CN112388613A - 绳驱外骨骼设备 - Google Patents

Abstract

一种绳驱外骨骼设备，绳驱外骨骼设备包括驱动组件、支撑组件、传动绳、第一滑轮和转动臂，支撑组件与驱动组件连接，第一滑轮与支撑组件转动连接，转动臂与第一滑轮连接，传动绳包括相对设置的第一端和第二端，第一端连接于驱动组件，传动绳沿支撑组件延伸，第二端绕设在第一滑轮的外周并与转动臂或第一滑轮连接；驱动组件用于驱动第一端移动，以使第二端带动转动臂绕第一滑轮的回转轴线转动。通过设置传动绳，整个传动过程由传动绳完成，无需铰链等刚性结构进行转接，因此较大幅度地减轻刚性结构的设计和实用，从而有效降低整体质量，使得惯性力较小，使用者所受的身体负担较轻，有利于长时间穿戴作业。

Description

绳驱外骨骼设备

技术领域

本发明属于外骨骼助力技术领域，尤其涉及一种绳驱外骨骼设备。

背景技术

对于长期需要进行抬手作业的人群(如建筑工人，外卖配送，快递分拣，汽车、飞机、船舶的装配等)，往往因为每天单一重复的抬手动作而引发肌肉劳损，肩部和手部肌群酸痛，影响第二天的工作效率，针对这一市场需求，各大研究机构和公司，开始设计相关外骨骼设备，通过穿戴设备的方式，给人体上肢一个辅助的力量。

目前设计的上肢外骨骼大多采用刚性结构和齿轮作为动力传输，导致质量过大，以及带来过大的惯性力，使用者有较大的身体负担，而少部分采用绳驱方式的外骨骼，也有大部分的刚性连接件，质量仍然较大，难以长时间进行穿戴。

发明内容

本发明的目的是提供一种绳驱外骨骼设备，能够较大幅度地减轻刚性结构的设计和实用，从而降低整体质量，使得惯性力较小，使用者所受的身体负担较轻，有利于长时间穿戴作业。

为实现本发明的目的，本发明提供了如下的技术方案：

本发明提供了一种绳驱外骨骼设备，绳驱外骨骼设备包括驱动组件、支撑组件、传动绳、第一滑轮和转动臂，所述支撑组件与所述驱动组件连接，所述第一滑轮与所述支撑组件转动连接，所述转动臂与所述第一滑轮连接，所述传动绳包括相对设置的第一端和第二端，所述第一端连接于所述驱动组件，所述传动绳沿所述支撑组件延伸，所述第二端绕设在所述第一滑轮的外周并与所述转动臂或所述第一滑轮连接；所述驱动组件用于驱动所述第一端移动，以使所述第二端带动所述转动臂绕所述第一滑轮的回转轴线转动。

一种实施方式中，所述支撑组件包括中空件，所述中空件与所述驱动组件连接，所述传动绳穿过所述中空件并绕设于所述第一滑轮。

一种实施方式中，所述中空件为可伸缩结构。

一种实施方式中，所述支撑组件还包括第一安装件，所述第一滑轮转动连接在所述第一安装件上，所述中空件远离所述驱动组件的一端与所述第一安装件连接，所述中空件与所述驱动组件和/或所述第一安装件为转动连接。

一种实施方式中，所述驱动组件包括第二安装件、第二滑轮、电机和支架，所述支架设置在所述第二安装件上，所述中空件与所述第二安装件连接，所述传动绳的第一端卡接于所述第二滑轮，所述电机安装在所述支架上并与所述第二滑轮连接，所述电机用于控制所述第二滑轮回转，以使所述第一端缠绕所述第二滑轮或松开所述第二滑轮。

一种实施方式中，所述支架围合形成容纳空间，所述第二滑轮位于所述容纳空间且所述第二滑轮的外周与所述支架具有间隔距离，所述间隔距离为0.3mm-0.7mm。

一种实施方式中，所述绳驱外骨骼设备还包括第三滑轮，所述第三滑轮设置在所述第二安装件上，所述传动绳自所述驱动组件延伸至所述第三滑轮，并绕所述第三滑轮的外周后进入所述中空件。

一种实施方式中，所述绳驱外骨骼设备还包括第四滑轮，所述第四滑轮设置在所述第一安装件，所述传动绳自所述中空件延伸至所述第四滑轮，并绕所述第四滑轮的外周后抵达所述第一滑轮。

