CN110181485A - 人体上半身外骨骼 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种人体上半身外骨骼，包括腰部支架、背部支架、肩部支架、肩向滑轨、肩部滑块、第一转轴、肩部摆臂、第二转轴、转动杆、第三转轴以及手部摆臂。对手臂进行支撑的手部摆臂，依次经由转动杆、肩部摆臂、肩部滑块、肩向滑轨、肩部支架、背部支架以及腰部支架，将作用力传递至人体腰部，由人体承受能力较强的腰部对整个上半身外骨骼进行支撑，减少了人体后背，尤其是脊柱和后颈位置的压力，使用起来对人体伤害减小。

Description

人体上半身外骨骼

【技术领域】

本发明涉及一种人体上半身外骨骼，属于外骨骼领域。

【背景技术】

外骨骼是对人体起到外部支撑的一种机械装置，其中有一类手臂支架，其作用在于对手臂进行支撑。手臂支架主要存在两个方面的问题，其一是支撑依靠人体脊柱或者颈部，这两个位置承重能力不强，长时间进行进行支撑容易造成人体受损，其二是手臂整体活动自由度不高，受制于手臂支架内部的连动关系，手臂的活动范围和动作受到极大限制，在许多复杂的使用场景下不能很好地满足需求。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足而提供一种手臂活动更加灵活、支撑效果更好、人体舒适性更高的的人体上半身外骨骼。

解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种人体上半身外骨骼，包括腰部支架、背部支架、肩部支架、肩向滑轨、肩部滑块、第一转轴、肩部摆臂、第二转轴、转动杆、第三转轴以及手部摆臂，腰部支架安装在人体腰部，背部支架设置在人体背部后方，背部支架沿脊柱轴向可调式安装在腰部支架上，肩部支架与背部支架连接，肩部支架设置在人体肩部后方，肩向滑轨安装在肩部支架上，肩部滑块滑接在肩向滑轨上，肩部滑块在肩向滑轨上滑动以在两肩部之间移动，第一转轴安装在肩部滑块上，肩部摆臂转动安装在第一转轴上，第二转轴设置在肩部摆臂上，转动杆的一端绕第二转轴转动连接在肩部摆臂上，第三转轴设置在转动杆的另一端，手部摆臂绕第三转轴转动连接在转动杆上，手部摆臂安装在手臂上，手部摆臂在躯干侧向上抬起或下降以带动肩部摆臂绕第一转轴转动，第二转轴和第三转轴均相对第一转轴倾斜设置，且第三转轴相对第二转轴和第一转轴所在平面倾斜设置。

本发明的有益效果为：

对手臂进行支撑的手部摆臂，依次经由转动杆、肩部摆臂、肩部滑块、肩向滑轨、肩部支架、背部支架以及腰部支架，将作用力传递至人体腰部，由人体承受能力较强的腰部对整个上半身外骨骼进行支撑，减少了人体后背，尤其是脊柱和后颈位置的压力，使用起来对人体伤害减小。背部支架则能够沿脊柱轴向进行调节，从而改变背部支架和腰部之间间距，从而间接改变肩部滑块与腰部间距，使手部摆臂在摆动过程中能适应于不同上半身高度的人体体型，减少手部摆臂摆动时的阻力。肩部滑块在肩向滑轨上滑动，从而带动调节手部摆臂和肩部之间相对位置，匹配于人体的肩胛骨宽度，同时增加了手部摆臂的一个直线移动自由度，不仅使得人体上半身外骨骼能够适用于不同人体体型，还能增加手部摆臂的活动自由度，使得手臂的活动加价灵活连续，不仅更加适用于一些动作难度较高的作业，同时手臂活动的舒适度也能得到加强。通过手部摆臂和腰部支架配合，使得整个人体上半身外骨骼稳定地安装在人体上，以稳定地对手臂进行支撑。第一转轴、第二转轴和第三转轴则分别提供了手臂三个转动自由度，手臂绕第三转轴自转的情况下还能在第三转轴带动下绕第二转轴公转，第一转轴配合肩部滑块提供第二转轴一个转动自由度和一个直线自由度。因此手部摆臂安装到手臂上后能够赋予手臂一个直线自由度和三个转动自由度，能够满足相当程度上的手臂活动需求。

