CN111546317A - 上肢负压助力系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种上肢负压助力系统，包括背架和设有臂垫的臂杆，所述背架的两侧分别设有负压拉力装置；所述负压拉力装置包括肩角板、压缩弹簧、支撑杆、顶部开口的柱形筒、位于柱形筒内的活塞、与活塞固接的活塞杆，所述柱形筒与支撑杆固接在一起，所述肩角板和臂杆固接，所述肩角板、臂杆的连接处与支撑杆的顶部通过球铰结构连接，所述支撑杆的底部与背架通过球铰结构连接；所述肩角板上开设有滑槽，所述活塞杆从活塞处向上延伸并伸出柱形筒的顶部开口，所述活塞杆的顶部设有可沿滑槽移动的销柱；所述柱形筒的无杆腔密封设置并设有单向阀。该系统能够降低长时间举起重物或重复性动作对人类肌肉和骨骼造成的伤害，提高工作效率。

Description

上肢负压助力系统

技术领域

本发明涉及一种上肢助力系统，具体涉及一种利用负压的上肢助力系统。

背景技术

在工业、农业等许多领域，绝大多数工人或农民经常需要长时间处理大量的流水线或大面积的农作物，长时间的重复性动作和长时间的手臂高抬状态对工人与农民造成一定的伤害，在这种背景下，为了能够给手臂提供支撑以避免此类工作带来的病痛的外骨骼设备，增强放大人体的出力效果，上肢外骨骼助力装置的研究逐渐兴起，并具有越来越广泛的应用前景。

传统的上肢外骨骼助力装置采用的是与人类上肢运动相同结构的串联机构，导致肘部执行器的自重成为外骨骼负重的一部分，使得外骨骼助力装置的负载能力降低；另外，现有的外骨骼助力装置通过与人类的肩、大臂、肘、小臂和手等进行耦合来实现人体上肢的各种运动，包括伸、屈、外展、内收和回旋等，由于各部件往往存在刚度差，可会导致出现引起人体受伤的安全的问题。

发明内容

本发明要解决技术问题是：提供一种安全系数高、减负效果好的上肢负压助力系统。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种上肢负压助力系统，包括背架和臂杆，所述臂杆上设有用于支撑手臂的臂垫，所述背架的两侧分别设有负压拉力装置；所述负压拉力装置包括肩角板、压缩弹簧、支撑杆、顶部开口的柱形筒、位于柱形筒内的活塞、与活塞固接的活塞杆，所述柱形筒与支撑杆平行设置且固接在一起，所述肩角板和臂杆固接，所述肩角板与支撑杆的顶部通过球铰结构连接，所述支撑杆的底部与背架通过球铰结构连接；所述肩角板上开设有滑槽，所述活塞杆从活塞处向上延伸并伸出柱形筒的顶部开口，所述活塞杆的顶部设有可沿滑槽移动的销柱；所述柱形筒内设有与柱形筒固接的限位块，所述压缩弹簧的一端抵在活塞上，另一端抵在限位块上；所述柱形筒的无杆腔密封设置并设有单向阀。优选的，所述支撑杆的长度可调。

优选的，所述压缩弹簧套设在活塞杆上，所述柱形筒的顶部呈锥形，从而使靠近顶部开口处的柱形筒筒壁兼作限位块。

本发明在使用时，首先将穿戴者两个手臂固定到臂垫上，使两个负压拉力装置分别位于人体的两手臂外侧。当双手向上移动时，活塞杆向下运动，柱形筒内活塞在活塞杆和压缩弹簧的弹力共同作用下向柱形筒底部运动，通过单向阀向外排出无杆腔内的空气；当双手向下移动时，臂杆带动肩角板向上拉动活塞杆和活塞，柱形筒的无杆腔内形成负压，负压并对活塞及活塞杆产生向下的拉力，拉动臂杆作用于人的手臂，通过支撑杆下部的球形关节将上肢负重转移至人体的髋部，使得人双臂和脊椎的负担大大降低，从而起到提供助力的效果。

