CN111278607A - 适应于肩部的外骨骼结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种外骨骼结构(1)，该外骨骼结构包括：‑旨在附接到使用者的背部的背部组件(2)；‑旨在附接到使用者的臂的臂组件(3)；‑将背部组件(2)连接到臂组件(3)的肩部连接装置(4)，该肩部连接装置(4)包括第一枢轴(10)、第二枢轴(12)以及第三枢轴(14)，从而使得臂组件(3)能够相对于背部组件(2)围绕第一旋转轴线(X1)、第二旋转轴线(X2)以及第三旋转轴线(X3)旋转，其中，第二枢轴(12)被设计成使得使得当使用者站立且臂沿身体放松时，第二旋转轴线(X2)与使用者的肩部的外展/内收轴线形成非零角度，并且与使用者的肩部的屈曲/伸展轴线形成非零角度。

Description

适应于肩部的外骨骼结构
技术领域
本发明涉及外骨骼结构。
背景技术
力辅助外骨骼是复制人体骨骼的结构并能够改善人体的身体能力的机械结构。
存在不同类型的力辅助外骨骼，这取决于使用者要完成的任务。每种类型的外骨骼都可以在完成某些任务期间限制或减小使用者提供的力。
例如存在如下的外骨骼结构，该外骨骼结构使得当使用者完成需要肩部运动的任务时，特别是在举起和搬运负载时，能够为使用者提供辅助。
然而，这些结构通常并不能够适应于肩部的所有运动。例如，这些结构能够使臂进行屈曲伸展运动，但是不能够使臂进行外展和内收运动。
然而，肩部复合体是具有六个累积自由度的复杂关节系统(结合了肩胛骨运动和这样的肩部运动)。
还提出了其他结构，以允许更好地再现肩部的运动。然而，这些结构通常具有相当大的体积，这阻碍了使用者的移动性。
此外，在这些结构中多个个致动器的集成导致结构的质量和能量消耗的增加。
最后，应该注意的是，在肩部进行某些顺序的运动期间，某些外骨骼结构可能会通过称为“奇异点”的构造，从而导致结构卡阻。结构的卡阻是自由度的损失，这种自由度的损失发生在结构的两个旋转轴线彼此对齐的构造中。这些卡阻情况至少需要进行已导致奇异点的一系列动作的逆过程以使使用者自由运动，甚至可能损坏外骨骼结构并给使用者带来不适。
发明内容
本发明的一个目的是提出一种外骨骼结构，该外骨骼结构能提供肩部的更大的运动自由度，同时仍是紧凑的。
在本发明的范围内通过如下的外骨骼结构而能够实现该目的，该外骨骼结构包括：
-旨在附接到使用者的背部的背部组件，
-旨在附接到使用者的臂的臂组件，
-将背部组件连接到臂组件的肩部连接装置，所述肩部连接装置包括：第一连接部件；第一枢轴，该第一枢轴将第一连接部件连接到背部组件，同时使得第一连接部件能够相对于背部组件围绕与使用者的肩部的内/外旋转轴线平行的第一旋转轴线旋转；第二连接部件；第二枢轴，该第二枢轴将第一连接部件连接至第二连接部件，同时使得第二连接部件能够相对于第一连接部件围绕与第一旋转轴线正交的第二旋转轴线旋转；第三枢轴，该第三枢轴将第二连接部件连接至臂组件，同时使得臂组件能够相对于第二连接部件围绕与第二旋转轴线正交的第三旋转轴线旋转，
其中，第二枢轴被布置为使得当使用者站立且臂沿身体放松时，第二旋转轴线与使用者的肩部的外展/内收轴线形成非零角度，并且与使用者肩部的屈曲/伸展轴线形成非零角度。
在这种类型的结构中，第二旋转轴线与使用者的肩部的外展/内收轴线以及使用者的肩部的屈曲/伸展轴线均形成非零角度。因此，可以设计一种如下的结构，在该结构中，单个致动器既使得能够在肩部的外展/内收运动期间和在肩部的屈曲/伸展运动期间辅助使用者，这使得能够减少结构的质量及其能耗。
此外，采用第二旋转轴线的这种构造，使用者可以例如在不使连接装置通过奇异点的情况下先后完成肩部的屈曲运动、肩胛骨的内收、肩部的伸展运动，不使连接装置通过奇异点可避免造成卡阻情况。
所提出的结构还可以具有以下特征：
-当使用者站立且臂沿身体放松时，第三枢轴布置成使得第三旋转轴线与第一旋转轴线正交；