本发明人体上半身外骨骼还包括臂向滑轨和臂向滑块，臂向滑轨安装在手部摆臂上，臂向滑块滑接在臂向滑轨上，臂向滑块在臂向滑轨上滑动以在手臂轴向上移动，臂向滑块上安装有手臂固定件，手部摆臂通过手臂固定件安装在手臂上。

本发明所述第二转轴和第一转轴垂直，第二转轴和第三转轴垂直。

本发明所述手部摆臂内安装有齿轮机构，第三转轴与齿轮机构连接，第三转轴转动驱动齿轮机构对手部摆臂提供支撑力。

本发明所述肩部滑块上设置有对肩部摆臂进行限位的限位件。

本发明所述腰部支架和/或背部支架上开设有多个插销孔，插销孔沿脊柱轴向依次排列，插销孔处安装有插销，腰部支撑件和背部支架通过插销锁紧。

本发明所述腰部支架中间开设有背部支架安装槽，腰部支架靠近肩部的侧壁上开设有连通至背部支架安装槽的背部支架安装口，背部支架的下部经由背部支架安装口安装在背部支架安装槽内。

本发明所述背部支架的下部贴合在背部支架安装槽的侧壁上。

本发明所述腰部支架包括与后腰贴合的平板，平板增加腰部支架和腰部的接触面积。

本发明所述腰部支架上安装有用于捆绑腰部的腰部定位件，腰部支架通过腰部定位件安装在人体腰部。

本发明的其他特点和优点将会在下面的具体实施方式、附图中详细的揭露。

【附图说明】

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

图1为本发明实施例人体上半身外骨骼的状态一(肩部滑块在肩向滑轨上移动前，转动杆绕第二转轴转动前，肩部摆臂绕第一转轴转动前)主视结构示意图；

图2为本发明实施例人体上半身外骨骼的状态二(肩部滑块在肩向滑轨上移动后，转动杆绕第二转轴转动前，肩部摆臂绕第一转轴转动前)主视结构示意图；

图3为本发明实施例人体上半身外骨骼的状态三(肩部滑块在肩向滑轨上移动后，转动杆绕第二转轴转动前，肩部摆臂绕第一转轴转动后)立体结构示意图；

图4为本发明实施例人体上半身外骨骼的状态三主视结构示意图；

图5为本发明实施例人体上半身外骨骼的状态三后视结构示意图；

图6为图5中X处放大结构示意图；

图7为本发明实施例的肩部摆臂的限位状态结构示意图；

图8为本发明实施例人体上半身外骨骼的状态四(肩部滑块在肩向滑轨上移动后，转动杆绕第二转轴转动后，肩部摆臂绕第一转轴转动前)的主视结构示意图；

图9为本发明实施例人体上半身外骨骼的使用状态图一；

图10为本发明实施例人体上半身外骨骼的使用状态图二；

图11为本发明实施例人体上半身外骨骼的使用状态图三。

【具体实施方式】

下面结合本发明实施例的附图对本发明实施例的技术方案进行解释和说明，但下述实施例仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其他实施例，都属于本发明的保护范围。

在下文描述中，出现诸如术语“内”、“外”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示方位或者位置关系仅是为了方便描述实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例：

参见图1-11，本实施例展示的一种人体上半身外骨骼，包括腰部支架1、背部支架2、肩部支架3、肩向滑轨4、肩部滑块5、第一转轴6、肩部摆臂7、第二转轴8、转动杆9、第三转轴10、手部摆臂11、臂向滑轨12和臂向滑块13。

