DE112017000435T5

DE112017000435T5 - Steuerungsmechanismen und -verfahren des Werkzeughaltearms für Exoskelette

Info

Publication number: DE112017000435T5
Application number: DE112017000435.7T
Authority: DE
Inventors: Adam Pruess; Chris Meadows; Kurt Amundson; Russ Angold; James Lubin; Mario Solano; Tom Mastaler; Nicholas Fleming; Matt Sweeney
Original assignee: Ekso Bionics Inc
Current assignee: Ekso Bionics Inc
Priority date: 2016-01-20
Filing date: 2017-01-20
Publication date: 2018-10-11
Also published as: GB2562398A; WO2017127683A1; GB201811214D0; US11577410B2; GB2562398B; US20190291285A1; CN109071116A

Abstract

Werkzeughaltearm (405, 505), der eine Vielzahl von Gliedern (409, 410, 509, 510) und eine Werkzeugkopplung (406, 506), die derart konfiguriert ist, dass ein Werkzeug (403, 430, 503) lösbar an dem Werkzeughaltearm (405, 505) befestigt werden kann, aufweist. Eine erste Fluidfeder (445, 533, 536) stellt eine der Schwerkraft entgegenwirkende Kraft dem Werkzeughaltearm (405, 505) bereit. Ein Verriegelungsmechanismus (422, 450, 552) verriegelt selektiv die erste Fluidfeder (445, 533, 536). Ein Anpassungsmechanismus (520, 550) passt selektiv eine Menge der der Schwerkraft entgegenwirkenden Kraft, die von der ersten Fluidfeder (445, 533, 536) bereitgestellt wird, an.

Description

Querverweis auf verwandte Anwendungen
Diese Anmeldung beansprucht den Vorteil bzw. Benefit der vorläufigen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 62/280,896 , die am 20. Januar 2016 mit dem Titel „Devices for Improving the Utility of Human Exoskeletons“ eingereicht wurde. Der gesamte Inhalt dieser Anmeldung wird hier durch Verweis bzw. Bezug aufgenommen.
Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen und Verfahren, die die Tragfähigkeit und Stärke eines Trägers erhöhen bzw. verbessern, die Leistung steigern und bei der Vermeidung von Verletzungen bei der Ausführung bestimmter lasttragender oder krafterfordernder Aufgaben helfen. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Steuerungsmechanismen und - verfahren, die für die Verwendung bzw. Anwendung durch eine Person geeignet sind, die schwere Werkzeuge verwendet oder gewichttragende Aufgaben ausübt, insbesondere in Kombination mit einer Exoskelettvorrichtung, die eine verbesserte Funktion der Anhängsel bzw. des Zubehörs der Person für Tätigkeiten bzw. Aktivitäten ermöglicht bzw. verstärkt, die eine größere Kraft und Ausdauer in den Armen des Trägers und eine längere Verwendung des schweren Werkzeugs ermöglichen, aber hierauf nicht beschränkt sind.
Hintergrund der Erfindung
Tragbare Exoskelette wurden für medizinische, kommerzielle und militärische Anwendungen entwickelt. Medizinische Exoskelette wurden entworfen um dabei zu helfen, die Mobilität eines Anwenders wiederherzustellen. Kommerzielle und militärische Exoskelette helfen, Verletzungen zu vermeiden und die Kraft des Anwenders zu erhöhen bzw. zu vermehren. Kommerzielle und militärische Exoskelette werden eingesetzt bzw. verwendet, um Lasten, die von Arbeitern oder Soldaten bei anstrengenden Tätigkeiten gestützt werden, zu lindern und dadurch Verletzungen vorzubeugen und ihre Ausdauer und Kraft zu erhöhen.
Exoskelette, die für die Verwendung durch körperlich gesunde bzw. leistungsfähige Träger entwickelt wurden, verbessern oft die Ausdauer des Trägers, indem sie das Gewicht eines Werkzeugs oder einer Last über+ die Exoskelettstruktur in den Boden übertragen und so das auf den Träger wirkende Gewicht verringern. In einigen Fällen sind die werkzeughaltenden Exoskelette mit einem nicht-anthropomorphen bzw. nicht-menschlichen Werkzeughaltearm ausgestattet, der das Gewicht des Werkzeugs stützt und die Ermüdung des Anwenders durch Bereitstellung von Werkzeughalteunterstützung reduziert. Der Werkzeughaltearm überträgt die vertikale Kraft, die benötigt wird um das Werkzeug zu halten, durch den vom Exoskelett gestützten Werkzeughaltearm und nicht durch die Arme und den Körper des Anwenders. In anderen Fällen ist die Exoskelettstruktur im Allgemeinen anthropomorph bzw. menschlich und wirkt zusammen mit dem Körper des Anwenders, um einen Teil oder das gesamte Werkzeuggewicht zu stützen, indem sie die Positionierung der Arme des Trägers unterstützt und dann das Werkzeuggewicht um den Körper des Trägers und in den Boden überträgt. Gewichttragende Exoskelette übertragen das Gewicht der Exoskelettlast über die Beine des Exoskeletts und nicht über die Beine des Anwenders. In einigen Fällen wurden gewichttragende Exoskelette zum Tragen einer bestimmten Last, wie beispielsweise einen schweren Rucksack, entwickelt. In anderen Fällen stützen militärische gewichttragende Exoskelette das Gewicht der Panzerung bzw. Rüstung. Kommerzielle und militärische Exoskelette können angetriebene Gelenke aufweisen, die die Stärke des Exoskelettanwenders vermehren, wobei diese angetriebenen Gelenke durch das Exoskelettsteuerungssystem gesteuert werden, und wobei der Exoskelettanwender eines aus einer Vielzahl von möglichen Eingabemitteln verwendet, um das Exoskelettsteuerungssystem zu steuern.
Bei bestromten bzw. angetriebenen Exoskeletten schreiben Exoskelettsteuerungssysteme Trajektorien bzw. Verläufe in den Gelenken eines Exoskeletts vor und steuern diese, was zur Bewegung der Exoskelettstruktur und in einigen Fällen zur Positionierung eines vom Exoskelett gestützten Werkzeugs führt. Diese Steuerungstrajektorien bzw. -verläufe können als positionsbasiert, kraftbasiert oder als eine Kombination von beiden Verfahren vorgeschrieben sein, wie sie in Impedanzsteuerungen zu sehen sind. Positionsbasierte Steuerungssysteme können direkt durch Modifikation der vorgeschriebenen Position modifiziert werden. Kraftbasierte Steuerungssysteme können auch direkt durch Modifikation der vorgeschriebenen Kraftprofile modifiziert werden. Da Exoskelettanwender und Exoskelettwerkzeuge in ihrer Proportion variieren, werden unterschiedlich angepasste oder individuell angepasste, angetriebene Exoskelette für jeden Anwender etwas unterschiedlich passen. Das Exoskelettsteuerungssystem kann diese Unterschiede in Bezug auf die Proportion des Exoskelettanwenders, die Exoskelettkonfiguration/-anpassung, die Exoskelettanwenderanpassung und die Werkzeugunterstützung berücksichtigen, um Änderungen an den vorgeschriebenen Exoskelett-Trajektorien bzw. -verläufen vorzunehmen. Der Exoskelettanwender kann Änderungen in Exoskelett-Trajektorien bzw. -verläufen durch Kommunikation mit dem Exoskelettsteuerungssystem mittels der Verwendung eines von einer Vielzahl von Mitteln steuern, die Körperdrucksensoren, Joysticks, Touchpads, Sensoren für Gesten, Stimmsensoren, und Sensoren, die direkt Nervensystemaktivitäten erkennen, enthalten, aber sind hierauf nicht beschränkt.
In nicht angetriebenen werkzeughaltenden Exoskeletten stellt der Exoskelettträger die Kraft bereit, um die Exoskelettstruktur und alle befestigten Werkzeuge zu bewegen, wobei das Exoskelett dem Träger hilft, indem es das Gewicht der Werkzeuge in bestimmten Positionen stützt, bei bestimmten Werkzeug- oder Exoskelettbewegungen hilft und das Gewicht der Werkzeuge um den Körper des Trägers herum über die Beinstrukturen des Exoskeletts in die Stützoberfläche überträgt.
Sowohl bei angetriebenen als auch bei nicht angetriebenen werkzeughaltenden Exoskeletten spielt die Entwicklung der Exoskelettstruktur, und insbesondere die Struktur des Werkzeughaltearms und des Werkzeughaltearmbefestigungspunkts oder die Struktur des anthropomorphen Arms, der bei der Werkzeugunterstützung hilft, eine wesentliche Rolle für die Nützlichkeit des Exoskeletts für den Träger bei Werkzeugverwendungsanwendungen. Die spezifische Struktur des Exoskelettarms oder der Werkzeugstützstruktur ist variabel für spezifische Werkzeuge und spezifische Bewegungen, die der Träger durchführt, geeignet. Beispiele für bekannte nicht-anthropomorphe Werkzeughaltearme umfassen die zeroGR®- und Steadicam®-Arme. Diese nicht angetriebenen Arme weisen einen Mechanismus auf, der ein oder mehrere Federelemente aufweist, die dazu dienen, das Gewicht des Werkzeugs oder der Kamera, das bzw. die an dem Ende des Arms befestigt wurde, zu kompensieren bzw. auszugleichen und das Gewicht der befestigten Vorrichtung zu stützen, während die Person, die den Arm führt bzw. leitet, den Arm und die befestigte Vorrichtung bei Bedarf leicht neu positionieren kann.
Die 1A und 1B zeigen eine Stützapparatur bzw. eine Stützvorrichtung des Stands der Technik, die bzw. das ursprünglich zum Erhalten stabilisierter Film- und Videobilder entwickelt wurde und unter der Marke Steadicam® zum Verkauf angeboten wurde. Siehe auch U.S.-Patent Nr. 4,208,028 und 7,618,016 . Der Stützarm der Vorrichtung enthält wie dargestellt ein Paar paralleler Oberarmglieder 102, 104, die an einem Ende schwenkbar mit einer Verbindungsscharnierhalterung 106 gekoppelt sind. Die anderen Enden der Oberarmglieder 102, 104 sind schwenkbar mit einer Oberarmmittelscharnierhalterung 108 gekoppelt. Ein zweites Paar paralleler Unterarmglieder 110, 112 ist schwenkbar zwischen einer Unterarmmittelhalterung 114 und einer Kamerastützhalterung 116 gekoppelt. Ein Kamerabefestigungsbolzen bzw. -stift 117 ist in der Kamerastützhalterung 116 bereitgestellt. Die Oberarmmittelscharnierhalterung 108 und die Unterarmmittelhalterung 114 sind drehbar entlang einer Seite mittels eines Scharniers 118 miteinander gekoppelt. Die Verbindungsscharnierhalterung 106 ist drehbar an ihrem Mittelpunkt mit einem Ende der unteren Stützscharnierplatte 120 gekoppelt. Das andere Ende der unteren Stützscharnierplatte 120 ist drehbar an einen fixierten Stützblock 122 mittels eines Bolzens 123 gekoppelt. Eine Feder 121, durch die sich der Bolzen 123 erstreckt, spannt die untere Stützscharnierplatte 120 im Uhrzeigersinn vor. Ein Ende einer Spannfeder 124 ist mit dem Ende des Oberarmglieds 102, das drehbar mit der Oberarmmittelscharnierhalterung 108 gekoppelt ist, gekoppelt. Das andere Ende der Spannfeder 124 ist mit einem Ende einer Spannfeder 126 mittels eines Kabelabschnitts 128 gekoppelt, der auf und um eine Riemenscheibe 130 verläuft, die drehbar mit dem Oberarmglied 102 gekoppelt ist. Das andere Ende der Spannfeder 126 ist mit einem Ende der Spannfeder 132 mittels eines Kabelabschnitts 134 gekoppelt, das auf und um eine Riemenscheibe 136 verläuft, die drehbar mit dem Oberarmglied 104 gekoppelt ist. Das andere Ende der Spannfeder 132 ist mit dem Ende des Oberarmglieds 104, das neben der Verbindungsscharnierhalterung 106 liegt, gekoppelt. Gleichermaßen ist ein Ende einer Spannfeder 138 mit dem Ende eines Unterarmglieds 110, das neben der Kamerabefestigungshalterung 116 liegt, gekoppelt. Das andere Ende der Spannfeder 138 ist mit einer Spannfeder 140 mittels eines Kabels 142 gekoppelt, das auf und um eine Riemenscheibe 144 verläuft, die drehbar mit dem Unterarmglied 110 gekoppelt ist. Das andere Ende der Spannfeder 140 ist mit einem Ende einer Spannfeder 146 mittels eines Kabels 148 gekoppelt, das auf und um eine Riemenscheibe 150 verläuft, die drehbar mit dem Unterarmglied 112 gekoppelt ist. Das andere Ende der Spannfeder 146 ist mit dem Ende des Unterarmglieds 112, das neben der Unterarmmittelscharnierhalterung 114 liegt, gekoppelt.
