CN113954105A - 用于人体上臂辅助的装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种用于辅助使用者上臂的装置，包括：被配置为将装置支撑在使用者的躯干上的支撑机构；可操作地连接到上臂的臂连杆构件；与臂连杆构件和支撑机构联接的接合构件；以及布置在支撑机构上的力产生构件。该装置在使用中将负载从上臂通过接合构件传递到躯干。力产生构件被配置为在臂连杆构件和支撑机构之间提供抵抗扭矩，并且力产生构件被配置为在上臂运动的预定范围施加相对较大的抵抗扭矩并在预定范围之外相对施加较小的抵抗扭矩。

Description

用于人体上臂辅助的装置

技术领域

本公开涉及辅助人体手臂的装置，更具体地涉及一种用于辅助人体上臂的便携式装置，其由使用者佩戴并在使用者手臂伸展或执行头顶任务期间减少其肩关节上的力矩。该装置可适用于工厂、仓库、医院、建筑、日常生活辅助等多种场景。

背景技术

在此的描述仅提供与本公开相关的背景信息，并不一定构成现有技术。肩部损伤是第二种常见的与工作相关的肌肉骨骼疾病(WMSD)，肩部损伤后需要很长时间才能恢复。在墙面粉刷、产品组装、玻璃清洁、病人护理、房屋装修等许多工作中，工人需要经常伸出双臂将工具举起或举过头顶，长时间抵抗工具和手臂的重力会导致肌肉疲劳。为了保护工作人员免受肩部损伤，减少经济损失，目前迫切需要一种能够为肩关节提供辅助扭矩、缓解肌肉疲劳的人体上臂辅助装置。

人体上臂辅助装置可分为被动式和主动式两种。被动式装置通过或被压缩或拉伸的弹簧或弹性绳的回弹力来提供辅助。然而，目前的被动式装置的主要缺点之一在于辅助力不能根据使用者处理的负载进行自适应。目前的被动式装置的另一个缺点是，在非工作条件下，由于弹簧或弹性绳的抵抗扭矩，使用者不能自由活动，从而感到不舒服。主动式装置可以通过在非工作条件下主动跟随使用者的运动来解决这些问题。但是，目前的主动式装置将致动器直接放置在使用者的肩部位置，并将电动机轴与使用者的肩关节轴对齐，导致肩部的框架笨重，同时因为致动器应通过使用者在非辅助方向上移动从而浪费大量能量。对手臂辅助装置的另一个重要需求是，当手臂接近自然下垂位置时，施加在肩关节上的扭矩应自动减小。然而，这些装置总是在手臂和躯干之间施加扭矩，这就使得使用者在步行、站立、就座等日常活动中感到不舒服。

发明内容

这里描述的各种实施例涉及一种用于人体上臂辅助的装置，一方面，它在上臂和躯干之间提供扭矩，用于在手臂伸展或执行举过头顶的任务期间支撑手臂，从而减少肩关节的肌肉疲劳，另一方面，当手臂接近自然下垂位置时，施加在肩关节的扭矩可以自动减小，从而节省能量，让使用者在日常活动中感到自由。

根据本公开的一个方面，提供了一种辅助使用者的上臂的装置，包括：支撑机构、臂连杆构件、接合构件和力产生构件。支撑机构被配置为将装置支撑在使用者的躯干上。臂连杆构件可操作地连接到上臂。接合构件联接臂连杆构件和支撑机构，其中该装置在使用中将负载从上臂通过接合构件传递到躯干。力产生构件设置在支撑机构上并被配置为在臂连杆构件和支撑机构之间提供抵抗扭矩，其中力产生构件被配置为在上臂运动的预定范围内施加相对较大的抵抗扭矩，并在预定范围之外施加相对较小的抵抗扭矩。

