CN113490575A - 过顶式外骨骼 - Google Patents

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Abstract

一种用于支撑使用者(AW)的至少一只手臂(20)的外骨骼(10)，该外骨骼具有躯干附接装置(30)，用于可释放地将外骨骼(10)连接到使用者(AW)的躯干(OK)；支架(9)，用于连接到躯干附接装置(30)；升降杆(7)，该升降杆相对于支架(9)沿第一和第二方向(A、B)可逆地移动；悬臂(4)，用于可释放地连接到使用者(AW)的手臂(20)；以及弹簧元件(60)，用于在悬臂(4)和升降杆(7)上施加力。

Description

过顶式外骨骼
本发明涉及一种用于支撑使用者的至少一只手臂的外骨骼。
市场上可获得的、以及可供用于被动和/或主动支撑使用者四肢(尤其是手臂)的外骨骼通常包括臀部紧固件、第一支撑支柱和第二支撑支柱以及第一手臂支撑件和第二手臂支撑件。第一支撑支柱和第二支撑支柱竖直地紧固在臀部紧固件的左侧和相应地右侧。在第一支撑支柱的上端，第一手臂支撑件以可旋转的方式经由枢轴轴承被紧固。同样，在第二支撑支柱的上端，第二手臂支柱以可旋转的方式经由另一枢轴轴承被紧固。手臂支撑件可以被固定在相对于支撑支柱的不同角位置，使得使用者的手臂可以被搁置在展开的手臂支撑件上。借助于弹簧，手臂支撑件可以向上推动使用者的手臂，结果使得其更易于提升大的负载(即重量大的负载)。
由于图1a中示意性示出的人体肩部的解剖学，当手臂被提升时，肩部关节同时被提高。在根据现有技术的外骨骼中，上部支撑支柱与手臂支撑件之间的枢轴轴承保持在一个位置，但是，并未跟随人体肩部的关节的提高。这可能导致外骨骼与手臂之间的相对移动麻烦。这样的结果是手臂被推到并非使用者期望的运动路径上或是外骨骼与人体滑移之间的附接点处。结果移动受限，并且穿戴舒适性低。在例如专利US 9,205,017 BB和US 9,737,374 BB中示出了根据现有技术的这种外骨骼。
本发明的目的是解决上述问题，尤其是提供一种用于支撑使用者的至少一只手臂的改进的外骨骼。
此目的是通过用于支撑使用者的至少一只手臂的外骨骼来实现。
根据本发明，外骨骼包含：躯干附接装置，用于可释放地将外骨骼连接到使用者的躯干；至少一个支架，可连接到躯干附接装置；升降杆，可通过至少一个支架连接到躯干附接装置并且相对于支架沿第一和第二方向是可逆移动的；悬臂，用于支撑使用者的手臂并且可释放地连接到使用者的手臂；以及弹簧元件，用于在悬臂和升降杆上施加力。结果，提供了一种外骨骼，其允许使用者手臂的搁置可能性，当手臂被提升时，其适于提高人体肩部的关节。由于使用者手臂的这个符合人体工程学或解剖学的正确搁置可能性，当托住沉重负载时，可以对使用者实现更好的支撑。
根据本发明的有利实施例，具有第一端部和第二端部的联接杆可以，分别地，所述联接杆通过第一端部可旋转地连接到悬臂，并且经由补偿机构通过第二端部连接到升降杆。通过联接杆，悬臂相对于升降杆的移动被引导和支撑。结果，可以防止悬臂不期望的侧向移动或悬臂相对于升降杆和/或支架的扭曲或扭转。
根据本发明有利的实施例，补偿机构可以被配置成位于联接杆的第二端部的槽缝的形式以及在升降杆上的枢轴轴承的形式，其中，枢轴轴承被定位在槽缝内。结果，补偿机构可以以简单的方式被实现。此外，由于位于联接杆的端部的槽缝，悬臂可以被降低(即向下移动)，无需在另外部件上施加力。
