CN116490325A - 用于辅助操作者施力的系统 - Google Patents

Abstract

用于协助操作者施力的外骨骼系统(410)，包括具有一个或多个自由度并支撑了补偿装置(450)的框架(411)，该补偿装置设置成向操作者的关节提供辅助力。补偿装置(450)包括调节装置(458)，其设置用于调整弹性机构(456)的张紧程度。补偿装置(450)包括止转组件(461)，其包括伸展和屈曲停止件，以限定补偿装置(450)的允许的运动程度，该止转组件(461)具有安全锁(480)，用于阻止补偿装置(450)的运动。

Description

用于辅助操作者施力的系统

相关申请的交叉引用

本申请通过引用纳入以下内容：2020年10月13日提交的美国临时申请63/091,022、2017年4月25日提交的美国临时申请62/489,618、2017年11月8日提交的美国临时申请62/583,140、2017年11月27日提交的美国临时申请62/590,844、2020年8月25日提交的美国临时申请63/069,985、2017年2月21日授权的美国专利9,572,705、2014年2月25日授权的美国专利8,657,769、2012年5月8日授权的美国专利8,172,779、2016年9月1日公布的美国专利申请公开2016/0250061、2018年10月25日公布的美国专利申请公开2018/0303699，以及2020年4月22日提交的国际专利申请PCT/IB2020/053821。

技术领域

本公开涉及一种外骨骼中的用于人体的系统，以及适于增强操作者的表现、减轻重复性劳损或辅助施力的支持性辅助装置。

背景技术

可穿戴的工业外骨骼技术可提高工业环境中的耐力和安全性。这些外骨骼可提高工业生产力，并通过减少肌肉和肌腱的过度使用来防止常见的工伤。外骨骼可在剧烈活动中支持和增强操作者，包括举起、弯腰、弯曲、下蹲和高空作业，以减少雇员的疲劳和工伤。外骨骼在重复性和/或吃力的活动中会有额外的价值。在外骨骼的协助下，操作者可不费力地握住沉重的手持工具，并且通过减少肌肉疲劳来提高生产力和准确性。拥有宝贵经验和直觉的老年工人可通过外骨骼系统而在体力要求高或具有挑战性的工作中比原来工作得更久。

外骨骼系统可设置成在站立或跪姿时通过外骨骼将负载转移到地面上，并允许操作者使用重型工具，就像它们没有重量一样。外骨骼系统可配置成自然地运动，并适应不同的身体类型和高度。外骨骼系统可复制肩部的动态运动，而接口可如第二层皮肤一样包裹住操作者的身体。

一个示例性的外骨骼系统设置用于上半身，包括肩部和手臂，通过减少肩部处的力(例如，促使手臂向下的重力)来提高性能，并使操作者能够不费力地在较长时间内执行从胸部到天花板高度的任务。外骨骼可帮助操作者抬高和支撑操作者的手臂，减少在胸部以上或头顶进行的任务所带来的身体风险和不适。

已经发现，下半身、躯干和上半身的区域可从主动式和被动式外骨骼中受益。据报道，主动式和被动式外骨骼所带来的效果包括肌肉活动的减少。外骨骼具有减少会带来与工作相关的肌肉骨骼损伤的潜在因素的能力。虽然已经有了一些外骨骼，但一些技术问题阻碍了外骨骼在工业中的实际使用。具体的问题包括被动式和主动式外骨骼的不适感、设备的重量、与人体解剖学和运动学的符合性，以及检测人的意图以使主动式外骨骼顺利运动。

另一个问题是确保外骨骼系统的协助与操作者的特定需要和活动相匹配。现有的系统可提供静态或动态的辅助力，但需要复杂的控制和调节系统，这使得外骨骼系统在随后的工作班次中适应不同操作者的成本很高且不实际。而且，现有的外骨骼系统对操作者的特定体格、力量和任务的适应性不够，导致对于不同操作者来说依从性差，效果不佳。现有的外骨骼设备还在允许操作者执行不相关任务的方面的适应性较差，如果要舒适且有效地执行这些任务，就得脱掉外骨骼。

