CN108839002B - 穿戴式外骨骼肩部助力设备 - Google Patents

Abstract

穿戴式外骨骼肩部助力设备，包括穿戴部分、安装基座、支撑框架、手臂机构；手臂机构包括框架，框架通过支撑轴转动连接卷簧壳体，支撑轴端头接棘轮棘爪机构，卷簧壳体内有卷簧，卷簧内端头接在支撑轴上，卷簧外端头接在卷簧壳体内壁上；框架的侧面通过连接臂转动连接摆动臂，手臂框架一端与摆动臂转动连接，手臂框架另一端接手臂支撑；卷簧壳体外侧固定有限位轴，限位轴一端有限位端头，限位端头与框架上边沿相匹配；钢索一端挂在限位轴另一端，钢索另一端挂在摆动臂端头上的钢索挂轴上；支撑轴、限位轴、摆动臂轴相互平行设置，销轴与摆动臂轴相互垂直设置。结构简单，重量轻，高自由度，灵活可靠，穿戴舒适。

Description

穿戴式外骨骼肩部助力设备

技术领域

本发明涉及一种助力设备，特别是一种穿戴式外骨骼肩部助力设备。

背景技术

人体肩膀是及其复杂的运动结构。自由度与重量在传统肩部助力外骨骼设备中往往是对立的。拥有复杂结构且高自由度的此类设备重量大，引起穿戴不适，如EKSO bionics公司肩部外骨骼。重量较低的外骨骼设备往往肩部自由度受到一定的限制，因为其机械结构相对简易，动作灵活性差。超高自由度产品在其输出力稳定性方面又略逊一筹。穿戴式外骨骼肩部助力设备的安装基座部分是通过各类刚性连接方式将机械部分与穿戴部分直接连接，使其受力集中于连接处，穿戴者有明显不适感。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、整体重量轻、具有高自由度、动作灵活可靠、产生助力的弹性件的弹力方便调整、穿戴部分舒适牢固、具有柔性基座、可实现柔性支撑、减轻使用人员疲惫感的穿戴式外骨骼肩部助力设备，克服现有技术的不足。

本发明的穿戴式外骨骼肩部助力设备，包括穿戴部分、连接在穿戴部分上的安装基座、与安装基座相连接的支撑框架及安装在支撑框架上的手臂机构；

所述的手臂机构包括框架，在框架上设有支撑轴，支撑轴上转动连接有卷簧壳体，支撑轴端头固定装有棘轮，与棘轮相配的棘爪通过棘爪轴连接在框架上，在卷簧壳体内设有卷簧，卷簧的内端头连接在支撑轴上，卷簧的外端头连接在卷簧壳体的内壁上；

在框架的侧面固定有连接臂，摆动臂的一端通过摆动臂轴与连接臂转动连接，手臂框架的一端通过销轴与摆动臂的另一端转动连接，手臂框架的另一端连接有手臂支撑；

在卷簧壳体的外侧固定有限位轴，限位轴的一端装有限位端头，限位端头与框架上边沿相匹配；钢索的一端挂接在限位轴的另一端，钢索的另一端挂接在摆动臂端头上的钢索挂轴上；

所述的支撑轴、限位轴、摆动臂轴相互平行设置，所述的销轴与摆动臂轴相互垂直设置。

所述的穿戴部分包括腰带，腰带的前部有腰带松紧卡扣，背部连接带的下端与腰带的后边中间部位相对固定连接，背部连接带上设有长度调节卡扣，背部连接带的上端连接有背板，背板的上边两侧均与肩带的一端相接，肩带的另一端与腰带的后边中部区域相接，在肩带上设有长度调节卡扣；

在两个肩带之间位于前侧连接有胸带，胸带上设有胸带松紧扣；

所述的背板的后面固定有左右对称的绑带；在背部连接带的下端外侧有固定安装基座的固定带；在腰带的两侧分别连接有对称的连接带，连接带上设有紧固卡扣。

所述的安装基座包括通过固定带捆绑的运动限制座，在运动限制座内插装有硅胶弹性连接板，硅胶弹性连接板的两端自运动限制座的两端伸出，硅胶弹性连接板的两端对称接有连接框架，连接框架上固定有连板，连板上开设有穿入连接带的长孔，在连接框架上设有插装固定所述支撑框架中的支撑杆的插孔。