根据本发明有利的实施例，补偿机构可以被配置成联接杆的第二端部与升降杆之间的槽缝状引导件的形式。这确保了联接杆的第二端部的可靠引导。
根据本发明有利的实施例，补偿机构可以被配置成扇形齿轮和齿条的形式，其中，扇形齿轮可旋转地连接到升降杆，使得扇形齿轮的齿与齿条的齿相啮合。扇形齿轮还可以被称为部分齿轮。结果，用于避免悬臂不期望的侧向移动或悬臂相对于升降杆和/或支架的扭曲或扭转的有效引导可以以简单的方式实现。借助于位于联接杆端部的槽缝，悬臂可以被降低(即向下移动)，无需在扇形齿轮上施加力。
根据本发明有利的实施例，除了补偿机构，悬臂与升降杆之间的铰接连接可以通过主轴或致动器实施，以便使悬臂向上移动。除了悬臂与升降杆之间的机械联接，手臂支柱相对于升降杆的角位置或角度可以经由传感器确定，以便正确确定悬臂的高度。
根据本发明的有利实施例，升降杆和齿条可以被配置成活塞-汽缸单元。结果，将升降杆和齿条附接到支架可以以节省空间的方式实现。
进一步优点将从以下对附图的描述中变得清楚。这些附图展示了本发明的不同的示例性实施例。附图、说明书和权利要求包含许多组合的特征。本领域技术人员还将方便地单独考虑这些特征并将它们进行组合以产生有效的进一步组合。
在附图中，相同和相似的部件由相同的附图标记表示。
在附图中：
图1a示出了具有多个示意性展示的关节点的人体躯干的正视图；
图1b示出了具有多个示意性展示的关节点的人体躯干的进一步正视图；
图2示出了根据本发明的用于将使用者手臂支撑在第一位置和第二位置的外骨骼的组成部分的示意性侧视图；
图3示出了根据本发明的用于支撑使用者的两只手臂的外骨骼的示意性图示；
图4示出了根据本发明的处于第一设置的外骨骼的悬臂、支架、弹簧元件以及升降杆的立体图；
图5示出了根据本发明的处于第二设置的外骨骼的悬臂、支架、弹簧元件以及升降杆的侧视图；
图6示出了根据本发明的处于第二设置的外骨骼的悬臂、支架、弹簧元件以及升降杆的立体图；
图7示出了根据本发明的处于第二设置的外骨骼的悬臂、支架、弹簧元件以及升降杆的侧视图；
图8示出了根据本发明的处于第三设置的外骨骼的悬臂、支架、弹簧元件以及升降杆的立体图；以及
图9示出了根据本发明的处于第三设置的外骨骼的悬臂、支架、弹簧元件以及升降杆的侧视图。
具体实施方式
图3示出了使用者AW的人体上身OK的正视图，用于支持或增加使用者AW的手臂20的工作性能的外骨骼10布置在人体上身。
外骨骼10基本包含躯干附接装置30、支架9、升降杆7、悬臂4以及弹簧元件60。
如图中所指示，关节元件1可以被设置在悬臂4与升降杆7之间，以便将悬臂4和升降杆7以可枢转的方式连接到一起。
躯干附接装置30用于将外骨骼10可释放地连接到使用者AW的躯干(即上身OK)(参见图3)。躯干附接装置30可以在此情况下被配置成硬壳、弹性胸部束带或皮带的形式。此外，躯干附接装置30包含闭合件VS，该闭合件布置在使用者AW的胸部中间，使用该闭合件，例如配置成胸部束带的躯干附接装置30可以被打开和闭合。闭合件VS可以被配置成例如粘扣紧固件或带扣。