Ein Gewicht, wie beispielsweise eine Kamera, das von der Stützhalterung 116 gestützt wird, verhält sich wie ein Objekt im freien Raum jenseits der Schwerkraft, da die nach oben gerichteten Kräfte bzw. Aufwärtskräfte, die die Spannfedern 124, 126, 132, 138, 140 und 146 ausüben, faktisch der Schwerkraft entgegenwirken. Das Gewicht neigt dazu, sich in einer geraden Linie zu bewegen, bis es anderweitig beeinflusst wird, und neigt dazu, den gleichen Winkel beizubehalten, bis es anderweitig beeinflusst wird. Als Ergebnis entsprechen die Oberarmglieder 102, 104 annähernd dem Oberarm des Anwenders und die Unterarmglieder 110, 112 entsprechen annähernd dem Anwenderunterarm in ihrer dreidimensionalen Geometrie, da der Stützarm entweder hoch, niedrig oder beidseitig verwendet wird. Der Anwender kann die Position des Stützarms einstellen bzw. anpassen, indem er mit den Anwenderarmen Kraft auf das Werkzeug ausübt, die den Stützarm relativ zu seinem oder ihrem Körper bewegt. Aufgrund der der Schwerkraft entgegenwirkenden Wirkung des Stützarms trägt der Anwender nicht das Gewicht bzw. die Last einer stationären Kamera/eines stationären Werkzeugs oder eines Stützarms, sondern übt nur Kraft aus, wenn er die Position des Stützarms relativ zum Anwenderkörper verändert Ähnliche Stützarme sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden in Objekten wie Lampen oder den Stützarmen für medizinische Röntgengeräte gesehen. In einigen Ausführungsformen werden die Federn durch Gasfedern bzw. Gasdruckfedern oder anderen ähnlichen Vorrichtungen ersetzt, die die gleiche Rolle bei der Ausübung einer der Schwerkraft entgegenwirkenden Kraft auf den gewichtstützenden Arm spielen.
Da die nach oben wirkenden Kräfte, die die Stützarmspannfedern 124, 126, 132, 138, 140 und 146 ausüben, das an der Stützhalterung 116 gestützte Gewicht stützen, sollten die Kräfte der Spannfedern auf das Gewicht des an der Stützhalterung 116 gestützten Objekts abgestimmt sein. Dies erfordert Änderungen der Federkraft, wenn ein anderes Objekt befestigt wird, das ein unterschiedliches Gewicht besitzt, um die nach oben und nach unten gerichteten Kräfte anzupassen und wodurch ein „schwereloses“ bzw. „gewichtsloses“ Objekt, das am Schwerkraftausgleichsarm befestigt ist, erzeugt wird. Eine Änderung der Kamera oder des Werkzeugs, das am Ende des Stützarmes befestigt ist, führt somit zu einer Veränderung des vom Arm gestützten Gewichtes und erfordert eine Änderung der Kräfte, die von den Spannfedern ausgeübt werden. 2A zeigt schematisch zwei Positionen des Hubdreiecks ABC, das in einem parallelogrammförmigen Stützgestänge (wobei der zuvor gezeigte Werkzeugstützarm zwei solche parallelogrammförmige Stützgestänge aufweist) integriert ist. Ein federndes bzw. elastisches Element 203 bildet eine Seite des kraftausübenden Dreiecks, das hier als Hubdreieck ABC dargestellt ist. Das federnde bzw. elastische Element 203 ist hier als Spannfeder dargestellt. In dieser Darstellung grenzt eine Seite 201 in beiden Positionen an eine feste Seite 205 an, und ein Federbefestigungspunkt 219 befindet sich auf der Linie zwischen Punkt A und einem Angelpunkt bzw. Drehpunkt 226. Um einem Gewicht über die gesamte mögliche Auslenkung des Parallelogramms 202, 204, 205, 206 wie dargestellt exakt entgegenzuwirken, würde die Spanneinheit die Federrate, die durch die Formel K=P/Dy vorgegeben ist, benötigen, wobei K die Federrate, P die Last und Dy die Höhe der Seite 201 ist. Die Spannfeder würde nur dann in den vorhandenen diagonalen Abstand BC wie gezeigt passen, wenn eine unpraktisch hohe Federrate und ein unpraktisch niedriger Wert für die Seite 201 verwendet würden (z.B. wenn P 40 Ibs wäre, würde eine Federrate von 160 Ibs/inch genau P entgegenwirken, wenn die Länge der Seite 201 0,25 Inch wäre). Wenn die Länge der Seite 201 erhöht würde, würde das Gewicht von P notwendigerweise proportional zunehmen, um im Gleichgewicht mit der Hubkraft des Dreiecks ABC zu bleiben.
Der Stand der Technik weist auch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Änderung der Hubkraft des kraftausübenden Dreiecks auf, in dem der Endpunkt derart angepasst wird, dass die Länge der dritten Seite des kraftausübenden Dreiecks verändert wird. Siehe auch U.S.-Patent Nr. 7,618 , 016 . Der Endpunkt wird weiter in eine Richtung eingestellt bzw. angepasst, die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Anpassungsrichtung ist, so dass, wenn der Lastarm um den Lastdrehpunkt bzw. die Lastachse schwenkt, die Endpunktposition eine im Wesentlichen lotrechte Linie überqueren kann, die durch den Lastdrehpunkt bzw. die Lastachse verläuft, um die Gleichgewichtskontur über mindestens einen Teil der Schwenkauslenkung des Lastarms zu verändern. 2B zeigt schematisch einen beispielhaften Mechanismus zur Anpassung der Federendhöhe und des Versatzes von einer Seite 225 und weitere Diagramme eine neuartige Möglichkeit, die Last P unter Verwendung einer Spanneinheit einer Rate in Gleichgewicht zu bringen, die gemäß der obigen Formel K=P/Dy ungeeignet ist, aber für andere Gründe nützlich ist. Die Spanneinheit kann beispielsweise derart ausgelegt werden, dass sie innerhalb des diagonalen Raums eines Parallelogramms, ohne die hohe Federrate und das geringe Seitenverhältnis, die sonst erforderlich wären, passt. Wird ein Endpunkt 239 einer Feder 223 außerhalb der benachbarten Seite 225 des Parallelogramms, das durch die Seiten 222, 224, 225 und 226 gebildet wird, verschoben bzw. versetzt, wird die Hubkraft im Allgemeinen weniger wirksam bzw. effizient, da das Parallelogramm sowohl nach oben als auch nach unten aus der gezeigten Höhenlage bewegt wird, die aus dem Stand der Technik bekannt ist, um eine Annäherung des Gleichgewichts zu ermöglichen. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung führen einen Mechanismus zur variablen Anpassung dieses Versatzes in einer Art und Weise ein, die proportional zu der sich ändernden Höhe des Hubdreiecks bleibt. Eine Bahn bzw. Pfad 238 von potentiellen Federendpunkten wird winkelig bzw. eckig von einer Linie 241, einer Verlängerung der Seite 225, mittels einer Dx-Leit- bzw. Führungsschraube 234, die mit einem Drehknopf 236 angepasst wird, um eine Seite 221 (Bahn bzw. Pfad 238) an einem Drehpunkt A bogenförmig zu verschwenken und somit den versetzten Federendpunkt 239 in Bezug auf die Seite 225, die hier als vertikal dargestellt ist, zu verschieben. Zusätzlich dreht ein Dy-Anpassungsdrehknopf 235 eine Leit- bzw. Führungsschraube 233, um den Federendpunkt 239 entlang des Federendpunktpfades 238 nach oben oder unten zu bewegen, um die Hubkraft des Dreiecks ABC zu erhöhen oder zu verringern.
2C ist eine Seitenansicht des kompletten aus zwei Segmenten bestehenden schwerkraftkompensierenden Stützarms aus dem Stand der Technik. Die Stützkörperbefestigungshardware bzw. -technik 298 ist schwenkbar an einem Oberarmsegment 290 befestigt, das über ein Scharnier 292 an einem Unterarmsegment 294 schwenkbar befestigt ist, das zur Verbindung mit der Nutzlast (wie z.B. eine Kamera) mittels Verwendung eines Pfostens bzw. einer Stange 296 eingerichtet ist. Es sollte beachtet werden, dass, wenn der Arm umgedreht wäre, der Pfosten bzw. Pfahl 296 und die Körperbefestigungshardware 298 einfach ausgetauscht werden könnten und der Arm sich entsprechend heben würde.
Sowohl bei angetriebenen als auch bei nicht angetriebenen werkzeughaltenden Exoskeletten spielt die Entwicklung bzw. das Design der Exoskelettstruktur und insbesondere die Struktur des unteren Teils des Exoskeletts eine wichtige Rolle bei der Übertragung des Gewichts der Exoskelettbelastung bzw. Exoskelettlast, die sowohl das Werkzeuggewicht und das Werkzeugstützarmgewicht enthält, um den Körper des Trägers und in die Stützoberfläche. Zusätzlich zur einfachen Stützung des Gewichts, bestimmt die Entwicklung bzw. das Design der unteren Struktur eines Exoskeletts, wie gut dieses Gewicht ausbalanciert werden kann - wobei die Balance die Nützlichkeit des Exoskeletts und/oder des Werkzeugs für den Anwender beeinflusst. Beispielsweise soll ein Exoskelett, mit einem an der Hüfte montierten Werkzeughaltearm, berücksichtigt werden. Da das Werkzeug und der Werkzeughaltearm weiter von dem Körper des Exoskelettträgers entfernt sind, wirkt der Werkzeughaltearm als Hebel, und das Gewicht des Werkzeugs führt zu einem steigenden Drehmoment, das auf die Exoskeletthüfte wirkt. Um diesem Hüftdrehmoment entgegenzuwirken, muss das Exoskelett (und/oder der Träger) Energie aufwenden, und da das Gewicht des Werkzeugs weiter von dem Exoskelett entfernt ist, führt dies zu einem weniger ausbalancierten Exoskelett, das eher umfallen kann. Probleme der Balance bzw. des Gleichgewichts und des unerwünschten Gelenkdrehmoments können dadurch gelöst werden, dass die Exoskelettrahmen und -gelenke schwerer und steifer ausgebildet werden oder durch das Hinzufügen von gewichtigen bzw. beschwerten Gegengewichtsarmen, die sich hinter dem Exoskelett erstrecken (auf der gegenüberliegenden Seite des Werkzeughaltearms, den sie ausbalancieren). Jedoch gehen diese Lösungen mit immer weniger mobilen und/oder weniger agilen Exoskeletten einher, wobei Mobilität und Flexibilität Schlüsselfunktionen von werkzeughaltenden Exoskeletten (z.B. im Vergleich zu auf einer Bank bzw. einem Tisch/Boden befestigten Werkzeugen oder Kettenfahrzeugen) sind. Somit sollte bei der Konstruktion von Exoskelettstützstrukturen, insbesondere der unteren Strukturen einschließlich Hüfte, Bein, Knöchel und Fußstrukturen sowie der Verbindungsgelenke, der Kompromiss zwischen Lastunterstützung /Balance und Exoskelettmobilität/-manövrierbarkeit berücksichtigt werden. Je nach Anwendung des werkzeughaltenden Exoskeletts kann die relative Bedeutung unterschiedlicher Exoskeletteigenschaften variieren.
Werkzeughaltende Exoskelette mit angetriebenen Gelenken sind in der Lage, dem Träger auf mehreren Arten zu unterstützen. Beispielsweise kann ein angetriebener Werkzeugarm den Arbeiter beim Anheben eines Werkzeugs unterstützen, angetriebene Beine können den Träger beim Laufen mit dem Gewicht eines Werkzeugs oder einer Last unterstützen und eine angetriebene Hüfte kann bei der Exoskelettbalance helfen, indem sie dem Drehmoment entgegenwirkt, das durch das Gewicht eines Werkzeugs, das an einen verlängerten Werkzeughaltearm montiert ist, ausgeübt wird. Jedoch haben werkzeughaltende Exoskelette mit nicht angetriebenen Gelenken einige wesentliche Vorteile gegenüber Exoskeletten mit angetriebenen Gelenken, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, reduzierte Exoskelettkosten, vereinfachte Wartungsanforderungen und, was noch wichtiger ist, fehlende Abhängigkeit von einer Stromquelle oder - versorgung für Exoskelettoperationen. Gut konstruierte werkzeughaltende Exoskelette mit nicht angetriebenen Gelenken stellen trotzdem Werkzeugunterstützung durch Schwerkraftkompensation unter Verwendung von Vorrichtungen wie ZeroG®-Armen bereit und unterstützen die Exoskelettbalance durch Mechanismen, die dem Hüftdrehmoment entgegenwirken das aus dem Werkzeugarmgewicht resultiert oder das Hüftdrehmoment übertragen, wodurch weitgehend die Notwendigkeit von angetriebenen Gelenken in solchen werkzeughaltenden Exoskeletten entfällt. Trotzdem gibt es weitere Anwendungen von Strom in werkzeughaltenden Exoskeletten als das Antreiben von Exoskelettgelenken. Zum Beispiel beschreibt das US-Patent Nr. 7,618,016 , wie oben erwähnt, einen schwerkraftkopensierenden Werkzeughaltearm, wobei die Federkraft in den Federelementen im Werkzeugarm derart einstellbar ist, dass der Arm Werkzeuge oder Kameras mit unterschiedlichen Gewichten stützen kann. Während die Vorrichtung, die im US-Patent Nr. 7,618,016 beschrieben ist, derart konfiguriert ist, dass sie vom Anwender manuell eingestellt werden kann, der den Winkel und die Länge jedes Federelementes in Abhängigkeit vom Gewicht, das vom Werkzeugarm gestützt wird, ändern kann, können diese Anpassungen alternativ von einem oder mehreren computergesteuerten Motoren vorgenommen werden.