所述的硅胶弹性连接板的两端与连接框架的连接结构为：在硅胶弹性连接板的两端设有安装孔，压板的两端设有与所述安装孔相对应的安装孔，在连接框架的端头有与所述的安装孔相对应的安装孔，硅胶弹性连接板两端头夹持在压板和连接框架之间并通过压板螺钉和各安装孔将压板、硅胶弹性连接板、连接框架紧固在一起；所述的连接框架与连板通过连板螺钉固定连接。

所述的支撑框架包括支撑杆，支撑杆的下端固定插入所述的连接框架上的插孔内，支撑杆上部折弯并在折弯处接有加强用的拉筋，在支撑杆的上端头通过连接臂轴连接有连接件，所述的框架与连接件的端头相接。

所述的手臂框架端部固定套装有限位座，限位座的端头罩在摆动臂端头，限位座与摆动臂之间有间隙。

本发明的穿戴式外骨骼肩部助力设备，是一种无需能源输入的纯机械可穿戴助力设备。其主要作用是减轻劳动者在抬臂工作过程中对肩部产生的压力以及疲劳影响。为穿戴者提供肩部助力以完成长时间的重复抬臂的作业姿势。这是一种可穿戴式具有高自由度的外骨骼设备，在工作过程中该设备能够为穿戴者手臂提供随动支撑力以减轻肩部负担，随动支撑力是指为穿戴者提供支撑力的同时穿戴者仍然可以进行抬起或放下手臂的动作。此设备无需能源，其支撑力输出通过本设备中卷簧提供。经过机械机构以及卷簧的设计可以使穿戴者同时获得运动自由度以及支撑力。手臂下压的过程中储存弹簧弹性势能，向上抬起手臂的过程中弹性势能开始释放并转化成对手臂支撑的机械能。此外在手臂下压得过程中由于机械机构的设计使其只要正常将手臂下垂就足以储存足够的机械能，手臂无需额外下压的力量。肩部转轴以及柔性支撑的安装基座使得该设备具有高自由度以适应穿戴者的各种运动。具有柔性的安装基座与腰带的连接通过连接带将穿戴部分以及机械部分连接起来，不紧柔性的安装基座具有灵活性，且穿戴方式本身也具有柔性，同时将重力从腰后向腰两侧分布，使整个腰带受力均匀，不会出现局部受力过大导致穿戴不稳定的情况。具有结构简单、整体重量轻、具有高自由度、动作灵活可靠、产生助力的弹性件的弹力方便调整、穿戴部分舒适牢固、具有柔性基座、可实现柔性支撑、减轻使用人员疲惫感的优点。

附图说明

图1是本发明具体实施方式的立体结构示意图。

图2是本发明具体实施方式的主视示意图。

图3是图2所示的后视示意图。

图4是本发明具体实施方式中手臂机构的立体结构示意图。

图5是本发明具体实施方式中安装基座的分解结构示意图。

图6是本发明具体实施方式中穿戴部分的立体结构示意图。

图7是本发明具体实施方式中穿戴部分的主视示意图。

图8是图7所示的后视示意图。

具体实施方式

如图1、2、3所示：本发明的穿戴式外骨骼肩部助力设备，包括穿戴部分、连接在穿戴部分上的安装基座、与安装基座相连接的支撑框架及安装在支撑框架上的手臂机构。

如图4所示：手臂机构包括槽形的框架51，在框架51上设有支撑轴50，支撑轴50上转动连接有卷簧壳体52，卷簧壳体52位于框架51的槽内，卷簧壳体52的侧边通过螺钉固定连接有卷簧壳盖66。支撑轴50端头固定装有棘轮63，棘轮63位于框架51的外侧。与棘轮63相配的棘爪64通过棘爪轴65连接在框架51上。在卷簧壳体52内设有卷簧，卷簧的内端头连接在支撑轴50上，即端头插入支撑轴50上的长形缝隙内。卷簧的外端头连接在卷簧壳体52的内壁上， 即插入卷簧南体52内壁上的长表缝隙内。

在框架51的侧面固定有连接臂55，摆动臂56的一端通过摆动臂轴70与连接臂55转动连接，摆动臂56可相对于连接臂55转动。手臂框架58的一端通过销轴57与摆动臂56的另一端转动连接，手臂框架58的另一端连接有手臂支撑59。

在卷簧壳体52的外侧固定有限位轴54，限位轴54的一端装有限位端头53，限位端头53与框架51上边沿71相匹配，即在卷簧作用下卷簧壳体52转动到位后限位端头53刚好靠在框架51的上边沿71上。钢索62的一端挂接在限位轴54的另一端，钢索62的另一端挂接在摆动臂56端头上的钢索挂轴61上。