安全问题进一步限制了辅助式外骨骼系统的广泛应用和使用。由于外骨骼系统可支持操作者关节的伸展和/或屈曲，操作者可能因这些系统提供的辅助力所带来的关节的过度伸展或过度屈曲而受伤。对外骨骼系统本身或非操作者的损害也存在类似的担忧，因为储存在外骨骼系统中的张力在不使用时可能会突然释放，这导致对外骨骼系统及其周围环境造成的损害进行缓解或修复非常昂贵。存在着更安全、更直接地操作外骨骼系统的需要。

本公开的实施方案旨在克服这些技术问题，并提供外骨骼的解决方案，这些改进的外骨骼系统能克服现有的问题，并导致工业界更广泛的采用。

发明内容

本公开的系统的实施方案涉及一种被动或伪被动式外骨骼系统，用于减轻关节(如肩部)上的负荷，并协助操作者施力。本公开的实施例改进了上述讨论的现有技术的解决方案，特别是从人体工程学和使用便利性的角度。

具体而言，该系统的实施方案依赖于被动的、辅助性外骨骼的原理，该外骨骼具有主动调整或调节机构，其使用了设置成可产生与关节(如操作者的手臂)的仰角成比例的扭矩的弹性机构。根据一些实施方案，主动调整或调节机构构造成可改变弹性机构在两个末端之间的距离，以便在多个预定的张紧设置和外骨骼所提供的辅助水平中预张紧或张紧弹性机构。该弹性机构可以是基于弹簧的，包括至少一个弹性的弹簧元件。调整或调节装置可以是手动驱动的，其操作性地连接到控制系统和电机，以根据操作者的输入和传感器的反馈来选择性地和自动地张紧弹性机构。

根据一个实施方案，用于协助操作者施力的系统包括操作者可穿戴的服装。该服装可与操作者关节的相互移动部分接合。它可包括限定了至少一个旋转轴的移动框架，该框架占据了与操作者关节相对应的位置。该服装和/或框架可携带补偿装置，其可操作以补偿在操作者的施力期间作用于关节的阻力矩。服装是可选的，外骨骼可在没有这种服装的情况下使用。

补偿装置包括第一可旋转部件和第二可旋转部件，它们相互连接，并可因操作者身体的关节而围绕第一旋转轴呈相对运动。第二可旋转部件可围绕第二旋转轴线旋转。弹性机构具有至少一个弹性元件，其设置成作用于第二可旋转部件，以便在第一旋转轴上施加与阻力矩相反的力矩。

第一可旋转部件可以是齿轮，其固定地安装在第一部分上，并与第一旋转轴对齐。第二可旋转部件可以是齿轮，其固定地安装在第二部分上，可围绕第二旋转轴旋转，并根据围绕旋转轴的旋转而移动。弹性机构与第二可旋转部件接合，在第二可旋转部件的偏心点处施加线性力。第一和第二可旋转部件以及弹性机构相互间预设置有从动件和齿轮止动件，以限定所允许的从预定的最大伸展角度到预定的最大屈曲角度的运动。

第一可旋转部件可设有安全锁，用于防止第一可旋转部件的旋转或补偿装置的相应运动。该安全锁可使用设备外壳上的选择器来手动地接合，并且可以仅在预定的伸展或屈曲角度下操作。

弹性机构可以包括一组同轴弹簧，因此弹性机构的第二端可以调节，以设定弹性机构的预张紧。该组同轴弹簧可连接到第一和第二支架上。第一支架安装在第二可旋转部件的偏心点处，而第二支架安装在第二部分上。

调节装置可以连接成适于调节弹性机构中的张紧。该调节装置设置用于在多个离散的或不同的张紧设置下预张紧或大致张紧弹性机构，并将张紧置于多个离散的张紧设置中的一个处。多个离散的张紧设置可对应于操作者的体格、姿势、力量和/或任务，或者根据它们来进行选择，以优化操作者的生产力和舒适度。