Es besteht ein unbefriedigter Bedarf in dem Stand der Technik, eine Reihe von Vorrichtungen und Verfahren bereitzustellen, die die Anwendung von angetriebenen Vorrichtungen an menschlichen Exoskeletten für andere Funktionen als den Gelenkantrieb des Exoskeletts ermöglichen, wobei diese Vorrichtungen den Nutzen des werkzeughaltenden Exoskeletts für den Träger verbessern. Es besteht ein unbefriedigter Bedarf, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, die die automatische und schnelle Anpassung des schwerkraftkompensierenden Werkzeughaltearms als Antwort auf die Änderung eines gestützten Werkzeugs oder Werkzeuggewichtes ermöglichen. Es besteht ferner ein unbefriedigter Bedarf, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, die es ermöglichen, den Werkzeughaltearm in einer fixierten Position zu verriegeln, so dass dem Träger ermöglicht wird, sich in das Werkzeug zu lehnen und mehr Kraft auf das Werkzeug auszuüben. Es besteht ferner ein unbefriedigter Bedarf, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, die es ermöglichen, die Position eines Exoskelettgegengewichts/-auslegers zu verändern, wobei die Balance des Exoskeletts verbessert wird. Es besteht ferner ein unbefriedigter Bedarf, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, die eine verbesserte Gehbeweglichkeit in Exoskeletten ermöglichen, die mit dem Hüftdrehmoment entgegenwirkenden Vorrichtungen ausgestattet sind. Es besteht ferner ein unbefriedigter Bedarf, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, die es einem Exoskelett ermöglichen, die gestützten Werkzeuge direkt mit Strom zu versorgen. Es besteht ferner ein unbefriedigter Bedarf, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, die es einem Exoskelett ermöglichen, Verbrauchsmaterialien, wie beispielsweise Verbindungsmittel, direkt an Werkzeuge zu liefern. Es besteht ferner ein unbefriedigter Bedarf, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, die es einem Exoskelett ermöglichen, die Temperatur des Exoskelettträgers zu steuern bzw. zu regulieren.
Es werden hier Vorrichtungen offenbart, die die Balance eines menschlichen Exoskeletts, die Manövrierbarkeit und die Werkzeugverwendungsstützkapazität für sowohl angetriebene als auch nicht angetriebene Exoskelette verbessern. Diese Verbesserungen der Exoskelettbalance, der Manövrierbarkeit und der Werkzeugverwendung ermöglichen es dem Trägern von menschlichen Exoskeletten, effektiver mit Werkzeugen zu arbeiten und das Exoskelett und das Werkzeug in komplexen Umgebungen zu bewegen.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, die es einem an ein Exoskelett-montierten, schwerkraftkompensierenden Werkzeughaltearm ermöglicht, schnell derart angepasst zu werden, dass der Werkzeughaltearm schnell mit verschiedenen Werkzeugen unterschiedlicher Gewichte montiert werden kann, wobei dieser Werkzeughaltearm eine effektive Scherkraftkompensation an diesen variablen Werkzeuggewichten beibehält und es dem Exoskelettträger ermöglicht, die Position dieser Werkzeuge leicht zu manipulieren bzw. zu verändern, ohne das Werkzeuggewicht stützen zu müssen. Es ist auch ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, die es einem Exoskelettträger ermöglicht, selektiv die Position eines Werkzeughaltearms relativ zur Position des Exoskeletts, des Trägers und des Werkzeugs, das auf dem Werkzeughaltearm montiert ist, derart festzulegen, dass dem Exoskelettträger ermöglicht wird, sich in den Werkzeughaltearm lehnen zu können, um durch den Werkzeughaltearm Kraft auf das Werkzeug auszuüben.
Es ist ein zusätzlicher Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, die eine verbesserte Gehbeweglichkeit für ein Exoskelett ermöglicht, das mit einer Hüftdrehmomentübertragungsvorrichtung ausgerüstet ist. Es ist ein zusätzlicher Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, die die Balance eines Exoskeletts, das mit einem anpassbaren Gegengewicht ausgerüstet ist, ermöglicht. Es ist ein zusätzlicher Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, die es einem Exoskelett ermöglicht, Verbrauchsmaterialien für Werkzeuge oder andere befestigte Vorrichtungen bereitzustellen. Es ist ein zusätzlicher Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, die die Thermoregulierung eines Exoskelettträgers ermöglicht.
Es wurden Konzepte entwickelt, um ein Exoskelettsteuerungssystem zur Steuerung von Motoren zu verwenden, die an Federspannungsanpassungsvorrichtungen in einem schwerkraftkompensierenden, werkzeughaltenden Exoskelettarm befestigt sind, wobei das Exoskelettsteuerungssystem die Federspannung anpasst, um das sich ändernde Werkzeuggewicht, das am Werkzeughaltearm angebracht ist, zu kompensieren, wobei das Exoskelettsteuerungssystem über eine Steuerungsschnittstelle bzw. -interface Eingaben vom Exoskelettträger erhält und/oder Daten verwendet, die von Exoskelettsensoren bezüglich des Gewichts des angebrachten Werkzeugs empfangen werden. Es wurden auch Konzepte entwickelt, um ein verriegelbares Element, wie beispielsweise eine verriegelbare Gasfeder, in einen schwerkraftkompensierenden werkzeughaltenden Exoskelettarm zu integrieren, so dass der Exoskelettträger selektiv die Position des Werkzeughaltearms und des Werkzeugs relativ zum Exoskelettträger fixieren kann, so dass sich der Exoskelettträger in den werkzeughaltenden Exoskelettarm lehnen und die Kraft in ein Werkzeug übertragen kann. Es wurden ferner Konzepte zur Integration von gekoppelten Gasfedern in den werkzeughaltenden Exoskelettarm entwickelt, die eine vereinfachte Anpassung der Federrate des Werkzeughaltearms ermöglichen.
Es wurden ferner Konzepte entwickelt, um eine angetriebene Vorrichtung in ein Exoskelett zu integrieren, das mit einer Hüftdrehmomentübertragungsvorrichtung ausgerüstet ist, wobei diese angetriebene Vorrichtung selektiv die Spannung an einem Spannelement erhöht oder verringert, wobei eine größere Beweglichkeit beim Gehen ermöglicht wird, während die Hüftdrehmomentübertragung erhalten bleibt, wenn der Exoskelettwerkzeugarm verwendet wird. Es wurden ferner Konzepte entwickelt, um die Position eines Exoskelettgegengewichts oder -auslegers zu anzutreiben, das bzw. der eine verbesserte Exoskelettbalance ermöglicht. Es wurden ferner Konzepte entwickelt, um Stromspeicher-, Transfer- oder Erzeugungssysteme an ein Exoskelett anzuschließen, wobei diese Stromsysteme Werkzeuge oder andere Vorrichtungen, die vom Exoskelett gestützt oder daran befestigt werden, mit Strom versorgen. Es wurden ferner Konzepte entwickelt, um ein Exoskelett mit einer Verbrauchsmaterialspeisevorrichtung bzw. -zuführungsvorrichtung auszurüsten, die es dem Exoskelett ermöglicht, Verbrauchsmaterialien, wie beispielsweise Verbindungsmittel, einschließlich Nieten oder Nägel, aber darauf nicht beschränkt sind, in den an das Exoskelett montierten Werkzeugen aufzufüllen. Es wurden ferner Konzepte entwickelt, um eine Exoskelettvorrichtung mit Umweltregulierungssystemen auszurüsten, die die Beheizung oder Kühlung eines Exoskelettträgers ermöglichen. Es wurden ferner Konzepte entwickelt, um ein Exoskelett mit einer Vorrichtung auszurüsten, die dem Exoskelettträger eine Versorgung mit gereinigter Atemluft bereitstellt.
Die vorliegende Erfindung ist insbesondere auf einen Werkzeughaltearm gerichtet, der eine Vielzahl von Gliedern und eine Werkzeugkupplung aufweist, die zur lösbaren Befestigung eines Werkzeugs an den Werkzeughaltearm ausgebildet ist. Eine erste Fluidfeder bzw. Flüssigkeitsfeder ist derart konfiguriert, dass sie eine der Schwerkraft entgegenwirkende Kraft auf den Werkzeughaltearm ausübt. Ein Sperr- bzw. Verriegelungsmechanismus ist derart konfiguriert, dass er die erste Fluidfeder verriegelt, und ein Einstellungsmechanismus ist derart konfiguriert, dass er eine Menge bzw. einen Betrag der der Schwerkraft entgegenwirkenden Kraft, die von der ersten Fluidfeder bereitgestellt wird, einstellt bzw. anpasst. Vorzugsweise ist die erste Fluidfeder eine hydraulische oder pneumatische Feder, die eine erste Stange, einen ersten Kolben und einen ersten Zylinder aufweist.
In einer Ausführungsform ist der Verriegelungsmechanismus ein Ventil, das derart konfiguriert ist, dass es einen Fluss eines Fluids in den und aus dem ersten Zylinder steuert. Das Ventil enthält einen Schaft und einen Sitz. Wenn der Schaft den Sitz berührt, befindet sich das Ventil in einer geschlossenen Position, in der das Ventil das Fluid daran hindert, in die und aus der ersten Fluidfeder zu strömen bzw. zu fließen. Wenn der Schaft den Sitz nicht berührt, befindet sich das Ventil in einer vollständig oder teilweise geöffneten Position, in der das Ventil das Fluid nicht daran hindert, in die und aus der ersten Fluidfeder zu fließen. In einer Ausführungsform weist der Werkzeugaltearm ferner eine Spannfeder auf, und die erste Fluidfeder befindet sich innerhalb der Spannfeder.
In einer Ausführungsform weist der Anpassungsmechanismus eine zweite Stange, einen zweiten Kolben, einen zweiten Zylinder und eine Fluidleitung bzw. einen Fluidkanal auf. Die Fluidleitung ist derart konfiguriert, dass sie ein Fluid zwischen dem zweiten Zylinder und dem ersten Zylinder überträgt. Eine Position des zweiten Kolbens innerhalb des zweiten Zylinders bestimmt die Menge der der Schwerkraft entgegenwirkenden Kraft, die von der ersten Fluidfeder bereitgestellt wird. Bevorzugt weist der Anpassungsmechanismus ferner einen Motor auf, der dazu konfiguriert ist, die Position des zweiten Kolbens innerhalb des zweiten Zylinders zu steuern. Der Verriegelungsmechanismus ist ein Ventil, das dazu konfiguriert ist, den Fluss des Fluids innerhalb der Fluidleitung zu steuern. Bevorzugt weist der Werkzeughaltearm ferner eine zweite Fluidfeder auf, die dazu konfiguriert ist, die der Schwerkraft entgegenwirkenden Kraft dem Werkzeughaltearm bereitzustellen. Die zweite Fluidfeder weist eine dritte Stange, einen dritten Kolben und einen dritten Zylinder auf. Die Fluidleitung ist ferner dazu konfiguriert, das Fluid zwischen dem zweiten Zylinder und dem dritten Zylinder zu übertragen. Die Position des zweiten Kolbens innerhalb des zweiten Zylinders bestimmt die Menge der der Schwerkraft entgegenwirkenden Kraft, die von der zweiten Fluidfeder bereitgestellt wird.
In einer Ausführungsform ist der Werkzeughaltendearm ein Teil eines Exoskeletts. Das Exoskelett weist eine Hüftstruktur und ein Oberschenkelglied, das mit der Hüftstruktur an einem Hüftgelenk gekoppelt ist, auf. Ein Unterschenkelglied ist mit dem Oberschenkelglied an einem Kniegelenk gekoppelt, und eine Fußstruktur ist mit dem Unterschenkelglied an einem Knöchelgelenk gekoppelt. Wenn das Exoskelett von einer Stützoberfläche gestützt wird, wird ein Gewicht des Exoskeletts von der Hüftstruktur über das Oberschenkelgelenk, über das Unterschenkelgelenk und über die Fußstruktur in die Stützoberfläche übertragen. Bevorzugt weist das Exoskelett ferner eine Rückseitenstruktur auf. Wenn das Exoskelett von einem Anwender getragen wird, befindet sich die Rückseitenstruktur hinter dem Anwender. Der Anpassungsmechanismus ist mit der Rückseitenstruktur gekoppelt In einer Ausführungsform weist das Exoskelett ferner ein elektronisches Steuerungssystem auf, das dazu konfiguriert ist, den Verriegelungsmechanismus oder den Anpassungsmechanismus zu steuern.
Zusätzliche Gegenstände, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den Figuren deutlicher sichtbar, wobei sich ähnliche Bezugsziffern auf gemeinsame Teile in den verschiedenen Ansichten beziehen.
Figurenliste

1A zeigt einen nicht-anthropomorphen schwerkraftkompensierenden Stützarm gemäß dem Stand der Technik.
1B zeigt den nicht-anthropomorphen schwerkraftkompensierenden Stützarm gemäß dem Stand der Technik aus 1A.
2A ist ein Diagramm eines Hubdreiecks ABC, das innerhalb eines parallelogrammförmigen Stützgestänge eines schwerkraftkompensierenden Werkzeughaltearms gemäß dem Stand der Technik integriert ist.
2B ist ein Diagramm der DY- und DX-Anpassungen der Federendpunkthöhe und des Versatzes von der Vertikalen innerhalb eines parallelogrammförmigen Stützgestänges eines schwerkraftkompensierenden Werkzeughaltearms gemäß dem Stand der Technik.
2C ist eine Seitenansicht eines aus zwei Segmenten bestehenden schwerkraftkompensierenden Werkzeughaltearms gemäß dem Stand der Technik.
3A ist eine Seitenansicht eines Arbeiters, der ein Exoskelett trägt, das gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist bzw. wurde, wobei das Exoskelett mit einer an der Hüfte montierten, nicht-anthropomorphen, schwerkraftkompensierenden werkzeughaltenden Armvorrichtung und einem Werkzeug ausgerüstet ist.
3B ist ein Kasten- bzw. Blockdiagramm der Systeme, die in der ersten Ausführungsform in Kommunikation sind, in dem die Federspannung im Werkzeugstützarm durch das Exoskelettsteuerungssystem bei Bedarf zur Änderung des Werkzeuggewichtes angepasst wird.
3C ist eine Seitenansicht des Arbeiters und des Exoskeletts aus 3A.