腰部支架1安装在人体腰部。人体腰部对腰部支架1进行支撑，为了尽可能增加腰部支架1和人体腰部之间的接触面积，本实施例中腰部支架1包括与后腰贴合的平板。后腰位置大致是一个平面，弧度很小，平板能够尽可能与后腰皮肤贴合，以最大限度增加腰部支架1和腰部的接触面积。同时为了腰部支架1安装在人体腰部上后稳固性提升，本实施例中腰部支架1上还安装有捆绑腰部的腰部定位件。腰部定位件可以但不局限于选用如本实施例中的绑带。腰部支架1还包括固定在平板两侧的翼板，绑带安装在翼板上并将前腰绑住。绑带优势在于受到佩戴者的腰围限制较小，但是绑带需要设置成较大的宽度，以增加与腰部之间的接触面积。

背部支架2设置在人体背部后方，背部支架2沿脊柱轴向可调式安装在腰部支架1上。背部支架2与腰部支架1的相对位置在脊柱轴向上产生移动，从而改变背部支架2与人体腰部之间的距离，进而匹配佩戴人员的上半身高度，同时人体腰部利用腰部支架1对背部支架2形成一个支撑。人体直立状态下背部支架2需要将其他人体上半身外骨骼部件的重量沿脊柱轴向传递至腰部支架1，故而腰部支架1和背部支架2需要进行锁定。

考虑到在调节腰部支架1和背部支架2相对位置过程中需要对背部支架2以及安装在背部支架2上的其他零部件进行托举，因此采用档位式调节更能够对腰部支架1和背部支架2相对位置进行控制。在相邻两个档位之间切换时，背部支架2沿脊柱轴向移动一个胸椎的高度。例如第一档和第二档切换时背部支架2相对腰部支架1沿脊柱轴向移动第一胸椎的高度，第二档和第三档切换时背部支架2相对腰部支架1沿脊柱轴向移动第二胸椎的高度。此处胸椎的高度可以采取正常成年人的胸椎高度平均值。

以本实施例为例，腰部支架1上开设有一个插销孔16，背部支架2的下部开设有多个插销孔16，背部支架2上的所有插销孔16沿脊柱轴向依次排列，腰部支架1上的插销孔16与背部支架2上不同位置的插销孔16先大致对准，之后将插销15插入腰部支架1上的插销孔16以及背部支架2上的插销孔16内，实现腰部支架1和背部支架2通过插销15锁紧。

此外即使由于外部协助人员对背部支架2的托举不稳，导致腰部支架1上的插销孔16以及背部支架2上的插销孔16无法严格对准，也可以通过插销15插入的过程逐渐微调，使两个插销孔16对准，因此采用插销15锁定的方式腰部支架1和背部支架2之间的相对位置调节更加精确。

本实施例中腰部支架1中间开设有背部支架安装槽，腰部支架1靠近肩部的侧壁上开设有连通至背部支架安装槽的背部支架安装口，背部支架2的下部经由背部支架安装口安装在背部支架安装槽内，以此实现背部支架2插接在背部支架安装槽内的形式，从而利用背部支架安装槽的侧壁在人体躯干前后方向上对背部支架2的限位。此外插销15产生松动情况下，导致背部支架2能够在背部支架安装槽内活动，由于重力作用，背部支架2也不会与腰部支架1分离，而是朝向背部支架安装槽的底部移动，避免腰部支架1和背部支架2脱开，人体上半身外骨骼的使用安全性有了极大的提升。

优选的，背部支架2的下部贴合在背部支架安装槽的侧壁上，尤其在两肩部相对方向上背部支架2的下部受到背部支架安装槽的侧壁限位，以限制调节背部支架2和腰部支架1沿脊柱轴向相对位置时背部支架2在两肩部相对方向上的位移。同时背部支架2的下部插入至背部支架安装槽内后尚未锁定时，背部支架安装槽的侧壁能避免托举状态下的背部支架2的晃动，减少托举人员的负担。

肩部支架3与背部支架2连接，肩部支架3设置在人体肩部后方。人体直立状态下背部支架2与人体背部之间，以及肩部支架3和人体肩部之间是留有空隙的，当人体腰部不动，上半身向后倾倒时利用上述空隙提供人体背部和肩部活动余量，肩部支架3与背部支架2还分别对肩部和背部进行支撑。肩部支架3与背部支架2之间可以采用如螺钉、焊接等方式进行固定。

