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CN107041123B - 外骨骼及其使用方法 - Google Patents

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CN107041123B
CN107041123B CN201580044276.2A CN201580044276A CN107041123B CN 107041123 B CN107041123 B CN 107041123B CN 201580044276 A CN201580044276 A CN 201580044276A CN 107041123 B CN107041123 B CN 107041123B
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Abstract

一种设计为被使用者穿戴的外骨骼通常被配置为支撑并向下传递载荷至地面，这些载荷通过使用者的头部、颈部和/或躯干(肩部、胸部和/或背部)支撑。该外骨骼通常是被动的，并包括至少三个相互连接的部分，这三个相互连接的部分为躯干部分、臀部部分和腿部部分。这些部分中的每一个部分通常包括多个相互连接的刚性元件，这些刚性元件形成了该外骨骼的承载结构。当使用者穿戴该外骨骼时，通常由使用者的头部、颈部和/或躯干携带的载荷至少部分被该外骨骼支撑并传递至地面，从而有效地减少了由使用者自身支撑的载荷。该外骨骼的腿部部分也被设计为确保承载的最终位置位于脚的内侧，与人体生物学相一致。

Description

外骨骼及其使用方法
技术领域
本发明涉及外骨骼及其他被配置为帮助人体携带载荷的可穿戴式结构，特别涉及被动的和/或无动力的外骨骼及其他被配置为帮助人体携带载荷的可穿戴式结构。
背景技术
在很多情况下，帮助使用者携带重载长期以来是一种需要。例如，战场上的军人、消防员、警员、防爆小组以及建筑工人和背包客都经常遇到携带重载的问题，有时会遇到路途遥远的问题。关于这一问题的解决方法已经被提出多年，有时采取被使用者穿戴的便携式结构的形式，便携式结构通常也称为外骨骼，有时作为腿部的补充，有时通过腿部和躯干。
Keith的专利号为8474672的美国专利揭露一种用于可替代地支撑具有作用在使用者的背部的载荷的背包的设置，当使得使用者不受阻碍地上台阶时，该设置将背包的载荷通过使用者的腿部传递到地面。然而，当使用者经常需要能够蹲坐时，这一设置没有考虑到腿部的灵活性。
提出的解决方法中的大部分是有动力驱动的，即包括用于帮助携带载荷的电机驱动结构。例如，美国专利申请20110264014(Angold等)揭露一种便携的载荷升降系统。
正如美国专利8057410B2(Angold等)所揭露的，其他现有技术提出了从外骨骼躯干延伸的延伸结构，该延伸结构被配置为保持载荷在外骨骼穿戴者的前面。尽管是有用的，但是这一配置使得穿戴者不易长距离操作载荷。另外，这一结构不能解决外骨骼躯干的重量分布不均问题，当外骨骼穿戴者静止或行走时，这可能导致该穿戴者的严重平衡问题。
因此，大多数现有技术包含有动力驱动的外骨骼，尽管该外骨骼在一些情形中是有用的，但是由于过高的重量、成本、依靠电源以及缺乏符合人体工程学的机动性，对于使用者该外骨骼可能是不适合的。
此外，大多数现有技术包含直接在腿部的外面具有承载设计的外骨骼，这与人体生物学不相容，且这可能会给使用者带来严重的伤害。例如，美国专利8474672B1(Keith)和8968222B2(Kazerooni等),或者美国专利申请20130303950A1(Angold等)。
因此，尽管承载外骨骼领域在持续发展，仍然需要能够减轻现有技术中不足的新颖的仿生无动力的承载外骨骼。
发明内容
现有技术中的外骨骼的不足至少通过一外骨骼，例如被动的外骨骼被减轻，该被动的外骨骼被配置为被使用者穿戴以支撑并传递通常由使用者携带的载荷至地面，从而减少了由使用者自身支撑的载荷。
本发明首先针对一种外骨骼，该外骨骼被配置为被使用者穿戴以支撑并传递由使用者携带的载荷至地面。该外骨骼包括通过臀部部分连接到腿部部分的躯干部分，以通过臀部部分和腿部部分将由躯干部分携带的载荷向下传递至地面。其中，腿部部分包括两对称的铰接腿部组件，当使用该外骨骼时，每一腿部组件适于放置在使用者的每一腿部以跟随腿部运动，每一腿部组件具有有效地连接至臀部部分外侧的一上端部和适于连接至地面的一下端部，每一腿部组件被配置为在连接至地面之前，将载荷从臀部部分外侧传递至使用者的腿部内侧。
本发明也针对一种用于支撑和向下传递携带载荷至地面的方法，该方法包括步骤：
穿戴外骨骼，该外骨骼包括通过臀部部分向下连接至腿部部分的躯干部分；以及
在腿部部分连接至地面之前，将由该外骨骼的躯干部分携带的载荷从臀部部分的外侧传递至腿部部分的内侧。
本发明还针对一种用于支撑和向下传递携带载荷至地面的方法，该方法包括步骤：