3D ist ein Blockdiagramm der Systeme, die in einer bevorzugten Variante der ersten Ausführungsform in Kommunikation sind.
4A ist eine Seitenansicht eines Arbeiters, der ein Exoskelett trägt, das gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, wobei das Exoskelett mit einer an der Hüfte montierten, nicht-anthropomorphen, schwerkraftkompensierenden werkzeughaltenden Armvorrichtung und einem Werkzeug ausgerüstet ist, wobei die Position des Arms selektiv fixierbar ist. Der Werkzeughaltearm ist in der freien (d. h. nicht-fixierten) Position gezeigt, die es dem Arbeiter ermöglicht, Kraft auf das Werkzeug und auf die Arbeitsoberfläche durch seine oder ihre Arme auszuüben.
4B ist ein Blockdiagramm der Systeme, die in der zweiten Ausführungsform in Kommunikation sind, wobei die Position des Werkzeugstützarms durch das Exoskelettsteuerungssystem fixiert oder gelöst ist, je nach Auswahl des Exoskelettträgers.
4C ist ein vereinfachtes Diagramm der Vorrichtung der zweiten Ausführungsform innerhalb eines parallelogrammförmigen Stützgestänges eines schwerkraftkompensierenden Werkzeughaltearms.
4D ist ein vereinfachtes Diagramm der Vorrichtung der zweiten Ausführungsform innerhalb eines parallelogrammförmigen Stützgestänges eines schwerkraftkompensierenden Werkzeughaltearms.
4E ist eine Seitenansicht des Arbeiters und des Exoskeletts aus 4A. Der Werkzeughaltearm ist in der fixierten Position gezeigt, die es dem Arbeiter ermöglicht, Kraft auf das Werkzeug und auf die Arbeitsoberfläche durch seine oder ihre Arme mittels des Werkzeughaltearms auszuüben.
5A ist ein vereinfachtes Diagramm einer Vorrichtung, die gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert wurde.
5B ist eine Seitenansicht eines Arbeiters, der ein Exoskelett trägt, das gemäß der dritten Ausführungsform konstruiert wurde.
5C ist ein vereinfachtes Diagramm einer Variante der Vorrichtung der dritten Ausführungsform.
5D ist ein vereinfachtes Diagramm einer weiteren Variante der Vorrichtung der dritten Ausführungsform, wobei die Vorrichtung eine selektive Fixierung der Position eines Werkzeughaltearms ermöglicht und der Werkzeughaltearm im freien (d. h. nicht-fixierten) Zustand gezeigt ist.
5E ist ein vereinfachtes Diagramm der Variante aus 5D, wobei der Werkzeughaltearm in dem fixierten Zustand dargestellt ist.
6A ist eine Seitenansicht eines Arbeiters, der ein Exoskelett trägt, das gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, wobei das Exoskelett mit einer an der Hüfte montierten, nicht-anthropomorphen, werkzeughaltenden Armvorrichtung und einem Werkzeug ausgerüstet ist. Das Exoskelett ist zusätzlich mit starren und spannfesten Gliedern hinter den Beinen des Exoskeletts ausgerüstet, um dem Hüftdrehmoment, das aus dem Gewicht des Werkzeughaltearms resultiert, entgegenzuwirken, wobei diese Spannglieder parallel zu den Beingliedern des Exoskeletts verlaufen.
6B ist eine Seitenansicht des Arbeiters und des Exoskeletts aus 6A, die den gleichen Abstand zwischen den Beinstützgliedern des Exoskeletts und den Spanngliedern hinter den Beinen des Exoskeletts zeigt.
6C ist eine Seitenansicht des Arbeiters und des Exoskeletts aus 6A, die die Kräfte zeigt, die von verschiedenen Gliedern und Strukturen in dem Exoskelett erfahren werden.
6D ist eine Seitenansicht eines Arbeiters, der ein Exoskelett trägt, das gemäß der vierten Ausführungsform konstruiert wurde, wobei die Länge der Spannglieder und ihrer Spannung durch eine Winde anpassbar ist.
7A ist eine Seitenansicht eines Arbeiters, der ein Exoskelett trägt, das gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstuiert ist, wobei das Exoskelett mit einer an der Hüfte montierten, nicht-anthropomorphen werkzeughaltenden Armvorrichtung und einem Werkzeug ausgerüstet ist. Das Exoskelett ist zusätzlich mit einem anpassbaren Gegengewicht auf der Rückseite des Exoskeletts ausgerüstet, wobei das Gegengewicht in der eingezogenen bzw. eingefahrenen Position gezeigt ist.
7B ist eine Seitenansicht des Arbeiters und des Exoskeletts aus 7A, wobei das Gegengewicht in der erweiterten bzw. ausgefahrenen Position gezeigt ist.
8A ist eine Seitenansicht eines Arbeiters, der ein Exoskelett trägt, das gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstuiert ist, wobei das Exoskelett mit einer an der Hüfte montierten, nicht-anthropomorphen werkzeughaltenden Armvorrichtung und einem Werkzeug ausgerüstet ist. Das Werkzeug bezieht seinen Strom aus einer Energiequelle, die an der Struktur des Exoskeletts distal zum Werkzeug montiert ist.
9A ist eine Seitenansicht eines Arbeiters, der ein Exoskelett trägt, das gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, wobei das Exoskelett mit einer an der Hüfte montierten, nicht-anthropomorphen werkzeughaltenden Armvorrichtung und einem Werkzeug ausgerüstet ist. Das Werkzeug bezieht seinen Strom aus einer Energiequelle, die an der Struktur des Exoskeletts distal zum Werkzeug montiert ist, und flüssige Verbrauchsmaterialien werden dem Werkzeug aus einem Lagertank zugeführt, der an der Struktur des Exoskeletts montiert ist.
9B ist eine Seitenansicht eines Arbeiters, der ein Exoskelett trägt, das gemäß der siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, wobei das Exoskelett mit einer an der Hüfte montierten, nicht-anthropomorphen werkzeughaltenden Armvorrichtung und einem Werkzeug ausgerüstet ist. Das Werkzeug bezieht seinen Strom aus einer Energiequelle, die an der Struktur des Exoskeletts distal zum Werkzeug montiert ist, und feste Verbrauchsmaterialien werden dem Werkzeug aus einem Lagertank zugeführt, der an der Struktur des Exoskeletts montiert ist.
10A ist eine Seitenansicht eines Arbeiters, der ein Exoskelett trägt, das gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, wobei das Exoskelett mit einer an der Hüfte montierten, nicht-anthropomorphen werkzeughaltenden Armvorrichtung und einem Werkzeug ausgerüstet ist. Das Exoskelett versorgt die Atemschutzmaske des Arbeiters mit behandelter Luft.
10B ist eine Seitenansicht eines Arbeiters, der ein Exoskelett trägt, das gemäß der achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, wobei das Exoskelett mit einer an der Hüfte montierten, nicht-anthropomorphen werkzeughaltenden Armvorrichtung und einem Werkzeug ausgerüstet ist. Das Exoskelett versorgt die Atemschutzmaske des Arbeiters mit behandelter Luft und hilft bei der Thermoregulation des Arbeiters.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Detaillierte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden hier offenbart. Es ist jedoch zu verstehen, dass die offenbarten Ausführungsformen nur beispielhaft für die Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu, und einige Eigenschaften bzw. Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um Details zu bestimmten Komponenten aufzuzeigen. Daher sind spezifische strukturelle und funktionelle Details nicht als einschränkend zu interpretieren, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um einem Fachmann die Anwendung der vorliegenden Erfindung zu vermitteln bzw. zu lehren.
3A zeigt eine Person 300, die ein werkzeughaltendes Exoskelett 301 trägt, das gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist. Das Exoskelett 301 ist mit einem schwerkraftkompensierenden Werkzeughaltearm 305 ausgerüstet und wird am Exoskelettträger 300 mit einem Band bzw. Gurt 302 befestigt. Eine Hüftstruktur 308 des Exoskeletts 301 ist mit dem Werkzeughaltearm 305 an einer Hüftkopplung 307 verbunden, wobei der Werkzeughaltearm 305 mit einem Werkzeug 303 an einer Werkzeugkopplung 306 verbunden ist und das Gewicht des Werkzeugs 303 stützt. Der Werkzeughaltearm 305 besteht aus einem oberen Werkzeugarmglied 309 und einem unteren Werkzeugarmglied 310, wobei die Werkzeugarmglieder des Werkzeughaltearms 305, derart flexibel verbunden sind, so dass sie relativ zu jedem Glied beweglich sind, so dass der Exoskelettträger 300 die Arme 304 verwenden kann, um die Position des Werkzeugs 303 relativ zu dem Exoskelett 301 und dem Exoskelettträger 300 zu ändern. Das Gewicht des Werkzeugs 303 wird über die Werkzeugkopplung 306 auf das obere Werkzeugarmglied 309, dann auf das untere Werkzeugarmglied 310, dann auf die Hüftkopplung 307 und in die Hüftstruktur 308 des Exoskeletts 301 übertragen. Die Hüftstruktur 308 ist drehbar mit einem Oberschenkelglied 313 an einer Hüfte 312 verbunden, wobei das Oberschenkelglied 313 drehbar mit einem Unterschenkelglied 315 an einem Knie 314 verbunden ist, wobei das Unterschenkelglied 315 drehbar mit einer Fußstruktur 317 an einem Knöchel 316 verbunden ist. Durch diese Verbindung bzw. Konnektivität kann das Gewicht von Exoskelett 301, Werkzeug 303 und Werkzeughaltearm 305 um die Beine 311 des Exoskelettträgers 300, über die Hüftstruktur 308, über das Oberschenkelglied 313 und über das Unterschenkelglied 315, in die Fußstruktur 317 und schließlich in eine Stützoberfläche 318 übertragen werden. Der Exoskeletttäger 300 kann auch gehen während er das Exoskelett 301 trägt, wobei das Exoskelett 301 weiterhin das Gewicht des Werkzeugs 303 und des Werkzeughaltearms 305 stützt.
3B ist ein Blockdiagramm, das die Systeme zeigt, die in der ersten Ausführungsform in Kommunikation sind. Der Exoskelettträger 300 verwendet eine Anwederschnittstelle bzw. ein Anwenderinterface 321, um einem Exoskelettsteuerungssystem 320 zu befehlen, die Verstell- bzw. Anpassungsmotoren 322 des Werkzeugarms basierend auf der Identität bzw. Art des Werkzeugs oder dem Fehlen eines Werkzeugs zu steuern, das an der Werkzeugaufnahme bzw. -befestigung 306 montiert ist, um die Federspannung des Werkzeugarms entsprechend dem Gewicht des Werkzeugs anzupassen, um eine Schwerkraftkompensation zu erzielen bzw. zu erreichen. Beispielsweise verwendet der Exoskelettträger 300 ein Werkzeug 303, das mit einer Federspannungseinstellung 323 an der Werkzeugaufnahme 306 montiert ist, was zu einer Schwerkraftkompensation des Werkzeugs 303 führt und das dem Exoskelettträger 300 ermöglicht, die Position des Werkzeugs 303 zu verändern bzw. zu manipulieren, ohne das Gewicht des Werkzeugs 303 stützen zu müssen. Um die Werkzeuge zu wechseln, verwendet der Exoskelettträger 300 die Anwenderschnittstelle 321, um dem Exoskelettsteuerungssystem 320 zu befehlen, den Werkzeugarmanpassungsmotoren 322 zu signalisieren, die Werkzeugarmfederspannungseinstellungen auf eine Null-Federspannungseinstellung 325 (auf das Gewicht eines nicht angebrachten Werkzeugs) zu ändern. Der Exoskelettträger 300 entfernt dann das Werkzeug 303 von der Werkzeugaufnahme 306, befestigt ein zweites Werkzeug 326 an der Werkzeugaufnahme 306 und befiehlt dem Exoskelettsteuerungssystem 320 über das Anwenderinterface 321, den Werkzeugarmanpassungsmotoren 322 zu signalisieren, eine zweite Federspannungseinstellung 324 einzustellen, was zu einer Schwerkraftkompensation für das Werkzeug 326 führt und die dem Exoskelettträger 300 ermöglicht, die Position des Werkzeugs 326 zu verändern, ohne das Gewicht des Werkzeugs 326 stützen zu müssen. 3C zeigt einen Exoskelettträger 300, der die Arme 304 verwendet, um das Werkzeug 326 zu verändern, wobei ein Gewicht 327 des Werkzeugs 326 durch eine Hubkraft 328, die aus einer Federspannung 324 im Werkzeughaltearm 305 resultiert, ausgeglichen wird.
