传感器安装至以下项或与之集成：所述致动器或被定位成通过所述纺织物致动器移位的物体。
18.如条款1至17中任一项所述的纺织物致动器，其中，所述纺织物封皮的所述几何形状预定产生的所述移位包括弯曲、旋转、伸直、折叠、展开、伸展或收缩。
19.如条款18所述的纺织物致动器，其中，所述移位包括弯曲或展开，并且其中所述弯曲是藉由所述纺织物封皮中的不对称而预编程的。
20.如条款18所述的纺织物致动器，其中，所述移位包括旋转，并且其中所述旋转是藉由所述纺织物封皮中的不对称而预编程的。
21.如条款1至20中任一项所述的纺织物致动器，其中，所述几何形状被设计为在移位范围的大部分内产生所述腔室中的压力与所述致动器的硬度之间的基本上线性关系。
22.如条款1至20中任一项所述的纺织物致动器，其中，所述几何形状被设计为在所述移位范围的大部分内产生所述腔室中的压力与所述致动器的硬度之间的非线性关系。
23.如条款12所述的纺织物致动器，其中，所述几何形状被设计为在所述移位范围的大部分内产生所述致动器的扭矩与所述致动器的所述移位之间的非线性关系。
24.如条款1至23中任一项所述的纺织物致动器，其中，所述纺织物封皮具有沿着所述纺织物封皮隔离起皱的分段结构。
25.如条款1至24中任一项所述的纺织物致动器，进一步包括压缩流体的流体泵或贮存器，其与所述腔室流体连通且被配置为将流体供应到所述腔室。
26.如条款1至25中任一项所述的纺织物致动器，其中，所述纺织物致动器包括至少一个包裹体，所述包裹体比组成所述纺织物封皮的纺织物基本上更硬并且被配置为约束所述纺织物致动器的移位。
27.一种用于有致动器促进地运动的方法，包括：
利用纺织物致动器，所述纺织物致动器由用户穿戴且包括纺织物封皮，所述纺织物封皮限定藉由以下各项中的至少一项而不透流体的腔室：(a)不透流体气囊，其容纳在所述纺织物封皮中；以及(b)不透流体结构，其并入到所述纺织物封皮中，其中，所述纺织物封皮具有预定几何形状；
将流体递送入或递送出所述腔室，以主要通过归因于所述纺织物封皮的移位而不是藉由所述纺织物封皮的拉伸或收缩而引起的从未充气状态转变到所述预定几何形状来使所述纺织物封皮移位；以及
以下至少一项：(a)藉由所述纺织物致动器的所述移位来使所述用户的身体部段移位，以及(b)利用处于完全加压的变硬状态的所述纺织物封皮来支撑所述用户的所述身体部段并将其保持在适当的位置。
28.如条款27所述的方法，其中，在所述用户已将所述身体部段移动到需要支撑的期望位置后，将所述流体递送到所述致动器。
29.如条款27或28所述的方法，其中，所述身体部段是人类肢体或所述用户的肢体的组成部分。
30.如条款29所述的方法，其中，所述用户沿着所述用户的肢体的关节穿戴所述纺织物致动器。
31.如条款30所述的方法，其中，通过致动所述致动器以达到其平衡状态来使所述肢体以特定非180°角度移位，所述方法进一步包括使用机械止挡件来阻止所述肢体进一步移位超出在所述平衡状态下达到的所述角度。
32.如条款30所述的方法，其中，所述用户在腋下穿戴多个所述纺织物致动器以致动手臂的移动，其中所述多个纺织物致动器包括：
外展致动器，其在一侧上沿着用户躯干的侧面安装，并且在另一侧上沿着穿戴者手臂的上部安装；
前部水平伸展/屈伸致动器，其在一侧上沿着所述用户的躯干安装在所述外展致动器的前方，并且在另一侧上安装到所述外展致动器；以及
后部水平伸展/屈伸致动器，其在一侧上沿着所述用户的躯干安装在所述外展致动器的后方，并且在另一侧上安装到所述外展致动器、与所述前部水平伸展/屈伸致动器呈对抗配置，
其中所述流体被递送入所述外展致动器中以使所述手臂向上旋转，并且
其中所述流体被递送入或递送出所述前部和后部水平伸展/屈伸致动器，以使所述手臂向前或向后水平地旋转。
33.如条款32所述的方法，其中，所述致动器安装到由所述用户穿戴的背心。
