CN109760021A - 一种可穿戴上肢助力外骨骼 - Google Patents

Abstract

一种可穿戴上肢助力外骨骼，包括肩带、手臂绑带、骨架和腰带，肩带与腰带连接，骨架上端与肩带连接，下端与腰带连接，骨架包括左右对称相互独立的左骨架和右骨架；左、右骨架均包括旋转杆、支撑筒、拉带、线性弹簧和弹簧座，旋转杆与支撑筒铰接可绕支撑筒上端上下运动，旋转杆上端与拉带上端连接，拉带下端与线性弹簧上端连接，线性弹簧下端与设置于支撑筒下端的弹簧座连接，旋转杆下端连接有手臂绑带。本发明具有无动力源、可蓄能、整体重量不超过2kg、质量轻便、穿戴方便、舒适、手臂自由度高等优点。

Description

一种可穿戴上肢助力外骨骼

技术领域

本发明涉及一种可穿戴上肢助力外骨骼。

背景技术

在生产车间，如汽车生产线，有些岗位需要长时间托举工具，长期的劳动会造成肩关节、肘关节酸痛，很容易出现疲惫、注意力下降等情况，导致工作效率下降，危险性增加，给作业工人带来了许多健康隐患。

目前，已有大量的文献在研究辅助工人作业这一领域，但是大部分是采用有源动力辅助的方式进行设计，这样就会导致整体结构臃肿，不利于穿戴。文献申请号为CN201720433974.8的中国实用新型专利公开了一种辅助动力柔性上肢外骨骼，包括柔性绑带装置、电动力驱动装置、动力发生装置和动力传递装置。该装置由于采用有动力源设计因此会造成总体质量大，穿戴不舒适等缺点。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，提供一种无动力源、可蓄能、质量轻便可方便穿戴上肢助力外骨骼。

为了实现发明的目的，发明采用以下技术方案：

一种可穿戴上肢助力外骨骼，包括肩带、手臂绑带、骨架和腰带，肩带与腰带连接，骨架上端与肩带连接，下端与腰带连接，骨架包括左右对称相互独立的左骨架和右骨架；

左、右骨架均包括旋转杆、支撑筒、拉带、线性弹簧和弹簧座，旋转杆与支撑筒铰接可绕支撑筒上端上下运动，旋转杆上端与拉带上端连接，拉带下端与线性弹簧上端连接，线性弹簧下端与设置于支撑筒下端的弹簧座连接，旋转杆下端连接有手臂绑带。

上述的一种可穿戴上肢助力外骨骼，无动力源，采用线性弹簧作为蓄能元件，结构简单，穿戴上肢助力外骨骼，整体重量轻，工人托举工具作业时，人体肩关节所需要提供的额外力矩将大大减小，因而上臂的疲劳程度会大大降低。

在其中一实施例中，所述左、右骨架还包括旋转座和旋转支撑座，所述旋转杆可伸缩插套于旋转座内，旋转座与设置于所述支撑筒上端的旋转支撑座铰接。

在其中一实施例中，所述左、右骨架还包括套杆，套杆可伸缩插套于所述旋转杆内，套杆下端铰接有手臂支撑块，手臂支撑块连接有所述手臂绑带。

在其中一实施例中，所述旋转杆上设置有若干个旋转杆螺纹孔，所述套杆设置有套杆通孔，套杆通孔通过螺栓与旋转杆螺纹孔连接，调节套杆与所述旋转杆之间的伸缩距离。

在其中一实施例中，所述左、右骨架还包括伸缩套和伸缩杆，伸缩套插套于所述支撑筒下端，伸缩杆可伸缩插套至伸缩套、所述支撑筒内，所述弹簧座插套于伸缩杆上，弹簧座设置有弹簧座螺纹孔。

在其中一实施例中，所述伸缩套上设置有伸缩套螺纹孔，所述伸缩杆设置有若干个伸缩杆通孔，伸缩杆通孔通过螺栓与伸缩套螺纹孔连接，调节伸缩杆与所述支撑筒之间的伸缩距离。

在其中一实施例中，所述左、右骨架还包括向心关节轴承，向心关节轴承插套于于所述伸缩杆下端，向心关节轴承设置于向心关节轴承座内，向心关节轴承座与所述腰带连接。

在其中一实施例中，所述向心关节轴承座固定于髋部支撑块上，所述髋部支撑块与所述腰带连接。

在其中一实施例中，所述线性弹簧设置有弹簧罩。

在其中一实施例中，所述肩带、手臂绑带、腰带、拉带、弹簧罩均采用尼龙面料制成，所述支撑筒采用碳纤维管制成，可穿戴上肢助力外骨骼整体重量不超过2kg。

附图说明

图1为发明一种可穿戴上肢助力外骨骼的正面结构图；

图2为发明一种可穿戴上肢助力外骨骼的背面结构图；

图3为发明一种可穿戴上肢助力外骨骼的骨架结构图；

图4为工人穿戴上肢助力外骨骼正面结构图；

图5为工人穿戴上肢助力外骨骼背面结构图；

图6为工人无穿戴上肢助力外骨骼摆动工具结构图；

图7为力矩曲线图。

其中：

1、肩带；

2、手臂绑带；

3、骨架；31、旋转杆；32、支撑筒；33、拉带；34、线性弹簧；35、弹簧座；36、旋转座；37、旋转支撑座；38、套杆；39、手臂支撑块；310、伸缩套；311、伸缩杆；312向心关节轴承；313、向心关节轴承座；314、髋部支撑块；315、快拆销；