本发明通过压缩弹簧和无杆腔的负压提供助力，不会产生突然的爆发力，具有安全系数高，减负效果好，助力支持大，人机融合，运动灵活方便等优点，尤其在长时间的举手抬臂工作的时候，如农业的修剪、采摘、套袋，工业的维修维护、流水线的搬运、建筑安装等些场景中有着明显的减负效果，可运用于流水线生产、水果采摘、水果套袋、修枝剪叶、室内装修、广告牌安装、飞机维修以及军事领域等。

与其他同类技术相比，本发明通过采用负压拉力装置，不但结构简单、轻便、安装维护方便，而且输出力度均匀，一般气缸动作速度为50～500mm/s，比液压和电气方式的速度快，且反应更灵敏，负压拉力装置有良好的缓冲性，对冲击负载和负载过载具有较强的适应能力，使佩戴者有很好的体验感。

本发明还可以作以下改进：1）在柱形筒的无杆腔内增加气压传感器，实时监测穿戴者的运动状态和安全状态，当穿戴者的状态有异常时，及时发出警报。

2）所述柱形筒的无杆腔上设有开关阀，当佩戴者需要调整助力大小时，可通过控制开关阀，进入适量的空气改变真空度，从而改变助力的大小。

3）为了提高背架的强度，所述背架上设有背部加强板。

4）所述支撑杆的顶部通过弹力绳索与背架连接。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2是本发明实施例的背面示意图。

图3是负压拉力装置的部分示意图。

图4是本发明实施例使用时的状态示意图。

附图标记：臂垫1，臂杆2，肩角板3，支撑杆4，支撑杆夹板5，柱形筒6，柱形筒夹板7，背部加强板8，单向阀9，电磁阀10，背架11，球形关节安装件12，球形关节13，活塞杆14，复位弹簧15，活塞16，滑槽17，负压拉力装置18，腰带19，无杆腔20。

具体实施方式

本实施例的上肢负压助力系统，如图1-4所示，包括背架11和臂杆2，所述臂杆2上设有用于支撑手臂的臂垫1，臂垫1采用塑性材料制成，在使用时起到固定手臂的作用，从而使支撑力能够精准地作用在手臂上。为了提高背架11的强度，背架11上可以在腰部位置设置背部加强板8。背架11还设有肩带、腰带19和搭扣（图中未示出）等必要的用于佩戴在人体上的佩戴构件，当然，背负强度较小时，肩带可以省略。肩带、腰带19与常见的双肩包中的肩带、腰带在结构、形状和作用方面均一致，此为现有技术，不再赘述。

如图1和图2所示，所述背架11的两侧分别设有负压拉力装置18（即负压拉力装置18有两个），所述负压拉力装置18包括肩角板3、压缩弹簧15、支撑杆4、顶部开口的柱形筒6、位于柱形筒6内的活塞16、与活塞16固接的活塞杆14，所述柱形筒6与支撑杆4平行设置且固接在一起（柱形筒夹板7夹住柱形筒6，支撑杆夹板5夹住支撑杆4，柱形筒夹板7和支撑杆夹板5固定连接在一起），所述肩角板3和臂杆2固接，所述肩角板3与支撑杆4的顶部通过球形关节13实现球铰连接。作为优选方案，支撑杆4的长度可调，以适应不同人的身高需求。

如图1和图3所示，背架11的底部设有球形关节安装件12，球形关节安装件12上设有球形关节，所述支撑杆4的底部与背架11通过球形关节实现球铰连接，可以实现双手的全方向跟踪。优选的，背部加强板8可以设置在两个球形关节安装件12之间，用于支撑支撑杆，增加背架11的强度。

如图3所示，所述肩角板3上开设有滑槽17，所述活塞杆14从活塞16处向上延伸并伸出柱形筒6的顶部开口，所述活塞杆14的顶部设有可沿滑槽17移动的销柱（图中未示出）；所述柱形筒6内设有与柱形筒6固接的限位块，所述压缩弹簧15的一端抵在活塞16上，压缩弹簧15的另一端抵在限位块上；所述柱形筒6的无杆腔20密封设置并设有单向阀9。优选的，如图3所示，所述压缩弹簧15套设在活塞杆14上，所述柱形筒6的顶部呈锥形，从而使靠近顶部开口处的柱形筒筒壁兼作限位块。本实施例中作为优选方案，柱形筒6的顶部开口与活塞杆14大小相匹配从而对活塞杆起到导向作用。