3D ist ein Blockdiagramm, das eine bevorzugte Variante der ersten Ausführungsform zeigt, in der Exoskelettsensoren 330 Informationen von oder über die Werkzeuge erhalten, die an dem Exoskelett befestigt sind, wodurch dem Exoskelettsteuerungssystem 320 ermöglicht wird, automatisch die Parameter der Werkzeugarmeinstellungsmotoren 322 einzustellen und eine optimale Federspannung zur Schwerkraftkompensation für ein spezifisches Werkzeug einzustellen. In anderen Worten, anstatt dass der Träger 300 die Anwenderschnittstelle 321 verwendet, um die erste Federspannungseinstellung 323 für das erste Werkzeug 303 und die zweite Federspannungseinstellung 324 für das zweite Werkzeug 326 (wie in gezeigt) auszuwählen, empfangen die Exoskelettsensoren 330 Informationen von dem oder über das erste Werkzeug 303 und von dem oder über das zweite Werkzeug 326 und leiten diese Informationen an das Exoskelettsteuerungssystem 320 weiter, das die Informationen verwendet, um automatisch die erste Federspannungseinstellung 323 für das erste Werkzeug 303 und die zweite Federspannungseinstellung 324 für das zweite Werkzeug 326 auszuwählen. In einigen Ausführungsformen ist die Anwenderschnittstelle eine Touchscreen-Vorrichtung. In einigen Ausführungsformen ist die Anwenderschnittstelle eine Taste, ein Schalter, ein Knopf oder ein anderes Eingabemittel. In einigen Ausführungsformen empfängt die Anwenderschnittstelle Sprachbefehle von dem Träger. In einigen Ausführungsformen wählt der Träger ein spezifisches Werkzeug aus einer voreingestellten Liste aus, die in der Anwenderschnittstelle gezeigt wird. In einigen Ausführungsformen spezifiziert bzw. legt der Träger ein spezifisches bzw. bestimmtes Werkzeuggewicht fest. In einigen Ausführungsformen passt der Träger die Federspannung manuell an, bis eine gewünschte Schwerkraftkompensation erreicht ist. In einigen Ausführungsformen identifizieren die Exoskelettsensoren ein Werkzeug mittels Radiofrequenz-ID-Tags bzw. -Markierungen, Bluetooth Signalleuchten, optischen Markierungen (wie beispielsweise Barcodes bzw. Strichcodes) oder andere bekannte Kommunikationsmittel. In einigen Ausführungsformen messen die Exoskelettsensoren den Druck oder die Position über die Zeit, um direkt das Gewicht des Werkzeugs zu messen und so die optimale Federspannungseinstellung für die Schwerkraftkompensation zu bestimmen.
Als Beispiel für die erste Ausführungsform soll ein Bauarbeiter betrachtet werden, der ein werkzeughaltendes Exoskelett trägt. Im Laufe einer Schicht muss dieser Arbeiter zwischen dem Einsatz eines Punktschweißgerätes, eines Nietsetzwerkzeuges und einer Betonsäge wechseln. Durch die Verwendung der Vorrichtung der ersten Ausführungsform kann der Arbeiter schnell zwischen diesen Werkzeugen wechseln, so dass ein einziger Werkzeughaltearm jedes Werkzeug bei Bedarf bei der Ausführung der Arbeit stützen kann, ohne dass zeitraubende manuelle Anpassungen der Federspannung erforderlich sind.
Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der der Werkzeugstützarm selektiv in einer fixierten Position durch den Exoskelettträger verriegelt werden kann, ist in den 4A-E gezeigt. In 4A, trägt eine Person 400 ein werkzeughaltendes Exoskelett 401, das mit einem schwerkraftkompensierenden Werkzeughaltearm 405 ausgerüstet ist, wobei das Exoskelett 401 mit einem Band bzw. Gurt 402 am Exoskelettträger 300 befestigt wird. Eine Hüftstruktur 408 eines Exoskeletts 401 ist mit einem Werkzeughaltearm 405 an einer Hüftkopplung 407 verbunden, wobei der Werkzeughaltearm 405 mit einem Floating-Werkzeug bzw. Pendelwerkzeug 403 an einer Werkzeugkopplung 406 verbunden ist und das Gewicht des Pendelwerkzeugs 403 stützt. Der Werkzeughaltearm 405 besteht aus einem oberen Werkzeugarmglied 409 und einem unteren Werkzeugarmglied 410, wobei die Werkzeugarmglieder des Werkzeughaltearms 405, derart flexibel verbunden sind, so dass sie relativ zu jedem Glied beweglich sind, so dass der Exoskelettträger 400 die Arme 404 verwenden kann, um die Position des Pendelwerkzeugs 403 relativ zu dem Exoskelett 401 und dem Exoskelettträger 400 zu ändern. Werkzeugarmverriegelungsmotoren 422 des Werkzeughaltearms 405 sind in dieser Figur in einem nicht verriegelten Zustand. Das Gewicht des Werkzeugs 403 wird über die Werkzeugkopplung 406 auf das obere Werkzeugarmglied 409, dann auf das untere Werkzeugarmglied 410, dann auf die Hüftkopplung 407 und in die Hüftstruktur 408 des Exoskeletts 401 übertragen. Die Hüftstruktur 408 ist drehbar mit einem Oberschenkelglied 413 an einer Hüfte 412 verbunden, wobei das Oberschenkelglied 413 drehbar mit einem Unterschenkelglied 415 an einem Knie 414 verbunden ist, wobei das Unterschenkelglied 415 drehbar mit einer Fußstruktur 417 an einem Knöchel 416 verbunden ist. Diese Verbindung bzw. Konnektivität ermöglicht, dass das Gewicht von Exoskelett 401, Werkzeug 403 und Werkzeughaltearm 405 um die Beine 411 des Exoskelettträgers 400, über die Hüftstruktur 408, über das Oberschenkelglied 413 und über das Unterschenkelglied 415, in die Fußstruktur 417 und schließlich in eine Stützoberfläche 418 übertragen werden kann. Der Exoskeletttäger 400 kann auch gehen während er das Exoskelett 401 trägt, wobei das Exoskelett 401 weiterhin das Gewicht des Werkzeugs 403 und des Werkzeughaltearms 405 stützt. Da sich Werkzeughaltearm 405 in einem nicht verriegelten Werkzeugarmzustand 423 in 4A befindet, muss, wenn der Exoskelettträger 400 das Pendelwerkzeug 403 in eine Arbeitsoberfläche 419 schieben bzw. drücken will, eine Kraft 426 über die Arme 404 des Exoskelettträgers 400 auf das Pendelwerkzeug 403 übertragen werden.
4B zeigt, dass der Exoskelettträger 400 mit Hilfe der Vorrichtung und des Verfahrens der zweiten Ausführungsform eine Anwenderschnittstelle 421 verwenden kann, um ein Exoskelettsteuerungssystem 420 zur Aktivierung von Werkzeugarmverriegelungsmotoren 422 anzuleiten, wobei der Zustand des Werkzeugarmes 405 aus einem nicht verriegelten Werkzeugarmzustand 423 in einen verriegelten Werkzeugarmzustand 424 verändert und der Zustand des Werkzeugs von einem freien Werkzeug bzw. Pendelwerkzeug 403 in ein fixiertes Werkzeug 430 verändert wird.
4C ist ein vereinfachtes Diagramm, das zeigt, wie die Position eines Werkzeugarmhubparallelogramms 490 gemäß der zweiten Ausführungsform verriegelt werden kann. Starre Seiten 431-434 an den Eckpunkten 435-438 verschwenken bzw. verdrehen derart, dass die Verbindung der starren Seiten 431-434 nicht verändert wird. Ein Tangentialelement 443 erstreckt sich von der Ecke 436 zum Schnittpunkt 444 der starren Seite 434, wobei das Tangentialelement 443 durch die Wirkung bzw. Aktion einer Gasfeder 445 in der Länge veränderbar ist Die Gasfeder 445 besteht aus einer Stange 446, einem Kolben 447, einem Zylinder 448 und einem Gas 449, wobei der Fluss des Gases 449 in die und aus der Gasfeder 445 durch ein dämpfendes Ventil 450 gesteuert wird. Das dämpfende Ventil 450 besteht aus einem Rohr 451, einem Motor 452, einem Schaft 453, einem Sitz 455 und einem Einlass/Auslass 454. Wenn das dämpfende Ventil 450 in einer geöffneten Position ist, kann Gas 449 frei in den und aus dem Zylinder 448 fließen, wodurch ermöglicht wird, dass sich die Position des Kolbens 447 schnell ändert und die Länge des Tangentialelementes 443 bei Bedarf durch eine Änderung der Form des Hubparallelogramms 490 ändert, wodurch ermöglicht wird, dass sich der Werkzeughaltearm frei bewegen kann. Wenn der Motor 452 eingeschaltet ist, wodurch der Schaft 453 den Sitz 455 berührt, wird verhindert, dass Gas 449 in den und aus dem Zylinder 448 fließt, wodurch die Längenänderung des Tangentialelementes 443 begrenzt und die Formänderung des Hubparallelogramms 490 beschränkt oder verhindert wird, wobei die Zwischenpositionen des Ventils zu einem Zwischenwiderstand der Formänderung des Hubparallelogramms 490 führen.
4D zeigt eine bevorzugte Variante der zweiten Ausführungsform, in der ein Hubparallelogramm 491 eine Spannfeder 460 aufweist, die entlang des Tangentialelementes 443 an Federbefestigungspunkten 461 und 462 befestigt ist. Die Gasfeder 445 befindet sich innerhalb der Spirale bzw. Windungen der Spannfeder 460 und zwischen den Federbefestigungspunkten 461 und 462 entlang der Länge des Tangentialelementes 443. Zusätzlich sind das Rohr 451 und das dämpfende Ventil 450 derart konfiguriert, dass sie über einen Bereich von Positionen des Hubparallelogramms 491 keinen Kontakt mit der Spannfeder 460 haben.
4E zeigt das Exoskelett 401 mit dem Werkzeughaltearm 405 in einem verriegelten Werkzeugarmzustand, wobei das fixierte Werkzeug 430 in einer verriegelten Position relativ zu der Person 400 ist. Dies ermöglicht der Person 400, dass sie sich in den Werkzeughaltearm 405 lehnen kann, wodurch eine Kraft 427 über den Werkzeughaltearm 405 in das fixierte Werkzeug 430 und auf die Arbeitsfläche 419 übertragen wird., zusätzlich zur Kraft 426 auf das Werkzeug 430, die durch die Arme 404 der Person 400 übertragen wird. In einigen Ausführungsformen ist das verriegelbare Federelement parallel zu der Spannfeder. In einigen Ausführungsformen enthält das verriegelbare Federelement Hydraulikfluid anstatt Luft. In einigen Ausführungsformen wird das Ventil, anstatt durch das Exoskelett-Steuerungssystem gesteuert und angetrieben, manuell angetrieben. In einigen Ausführungsformen ist der Einlass/Auslass ein einfaches Lüftungsloch bzw. eine einfache Öffnung. In einigen Ausführungsformen enthält der Einlass/Auslass ein Fluid-oder Gas-Reservoir bzw. -Speicher. In einigen Ausführungsformen ist die Position des Hubparallelogramms durch mechanische Mittel verriegelbar anstatt durch die Gasfeder.
Als ein Beispiel der zweiten Ausführungsform soll ein Arbeiter in einer Produktionsstätte betrachtet werden, der Schweißnähte mit einer Schleifmaschine fertigstellt. Durch Verwendung der Vorrichtung der zweiten Ausführungsform kann der Arbeiter sich in den Werkzeugstützarm lehnen, wobei das Gewicht seines oder ihres Körpers und des Exoskeletts in die Schleifmaschine und die Arbeitsoberfläche übertragen wird, was zu einer größeren Anwendung von Kraft mit weniger Aufwand führt, als wenn nur die Kraft durch seine oder ihre Arme übertragen werden würde.
Eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, ein Mechanismus, mit dem die Federspannung und/oder Starrheit in jedem Hubparallelogramm eines schwerkraftkompensierenden Armes ferngesteuert angepasst werden kann, ist in Bild 5A-E dargestellt. Mit anfänglicher Bezugnahme auf die 5A und 5B trägt ein Exoskelettträger 500 ein Exoskelett 501. Eine Hüftstruktur 508 des Exoskeletts 501 ist mit einem Werkzeughaltearm 505 an einer Hüftkopplung 507 verbunden, wobei der Werkzeughaltearm 505 mit einem Werkzeug 503 an einer Werkzeugkopplung 506 verbunden ist und das Gewicht des Werkzeugs 503 stützt. Der Werkzeughaltearm 505 besteht aus einem oberen Werkzeugarmglied 509 und einem unteren Werkzeugarmglied 510, wobei die Werkzeugarmglieder des Werkzeughaltearms 505, derart flexibel verbunden sind, so dass sie relativ zu jedem Glied beweglich sind, so dass dem Exoskelettträger 500 die Verwendung der Arme 504 zum Ändern der Position des Werkzeugs 503 relativ zu dem Exoskelett 501 und dem Exoskelettträger 500, ermöglicht wird. Die Federspannung eines jeden Gliedes des Werkzeugarms 505 wird durch eine ferngesteuerte Druckvorrichtung 520 gesteuert, wobei die ferngesteuerte Druckvorrichtung 520 auf der Rückseitenstruktur des Exoskeletts 501 montiert ist. Eine Druckleitung 521 überträgt ein unter Druck gesetztes Fluid 530 durch die Druckleitung 521 auf Hydraulikkolben 533 und 543, wobei die Hydraulikkolben 533 und 543 jeweils auf den Tangentialelementen 534 und 544 des unteren Werkzeugarmglieds 510 bzw. des oberen Werkzeugarmglieds 509 liegen. Ein Motor 525 der ferngesteuerten Federdruckvorrichtung 520 steuert die Position einer Stange 526 und eines Kolbens 527 in einem Zylinder 528, was zu Änderungen eines Drucks 529 führt. Da ein Fluidreservoir 530 durch eine Druckleitung 521 mit einem Fluid 532 im Hydraulikkolben 533 und einem Fluid 542 im Hydraulikkolben 543 verbunden ist, wodurch eine freie Bewegung des Fluids ermöglicht wird, erfahren sowohl der Hydraulikkolben 533 als auch der Hydraulikkolben 543 eine identische Federkraft relativ zum Druck 529 in der ferngesteuerten Druckvorrichtung 520. Auf diese Weise kann die Federspannung des Werkzeugarms 505 zur optimalen Schwerkraftkompensation für eine Reihe von Werkzeugen angepasst werden, ohne dass eine manuelle Anpassung der Federposition am Werkzeugarm erforderlich ist und ohne dass sperrige oder schwere Motoren am Werkzeugarm selbst montiert werden müssen. In einigen Ausführungsformen sind die Phasen in 531 durch eine physikalische bzw. physische Vorrichtung, wie beispielsweise einen schwimmenden Kolben, getrennt. In einigen Ausführungsformen wird die ferngesteuerte Federvorrichtung nicht durch einen Motor unter Druck gesetzt, sondern durch einen Regler, der von einem Kompressor oder Druckluftbehälter gespeist wird. In einigen Ausführungsformen wird die ferngesteuerte Druckvorrichtung durch das Exoskelettsteuerungssystem gesteuert.
