CN109862854A - 利用弹性体辅助人体弯曲/伸展的装置 - Google Patents

利用弹性体辅助人体弯曲/伸展的装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种装置，其中成形为与人体(脊柱)的背部的弯曲度相符并且对弯曲和张紧进行排斥的弹性体用上/下佩戴带佩戴在上体部；在弯曲/伸展运动期间由人体上部的重量引起的弯曲力存储为弹性体的排斥力；且排斥力在人体伸展时被回收利用，从而减少弯曲/伸展所需的力的消耗。本发明的特征在于，复合弹性体或板簧设计为块型，使得来自板簧的弯曲排斥力和单独的螺旋弹簧的张力结合，使其能够调节总弯曲排斥力；复合弹性体或板簧成形为线圈状，使得所产生的集成弹性体具有弯曲/张紧/旋转排斥力；集成弹性体可响应身体运动产生的弯曲、张紧和扭转；并且弹性体的动作可以通过外力改进/增强。本发明涉及一种佩戴在人体上的弯曲/伸展能力改进装置，其减小了腰部上的负荷，该负荷在量上等于在弯曲/伸展运动期间或在提起重物时来自弹性体的动作排斥力与张力卷扬机的动作的结合，从而减少了对腰部的损伤。

Description

利用弹性体辅助人体弯曲/伸展的装置
技术领域
本发明涉及一种利用佩戴在人体上部的弹性体来辅助人体的弯曲和伸展的装置，在人体直立时该装置保持在完整状态(intact state)，而当穿着有弹性体和电子装置的人体弯曲时，该装置存储依据上体部的位置而变化的重力能量，并重复利用所存储的能量，使得人的能量消耗以及人体背部和腰部上的负荷减小，从而即使用少量的力也能够弯曲，并且按压腰部的强度与弯曲角度成比例增加，因而减小腰椎的移位：即，该装置佩戴于在制造产业工作的作业者或出于医疗目的需要腰部加强的患者身上，从而提高人体的弯曲和伸展能力。
背景技术
作业者在制造产业或农业产业工作而弯曲他或她的身体和举起重物时，除了上体部自身的重量和物体的重量外，一个方向的负荷还与弯曲角度成比例地施加于腰部和背部，这会导致背部的疲劳和损伤：然而，还没有容易地解决这个问题的办法。
以往，出于医疗的目的，腹带、绑带、腰带等用来保护腰部，并且目前使用可穿戴的机器人，但传统的保护器等无法减小施加于人体上部的负荷，而是阻碍了身体运动的灵活性，并且可穿戴的机器人依赖于外部动力，对通常使用来说并不经济高效。
发明内容
技术问题
本发明的一个目的是帮助人体保持柔韧性的同时，减少人体在弯曲和伸展时施加于腰部和背部的不能通过以往的腰部保护器、腰带等解决的负荷，从而减少相同时间段等量的身体运动引起的疲劳，并防止腰椎的移位和脱位，从而保护腰部。
本发明的另一个目的是制造类似可穿戴机器人的装置，其通过重复利用人体的用于弯曲和伸展的能量并且通过增加外部动力，来提高经济效益和使用便利性。
技术方案
本发明提供了一种利用弹性体来辅助人体的弯曲和伸展的装置，所述装置的特征在于，上体部弯曲时由于所述上体部的移位而产生的力(重力，位置能量)存储在弹性体和电子装置中，并且上体部回到直立状态时所存储的能量被重复利用，从而减少了人体的能量消耗。
所述装置包括：集成板圈弹性体(integrated plate coil elastic body)，在所述集成板圈弹性体中，板簧(plate spring)成形为线圈以具有弯曲、张紧、旋转排斥力或复合弹性体，所述复合弹性体设计为通过将板簧的弯曲排斥力与附加螺旋弹簧的张力结合来调节总弯曲排斥力；上固定带，所述上固定带佩戴在上体部上；以及下固定带，所述下固定带佩戴在下体部(骨盆区)，其中，下固定带将弹性体的下侧竖直地固定，并且上固定带拉动弹性体的上侧，使得弹性体上出现排斥力。此外，弹性体形成线圈状框架或多个块，线圈状框架或多个块与人体背部的弯曲度(脊柱的形状)相符，并且人体弯曲时与人体的背部接触的可变点作为弹性体的可变支撑部起作用，促使排斥力产生。
此外，上述装置的特征在于，集成板圈弹性体的张紧线(tension wire)的张力或复合弹性体的螺旋弹簧(coil spring)的张力可调节，从而对弯曲运动追加附加动力。
此外，上述装置的特征在于，用于张力调节的张力卷扬机(tension winch)的电动机在人体弯曲时卷扬机释放时转换为发电机，所产生的电返回到外部电源，从而使外部动力的消耗最小化。