通过以下描述、所附权利要求和附图，可以更好地理解本公开的这些和其他特征、方面和优点。

附图说明

图1是根据本公开的外骨骼系统的局部透视图。

图2是图1所示外骨骼系统中的主动式机构的第一侧的平面图，其中移去了一部分外壳。

图3是图2所示外骨骼系统中的主动式机构的一些部件的第一侧的平面图，其中移去了其它一部分部件。

图4是取自图3的调节装置的示意性剖视图。

图5是取自图2的止转组件的示意性剖视图。

图6A是图5所示止转组件处于第一位置的示意图。

图6B是图5所示止转组件处于第二位置的示意图。

图7A是取自图2的安全锁的分解剖视图。

图7B是取自图7A的安全锁处于解锁位置的示意性剖视图。

图7C是取自图7A的安全锁处于锁定位置的示意性剖面图。

图7D是图7A所示安全锁的示例性部件的详细视图。

附图并不一定是按比例绘制的。相反，它们绘制成为了更好地理解其中的部件，并不打算限制其范围，而是提供示范性的说明。

具体实施方式

结合附图并从以下描述中可以更好地理解本公开的不同实施方案，在附图中类似的附图标记指代类似的元件。

虽然可对本公开在结构上进行各种修改和替代，但在附图中显示了且在下文中说明了某些示例性的实施方案。然而，应该理解的是，并无意将本公开限制在所公开的具体实施例中，相反，其目的是涵盖了属于本公开的精神和范围内的所有修改、替代结构、组合和等效物。

所用的附图标记只是为了方便而提供，因此并不限定保护范围或实施例。

所述的系统是一种用于协助操作者施力的系统，例如外骨骼系统，其包括：

-可由操作者穿戴的服装，该服装在穿戴时与操作者的关节的相互移动部分接合，并限定了至少一个旋转轴，以占据与该关节相应的位置，该服装是可选的；以及

-由服装所携带的补偿装置，其设计成可操作用于在操作者的施力期间补偿作用于关节上的阻力矩。

所述系统已经在协助操作者进行涉及肩关节的施力的方面被设计出来。正如下面所看到的，所提出的相同原理也可应用于协助操作者进行涉及其他关节组或其他关节(如髋关节或膝关节)的施力的系统。

所述系统的特征在于，补偿装置包括：

-第一可旋转部件或齿轮，以及第二可旋转部件或齿轮，它们相连并可因操作者身体的关节运动而围绕旋转轴呈相对运动，其中，第二可旋转部件可围绕其轴线旋转；以及

-配备有一个或多个同轴弹性元件的组件或弹性机构，其预设置成作用于第二可旋转部件上，以便在旋转轴上施加与阻力矩相反的力矩；

-其中，第一和第二可旋转部件以及弹性机构相互间预设置有从动件和齿轮止动件，以限定所允许的从预定的最大伸展角度到预定的最大屈曲角度的运动。

上面提到的最大伸展角度和最大屈曲角度，是指弹性机构对齿轮止动件的作用使得最大伸展角度和最大屈曲角度的状态稳定。

本申请人发现，该系统的限定了在状态稳定的最大伸展角度和/或最大屈曲角度之间所允许的运动程度的可能性构成了保证操作者的充分舒适度的基本特征，尤其是对于穿戴该系统的必须执行一系列需要在长时间内保持在不同位置处的任务的人而言。

因此，所述的系统适合于构成可由操作者在整个工作班次中穿戴的系统，方便操作者在工作班次开始时着装时只需穿戴一次，而无需脱下该系统来执行与系统功能无关的辅助任务。

同样，从提高操作者舒适度的角度出发，在各种优选的实施例中，该系统的弹性机构设有用于调整弹性机构的张紧或预张紧的系统。该系统使操作者能够选择所需的协助，甚至可以完全排除协助，例如在工作班次中的长时间暂停的期间。用于调整弹性机构的张紧的系统可进一步允许该系统在多个操作者之间互换或由其穿戴，例如，在连续的班次期间，以及由可能具有不同体格、能力或待执行任务的操作者穿戴。

从下文中可以看到，在各种优选的实施方案中，所述系统有一个运动轴系统，它能以精确和流畅的方式协助和跟随关节和关节所属的可能的关节组或腰带的几乎所有运动。

事实证明，从人体工程学的角度来看，这种运动轴系统是最佳的辅助系统，并可进一步提高操作者的舒适感。

用于协助操作者施力的系统的实施方案可包括设置成如同一件衣服那样穿戴并支撑了移动框架的服装。该移动框架可设置成限定了系统的辅助运动轴，并且并限定了一个或多个自由度，以使系统能够近似地模拟操作者的运动。移动框架可包括设置在操作者背部且接近操作者肩胛骨的线性导轨，并通过其连接到服装上，以便基于操作者的当前任务而密切符合操作者的独特体格和力量。