支撑轴50、限位轴54、摆动臂轴70相互平行设置，销轴57与摆动臂轴70相互垂直设置。

如图6、7、8所示：穿戴部分包括腰带1，腰带1的前部有用于系紧或松开腰带的腰带松紧卡扣2。背部连接带8的下端与腰带1的后边中间部位相对固定连接，背部连接带8上设有长度调节卡扣9。背部连接带8的上端连接有背板6。背板6的上边两侧均与肩带3的一端相接，肩带3的另一端，即肩带端头12与腰带1的后边中部区域相接，在肩带3上设有长度调节卡扣，即形成两个对称的左右肩带结构。

在两个肩带3之间位于前侧连接有横向的胸带4，胸带4上设有胸带松紧扣5。

背板6的后面固定有左右对称的绑带7。在背部连接带8的下端外侧有固定安装基座的固定带11。在腰带1的两侧分别连接有对称的连接带10，连接带10上设有紧固卡扣。

上述各卡扣可选用与各类背包用卡扣相同结构的卡扣，只要能调节带的长度或相对卡接（即起到连接作用）即可，为了增加强度可在材质上和结构规格上有目的的改变。

如图5所示：安装基座包括通过固定带11捆绑的运动限制座30，在运动限制座30内插装有硅胶弹性连接板31，硅胶弹性连接板31的两端自运动限制座30的两端伸出，硅胶弹性连接板31的两端对称接有连接框架34。每个连接框架34上均固定有连板35，连板35上开设有穿入连接带10的长孔36。在连接框架34上设有插装固定支撑框架中的支撑杆38的插孔37。

硅胶弹性连接板31的两端与连接框架34的连接结构为：在硅胶弹性连接板31的两端设有安装孔，压板32的两端设有与前述安装孔相对应的安装孔，在连接框架34的端头有与前述安装孔相对应的安装孔，硅胶弹性连接板31两端头夹持在压板32和连接框架34之间并通过压板螺钉33和各安装孔将压板32、硅胶弹性连接板31、连接框架34紧固在一起。连接框架34与连板35通过连板螺钉39固定连接。

如图3所示：支撑框架包括支撑杆38，支撑杆38的下端固定插入连接框架34上的插孔37内，并通过顶丝顶紧固定。支撑杆38上部折弯并在折弯处接有加强用的拉筋69。在支撑杆38的上端头通过连接臂轴68连接有连接件67框架51与连接件67的端头固定连接。

如图4所示：手臂框架58端部固定套装有限位座60，限位座60的端头罩在摆动臂56端头，限位座60与摆动臂56之间有间隙。当手臂框架58沿销轴57转动时，可通过限位座60进行转动角度的限位。

如图1、2、3所示：其中支撑杆38及手臂机构为两组，形成左右对称结构。

使用时通过穿戴部分佩戴在操作人员的上身，用腰带1及前侧的腰带松紧卡扣2系紧，肩带3的长度调节适中，胸带4利用胸带松紧卡扣5调节适中，即可将本设备固定穿戴好。

本发明的穿戴式外骨骼肩部助力设备，其中手臂机构的弹性力是由置于卷簧壳体52及卷簧壳盖66内的卷簧来提供。钢索62两端分别连接在卷簧壳体52外侧的限位轴54和钢索挂轴61上，穿戴后手臂支撑59托起手臂，卷簧形成的弹力使卷簧壳体沿支撑轴50逆时针方向转动（如图4），在没有手臂阻力时，限位端头53会靠在框架51的上边沿71上，即上边沿71起到限位作用。有手臂下压时手臂框架58和摆动臂56沿摆动臂轴70顺时针方向转动，同时钢索62拉动卷簧壳体52顺时针方向转动，此时克服卷簧的弹力，储备了机械能，同时钢索62可撘在摆动臂轴70的端头上并形成折弯状态。当手臂抬起工作时，在弹力作用下会对手臂形成一个向上抬起的作用力，达到了外骨骼肩部助力的目的。其中棘轮63和棘爪64可调整卷簧的预紧力，手臂正常下压时即可克服卷簧的弹力，无需用力下压。手臂机构通过连接臂轴68与支撑框架中的支撑杆38相转动连接，使用过程中配合的摆动臂56相对于摆动臂轴70的摆动及手臂框架58相对于销轴57的转动可实现高自由度的动作，加之具有柔性的安装基座，本设备具有结构简单、整体重量轻、具有高自由度、动作灵活可靠、产生助力的弹性件的弹力方便调整、穿戴部分舒适牢固、具有柔性基座、可实现柔性支撑、减轻使用人员疲惫感的优点。