穿戴在此描述的外骨骼；
提供至少一种载荷；以及
使用该外骨骼的躯干部分携带该至少一种载荷，在腿部部分连接至地面之前，用于将该至少一种载荷从臀部部分的外侧传递至腿部部分的内侧。
本发明还针对在此限定的外骨骼的用途，用于辅助穿戴该外骨骼的人携带载荷。
在使用中，使用者将穿戴该外骨骼以辅助其携带载荷。因为载荷作用在使用者的躯干，所以载荷将至少部分被躯干部分支撑且通过躯干部分和躯干部分与臀部部分的连接向下传递至臀部部分。臀部部分随后将进一步将载荷向下传递至腿部部分。最后，载荷通过腿部部分被传递至地面。在这一意义上，最后的左右承载连接点位于左右脚的内侧。
为了使得载荷传递与人体生物学更加一致，外骨骼的腿部部分通常连接至臀部部分的侧部，但是腿部部分被配置为将载荷传递至脚的内侧。相应地，从臀部部分的外侧向下至腿部的内侧的载荷传递有利于减轻穿戴外骨骼的使用者的运动，即使携带重载、延长使用者携带载荷的距离和/或时间。
尽管各种使用者可以使用依照本发明原理的外骨骼，但是，这一外骨骼更利于军人、警员(包括反爆、反恐特警组人员)、消防员、建筑工人、摄影师和背包客穿戴以帮助他们携带载荷。
本发明的其他和进一步方面及优点结合将要描述的实施例将会被更好地理解，在此没有被提及的各种优点将会在本领域技术人员实践本发明时产生。
附图说明
通过下述描述，参考附图，本发明的上述和其他方面、特点和优点将会更加明显，其中，
图1为依照本发明原理的一实施例的外骨骼的前透视图。
图2为图1中外骨骼的后透视图。
图3为图1中外骨骼的主视图。
图4为图1中外骨骼的后视图。
图5为图1中外骨骼的左视图。
图6为图1中外骨骼的右视图。
图7为图1中外骨骼的躯干部分的前透视图。
图8为图1中外骨骼的躯干部分的后透视图。
图9为图1中外骨骼的臀部部分的前透视图。
图10为图1中外骨骼的臀部部分的后透视图。
图11为图1中外骨骼的腿部部分的前透视图。
图12为图1中外骨骼的腿部部分的后透视图。
图13为图1中外骨骼的腿部部分的下部的局部前透视图。
图14为图1中外骨骼的腿部部分的下部的局部后透视图。
图15为图1中外骨骼的颈部部分的前透视图。
图16为图1中外骨骼的颈部部分的后透视图。
图17为图1中外骨骼的前透视图，进一步示出一包覆背心。
图18为图1中外骨骼的腿部部分的主视图。
图19为图1中外骨骼的腿部部分的主视图。
图20为图1中外骨骼的腿部部分的前透视图。
图21为图1中外骨骼的椎骨部分的示意图。
图22为图1中外骨骼的椎骨部分的示意图。
图23为图1中外骨骼的椎骨部分的示意图。
图24为图1中外骨骼的躯干部分的后视图。
具体实施方式
后文将描述一新颖的载荷携带外骨骼。虽然描述了本发明的具体实施方式，但是应当理解的是在此描述的实施方式仅是举例，且本发明的范围也不因此被限定。
依照本发明的原理的外骨骼通常包括至少三个相互连接的部分：1)躯干部分，2)臀部部分和3)腿部部分。这三个部分相互连接以将通常由躯干携带的载荷通过臀部部分和腿部部分向下传递至地面，该躯干包括使用者的肩部、胸部和背部。
为了使得与人体生物学更一致的载荷传递，外骨骼的腿部部分通常连接至臀部部分的侧部，但是，腿部部分被配置为传递载荷至脚的内侧。
在典型的实施例中，外骨骼的躯干部分通常包括肩部元件和脊柱组件，肩部元件被配置为位于使用者的肩部，脊柱组件包括多个脊柱元件。最上部的脊柱元件连接于肩部元件或与肩部元件成一整体，而最下部的脊柱元件则连接于臀部部分。肩部和脊柱元件通过弹性元件(例如弹簧)相互连接以使得脊柱组件在载荷的作用下压缩或伸长，以及使得脊柱组件相对地跟随使用者的运动。躯干部分通常支撑并通过臀部部分和腿部部分向下传递由使用者的肩部和躯干携带的载荷至地面。
在一些实施例中，躯干部分也包括至少一对左右肋骨元件，左右肋骨元件伸展在至少一个中间脊柱元件的两侧一直到使用者的躯干的前面，通常位于最低的肋骨位置，在胸膛和腹部之间。当使用时，这些肋骨元件有效地支撑并传递通常由胸膛或腹部携带的载荷至脊柱组件，然后通过臀部和腿部部分传递至地面。
在典型的实施例中，外骨骼的臀部区域通常包括下背部元件和左右臀部元件，左右臀部元件从下背部元件的两侧一直延伸至使用者的前面。下背部元件与躯干部分的脊柱组件的最低端相接触。左右臀部元件的自由端配置有互补的紧固件以连接到一起形成一带状部。为了增加舒适度，下背部和臀部元件的内表面通常用弹性材料，如橡胶海绵作内衬。
在典型的实施例中，外骨骼的腿部部分包括左腿部部分和右腿部部分。左和右腿部部分通常是对称的。左腿部部分安装到臀部部分的左臀部元件，而右腿部部分安装到臀部部分的右臀部元件。
每一腿部部分通常包括三个主要部分：臀部连接组件，上腿部元件和下腿部元件。臀部连接组件安装到臀部部分的恰当的臀部元件以及上腿部元件的上端部。臀部连接组件是铰接式的，当使用者移动(例如，行走，奔跑，跪下，蹲下等)时以使上腿部元件相对于臀部部分移动。上腿部元件连接到臀部连接组件和下腿部元件。上腿部元件的上端部转动连接于臀部连接组件，上腿部元件的下端部转动连接于下腿部元件。上下腿部元件之间的转动连接部通常位于使用者的膝盖，以使得下腿部元件跟随使用者的下腿部相对于上腿部的运动。下腿部元件通常向下延伸，并向使用者的腿部内侧延伸以将载荷从腿部的外侧传递至腿部的内侧并向下至使用者的脚的内侧。在这一意义上，下腿部元件的下端部以脚底嵌入物终止，该脚底嵌入物被配置为与使用者的鞋子(例如靴子)相接触。