5C zeigt eine Variante der dritten Ausführungsform, in der kein Fluid im System vorhanden ist und eine unter Druck gesetzte Gasleitung 571 eine ferngesteuerte Druckvorrichtung 550 mit Gasfedern 536 und 546 verbindet. Der Druck 529 ist gleich einem Druck 535 und einem Druck 545, so dass der ferngesteuerten Druckvorrichtung 550 ermöglicht wird, die Federspannung sowohl in der Gasfeder 536 als auch in der Gasfeder 546 zu steuern.
Die 5D und 5E zeigen weitere Varianten der dritten Ausführungsform, in der die Position eines Kugelventils 553 eines angetriebenen Ventils 552 selektiv den Fluss von Fluid (oder, in einigen Ausführungsformen, Gas) durch die Druckleitung 521 beschränkt oder erlaubt, das ermöglicht, dass die Position des Werkzeugstützarms 505 selektiv in einer fixierten Position verriegelt werden kann. In einigen Ausführungsformen wird die Position dieses Ventils von dem Exoskelettsteuerungssystem gesteuert. In einigen Ausführungsformen wird dieses Ventil manuell von dem Exoskelettträger gesteuert. In allen Ausführungsformen kann die Platzierung bzw. Anordnung von Motoren und Ventilen gegenüber dem oder von dem Werkzeugstützarm entfernt sein, wodurch die Balance des Exoskeletts verbessert wird. In einigen Ausführungsformen wird eine Hubkraft, die das übersteigt, was zur Schwerkraftkompensation erforderlich ist, bereitgestellt.
Als ein Beispiel der dritten Ausführungsform soll ein Bauarbeiter betrachtet werden, der ein werkzeughaltendes Exoskelett trägt. Im Laufe einer Schicht muss dieser Arbeiter zwischen dem Einsatz eines Punktschweißgerätes, eines Nietsetzwerkzeuges und einer Betonsäge wechseln. Durch die Verwendung der Vorrichtung der dritten Ausführungsform kann der Arbeiter schnell zwischen diesen Werkzeugen wechseln, so dass ein einziger Werkzeughaltearm jedes Werkzeug bei Bedarf bei der Ausführung der Arbeit stützen kann, ohne dass zeitraubende manuelle Anpassungen der Federspannung erforderlich sind. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass das Gewicht, das auf dem Werkzeugarm lastet, reduziert wird, da sich der Anpassungsmotor nicht auf dem Werkzeugarm befindet, wodurch ermöglicht wird, das ein höheres Werkzeuggewicht unterstützt, das Hüftdrehmoment reduziert und die Exoskelettbalance verbessert wird. Ferner kann durch Verwendung der Variante, die mit einem Ventil ausgerüstet ist, der Arbeiter die Position des Werkzeugarms während des Arbeitens fixieren, die es dem Arbeiter ermöglicht, sich bei Tätigkeiten, wie beispielsweise dem Nieten, in das Werkzeug zu lehnen.
Eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in den 6A-D gezeigt. Mit anfänglicher Bezugnahme auf die 6A-C ist eine Person 600 gezeigt, die ein Exoskelett 671 trägt, während sie ein Werkzeug 603 mit den Armen 604 verwendet Das Exoskelett 671 ist mittels Band bzw. Gurt 602 an die Person 602 befestigt. Ein Werkzeugstützarm 605 des Exoskeletts 671 unterstützt das Werkzeug 603, wobei der Werkzeugstützarm 605 in einem fixierten Winkel an einem Hüftausleger 672 an einer Hüftbefestigung 678 befestigt ist. Der Hüftausleger 672 ist an der Struktur des Exoskeletts 671 befestigt und drehbar mit einem Oberschenkelglied 673 an einer Hüfte 670 verbunden. Das Oberschenkelglied 673 ist drehbar mit einem Unterschenkelglied 675 an einem Knie 674 verbunden, wobei das Unterschenkelglied 675 einen Knieausleger 679 aufweist. Das Unterschenkelglied 675 ist drehbar mit einer Fußstruktur 677 an einem Knöchel 676 verbunden, wobei die Fußstruktur 677 einen Knöchelausleger 680 aufweist. Die Fußstruktur 677 ist in Kontakt mit einer Stützoberfläche 618. Ein Gewicht 626 von Werkzeug 603 und Werkzeugstützarm 605 wird um die Beine 611 von Person 600 als eine Druckunterstützung 627, über das Oberschenkelglied 673, zum Unterschenkelglied 675, zur Fußstruktur 677 und in die Oberfläche 618 übertragen. Der Hüftausleger 672 ist mit dem Knieausleger 679 über ein oberes Spannelement 681 verbunden, und der Knieausleger 679 ist mit dem Knöchelausleger 680 über ein unteres Spannelement 682 verbunden. Eine Distanz bzw. ein Abstand 683 von dem Verbindungspunkt des oberen Spannelementes 681 zur Hüfte 670 ist gleich der Distanz bzw. dem Abstand 684 von dem Verbindungspunkt des oberen Spannelementes 681 zum Knie 674. Der Abstand 684 von dem Verbindungspunkt des unteren Spannelementes 682 zum Knie 674 ist gleich dem Abstand 685 von dem Verbindungspunkt des unteren Spannelementes 682 zum Knöchel 676. Diese Verbindung führt dazu, dass das obere Spannelement 681 parallel zum Oberschenkelglied 673 und das untere Spannelement 682 parallel zum Unterschenkelglied 675 ist, auch wenn der Winkel des Knies 674 verändert wird. Aufgrund dieser Verbindung und der fixierten Abstandsstruktur ist der Winkel des Hüftauslegers 672 relativ zur Hüfte 670 mit dem Winkel des Knöchelauslegers 680 relativ zum Knöchel 676 verbunden, was dazu führt, dass der Hüftausleger 672 parallel zum Knöchelausleger 680 verläuft, so dass, wenn die Fußstruktur 677 auf einer ebenen bzw. flachen Oberfläche 618 steht, der Werkzeugstützarm 605, der mit dem Hüftausleger 672 verbunden ist, parallel (relativ zur Hüfte 670) gehalten wird, um einem Hüftdrehmoment 628 entgegenzuwirken, das aus dem Gewicht 626 des Werkzeugs 603 über einen Abstand 621 und dem Werkzeugstützarmarm 605 resultiert. Das Hüftdrehmoment 628 wird als eine Kraft 629 an dem Hüftausleger 672, und als Kräfte 630 und 636 jeweils über die Spannelemente 681 und 682 auf den Knöchelausleger 680 übertragen, was zu einem Knöcheldrehmoment 637 an dem Knöchel 676 führt, wobei die Drehung an dem Knöchel 676 durch die Oberfläche 618 verhindert wird. Während die Übertragung des Hüftdrehmoments auf den Knöchel für einen Arbeiter, der in einer stationären Position mit dem Werkzeug arbeitet, bevorzugt ist, ist ein hohes Knöcheldrehmoment zum Gehen ungünstig.
In 6D ist eine Winde 690 an dem Hüftausleger 672 montiert, wobei die Winde 690 selektiv die Länge und die Spannung auf das Spannelement 681 (und auf das Spannelement 682, das damit verbunden werden kann, oder die Spannelemente 681 und 682 können einzelne Spannelemente sein) beeinflusst. Ein Lösen der Spannelementspannung (verlängern) beeinflusst eine Reduktion/Entfernung eines Knöcheldrehmomentes, was dem Exoskelett und dem Träger ermöglicht, sich an eine neue Position zu begeben, und die Winde an dieser Stelle die Länge des Spannelementes wieder anziehen (verkürzen) kann, wodurch das Hüftdrehmoment reduziert und die Werkzeugverwendung verstärkt bzw. verbessert wird. In einigen Ausführungsformen befindet sich der Motor, der die Länge des Spannelementes steuert, an einer unterschiedlichen Position, einschließlich Positionen, die zusätzliche Längen und Umlenkung(en) des/der Spannelemente(s) erfordern, wie beispielsweise eine Hüftbefestigung. In einigen Ausführungsformen wird ein Schraubenzieher verwendet, um die Länge des Spannelementes zu verändern. In einigen Ausführungsformen wird das Spannelement durch ein starres Element ersetzt. In einigen Ausführungsformen kann eine manuelle Kurbel, eine Nocke oder eine andere nicht angetriebene Vorrichtung verwendet werden um die Länge/Spannung des Spannelementes zu beeinflussen.
Als ein Beispiel der vierten Ausführungsform soll ein Arbeiter in einem Trockendock betrachtet werden, der eine an ein Exoskelett montierte Schleifmaschine verwendet, um die Außenhülle bzw. den Schiffskörper eines Schiffes zu reinigen. Wenn dieser Arbeiter ein Gerüst oder eine Treppe besteigen muss, um in einer eingeschränkten Umgebung zu arbeiten, wäre eine zusätzliche Unannehmlichkeit beim Laufen in dem Exoskelett unerwünscht. Durch Verwendung der Vorrichtung der vierten Ausführungsform kann der Arbeiter mit weniger Unannehmlichkeiten mit dem Exoskelett laufen, aber trotzdem das Exoskelett verwenden, um die Schleifmaschine zu stützen und ein Hüftdrehmoment während der Werkzeugverwendung zu verhindern, wodurch eine Ermüdung des Arbeiters gesenkt wird und die Arbeitsleistung verbessert wird.
Eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der ein einstellbares bzw. anpassbares Gegengewicht an der Rückseite eines werkzeughaltenden Exoskeletts bei der Exoskelettbalance und bei Hüftdrehmomentproblemen bezüglich des Werkzeughaltearms hilft, ist in den 7A und 7B gezeigt. Eine Person 700 trägt ein Exoskelett 701, das mit einem Werkzeughaltearm 705 und einem Werkzeug 703 ausgerüstet ist. Der Werkzeughaltearm 705 ist an einer Hüfte 712 montiert, wobei eine Hüftstruktur 708 auch mit der Hüfte 712 verbunden ist. Ein Gegengewichtarm 730 ist drehbar mit der Hüftstruktur 708 an einem Angelpunkt bzw. Drehpunkt 732 verbunden, wobei die Position des Gegengewichtarms 730 über die Länge eines Spannelementes 733 gesteuert wird. Die Länge des Spannelementes 733 wird über eine Winde 734 gesteuert, wobei die Winde 734 an der Hüftstruktur 708 befestigt ist. Der Abstand eines Gewichtes 731 zur Hüfte 712 erzeugt ein Hüftdrehmoment entgegen dem Uhrzeigersinn an der Hüfte 712, um dem Hüftdrehmoment im Uhrzeigersinn an der Hüfte 712 entgegenzuwirken, das durch das Gewicht des Werkzeughaltearms 705 und des Werkzeugs 703 erzeugt wird. 7B zeigt den Gegengewichtarm in der oberen bzw. erhöhten Position, wodurch ein größeres Gegengewicht für den Werkzeughaltearm und das Werkzeug bereitgestellt wird. 7A zeigt den Gegengewichtarm in der unteren bzw. erniedrigten Position, wodurch ein kleineres Gegengewicht bereitgestellt wird, aber somit weniger sperrig ist. In einigen Ausführungsformen ist die Länge des Werkzeughaltearms wesentlich größer, was ein besseres Ausgleichen im ausgefahrenen Zustand ermöglicht, aber eine vergrößerte Sperrigkeit und eine ungünstigere Manövrierbarkeit auf engstem Raum hervorruft. In einigen Ausführungsformen ist die Länge des Gegengewichtarms durch ineinanderschieben (teleskopartig) oder anderer ähnlicher Mechanismen veränderbar, was eine weitere Anpassung der Gegengewichtoptionen ermöglicht In einigen Ausführungsformen wird der Gegengewichtarm mit anderen Mitteln als einer Winde angetrieben. In einigen Ausführungsformen kann der Gegengewichtarm in der axialen Ebene angetrieben werden, um einen Werkzeughaltearm, der sich aus der zentralen bzw. mittleren Sagittalebene erstreckt, auszugleichen bzw. auszubalancieren. In einigen Ausführungsformen stehen die Winde oder andere Gegengewichtantriebe in Kommunikation mit dem Exoskelettsteuerungssystem und werden durch dieses gesteuert. In einigen Ausführungsformen wird die Position des Gegengewichtarms manuell von dem Exoskelettträger gesteuert und/oder verändert. In einigen Ausführungsformen enthält der Gegengewichtarm n-Glieder, die unabhängig positioniert werden können, nicht unähnlich der Funktion eines biologischen Schwanzes.
Als ein Beispiel der fünften Ausführungsform soll ein Bauarbeiter in einer Umgebung mit sowohl offenen als auch engen Arbeitsplätzen betrachtet werden. Durch die Verwendung der Vorrichtung der fünften Ausführungsform kann dieser Arbeiter in offenen Bereichen das Gleichgewicht maximieren und das Hüftdrehmoment minimieren, aber das Exoskelett schnell an einen kompakteren Zustand für die Arbeit in engen Arbeitsbereichen anpassen.