线性导轨可限定相对于操作者的平移轴。它们可支撑补偿装置，其包括限定了系统的辅助旋转轴的铰接件。铰接件可限定第一和第二旋转轴，它们分别对应于手臂的外展/内收和肩膀的旋转。由铰接件所限定的第三旋转轴对应于系统的辅助旋转轴。还提供了辅助性力矩，以增强和协助操作者施力。

铰接件可包括第一和第二齿轮或可旋转部件，它们可响应操作者手臂的运动而围绕辅助旋转轴运动。该铰接件可包括具有弹性机构的组件，该弹性机构设置成可提供围绕第二可旋转部件的力矩，并且补偿阻力矩，例如重力，其在操作者的运动期间作用于关节，例如肩关节。

在一些实施方案中，弹性机构可由布置在铰接件中的支架来支撑。第一可旋转部件在操作者的关节运动时旋转，并产生围绕第三旋转轴的旋转。第一可旋转部件的旋转使第二可旋转部件旋转，并调整弹性机构的张紧。然后，弹性机构的增加或减少的张紧通过第二可旋转部件转移或传递到第一可旋转部件，从而影响操作者的关节，例如使操作者的手臂从中立位置处更容易地抬起。张紧可根据第一和第二可旋转部件的齿轮减速比来从第二可旋转部件传递到第一可旋转部件。该齿轮减速比选择成使得施加在操作者关节上的扭矩具有由重力引起的曲形；例如，由该齿轮减速比产生的扭矩在90度时可能有最大值。

弹性机构的一个支架可偏心地安装在第二可旋转部件上，使得弹性机构施加给或从弹性机构转移到操作者的力取决于第二可旋转部件的旋转角度。这些部件可以预定的方式布置，以便在所需的手臂位置处产生所需的扭矩；例如，可通过弹性机构围绕第三旋转轴产生的扭矩来协助操作者将手臂抬起并保持在头顶。

由弹性机构施加的张紧可通过螺丝操作型或旋钮式手动装置进行手动调整或选择，该装置可包括一些不连续的档位。手动装置可调整支架之间的距离，使得弹性机构的张紧可独立于第二可旋转部件的旋转来调整。操作者可选择所需的张紧。

本公开的实施例有利地提供了一种改进的机制，用于选择和调整弹性机构中的张紧。张紧的程度可在操作者的任务期间根据不同操作者的体格和能力而动态地变化。

如图1所示，用于协助操作者施力的外骨骼系统410可包括服装412，该服装可由操作者穿戴，并设置成处于与操作者的关节相对应的位置。该服装412可额外地设置成一条或多条延伸至操作者的带子，以固定外骨骼系统410。该服装是可选的，外骨骼系统可以没有这样的服装。

外骨骼系统410还可包括由服装412所携带或支撑于服装412上的补偿装置450，其设置用于补偿在操作者的施力期间作用于关节的阻力矩，例如将操作者的手臂向下拉的重力所造成的影响。在一些实施例中，补偿装置450可包括设置在操作者的每个手臂(一般为操作者的上臂或肩部)上的单独的或独立的单元。在其他一些实施方案中，补偿装置450可居中地设置在操作者的背部，或其他位置。补偿装置450的功能是协助操作者施力，例如但不限于抬起手臂、举起或操纵物体、压住表面、将手臂保持在所需的位置，或其他操作。

外骨骼系统410可包括框架411，其设置成可支持操作者的补偿装置450。框架411可包括延伸到使用者肩胛骨的附近并与脊柱支撑部分413大致相对的线性导轨414。脊柱支撑部分413可连接到服装412，和/或通过未显示的腰部支撑部分连接到服装412。框架411可由具有足够强度的材料形成，以支撑补偿装置450，并在操作者从事潜在的体力劳动时传递力。框架411也可由具有足够延展性的材料形成，以便根据操作者的体格进行调整或变形。