根据本发明的外骨骼10的替代性实施例(图中未示出)，躯干附接装置30还可以被配置成臀部皮带的形式，并且因此被定位在使用者AW的臀部或盆骨上。此外，一条或两条束带可以被紧固用于将躯干附接装置30固定在使用者AW的肩部40或者用于防止躯干附接装置30沿箭头方向B滑移。这些束带(图中未展示)可以被引导从躯干附接装置30(配置为胸部束带或皮带)的前侧越过使用者AW的肩部40(即以与吊裤带相似的方式)到达躯干附接装置30的后侧。
如图4至图9所示，支架9基本被配置成平坦的金属板，该金属板具有四个圆形切口11、第一滑动轴承8a以及第二滑动轴承8b。四个切口11还可以被称为螺钉凸起，用于将支架9侧向地附接到躯干附接装置30。为此目的，四个螺钉或铆钉可以被驱动穿过支架9中的四个切口11用于紧固至躯干附接装置30。此外，支架9的第一和第二滑动轴承8a、8b用于将升降杆7接纳在支架9处和引导该升降杆。螺钉和铆钉未在图中展示。
在图2中，仅示出了第一滑动轴承8a。
滑动轴承8a、8b中的每一者都包含圆形开口。在此情况下，第一滑动轴承8a被定位在支架9的第一端部9a的附近，并且第二滑动轴承8b被定为在支架9的第二端部9b的附近，使得升降杆7被引导穿过滑动轴承8a、8b的相应的圆形开口，并且结果沿箭头方向A和B以可移动的方式以及可逆的方式连接到支架9。此外，支架9包含位于第二端部9b的支撑板12。如图4所示，当升降杆7被定位在支架9上时，升降杆7以可旋转的方式安装在支撑板12上。替代性地，支撑板12还可以具有指向升降杆7的凹形形状或弯曲形状。
根据有利的实施例(如图4至图8所示)，升降杆7基本被配置为具有第一端部7a和第二端部7b的管。升降杆7的这种配置还可以被称为管道或套管。尤其从图4中清楚看出，升降杆7的第一端部7a沿箭头方向A延伸超过支架9的第一端部9a。图2中清楚的是，升降杆7(被配置为管)包含空腔HR，空腔从第二端部7b延伸大致远至升降杆7的中间7c。空腔HR还可以被称为盲孔或切口。
根据有利的实施例，支撑元件6可以被引入升降杆7的空腔HR中。支撑元件6可以以圆柱形的方式被配置、并且其形状适配于升降杆7的空腔HR。升降杆7和支撑元件6沿箭头方向A和B相对于彼此可逆地移动。支撑元件6基本用于支撑升降杆7，并且当升降杆7相对于支架9移动时，支撑元件用于增加稳定性。如以下将描述的，支撑元件6还可以被配置成具有齿、因此被配置成齿条的形式。
如上所述，升降杆7连接到支架9，使得升降杆7延伸穿过第一和第二滑动轴承8a、8b的开口。结果，升降杆7可沿第一箭头方向A和第二箭头方向B以可逆的方式相对于支架9移动。换句话说：升降杆7可以相对于支架9沿箭头方向A和箭头方向B移动。此外，升降杆7可以通过第一和第二滑动轴承8a、8b相对于支架9沿旋转方向C或D围绕旋转轴线R旋转。
悬臂4基本被配置成具有第一端部4a和第二端部4b的杆。杆还可以被称为臂、支撑件、条或杠杆。如图4至图9所展示，扶手5被定位在悬臂4上。扶手5用于接纳和固持使用者AW的上臂。为暂时将手臂固定到扶手5，设置了具有闭合件的手臂束带。在图3中展示了手臂束带和闭合件。闭合件在此情况下被配置成例如粘扣紧固件。
如图2至图9所示，弹簧元件60被配置成具有第一腿部60a和第二腿部60b的扭转弹簧。弹簧元件60在此情况下被定位在悬臂4与升降杆7之间，使得第一腿部60a靠在升降杆7上，并且第二腿部60b靠在悬臂4上。弹簧元件60(配置成扭转弹簧)的弹簧力因此具有将有悬臂4和升降杆7沿旋转方向E推离彼此的效果。如图中所指示，弹簧元件60被定位在关节元件1的周围。