在一些实施例中，外骨骼还包括颈部部分(第四部分)。颈部部分被配置为帮助支撑由使用者的头部携带的载荷。颈部部分通常直接地或通过防护背心或防护服连接至躯干部分，以将载荷从使用者的头部和颈部传递至躯干部分，躯干部分将通过臀部和腿部部分进一步向下传递载荷。
在使用中，使用者将穿戴该外骨骼以辅助其携带载荷。因为载荷作用在使用者的躯干(例如，肩部，胸部和/或背部)，所以载荷将至少部分被躯干部分(例如，肩部元件，脊柱组件)支撑且通过脊柱组件和脊柱组件与臀部部分的连接向下传递至臀部部分。臀部部分随后将进一步通过左臀部元件和左腿部部分之间的连接、右臀部元件和右腿部部分之间的连接将载荷向下传递至两个腿部部分。最后，载荷通过位于使用者鞋子内的左右脚底嵌入物被传递至地面。在这一意义上，如上所述，最后的左右承载连接点位于左右脚的内侧。
根据本发明的一方面，外骨骼可能包括多个子系统：
子系统1：下肢
脚底：直接嵌入军人的靴子的脚底内，本金属脚底对本设备而言是基础、协调和平衡包围所必需的，以准确地将载荷从全身传递并重定向至地面。
脚伸展结构：这是脚和胫骨下侧之间的接合部。
外侧中间锤骨连接部：该设备的这个区域被具体设计为保证上述载荷的准确传递而不受靴子穿/脱的阻碍。
内侧中间锤骨连接部：该设备的这个区域被具体设计为保证上述载荷的准确传递而不受靴子穿/脱的阻碍。
胫骨-膝盖伸展结构：这是膝盖的下部区域，作为胫骨的延续。
前-胫骨伸展结构：本区域仅在胫骨前面开设，以使来自上方的重定向的载荷准确传递。
后-胫骨连接结构：本区域使得该设备和胫骨的后面准确连接。
前-臀部伸展结构：本区域仅在臀部的前面开设，以使来自上方的重定向的载荷准确传递。
后-大腿连接结构：本区域使得该设备和臀部的后面准确连接。
带状部-大腿接合轴：本接合结构在保证载荷正确传递的同时使得臀部/大腿区域准确运动。
大腿外伸展部：本区域成为通过带状系统向下传递的上半身载荷间的桥梁。
子系统2：带状部
带状部-大腿接合连接部：本区域使得该设备和胫骨的后面准确连接。
带状部轨迹结构：本区域使得该设备和胫骨的后面准确连接。
子系统3：上半身
起重翼：这部分将重量提离肩部躯干以使载荷离开身体，该载荷将会通过传递结构被重定向至地面。
椎骨：本部分就像人体脊柱，在连接至带状部之前，使得上部躯干准确地动作，以传递来自上方的载荷。
脊柱-肋骨：与其他的(o)不同，这是个特殊的椎骨，延伸出/长出两个从前到后环绕躯干的浮肋。
板-肋连接部：这部分位于浮肋的端部，通过轻轻推开紧弹道背心，有助于避免躯干的压缩。
肋骨调节轨道：这个结构使得外骨骼的整个子系统在躯干上准确调节和固定。
子系统4：上肩部
上-耳枢轴分支：这是连接至头盔的上肩部子系统的最高部分。当这个子系统通过升降翼(n)将头盔的部分重量传递至该子系统下方，这个子系统利用辅助转矩系统(ATS)正确地帮助并控制颈部的运动。
下-耳枢轴分支：这是上肩部子系统的一部分，与(s)具有相同的功能。
颈部导轨滑块：本结构调节上肩部子系统上的头盔位置，用于颈部正确的载荷平衡和运动控制/辅助。
颈部枢轴分支：本结构也是上肩部子系统的部分，被设计为起(s)所述的作用。它主要涉及颈部的运动，
依照本发明原理的外骨骼通常用图1和图2中的10示出。外骨骼10被设计为当使用者站立、行走、奔跑或蹲下时，使得躯干携带载荷的使用者通过将载荷升离使用者的身体来使外骨骼10承担躯干的载荷，并将载荷重定向至脚以下。在本实施例中，外骨骼10还被配置为至少部分支撑使用者可能穿戴的头盔的重量。
参照图1-6，外骨骼10通常包括三个主要部分：1)躯干部分100，2)臀部部分200和3)腿部部分300L和300R。这三个部分100，200和300相互连接，以通过躯干部分100、臀部部分200以及腿部部分300L和300R将通常由躯干携带的载荷向下传递至地面，躯干包括使用者的肩部、胸部和背部。在一些实施例中，如下面将要描述的，外骨骼10可能还包括颈部部分400。
可以理解地，躯干部分100、臀部部分200以及腿部部分300L和300R通常分别被配置为安装到使用者的躯干、臀部周围和腿部。在这个意义上，躯干部分100、臀部部分200以及腿部部分300L和300R通常均设置有多种调节结构(例如，带子，以及机械配件，螺栓，螺钉和螺母，对臀部(1英寸)、踝关节(半英寸)、脊柱(4英寸)横向和纵向的调节)，以准确地调节多个部分100、200、300L和300R至使用者身体的特定的大小和形状。在现有的实施例中，调节结构包括交叉带以促进肌肉扩张。根据一个实施例，尽管允许有一定程度的弹性，但是载荷携带外骨骼可被做成不同的大小以适应不同种身体的大小和形状。