补偿装置450可连接到框架411和线性导轨414，特别是通过滑块组件416。滑块组件416可设置成选择性地沿着线性导轨414平移，以符合操作者的独特体格，例如肩宽和身高，从而获得最佳的舒适性和顺应性。滑块组件416可设置成在所需的位置处锁定，并被释放以移动到新的位置。滑块组件416可连接到每个手臂处的外展/内收组件418上。外展/内收组件418设置成可提供第一自由度，并允许操作者自然地外展/内收手臂。在一些实施方案中，滑块组件416可设置成实现外展/内收组件418和操作者关节之间的改进的运动学兼容性，以用于在横向平面内执行的外展运动。

第一元件420和第二元件422可将补偿装置450连接到外展/内收组件418。第一元件420和第二元件422可在关节臂424处铰接，从而允许操作者在第二自由度上相对于身体水平地外展/内收手臂。

补偿装置450可在带子426处连接到操作者的手臂上，以允许手臂的运动来促动补偿装置450的可旋转部件，如在此更详细地描述。所描述的设置不是限制性的，也可以提供替代性的设置、运动、自由度、连接和部件来形成根据本公开的系统。

如在图2和3所示的实施方案中所看到的那样，补偿装置450可包括容纳在外壳452内的第一可旋转部件或齿轮462和第二可旋转部件或齿轮464。第二可旋转部件464可在接合部分454处与第一可旋转部件462接合，并可相对于其旋转。第一可旋转部件462可设置成因操作者的关节运动而围绕第一旋转轴I3进行相对运动。

补偿装置450还可包括弹性机构456，其具有与第二可旋转部件464连接的第一端，并布置成在第一旋转轴I3处施加与阻力矩(例如将操作者的手臂向下拉的重力矩)相反的力矩。弹性机构456可包括至少两个同轴弹簧472、474，它们在第一支架组件466和第二支架组件468之间张紧。所述至少两个同轴弹簧472、474可包括两个平行安装的拉伸螺旋弹簧，其中一个较小的弹簧474同轴地置于一个较大的弹簧472内。第一支架组件466和第二支架组件468可分别设有至少两个孔476，用于连接到至少两个同轴弹簧472、474。虽然弹性机构被描述为具有至少两个或更多的同轴弹簧，但所述实施方案并不是限制性的，而是可包括任何合适的部件或组合。

根据一些实施方案，使用至少两个同轴弹簧472、474可在弹性机构456中进行更精细和更简单的张紧调整。此外，由于至少两个同轴弹簧472、474可包括平行安装的两个拉伸螺旋弹簧，其中一个较小的弹簧474同轴地置于一个较大的弹簧472内，因此相对于已知的外骨骼系统而言，这一设置减少了补偿装置450的尺寸。弹性机构456的尺寸减小和紧凑性有利地使补偿装置450的外形更小、更不占地方，并使该装置的重量降低。

第一支架组件466可通过延伸穿过第一支架组件466和第二可旋转部件464的枢轴销478而可枢转地连接到第二可旋转部件464。枢轴销478允许第一支架组件466围绕第四旋转轴I6旋转。第四旋转轴I6相对于与第二可旋转部件464对应的第二旋转轴I4偏移，并与之平行。通过与第二旋转轴I4分开来设置，第一支架组件466可设置在预定的位置，用于根据操作者的关节的特定运动在关节的整个允许运动范围内调整弹性机构456的张紧。

第一可旋转部件462可根据第二可旋转部件464来旋转，这通过在接合部分454处与第一可旋转部件462接触并相对旋转来实现。第一可旋转部件462和第二可旋转部件464可包括多个彼此啮合的对应齿477、479。

第一可旋转部件462可形成为肩部齿轮或任何合适的固定件。当第一可旋转部件462响应于操作者的手臂运动而旋转时，第二可旋转部件464可旋转以协助操作者施力。

外骨骼系统410还可包括调节装置458，其连接到弹性机构456的第二端，并设置成可调节其中的张力，如图4的示意性剖视图所示。第二支架组件468可枢转地连接到调节装置458的联动组件460，这通过延伸穿过第二支架组件468和联动组件460的枢轴销492来实现。枢轴销492允许第二支架组件468围绕第三旋转轴I5旋转，使得至少第一弹簧472和第二弹簧474可被调节装置458拉紧，同时根据操作者手臂的运动进行旋转。

调节装置458可通过增加或减少第一支架组件466和第二支架组件468之间的距离L1来调节弹性机构456的长度，例如响应于对操作者关节位置的检测或操作者的特定偏好。