一种实施方式中，所述第一滑轮的外周开设有凹槽，所述第一滑轮开设有固定孔，所述固定孔与所述凹槽连通，所述传动绳的第二端绕设于所述凹槽并通过所述固定孔与所述第一滑轮卡接。

一种实施方式中，所述绳驱外骨骼设备还包括托板，所述托板转动连接于所述转动臂远离所述第一滑轮的一端。

通过设置传动绳，传动绳的第一端与驱动组件连接，传动绳的第二端绕设在第一滑轮的外周并与转动臂或第一滑轮连接，使得驱动组件在驱动第一端移动时，第二端会带动转动臂绕第一滑轮的回转轴线转动，整个传动过程由传动绳完成，无需铰链等刚性结构进行转接，因此较大幅度地减轻刚性结构的设计和实用，从而有效降低整体质量，使得惯性力较小，使用者所受的身体负担较轻，有利于长时间穿戴作业。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，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的附图。

图1为本发明实施例提供的绳驱外骨骼设备的立体结构示意图；

图2为图1的绳驱外骨骼设备的正视结构示意图；

图3为图2的绳驱外骨骼设备的I区域剖视的结构示意图；

图4为图1的第一滑轮和转动臂的立体结构示意图；

图5为图1的中空管的立体结构示意图；

图6为图3的I区域的放大结构示意图；

图7为图1的驱动组件的立体结构示意图；

图8为图7的支架和第二滑轮的正视结构示意图；

图9为图3的II区域的放大结构示意图；

图10为图9的第三滑轮的立体结构示意图；

图11为图1的转动臂周围的爆炸结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1至图3，本发明实施例提供了一种绳驱外骨骼设备100，绳驱外骨骼设备100主要用于为工作人员助力，辅助工作人员完成重复的动作，以减轻工作人员的工作强度。其中，重复的动作优选为需要克服肢体重力以及物体重力的抬起动作，可选为抬起上肢、抬起下肢，本实施例以抬起上肢为例进行说明。绳驱外骨骼设备100包括驱动组件10、支撑组件20、传动绳(未图示)、第一滑轮30和转动臂40。支撑组件20与驱动组件10连接，第一滑轮30与支撑组件20转动连接，转动臂40与第一滑轮30连接。传动绳包括相对设置的第一端和第二端，第一端连接于驱动组件10，传动绳沿支撑组件20延伸，第二端绕设在第一滑轮30的外周并与转动臂40或第一滑轮30连接。驱动组件10用于驱动第一端移动，以使第二端带动转动臂40绕第一滑轮30的回转轴线转动。

具体的，传动绳可选为尼龙绳、钢丝绳、麻绳等。可选的，第一滑轮30通过轴承与支撑组件20转动连接，以减少摩擦力。转动臂40用于与工作人员的上肢(大臂)绑定，以便于助力。优选转动臂40和第一滑轮30为一体式结构。可以理解的是，驱动组件10驱动传动绳的第一端移动，可以是使得第一端沿预设的行程平移，也可以是使得第一端沿预设的轴线旋转而卷绕，两者均可实现驱动组件10驱动传动绳的第一端移动，以使第二端带动转动臂40绕第一滑轮30的回转轴线转动的目的。其中，当第二端连接在第一滑轮30上时，第二端带动第一滑轮30绕第一滑轮30的回转轴线转动，连接在第一滑轮30上的转动臂40也随之转动；当第二端连接在转动臂40时，第二端直接带动转动臂40绕第一滑轮30的回转轴线转动，两种方案均可实现传动绳带动转动臂40的目的。在其他实施例中，传动绳的第二端还可同时固定在转动臂40以及第一滑轮30上，以增强结构稳定性。

通过设置传动绳，传动绳的第一端与驱动组件10连接，传动绳的第二端绕设在第一滑轮30的外周并与转动臂40或第一滑轮30连接，使得驱动组件10在驱动第一端移动时，第二端会带动转动臂40绕第一滑轮30的回转轴线转动，整个传动过程由传动绳完成，无需铰链等刚性结构进行转接，因此较大幅度地减轻刚性结构的设计和实用，从而有效降低整体质量，使得惯性力较小，使用者所受的身体负担较轻，有利于长时间穿戴作业。