Eine sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der ein Exoskelett Strom und Verbrauchsmaterialien an ein Werkzeug, das an einen Werkzeughaltearm montiert ist, liefert, ist in 8 gezeigt. Ein Arbeiter 800 trägt ein Exoskelett 801, wobei ein Werkzeug 803 an einen Werkzeugstützarm 805 montiert ist. Der Werkzeugstützarm 805 ist an die Exoskelettstruktur 801 an einer Hüftkopplung 807 befestigt. Das Werkzeug 803 erhält Strom von einer Energiespeichervorrichtung 813, wobei die Energiespeichervorrichtung 813 auf der Rückseite des Exoskeletts 801 entfernt vom Werkzeug 803 montiert ist. Das Werkzeug 803 bezieht Strom über eine Leitung 821, wobei die Leitung 821 mit dem Werkzeug 803 an einer Leitung-Werkzeug-Kopplung 820 und mit der Energiespeichervorrichtung 813 an einer Leitung-Energiespeicher-Kopplung 822 verbunden ist. Die Leitung 821 wird entlang des Werkzeughaltearms 805 in Leitungsführungen 830 geleitet. In einigen Ausführungsformen ist die Energiespeichervorrichtung eine Batterie, ein Druckluftzylinder, eine Brennstoffzelle oder eine andere bekannte Energiespeichervorrichtung. In einigen Ausführungsformen wird die Energiespeichervorrichtung durch eine interne Verbrennungsmaschine, die an einen elektrischen Generator, an einen Druckluftzylinder oder an eine Hydraulikpumpe gekoppelt ist, ersetzt oder damit erweitert. In einigen Ausführungsformen fungiert die Energiespeichervorrichtung als Strom-Routing/Adaptersystem, das eine kontinuierliche oder intermittierende bzw. diskontinuierliche Schnittstelle zwischen dem Exoskelett und einer externen Stromversorgung ermöglicht. In einigen Ausführungsformen ist die Leitung eine elektrische Leitung bzw. Stromkabel, ein Druckluftschlauch, eine Hydraulikleitung, eine mechanische Übertragungsleitung oder eine andere bekannte Energieübertragungsvorrichtung. In einigen Ausführungsformen ist das Exoskelett passiv und nur das Werkzeug und die zugehörigen Systeme erhalten oder benötigen Strom. In anderen Ausführungsformen wird das Exoskelett bestromt bzw. angetrieben und der Strom von den angetriebenen Exoskelettsystemen (wie beispielsweise Gelenk- bzw. Verbindungsaktuatoren) und dem angebrachten Werkzeug geteilt. In einigen Ausführungsformen steht das Exoskelettsteuerungssystem in Kommunikation mit dem Werkzeug, wodurch ermöglicht wird, dass Anpassungen an einige Werkzeugeinstellungen vorgenommen werden können, wie beispielsweise Punktschweißzangen, und wodurch ermöglicht wird, dass das Werkzeug Fehler und andere Alarme bzw. Fehlfunktionen an das Exoskelettsteuerungssystem melden kann, wobei der Exoskelettträger über eine Exoskelettanwenderschnittstelle auf diese Daten und Funktionen zugreifen kann. In einigen Ausführungsformen fungiert die Stromquelle des Werkzeugs als ein Exoskelettgegengewicht, das einem Hüftdrehmoment, das von dem Werkzeugarm und dem Werkzeuggewicht erzeugt wird, ausgleicht und das Exoskelett ausbalanciert.
Als ein Beispiel der sechstes Ausführungsform soll ein Arbeiter betrachtet werden, der ein industrielles Exoskelett in einer Abbruch-Umgebung trägt, in der lange Stromkabel unpraktisch sind und die Oberflächen uneben sind. Durch Verwendung der Vorrichtung der sechsten Ausführungsform wird die Balance des Exoskeletts durch Gewichtsumverteilung und -ausgleich verbessert, und die Stromkabel werden derart verlegt, dass die Wahrscheinlichkeit, dass sich der Arbeiter in den Kabeln verfängt, reduziert wird. Die Vermeidung von Kabelgewirr hat den Vorteil, dass die Manövrierfähigkeit des Exoskeletts in bestimmten geschlossenen Umgebungen oder in Umgebungen, in denen sich Kabel in Schutt oder in Maschinen verfangen können, verbessert wird.
Eine siebte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der ein Exoskelett Verbrauchsmaterialien für ein montiertes Werkzeug liefert, ist in den 9A und 9B gezeigt. Mit anfänglicher Bezugnahme auf 9A trägt ein Arbeiter 840 ein Exoskelett 841, wobei ein Werkzeug 847 an einen Werkzeugstützarm 881 montiert ist. Der Werkzeugstützarm 881 ist an die Exoskelettstruktur 841 an einer Hüftkopplung 887 befestigt. In dieser Figur ist das Werkzeug 847 als Farbzerstäuber dargestellt, als en Beispiel für ein Werkzeug, das ein flüssiges Verbrauchsmaterial benötigt, wobei das Werkzeug 847 Farbe aus einem Farbtank 897 über ein Ventil 849 und einen Farbschlauch 850 erhält. Das Werkzeug 847 erhält zusätzlich unter Druck gesetzte Luft bzw. Druckluft aus einem Lufttank 846 über einen Druckluftschlauch 848, wobei sowohl der Druckluftschlauch 848 als auch der Farbschlauch 850 zurückgehalten und mit dem Werkzeugstützarm 881 über Zurückhalteklammern 852 verbunden werden. In einigen Ausführungsformen wird die Flüssigkeit im Tank unter Druck gesetzt, und die unter Druck gesetzte Flüssigkeit wird anstelle der gleichzeitigen Abgabe bzw. Lieferung von Gas und Flüssigkeit geliefert In einigen Ausführungsformen wird das Gas an das Werkzeug über eine Leitung geliefert, die superkritische Flüssigkeit (wie beispielsweise Propan oder CO₂) führt, die am Werkzeug angesammelt und verdampft wird. In einigen Ausführungsformen ist das Werkzeug eine andere Vorrichtung wie beispielsweise ein Schneidbrenner, ein Sprüh- bzw. Spritzverzinker, ein Pestizidsprüher, ein Feuerlöscher oder irgendeine andere Vorrichtung, die flüssige und/oder gasförmige Verbrauchsmaterialien für den Betrieb benötigt.
9B zeigt einen Arbeiter 860, der ein Exoskelett 861 trägt, wobei ein Werkzeug 867 an einem Werkzeugstützarm 882 montiert ist. Der Werkzeugstützarm 882 ist an die Exoskelettstruktur 861 an einer Hüftkopplung 888 befestigt. In dieser Figur ist das Werkzeug 867 als eine band- bzw. gurtgespeiste Nietpistole dargestellt, als ein Beispiel für ein Werkzeug, das feste Verbrauchsmaterialien (in diesem Fall, Befestigungsmittel wie beispielsweise Nieten oder Nägel) benötigt. Die Nietpistole 867 erhält Nieten aus einem Magazin 871, das auf einer Rückseite der Exoskelettstruktur 872 des Exoskeletts 861 montiert ist, über eine Versorgungsführung bzw. -leitung 870. Die Nietpistole 867 erhält zusätzlich Strom (entweder elektrisch oder als Druckluft) von der Rückseite der Exoskelettstruktur 872 über die Auslässe 869 und die Stromleitung 868. Sowohl die Versorgungsleitung 870 als auch die Stromleitung 868 werden zurückgehalten und werden mit dem Werkzeugstützarm 882 über Rückhalteklammern 862 verbunden. In einigen Ausführungsformen wird ein gurtgespeistes Werkzeug verwendet, das keinen Strom benötigt, wie beispielsweise Befestigungsmittelpistolen, die mit Sprengkraft angetriebene Patronen verwenden (nicht anders als bei Kugeln). In einigen Ausführungsformen wird das Werkzeug durch elektrisch gezündetes Gas angetrieben, das sowohl eine Brenngasversorgung bzw. -einspeisung als auch eine elektrische Quelle für das Werkzeug, zusätzlich zur Versorgung mit Verbrauchsmaterialien benötigt. In einigen Ausführungsformen fungieren die Verbrauchsmaterialienquelle und/oder die Stromquelle für das Werkzeug als Exoskelett-Gegengewicht, indem sie das Hüftdrehmoment, das aus dem Werkzeugarm und dem Werkzeuggewicht resultiert, ausgleichen und das Exoskelett ausbalancieren.
Als ein Beispiel der siebten Ausführungsform soll ein Ersthelfer betrachtet werden, der ein industrielles Exoskelett trägt, das mit einem Werkzeughaltearm und einem Schneidbrenner in einer Such- und Rettungsumgebung ausgestattet ist. Durch Verwendung der Vorrichtung der siebten Ausführungsform ist der Ersthelfer in der Lage, einen schweren Schneidbrenner über unebene schuttübersäte Oberflächen zu bringen bzw. zu transportieren ohne Schläuche zu verwirren und wobei die Balance während der Werkzeuganwendung verbessert ist.. Dies kann eine schnellere Rettung von Überlebenden von Katastrophen ermöglichen.
Eine achte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der ein Exoskelett dem Träger eine ökologische Unterstützung bereitstellt, einschließlich, aber nicht beschränkt auf die Bereitstellung einer gefilterten Luftversorgung oder einer Thermoregulation der Körpertemperatur des Trägers, ist in den 10A und 10B dargestellt. Mit anfänglicher Bezugnahme auf 10A trägt ein Arbeiter 900 ein Exoskelett 901, wobei das Exoskelett 901 mit einem Werkzeughaltearm 905 und einem Werkzeug 903 ausgerüstet ist. Die Person 900 trägt eine Atemschutzmaske 907, wobei die Atemschutzmaske 907 gefilterte Luft über einen Luftschlauch 906 von einer Luftfiltereinheit 908 erhält. Die Luftfiltereinheit 908 ist auf der Rückseitenstruktur 904 des Exoskeletts 901 montiert.
In 10B trägt ein Arbeiter 910 ein Exoskelett 911, wobei das Exoskelett 911 mit einem Werkzeughaltearm 915 und einem Werkzeug 913 ausgerüstet ist. Die Person 910 trägt eine Atemschutzmaske 917, wobei die Atemschutzmaske 917 gefilterte Luft über einen Luftschlauch 916 aus einer Luftfiltereinheit 918 erhält. Die Luftfiltereinheit 918 ist auf eine Rückseitenstruktur 914 des Exoskeletts 911 montiert. Die Person 910 trägt Thermoregulierungsvorrichtungen 921 und 912, wobei die Thermoregulierungsvorrichtungen 921 und 912 von einer Thermoregulierungseinheit 920 über die Leitungen 919 und 925 beheizt bzw. gekühlt werden. Die Thermoregulierungseinheit 920 ist auf eine Rückseitenstruktur 914 des Exoskeletts 911 montiert In einigen Ausführungsformen wird die gefilterte Luft durch einen Lüfter bzw. ein Gebläse unter Druck gesetzt. In einigen Ausführungen ist die Luftfiltration passiv, aber die Flussrate wird im Vergleich zu Atemschutzmasken, die an der Vorderseite montiert sind, durch die Verwendung von Filtermedien mit größerer Oberfläche verbessert. In einigen Ausführungsformen ist das Exoskelett mit einer Haube, wie beispielsweise einer Zwangslufthaube oder einer Überdruckhaube, ausgerüstet und nicht mit einer Atemschutzmaske. In einigen Ausführungsformen wird die Luftfiltereinheit durch ein SCUBA- oder Rebreather-Gerät bzw. Kreislaufatemgerät ersetzt, das für die Verwendung unter Wasser, in hochgiftigen oder sauerstofffreien Umgebungen geeignet ist. In einigen Ausführungsformen wird das Filtersystem durch Feststoff- oder Flüssigphasen-Adsorptionsvorrichtungen erweitert. In einigen Ausführungsformen werden die Thermoregulierungsvorrichtungen über elektrische Widerstände (wie beispielsweise in Heizdecken) beheizt In einigen Ausführungsformen werden die Thermoregulierungsvorrichtungen über Zwangsluftströmung gekühlt. In einigen Ausführungsformen wird ein Flüssigkeitswärmeaustauschsystem verwendet, um die Temperatur der Thermoregulierungsvorrichtungen zu erhöhen oder zu senken. In einigen Ausführungsformen sind Verdunstungskühlung und/oder Heizkörper in die Thermoregulierungseinheit integriert. In einigen Ausführungsformen wird eine Heizpumpe verwendet. In einigen Ausführungsformen wird die Enthalpie der Kristallisation der Medien verwendet, um ein Beheizen oder ein Kühlen bereitzustellen. In einigen Ausführungsformen wird die gefilterte Atemluft, die dem Träger bereitgestellt wird, erwärmt oder gekühlt. In einigen Ausführungsformen wird dem Werkzeug eine Heizung oder eine Kühlung bereitgestellt, oder Wärme bzw. Hitze wird vom Werkzeug an den Anwender abgegeben (beispielsweise das Werkzeug, oder ein anderes angetriebenes Exoskelettsystem wird gekühlt und der Anwender wird über Mittel eines Flüssigkeitswärmetauschersystems gewärmt).
Als ein Beispiel der achten Ausführungsform soll ein waldbrandbekämpfender Feuerwehrmann betrachtet werden, der ein werkzeugstützendes Exoskelett trägt, das mit einer Kettensäge ausgestattet ist, der eine Feuerschneise in unmittelbarer Nähe eines Waldbrandes an einem heißen Sommertag schneidet. Durch die Verwendung der Vorrichtung der achten Ausführungsform kann das Exoskelett den Feuerwehrmann konstant mit gefilterter Luft aus einem angetriebenen Luftfiltersystem versorgen, wobei die Filtrations- und Luftstromleistung (in Bezug auf Flussrate und/oder Partikel-/Toxin- bzw. Giftstoffentfernung) besser ist als bei einem passiven Atemschutzgerät, das an der Vorderseite montiert ist. Das Exoskelett kann auch bei der Reduzierung der Temperatur des Feuerwehrmanns helfen. Die Verbesserungen bezüglich Luftströmung und die Reduzierung der Temperatur würden dem Feuerwehrmann ermöglichen, anstrengende Tätigkeiten auszuführen, wobei die Ermüdung an der Feuerlinie verringert wird, und würden dem Feuermann ermöglichen, mehr Arbeit schneller in einer zeitkritischen Tätigkeit auszuführen.