调节装置458可包括螺钉或转盘485，其设置成通过促动可改变联动组件460的位置的凸轮组件486来线性地调节弹性机构456的长度。联动组件460可包括杆或突起484，用于与凸轮组件486相互作用。突起484作为凸轮从动件来操作，能够响应于使用转盘来转动凸轮组件486而进行线性运动。凸轮组件486可具有不规则的形状，例如，凸轮490形成有多个台阶，它们对应于第一支架组件466和第二支架组件468之间的距离L1的预定变化。

由于图3所示的凸轮490的形状，凸轮组件486的效果可以是联动组件460在补偿装置450的第一端442和第二端444之间的线性运动。由于联动组件460与第二支架组件468连接，并包括与凸轮组件486接合的突起484，因此可以根据所需的协助程度来调节弹簧472、474，例如仅通过旋转转盘485。例如，根据操作者的需要，当操作者旋转转盘485时，转盘485可用于使联动组件460在远离第二可旋转部件464的方向D2上移动，以及反之在朝向第二可旋转部件464的方向D1上移动，如在此更详细地讨论的那样。

虽然上面描述了使用转盘485进行手动调节，但外骨骼系统410可构造成实现自动的或可编程的辅助水平。例如，调节装置458可包括马达，例如伺服马达，其设置成可根据处理器或控制单元的输入来调节转盘485，或直接调节凸轮组件486。该马达可设有传感器，例如编码器，其可设置用于将转盘485或凸轮组件486的位置传输给处理器或控制单元。

如在图5中更详细地看到的，补偿装置450还可包括止转组件461，其包括伸展和屈曲止动件，以限定补偿装置450的允许的运动程度。止转组件461可与连接到第一可旋转部件462的从动件463相接合。从动件463可包括突起467，其设置成在达到最大屈曲和伸展角度时分别与止动面471A、471B接合。止动面471A、471B可包括与外壳452连接的齿轮止动件469。止转组件461和弹性机构456可设置成使得由补偿装置450产生的扭矩在预定的伸展或屈曲位置处作用于止动面471A、471B，从而能够稳定地保持最大伸展或屈曲的状态。

如图6A-6B所示，止动面471A、471B可设置成限定了伸展极限行程θ1和屈曲极限行程θ2，例如，-30°的伸展极限行程和180°的屈曲极限行程。止转组件461可用于安全，这通过防止关节的伸展或屈曲超过预定的伸展和屈曲极限行程来实现。止转组件461还可用于在长时间内保持最大伸展或屈曲，以便在需要最大伸展或屈曲的长时间的施力期间协助操作者抵抗相反的作用力。

根据图7A到7D的实施方案，止转组件461还可设有安全锁480，其用于固定补偿装置450(例如在未被穿戴时)，以避免弹性能量的突然释放。安全锁480可包括选择器或杠杆473，其设置用于供使用者实现从锁定位置到解锁位置的促动。选择器473可设有柱塞470或其他构件，用于在从一个位置移动到另一个位置时产生触觉和/或声音反馈，以便有助于使用者激活或停用安全锁。

安全锁480可包括枢轴销481，其设置成例如沿着第四旋转轴16从选择器473延伸到第一可旋转部件462上方的位置。枢轴销481构造成随着选择器473的动作而移动和/或旋转，并导致通过枢轴销491固定在第一可旋转部件462上的锁定件482的相应旋转。锁定件482设置成响应于枢轴销481的移动或旋转而在枢轴销491处围绕第五旋转轴17旋转。

例如，如图7D所示，枢轴销481可延伸到形成在锁定件482的第一端处的凹槽483中。枢轴销481的运动导致锁定件482围绕第五旋转轴I7转动。当从图7B中所示的打开位置旋转到图7C中的锁定位置时，锁定件482的第二端494会旋转并延伸到连接到外壳452的齿轮止动器469的止动表面471A处。

止转组件461可构造成只允许锁定件482在一定的伸展/屈曲角度处或在某个伸展/屈曲角度窗口内旋转。如图7B到7C所示，锁定件482可被齿轮止动器469限制旋转。只有在达到最大伸展角度或指定的伸展/屈曲角度窗口时，它才可以通过作用于选择器473而主动式接合。突起467可与止动面471B接触。在最大伸展角度或伸展/屈曲角度窗口之外，对选择器473的作用受到齿轮止动件469的限制，以防止锁定件482的第二端494伸出。此外，锁定件482的第二端494可构造为具有面对齿轮止动件469的止动面471A的平面，使得止动面471A可与锁定件482接合。