出于成本考虑，本实施例中背部支架2和肩部支架3大致均设置成一个长条形的杆状结构，该杆状结构可以具有一定的斜度或者弧度，以适应于人体背部形状。背部支架2的轴向大致平行于脊柱轴向，肩部支架3轴向大致平行于两肩部的相对方向。

肩向滑轨4安装在肩部支架3上，肩部滑块5滑接在肩向滑轨4上，肩部滑块5在肩向滑轨4上滑动以在两肩部之间移动。由于本实施例中肩向滑轨4和肩部滑块5均为两个，且两个肩向滑轨4沿脊柱对称设置，因此单个肩部滑块5在肩向滑轨4上的滑动范围被限制在脊柱和一侧肩部之间。长条形的肩部支架3则提供了肩向滑轨4支撑力。

本实施例中背部支架2相对腰部支架1的移动方向和肩部滑块5相对肩部支架3的移动方向大致垂直。因此在调节腰部支架1和背部支架2相对位置时，肩部滑块5在脊柱和肩部的相对方向上几乎不会产生位移。同理，当肩部滑块5在肩向滑轨4上滑动时，也不会和背部支架2一起在脊柱轴向上产生位移。一般而言，人体在直立状态下肩部滑块5在肩部正后方的时候人体使用与肩部滑块5连接的手部摆臂11舒适度最高。故而可以先行调节背部支架2和腰部支架1的相对位置，再调节肩部滑块5在肩向滑轨4上位置，也可先调节肩部滑块5在肩向滑轨4上位置，再调节背部支架2和腰部支架1的相对位置，又或者二者同时调节，因此肩部滑块5和肩部相对位置的调节灵活多样。

背部支架2调节完成后，肩部滑块5在肩向滑轨4上的调节并不需要人工进行托举，因此肩部滑块5在肩部支架3上的自由度更高，此外肩胛骨长度每个人差距较大，肩部滑块5在肩向滑轨4上移动时与肩部的相对位置是连续变化的，能够适应不同佩戴者的肩胛骨长度。此外肩部活动的时候肩部滑块5也能够在肩向滑轨4上移动以适应于肩部位置的变化。

肩部滑块5、肩部摆臂7、转动杆9、手部摆臂11和臂向滑块13依次连动。

第一转轴6安装在肩部滑块5上，肩部滑块5在滑动过程中带动第一转轴6一并沿肩向滑轨4的轴向移动。肩部摆臂7的其中一端转动安装在第一转轴6上。第一转轴6与人体的背部垂直或者大致垂直，因此肩部摆臂7的转动平面大致平行或者平行于人体的后背平面。肩部摆臂7与手部摆臂11连动，手部摆臂11安装在手臂上。因此人体手臂在躯干侧向上转动时会带动肩部摆臂7绕第一转轴6转动。人体手臂在躯干侧向上转动时会进行上抬起或下降。此类一般均为难易度较高的作业动作，因此佩戴者在手部摆臂11支撑作用下能够长时间进行操作难度大的作业，具有较高的应用价值。第一转轴6相应提供了手臂活动的一个转动自由度。

考虑到人体后背弯曲，一般而言第一转轴6与人体后背夹角为70°-90°。第一转轴6与人体后背越接近垂直关系，手臂在躯干侧向转动时从第一转轴6处受到的阻力越小。

第二转轴8设置在肩部摆臂7的另一端，转动杆9的一端绕第二转轴8转动连接在肩部摆臂7上。由于第二转轴8和第一转轴6均是安装在肩部摆臂7上，因此肩部摆臂7不论如何绕第一转轴6转动，第二转轴8和第一转轴6的相对位置始终不变。其中第二转轴8相对第一转轴6倾斜设置，因此转动杆9绕第二转轴8的转动平面和肩部摆臂7绕第一转轴6的转动平面始终不会重合，因此第二转轴8能够提供手臂第二个转动自由度。