在一实施例中，上臂运动的预定范围包括上臂垂直于躯干的情况。

在一实施例中，当上臂垂直于躯干抬起时，力产生构件被配置为提供最大的抵抗扭矩。

在一实施例中，当上臂处于自然下垂位置时，力产生构件被配置为基本上不施加力。

在一实施例中，接合构件可旋转地连接到臂连杆构件和支撑机构，并且在装置处于安装状态时平行于使用者的肩关节布置。

在一实施例中，力产生构件是扭矩发生器，该扭矩发生器包括偏心轮，偏心轮在使用中与上臂一起移动，并且偏心轮的偏心度限定预定范围。

在一实施例中，扭矩发生器包括一个或多个弹簧，用于调节抵抗扭矩大小。

在一实施例中，力产生构件为力发生器，该力发生器包括液压缸、电动马达或气动系统以产生抵抗扭矩。

在一实施例中，力产生构件被配置为使用一根或多根鲍登缆绳在接合构件处施加抵抗扭矩。

在一实施例中，该装置还包括：传感器系统，其被配置为检测使用者的信息；控制模块，其被配置为基于由传感器系统检测到的使用者的信息产生控制信号并将该控制信号提供给力发生器。

在一实施例中，传感器系统与控制模块通信以控制至少以下方面：在工作模式和非工作模式之间切换力发生器，其中在工作模式下力发生器产生抵抗扭矩，并且在工作模式下的力发生器能够被配置为当手臂相对于躯干处于任意位置工作时提供最大的抵抗扭矩，而在非工作模式力发生器不产生抵抗扭矩。

在一实施例中，传感器系统包括角度传感器、速度传感器、力传感器和加速度计中的一种或多种。

在一实施例中，臂连杆构件的长度是可调节的。

在一实施例中，支撑机构通过背带安装在使用者的背部，并且在背带和支撑机构设置有弹性绳索。

根据本公开的另一方面，提供了一种用于辅助使用者的至少一个上臂的装置，包括：支撑机构、两个支撑连杆构件、两个臂连杆构件、两个接合构件和至少一个力产生构件。该支撑机构被配置为将装置支撑在使用者的躯干上，支撑机构包括基部支架和分别连接在基部支架上的两个支撑连杆构件。两个臂连杆构件分别可操作地连接到上臂。两个接合构件分别与两个臂连杆构件和两个支撑连杆构件联接，其中该装置在使用中将负载从上臂通过两个接合构件传递到躯干。至少一个力产生构件布置在基部支架上并且被配置为在每个臂连杆构件和支撑机构之间提供抵抗扭矩，其中至少一个力产生构件被配置为在上臂运动的预定范围施加相对较大的抵抗扭矩，并在预定范围之外施加相对较小的抵抗扭矩。

在一实施例中，上臂运动的预定范围包括上臂垂直于躯干的情况。

在一实施例中，至少一个力产生构件被配置为当上臂垂直于躯干被抬起时提供最大的抵抗扭矩。

在一实施例中，至少一个力产生构件被配置为当上臂处于自然下垂位置时基本上不施加力。

在一实施例中，接合构件与臂连杆构件和支撑机构可旋转地连接，并在装置处于安装状态时平行于使用者的肩关节布置。

在一实施例中，至少一个力产生构件中的每一个是扭矩发生器，其包括偏心轮，偏心轮在使用中与上臂一起移动，并且偏心轮的偏心度限定预定范围。

在一实施例中，每个扭矩发生器包括一个或多个弹簧，用于调节抵抗扭矩的大小。

在一实施例中，所述至少一个力产生构件中的每一个是力发生器，其包括用于产生抵抗扭矩的液压缸、电动机或气动系统。

在一实施例中，至少一个力产生构件被配置为使用一根或多根鲍登缆绳在接合构件处施加抵抗扭矩。

在一实施例中，辅助使用者的至少一个上臂的装置还包括：传感器系统，其用于检测使用者的信息；控制模块，其被配置为基于由传感器系统检测到的使用者的信息控制信号产生将该控制信号提供给至少一个力发生器。

在一实施例中，传感器系统与控制模块通信以控制至少以下方面：在工作模式和非工作模式之间切换至少一个力发生器，其中在工作模式下力发生器产生抵抗扭矩，并且在工作模式下的力发生器能够被配置为当手臂相对于躯干处于任意位置时提供最大的抵抗扭矩，在非工作模式下力发生器不产生抵抗扭矩。

