CN113232009B - 一种多位姿的辅助支撑外骨骼 - Google Patents

Abstract

本发明为一种多位姿的辅助支撑外骨骼，包括上身支撑部分和左、右腿，左、右腿的结构相同，对称安装在上身支撑部分的两侧；其中左腿包括大腿支撑部分、小腿支撑部分和底部支撑部分；所述底部支撑部分包括底部支撑板、加强板、一号固定套和顶丝；小腿支撑部分包括上支撑轴、下支撑轴、滑套和弹簧；大腿支撑部分包括电动推杆、臀部支撑板、L型机架杆、连杆、连架杆、二号固定套、大腿绑带和撑杆；上身支撑部分包括腰部绑带、卡环和摆杆。本发明能够提供前倾或后仰任意位姿的辅助支撑，尤其适用于需要长时间保持半蹲曲膝弯腰姿态或半蹲曲膝仰头以及坐立弯腰或仰头姿态进行工作的人员，避免长期保持同一姿势对使用者骨骼、关节、颈椎及腰椎的损伤。

Description

一种多位姿的辅助支撑外骨骼

技术领域

本发明属于外骨骼技术领域，尤其涉及一种多位姿的辅助支撑外骨骼。

背景技术

工作相关肌肉骨骼疾患(work-related musculoskeletal disorders)是目前除职业性尘肺病、化学中毒和噪声耳聋外，常见的职业病之一。在一些特殊行业或者说特殊工作岗位，需要人体长时间保持特殊姿势，比如医生在俯身做手术时，上身前倾，腰部弯曲，有时也需要双下肢曲膝站立保持半蹲状态，若长时间保持此姿势，则会对双下肢、腰部脊柱以及颈椎造成很大压力，对人体造成损伤，而且半蹲状态很难使人体长时间保持稳定，势必对手术操作效果造成不良影响。此外，工业生产中的工人在进行流水线操作时，有时也需要长时间保持某种姿势，同样会损伤关节和骨骼，导致职业病，降低工作效率。而外骨骼能够对人体起到很好的支撑作用，缓解长时间保持同一姿势产生的疲劳以及对身体的损伤。

虽然现有技术中具有辅助支撑功能的外骨骼能够满足基本的使用需求，但是机构冗杂，在坐姿与站姿转换过程中任意角度下的支撑性较差，难以保证使用者在任意姿势下的稳定性，而且不能完全为使用者提供支撑力，需要使用者自身提供部分支撑力才能保持重心平衡。

综上，本发明提出了一种多位姿的辅助支撑外骨骼，能够为人体前倾或后仰过程中任意位置提供支撑。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提出了一种多位姿的辅助支撑外骨骼。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：

一种多位姿的辅助支撑外骨骼，包括上身支撑部分和左、右腿，左、右腿的结构相同，且对称安装在上身支撑部分的两侧；其中，左腿包括大腿支撑部分、小腿支撑部分和底部支撑部分；其特征在于，

所述底部支撑部分包括底部支撑板、加强板、一号固定套和顶丝；小腿支撑部分包括上支撑轴、下支撑轴、滑套和弹簧；大腿支撑部分包括电动推杆、臀部支撑板、L型机架杆、连杆、连架杆、二号固定套、大腿绑带和撑杆；上身支撑部分包括腰部绑带、卡环和摆杆；

所述加强板的上端与一号固定套连接，下端与底部支撑板连接；下支撑轴穿过一号固定套，下支撑轴下端的万向球与底部支撑板的凸台转动连接，使下支撑轴能相对于一号固定套和底部支撑板转动；顶丝的一端穿过一号固定套，插装在下支撑轴上；

上支撑轴的下端套装在下支撑轴的上端，滑套套装在上支撑轴的下部，通过插销实现上支撑轴、下支撑轴以及滑套三者的连接；弹簧套装在下支撑轴上，弹簧的上、下端分别与滑套和一号固定套连接；上支撑轴的中部和上部分别设有二号固定套；臀部支撑板的一端铰接在上支撑轴的上端，电动推杆的安装端与上支撑轴中部的二号固定套铰接，电动推杆的伸缩端铰接在臀部支撑板的中部，臀部支撑板可在0～90°范围内的往复转动；L型机架杆的下端连接在上支撑轴上部的二号固定套上，L型机架杆的上端与连杆的一端铰接，连杆的另一端与连架杆的上端铰接，连架杆的下端与臀部支撑板的另一端铰接；臀部支撑板与上支撑轴的转动中心、臀部支撑板与连架杆的转动中心、连架杆与连杆的转动中心以及连杆与L型机架杆的转动中心，这四个转动中心构成平行四边形；大腿绑带安装在臀部支撑板的中部，撑杆位于两个臀部支撑板之间，分别与两个臀部支撑板连接；