另外参照图7和图8，躯干部分100可包括肩部元件110和脊柱组件120。如图7所示，肩部元件110位于脊柱组件120的上端部122。肩部元件110通常被配置为承担至少部分作用在使用者躯干上的载荷并将其传递至脊柱组件120，脊柱组件120将进一步通过臀部部分200将载荷向下传递至腿部部分300L和300R。
最佳如图7和图8所示，在本实施例中，肩部元件110通常被配置为部分环绕使用者的颈部的底部。在这个意义上，肩部元件110包括两个翼状伸展部112L和112R，翼状伸展部112L和112R限定出凹陷部113，使用者的颈部的底部可位于凹陷部113。
与人体脊柱相似，脊柱组件120通常包括多个相互连接的脊柱元件或椎骨131至136。在本实施例中，脊柱组件120包括6个脊柱元件。然而，在其他实施例中，脊柱元件的数量可以多于或少于6个。
肩部元件110和脊柱元件131至136用弹性元件(例如弹簧)150至155依次相互连接，使得脊柱组件120在其支撑和传递的不同载荷的作用下压缩或伸长。肩部元件110和脊柱元件131至136之间的弹性连接也使得外骨骼10的躯干部分100具有柔性。由于外骨骼10被配置为被使用者穿戴，当外骨骼10保持其承载能力的同时能够跟随使用者的运动是有利的。在本实施例中，肩部元件110和脊柱元件131至136之间的弹性连接使得躯干部分100保持足够的柔性来跟随使用者的大部分运动的同时，能够支撑至少部分作用在使用者躯干上的载荷。
在本实施例中，脊柱元件131至136中的至少一个还包括至少一对左右肋骨元件140L和140R，肋骨元件140L和140R伸展在至少一个中间脊柱元件的两侧一直到使用者的躯干的前面，通常位于最低的肋骨位置，在胸膛和腹部之间。在本实施例中，最佳如图7和图8所示，只有脊柱元件133包括肋骨元件140L和140R。肋骨元件140L和140R被配置为至少部分支撑并传递位于使用者胸膛和/或腹部的载荷至脊柱组件120。在这个意义上，在本实施例中，肋骨元件140L和140R分别通过可调节安装板142L和142L终止，载荷可安装到或依附于可调节安装板。在本实施例中，可调节安装板142L和142R上设置有一组紧固件开口144L和144R，以向被安装或依附的载荷提供不同的调节。在军事环境中，例如，可以采用肋骨元件140L和140R以及他们的对应可调节安装板142L和142R，以至少部分支撑用来保护军人免受高速子弹或其他弹片伤害的弹道板。
可以理解地，根据外骨骼10的预期用途，更多的脊柱元件上可以设置有肋骨元件(如果使用者要携带大量的前载荷，例如摄影师)，或者都不设置有肋骨元件(如果使用者不需要携带大量的前载荷，例如背包客)。
由于其结构优点，躯干部分100将至少部分支撑并向下传递由使用者的躯干携带的载荷至臀部部分200，臀部部分200将通过腿部部分300L和300R将载荷传递至地面。
除了图1至图6以外，现参照附图9和10，臀部部分200是上部躯干部分100及下部腿部部分300L和300R之间的桥梁部分。在这个意义上，臀部部分200通常被配置为从背部传递并重定向载荷至侧部，在背部臀部部分200从脊柱组件120接收载荷，在侧部臀部部分200将载荷传递至腿部部分300L和300R。
在本实施例中，臀部部分200包括下背部元件210和两臀部元件220L和220R，臀部元件220L和220R从下背部元件210的两侧一直延伸至使用者的前面。最佳如图9所示，左右臀部元件220L和220R的自由端222L和222R上设置有互补的紧固件224L和224R，以使紧固件224L和224R连接到一起形成带状部(参见图9)。在本实施例中，互补的紧固件224L和224R为搭扣元件。然而，在其他实施例中，互补的紧固件224L和224R可以是不同的，例如，VelcroTM带。
如图9，尤其是图10所示，下背部元件210连接至躯干部分100的脊柱组件120的最低端124。最低的脊柱元件136和下背部元件210之间的连接与其他脊柱元件131至136之间的连接类似。
最佳如图9所示，当把互补的紧固件224L和224R连接到一起时，臀部部分200形成带状部，带状部把使用者的臀部区域完全包围住。在本实施例中，为了增加使用者的舒适度，下背部元件210及臀部元件220L和220R的内表面用弹性材料，如橡胶海绵230作内衬。尤其，除了将载荷从躯干部分100传递至腿部部分300L和300R的作用外，臀部部分200还传递部分载荷到使用者的臀部，由此进一步有助于减轻由使用者的躯干携带的载荷。弹性材料层因此通常阻止臀部部分200在使用者的臀部上形成疼痛接触点。
现参照图9至图14，为了完成从躯干向下至地面的载荷传递，臀部部分200连接至该对左右腿部部分300L和300R。腿部部分300L和300R实际上是对称的，右腿部部分300R是左腿部部分300L的镜像。在这个意义上，下面仅描述左腿部部分300L。