在一实施例中，传感器系统包括角度传感器、速度传感器、力传感器和加速度计中的一种或多种。

在一实施例中，每个支撑连杆构件通过通用轴承联接到基部支架。

在一实施例中，每个支撑连杆构件的长度是可调节的和/或每个臂连杆构件的长度是可调节的。

在一实施例中，支撑构件机构被配置为通过基部支架来支撑该装置，并且基部支架在操作过程中通过背带附接到使用者的背部。

在一实施例中，该装置还包括连接在背带和两个支撑连杆构件之间的弹性绳索。

根据本公开的另一方面，提供了一种用于辅助使用者的至少一个上臂的装置，其包括：至少一个臂连杆构件、基部支架、至少一个支撑连杆构件、至少一个接合构件，以及至少一个力产生构件。至少一个臂连杆构件可操作地连接到使用者的上臂。基部支架可操作地连接到使用者的躯干。至少一个支撑连杆构件旋转地固定在基部支架上。至少一个接合构件分别与至少一个臂连杆构件和至少一个支撑连杆构件联接，其中该装置在使用中将来自上臂的负载通过至少一个接合构件传递到使用者的躯干。至少一力产生构件布置在基部支架上并构造成分别在至少一臂连杆构件与至少一支撑连杆构件之间提供抵抗扭矩。其中，至少一个力产生构件被配置成在上臂运动的预定范围内施加相对较大的抵抗扭矩并且在预定范围之外施加相对较小的抵抗扭矩。

附图说明

当结合以下对各种实施例和附图的详细描述进行考虑时，本公开的这些和其他方面、特征和优点将变得更容易理解，在附图的图中，其中相似的附图标记指代相似的元件，其中：

图1示出了根据本公开的由使用者佩戴的用于人体上臂辅助的示例性装置的透视图，其中使用者的一只手臂伸出；

图2示出了根据本公开的由使用者佩戴的用于人体上臂辅助的装置的透视图，其中使用者的两个手臂伸出用于进行头顶工作；

图3示出了根据本公开的由使用者佩戴的用于人体上臂辅助的装置的透视图，其中使用者的两只手到达同一位置进行头顶操作；

图4示出了根据本公开的由使用者佩戴的用于人体上臂辅助的装置的透视图，其中使用者的两只手臂水平伸出；

图5示出了根据本公开的人体上臂辅助装置的透视图，其中弹性绳索附接在背带和支撑连杆之间；

图6示出了根据本公开的人体上臂辅助装置的支撑连杆的示例特写透视图；

图7示出了根据本公开的支撑连杆的示例上端部的特写透视图；

图8示出了根据本公开的人体上臂辅助装置的示例基部支架的特写透视图；

图9示出了根据本公开的人体上臂辅助装置的基部支架的一部分的特写透视图；

图10示出了根据本公开的人体上臂辅助装置的示例力发生器的特写透视图，其中保护壳被隐藏；

图11示意性示出了根据本公开的人体上臂辅助装置的力发生器的控制原理；

图12示出了根据本公开的由使用者佩戴的用于人体上臂辅助的示例性装置辅助一只手臂伸展的侧视图；

图13示出了根据本公开的由使用者佩戴的用于人体上臂辅助的示例性装置辅助两只手臂水平延伸的后视图；

图14示出了根据本公开的由使用者佩戴的用于人体上臂辅助的示例性装置的又一后视图，其中弹性绳索附接在背带和躯干链节之间；

图15示出了根据本公开的用于人体上臂辅助的装置的示例躯干连杆的透视图；

图16示出了根据本公开的用于人体上臂辅助的装置的示例肩关节铰链的透视图，其中铰链保护壳被隐藏；

图17示出了根据本公开的用于人体上臂辅助的装置的示例基部支架的透视图，其中躯干连杆、背带和扭矩发生器被隐藏；

图18示出了根据本公开的用于人体上臂辅助的装置的示例扭矩发生器的透视图，其中其前壳被隐藏；以及

图19示意性地示出了根据本公开的用于人体上臂辅助的装置的扭矩发生器的工作原理。

具体实施方式

在转向详细说明某些示例性实施例的附图之前，应当理解，本公开不限于在说明书中阐述或在附图中示出的细节或方法。还应当理解，这里使用的术语仅用于描述的目的，不应被视为限制。

如本文所用，单数形式“一个”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另有明确指示。将进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包括”指定所述特征、整数、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元素组件和/或它们的组合。

如本文所用，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“顶部”、“底部”、“内部”、“外部”等方向或位置关系基于附图所示的位置或位置关系，仅是为了便于说明本申请实施例和简化说明，而不是表明或暗示所指的装置或元件必须具有特定的取向，以特定的取向配置和操作，因此不能理解为对本申请实施例的限制。