34.如条款33所述的方法，其中，所述外展致动器藉由围绕所述用户手臂的所述上部的包绕物沿着所述用户手臂的所述上部安装。
35.如条款33或34所述的方法，其中，连杆安装到所述背心和所述外展致动器，以约束所述外展致动器的移位。
36.如条款32至35中任一项所述的方法，其中，所述外展致动器的所述腔室是分段的，并且其中所述外展致动器包括脊柱件，所述脊柱件包括有助于抵抗所述腔室段的失去对准的至少两个板以及含有所述板并在所述板之间伸展以用作铰链的纺织物。
37.如条款32至37中任一项所述的方法，其中，所述水平伸展/屈伸致动器各自包括：
两个楔形腔室，其与流体供应串联流体连通；以及
多个板，其定位在所述两个楔形腔室之间和周围，
其中所述楔形腔室、所述板以及安装到所述外展致动器的连杆形成在所述水平伸展/屈伸致动器充气时将压缩力传递到所述外展致动器的4杆连杆。
38.如条款27至37中任一项所述的方法，其中，所述纺织物封皮在加压后提供机械止挡件的移位下具有平衡状态，其中所述机械止挡件防止所述纺织物致动器过度移位到使所述关节过度伸展的程度。
39.如条款27至38中任一项所述的方法，进一步包括使用多个所述纺织物致动器，其中，不同的纺织物致动器产生所述肢体的不同移位。
40.如条款27至39中任一项所述的方法，进一步包括使流体压力在压力范围内波动，所述压力范围在所述织物封皮的起皱压力上下伸展，以便利用特定硬度特性而致动和去致动所述纺织物致动器。
41.如条款27至40中任一项所述的方法，其中，所述纺织物致动器是如条款1至26中任一项所述的纺织物致动器。
42.如条款27至41中任一项所述的方法，进一步包括使用传感器来感测所述纺织物致动器或所述用户，并且使用所述传感器的读数来控制所述纺织物致动器的加压。
43.如条款27至42中任一项所述的方法，其中，基本上不可伸展意味着按照70mm的样本宽度和110mm的长度，所述纺织物封皮在450牛顿的单轴拉伸载荷下沿着纱线族定向都拉伸少于25％。
44.如条款27至43中任一项所述的方法，其中，基本上不可伸展意味着所述纺织物具有至少180MPa的杨氏模量。
45.如条款27至44中任一项所述的方法，其中，当将所述流体泵入所述腔室时，所述纺织物封皮在主纤维方向上(即，在平行于形成纱线族的纤维的最长尺寸的方向上)拉伸不超过10％，并且在附加实施例中，拉伸不超过5％或甚至不超过1％。
46.如条款27至45中任一项所述的方法，其中，所述预定几何形状在移位范围的大部分内呈现所述腔室中的压力与所述致动器的硬度程度之间的基本上线性关系。
47.如条款27至46中任一项所述的方法，其中，所述几何形状被设计为在所述移位范围的大部分内产生所述致动器的扭矩与所述致动器的所述移位之间的非线性关系。
48.如条款27至47中任一项所述的方法，其中，所述致动器藉由弯曲、旋转、伸直、折叠、展开、伸展或收缩使所述身体部段移位。
49.如条款27至48中任一项所述的方法，其中，所述纺织物致动器在所述纺织物致动器的相反侧上具有不同的路径长度，以对所述移位进行编程。
50.如条款27至49中任一项所述的方法，其中，所述预定几何形状包括选自用作所述机械止挡件的密褶、缩褶、褶层和缝褶的至少一个特征。
51.如条款27至50中任一项所述的方法，进一步包括使用多个所述纺织物致动器，其中，不同的纺织物致动器产生所述肢体的不同移位。
52.如条款27至51中任一项所述的方法，进一步包括使流体压力在压力范围内波动，所述压力范围在所述织物封皮的起皱压力上下伸展，以便利用特定硬度特性而致动和去致动所述纺织物致动器。
53.如条款27至52中任一项所述的方法，其中，当将所述流体泵入所述腔室时，所述纺织物封皮在主纤维方向上(即，在平行于形成纱线族的纤维的最长尺寸的方向上)拉伸不超过2％。
54.如条款27至53中任一项所述的方法，其中，通过所述致动器藉由归因于所述致动器的径向膨胀而引起的轴向收缩来使所述身体部段移位。