In einigen Ausführungsformen werden die unterschiedlichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kombiniert. Beispielsweise kann der selbstbalancierende Werkzeugarm der fünften Ausführungsform an ein Exoskelett mit der Beinkonstruktion der vierten Ausführungsform montiert werden. In allen Ausführungsformen kann das Exoskelett Strom an ein Stromwerkzeug liefern - auch dann, wenn das Exoskelett selbst passiv ist und keinen Strom benötigt In bestromten (d. h., angetriebenen) Exoskelett-Ausführungsformen können die Stromsysteme des Werkzeugs und des Exoskeletts geteilt werden, wodurch die Notwendigkeit für disparate bzw. verschiedene Energiespeichervorrichtungen eliminiert bzw. beseitigt wird. In allen Ausführungsformen können verschiedene Sensoren, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Drucksensoren oder Kippschalter, mit dem Exoskelettsteuerungssystem kommunizieren, wodurch ermöglicht wird, dass das Exoskelett auf den Anwender reagieren kann. In allen Ausführungsformen kann das Exoskelettsteuerungssystem mit irgendeiner Werkzeugelektronik oder irgendeinem Werkzeugsteuerungssystem kommunizieren, wie beispielsweise Leistungs- und Zeiteinstellungen an einer Punktschweißzange oder die restlichen Verbrauchsmaterialien für ein Werkzeug (beispielsweise Nägel für eine Nagelpistole). Der Exoskelettträger kann über eine Anwenderschnittstelle, die mit dem Exoskelettsteuerungssystem kommuniziert, auf diese Kommunikation zugreifen oder Befehle ausgeben.
Basierend auf dem oben geschilderten, sollte klar ersichtlich sein, dass die vorliegende Erfindung eine Reihe von Vorrichtungen und Verfahren bereitstellt, die die Verwendung von angetriebenen Vorrichtungen an menschlichen Exoskeletten für andere Funktionen als den Gelenkantrieb des Exoskeletts ermöglichen, wobei diese Vorrichtungen den Nutzen des werkzeughaltenden Exoskeletts für den Träger verbessern. Die vorliegende Erfindung stellt auch eine Vorrichtung und ein Verfahren bereit, die eine automatische und schnelle Anpassung des schwerkraftkompensierenden Werkzeughaltearms als Reaktion auf die Änderung eines gestützten Werkzeugs oder Werkzeuggewichtes ermöglichen. Die vorliegende Erfindung stellt ferner eine Vorrichtung und ein Verfahren bereit, die es ermöglichen, einen Werkzeughaltearm in einer fixierten Position zu verriegeln, so dass der Träger sich in das Werkzeug lehnen und eine größere Kraft auf das Werkzeug ausüben kann. Die vorliegende Erfindung stellt ferner eine Vorrichtung und ein Verfahren bereit, die es ermöglichen, die Position eines Exoskelettgegengewichts/-auslegers zu verändern, wodurch die Balance des Exoskeletts verbessert wird. Die vorliegende Erfindung stellt ferner eine Vorrichtung und ein Verfahren bereit, die es ermöglichen, die Gehbeweglichkeit in Exoskeletten zu verbessern, die mit dem Hüftdrehmoment entgegenwirkenden Vorrichtungen ausgerüstet sind. Die vorliegende Erfindung stellt ferner eine Vorrichtung und ein Verfahren bereit, die es einem Exoskelett ermöglichen, den Strom direkt an die gestützten Werkzeuge zu liefern. Die vorliegende Erfindung stellt ferner eine Vorrichtung und ein Verfahren bereit, die es einem Exoskelett ermöglichen, Verbrauchsmaterialien, wie beispielsweise Befestigungsmittel, direkt an die Werkzeuge zu liefern. Die vorliegende Erfindung stellt ferner eine Vorrichtung und ein Verfahren bereit, die es einem Exoskelett ermöglichen, die Temperatur des Exoskelettträgers zu regulieren bzw. zu steuern. Obwohl mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, sollte es leicht verständlich sein, dass verschiedene Änderungen oder Modifikationen an der Erfindung vorgenommen werden können, ohne von deren Geist bzw. Sinn abzuweichen. Allgemein soll die Erfindung nur durch den Schutzumfang der folgenden Ansprüche begrenzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 62/280896 [0001]
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US 7618016 [0008, 0014]
US 7618 [0011]
US 016 [0011]

Claims

Werkzeughaltearm der aufweist: eine Vielzahl von Gliedern; eine Werkzeugkopplung, die derart konfiguriert ist, dass ein Werkzeug lösbar an dem Werkzeughaltearm befestigt werden kann; eine erste Flüssigkeitsfeder bzw. Fluidfeder, die derart konfiguriert ist, dass sie dem Werkzeughaltearm eine der Schwerkraft entgegenwirkende Kraft bereitstellt; und mindestens eines der folgenden Elemente: a) ein Verriegelungsmechanismus, der derart konfiguriert ist, dass er die erste Fluidfeder verriegelt bzw. sperrt; und b) einen Einstellungsmechanismus, der konfiguriert ist, um eine Menge bzw. einen Betrag der der Schwerkraft entgegenwirkenden Kraft, die von der ersten Fluidfeder bereitgestellt wird, einzustellen.
Werkzeughaltearm gemäß Anspruch 1, wobei: die erste Fluidfeder eine hydraulische oder pneumatische Feder ist; und die erste Fluidfeder eine erste Stange, einen ersten Kolben und einen ersten Zylinder aufweist.
Werkzeughaltearm gemäß Anspruch 2, wobei der Werkzeughaltearm den Verriegelungsmechanismus aufweist.
Werkzeughaltearm gemäß Anspruch 3, wobei der Verriegelungsmechanismus ein Ventil ist, wobei das Ventil derart konfiguriert ist, dass es einen Fluss eines Fluids bzw. einer Flüssigkeit in den und aus dem ersten Zylinder steuert.
Werkzeughaltearm gemäß Anspruch 2, wobei der Werkzeughaltearm den Einstellungsmechanismus aufweist.
Werkzeughaltearm gemäß Anspruch 5, wobei der Einstellungsmechanismus aufweist: eine zweite Stange; einen zweiten Kolben; einen zweiten Zylinder; und eine Flüssigkeits- bzw. Fluidleitung, die derart konfiguriert ist, dass sie ein Fluid zwischen dem zweiten Zylinder und dem ersten Zylinder überträgt, wobei eine Position des zweiten Kolbens innerhalb des zweiten Zylinders die Menge der der Schwerkraft entgegenwirkenden Kraft, die von der ersten Fluidfeder bereitgestellt wird, bestimmt.
Werkzeughaltearm gemäß Anspruch 6, wobei der Werkzeughaltearm ferner den Verriegelungsmechanismus aufweist, und wobei der Verriegelungsmechanismus ein Ventil ist, wobei das Ventil derart konfiguriert ist, dass es einen Fluss des Fluids innerhalb der Fluidleitung steuert.
Werkzeughaltearm gemäß einem der Ansprüche 4 und 7, wobei: das Ventil einen Schaft und einen Sitz aufweist; wenn der Schaft den Sitz berührt bzw. kontaktiert, ist das Ventil in einer geschlossenen Position, in der das Ventil das Fluid daran hindert, in die und aus der ersten Fluidfeder zu fließen; und wenn der Schaft den Sitz nicht berührt, ist das Ventil in einer vollständig oder teilweise geöffneten Position, in der das Ventil das Fluid nicht daran hindert, in die und aus der ersten Fluidfeder zu fließen.
Werkzeughaltearm gemäß Anspruch 6, der ferner eine zweite Fluidfeder aufweist, die derart konfiguriert ist, dass sie die der Schwerkraft entgegenwirkende Kraft dem Werkzeughaltearm bereitstellt, wobei: die zweite Fluidfeder eine dritte Stange, einen dritten Kolben und einen dritten Zylinder aufweist; die Fluidleitung ferner dazu konfiguriert ist, das Fluid zwischen dem zweiten Zylinder und dem dritten Zylinder zu übertragen; und die Position des zweiten Kolbens innerhalb des zweiten Zylinders die Menge der der Schwerkraft entgegenwirkenden Kraft, die von der zweiten Fluidfeder bereitgestellt wird, bestimmt.
Werkzeughaltearm gemäß Anspruch 6, wobei der Einstellungsmechanismus ferner einen Motor aufweist, der derart konfiguriert ist, dass er die Position des zweiten Kolbens innerhalb des zweiten Zylinders steuert.
Werkzeughaltearm gemäß Anspruch 6, der ferner ein Ventil aufweist, das dazu konfiguriert ist, einen Fluss des Fluids innerhalb der Fluidleitung zu steuern.
Werkzeughaltearm gemäß Anspruch 2, der ferner eine Spannfeder aufweist, wobei sich die erste Fluidfeder innerhalb der Spannfeder befindet.
Werkzeughaltearm gemäß Anspruch 1, wobei der Werkzeughaltearm Teil eines Exoskeletts ist, das aufweist: eine Hüftstruktur; ein Oberschenkelglied, das mit der Hüftstruktur an einem Hüftgelenk gekoppelt ist; ein Unterschenkelglied, das mit dem Oberschenkelglied an einem Kniegelenk gekoppelt ist; und eine Fußstruktur, die mit dem Unterschenkelglied an einem Knöchelgelenk gekoppelt ist, wobei, wenn das Exoskelett auf einer Stützoberfläche gestützt wird, ein Gewicht des Exoskeletts von der Hüftstruktur in die Stützoberfläche über das Oberschenkelglied, das Unterschenkelglied und die Fußstruktur übertragen wird.
Werkzeughaltearm gemäß Anspruch 13, wobei der Werkzeughaltearm den Verriegelungsmechanismus aufweist, und das Exoskelett ferner ein elektronisches Steuerungssystem aufweist, das dazu konfiguriert ist, den Verriegelungsmechanismus zu steuern.
Werkzeughaltearm gemäß Anspruch 13, wobei der Werkzeughaltearm den Einstellungsmechanismus aufweist und: das Exoskelett ferner eine Rückseitenstruktur aufweist; wenn das Exoskelett von einem Anwender getragen wird, sich die Rückseitenstruktur hinter dem Anwender befindet; und der Anpassungsmechanismus mit der Rückseitenstruktur gekoppelt ist.
Werkzeughaltearm gemäß Anspruch 13, wobei der Werkzeughaltearm den Anpassungsmechanismus aufweist, und das Exoskelett ferner ein elektronisches Steuerungssystem aufweist, das dazu konfiguriert ist, den Einstellungsmechanismus zu steuern.
Verfahren zur Steuerung eines Werkzeughaltearms, der eine Vielzahl von Gliedern, eine Werkzeugkopplung, die derart konfiguriert ist, dass ein Werkzeug lösbar an dem Werkzeughaltearm befestigt werden kann, und eine erste Fluidfeder, die derart konfiguriert ist, dass sie dem Werkzeughaltearm eine der Schwerkraft entgegenwirkende Kraft bereitstellt, wobei das Verfahren mindestens einen der folgenden Schritte umfasst: a) Verriegeln der ersten Fluidfeder mittels eines Verriegelungsmechanismus des Werkzeughaltearms; und b) Einstellen bzw. Anpassen einer Menge bzw. eines Betrags der der Schwerkraft entgegenwirkenden Kraft, die von der ersten Fluidfeder bereitgestellt wird, mittels eines Einstellungsmechanismus des Werkzeughaltearms.
Verfahren gemäß Anspruch 17, wobei die erste Fluidfeder eine hydraulische oder pneumatische Feder ist, die eine erste Stange, einen ersten Kolben und einen ersten Zylinder aufweist, und das Verfahren ferner umfasst: Verändern eines Flusses eines Fluids in den und aus dem ersten Zylinder durch Sperrung bzw. Verriegelung der ersten Fluidfeder.
Verfahren gemäß Anspruch 17, wobei die erste Fluidfeder eine hydraulische oder pneumatische Feder ist, die eine erste Stange, einen ersten Kolben und einen ersten Zylinder aufweist, wobei der Werkzeughaltearm eine zweite Stange, einen zweiten Kolben und einen zweiten Zylinder aufweist, und das Verfahren ferner umfasst: Verändern eines Flusses eines Fluids zwischen dem zweiten Zylinder und dem ersten Zylinder durch Einstellung der Menge der der Schwerkraft entgegenwirkenden Kraft, die von der ersten Fluidfeder bereitgestellt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 17, wobei der Werkzeughaltearm in ein Exoskelett integriert ist, das eine Hüftstruktur, ein Oberschenkelglied, das mit der Hüftstruktur an einem Hüftgelenk gekoppelt ist, ein Unterschenkelglied, das mit dem Oberschenkelglied an einem Kniegelenk gekoppelt ist, eine Fußstruktur, die mit dem Unterschenkelglied an einem Knöchelgelenk gekoppelt ist, und ein elektronisches Steuerungssystem zur selektiven Bewegung des Exoskeletts aufweist, wobei das Verfahren ferner aufweist: Steuerung des Verriegelungsmechanismus und/oder des Einstellungsmechanismus durch das elektronische Steuerungssystem des Exoskeletts.