-所述结构包括致动器，所述致动器包括定子和相对于定子旋转安装的转子，定子和转子中的一个固定地安装在第一连接部件上，并且定子和转子中的另一个固定地安装在第二连接部件上，所述致动器能够产生扭矩以驱动第二连接部件相对于第三连接部件旋转；
-臂组件包括臂部件，该臂部件能够被支撑在使用者的臂上，以借助于致动器驱动使用者的臂相对于使用者的背部旋转。
-臂组件包括第一臂部件和第二臂部件，该第一臂部件能够包围使用者的臂以将第一臂部件附接到使用者的臂，并且该第二臂部件相对于第一臂部件旋转地安装，以使得使用者的臂能够相对于第二臂部件旋转，同时仍能够将第一臂部件支撑在使用者的臂上，以借助于致动器驱动臂旋转，
-臂组件包括第三连接部件和第四枢轴，该第三连接部件具有第一端部和第二端部，该第一端部借助于第三枢轴连接到肩部连接装置，并且该第二端部借助于第四枢轴连接到臂部件，
-第四枢轴使得臂部件能够相对于第三连接部件围绕平行于第三旋转轴线的第四旋转轴线旋转，
-第三连接部件包括借助于滑道相对于彼此滑动安装的两个部分，在臂组件相对于背部组件旋转期间，这些部分相对彼此的滑动使得第三连接部件能够缩短或伸长，
-臂组件包括前臂部件，该前臂部件能够围绕使用者的前臂，以将臂组件附接到使用者的臂，同时在肩部进行内/外旋转运动期间仍能使使用者的臂在前臂部件内部旋转，
-臂组件包括第五枢轴，该第五枢轴将前臂部件连接至臂部件，并在使用者的肘部旋转期间使得前臂部件能够相对于臂部件围绕第五旋转轴线旋转，
-连接装置包括将背部组件连接到第一枢轴的四杆机构，该四杆机构包括四个杆以及四个铰链，该四个铰链通过形成可变形的平行四边形而将杆彼此连接，
-四杆机构的每个铰链都有旋转轴线，每个旋转轴线平行于与使用者的前平面正交的方向延伸，
-连接装置还包括弹性回复构件，该弹性回复构件能够施加趋于抵抗平行四边形的变形的回复力。
附图说明
其他特征和优点也将通过以下仅是示例性的而非限制性的并且必须参照附图进行阅读的描述而显露，在附图中：
-图1示意性地示出了根据本发明的一种可能的实施例的外骨骼结构，该外骨骼结构处于使用者站立且臂沿身体放松的构造，
-图2示意性地示出了处于使用者站立且在执行肩部屈曲运动后臂向前伸展的构造的外骨骼结构，
-图3示意性地示出了处于使用者站立且在连续执行肩部的屈曲运动、肩部的外展运动之后臂向侧面伸展的构造的外骨骼结构，
-图4示意性地示出了使用者肘部屈曲运动期间的外骨骼结构，
-图5示意性地示出了图1至图4的外骨骼结构的变型。
具体实施方式
图1示出了使用者的前平面F、矢状平面S和横向平面T。以已知方式，矢状平面S被定义为平行于将使用者身体的左半部分和右半部分分开的中间平面的平面。前平面F或冠状平面被定义为垂直于中间平面并将身体分成前部分或腹部分和后部分或背部分的平面。横向平面T或横向平面被定义为垂直于中间平面并将身体分成上部部分(朝向头部)和下部部分(朝向脚)的平面。
在图1中，使用者站立，臂沿身体放松。使用者装备有外骨骼结构1，该外骨骼结构1能够辅助他的肩部的运动。
外骨骼结构1包括在通常使用中附接至使用者背部的背部组件2、附接至使用者的臂的臂组件3以及将背部组件2连接至臂组件3的肩部连接装置4。
背部组件2包括例如腰带5和背部部件6，该腰带5包围使用者的下部躯干，并且该背部部件6附接至该腰带5并沿着使用者的脊柱延伸。
臂组件3包括臂部件7和前臂部件8，该臂部件7能够支撑在使用者的臂上，并且该前臂部件8能够围绕使用者的前臂以将臂组件3附接到使用者的臂。
肩部连接装置4包括四杆机构9、第一枢轴10、第一连接部件11、第二枢轴12、第二连接部件13、第三枢轴14和第三连接部件15。
四杆机构9将背部组件2连接至第一枢轴10。四杆机构9包括四个杆16和四个铰链17，该四个铰链17将杆16彼此连接，同时形成可变形的平行四边形。四杆机构9的每个铰链17具有旋转轴线，在正常使用中，每个旋转轴线平行于与使用者的前平面F正交的方向延伸。