55.如条款27至54中任一项所述的方法，其中，通过容纳在所述纺织物封皮中的所述不透流体气囊使所述腔室不透流体，并且其中所述不透流体气囊经过大小设定以在所述不透流体气囊能够弹性变形之前受所述纺织物封皮约束。
56.一种用于辅助身体任务的方法，包括：
利用至少一个纺织物致动器，所述纺织物致动器由用户穿戴且包括纺织物封皮，所述纺织物封皮限定藉由以下各项中的至少一项而不透流体的腔室：(a)不透流体气囊，其容纳在所述纺织物封皮中；以及(b)不透流体结构，其并入到所述纺织物封皮中，其中，所述纺织物封皮具有预定几何形状；
将流体递送入或递送出所述腔室，以主要通过归因于所述纺织物封皮的移位而不是藉由所述纺织物封皮的拉伸或收缩而引起的从未充气状态转变到所述预定几何形状或朝向所述预定几何形状转变来使所述纺织物封皮移位；以及
以下至少一项：(a)藉由所述纺织物致动器的所述移位来使所述用户的身体部段移位，以及(b)利用处于完全或部分加压状态下的所述纺织物封皮来提供对所述用户的所述身体部段的完全或部分支撑。
57.如条款56所述的方法，其中，将流体递送到所述腔室中以对所述腔室部分地加压并由此使所述腔室部分地变硬。
58.如条款56或57所述的方法，其中，将流体递送到所述腔室中以对所述腔室完全地加压并由此使所述腔室完全地变硬。
59.如条款56至58中任一项所述的方法，其中，压缩流体的流体泵或贮存器也被所述用户穿戴。
60.如条款56至59中任一项所述的方法，其中，所述纺织物致动器经由背心附接到穿戴者，所述背心包括用于将力从所述纺织物致动器传递到所述穿戴者的特征。
61.如条款56至60中任一项所述的方法，进一步包括使用传感器来感测所述纺织物致动器或所述用户，并且使用所述传感器的读数来控制所述纺织物致动器的加压。
62.如条款56至61中任一项所述的方法，其中，在所述用户已将所述身体部段移动到需要支撑的位置后，将所述流体递送到所述纺织物致动器。
63.如条款56至62中任一项所述的方法，其中，被递送到所述纺织物致动器的所述流体帮助所述用户将所述身体部段移动到期望位置。
64.一种用于穿戴者的肩部的软可穿戴机器人，包括：
背心；
手臂包绕物；以及
外展致动器，其在一侧上安装到所述背心并且在另一侧上安装到所述手臂包绕物，
其中，所述外展致动器包括基本上不可伸展的纺织物封皮，所述纺织物封皮限定藉由以下各项中的至少一项而不透流体的腔室：(a)不透流体气囊，其容纳在所述纺织物封皮中，以及(b)不透流体结构，其并入到所述基本上不可伸展的纺织物封皮中，其中所述基本上不可伸展的纺织物封皮具有预定几何形状，所述预定几何形状在非180°角度移位下产生平衡状态并且阻止在所述腔室加压后进一步移位。
65.如条款64所述的软可穿戴机器人，进一步包括：
前部水平伸展/屈伸致动器，其在一侧上在所述外展致动器的第一侧上安装到所述背心并且在另一侧上安装到所述外展致动器；以及
后部水平伸展/屈伸致动器，其在一侧上在所述外展致动器的第二侧上安装到所述背心并且在另一侧上安装到所述外展致动器、与所述前部水平伸展/屈伸致动器呈对抗配置，
其中，所述外展致动器包括基本上不可伸展的纺织物封皮，所述纺织物封皮限定藉由以下各项中的至少一项而不透流体的腔室：(a)不透流体气囊，其容纳在所述纺织物封皮中，以及(b)不透流体结构，其并入到所述基本上不可伸展的纺织物封皮中，其中所述基本上不可伸展的纺织物封皮具有预定几何形状，所述预定几何形状在非180°角度移位下产生平衡状态并且阻止在所述腔室加压后进一步移位。
66.如条款64或65所述的软可穿戴机器人，进一步包括流体源，其与所述外展致动器的所述腔室流体连通并且被配置为将流体泵入所述腔室以致动所述外展致动器。
67.如条款64至66中任一项所述的软可穿戴机器人，其中，所述背心包括用于将力从至少一个致动器传递到所述背心的穿戴者的特征。