左腿部部分300L固定但是可调节地连接至臀部部分200的左臀部元件220L。左腿部部分300L通常包括三个主要部分：1)臀部连接组件310L，2)上腿部元件330L和3)下腿部元件350L。
参照图9和图10，在允许左腿部部分300L的必要的运动自由度的同时，臀部连接组件310L通常负责保证臀部部分200和左腿部部分300L之间的正确连接。在这个意义上，臀部连接组件310L包括带状部连接部312L、第一臀部连接元件314L、第二臀部连接元件316L和第三臀部连接元件318L，第一臀部连接元件314L转动连接于带状部连接部312L，第二臀部连接元件316L转动连接于第一臀部连接元件314L，第三臀部连接元件318L转动连接于第二臀部连接元件316L。
从图9可以看出，带状部连接部312L和第一臀部连接元件314L之间的转动连接部313L限定出第一转动轴线323L，第一转动轴线323L允许使用者的腿部横向运动(即左-右运动)。就其本身而言，第一臀部连接元件314L和第二臀部连接元件316L之间的转动连接部315L限定出第二转动轴线325L，第二转动轴线325L允许使用者的腿部纵向运动(即前-后运动)。最后，第三臀部连接元件318L和第二臀部连接元件316L之间的转动连接部317L限定出第三转动轴线327L，第三转动轴线327L使得使用者的腿部可轴向运动(即旋转运动)。三个转动轴线323L、325L和327L通常互相垂直，从而通常给余下的腿部部分300L及使用者的腿部提供三个自由度。因此，通过提供三个自由度，在使用过程中，臀部连接组件310L使得上腿部元件330L和下腿部元件350L准确地跟随使用者的腿部的运动。
现参照图11和图12，上腿部元件330L安装至臀部连接组件310L(也参见图9和图10)且通常从臀部连接组件310L向下延伸。更具体地，上腿部元件330L的上端部332L固定但是可调节连接至第三臀部连接元件318L。考虑到不同长度的腿部，上端部332L和第三臀部连接元件318L之间的可调节连接部319L通常提供高度调节。
上腿部元件330L通常包括两个区域：上部区域334L和下部区域336L。最佳如图11所示，上部区域334L通常从使用者的侧部(例如，大腿区域)向前面延伸。然后，下部区域336L从上部区域334L向下延伸，并随着下部区域336L分叉通过两个末端部338L终止于膝盖附近。
就其自身而言，下腿部元件350L在其上端部352L转动连接于上腿部元件330L，且下腿部元件350L通过鞋底嵌入物370L终止于其下端部358L。
和上腿部元件330L一样，下腿部元件350L也包括上部区域354L和从上部区域354L向下延伸的下部区域356L。尤其，如图11所示，下腿部元件350L的上部区域354L也分叉成两个末端部352L。这两个末端部352L转动连接于上腿部元件330L的下部区域336L的两个末端部352L。为了使使用者的腿部沿着膝盖弯曲，末端部338L和末端部352L之间的转动连接部通常与使用者的膝盖对齐。
尤其，如图11所示(也参见图3)，末端部338L和末端部352L的分叉结构限定出中心孔340L。当使用者跪下或蹲下时，孔340L使得使用者的膝盖通过其伸展。
参照图11至图14，下腿部元件350L的上部区域354L通常位于使用者的腿部的前面，而下部区域356L则向下并朝向使用者的腿部的内侧延伸以终止于使用者的脚的内侧。在这个意义上，下部区域356L通过脚底嵌入物370L终止，脚底嵌入物370L被配置为与使用者脚下的鞋子内侧相配合。脚底嵌入物370L转动连接于下腿部元件350L的末端部358L以允许使用者的脚的枢转运动。
参照图11或图12，应注意腿部部分330L将载荷从使用者的腿部外侧、大腿附近一直向下传递至使用者的腿部内侧、踝关节附近。这一从腿部外侧向着腿部内侧的载荷传递使得最终的承载点位于使用者脚的内侧，这与人体生物学相一致。在这个意义上，由于脚的内侧更好地被配置为支撑载荷，所以传递载荷至脚的内侧可以防止给外骨骼10的使用者带来伤害。
参照图11至图14，当使用者站直、行走或奔跑时，腿部保持其正常的周长和几何结构。一旦一条腿跪下、两条腿跪下或采取下蹲姿势，腿部的周长通常在零至几英寸之间的范围内增加，这取决于个体的年龄和种族背景。这种情形特别适用于腿部的大腿和小腿区域。
参照图18至图20，在本实施例中，当使用者采取如上所述的较低位置时，A部分(深灰：连接至膝盖转动关节的大腿延伸部，膝盖转动关节反过来连接至胫骨延伸部)通常通过肌肉的扩张朝向腿部的内侧水平移动，同时，B部分(浅灰：膝盖/大腿/胫骨结构)通常保持固定或不移动。
参照图20，当使用者采取如上所述的较低位置时，内侧相应对称的相应单元通常通过肌肉的扩张朝向腿部的内侧水平移动，单元334、336和354优选地保持固定或不移动，与内侧相应对称的相应单元相反。
现参照图12(也参见图4)。上腿部元件330L和下腿部元件350L的后面设置有带连接延伸部380L和390L，带连接延伸部380L和390L中各包括连接环382L和392L。这些环382L和392L被配置为与连接带(未示出)相接触以将腿部部分330L缚于使用者的腿部。典型地，带子是松紧带和/或可调节带以在腿部部分330L和使用者的腿部之间提供准确连接。