在本申请的实施例中，除非另有明确说明和定义，术语“安装/安装”、“接触”、“连接/联接”、“固定”等术语应当广义理解。例如，它可以是固定连接或可拆卸连接，也可以是一体的；它可以是机械连接或电气连接；它可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个组件的内部通信，也可以是两个组件之间的交互关系。本领域普通技术人员可以根据具体情况来理解本申请实施例中上述术语的具体含义。

本文描述的各种实施例涉及一种用于人体上臂辅助的装置，其包括支撑机构、臂连杆构件、接合构件和力产生构件。支撑机构用于将装置支撑在使用者的躯干上；臂连杆构件可连接到人的上臂。接合构件与臂连杆构件和支撑机构连接，当装置处于使用状态时，接合构件将负载从上臂转移到身体。力产生构件布置在支撑机构上并且被配置为在臂连杆构件和支撑机构之间提供抵抗扭矩。力产生构件被配置成在上臂运动的预定范围内施加相对较大的抵抗扭矩并且在预定范围之外施加相对较小的抵抗扭矩。

更详细地参考附图，图1示出了使用者佩戴用于人体上臂辅助的装置的透视图，其中使用者的一只手臂伸出。图2示出了使用者佩戴用于人体上臂辅助的装置的透视图，其中使用者的两个手臂伸出用于头顶工作。图3示出了使用者佩戴用于人体上臂辅助的装置的透视图，使用者的两只手到达相同位置进行头顶操作。图4示出了使用者佩戴用于人体上臂辅助的装置的透视图，其中使用者的两个手臂水平延伸。根据本发明的一个实施例，人体上臂辅助装置可以包括：支撑连杆1、旋转连杆2、臂连杆3、臂连接器4、臂带5、万向节6、基部支架7、背带8、力发生器9、鲍登拉索10和控制模块11。支撑连杆1的上端部设有与支撑连杆1同轴支撑的滑轮，该滑轮还连接到旋转连杆2的一端。臂连杆3可拆卸地连接到旋转连杆2，并且其总长度可通过对准设置在其上的不同孔组来调节。在一个示例实施例中，臂连杆3的一端与臂连接器4同轴连接，因此臂连杆3和臂连接器4能够相对于彼此旋转。臂连接器4可通过臂带5附接到人的上臂。在一实施例中，支撑连杆1的下端连接到万向节6，而允许在各个方向自由运动的万向节6可以固定在基部支架7上。基部支架7的长度和宽度可调，通过背带8可附接在使用者身上。力发生器9被配置为通过鲍登缆绳10驱动设置在支撑连杆1上的滑轮。当力发生器9拉动鲍登缆绳10时，滑轮旋转旋转连杆2并向肩关节提供辅助扭矩以提升或支撑手臂。在一些实施例中，控制模块11耦合到力发生器9，该力发生器9包括电池和控制器，其中电池用于为装置提供电能，控制器用于控制力发生器9的拉力。在一些实施例中，用于人体上臂辅助的装置可以是可由使用者佩戴的便携式装置。应当注意，实施例中描述的各个部件没有提及具体数量旨在便于描述，本领域的技术人员可以理解在不同的使用场景中具有一个或多个上述提及的部件/构件。在示例性配置中，用于人体上臂辅助的装置，除了其他部件外，包括：一个滑轮、一个支撑连杆1、一个旋转连杆2、一个臂连杆3、一个臂连接器4、一个臂带5和一个万向节6以辅助右臂或左臂运动。在另一示例性配置中，用于人体上臂辅助的装置包括：两个支撑连杆1、两个旋转连杆2、两个臂连杆3、两个臂连接器4、两个臂带5和两个万向节6，分别直接或间接连接在基部支架7的左侧或右侧。其中每个支撑连杆的上端部设有滑轮，控制模块11和力发生器9均设置在基部支架7上，力发生器9被配置为通过鲍登缆绳10驱动左滑轮和/或右滑轮以辅助右/左臂运动或双臂运动。在一些实施例中，该装置可以安装在使用者的背部，辅助支撑手臂并减少肩关节的肌肉疲劳。