68.如条款64至67中任一项所述的软可穿戴机器人，进一步包括：
传感器，其被定位且配置为感测至少一个致动器或所述背心的穿戴者；以及
控制器，其被配置为从所述传感器接收读数并与流体源通信，以响应于来自所述传感器的读数而命令所述流体源将流体泵入或泵出外展致动器。
69.一种使用如条款1至26中任一项所述的纺织物致动器的方法，所述方法包括将所述纺织物致动器附接到人，并且至少部分地使所述纺织物致动器充气以支撑所述人的解剖部分。
70.如条款69所述的方法，其中，所述纺织物致动器以所述人的手臂与躯干之间的角度安置。
71.一种用于移动肢体的方法，所述方法包括将如条款1至26中任一项所述的纺织物致动器附接到人的肢体，并且至少部分地使所述纺织物致动器充气以引起所述肢体的移动。
在描述本发明的实施例时，为清楚起见使用了特定的术语。为了描述的目的，特定的术语旨在至少包括以类似方式起作用而实现类似结果的技术上和功能上的等效物。此外，在本发明的具体实施例包括多个系统要素或方法步骤的一些情形下，这些要素或步骤可以用单一要素或步骤替代。同样地，单一要素或步骤可以用起到相同目的的多个要素或步骤来替代。进一步地，在本文针对本发明的实施例指定了各种特性的参数或其他值的情况下，这些参数或值可以上下调整1/100、1/50、1/20、1/10、1/5、1/3、1/2、2/3、3/4、4/5、9/10、19/20、49/50、99/100等等(或向上调整1、2、3、4、5、6、8、10、20、50、100倍等等)、或调整其四舍五入近似值，除非另外指明。此外，虽然已参照本发明的具体实施例示出和描述了本发明，但本领域技术人员应理解的是，可以对其在形式和细节上作出多种不同替代和更改而不背离本发明的范围。又进一步地，其他方面、功能和优点也是在本发明的范围之内；并且本发明的所有实施例不必实现所有这些优点或者具有上文描述的所有特性。另外，本文结合一个实施例所论述的步骤、要素和特征可以同样地结合其他实施例来使用。本文全篇引用的参考文献的内容(包括参考文本、杂志文章、专利、专利申请等)都以其全部内容通过援引并入本文以用于所有目的；并且来自这些参考文献和本披露内容的实施例、特征、表征和方法的所有适当组合可以包括于本发明的实施例中。还进一步地，背景部分中明确的部件和步骤是与本披露内容一体的并且可以结合在本发明的范围内在本披露内容的其他地方描述的部件和步骤来使用、或代替这些部件和步骤。在以具体顺序叙述了多个级(或在别处叙述方法)的方法权利要求中(为了方便引用而添加了或未添加顺序性的前序字符)，这些级不得解释为在时间上受限于对其进行叙述的顺序，除非用术语和短语另外指明或暗示出。

Claims (74)

1.一种纺织物致动器，包括：
纺织物封皮，所述纺织物封皮限定藉由以下各项中的至少一项而不透流体的腔室：
(a)不透流体气囊，其容纳在所述纺织物封皮中；以及
(b)不透流体结构，其并入到所述纺织物封皮中，
其中，所述纺织物封皮在其平衡状态下具有预定几何形状，且被配置为主要藉由归因于所述纺织物封皮的移位，几何形状在未充气形状与充气之后的其平衡状态的所述预定几何形状之间改变来产生移位，并且其中所述纺织物封皮具有在所述纺织物封皮被充气至其平衡状态的所述预定几何形状后，尽管压力进一步增加，但仍保持稳定的几何形状，而不是藉由在所述腔室内部的压力相对增加期间所述纺织物封皮的拉伸或收缩，或所述不透流体气囊的拉伸或收缩。
2.如权利要求1所述的纺织物致动器，其中，所述纺织物封皮是基本上不可伸展的。
3.如权利要求2所述的纺织物致动器，其中，所述基本上不可伸展的纺织物封皮是全封闭的闭合体积，除了用于流体进入所述腔室和从所述腔室移除的输入和输出之外。
4.如权利要求2所述的纺织物致动器，其中，所述纺织物封皮包括多个纱线族，并且其中基本上不可伸展意味着按照70mm的样本宽度和40mm的标距长度，所述纺织物封皮在450牛顿的单轴拉伸载荷下沿着任何纱线族定向拉伸少于25％。