两个摆杆的下端分别铰接在各自的臀部支撑板上，两个摆杆的上端分别安装有卡环，腰部绑带穿过两个卡环穿戴在人体身上。

所述撑杆的一端球铰接在一个臀部支撑板的内侧，撑杆的另一端通过卡钩与另一个臀部支撑板连接；当人体穿戴外骨骼需要微移时，则手动使卡钩脱离与相应臀部支撑板的连接，使人腿能够带动外骨骼的左、右腿挪动；挪动完毕后将卡钩与相应臀部支撑板连接，即可用于辅助支撑。

所述下支撑轴的上端沿轴向设有多个通孔，上支撑轴的下部设有一号通槽，滑套上设有二号通槽，插销依次穿过二号通槽、一号通槽和任意通孔实现上支撑轴、下支撑轴以及滑套三者的连接，上支撑轴与下支撑轴之间的相对运动距离为一号通槽的长度；一号通槽与不同通孔配合，实现外骨骼的高度调节。

所述连架杆上部的前、后端分别设有限位柱，当人体前倾或后仰时带动摆杆在两个限位柱之间摆动。

所述底部支撑板的凸台上设有半球形凹槽，下支撑轴下端的万向球与半球形凹槽转动连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明的外骨骼能够为使用者提供前倾或后仰姿态下的辅助支撑，底部支撑板相对下支撑轴转动，能够根据使用者前倾或后仰需求调节底部支撑板的朝向，通过电动推杆调节臀部支撑板与小腿支撑部分之间的夹角，能够实现臀部支撑板在0-90°范围内任意角度下的固定，适用于使用者在多位姿下的辅助支撑，尤其适用于需要长时间在非标准站姿或坐姿下进行操作的工作人员，比如需要长时间保持半蹲曲膝弯腰姿态或半蹲曲膝仰头以及坐立弯腰或仰头姿态进行工作的人员，避免长期保持同一姿势对使用者骨骼、关节、颈椎及腰椎的损伤。

2.臀部支撑板与上支撑轴的转动中心、臀部支撑板与连架杆的转动中心、连架杆与连杆的转动中心以及连杆与L型机架杆的转动中心构成平行四边形；由于L型机架杆与上支撑轴固连，因此L型连架杆一直保持竖直且位置不变，则与L型连架杆平行的连架杆也始终保持竖直，达到连架杆始终与人体上半身竖直平行的目的，能够在前倾或后仰过程中对人体提供更好的支撑。

3.本发明的底部支撑板足够长，与地面之间形成较大面积的面接触，保证使用者的重心落在底部支撑板所在的平面内，防止外骨骼出现倾覆现象；同时由于底部支撑板与臀部支撑板的作用，人体只需要放松地坐在臀部支撑板上，不需要自身提供额外的支撑力来维持外骨骼的稳定性，不会出现侧倾等情况，使用舒适性更高。

4.上支撑轴的下部设有一号通槽，人体坐在臀部支撑板上时下压上支撑轴，上支撑轴与下支撑轴之间的相对移动距离为一号通槽的长度，对人体坐下的瞬间起到缓冲作用；同时由于一号通槽的设置，使得弹簧的伸缩量可控，避免弹簧失效，延长外骨骼的使用寿命。

5.本发明的应该场景相较于现有的支撑外骨骼也得到了极大得丰富，可应用于医生做手术、工厂尤其是汽车工厂中工人做工等需要长时间保持某种姿态进行操作的场合下。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的左腿的结构示意图；