在本实施例中，装置可以匹配肩关节的自由度，适应不同的手臂动作，包括手臂上提、自然下垂、水平伸展、越过头顶工作、双手到达同一位置的过头操作等，如图1-4所示，在一些实施例中，如图5所示，还可以在背带8和支撑连杆1设置弹性绳索12以保证支撑连杆1在预期范围内移动。

参考图6-10，示出了用于人体上臂辅助的装置的主要部分。在图6中，示出了根据本公开的实施例的支撑连杆的特写透视图。在示例性实施例中，支撑连杆1包括：支撑块101、两个下板102a和102b、两个上板103a和103b、两个电缆护套连接件104a和104b以及上支撑块105。万向节6包括通用轴承601、轴承底座602和轴承端盖603。通用轴承601由轴承底座602和轴承端盖603固定。支撑连杆1的下端连接通用轴承601。轴承底座602安装在基部支架7的轴承支撑板711上。在该实施例中，支撑连杆的下端通过通用轴承联接到基部支架，这使得装置足够灵活以跟随手臂的大部分运动并允许滑轮109对准使用者肩关节的轴线。在一些实施例中，两个下板102a和102b一端分别固定在支撑块101上，另一端分别可拆卸地连接到两个上板103a和103b。两个下板102a和102b以及两个上板103a和103b的总长度可通过对准设置在其上的不同孔组来调节。固定在上支撑块105上的两个电缆护套连接件104a和104b被配置为分别连接上板103a和103b。在一些实施例中，如图7所示，由左侧壳体106和右侧壳体107覆盖的滑轮109通过轴110和轴承111联接到支撑连杆1的上板103a和103b，并由其支撑。在该实施例中，滑轮109可以通过螺钉固定到旋转连杆2，并且可以通过将鲍登缆绳一端卡接在小孔中来将鲍登缆绳10连接到滑轮109。在一些实施例中，角度编码器108可以被提供附接在轴110的一端。

与支撑连杆1一起工作的是旋转连杆2和基部支架7。旋转连杆2连接到由支撑连杆1支撑的滑轮109。支撑连杆1的下端通过如上述实施例中所示的万向节6连接到基部支架7。参考图8和图9，基部支架7可包括背板701、底部连接件702、下管支撑件703、下管704、上管705、上管支撑件706、上板707、L形连接件708a、708b、708c、708d、主支撑板709、弯曲板710和轴承支撑板711。在示例性实施例中，背板701附接到背带8。如图9所示，下管支撑件703通过底部连接件702固定到背板701。下管704安装在下管支撑件703上并与上管705相连，上管705进一步被配置以通过上管支撑件706支撑上板707。主支撑板709通过L形连接件708a和708b固定在上板707，其中力发生器9可以安装在主支撑板709上。弯曲板710通过L形连接件708c和708d安装到主支撑板709。在一些实施例中，弯曲板710通过螺钉连接到轴承支撑板711。

参考图10，其示出了根据本公开的力发生器的优选实施例的特写透视图，其中保护壳被隐藏。在本实施例中，力发生器9可以包括电动机901、滚珠丝杠902、底板903、滑块904、滑轨905、滚轮906、滚轮底座907、两个线缆连接件908、L形底座909，两个弹簧910和911，以及滑动件912。电动机901和滚珠丝杠902固定在底板903上作为原动机。滑块904安装在滑轨905上并可随之移动。出线鲍登缆绳1001的一端固定在滑块904上，另一端连接滑轮109。回线鲍登缆绳1002的一端也固定在滑块904上，另一端连接滑轮109。滚轮906固定在滚轮底座907上以引导回线鲍登缆绳1002的方向。两个线缆连接件908固定在L形底座909上用于线缆连接。两个弹簧910和911设置在滚珠丝杠902的滑动件912与滑块904之间。在操作中，力发生器拉动鲍登缆绳并使滑轮109驱动臂连杆构件，从而在使用者的肩关节处帮助使用者支撑手臂，在本实施例中，鲍登缆绳上的力可以通过控制弹簧910和911的变形来确保。