肩部连接装置9还包括弹性回复构件28，该弹性回复构件28能够向四杆机构9施加回复力，该回复力趋于抵抗由肩部连接装置4和臂组件3的重量导致的平行四边形的变形。更精确地，弹性回复构件28包括弹簧，该弹簧在位于平行四边形的两个相对顶点处的两个铰链之间延伸。在图1所示的示例中，弹簧是拉伸弹簧，其将最靠近矢状平面的位于上部顶点中的一个铰链28连接至离矢状平面最远的位于下部顶点中的另一个铰链28。因此，由拉伸弹簧施加的回复力趋于相对于背部组件2向上拉动臂组件，从而补偿由肩部连接装置和臂组件施加的重量。可以根据要补偿的重量来调节弹性回复构件28的刚度。
第一枢轴10将第一连接部件连接至四杆机构9。第一枢轴10使得第一连接部件11相对于背部组件2能够围绕平行于使用者肩部的内/外旋转轴线的第一旋转轴线X1旋转。
第二枢轴12将第一连接部件11连接至第二连接部件13。第二枢轴12使得第二连接部件13相对于第一连接部件11能够围绕与第一旋转轴线X1正交的第二旋转轴线X2旋转。
第二枢轴12被布置成使得如图1所示当使用者站立且臂沿身体放松时，第二旋转轴线X2与使用者的肩部的外展/内收轴线形成非零角度，并且与使用者的肩部的屈曲/伸展轴线形成非零角度。
第三枢轴14将第二连接部件13连接至第三连接部件15。第三枢轴使得臂组件3相对于第二连接部件13能够围绕与第二旋转轴线X2正交的第三旋转轴线X3旋转。
第三枢轴14被布置成使得当使用者站立且臂沿着身体放松时，第三旋转轴线X3与第一旋转轴线X1和第二旋转轴线X2正交。此外，当使用者站立且臂沿着身体放松时，第三旋转轴线X3与使用者肩部的外展/内收轴线形成非零角度，并且与使用者肩部的屈曲/伸展轴线形成非零角度。
由于第一枢轴10，在第二枢轴12和第三枢轴14处，连接装置4使得臂组件3相对于背部组件8能够以三个自由度旋转。
外骨骼结构1还包括致动器18，该致动器18包括定子19和相对于定子19旋转安装的转子20。定子19例如固定安装在第一连接部件11上，转子20例如固定安装在第二连接部件13上。致动器18能够产生扭矩以驱动第二连接部件13相对于第一连接部件11旋转。致动器可以包括例如无刷或齿轮马达类型的电动马达。
可以启动致动器18，以在使用者肩部的外展/内收和/或屈曲/伸展运动期间辅助使用者的臂，即提供额外的力，该额外的力被增加到由使用者产生的力上以产生肩部的运动。
臂组件3还包括第四枢轴21。第四枢轴21将第三连接部件15连接至臂部件7。第四枢轴21使得臂部件7相对于第三连接部件15能围绕平行于第三旋转轴线X3的第四旋转轴线X4旋转。
第三连接部件15具有第一端部和第二端部，该第一端部借助于第三枢轴14连接到第二连接部件13，并且该第二端部借助于第四枢轴21连接到臂部件7。
此外，第三连接部件15包括借助于滑道相对于彼此滑动安装的两个部分22和23。部分22和部分23相对彼此的轴向滑动使得在臂组件3相对于背部组件2旋转期间，第三连接部件15能够缩短或伸长，这使得能够适应旋转轴线X1、X2和X3与使用者肩部的真实旋转中心的未对准。
此外，部分23相对于部分22围绕部分23相对于部分22的滑动轴线旋转地安装。
最后，在肩部的内外旋转运动期间，前臂部件8使得肩部能够在前臂部件8内部旋转。
图2示意性地示出了当使用者站立且在执行了肩部的屈曲运动之后臂向前伸展时的外骨骼结构1。
肩部的屈曲运动引起第二连接部件13相对于第一连接部件11围绕第二旋转轴线X1旋转以及第三连接部件15相对于第二连接部件13围绕第三旋转轴线X3旋转。
屈曲运动可以通过启动致动器18来辅助。实际上，当启动致动器18时，致动器18产生扭矩，该扭矩趋向于驱动第二连接部件13相对于第一连接部件11进行旋转并因此将臂部件7支撑在使用者的臂上，以在肩部的屈曲运动期间辅助臂。臂部件7被支撑在使用者的臂上，以借助于致动器18驱动使用者的臂相对于使用者的肩胛骨进行屈曲或伸展。