图3为本发明的底部支撑板的结构示意图；

图4为本发明的下支撑轴的结构示意图；

图5为发明的上支撑轴的结构示意图；

图6为本发明的L型机架杆、连杆以及连架杆之间的连接示意图；

图7为本发明的上身支撑部分的结构示意图；

图8为本发明的撑杆的结构示意图；

图9为本发明在人体站立后仰使用状态的左视图；

图10为本发明在人体站立后仰使用状态的前视图；

图11为本发明在人体站立前倾时的使用状态图；

图12为本发明在人体正常坐立前倾时的使用状态图；

图13为本发明在人体正常坐立后仰时的使用状态图；

图14为本发明在人体半蹲坐立前倾时的使用状态图；

图15为本发明在人体半蹲坐立后仰时的使用状态图；

图中：1、底部支撑部分；2、小腿支撑部分；3、大腿支撑部分；4、上身支撑部分；

11、底部支撑板；12、加强板；13、一号固定套；14、销轴；15、顶丝；111、支座；112、凸台；

21、上支撑轴；22、下支撑轴；23、滑套；24、弹簧；211、一号通槽；221、万向球；222、通孔；223、顶丝槽；231、二号通槽；

31、电动推杆；32、臀部支撑板；33、L型机架杆；34、连杆；35、连架杆；36、二号固定套；37、大腿绑带；38；撑杆；351、限位柱；381、卡钩；

41、腰部绑带；42、卡环；43、摆杆。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案进行详细描述，并不用于限定本申请的保护范围。

本发明为一种多位姿的辅助支撑外骨骼(简称外骨骼，参见图1-15)，包括上身支撑部分4和左、右腿，左、右腿的结构相同，且对称安装在上身支撑部分4的两侧；本实施例以左腿为例进行说明，左腿包括大腿支撑部分3、小腿支撑部分2和底部支撑部分1；

所述底部支撑部分1包括底部支撑板11、加强板12、一号固定套13和顶丝15；小腿支撑部分2包括上支撑轴21、下支撑轴22、滑套23和弹簧24；大腿支撑部分3包括电动推杆31、臀部支撑板32、L型机架杆33、连杆34、连架杆35、二号固定套36、大腿绑带37和撑杆38；上身支撑部分4包括腰部绑带41、卡环42和摆杆43；

所述加强板12呈弧形，加强板12的上端通过销轴14与一号固定套13的侧壁固连，下端通过销轴14与底部支撑板11上的支座111固连；底部支撑板11上设有凸台112，凸台112上设有半球形凹槽；下支撑轴22的下端设有万向球221，中部设有顶丝槽223，上端沿轴向设有多个通孔222；下支撑轴22穿过一号固定套13，下支撑轴22下端的万向球221与凸台112的半球形凹槽配合，下支撑轴22能相对于一号固定套13和凸台112转动，使底部支撑板11能绕着下支撑轴22转动，进而调节底部支撑板11的朝向；当人体前倾时底部支撑板11朝向外骨骼的前侧，人体后仰时底部支撑板11朝向外骨骼的后侧；顶丝15的一端穿过一号固定套13的销孔与下支撑轴22中部的顶丝槽223配合，既可以起到连接下支撑轴22与一号固定套13的作用，也可以保持底部支撑板11能绕着下支撑轴22转动，实现底部支撑板11的方向调节；底部支撑板11足够长，使人体前倾或后仰时的重心落在底部支撑板11所在的平面内，避免外骨骼出现侧倾的情况；

上支撑轴21的下部设有一个沿轴向的两端为半圆形的一号通槽211，上支撑轴21的下端套装在下支撑轴22的上端，下支撑轴22的任意通孔222与一号通槽211配合；滑套23套装在上支撑轴21的下部，滑套23沿轴向设有二号通槽231，插销依次穿过二号通槽231、一号通槽211和通孔222实现上支撑轴21、下支撑轴22以及滑套23三者的连接，上支撑轴21与下支撑轴22之间的相对运动距离为一号通槽211的长度；当插销与不同位置处的通孔222配合时，可以调整小腿支撑部分2的高度，以适配不同身高的人群使用；弹簧24套装在下支撑轴22上，弹簧24的上、下端分别与滑套23和一号固定套13连接，当人体坐在上身支撑部分4上或离开上身支撑部分4时，弹簧24起到一个缓冲、储能或者放能作用；同时当上支撑轴21沿轴线方向运动时一号通槽211起到限位作用，使得弹簧24的伸缩量可控，避免弹簧24失效；