为了减少第二转轴8和第一转轴6在对手臂转动自由度贡献上的重复性，因此采用第二转轴8垂直于第一转轴6的设计是较为优化的方案。

第三转轴10设置在转动杆9的另一端，手部摆臂11绕第三转轴10转动连接在转动杆9上。手部摆臂11绕第三转轴10则提供了手臂第三个转动自由度。与第二转轴8和第一转轴6的相对位置相似，第三转轴10同样垂直于第二转轴8。但是由于转动杆9会绕第二转轴8转动，因此第一转轴6和第三转轴10的位置会随转动杆9绕第二转轴8的转动过程产生变化。但是始终保持第三转轴10相对第二转轴8和第一转轴6所在平面倾斜设置，此外第二转轴8和第三转轴10均相对第一转轴6倾斜设置。此处第二转轴8和第一转轴6所在平面为同时平行于第二转轴8和第一转轴6的平面。第一转轴6、第二转轴8和第三转轴10提供三个转动自由度。

当然在其他实施例中，第二转轴8和第一转轴6之间以及第三转轴10和第二转轴8之间并不需要严格垂直，只需要保证第二转轴8和第一转轴6相互倾斜，第三转轴10和第二转轴8相互倾斜，第三转轴10和第一转轴6相互倾斜，第一转轴6、第二转轴8和第三转轴10不同时平行于同一平面，即可保证上述三个转动自由度。

臂向滑轨12安装在手部摆臂11上，臂向滑块13滑接在臂向滑轨12上，臂向滑块13在臂向滑轨12上滑动以在手臂轴向上移动，臂向滑块13上安装有手臂固定件。手臂固定件和手臂绑定或者固定，手部摆臂11通过手臂固定件安装在手臂上，同时臂向滑轨12与手臂轴向平行或者大致平行，从而使臂向滑块13在臂向滑轨12上滑动过程中带动手臂在手臂自身轴向上产生位移。臂向滑轨12与手臂轴向之间夹角在正常情况下不大于45°。臂向滑块13在臂向滑轨12提供了手臂另一个直线自由度。

肩部摆臂7绕第一转轴6转动，以及肩部滑块5在肩向滑轨4上滑动提供了第二转轴8一个平移自由度和一个转动自由度，间接带动和手臂固定件绑定的手臂的转动和平移自由度。转动杆9绕第二转轴8转动、手部摆臂11绕第三转轴10转动以及臂向滑块13在臂向滑轨12上滑接三个自由度则使得手臂能够在以第二转轴8为中心的立体空间范围内进行移动。第二转轴8自身相对腰部的两个自由度叠加手臂相对第二转轴8的三个自由度，使得手臂一共具有五个自由度，因此手臂活动十分连贯流畅，同时能够满足手臂几乎所有的动作，能够适用于很多需要长时间极端动作操作的场合，应用范围和场景更加丰富。五个自由度中缺省任一自由度均会造成手臂活动范围受到较大的限制，而再增加任一自由度便会造成与上述五个自由度中的若干个自由度重复，反而造成成本的不必要浪费。

手部摆臂11内安装有齿轮机构，齿轮机构可以采用外骨骼中常规使用的现有的齿轮机构。第三转轴10与齿轮机构连接，当手部摆臂11绕第三转轴10转动时，会带动齿轮机构内弹簧形变，从而驱动齿轮机构对手部摆臂11提供支撑力。因此只要手部摆臂11绕转动杆9的转动角度不变情况下，手部摆臂11内部齿轮机构对手部的支持力就是恒定不变的。

此外，肩部摆臂7的转动角度反映了手臂在人体侧向上的抬高或下降高度，因此手臂带动肩部摆臂7转动过大角度的情况下会使得手臂产生扭伤，为此肩部滑块5上设置有对肩部摆臂7进行限位的限位件。通过限位件对肩部摆臂7的转动角度进行限制。