如图2所示，一旦使用者的臂水平向前延伸，第一旋转轴线X1就平行于第三旋转轴线X3定位。
图3示意性地示出了当使用者站立且在连续执行肩部的屈曲运动和肩部的外展运动之后臂向侧面伸展时的外骨骼结构。
肩部的外展运动引起第二连接部件13相对于第一连接部件11围绕第一旋转轴线X1旋转以及第三连接部件15相对于第二连接部件13围绕第三旋转轴线X3旋转。
外展运动可以通过致动器18来辅助。实际上，当启动致动器18时，致动器18产生扭矩，该扭矩趋向于驱动第二连接部件13相对于第一连接部件11进行旋转并因此将臂部件7支撑在使用者的臂上，以驱动臂进行旋转。臂部件7被支撑在使用者的臂上，以借助于致动器18驱动使用者的臂相对于使用者的肩胛骨进行外展或内收。
因此，致动器18用于在肩部的屈曲/伸展运动期间以及在肩部的外展/内收运动期间辅助使用者。
此外，如图3所示，一旦使用者的臂水平向侧面延伸，第一旋转轴线X1、第二旋转轴线X2和第三旋转轴线X3就不会两两对齐。连接装置4避免通过可能导致外骨骼结构1卡阻的奇异点。此外，保持了致动器的有效性。
如图4所示，臂组件3还包括将前臂部件8连接到臂部件7的第五枢轴27。在使用者肘部进行旋转期间，第五枢轴使得前臂部件8能够相对于臂部件7围绕第五旋转轴线X5旋转。更精确地，在使用者的肘部进行屈曲或伸展运动期间，第五枢轴27使得前臂部件8能够相对于臂部件7围绕第五旋转轴线X5旋转。
外骨骼结构还可包括第二致动器24，该第二致动器24包括定子25和相对于定子25旋转安装的转子26。定子25例如固定安装在臂部件7上，而转子例如固定安装在前臂部件上8。致动器24能够产生扭矩，以驱动前臂部件8相对于臂部件7旋转。致动器24可以包括例如无刷或齿轮马达类型的电动马达。
可以启动致动器24，以在使用者的肘部进行屈曲/伸展运动期间辅助使用者的臂，即提供额外的力，该额外的力被增加到由使用者产生的力上以产生肘部的运动。
图5示出了图1至图4的外骨骼结构的变型。除了臂组件3之外，图5中示出的外骨骼结构与图1至图4中示出的外骨骼结构相同。
在该变型中，臂组件3包括第一臂部件31和第二臂部件32，该第一臂部件31能够包围使用者的臂以将臂组件3附接到使用者的臂，并且该第二臂部件32相对于第一臂部件32旋转安装。更精确地，在图5所示的示例中，第二臂部件32包围第一臂部件31，同时使得第一臂部件31(并因此使得使用者的臂)仍能够相对于第二臂部件32旋转。
第三枢轴14借助于第四枢轴21将第三连接部件15连接至臂部件7。
在图5所示的示例中，臂组件3不包括前臂部件8。然而，如图1至4所示，臂组件3还可以包括借助于第五枢轴27连接到第二臂部件32的前臂部件8。

Claims (13)

1.一种外骨骼结构(1)，所述外骨骼结构包括：
-旨在附接到使用者的背部的背部组件(2)，
-旨在附接到使用者的臂的臂组件(3)，
-将所述背部组件(2)连接到所述臂组件(3)的肩部连接装置(4)，所述肩部连接装置(4)包括：第一连接部件(11)；第一枢轴(10)，所述第一枢轴将所述第一连接部件(11)连接到所述背部组件(2)，同时使得所述第一连接部件(11)能够相对于所述背部组件(2)围绕与所述使用者的肩部的内/外旋转轴线平行的第一旋转轴线(X1)旋转；第二连接部件(13)；第二枢轴(12)，所述第二枢轴将所述第一连接部件(11)连接至所述第二连接部件(13)，同时使得所述第二连接部件(13)能够相对于所述第一连接部件(11)围绕与所述第一旋转轴线(X1)正交的第二旋转轴线(X2)旋转；第三枢轴(14)，所述第三枢轴将所述第二连接部件(13)连接至所述臂组件(3)，同时使得所述臂组件(3)能够相对于所述第二连接部件(13)围绕与所述第二旋转轴线(X2)正交的第三旋转轴线(X3)旋转，