本实施例在使用时，首先将背架11背负在人体上，然后将人体的两个手臂分别固定到臂垫1上，使两个负压拉力装置18分别位于人体的两手臂外侧；负压拉力装置18产生的拉力拉动臂杆2作用于人的手臂，通过支撑杆4下部的球形关节安装件12和背部加强板8将上肢负重转移至人体的髋部，使得人双臂和脊椎的负担大大降低，进而起到提供助力的效果。具体来说，在穿戴者使用过程中，当双手向上移动时，气缸内活塞16在活塞杆14和压缩弹簧15的作用下，向柱形筒6底部运动，通过单向阀从无杆腔20内排出部分空气，此时压缩弹簧15提供助力；双手向下移动时，臂杆2带动肩角板3向上拉动活塞杆14和活塞16，柱形筒6的无杆腔20内保持一定的真空度从而形成负压，并对活塞16及活塞杆14产生向下的拉力，负压和压缩弹簧15共同产生的拉力拉动臂杆2作用于人的手臂，通过可调支撑杆4下部的球形关节安装件12将上肢负重转移至人体的髋部，使得人双臂和脊椎的负担大大降低，从而起到提供助力的效果。

本例中臂垫1、臂杆2、肩角板3、支撑杆4、支撑杆夹板5、柱形筒6、柱形筒夹板7、背部加强板8、球形关节安装件12等均使用轻质的铝合金材料，所以重量较轻。

本实施例还可以作以下改进：1）在柱形筒6内增加气压传感器，实时监测穿戴者的运动状态和安全状态，当穿戴者的状态有异常时，及时发出警报。

2）柱形筒6的无杆腔20上设有开关阀（比如电磁阀10等），当佩戴者需要调整助力大小时，可通过控制电磁阀10，进入适量的空气改变真空度，从而改变助力的大小。

3）所述支撑杆的顶部通过弹力绳索与背架连接，因为支撑杆仅在底部与背架通过球形关节连接在一起，通过弹力绳索的约束作用可以使设备闲置时结构不混乱，同时可以防止在使用过程中双手连接部分摆动幅度过大并方便穿戴者穿戴。

Claims (7)

1.一种上肢负压助力系统，其特征在于：包括背架和臂杆，所述臂杆上设有用于支撑手臂的臂垫，所述背架的两侧分别设有负压拉力装置；所述负压拉力装置包括肩角板、压缩弹簧、支撑杆、顶部开口的柱形筒、位于柱形筒内的活塞、与活塞固接的活塞杆，所述柱形筒与支撑杆平行设置且固接在一起，所述肩角板和臂杆固接，所述肩角板与支撑杆的顶部通过球铰结构连接，所述支撑杆的底部与背架也通过球铰结构连接；所述肩角板上开设有滑槽，所述活塞杆从活塞处向上延伸并伸出柱形筒的顶部开口，所述活塞杆的顶部设有可沿滑槽移动的销柱；所述柱形筒内设有与柱形筒固接的限位块，所述压缩弹簧的一端抵在活塞上，另一端抵在限位块上；所述柱形筒的无杆腔密封设置并设有单向阀。

2.根据权利要求1所述的上肢负压助力系统，其特征在于：所述压缩弹簧套设在活塞杆上，所述柱形筒的顶部呈锥形，从而使靠近顶部开口处的柱形筒筒壁兼作限位块。

3.根据权利要求1或2所述的上肢负压助力系统，其特征在于：所述柱形筒的无杆腔上设有开关阀。

4.根据权利要求1或2所述的上肢负压助力系统，其特征在于：所述背架上设有背部加强板。

5.根据权利要求1或2所述的上肢负压助力系统，其特征在于：所述柱形筒的无杆腔内安装有气压传感器。

6.根据权利要求1或2所述的上肢负压助力系统，其特征在于：所述支撑杆为长度可调的支撑杆。

7.根据权利要求1或2所述的上肢负压助力系统，其特征在于：所述支撑杆的顶部通过弹力绳索与背架连接。

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