上支撑轴21的中部和上部分别设有二号固定套36；臀部支撑板32的一端铰接在上支撑轴21的上端，电动推杆31的安装端与上支撑轴21中部的二号固定套36铰接，电动推杆31的伸缩端铰接在臀部支撑板32的中部，通过电动推杆31的伸缩实现臀部支撑板32相对于小腿支撑部分2的转动，臀部支撑板32可在0～90°范围内的往复转动；L型机架杆33的下端固定在上支撑轴21上部的二号固定套36上，L型机架杆33的上端与连杆34的一端铰接，连杆34的另一端与连架杆35的上端铰接，连架杆35的下端与臀部支撑板32的另一端铰接；臀部支撑板32与上支撑轴21的转动中心、臀部支撑板32与连架杆35的转动中心、连架杆35与连杆34的转动中心以及连杆34与L型机架杆33的转动中心构成平行四边形；由于L型机架杆33与上支撑轴21固连，因此L型连架杆33一直保持竖直且位置不变，则与L型连架杆33平行的连架杆35也始终保持竖直，达到连架杆35始终与人体上半身竖直平行的目的，能够在前倾或后仰过程中对人体提供更好的支撑；当臀部支撑板32由水平位置旋转至90度时，臀部支撑板32与电动推杆31共线时会出现死点不利于角度调节，但是由于人坐在臀部支撑板32上，对臀部支撑板32有一个向后的垂直于电动推杆31的力，可以避免出现死点，因此可以完成0-90度的角度调节；大腿绑带37安装在臀部支撑板32的中部，通过大腿绑带37将大腿支撑部分3绑缚在使用者的大腿上，在使用者逐渐站立的过程中起到对外骨骼前后方向上的支撑作用，同时也增加了使用者与外骨骼的贴合性；撑杆38位于两个臀部支撑板32之间，分别与两个臀部支撑板32连接，避免在使用过程中左、右腿出现收窄的情况；

两个摆杆43的下端分别铰接在各自的臀部支撑板32上，两个摆杆43的上端分别焊接固定有卡环42，腰部绑带41环绕在使用者腰部，且穿过两个卡环42采用粘扣固定，进而将上身支撑部分4穿戴在人体身上；当人体前倾或后仰过程中，摆杆43随着人体转动。

所述连架杆35内侧上端的前、后分别设有限位柱351，当人体前倾或后仰时带动摆杆43在两个限位柱351之间的范围内摆动，从而支撑了人体上身的前倾或后仰姿态。

所述撑杆38的一端球铰接在一个臀部支撑板32的内侧，撑杆38的另一端通过卡钩381与另一个臀部支撑板32的内侧连接；当人体穿戴外骨骼需要微移时，则手动使卡钩381脱离与相应臀部支撑板32的连接，解除两个臀部支撑板32之间的刚性支撑，使人腿能够带动外骨骼的左、右腿挪动；挪动完毕后将卡钩381与相应臀部支撑板32连接，实现外骨骼的辅助支撑。

当人体前倾或后仰时，人体通过腰部绑带41对外骨骼有一个侧向力，如图9、10所示，以后仰支撑时的受力情况为例进行分析，当人体后仰时，通过腰部绑带41对卡环42有一个向后方倾斜的力F，力F产生一个沿人体右侧的水平分力F1以及一个沿人体后侧的水平分力F2，大腿绑带37提供的一个朝向人体前侧的水平力F2’和F2平衡，撑杆38提供一个与F1方向相反大小相同的力F1’来平衡力F1，保证人体在位姿调整过程中保证平衡，防止倾覆。

下支撑轴22与底部支撑板11的安装过程为：首先对凸台112进行加热，使凸台112上的半球形凹槽受热膨胀，然后下支撑轴22下端的万向球221与半球形凹槽进行装配，冷却后半球形凹槽即可与万向球221形成过盈配合，使得其不会上下滑动的同时下支撑轴22能绕着底部支撑板11转动。

本发明的工作原理和工作流程是：

将本发明的外骨骼穿戴在人体上，根据人体前倾或后仰旋转底部支撑板11，调节底部支撑板11的朝向，人体前倾时底部支撑板11朝向外骨骼的前侧，人体后仰时底部支撑板11朝向外骨骼的后侧，使人体重心正好在底部支撑板11所在的平面内，防止外骨骼出现翻倒的情况；然后通过电动推杆31调节臀部支撑板32与小腿支撑部分2的上支撑轴21之间的角度，使臀部支撑板32转动至合适的位置，人体坐在两个臀部支撑板32上，臀部支撑板32为人体提供支撑力，即可实现外骨骼的辅助支撑功能。