现在参考图11，其示意性地示出了根据本发明的力发生器的控制原理。在示例性实施例中，控制模块11包括电池和控制器。电池被配置为向传感器系统和力发生器9供应电能。传感器系统被配置为检测使用者的信息并且进一步将检测到的信息提供给控制器。控制器被配置为基于由传感器系统检测到的使用者的信息来产生并向力发生器9提供控制信号。传感器系统可以设置有一个或多个集成到装置中的传感器。一个或多个传感器可以包括角度传感器(例如，旋转编码器108)、速度传感器、加速度计或力传感器等。控制器也可以包括使用者输入界面，通过该输入界面，使用者可以选择工作模式或非工作模式。在工作模式下，力发生器9被配置为拉动线缆10并向使用者的肩关节提供辅助扭矩。一般情况下，力发生器9被配置为当手臂垂直于躯干抬起时，拉动线缆10并向使用者的肩关节提供最大的辅助扭矩。然而，应当理解，力发生器9能够根据使用者的实际操作需求向手臂处于任意位置的使用者的肩关节提供最大的辅助扭矩。在一示例实施例中，力发生器被配置为当手臂抬起至高于垂直于躯干的水平位置的某一位置工作时，向使用者的肩关节提供最大的辅助扭矩。在另一示例实施例中，力发生器被配置为当手臂下垂至低于垂直于躯干的水平位置某一位置工作时，向使用者的肩关节提供最大的辅助扭矩。在非工作模式下，力发生器9被配置为让鲍登缆绳10跟随手臂的运动，从而手臂可以在几乎没有约束的情况下自由移动。力发生器9可以包括液压缸、电动机、气动系统或任何其他能够拉动鲍登缆绳10并驱动滑轮109的致动器。在示例性实施例中，尽管由于需要相对于彼此移动力发生器的部件而可能存在一些残余的(尽管最小)的抵抗扭矩，一个或多个传感器与控制器进行通信以在工作模式和非工作模式之间切换力发生器。

根据涉及人体一只或两只手臂相对于身体的复杂运动的实际物理任务，本公开的装置可用于辅助左/右臂运动或双臂运动。支撑连杆通过万向节安装在基部支架上，使装置具有足够的灵活性，可以跟随手臂的大部分运动，并且允许滑轮与使用者肩关节的轴线对齐。基部支架通过位于腰部位置的背带连接到使用者的背部，从而将装置支撑在使用者的躯干上。设置在支撑连杆上端部的滑轮由支撑连杆同轴支撑，旋转连杆的一端与滑轮连接，另一端与使用者的上臂连接，并且与手臂同步运动。力发生器固定在靠近使用者腰部的基部支架上，并且被配置为在操作时(例如使用者抬起或保持手臂在一定角度)通过鲍登缆绳驱动滑轮。这样力发生器可以拉动鲍登缆绳，使滑轮带动臂连杆构件，从而在肩关节处产生辅助力矩帮助使用者支撑手臂。

转到参考图12-19，示出了用于人体上臂辅助的另一示例性装置，其在上臂和躯干之间提供扭矩以减少使用者肩关节的肌肉疲劳。该装置可包括手臂连杆21、躯干连杆23、基部支架24、肩关节铰链25、扭矩发生器26、背带27和鲍登缆绳28以辅助使用者的右臂或左臂运动或双臂运动。手臂连杆21可以通过臂带22联接到使用者的上臂。躯干连杆23可以固定在基座支架24上。肩关节铰链25可旋转地联接在手臂连杆21和躯干连杆23之间，并且当装置处于安装状态时，肩关节铰链25平行于使用者的肩关节布置。在肩关节铰链25内部设置有滑轮252。扭矩发生器26可以固定在基部支架24上。基部支架可以通过背带27连接到使用者的躯干。扭矩发生器26被配置为通过鲍登缆绳28驱动肩关节铰链25内的滑轮252。在操作中，扭矩发生器26在手臂连杆21和躯干连杆23之间提供抵抗扭矩，手臂连杆21对上臂施加向上的拉力从而减少使用者肩关节的力矩负担。扭矩发生器26被配置为当手臂垂直于躯干抬起时提供最大的辅助扭矩，但当手臂接近自然下垂位置时提供的扭矩几乎为零。这样，使用者在举起手臂进行头顶工作时会得到很好的帮助，但在休息手臂或进行其他日常活动时会感到舒适。应当注意，实施例中描述的各个部件没有提及具体数量旨在便于描述，本领域的技术人员可以理解在不同使用场景中具有一个或多个上述提及的部件/构件。在一示例性配置中，如图12所示，提供了根据本公开的用于辅助人体上臂、辅助一个手臂伸展的示例装置。在这种配置中，该装置包括一个手臂连杆21、一个躯干连杆23、一个肩关节铰链25，以辅助右臂或左臂的运动。在另一示例性配置中，如图13和14所示的人体上臂辅助装置用于辅助两臂水平伸展。该装置包括两个手臂连杆21、两个躯干连杆23和两个肩关节铰链25以辅助双臂。两个扭矩发生器26可以设置在基部支架24上以分别通过鲍登缆绳28驱动左右肩关节铰链25。可以预期，这种配置的装置也可以用于辅助左/右臂运动。在一些实施例中，如图14所示，弹性绳索29可以附接在背带27和躯干连杆23之间以确保躯干连杆在预期范围内移动。