通过提供根据本公开的实施方案的用于协助操作者施力的系统，解决了外骨骼和其他辅助系统不能很好地适应各个操作者的独特体格、需求和任务的问题，这是因为补偿装置可包括调节装置，其能根据操作者的特定偏好和反馈来调整张紧程度，以及调整提供给操作者的协助。因此，该系统能够向操作者提供更好的、更准确的帮助。所述的实施方案进一步提供了一种用于协助操作者施力的系统，其提供了改进的人体工程学和易用性，这尤其是通过操作补偿装置来提供可调节的和不连续的扭矩量以协助执行某些施力动作的操作者来实现。

在不影响本发明原理的情况下，针对已经完全通过非限制性例子说明的内容而言，结构和实施方案的细节可以不同，甚至是显著的不同，这都不偏离本公开的范围，因为这是由所附的权利要求书定义的。

虽然本公开讨论了肩部的实施方案，但本公开的实施方案可用于其他肢体、关节和解剖部分，包括躯干、肘部、手腕/手、髋部、膝部和脚/踝。本系统的实施方案可用于其他骨科、假肢、医疗和其他设备，并不限于所示的实施方案。

在本公开的一个实施方案中并不一定能实现所有这些目标或优点。本领域的技术人员将认识到，本公开的实施或执行可以实现或优化所教导的一个优点或一组优点，而不用实现所教导或建议的其他目的或优点。

本领域的技术人员将认识到所描述的不同实施方案中的各种部件的可互换性。除了所描述的变化之外，本领域的普通技术人员可以混合和匹配每个特征的其他已知等价物，以根据本公开的原理来构建铰链组件。因此，所描述的实施方案可适用于任何合适设备的系统，包括整形外科、假肢、医疗和其他设备。

尽管在某些优选的实施方案和实施例中已经公开了用于协助操作者施力的系统，然而本领域的技术人员将理解，本公开超出了所公开的实施方案的范围，并延伸到该系统的其他替代实施方案和/或用途以及明显的修改和等同物。其目的是，所公开的本系统的范围不应受到上述公开的实施方案的限制，而应仅通过公正地阅读所附的权利要求来确定。

Claims (20)

1.一种外骨骼系统(410)，设置用于供操作者穿戴并位于与操作者的关节相对应的位置，所述外骨骼系统(410)包括：

补偿装置(450)，操作用于补偿在操作者的施力期间作用于所述关节的阻力矩，所述补偿装置(450)包括：

第一可旋转部件(462)和第二可旋转部件(464)，所述第二可旋转部件(464)在接合部分(454)处与所述第一可旋转部件(462)接合，并设置成能因操作者的所述关节的运动而围绕第一旋转轴(I3)呈相对运动，所述第二可旋转部件(464)能够围绕第二旋转轴(I4)旋转；

弹性机构(456)，包括与所述第二可旋转部件(464)连接的第一端，以在所述第一旋转轴(I3)上施加与所述阻力矩相反的力矩；和

调节装置(458)，其连接到所述弹性机构(456)的第二端，用于通过调节所述第一端和第二端之间的距离(L1)来调节所述弹性机构(456)的张紧。

2.根据权利要求1所述的外骨骼系统(410)，其特征在于，用于调节所述弹性机构(456)的张紧的调节装置(458)包括凸轮(486)和从动件(460，484)，所述从动件(460，484)连接到所述弹性机构(456)的第二端。

3.根据权利要求2所述的外骨骼系统(410)，其特征在于，所述弹性机构(456)包括在第一支架组件(466)和第二支架组件(468)之间张紧的至少一个弹性元件(472，474)，所述至少一个弹性元件(472，474)的长度设置成通过所述调节装置(458)提供的线性运动来调节。

4.根据权利要求2所述的外骨骼系统(410)，其特征在于，所述凸轮(486)的表面轮廓包括用于所述调节装置(458)的多个预定的张紧档位，所述多个预定的张紧档位对应于所述弹性机构(456)的第一端和第二端之间的不同的距离(L1)。