4、弹簧罩；

5、腰带。

具体实施方式

为了便于理解发明，下面将参照相关附图对发明进行更全面的描述。附图中给出了发明的较佳实施例。但是，发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连通”另一个元件，它可以是直接连通到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

为叙述方便，下文中所称的“左”“右”“上”“下”与附图本身的左、右、上、下方向一致，但并不对发明的结构起限定作用。

如图1至5所示，一种可穿戴上肢助力外骨骼，包括肩带1、手臂绑带2、骨架3和腰带5，肩带1与腰带5连接，骨架3上端通过拉绳与肩带1连接，下端与腰带5连接，骨架3包括左右对称相互独立的左骨架和右骨架；

左、右骨架均包括旋转杆31、支撑筒32、拉带33、线性弹簧34和弹簧座 35，旋转杆31与支撑筒32铰接可绕支撑筒32上端上下旋转运动，旋转杆31、拉带33分别位于支撑32筒两侧，旋转杆31上端与拉带33上端连接，拉带33 下端与线性弹簧34上端连接，线性弹簧34下端与设置于支撑筒32下端的弹簧座35通过快拆销315连接，线性弹簧34设置有弹簧罩4，线性弹簧34根据托举工具的重量可以更换相应规格的弹簧，旋转杆31下端连接有手臂绑带2。肩带1可卡扣套于人体肩膀，手臂绑带2与人体上臂连接，腰带5可卡扣绑于人体腰部，肩带1、手臂绑带2、弹簧罩4、腰带5均采用尼龙面料制成。

本实施例中，优选为旋转杆31上端设置有凹槽，凹槽内设置有销轴，拉带 33上端缠绕于销轴上，拉带33下端与线性弹簧34的上端挂钩连接，线性弹簧 34的下端挂钩与快拆销315连接。

本实施例中，左、右骨架还包括旋转座36和旋转支撑座37，旋转杆31可伸缩插套于旋转座36内，旋转座36与设置于支撑筒32上端的旋转支撑座37 铰接，可绕旋转支撑座37旋转，旋转座36材质优选7075或6061系T5、T6铝合金。旋转支撑座37材质优选7075或6061系T5、T6铝合金。支撑筒32材质优选碳纤维管。

进一步地，旋转杆31上沿长度方向间隔设置有若干个旋转杆螺纹孔，旋转座36一端设置有穿套孔，穿套孔设置有旋转座通孔，另一端设置销轴孔(优选为先设置有凹槽，在凹槽相对面设置有销轴孔)，旋转杆31套设于穿套孔内，旋转座通孔通过螺栓与旋转杆螺纹孔连接，从而调节旋转杆31与旋转座36之间的伸缩距离。该设置可改变弹簧的力臂。旋转支撑座37上端放置于旋转座36 的凹槽内，并通过销轴实现旋转座36与旋转支撑座37铰接，旋转杆31材质优选7075或6061系T5、T6铝合金。

本实施例中，左、右骨架还包括套杆38，套杆38可伸缩插套于旋转杆31 内，套杆38下端铰接有手臂支撑块39，手臂支撑块39可绕套杆38旋转，优选为手臂支撑块39为圆弧形，手臂支撑块39连接有手臂绑带2。手臂支撑块39 材质优选65Mn、60Si2MnA等弹簧钢。

进一步地，套杆38设置有套杆通孔，套杆通孔通过螺栓与旋转杆螺纹孔连接，调节套杆38与旋转杆31之间的伸缩距离，从而适应不同体格的人群，套杆38材质优选7075或6061系T5、T6铝合金。

本实施例中，左、右骨架还包括伸缩套310和伸缩杆311，伸缩套310插套于支撑筒32下端，伸缩杆311上端插套于伸缩套310、支撑筒32内，弹簧座 35插套于伸缩杆311上，弹簧座35与伸缩杆311呈90度设置。

进一步地，伸缩套310上设置有伸缩套螺纹孔，伸缩杆311沿长度方向间隔设置有若干个伸缩杆通孔，伸缩杆通孔通过螺栓与伸缩套螺纹孔连接，调节伸缩杆311与支撑筒32的之间的伸缩距离，以适应不同体格的人群。进一步地，弹簧座35一端设置有穿套孔，穿套孔设置有弹簧座螺纹孔，另一端设置有插销孔(优选为先设置有凹槽，在凹槽相对面设置有插销孔)，伸缩杆通孔通过螺栓与弹簧座螺纹孔连接，通过更换配合通孔的位置，调节弹簧座35的高度，从而调节弹簧的预紧力，快拆销315插于插销孔内，线性弹簧34下端挂钩于凹槽内的快拆销315上实现线性弹簧34与弹簧座35的连接。伸缩套310材质优选 7075或6061系T5、T6铝合金。伸缩杆311材质优选7075或6061系T5、T6 铝合金。