另外，对于臀部部分200，腿部部分380L和390L的后表面可设置有弹性材料层，例如橡胶海绵，以增加舒适度。
如上所述，外骨骼10的本实施例还包括颈部部分400，颈部部分400通常被配置为将由头盔(未示出)产生的载荷向下传递至躯干部分100。如图17所示，本实施例中，颈部部分400通过背心500连接至躯干部分100。背心500通常与躯干部分成一整体以使背心500将躯干部分100缚于使用者的躯干。在本实施例中，背心500由衬垫带510和网状物520制成。
参照图15和图16，为了使得颈部部分400准确地将头盔的载荷向下传递至躯干部分100，颈部部分400包括一对左右头盔支撑元件410L和410R，头盔支撑元件410L和410R被配置为通过连接点412L和412R安装至头盔，且头盔支撑元件410L和410R转动连接于第一颈部元件420L和420R。这两个第一颈部元件420L和420R还连接于第二颈部元件430，第二颈部元件430被做成沿着使用者的头部的后面延伸的形状。第二颈部元件430还连接于第三颈部元件440，第三颈部元件440朝着使用者的肩部向下延伸。在这个意义上，第三颈部元件440的下端部442L和442R设置有转动连接于下端部442L和442R的背心连接元件450L和450R。
在操作中，静态和动态载荷沿着外骨骼10的轨迹如下。
在本实施例中，在操作中，当人站立、行走或奔跑时，此外骨骼系统10将承担通常位于躯干的载荷，将载荷提离人体并将载荷重定向至脚下的地面(即，现在载荷从高处被重定向至两足动物能更好地控制载荷的区域)。
当站立、行走或奔跑时，包含的静态和动态载荷的轨迹如下：
I.通常通过传递结构412、415、430、442(参见图15)将头盔的载荷带离颈部并重定向至肩部。
II.来自I，通过起重翼传递结构112(参见图5至图7)从肩部以下提升载荷。
III.来自II，它通过人造脊柱的椎骨110、131至136(参见图8)到达臀部区域230(参见图9)。因此，载荷通常在人体的外侧，就在臀部的上方。
IV.来自III，它继续通过滑块/连接部/接合部319、323、312(参见图10)穿过臀部区域继续向下至腿部。
V.来自IV，它继续穿过膝盖区域319、354、356(参见图11)。
VI.来自V，载荷通过传递机构356、358、359(参见图11)重定向至腿部内侧。
VII.来自VI，在最终到达脚370(参见图11)以下之前，载荷行进了0到90°的轨迹(从垂直到水平方向-胫骨的下部内侧到大脚趾)。
在本实施例中，现参照图21至24，在操作中，在某些位置处，椎骨组件(人造脊柱)的椎骨131至136的功能优选地为特别为人体脊柱设计的自动调节的动态载荷传递结构。
在本实施例中，椎骨组件600由多个被认定为椎骨的不同的设备-部件组成，椎骨分为4种类型：腰椎(134至136)、肋休克椎骨133(延伸到肋休克组件连接部(140至144))、胸椎131至132和上部椎骨110(延伸到起重翼112)。
参见图21，椎骨组件600包括伸缩式内部弹簧610，椎骨间弹簧620以及球形接触载荷传递部630。
这些椎骨(110，131至136)中的每一个优选地相对于其他的在4个轴上自由运动：旋转、弯曲、侧屈和平移。上部椎骨(110)通常是有能力处理载荷的设备-部件。相对于保持一定掌控作用的整体系统，椎骨组件的运作取决于具体的姿势/活动/位置以及如下所述的传递结构。
站直、行走、奔跑及俯卧位置
在本实施例中，参照图22，当站直时，来自该组件的所有椎骨(110、131至136)(参见图8)通过每一椎骨末端的球形接触表面111、112直接接触。
当行走或奔跑时，载荷将仍通过此直接接触传递。如果在任意一侧进行有限的倾斜运动(少于10°)，椎骨组件将仍通过直接接触传递(或平移)载荷。
在任意一侧倾斜及跪下
一旦使用者的运动达到大于10°的倾斜运动，脊柱通常按照一定的模式延伸：腰椎部分比其他部分平移更多；其他部分以相似的方式平移。
参照图22，当脊柱延伸，通常在每一椎骨连接点111、112之间形成一平移，椎骨连接点111、112使在直立位置支撑载荷的球形接触面分离。为了继续传递载荷，该组件利用内管与椎骨115内侧接触。现在是由支架接触点111、112和116、117形成的两种接触传递载荷。此结构被认为是支架。
仍参照图22，随着支架结构的增大，在椎骨131至136(参见图8)之间将获得更大角度的柔性；所以，倾斜运动越大，椎骨131至136(参见图8)之间的平移增加得越多，且它们变得更加有柔性。腰椎平移如此多以便于已被包含在它们内侧的伸缩结构113、114补偿发生在跪下位置处的过多的平移。为了保证整个系统的准确运行，椎骨组件的设备-部件在使用者上需要充分地保持在一起。因此，弹簧、松紧带和纺织保护架与椎骨组件设计为一固有的整体。