有益效果
由于人体的弯曲和伸展所产生的位置能量(positional energy)的预定的变化量被存储在弹性体中并被重复利用，所以人体的能量消耗可以减少，从而使得容易弯曲和伸展身体，并减小了由于弯曲和伸展所产生的疲劳。
此外，由于反复地集中和施加于腰部(腰椎)上的负荷减少，因此一个方向的运动能够进行更长的时间，并且防止在弯曲时被按压的腰椎被向后推，从而保护腰部。
此外，当用户在工作时提起重物时，用户腰部上的负荷可以与弹性体、以及张力卷扬机的动作的排斥力一样多地减小。
附图说明
图1示出了根据本发明的用于辅助人体弯曲和伸展的装置被佩戴的状态、以及该装置的部件。
图2是示出弹性体、上框架、下框架和佩戴带、下延伸框架以及佩戴带的细节图，其中每个部件用附图标记表示。
图3示出了根据本发明的集成板圈弹性体、能够利用外部动力的装置、以及穴位突起(acupressure protrusion)。
图4示出了根据本发明的集成板圈弹性体响应于人体的弯曲和伸展的动作和原理。
图5示出了块型复合弹性体的结构、以及与人体背部的曲面相接触的垫的各种形状和功能。
图6示出了根据本发明的复合弹性体响应于人体的弯曲和伸展的动作和动作原理。
具体实施方式
在图1中，一种人体弯曲/张紧辅助装置，其中，上/下佩戴带和弹性体集成以便像衣服一样被佩戴，并且人体弯曲/张紧辅助装置成形为使得与人体接触的表面与人体的弯曲度相符，从而使人体的弯曲/伸展和弹性体的弯曲/伸展相匹配，以增加弹性体的排斥力的可用性，并且当人体和弹性体弯曲时，该装置作为由人体的运动控制的电动机发电，并将电存储在外部电源中，并在人体和弹性体伸展时将外部动力应用于电机，从而增大总弯曲和伸展能力，该总弯曲和伸展能力是人体的弯曲和伸展能力与弹性体的排斥力、外力的结合。
发明的实施方式
在图1中，本发明的该装置描述为：佩戴在人体上，上框架b1通过上佩戴带b5固定到上体部，并且下框架c1通过下佩戴带c5固定到下体部。板圈弹性体(plate coil elasticbody)a1或复合弹性体a1-1与上框架b1和下框架c1垂直连接。延伸框架d1通过连接插头(connection plug)d2和延伸框架连接插座c4耦接到下框架c1，并利用延伸框架带d5被固定到人体大腿。
在图2中，上框架b1是高弹性材料并维持通过上佩戴带固定孔b3连接到上佩戴带b5的四个点与通过弹性体上耦接孔b2连接到弹性体上框架耦接孔a5的一个点之间的横截面距离，并且，当该横截面距离由于(上体部弯曲时)板圈弹性体a1或复合弹性体a1-1的动作而即将增加时，产生对抗水平弯曲的排斥力以辅助板圈弹性体a1或复合弹性体a1-1的动作。由于多个弹性体上耦接孔b2设置在上框架b1中，因此上框架b1可以被调节到用户的高度，并且，由于设置了多个上框架散热孔b4，因此用户移动时由于散热引起的不便可以减小。
板圈弹性体a1是形成在螺旋弹簧中的一体式板簧(one-body plate spring)，该螺旋弹簧成形为与上体部的弯曲度相符，并且板的绝对长度由于线圈而长于上体部。由此，相对较厚和较强硬的板簧的弯曲排斥力可以减小，并且同时，该较强硬的板对应于由身体运动引起的张紧和扭转。多个穴位突起(acupressure protrusions)a6附接到板圈弹性体a1的与腰部接触的表面，多个张紧轮a2安装在线圈形状的内侧，并且张紧线a3通过张紧轮a2连接到安装在板圈弹性体a1的下侧的张力卷扬机a4。
复合弹性体a1-1与板圈弹性体a1可互换，并且多个块(blocks)a11通过球接头(ball joints)或铰链a13彼此连接。板簧a10、螺旋弹簧a16、张力调节螺栓a17以及张力调节电机a7-1在连接铰链的相对侧的块的内侧形成一个轴。
下框架c1是高弹性材料，并维持通过下佩戴带固定孔c3连接到下佩戴带c5的四个点与通过弹性体下耦接孔c2连接到弹性体下框架耦接孔a7的一个点之间的最小横截面距离，并且，当横截面距离由于(下体部弯曲时)板圈弹性体a1或复合弹性体a1-1的动作而即将增加时，产生水平弯曲排斥力以辅助板圈弹性体a1或复合弹性体a1-1的动作。同时，下框架c1竖直地维持和固定弹性体a1或a1-1，以更有效地辅助弹性体a1或a1-1的弯曲排斥力。