由于弹簧元件60的弹簧力沿旋转方向E持续推动悬臂4并因此将悬臂推离升降杆7，弹簧元件60支撑或沿旋转方向E推动经由扶手5连接到悬臂4的使用者AW的手臂。结果，手臂被支撑，并且负载(例如手臂握持的动力工具)沿箭头方向A被推动向上。结果，负载显得更轻，并且使用者可以握持负载时间更长。结果，负载(例如动力工具)的重力经由手臂被分散到悬臂4、升降杆7、支架9并且最终分散到躯干附接装置30。动力工具未在图中展示。
根据进一步有利的配置，外骨骼10还包含联接杆2，联接杆基本被配置为具有第一端部2a和第二端部2b(参见图4至图9)的条。联接杆2通过第一端部2a以可旋转的方式连接到悬臂4，并且经由补偿机构50通过第二端部2b同样以可旋转的方式连接到升降杆7。当悬臂4相对于升降杆7移动时，联接杆2基本用作支撑件和引导件。
根据本发明的外骨骼10的有利的实施例(图中未示出)，补偿机构50可以被配置成位于联接杆2的第二端部的槽缝51的形式以及升降杆7上的枢轴轴承的形式。枢轴轴承在此情况下被定位在槽缝51内、并且以可由槽缝51引导的方式沿槽缝51移动。借助于补偿结构50(配置为槽缝和枢轴轴承)，当悬臂4相对于升降杆7旋转时，联接杆2的移动可以被补偿。
根据本发明的外骨骼10的进一步实施例(图4至图9所示)，补偿机构50可以被配置成位于联接杆2的第二端部2b的槽缝51、扇形齿轮3、齿条13、以及枢轴轴承14的形式。
根据本发明的外骨骼10的实施例(图4至图9所示)，可选的支撑元件6被配置成齿条13的形式。根据本发明的外骨骼10的有利的实施例，还可以使支撑元件6和齿条13两者彼此并排定位在支撑板12上。
圆柱形配置的齿条13伸进升降杆7的内部，使得齿条13的纵向延伸和升降杆7的纵向延伸被定向为彼此平行。
尤其从图4中清楚看出，升降杆7具有切口7d，切口提供通达到齿条13的齿的通路。齿条13连接到升降杆7的第二端部7b、尤其在升降杆7的第二端部7b连接到支撑板12，从而通过枢轴轴承(未示出)沿旋转方向C或D围绕旋转轴线R可旋转。在此情况下，齿条13连接到支撑板12，使得齿条13不能沿箭头方向A或B支架移动。结果，齿条13与支架9之间没有相对移动。
由于齿条13和升降杆7能够沿箭头方向A或B相对于彼此移动的可能性，并且因为齿条13被引入升降杆7的内部，齿条13和升降杆7的结合或配合可以被称为活塞-汽缸单元。在此情况下，齿条13被实现为活塞，并且升降杆7、尤其是升降杆7的空腔HR被实现为用于接纳活塞(配置为齿条)的汽缸。
此外，升降杆7包含具有枢轴销16的固持装置15，固持装置用于接纳和固持扇形齿轮3。通过固持装置15具有枢轴销16，扇形齿轮3可以相对于升降杆7旋转，使得扇形齿轮3的齿3a可以与齿条13的齿13相啮合。扇形齿轮3还包含杠杆元件3b，枢轴轴承14被定位在杠杆元件的自由端。枢轴轴承14被定位在槽缝51内、并且可沿槽缝51自由移动、并且沿槽缝51被引导。
由于悬臂相对于支架9旋转地安装在枢轴点DP，悬臂4可以被可逆地带到第一、第二或第三位置。
图4和图5示出了悬臂4在第一位置时的外骨骼10。
图6和图7示出了在第二位置的悬臂4。
图8和图9展示了在第三位置的悬臂4。
在第一位置，悬臂4的第二端部4b沿箭头方向B向下倾斜。
在第二位置，悬臂4的第二端部4b基本水平。
在第三位置，悬臂的4第一端部4a沿箭头方向A向上指向。