弹簧、松紧带和纺织保护架
每一椎骨131至136(参见图8)内嵌设有弹簧，此弹簧将其它椎骨131至136(参见图8)推开(参见图21)。腰椎部分嵌设有特定的弹簧以激活腰椎(参见图21)的伸缩结构。整个组件便通过将整个椎骨组件拉在一起的松紧带拉紧(参见图23至图24)。
自我调节
此结构优选地在某种程度上自我调节，使得跟随肩部载荷的运动不费力地实现。
根据使用者的运动，载荷向量的位置产生轻微的偏置(从身体的中心)，此偏置通常约束往运动方向拉动整个系统(身体+外骨骼)的椎骨131至136(参见图8)。
由使用者胸部、肩部和/或背部携带的载荷至少部分由躯干部分100的肩部元件110和脊柱组件120支撑。从而将载荷定向至背部，并沿着脊柱组件120进一步将其往下定向至臀部部分200。由于臀部部分200将其重定向至左右臀部元件220L和220R，所以臀部部分200将载荷分为两部分。左右臀部元件220L和220R进一步分别将载荷向下重定向至左右腿部部分300L和300R。然后，腿部部分300L和300R将载荷从腿部的外侧重定向至腿部的内侧，如此最终在使用者的脚的内侧附近与地面接触。
因此，当穿戴外骨骼10的使用者站立、行走、奔跑、跪下、蹲下等时，此外骨骼10至少承担部分位于使用者躯干上的载荷、将载荷提离人体并重定向载荷至使用者脚下的地面。
典型地，该外骨骼10通常由钛合金或其它轻质合金制成。但是，此外骨骼10可以使其部件中的一些由复合材料制成，例如碳纤维或芳族聚酰胺或两者的结合，而关节和椎骨保持由钛合金制成。为了进一步减轻重量，钛合金可由稀疏的材料制成(例如，包括嵌入的气泡的金属合金)。
权利要求书的范围不应该被在例子中陈述的优选的实施例限制，而是应该考虑与整体描述相一致的最广泛的说明。

Claims (20)

1.一种外骨骼，该外骨骼被配置为被使用者穿戴以支撑并传递由使用者携带的载荷；该外骨骼包括通过臀部部分连接到腿部部分的躯干部分，以通过臀部部分和腿部部分将由躯干部分携带的载荷向下传递至地面；其中，腿部部分包括两对称的铰接腿部组件，当使用该外骨骼时，每一腿部组件适于放置在使用者的每一腿部以跟随腿部运动，每一腿部组件具有有效地连接至臀部部分外侧的一上端部和适于连接至地面的一下端部，每一腿部组件被配置为将载荷从臀部部分外侧完全传递至使用者的腿部内侧；
其中，每一腿部组件包括：
上腿部元件，从该臀部部分向下延伸并具有转动连接于该臀部部分的一端部，以使当使用者移动时，该上腿部元件相对于该臀部部分运动；以及
下腿部元件，从该上腿部元件向下延伸并转动连接于该上腿部元件，该上腿部元件和该下腿部元件之间的转动连接部位于使用者的膝盖，以使下腿部元件跟随使用者的下腿部相对于上腿部的运动；
该上腿部元件和下腿部元件向下延伸，并向使用者的腿部内侧延伸以将载荷从腿部的外侧传递至腿部的内侧并向下至使用者的脚的内侧；并且
其中，该上腿部元件包括上部区域，该上部区域从该臀部部分的外侧向腿部的前面延伸，然后从该上部区域向下延伸的是下部区域，由于该下部区域在腿部的两侧分叉，该下部区域通过两个末端部终止于膝盖附近；以及
该下腿部元件包括上部区域和下部区域，该下腿部元件的上部区域可转动地从上腿部元件的下部区域延伸，该下腿部元件的下部区域从其上部区域向下朝着使用者的腿部的内侧延伸，该下腿部元件的上部区域也分叉为两个末端部，两个该末端部分别转动连接于该上腿部元件的下部区域的两个末端部从而限定出中心孔，当使用者跪下或蹲下时，该中心孔使得使用者的膝盖通过其伸展；
为了使使用者的腿部沿着膝盖弯曲，该末端部之间的转动连接部与使用者的膝盖对齐。
2.如权利要求1所述的外骨骼，其中，每一腿部组件还包括臀部连接组件，臀部连接组件用于有效地连将该上腿部元件连接至该臀部部分，该臀部连接组件是铰接的，用于在臀部和腿部部分之间传递使用者的运动，该臀部连接组件还包括调节系统，该调节系统用于依据使用者的腿部的长度调节腿部组件的长度。
3.如权利要求2所述的外骨骼，其中，该臀部连接组件包括：
带状部连接部，用于将该臀部连接组件连接至该臀部部分的外侧；
第一臀部连接元件，转动连接于该带状部连接部，以形成第一转动连接部；
第二臀部连接元件，转动连接于该第一臀部连接元件，以形成第二转动连接部；以及
第三臀部连接元件，转动连接于该第二臀部连接元件，以形成第三转动连接部；以及其中，
该带状部连接部和该第一臀部连接元件之间的该第一转动连接部限定出第一转动轴线，该第一转动轴线允许使用者的腿部横向或左-右运动；
该第一臀部连接元件和该第二臀部连接元件之间的该第二转动连接部限定出第二转动轴线，该第二转动轴线允许使用者的腿部的纵向或前-后运动；
该第三臀部连接元件和该第二臀部连接元件之间的第三转动连接部限定出第三转动轴线，该第三转动轴线允许使用者的腿部轴向或旋转运动；
三个该转动轴线互相垂直，因此通常给在使用过程中跟随使用者的腿部运动的腿部部分提供三个自由度。
4.如权利要求1所述的外骨骼，其中，该下腿部元件通过鞋底嵌入物终止，该鞋底嵌入物从该下腿部元件向外延伸，并适用于与使用者的鞋子的内侧或外侧接触。