当用下框架c1和下佩戴带c5的夹紧力无法响应施加于板圈弹性体a1的大排斥力时，使用延伸框架d1，并且延伸框架d1增强将下框架c1的板圈弹性体a1的底部竖直地维持的力。
在图3中，由于多个上框架耦接孔a5和下框架耦接孔a7设置在板圈弹性体a1的上侧和下侧，因此可以根据用户的高度和用户佩戴带的位置的变化来调节纵向距离。由于多个穴位突起a6设置在板圈弹性体a1的线圈部a9的与人体接触的表面上，因此可以防止当人体弯曲而腰部(腰椎)被按压时板圈弹性体a1直接按压脊柱，并且可以实现对脊柱两侧肌肉的穴位按压(acupressure)效果。
多个张紧轮a2安装在板圈弹性体a1的线圈部a9内，并且其一端固定到张紧线固定点a8的张紧线a3通过张紧轮a2连接到张力卷扬机a4。如果利用外部动力使张力卷扬机a4动作，则用设定为张力卷扬机a4的值拉动张紧线a3，并且这种拉力与板圈弹性体a1的排斥力结合，从而增大了人体伸展时抬起上体部的力。
在图4中，描述了板圈弹性体a1和安装在板圈弹性体中的张紧装置在人体弯曲和伸展时的工作原理及其效果。
沿着人体的后表面(背部)形成的基准轴S1的形状改变，但长度不变。
在基准轴S1的后面形成的无数个虚拟可变轴S2、S3、S4……的长度与弯曲或伸展的角度成比例变化，并且线圈的周长也由于长度变化而成比例变化。当人体在直立状态下弯曲时，沿着基准轴S1产生板圈弹性体a1的弯曲排斥力，并且由于长度的延伸而沿着穿过线圈部的可变轴S2、S3、S4……产生线圈的张紧排斥力。由于基准轴S1和可变轴S2、S3、S4……之间的横截面距离，线圈的张紧排斥力作为沿着基准轴S1的弯曲排斥力起作用。
因此，由于人体弯曲引起的板圈弹性体a1的弹性变化是沿着基准轴S1的弯曲排斥力并且通过上框架b1和下框架c1作用于人体。
同时，使用外部动力的张紧装置安装到板圈弹性体a1的线圈部。在该装置中，当板圈弹性体a1在人体运动时从直立状态弯曲时，张紧轮a2之间的距离由于线圈周长的增加而增加，并且通过张紧线固定点a8连接到张力卷扬机a4的张紧线a3与张紧轮a2之间的距离增加。由于长度增加，张力卷扬机a4维持调节为较低的张力的同时将线拉出。
若板圈弹性体a1由于人体运动从弯曲状态变为直立状态，则线圈周长的减小使张紧轮a2之间的距离、以及通过张紧线固定点a8连接到张力卷扬机a4的张紧线a3与张紧轮a2之间的距离减小。此时，在人运动时已接收到电信号(或机械信号)的张力卷扬机a4维持设定为较高的张力的同时将线拉回或将线拉动到预设位置。由于线是通过用外部动力进行弯曲和伸展而被拉出或拉回的，因此将张力卷扬机a4的拉力追加到板圈弹性体a1的排斥力，从而以更大的力帮助人体的伸展(或抬起)。
在图5中，在复合弹性体a1-1中，多个块a11耦接到铰链或球接头a13，并且由耦接的铰链或球接头形成的轴用作复合弹性体的动作基准轴S1，并且当复合弹性体弯曲时该轴的长度不改变。在与块的连接点相对的块的内侧，板簧a10、螺旋弹簧a16、张力调节螺栓a17以及张力调节螺母a18连接在相同的轴上以形成可变轴S2，并且，当复合弹性体a1-1弯曲时，该轴的长度与弯曲的角度成比例增加。可变轴S2的长度的增加使螺旋弹簧a16的张力增加，并且该张力作为对抗复合弹性体弯曲的弯曲排斥力起作用。
螺旋弹簧a16的张力可通过张力调节螺栓a17调节，并且张力调节螺母a18根据张力调节螺栓的旋转而上下移动，拉动或拉出螺旋弹簧a16以进行调节。此时，最高的块的壁面用于引导张力调节螺母a18。复合弹性体a1-1的总弯曲排斥力由板簧a10自身的排斥力和从施加到可变轴S2的张力转换得到的排斥力组成。
在图6中，形成可变轴S2的板簧a10穿透多个块a11，并且当复合弹性体a1-1弯曲时该板簧沿着块内部通道中的弯曲的滑动引导部a15形成可变轴S2的弧线，并且当复合弹性体a1-1弯曲时板簧与滑动引导部a15的表面进行接触，从而轻微地上下移动。