Claims (6)

1.一种穿戴式外骨骼肩部助力设备，包括穿戴部分、连接在穿戴部分上的安装基座、与安装基座相连接的支撑框架及安装在支撑框架上的手臂机构；

其特征在于：所述的手臂机构包括框架（51），在框架（51）上设有支撑轴（50），支撑轴（50）上转动连接有卷簧壳体（52），支撑轴（50）端头固定装有棘轮（63），与棘轮（63）相配的棘爪（64）通过棘爪轴（65）连接在框架（51）上，在卷簧壳体（52）内设有卷簧，卷簧的内端头连接在支撑轴（50）上，卷簧的外端头连接在卷簧壳体（52）的内壁上；

在框架（51）的侧面固定有连接臂（55），摆动臂（56）的一端通过摆动臂轴（70）与连接臂（55）转动连接，手臂框架（58）的一端通过销轴（57）与摆动臂（56）的另一端转动连接，手臂框架（58）的另一端连接有手臂支撑（59）；

在卷簧壳体（52）的外侧固定有限位轴（54），限位轴（54）的一端装有限位端头（53），限位端头（53）与框架（51）上边沿（71）相匹配；钢索（62）的一端挂接在限位轴（54）的另一端，钢索（62）的另一端挂接在摆动臂（56）端头上的钢索挂轴（61）上；

所述的支撑轴（50）、限位轴（54）、摆动臂轴（70）相互平行设置，所述的销轴（57）与摆动臂轴（70）相互垂直设置。

2.根据权利要求1所述的穿戴式外骨骼肩部助力设备，其特征在于：所述的穿戴部分包括腰带（1），腰带（1）的前部有腰带松紧卡扣（2），背部连接带（8）的下端与腰带（1）的后边中间部位相对固定连接，背部连接带（8）上设有长度调节卡扣（9），背部连接带（8）的上端连接有背板（6），背板（6）的上边两侧均与肩带（3）的一端相接，肩带（3）的另一端与腰带（1）的后边中部区域相接，在肩带（3）上设有长度调节卡扣；

在两个肩带（3）之间位于前侧连接有胸带（4），胸带（4）上设有胸带松紧扣（5）；

所述的背板（6）的后面固定有左右对称的绑带（7）；在背部连接带（8）的下端外侧有固定安装基座的固定带（11）；在腰带（1）的两侧分别连接有对称的连接带（10），连接带（10）上设有紧固卡扣。

3.根据权利要求1或2所述的穿戴式外骨骼肩部助力设备，其特征在于：所述的安装基座包括通过固定带（11）捆绑的运动限制座（30），在运动限制座（30）内插装有硅胶弹性连接板（31），硅胶弹性连接板（31）的两端自运动限制座（30）的两端伸出，硅胶弹性连接板（31）的两端对称接有连接框架（34），连接框架（34）上固定有连板（35），连板（35）上开设有穿入连接带（10）的长孔（36），在连接框架（34）上设有插装固定所述支撑框架中的支撑杆（38）的插孔（37）。

4.根据权利要求3所述的穿戴式外骨骼肩部助力设备，其特征在于：所述的硅胶弹性连接板（31）的两端与连接框架（34）的连接结构为：在硅胶弹性连接板（31）的两端设有安装孔，压板（32）的两端设有与所述安装孔相对应的安装孔，在连接框架（34）的端头有与所述的安装孔相对应的安装孔，硅胶弹性连接板（31）两端头夹持在压板（32）和连接框架（34）之间并通过压板螺钉（33）和各安装孔将压板（32）、硅胶弹性连接板（31）、连接框架（34）紧固在一起；所述的连接框架（34）与连板（35）通过连板螺钉（39）固定连接。

5.根据权利要求4所述的穿戴式外骨骼肩部助力设备，其特征在于：所述的支撑框架包括支撑杆（38），支撑杆（38）的下端固定插入所述的连接框架（34）上的插孔（37）内，支撑杆（38）上部折弯并在折弯处接有加强用的拉筋（69），在支撑杆（38）的上端头通过连接臂轴（68）连接有连接件（67），所述的框架（51）与连接件（67）的端头相接。

6.根据权利要求5所述的穿戴式外骨骼肩部助力设备，其特征在于：所述的手臂框架（58）端部固定套装有限位座（60），限位座（60）的端头罩在摆动臂（56）端头，限位座（60）与摆动臂（56）之间有间隙。