通过电动推杆31可以实现臀部支撑板32在0-90°范围任意角度的调节，实现人体在站立、前倾或者后仰位姿的支撑，以适应不同的使用场合。本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (5)

1.一种多位姿的辅助支撑外骨骼，包括上身支撑部分和左、右腿，左、右腿的结构相同，且对称安装在上身支撑部分的两侧；其中，左腿包括大腿支撑部分、小腿支撑部分和底部支撑部分；其特征在于，

所述底部支撑部分包括底部支撑板、加强板、一号固定套和顶丝；小腿支撑部分包括上支撑轴、下支撑轴、滑套和弹簧；大腿支撑部分包括电动推杆、臀部支撑板、L型机架杆、连杆、连架杆、二号固定套、大腿绑带和撑杆；上身支撑部分包括腰部绑带、卡环和摆杆；

所述加强板的上端与一号固定套连接，下端与底部支撑板连接；下支撑轴穿过一号固定套，下支撑轴下端的万向球与底部支撑板的凸台转动连接，使下支撑轴能相对于一号固定套和底部支撑板转动；顶丝的一端穿过一号固定套，插装在下支撑轴上；

上支撑轴的下端套装在下支撑轴的上端，滑套套装在上支撑轴的下部，通过插销实现上支撑轴、下支撑轴以及滑套三者的连接；弹簧套装在下支撑轴上，弹簧的上、下端分别与滑套和一号固定套连接；上支撑轴的中部和上部分别设有二号固定套；臀部支撑板的一端铰接在上支撑轴的上端，电动推杆的安装端与上支撑轴中部的二号固定套铰接，电动推杆的伸缩端铰接在臀部支撑板的中部，臀部支撑板可在0～90°范围内的往复转动，实现人体在站立、前倾或者后仰位姿的支撑；L型机架杆的下端连接在上支撑轴上部的二号固定套上，L型机架杆的上端与连杆的一端铰接，连杆的另一端与连架杆的上端铰接，连架杆的下端与臀部支撑板的另一端铰接；臀部支撑板与上支撑轴的转动中心、臀部支撑板与连架杆的转动中心、连架杆与连杆的转动中心以及连杆与L型机架杆的转动中心，这四个转动中心构成平行四边形；大腿绑带安装在臀部支撑板的中部，撑杆位于两个臀部支撑板之间，分别与两个臀部支撑板连接；

两个摆杆的下端分别铰接在各自的臀部支撑板上，两个摆杆的上端分别安装有卡环，腰部绑带穿过两个卡环穿戴在人体身上；

根据人体前倾或后仰旋转底部支撑板，调节底部支撑板的朝向，人体前倾时底部支撑板朝向外骨骼的前侧，人体后仰时底部支撑板朝向外骨骼的后侧，使人体重心正好在底部支撑板所在的平面内，防止出现翻倒的情况。

2.根据权利要求1所述的多位姿的辅助支撑外骨骼，其特征在于，所述撑杆的一端球铰接在一个臀部支撑板的内侧，撑杆的另一端通过卡钩与另一个臀部支撑板连接；当人体穿戴外骨骼需要微移时，则手动使卡钩脱离与相应臀部支撑板的连接，使人腿能够带动外骨骼的左、右腿挪动；挪动完毕后将卡钩与相应臀部支撑板连接，即可用于辅助支撑。

3.根据权利要求1或2所述的多位姿的辅助支撑外骨骼，其特征在于，下支撑轴的上端沿轴向设有多个通孔，上支撑轴的下部设有一号通槽，滑套上设有二号通槽，插销依次穿过二号通槽、一号通槽和任意通孔实现上支撑轴、下支撑轴以及滑套三者的连接，上支撑轴与下支撑轴之间的相对运动距离为一号通槽的长度；一号通槽与不同通孔配合，实现外骨骼的高度调节。

4.根据权利要求1所述的多位姿的辅助支撑外骨骼，其特征在于，所述连架杆上部的前、后端分别设有限位柱，当人体前倾或后仰时带动摆杆在两个限位柱之间摆动。

5.根据权利要求1或4所述的多位姿的辅助支撑外骨骼，其特征在于，所述底部支撑板的凸台上设有半球形凹槽，下支撑轴下端的万向球与半球形凹槽转动连接。

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