5.如权利要求1所述的纺织物致动器，其中，所述纺织物封皮包括多个纱线族，并且其中当将所述流体泵入所述腔室时，所述纺织物封皮在主纤维方向上拉伸不超过10％。
6.如权利要求5所述的纺织物致动器，其中，按照70mm的样本宽度和110mm的长度，所述纺织物封皮在450牛顿的单轴拉伸载荷下沿着任何纱线族定向拉伸不超过5％。
7.如权利要求6所述的纺织物致动器，其中，按照70mm的样本宽度和110mm的长度，所述纺织物封皮在450牛顿的单轴拉伸载荷下沿着任何纱线族定向拉伸不超过1％。
8.如权利要求1所述的纺织物致动器，其中，所述纺织物封皮具有分段结构。
9.如权利要求8所述的纺织物致动器，其中，所述分段结构包括处于流体连接的多个腔室。
10.如权利要求9所述的纺织物致动器，其中，所述分段结构沿着所述纺织物封皮隔离段边界的褶皱聚结。
11.如权利要求10所述的纺织物致动器，其中，所述多个腔室中的至少两者被配置为以不同速率充气。
12.如权利要求11所述的纺织物致动器，其中，具有更多路径延长特征的腔室在具有更少路径延长特征的腔室之前充气或部分地充气。
13.如权利要求1所述的纺织物致动器，其中，所述纺织物封皮与所述不透流体气囊分立。
14.如权利要求1所述的纺织物致动器，其中，所述纺织物封皮是不透流体的。
15.如权利要求1所述的纺织物致动器，其中，所述纺织物封皮的所述预定几何形状包括多个路径延长纺织物特征，其中所述纺织物致动器被配置为藉由所述纺织物封皮的所述路径延长纺织物特征在藉由所述腔室中的所述压力相对增加而被致动时伸展来提供大部分的所述移位。
16.如权利要求15所述的纺织物致动器，其中，所述路径延长纺织物特征呈图案化几何形状的形式。
17.如权利要求16所述的纺织物致动器，其中，所述图案化几何形状包括选自密褶、缩褶、褶层和缝褶的至少一个特征。
18.如权利要求1所述的纺织物致动器，进一步包括传感器，其被配置为感测应变、移位、力和压力中的至少一者，其中，所述传感器安装至以下项或与之集成：所述致动器或被定位成通过所述纺织物致动器移位的物体。
19.如权利要求1所述的纺织物致动器，其中，所述纺织物封皮的所述几何形状预定产生的所述移位包括弯曲、旋转、伸直、折叠、展开、伸展或收缩。
20.如权利要求19所述的纺织物致动器，其中，所述移位包括弯曲或展开，并且其中所述弯曲是藉由所述纺织物封皮中的不对称而预编程的。
21.如权利要求19所述的纺织物致动器，其中，所述移位包括旋转，并且其中所述旋转是藉由所述纺织物封皮中的不对称而预编程的。
22.如权利要求1所述的纺织物致动器，其中，所述几何形状被设计为在移位范围的大部分内产生所述腔室中的压力与所述致动器的硬度之间的基本上线性关系。
23.如权利要求1所述的纺织物致动器，其中，所述几何形状被设计为在移位范围的大部分内产生所述腔室中的压力与所述致动器的硬度之间的非线性关系。
24.如权利要求1所述的纺织物致动器，其中，所述几何形状被设计为在移位范围的大部分内产生所述致动器的扭矩与所述致动器的所述移位之间的非线性关系。
25.如权利要求1所述的纺织物致动器，其中，所述纺织物封皮具有沿着所述纺织物封皮隔离起皱的分段结构。
26.如权利要求1所述的纺织物致动器，进一步包括压缩流体的流体泵或贮存器，其与所述腔室流体连通且被配置为将流体供应到所述腔室。
27.如权利要求1所述的纺织物致动器，其中，所述纺织物致动器包括至少一个包裹体，所述包裹体比组成所述纺织物封皮的纺织物更硬并且被配置为约束所述纺织物致动器的移位。
28.如权利要求1所述的纺织物致动器，其中，除了液体输入/输出到所述腔室之外，所述纺织物封皮是连续的，没有间隙。
29.一种用于有致动器促进地运动的方法，包括：