在本实施例中，限位件为与肩部滑块5螺纹连接的调节螺母14。调节螺母14的中间开设有螺纹孔，螺纹孔的内壁处为内螺纹，调节螺母14的外壁处则为外螺纹。通过对内螺纹转动控制调节螺母14进出肩部滑块5，肩部摆臂7外延形成一个撞击板，撞击板位于肩部滑块5内。调节螺母14伸入肩部滑块5内时，肩部摆臂7转动到一定角度使撞击板和调节螺母14撞击，从而对肩部摆臂7的转动角度进行限制。

现在的工业生产过程中，有许多步骤机器仍然无法完全代替人工操作，因此人工的劳动强度较大，导致工人职业病发病严重，尤其是肩周位置。腰部支撑的力量帮助肩膀关节分担了相当程度的手臂长时间工作所需托举的力，减少了肩膀关节疲劳及损伤。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于附图和上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (10)

1.一种人体上半身外骨骼，其特征在于：包括腰部支架、背部支架、肩部支架、肩向滑轨、肩部滑块、第一转轴、肩部摆臂、第二转轴、转动杆、第三转轴以及手部摆臂，腰部支架安装在人体腰部，背部支架设置在人体背部后方，背部支架沿脊柱轴向可调式安装在腰部支架上，肩部支架与背部支架连接，肩部支架设置在人体肩部后方，肩向滑轨安装在肩部支架上，肩部滑块滑接在肩向滑轨上，肩部滑块在肩向滑轨上滑动以在两肩部之间移动，第一转轴安装在肩部滑块上，肩部摆臂转动安装在第一转轴上，第二转轴设置在肩部摆臂上，转动杆的一端绕第二转轴转动连接在肩部摆臂上，第三转轴设置在转动杆的另一端，手部摆臂绕第三转轴转动连接在转动杆上，手部摆臂安装在手臂上，手部摆臂在躯干侧向上抬起或下降以带动肩部摆臂绕第一转轴转动，第二转轴和第三转轴均相对第一转轴倾斜设置，且第三转轴相对第二转轴和第一转轴所在平面倾斜设置。

2.根据权利要求1所述的人体上半身外骨骼，其特征在于：人体上半身外骨骼还包括臂向滑轨和臂向滑块，臂向滑轨安装在手部摆臂上，臂向滑块滑接在臂向滑轨上，臂向滑块在臂向滑轨上滑动以在手臂轴向上移动，臂向滑块上安装有手臂固定件，手部摆臂通过手臂固定件安装在手臂上。

3.根据权利要求2所述的人体上半身外骨骼，其特征在于：所述第二转轴和第一转轴垂直，第二转轴和第三转轴垂直。

4.根据权利要求1所述的人体上半身外骨骼，其特征在于：所述手部摆臂内安装有齿轮机构，第三转轴与齿轮机构连接，第三转轴转动驱动齿轮机构对手部摆臂提供支撑力。

5.根据权利要求1所述的人体上半身外骨骼，其特征在于：所述肩部滑块上设置有对肩部摆臂进行限位的限位件。

6.根据权利要求1所述的人体上半身外骨骼，其特征在于：所述腰部支架和/或背部支架上开设有多个插销孔，插销孔沿脊柱轴向依次排列，插销孔处安装有插销，腰部支撑件和背部支架通过插销锁紧。

7.根据权利要求1所述的人体上半身外骨骼，其特征在于：所述腰部支架中间开设有背部支架安装槽，腰部支架靠近肩部的侧壁上开设有连通至背部支架安装槽的背部支架安装口，背部支架的下部经由背部支架安装口安装在背部支架安装槽内。

8.根据权利要求7所述的人体上半身外骨骼，其特征在于：所述背部支架的下部贴合在背部支架安装槽的侧壁上。

9.根据权利要求1所述的人体上半身外骨骼，其特征在于：所述腰部支架包括与后腰贴合的平板，平板增加腰部支架和腰部的接触面积。

10.根据权利要求1所述的人体上半身外骨骼，其特征在于：所述腰部支架上安装有用于捆绑腰部的腰部定位件，腰部支架通过腰部定位件安装在人体腰部。