其中，所述第二枢轴(12)被布置为使得当所述使用者站立且臂沿身体放松时，所述第二旋转轴线(X2)与所述使用者的肩部的外展/内收轴线形成非零角度，并且与所述使用者的肩部的屈曲/伸展轴线形成非零角度。
2.根据权利要求1所述的结构，其中，所述第三枢轴(14)被布置成使得当所述使用者站立且臂沿身体放松时，所述第三旋转轴线(X3)与所述第一旋转轴线(X1)正交。
3.根据权利要求1和2中的一项所述的结构，所述结构包括致动器(18)，所述致动器包括定子(19)和相对于所述定子(19)旋转安装的转子(20)，所述定子和所述转子中的一个固定安装在所述第一连接部件(11)上，并且所述定子和所述转子中的另一个固定安装在所述第二连接部件(13)上，所述致动器(18)能够产生扭矩以驱动所述第二连接部件(13)相对于所述第三连接部件(11)旋转。
4.根据权利要求3所述的结构，其中，所述臂组件(3)包括臂部件(7)，所述臂部件能够被支撑在所述使用者的臂上，以借助于所述致动器(18)驱动所述臂旋转。
5.根据权利要求3所述的结构，其中，所述臂组件(3)包括第一臂部件(31)和第二臂部件(32)，所述第一臂部件能够包围所述使用者的臂，以将所述第一臂部件(31)附接到所述使用者的臂，并且所述第二臂部件相对于所述第一臂部件(31)旋转地安装，以使得所述使用者的臂能够相对于所述第二臂部件(32)旋转，同时仍能够将所述第一臂部件(31)支撑在所述使用者的臂上，以借助于所述致动器(18)驱动所述臂旋转。
6.根据权利要求4和5中的一项所述的结构，其中，所述臂组件(3)包括第三连接部件(15)和第四枢轴(21)，所述第三连接部件(15)具有第一端部和第二端部，所述第一端部借助于所述第三枢轴(14)连接到所述肩部连接装置(4)，并且所述第二端部借助于所述第四枢轴(21)连接到所述臂部件或一个臂部件(7，32)。
7.根据权利要求6所述的结构，其中，所述第四枢轴(21)使得所述臂部件(7，31，32)能够相对于所述第三连接部件(15)围绕与所述第三旋转轴线(X3)平行的第四旋转轴线(X4)旋转。
8.根据权利要求6和7中的一项所述的结构，其中，所述第三连接部件(15)包括借助于滑道相对于彼此滑动安装的两个部分(22，23)，所述部分(22，23)相对彼此的滑动使得在所述臂组件(3)相对于所述背部组件(2)进行旋转期间，所述第三连接部件(15)能够缩短或伸长。
9.根据权利要求1至8中的一项所述的结构，其中，所述臂组件(3)包括前臂部件(8)，所述前臂部件能够围绕所述使用者的前臂，以将所述臂组件(3)附接到所述使用者的臂，同时在肩部进行内/外旋转运动期间仍能使所述使用者的臂在所述前臂部件(8)内部旋转。
10.根据权利要求4至8中的一项与权利要求9结合时所述的结构，其中，所述臂组件(3)包括第五枢轴(27)，所述第五枢轴将所述前臂部件(8)连接至所述臂部件(7)，并且在所述使用者的肘部进行旋转期间使得所述前臂部件(8)能够相对于所述臂部件(7)围绕第五旋转轴线(X5)旋转。
11.根据权利要求1至10中的一项所述的结构，其中，所述连接装置(4)包括将所述背部组件(2)连接至所述第一枢轴(10)的四杆机构(9)，所述四杆机构(9)包括四个杆(16)和四个铰链(17)，所述四个铰链通过形成可变形的平行四边形将所述杆(16)彼此连接。
12.根据权利要求11所述的结构，其中，所述四杆机构(9)的每个所述铰链(17)具有旋转轴线，每个所述旋转轴线平行于与所述使用者的前平面正交的方向延伸。
13.根据权利要求11和12中的一项所述的结构，其中，所述连接装置(4)还包括弹性回复构件(28)，所述弹性回复构件能够施加趋于抵抗所述平行四边形的变形的回复力。
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