利用纺织物致动器，所述纺织物致动器由用户穿戴且包括纺织物封皮，所述纺织物封皮限定藉由以下各项中的至少一项而不透流体的腔室：(a)不透流体气囊，其容纳在所述纺织物封皮中；以及(b)不透流体结构，其并入到所述纺织物封皮中，其中，所述纺织物封皮在其平衡状态下具有预定几何形状，并且其中所述纺织物封皮具有在所述纺织物封皮被充气至其平衡状态的所述预定几何形状后，尽管压力进一步增加，但仍保持稳定的几何形状；
将流体递送入或递送出所述腔室，以主要通过归因于所述纺织物封皮的移位而不是藉由所述纺织物封皮的拉伸或收缩或者所述不透流体气囊的拉伸或收缩而引起的从未充气状态转变到所述预定几何形状来使所述纺织物封皮移位；以及
以下至少一项：(a)藉由所述纺织物致动器的所述移位来使所述用户的身体部段移位，以及(b)利用处于完全加压的变硬状态的所述纺织物封皮来支撑所述用户的所述身体部段并将其保持在适当的位置。
30.如权利要求29所述的方法，其中，在所述用户已将所述身体部段移动到需要支撑的期望位置后，将所述流体递送到所述致动器。
31.如权利要求29所述的方法，其中，所述身体部段是人类肢体或所述用户的肢体的组成部分。
32.如权利要求31所述的方法，其中，所述用户沿着所述用户的肢体的关节穿戴所述纺织物致动器。
33.如权利要求32所述的方法，其中，通过致动所述致动器以达到其平衡状态来使所述肢体以最大非180°角度移位，所述方法进一步包括通过所述纺织物封皮的所述预定几何形状来阻止所述肢体进一步移位超出所述最大角度。
34.如权利要求32所述的方法，其中，所述用户在腋下穿戴多个所述纺织物致动器以致动手臂的移动，其中所述多个纺织物致动器包括：
外展致动器，其在一侧上沿着用户躯干的侧面安装，并且在另一侧上沿着穿戴者手臂的上部安装；
前部水平伸展/屈伸致动器，其在一侧上沿着所述用户的躯干安装在所述外展致动器的前方，并且在另一侧上安装到所述外展致动器；以及
后部水平伸展/屈伸致动器，其在一侧上沿着所述用户的躯干安装在所述外展致动器的后方，并且在另一侧上安装到所述外展致动器、与所述前部水平伸展/屈伸致动器呈对抗配置，
其中所述流体被递送入所述外展致动器中以使所述手臂向上旋转，并且
其中所述流体被递送入或递送出所述前部和后部水平伸展/屈伸致动器，以使所述手臂向前或向后水平地旋转。
35.如权利要求34所述的方法，其中，所述致动器安装到由所述用户穿戴的背心。
36.如权利要求35所述的方法，其中，所述外展致动器藉由围绕所述用户手臂的所述上部的包绕物沿着所述用户手臂的所述上部安装。
37.如权利要求35所述的方法，其中，连杆安装到所述背心和所述外展致动器，以约束所述外展致动器的移位。
38.如权利要求35所述的方法，其中，所述外展致动器的所述腔室是分段的，并且其中所述外展致动器包括脊柱件，所述脊柱件包括有助于抵抗所述腔室段的失去对准的至少两个板以及含有所述板并在所述板之间伸展以用作铰链的纺织物。
39.如权利要求35所述的方法，其中，所述水平伸展/屈伸致动器各自包括：
两个楔形腔室，其与流体供应串联流体连通；以及
多个板，其定位在所述两个楔形腔室之间和周围，
其中所述楔形腔室、所述板以及安装到所述外展致动器的连杆形成在所述水平伸展/屈伸致动器充气时将压缩力传递到所述外展致动器的4杆连杆。
40.如权利要求29所述的方法，其中，通过致动所述致动器以达到其平衡状态来使所述身体部段以最大角度移位，所述方法进一步包括通过所述纺织物封皮的所述预定几何形状阻止所述身体部段进一步移位超出所述最大角度，以防止所述纺织物致动器过度移位到使所述身体部段或由所述身体部段形成的关节过度伸展的程度。
41.如权利要求29所述的方法，进一步包括使用多个所述纺织物致动器，其中，不同的纺织物致动器产生肢体的不同移位。
42.如权利要求29所述的方法，进一步包括使流体压力在压力范围内波动，所述压力范围在所述织物封皮的起皱压力上下伸展，以便利用硬度特性而致动和去致动所述纺织物致动器。