本实施例中，伸缩杆311下端插套有向心关节轴承312，采用向心关节轴承 312可以实现手臂的自由摆动，与不穿戴本发明装置时的自由度一致，向心关节轴承312设置于向心关节轴承座313内，向心关节轴承座313固定于髋部支撑块314上，髋部支撑块314与腰带5连接。向心关节轴承座313材质优选7075 或6061系T5、T6铝合金。髋部支撑块314套入腰带5，材质优选7075或6061 系T5、T6铝合金。

本发明采用无源设计，整体重量不超过2kg，穿戴方便舒适。采用线性弹簧 34作为蓄能元件，采用铝合金及碳纤维作为上肢助力外骨骼减轻整体重量。旋转杆31为上臂肩关节提供的支撑力矩可以近似的匹配工具及手臂自身重量上下摆动时在肩关节产生的力矩曲线。因而上臂的疲劳程度会大大降低。

如图6所示，工人手持1kg工具按照箭头方向缓慢摆动时，肩关节所需要的力矩随上臂摆动角度的曲线大致如图7中无穿戴关节力矩所示。选取刚度系数为28N/mm的线性弹簧34，并将摆动角度为0度时的弹簧预紧力调至290N，穿戴上本发明装置后，肩关节所需力矩曲线如图7中有穿戴关节力矩所示。可见，穿戴本发明后，工人托举工具作业时，人体肩关节所需要提供的额外力矩将大大减小，因而上臂的疲劳程度会大大降低。

本发明具有无动力源、可蓄能、整体重量不超过2kg、质量轻便、穿戴方便、舒适、手臂自由度高等优点。

实施例仅表达了发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于发明的保护范围。因此，发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种可穿戴上肢助力外骨骼，其特征在于，包括肩带、手臂绑带、骨架和腰带，肩带与腰带连接，骨架上端与肩带连接，下端与腰带连接，骨架包括左右对称相互独立的左骨架和右骨架；

左、右骨架均包括旋转杆、支撑筒、拉带、线性弹簧和弹簧座，旋转杆与支撑筒铰接可绕支撑筒上端上下运动，旋转杆上端与拉带上端连接，拉带下端与线性弹簧上端连接，线性弹簧下端与设置于支撑筒下端的弹簧座连接，旋转杆下端连接有手臂绑带。

2.根据权利要求1所述的一种可穿戴上肢助力外骨骼，其特征在于，所述左、右骨架还包括旋转座和旋转支撑座，所述旋转杆可伸缩插套于旋转座内，旋转座与设置于所述支撑筒上端的旋转支撑座铰接。

3.根据权利要求1所述的一种可穿戴上肢助力外骨骼，其特征在于，所述左、右骨架还包括套杆，套杆可伸缩插套于所述旋转杆内，套杆下端铰接有手臂支撑块，手臂支撑块连接有所述手臂绑带。

4.根据权利要求3所述的一种可穿戴上肢助力外骨骼，其特征在于，所述旋转杆上设置有若干个旋转杆螺纹孔，所述套杆设置有套杆通孔，套杆通孔通过螺栓与旋转杆螺纹孔连接，调节套杆与所述旋转杆之间的伸缩距离。

5.根据权利要求1所述的一种可穿戴上肢助力外骨骼，其特征在于，所述左、右骨架还包括伸缩套和伸缩杆，伸缩套插套于所述支撑筒下端，伸缩杆可伸缩插套至伸缩套、所述支撑筒内，所述弹簧座插套于伸缩杆上，弹簧座设置有弹簧座螺纹孔。

6.根据权利要求5所述的一种可穿戴上肢助力外骨骼，其特征在于，所述伸缩套上设置有伸缩套螺纹孔，所述伸缩杆设置有若干个伸缩杆通孔，伸缩杆通孔通过螺栓与伸缩套螺纹孔连接，调节伸缩杆与所述支撑筒之间的伸缩距离。

7.根据权利要求5所述的一种可穿戴上肢助力外骨骼，其特征在于，所述左、右骨架还包括向心关节轴承，向心关节轴承插套于于所述伸缩杆下端，向心关节轴承设置于向心关节轴承座内，向心关节轴承座与所述腰带连接。

8.根据权利要求7所述的一种可穿戴上肢助力外骨骼，其特征在于，所述向心关节轴承座固定于髋部支撑块上，所述髋部支撑块与所述腰带连接。

9.根据权利要求1所述的一种可穿戴上肢助力外骨骼，其特征在于，所述线性弹簧设置有弹簧罩。

10.根据权利要求1至9任意一项权利要求所述的一种可穿戴上肢助力外骨骼，其特征在于，所述肩带、手臂绑带、腰带、拉带、弹簧罩均采用尼龙面料制成，所述支撑筒采用碳纤维管制成，可穿戴上肢助力外骨骼整体重量不超过2kg。