一种实施方式中，请参阅图3和图4，第一滑轮30的外周开设有凹槽301，第一滑轮30开设有固定孔302。固定孔302与凹槽301连通，传动绳的第二端绕设于凹槽301并通过固定孔302与第一滑轮30卡接。具体的，凹槽301沿着第一滑轮30的外周的轮廓延伸。固定孔302开设在第一滑轮30的端面。

对于凹槽301的设计，可以理解的是，由于绳驱只能“拉”而不能“推”的特性，当工作人员需要抬起重物时，驱动组件10驱动传动绳拉动转动臂40绕第一滑轮30的回转轴线转动，此时有助力(抬起大臂)的效果。而当工作人员需要将重物卸载时，驱动组件10反向驱动，“放绳”为大臂下摆的动作提供行程，此时传动绳由于没有预紧，容易脱离第一滑轮30，而凹槽301能够有效地阻止传动绳脱离第一滑轮30，有利于提高传动的稳定性。

对于固定孔302的设计，可以理解的是，传动绳的第二端位于凹槽301内，而第二端的末尾可以通过固定孔302伸出第一滑轮30，并通过打结或者连接一个尺寸大于固定孔302孔径的物体，以使得传动绳的第二端与第一滑轮30卡接，保证在驱动组件10驱动传动绳拉动的时候，传动绳的第二端能够带动第一滑轮30回转。卡接方式较为方便，结构较为简单，有助于降低成本。进一步的，可以通过胶粘粘接传动绳和固定孔302，避免在驱动组件10反向驱动时，传动绳脱离固定孔302。

一种实施方式中，请参阅图3和图5，支撑组件20包括中空件21。中空件21与驱动组件10连接，传动绳穿过中空件21并绕设于第一滑轮30。通过设置中空件21，传动绳收容于中空件21内，不仅可以避免传动绳受到外界环境的干扰，增加安全性以及使用寿命，还能够有效减少了刚性结构的使用，减轻了整体质量。

一种实施方式中，请参阅图1和图5，中空件21为可伸缩结构。具体的，中空件21包括第一管211和第二管212，第二管212的外径小于等于第一管211的内径，以使第一管211套在第一管211的外周，第一管211和第二管212可相对滑动。第一管211的外周开设有等间距设置的多个第一配合孔2111，第二管212的外周开设有等间距设置的多个第二配合孔2121。优选的，第一配合孔2111的间距和第二配合孔2121的间距相等。如此设置，在第一管211和第二管212可相对滑动至理想位置，使得对应的第一配合孔2111和第二配合孔2121对位，并通过销钉、螺钉等进行卡接，使得第一管211和第二管212相对固定，有利于适应不同身高的工作人员。在其他实施例中，中空件21还可以是其他可伸缩结构，本发明不对中空件21的实现可伸缩的结构进行限定。

一种实施方式中，请参阅图3和图6，支撑组件20还包括第一安装件22。第一滑轮30转动连接在第一安装件22。中空件21远离驱动组件10的一端与第一安装件22连接，中空件21与驱动组件10和/或第一安装件22为转动连接。具体的，第一安装件22上设有第一转轴221，第一滑轮30通过轴承与第一转轴221转动连接。其中，第一轴可以为安装在第一安装件22上的螺栓等连接件，也可以为与第一安装件22一体成型的结构。第一滑轮30的外周设有多个第一限位凸起222，多个第一限位凸起222可进一步限制缠绕在第一滑轮30的传动绳脱离第一滑轮30。其中，多个第一限位凸起222可以为安装在第一安装件22上的销钉、螺栓等连接件，也可以为与第一安装件22一体成型的结构。

本实施例中的中空件21为通过轴承与驱动组件10转动连接，与第一安装件22为固定连接，从而使得转动臂40能够沿中空件21的轴线转动，有利于提高绳驱外骨骼设备100的灵活性，以便于工作人员完成多样化的动作。

一种实施方式中，请参阅图7和图8，驱动组件10还包括第二安装件11、第二滑轮12、电机13和支架14(为了便于观察，图7隐藏了右侧的电机)。支架14设置在第二安装件11上，中空件20远离第一滑轮30的一端与第二安装件11连接，传动绳的第一端卡接于第二滑轮12。电机13安装在支架14上并与第二滑轮12连接，电机13用于控制第二滑轮12回转，以使第一端缠绕第二滑轮12或松开第二滑轮12。具体的，驱动组件10还包括控制供电部15，控制供电部包括电池和电机控制板，电机控制板用于控制电机13的转速和转向等参数。第二滑轮12的端面开设有多个安装孔501和多个定位孔502，多个定位孔502用于与电机13通过销定位，多个安装孔501用于与电机13安装，与电机13输出轴同步转动。另外，第二滑轮12的其他结构可参照第一滑轮30的结构，包括外周开设凹槽301、固定孔302卡接传动绳的方案。