43.如权利要求29所述的方法，其中，除了液体输入/输出到所述腔室之外，所述纺织物封皮是连续的，没有间隙。
44.如权利要求29所述的方法，其中，所述纺织物致动器是如权利要求1至28中任一项所述的纺织物致动器。
45.如权利要求29所述的方法，进一步包括使用传感器来感测所述纺织物致动器或所述用户，并且使用所述传感器的读数来控制所述纺织物致动器的加压。
46.如权利要求29所述的方法，其中，基本上不可伸展意味着按照70mm的样本宽度和110mm的长度，所述纺织物封皮在450牛顿的单轴拉伸载荷下沿着任何纱线族定向都拉伸少于25％。
47.如权利要求29所述的方法，其中，当将所述流体泵入所述腔室时，所述纺织物封皮在主纤维方向上拉伸不超过10％。
48.如权利要求47所述的方法，其中，所述纺织物封皮在所述主纤维方向上拉伸不超过5％。
49.如权利要求48所述的方法，其中，所述纺织物封皮在所述主纤维方向上拉伸不超过1％。
50.如权利要求29所述的方法，其中，所述预定几何形状在移位范围的大部分内呈现所述腔室中的压力与所述致动器的硬度程度之间的基本上线性关系。
51.如权利要求29所述的方法，其中，所述几何形状被设计为在移位范围的大部分内产生所述致动器的扭矩与所述致动器的所述移位之间的非线性关系。
52.如权利要求29所述的方法，其中，所述致动器藉由弯曲、旋转、伸直、折叠、展开、伸展或收缩使所述身体部段移位。
53.如权利要求29所述的方法，其中，所述纺织物致动器在所述纺织物致动器的相反侧上具有不同的路径长度，以对所述移位进行编程。
54.如权利要求29所述的方法，其中，所述预定几何形状包括选自用作机械止挡件的密褶、缩褶、褶层和缝褶的至少一个特征。
55.如权利要求29所述的方法，其中，当将所述流体泵入所述腔室时，所述纺织物封皮在主纤维方向上拉伸不超过2％。
56.如权利要求29所述的方法，其中，通过所述致动器藉由归因于所述致动器的径向膨胀而引起的轴向收缩来使所述身体部段移位。
57.如权利要求29所述的方法，其中，通过容纳在所述纺织物封皮中的所述不透流体气囊使所述腔室不透流体，并且其中所述不透流体气囊经过大小设定以在所述不透流体气囊能够弹性变形之前受所述纺织物封皮约束。
58.一种用于辅助身体任务的方法，包括：
利用至少一个纺织物致动器，所述纺织物致动器由用户穿戴且包括纺织物封皮，所述纺织物封皮限定藉由以下各项中的至少一项而不透流体的腔室：(a)不透流体气囊，其容纳在所述纺织物封皮中；以及(b)不透流体结构，其并入到所述纺织物封皮中，其中，所述纺织物封皮在其平衡状态下具有预定几何形状，并且其中所述纺织物封皮具有在所述纺织物封皮被充气至其平衡状态的所述预定几何形状后，尽管压力进一步增加，但仍保持稳定的几何形状；
将流体递送入或递送出所述腔室，以主要通过归因于所述纺织物封皮的移位而不是藉由所述纺织物封皮的拉伸或收缩或者所述不透流体气囊的拉伸或收缩而引起的从未充气状态转变到所述预定几何形状或朝向所述预定几何形状转变来使所述纺织物封皮移位；以及
以下至少一项：(a)藉由所述纺织物致动器的所述移位来使所述用户的身体部段移位，以及(b)利用处于完全或部分加压状态下的所述纺织物封皮来提供对所述用户的所述身体部段的完全或部分支撑。
59.如权利要求58所述的方法，其中，将流体递送到所述腔室中以对所述腔室部分地加压并由此使所述腔室部分地变硬。
60.如权利要求58所述的方法，其中，将流体递送到所述腔室中以对所述腔室完全地加压并由此使所述腔室完全地变硬。
61.如权利要求58所述的方法，其中，压缩流体的流体泵或贮存器也被所述用户穿戴。
62.如权利要求58所述的方法，其中，所述纺织物致动器经由背心附接到穿戴者，所述背心包括用于将力从所述纺织物致动器传递到所述穿戴者的特征。
63.如权利要求58所述的方法，进一步包括使用传感器来感测所述纺织物致动器或所述用户，并且使用所述传感器的读数来控制所述纺织物致动器的加压。