当使用者AW将连接到悬臂4的手臂沿箭头方向A向上移动时，升降杆7同样经由关节元件1沿箭头方向A被向上拉动。由于升降杆7被安装为可相对于支架9沿箭头方向A或B移动，所以枢轴点DP可以补偿行程Δy，用于补偿在提升手臂期间人体肩部40的解剖学移动。这样的补偿让外骨骼更好适配人类使用者AW在提升负载时移动的实际解剖学和实际顺序，增加外骨骼的穿戴舒适性。
附图标记清单
1：关节元件
2：联接杆
2a：联接杆的第一端部
2b：联接杆的第二端部
3：扇形齿轮
3a：扇形齿轮的齿
3b：杠杆元件
4：悬臂
4a：悬臂的第一端部
4b：悬臂的第二端部
5：扶手
6：支撑元件
7：升降杆
7a：升降杆的第一端部
7b：升降杆的第二端部
7c：升降杆的中间
7d：升降杆内的切口
8a：第一滑动轴承
8b：第二滑动轴承
9：支架
9a：支架的第一端部
9b：支架的第二端部
10：外骨骼
11：支架内的切口
12：支撑板
13：齿条
13a：齿条的齿
14：枢轴轴承
15：固持装置
16：固持装置的枢轴销
20：使用者的手臂
30：躯干附接装置
40：使用者的肩部
50：补偿机构
51：槽缝
60：弹簧元件
60a：弹簧元件的第一腿部
60b：弹簧元件的第二腿部
HR：升降杆的空腔
DP：枢轴点
OK：上身
AW：使用者
VS：闭合件
R：升降杆的旋转轴线
C，D：升降杆的旋转方向
S：悬臂的旋转轴线
E，F：悬臂的旋转方向

Claims (6)

1.一种用于支撑使用者(AW)的至少一只手臂(20)的外骨骼(10)，
其特征为，
-躯干附接装置(30)，该躯干附接装置用于将该外骨骼(10)可释放地连接到使用者(AW)的躯干；
-至少一个支架(9)，该至少一个支架可连接到该躯干附接装置(30)；
-升降杆(7)，该升降杆通过该至少一个支架(9)可连接到该躯干附接装置(30)、并且相对于该支架(9)沿第一和第二方向(A，B)可逆地移动；
-悬臂(4)，该悬臂用于支撑使用者(AW)的手臂(20)、可释放地连接到使用者(AW)的手臂(20)；以及
-弹簧元件(60)，该弹簧元件用于在该悬臂(4)和该升降杆(7)上施加力。
2.如权利要求1所述的外骨骼(10)，
其特征为具有第一和第二端部(2a，2b)的联接杆(2)，所述联接杆(2)通过该第一端部(2a)可旋转地相应连接到该悬臂(4)，并且经由补偿机构(50)通过该第二端部(2b)连接到该升降杆(7)。
3.如权利要求2所述的外骨骼(10)，
其特征在于，该补偿机构(50)被配置成位于该联接杆(2)的第二端部(2b)的槽缝(51)的形式以及在该升降杆(7)上的枢轴轴承(14)的形式，该枢轴轴承(14)被定位在该槽缝(51)内。
4.如权利要求2所述的外骨骼(10)，
其特征在于，该补偿机构(50)被配置成在该联接杆(2)的第二端部(2b)与该升降杆(7)之间的槽缝状引导件的形式。
5.如权利要求2所述的外骨骼(10)，
其特征在于，该补偿机构(50)被配置成扇形齿轮(3)和齿条(13)的形式，其中，该扇形齿轮(3)可旋转地连接到该升降杆(7)，使得该扇形齿轮(3)的齿(3a)与该齿条(13)的齿(13a)相啮合。
6.如权利要求4所述的外骨骼(10)，
其特征在于，该升降杆(7)和该齿条(13)被配置成活塞-汽缸单元。
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