一种实施方式中，请继续参阅图7和图8，支架14围合形成容纳空间101。第二滑轮12位于容纳空间101且第二滑轮12的外周与支架14具有间隔距离，间隔距离为0.3mm-0.7mm。具体的，支架14包括多个支脚141和连接多个支脚141的承载台142，多个支脚141围合形成容纳空间101，电机13安装在承载台142上。本实施例中的支脚141数目为4个，在其他实施例中支脚141的数目也可以为3个、5个不等。第二滑轮12的外周与支架14的间隔距离即第二滑轮12的外周与支脚141的距离，间隔距离可以为0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm等，优选为0.5mm。通过将第二滑轮12设于支架14所围合形成的容纳空间101中，且第二滑轮12与支架14的间隔距离在0.3mm至0.7mm之间，即可以保障第二滑轮12不受干涉地顺畅转动，又可以保障绕在第二滑轮12上的传动绳在动力传输过程中不会脱离第二滑轮12。当间隔距离低于0.3mm，容易造成干涉；当间隔距离高于0.7mm，传动绳容易脱离。

一种实施方式中，请参阅图3、图9和图10，绳驱外骨骼设备100还包括第三滑轮51。第三滑轮51设置在第二安装件11上，传动绳自驱动组件10延伸至第三滑轮51，并绕第三滑轮51的外周后进入中空件21。具体的，第三滑轮51与第二安装件11可以为固定连接，也可以为转动连接，优选为转动连接，以便于降低传动绳在动力输出过程中受到的摩擦力。转动连接可通过轴承等方式实现。第三滑轮51的外周开设有导槽501，导槽501用于容置传动绳，能够避免传动绳脱离第三滑轮51。而且，第二安装件11具有设在第三滑轮51周围的第二限位凸起111，与上述的第一限位凸起222一样，可以进一步避免传动绳脱离第三滑轮51。本实施例中的第二限位凸起111为包络第三滑轮51轮廓的一个整体，而第一限位凸起222呈柱状，多个第一限位凸起222间隔设置在第一滑轮30的外周，两种形态的限位凸起均可实现限位功能。

通过设置第三滑轮51，第三滑轮51对传动绳进行换向，使得传动绳顺利进入中空件21内，在动力输出过程中，传动绳所受摩擦力较小，有利于提高传动绳的寿命以及传动过程中的顺畅度。另外，第三滑轮51对传动绳进行换向，相对于采用铰链等刚性结构转接，其质量更低，成本更低。

一种实施方式中，请参阅图3和图6，绳驱外骨骼设备100还包括第四滑轮52。第四滑轮52设置在第一安装件22，传动绳自中空件21延伸至第四滑轮52，并绕第四滑轮52的外周后抵达第一滑轮30。具体的，第一安装件22具有第二转轴223，第二转轴223与第一转轴221具有间隔距离，第四滑轮52转动连接在第二转轴223上。第四滑轮52的外周也设置有第一限位凸起222，以防止传动绳脱离第四滑轮52。第四滑轮52的具体结构可参考第三滑轮51的具体结构。通过设置第四滑轮52，第四滑轮52对传动绳进行换向，以便于传动绳的第二端抵达第一滑轮30。且动力输出过程中，降低了传动绳所受的摩擦力，有利于进一步提高传动绳的寿命以及传动过程的顺畅度。而且无需刚性结构进行转接，其质量更低，成本更低。

一种实施方式中，请参阅图1，绳驱外骨骼设备100还包括托板60。托板60转动连接于转动臂40远离第一滑轮30的一端。具体的，托板60用于与大臂绑定，以带动大臂摆动。优选托板60为3D打印制成，有助于进一步降低整体质量和成本。转动臂40远离第一滑轮30的第一端开设有第三配合孔401，托板60对应位置开设有第四配合孔601，第三配合孔401和第四配合孔601通过连接件70连接。其中转动臂40和连接件70周向固定，托板60和连接件70为周向自由，从而使得托板60与转动臂40可相对转动，灵活度较高，有利于提高使用体验。