64.如权利要求58所述的方法，其中，在所述用户已将所述身体部段移动到需要支撑的位置后，将所述流体递送到所述纺织物致动器。
65.如权利要求58所述的方法，其中，被递送到所述纺织物致动器的所述流体帮助所述用户将所述身体部段移动到期望位置。
66.如权利要求58所述的方法，其中，除了液体输入/输出到所述腔室之外，所述纺织物封皮是连续的，没有间隙。
67.一种用于穿戴者的肩部的软可穿戴机器人，包括：
背心；
手臂包绕物；以及
外展致动器，其在一侧上安装到所述背心并且在另一侧上安装到所述手臂包绕物，
其中，所述外展致动器包括基本上不可伸展的纺织物封皮，所述纺织物封皮限定藉由以下各项中的至少一项而不透流体的腔室：(a)不透流体气囊，其容纳在所述纺织物封皮中，以及(b)不透流体结构，其并入到所述基本上不可伸展的纺织物封皮中，其中所述基本上不可伸展的纺织物封皮具有预定几何形状，所述预定几何形状在非180°角度移位下产生平衡状态并且阻止在所述腔室加压后进一步移位，并且其中所述基本上不可伸展的纺织物封皮被配置为在所述腔室内部的压力相对增加期间产生移位，并且其中所述移位主要藉由归因于所述纺织物封皮的移位，几何形状在未充气形状与充气之后的其平衡状态的所述预定几何形状之间改变而产生，而不是藉由所述纺织物封皮的拉伸或收缩或通过所述不透流体气囊的拉伸或收缩产生。
68.如权利要求67所述的软可穿戴机器人，进一步包括：
前部水平伸展/屈伸致动器，其在一侧上在所述外展致动器的第一侧上安装到所述背心并且在另一侧上安装到所述外展致动器；以及
后部水平伸展/屈伸致动器，其在一侧上在所述外展致动器的第二侧上安装到所述背心并且在另一侧上安装到所述外展致动器、与所述前部水平伸展/屈伸致动器呈对抗配置，
其中，所述前部和后部水平伸展/屈伸致动器各自包括基本上不可伸展的纺织物封皮，所述纺织物封皮限定藉由以下各项中的至少一项而不透流体的腔室：(a)不透流体气囊，其容纳在所述纺织物封皮中，以及(b)不透流体结构，其并入到所述基本上不可伸展的纺织物封皮中，其中所述基本上不可伸展的纺织物封皮具有预定几何形状，所述预定几何形状在非180°角度移位下产生平衡状态并且阻止在所述腔室加压后进一步移位,并且其中所述基本上不可伸展的纺织物封皮被配置为在所述腔室内部的压力相对增加期间产生移位，并且其中所述移位主要藉由归因于所述纺织物封皮的移位，几何形状在未充气形状与充气之后的其平衡状态的所述预定几何形状之间改变而产生，而不是藉由所述纺织物封皮的拉伸或收缩或通过所述不透流体气囊的拉伸或收缩产生。
69.如权利要求67所述的软可穿戴机器人，进一步包括流体源，其与所述外展致动器的所述腔室流体连通并且被配置为将流体泵入所述腔室以致动所述外展致动器。
70.如权利要求67或68所述的软可穿戴机器人，其中，所述背心包括用于将力从至少一个致动器传递到所述背心的穿戴者的特征。
71.如权利要求67或68所述的软可穿戴机器人，进一步包括：
传感器，其被定位且配置为感测至少一个致动器或所述背心的穿戴者；以及
控制器，其被配置为从所述传感器接收读数并与流体源通信，以响应于来自所述传感器的读数而命令所述流体源将流体泵入或泵出外展致动器。
72.一种使用如权利要求1至28中任一项所述的纺织物致动器的方法，所述方法包括将所述纺织物致动器附接到人，并且至少部分地使所述纺织物致动器充气以支撑所述人的解剖部分。
73.如权利要求72所述的方法，其中，所述纺织物致动器以所述人的手臂与躯干之间的角度安置。
74.一种用于移动肢体的方法，所述方法包括将如权利要求1至28中任一项所述的纺织物致动器附接到人的肢体，并且至少部分地使所述纺织物致动器充气以引起所述肢体的移动。
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