5.如权利要求1所述的外骨骼，其中外骨骼的躯干部分包括：
肩部元件，被配置为位于使用者的肩部；以及
脊柱组件，从该肩部元件沿着使用者的脊柱向下延伸，该脊柱组件包括多个脊柱元件，其中，最上部的脊柱元件连接于肩部元件或与肩部元件成一整体，而最下部的脊柱元件则连接于臀部部分；
躯干部分支撑并通过臀部部分和腿部部分向下传递由使用者的肩部和躯干携带的载荷至地面。
6.如权利要求5所述的外骨骼，其中，该肩部元件和脊柱元件通过弹性元件相互连接以使得该脊柱组件在载荷的作用下压缩或伸长，以及使得该脊柱组件相应地跟随使用者的躯干的运动。
7.如权利要求6所述的外骨骼，该脊柱组件的脊柱元件采用伸缩式内部弹簧、椎骨间弹簧和/或球形接触载荷传递部相互连接。
8.如权利要求5所述的外骨骼，其中，该躯干部分还包括至少一对左肋骨元件和右肋骨元件，该对左肋骨元件和右肋骨元件伸展在至少一个中间脊柱元件的两侧一直到使用者的躯干的前面，位于最低的肋骨位置，在胸膛和腹部之间，用于支撑并传递由胸膛或腹部携带的载荷至该脊柱组件，然后通过该臀部部分和腿部部分传递至地面。
9.如权利要求1所述的外骨骼，其中，该臀部部分包括下背部元件和左臀部元件、右臀部元件，该下背部元件连接至该躯干部分，左臀部元件和右臀部元件从该下背部元件的两侧一直延伸至使用者的前面，左臀部元件和右臀部元件具有设置有互补的紧固件的末端部，以使左臀部元件和右臀部元件连接到一起形成带状部。
10.如权利要求1所述的外骨骼，其中，该外骨骼还包括颈部部分，该颈部部分被配置为帮助支撑由使用者的头部携带的载荷，该颈部部分可拆卸连接至该躯干部分以将载荷从使用者的头部和颈部传递至该躯干部分，该躯干部分将进一步通过臀部部分和腿部部分将载荷向下传递至地面。
11.如权利要求10所述的外骨骼，其中，该颈部部分通过与该躯干部分成一整体的背心连接至该躯干部分，以使该背心将该躯干部分缚于使用者的躯干。
12.如权利要求10所述的外骨骼，该颈部部分适于连接至使用者穿戴的头盔以保护使用者的头部和/或支撑由使用者携带的载荷。
13.如权利要求1所述的外骨骼，其中，该外骨骼还包括附着在该外骨骼和使用者之间的一个或多个弹性垫片，用于当使用者穿戴该外骨骼时增加舒适度。
14.如权利要求1所述的外骨骼，还包括适应使用躯干尺寸的背心，用于将该躯干部分缚于使用者的躯干。
15.如权利要求1所述的外骨骼，还包括用于将该外骨骼固定到使用者上的多个固定组件。
16.如权利要求1所述的外骨骼，其中，该外骨骼是被动的外骨骼。
17.一种外骨骼，该外骨骼被配置为被使用者穿戴以支撑并传递由使用者携带的载荷；该外骨骼包括通过臀部部分连接到腿部部分的躯干部分，以通过臀部部分和腿部部分将由躯干部分携带的载荷向下传递至地面；其中，腿部部分包括两对称的铰接腿部组件，当使用该外骨骼时，每一腿部组件适于放置在使用者的每一腿部以跟随腿部运动，每一腿部组件具有有效地连接至臀部部分外侧的一上端部和适于连接至地面的一下端部，每一腿部组件被配置为将载荷从臀部部分外侧完全传递至使用者的腿部内侧；
其中，外骨骼的躯干部分包括：
肩部元件，被配置为位于使用者的肩部；以及
脊柱组件，从该肩部元件沿着使用者的脊柱向下延伸，该脊柱组件包括多个脊柱元件，其中，最上部的脊柱元件连接于肩部元件或与肩部元件成一整体，而最下部的脊柱元件则连接于臀部部分；
其中，每一腿部组件包括：
上腿部元件，从该臀部部分向下延伸并具有转动连接于该臀部部分的一端部，以使当使用者移动时，该上腿部元件相对于该臀部部分运动；以及
下腿部元件，从该上腿部元件向下延伸并转动连接于该上腿部元件，该上腿部元件和该下腿部元件之间的转动连接部位于使用者的膝盖，以使下腿部元件跟随使用者的下腿部相对于上腿部的运动；
该上腿部元件和下腿部元件向下延伸，并向使用者的腿部内侧延伸以将载荷从腿部的外侧传递至腿部的内侧并向下至使用者的脚的内侧。
18.如权利要求17所述的外骨骼，其中，每一腿部组件还包括臀部连接组件，臀部连接组件用于有效地连将该上腿部元件连接至该臀部部分，该臀部连接组件是铰接的，用于在臀部和腿部部分之间传递使用者的运动，该臀部连接组件还包括调节系统，该调节系统用于依据使用者的腿部的长度调节腿部组件的长度。
19.如权利要求17所述的外骨骼，其中，该下腿部元件通过鞋底嵌入物终止，该鞋底嵌入物从该下腿部元件向外延伸，并适用于与使用者的鞋子的内侧或外侧接触。
20.如权利要求17所述的外骨骼，其中，该外骨骼还包括颈部部分，该颈部部分被配置为帮助支撑由使用者的头部携带的载荷，该颈部部分可拆卸连接至该躯干部分以将载荷从使用者的头部和颈部传递至该躯干部分，该躯干部分将进一步通过臀部部分和腿部部分将载荷向下传递至地面；该颈部部分通过与该躯干部分成一整体的背心连接至该躯干部分，以使该背心将该躯干部分缚于使用者的躯干。
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