请参阅图3和图7，接下来对传动绳的整体布置进行一个说明，传动绳的第一端缠绕并卡接于第二滑轮12，然后传动绳自第二滑轮12延伸至第三滑轮51，并绕在第三滑轮51的外周，对准中空件20，穿过中空件20后抵达第四滑轮52，并绕在第四滑轮52的外周，朝向第一滑轮30延伸，在第一滑轮30上沿顺时针卷绕，然后通过固定孔302进行卡接。传动绳在每个滑轮上缠绕可以为不到一圈，也可以为一圈或者多圈。

本实施例提供的绳驱外骨骼设备100包括左侧部分和右侧部分，左侧部分对应于人体的左臂，右侧部分对应于人体的右臂，可以同时辅助工作人员的左右双臂进行抬起。上述为针对右侧部分进行的说明，本实施例中左侧部分的结构与右侧部分基本相同，故不再赘述。在其他一些实施例中，也可仅设置左侧部分或者右侧部分，来应用于残疾人等特殊群体。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种绳驱外骨骼设备，其特征在于，包括驱动组件、支撑组件、传动绳、第一滑轮和转动臂，所述支撑组件与所述驱动组件连接，所述第一滑轮与所述支撑组件转动连接，所述转动臂与所述第一滑轮连接，所述传动绳包括相对设置的第一端和第二端，所述第一端连接于所述驱动组件，所述传动绳沿所述支撑组件延伸，所述第二端绕设在所述第一滑轮的外周并与所述转动臂或所述第一滑轮连接；所述驱动组件用于驱动所述第一端移动，以使所述第二端带动所述转动臂绕所述第一滑轮的回转轴线转动。

2.如权利要求1所述的绳驱外骨骼设备，其特征在于，所述支撑组件包括中空件，所述中空件与所述驱动组件连接，所述传动绳穿过所述中空件并绕设于所述第一滑轮。

3.如权利要求2所述的绳驱外骨骼设备，其特征在于，所述中空件为可伸缩结构。

4.如权利要求2所述的绳驱外骨骼设备，其特征在于，所述支撑组件还包括第一安装件，所述第一滑轮转动连接在所述第一安装件上，所述中空件远离所述驱动组件的一端与所述第一安装件连接，所述中空件与所述驱动组件和/或所述第一安装件为转动连接。

5.如权利要求2所述的绳驱外骨骼设备，其特征在于，所述驱动组件包括第二安装件、第二滑轮、电机和支架，所述支架设置在所述第二安装件上，所述中空件与所述第二安装件连接，所述传动绳的第一端卡接于所述第二滑轮，所述电机安装在所述支架上并与所述第二滑轮连接，所述电机用于控制所述第二滑轮回转，以使所述第一端缠绕所述第二滑轮或松开所述第二滑轮。

6.如权利要求5所述的绳驱外骨骼设备，其特征在于，所述支架围合形成容纳空间，所述第二滑轮位于所述容纳空间且所述第二滑轮的外周与所述支架具有间隔距离，所述间隔距离为0.3mm-0.7mm。

7.如权利要求5所述的绳驱外骨骼设备，其特征在于，所述绳驱外骨骼设备还包括第三滑轮，所述第三滑轮设置在所述第二安装件上，所述传动绳自所述驱动组件延伸至所述第三滑轮，并绕所述第三滑轮的外周后进入所述中空件。

8.如权利要求4所述的绳驱外骨骼设备，其特征在于，所述绳驱外骨骼设备还包括第四滑轮，所述第四滑轮设置在所述第一安装件，所述传动绳自所述中空件延伸至所述第四滑轮，并绕所述第四滑轮的外周后抵达所述第一滑轮。

9.如权利要求1所述的绳驱外骨骼设备，其特征在于，所述第一滑轮的外周开设有凹槽，所述第一滑轮开设有固定孔，所述固定孔与所述凹槽连通，所述传动绳的第二端绕设于所述凹槽并通过所述固定孔与所述第一滑轮卡接。

10.如权利要求1所述的绳驱外骨骼设备，其特征在于，所述绳驱外骨骼设备还包括托板，所述托板转动连接于所述转动臂远离所述第一滑轮的一端。

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