5.根据权利要求4所述的外骨骼系统(410)，其特征在于，还包括与所述凸轮(486)连接的转盘(485)，其中，所述凸轮(486)的多个预定的张紧档位通过所述转盘(485)的旋转来手动地调节，所述从动件(460，484)设置成根据所述转盘(485)和凸轮(486)的旋转而在第一方向(D1)和第二方向(D2)上线性移动，以调节所述弹性机构(456)的张紧。

6.根据权利要求1所述的外骨骼系统(410)，其特征在于，所述弹性机构(456)包括至少两个同轴弹簧(472，474)。

7.根据权利要求6所述的外骨骼系统(410)，其特征在于，所述至少两个同轴弹簧(472，474)中的第一弹簧(472)大于第二弹簧(474)，所述第二弹簧(474)设置在所述第一弹簧(472)的内部。

8.根据权利要求6所述的外骨骼系统(410)，其特征在于，所述至少两个同轴弹簧(472，474)中的每一个在所述弹性机构(456)的第一端处与第一支架组件(466)相连，并在所述弹性机构(456)的第二端处与第二支架组件(468)相连。

9.根据权利要求8所述的外骨骼系统(410)，其特征在于，还包括将所述弹性机构(456)的第二支架组件(468)固定到所述从动件(460，484)上的枢轴销(492)，使得所述第二支架组件(468)能够围绕第三旋转轴(I5)枢转。

10.根据权利要求8所述的外骨骼系统(410)，其特征在于，所述第一支架组件(466)在枢轴点处围绕第四旋转轴(I6)枢转式连接到所述第二可旋转部件(464)，所述第四旋转轴(I6)相对于所述第二旋转轴(I4)偏移并平行。

11.根据权利要求1所述的外骨骼系统(410)，其特征在于，还包括止转组件(461)，其设置成至少在所述第一可旋转部件(462)的最大伸展角度处与连接到所述第一可旋转部件(462)的从动件(463)接合。

12.根据权利要求11所述的外骨骼系统(410)，其特征在于，所述止转组件(461)包括齿轮止动件(469)，其具有设置成至少在最大伸展角度处与所述从动件(463)接合的第一止动面(471A)和第二止动面(471B)，所述齿轮止动件(469)固定到外壳(452)上。

13.根据权利要求11所述的外骨骼系统(410)，其特征在于，所述止转组件(461)设置成至少在所述第一可旋转部件(462)的最大屈曲角度处与连接到所述第一可旋转部件(462)的从动件(463)接合。

14.根据权利要求11所述的外骨骼系统(410)，其特征在于，所述从动件(463)限定了突起(467)，其设置成根据所述从动件(463)旋转到最大伸展角度而与所述第一止动面(471A)和第二止动面(471B)接合，所述第一止动面(471A)和第二止动面(471B)由固定地连接到外壳(452)上的齿轮止动件(469)限定。

15.根据权利要求11所述的外骨骼系统(410)，其特征在于，最大伸展角度为-30°。

16.根据权利要求13所述的外骨骼系统(410)，其特征在于，最大屈曲角度为180°。

17.根据权利要求1所述的外骨骼系统(410)，其特征在于，还包括止转组件(461)和安全锁(480)，所述止转组件(461)设置成与连接到所述第一可旋转部件(462)的所述安全锁(480)的手动可调的锁定件(482)相接合。

18.根据权利要求17所述的外骨骼系统(410)，其特征在于，所述止转组件(461)包括齿轮止动件(469)，其具有第一止动面(471A)和第二止动面(471B)，所述第一止动面(471A)设置成至少在最大伸展角度处与所述锁定件(482)接合，所述齿轮止动件(469)固定到外壳(452)上。

19.根据权利要求18所述的外骨骼系统(410)，其特征在于，所述安全锁(480)还包括选择开关(473)，其设置成能促动所述锁定件(482)从与所述止转组件(461)脱离的解锁位置运动到与所述止转组件(461)的第一止动面(471A)接合的锁定位置。

20.根据权利要求1所述的外骨骼系统(410)，其特征在于，所述第一可旋转部件(462)和第二可旋转部件(464)具有相互接合的相应齿(477，479)。