在弯曲时基准轴S1的长度不变，而在弯曲时可变轴S2的长度变化，并且由于基准轴S1的弯曲半径和可变轴S2的弯曲半径引起的圆周上的差异而产生了这种长度的变化。可变轴S2的长度变化导致螺旋弹簧a16被拉伸，从而产生张力，并且这种张力转化为弯曲反弹力并且与板簧a10的弯曲反作用弹力结合。
张力调节电机a4-1安装在复合弹性体a1-1的最高的块上，并且张力调节电机通过张力调节螺栓a17和张力调节螺母a18连接到螺旋弹簧a16以进行张力调节。若利用外部动力使张力调节电机a4-1工作，则利用预设值拉动板簧a10，并且，响应于由于块结构引起的固定轴S1和可变轴S2的长度变化，这种拉力变为弯曲排斥力，并且该排斥力与复合弹性体a1-1的排斥力结合，从而增大了当人体伸展时抬起上体部的力。
在图3至图6中，具有各种弧形形状并且附接到板圈弹性体a1的块a11的垫a14或附接在复合弹性体a1-1的线圈部a9上的穴位突起a6位于腰部周围，并在板圈弹性体a1或复合弹性体a1-1弯曲时作为支撑部起作用以实现按压和穴位按压腰部的效果，并且即使当用户弯曲他或她的背部较长时间时，垫a14或穴位突起a6也防止腰椎向后移动，从而帮助背部不被损伤。
工业适用性
本发明可以应用于可佩戴机器人的腰部，以出于医疗的目的而增强用户的弯曲和伸展能力。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用于辅助人体弯曲和伸展的装置，所述装置包括：
板圈弹性体，所述板圈弹性体成形为与所述人体的背部的弯曲度相符，以利用弯曲排斥力、旋转排斥力和张紧排斥力；
上框架和下框架，所述上框架和所述下框架利用佩戴带佩戴在上体部和下体部上，并且所述上框架和所述下框架具有弯曲排斥力；
延伸框架，所述延伸框架辅助所述下框架的弹性和固定；以及
张紧装置，所述张紧装置利用外部动力使所述板圈弹性体复原，
其中，所述人体弯曲和伸展所需的能量利用弹簧的排斥力被重复利用，所述弹簧的排斥力与所述人体的弯曲角度成比例增加，并且
其中，所述板圈弹性体的复原力随着外部动力而增加，以减少所述人体上的负荷或者增加所述人体的弯曲和伸展能力。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，当所述板圈弹性体的线圈部根据所述人体弯曲用作支撑部从而向前按压所述背部时，穴位突起按压脊柱的两侧并用作所述弹性体与所述脊柱之间的垫。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，使用原理是所述弹性体按横截面距离进行弯曲，所述横截面距离为与所述人体的所述背部的曲面相符的长度固定轴(s1)与存在于所述人体的所述背部和所述弹性体之间的无数个可变轴(s2、s3、s4……)之间的横截面距离，并且所述固定轴(s1)上的虚拟点在所述人体弯曲时用作支撑位置。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，多个点被选择，并且所述多个点之间的距离通过外部动力被强制地控制，使得当所述板圈弹性体复原(从弯曲状态伸展)时附加的外力被施加，从而增强性能，其中，当所述板圈弹性体的形状根据所述人体弯曲和伸展变化时，所述多个点的位置大幅变化。
5.一种用于辅助人体弯曲和伸展的装置，所述装置包括：
块框架，所述块框架由不同的形状和尺寸的多个块构成，以形成可任意调节以与所述人体的各种形状的所述背部相符的框架，其中，板簧、缓冲弹簧、张力调节螺栓以及张力调节电机通过形成在所述块框架中的内部滑动通道连接在一个轴上，使得所述板簧的弯曲排斥力和所述电机的旋转力用作所述框架的总排斥力；
上框架和下框架，所述上框架和所述下框架将被佩戴在上体部和下体部上；以及
延伸框架，所述延伸框架用于辅助所述下框架的弹性和固定，
其中，利用所述块框架的与所述人体的弯曲角度成比例增加的排斥力，增强所述人体的弯曲和伸展能力并且减小所述人体上的负荷，并且
其中，当所述上体弯曲时，脊柱的向后移位直接被所述块的压力限制。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，形成有与所述块框架的与所述人体接触的表面相符的长度固定轴(S1)以及与所述块框架中的所述内部滑动通道相符的长度可变轴(S2)，并且通过控制所述可变轴(S2)的长度，所述块框架的弯曲和伸展角度以及所述块框架的弯曲和伸展力可控。
7.一种用于辅助人体弯曲和伸展的装置，所述装置从所述人体弯曲时由于位置的变化产生的力中产生电，所述装置对蓄电池充电以增加被通过来自所述蓄电池的电力驱动的时间，并且所述装置减小所述蓄电池的容量以提高使用便利性。

Claims (9)

1.一种用于辅助人体弯曲和伸展的装置，所述装置包括：
板圈弹性体，所述板圈弹性体成形为与所述人体的背部的弯曲度相符，以利用弯曲排斥力、旋转排斥力和张紧排斥力；
上框架和下框架，所述上框架和所述下框架利用佩戴带佩戴在上体部和下体部上，并且所述上框架和所述下框架具有弯曲排斥力；
延伸框架，所述延伸框架辅助所述下框架的弹性和固定；以及
张紧装置，所述张紧装置利用外部动力使所述板圈弹性体复原，
其中，所述人体弯曲和伸展所需的能量利用弹簧的排斥力被重复利用，所述弹簧的排斥力与所述人体的弯曲角度成比例增加，并且
其中，所述板圈弹性体的复原力随着外部动力而增加，以减少所述人体上的负荷或者增加所述人体的弯曲和伸展能力。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，当所述板圈弹性体的线圈部根据所述人体弯曲用作支撑部从而向前按压所述背部时，穴位突起按压脊柱的两侧并用作所述弹性体与所述脊柱之间的垫(参见图3)。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，使用原理是所述弹性体按横截面距离进行弯曲，所述横截面距离为与所述人体的所述背部的曲面相符的长度固定轴(s1)与存在于所述人体的所述背部和所述弹性体之间的无数个可变轴(s2、s3、s4……)之间的横截面距离，并且所述固定轴(s1)上的虚拟点在所述人体弯曲时用作支撑位置(参见图4)。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，多个点被选择，并且所述多个点之间的距离通过外部动力被强制地控制，使得当所述板圈弹性体复原(从弯曲状态伸展)时附加的外力被施加，从而增强性能，其中，当所述板圈弹性体的形状根据所述人体弯曲和伸展变化时，所述多个点的位置大幅变化。
5.一种用于辅助人体弯曲和伸展的装置，所述装置包括：
复合弹性体，所述复合弹性体由多个块构成，以便通过将板簧的弯曲排斥力与螺旋弹簧的张力相结合来调节总弯曲排斥力，并且所述复合弹性体能够按照所述人体的背部的弯曲度弯曲；
上框架和下框架，所述上框架和所述下框架佩戴在所述人体的上部和下部上，并且所述上框架和所述下框架具有弯曲排斥力；以及
延伸框架，所述延伸框架辅助所述下框架的弹性和固定；
其中，所述人体弯曲和伸展所需的能量利用弹簧的排斥力被重复利用，所述弹簧的排斥力与所述人体的弯曲角度成比例增加，并且
其中，当所述人体伸展时，所述复合弹性体的复原力随着外部动力而增加，以减少所述人体上的负荷(参见图5)。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，固定到下块的各种形状的垫用作支撑部并向前按压所述背部以带来穴位按压效果，并且根据所述人体的所述背部形状选择所述垫的形状以提高所述弹性体的佩戴舒适性和工作效率。
7.根据权利要求5所述的装置，其中，形成两个可弯曲的轴(S1，S2)，并且包括螺旋弹簧、螺旋弹簧张力调节装置以及板簧的长度可变轴(S2)在弯曲时长度变化，并且所述可变轴上的张力与所述长度的变化成比例增加，并且增加的张力被设计为用作弯曲排斥力。
8.一种用于辅助人体弯曲和伸展的装置，所述装置以电能或机械能的形式存储在所述人体弯曲时变化的位置能量，使得当所述人体伸展时重复利用所存储的能量。
9.一种用于辅助人体背部弯曲和伸展的装置，在所述装置中，具有极大弯曲排斥力的高弹性的上框架和下框架与佩戴带结合使用，其中，所述上框架和所述下框架在弯曲时维持所述人体和弹性体之间的距离以辅助所述弹性体的动作，并且所述上框架和所述下框架通过多个散热孔帮助由所述人体的运动产生的热的驱散。
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