参考图15，其示出了根据本公开的实施例的人体上臂辅助装置的躯干连杆的立体图。躯干连杆23可包括两个上支撑杆231、缆线连接件232、两个下支撑杆233、下连接件234、通用轴承235、轴承底座236和下板237。在该实施例中，两个上支撑杆231与肩关节铰链25可旋转地连接。缆线连接件232固定在上支撑杆231上以连接鲍登缆绳28。两个下支撑杆233分别可操作地连接到两个上支撑杆231，并且其相对的位置可调整以适应不同的高度要求。下连接件234连接在下支撑杆233和通用轴承235之间。轴承底座236固定在下板237上并且被配置为支撑通用轴承235。下板237连接到基部支架24的弯曲板241。在一实施例中，下板237与弯板241的相对位置可调，以适应不同的宽度要求。肩关节铰链25可由铰链保护壳251覆盖。如图16中更详细的描述，其示出了根据本公开的实施例的肩关节铰链的透视图，其中隐藏了铰链保护壳。肩关节铰链25主要包括滑轮252，该滑轮252连接在手臂连杆21和躯干连杆23之间。在一实施例中，滑轮252通过螺钉固定到手臂连杆21，并且通过轴和轴承与躯干连杆23的上支撑连杆231可旋转地连接。鲍登缆绳28的一端可以卡接在滑轮252上的小孔中，而另一端可以连接到扭矩发生器26。

参考图17，其示出了根据本公开实施例的装置的基部支架的透视图，其中隐藏了扭矩发生器、躯干连杆和背带。基部支架24可包括一个或两个弯曲板241、两个L形连接件242、安装板243、S形连接件244和背板245。一个或两个弯曲板241被配置为连接一个或多个两个躯干连杆23。弯曲板241经由两个L形连接件242固定在安装板243上。在一些实施例中，安装板243和弯曲板241的相对位置是可调的以适应不同的宽度要求。扭矩发生器6也可以安装在安装板243上。安装板243经由S形连接件244连接到背板245，背板245附接到可供使用者穿戴的背带27。

参考图18，其示出了根据本公开的实施例的扭矩发生器的透视图，其中其前壳被隐藏。扭矩发生器26包括：偏心轮261、滑轮支架262、前壳(未示出)、后壳263、鲍登拉索264和266、端盖265、缆线连接件267、压缩弹簧268、下壳269、上壳2610和滚轮2611。偏心轮261通过轴和轴承与滑轮支架262可旋转地连接。滑轮支架262固定在前壳和后壳263上。264的一端卡在偏心轮261的小孔中，另一端固定在端盖265上。鲍登拉索266也卡在偏心轮261的小孔中，但并未与鲍登拉索264连接，鲍登拉索266的另一端经由缆线连接件267连接到肩关节铰链25的滑轮252。端盖265被配置为压缩压缩弹簧268，其圆柱结构可以引导压缩弹簧268的运动。端盖265和压缩弹簧268可以沿着由下壳269限定的空腔滑动。鲍登拉索264和266由滚轮2611引导，滚轮2611集成在上壳2610中。在一些实施例中，该装置还包括弹性绳索，其一端连接到鲍登拉索264，而另一端连接到装置上的某些固定点以拉紧缆绳。

现在参考图19，其示意性地示出了根据本公开实施例的用于人体上臂辅助的装置的扭矩发生器的工作原理。当使用者的手臂抬起至几乎平行于躯干时，鲍登拉索266的力臂比鲍登拉索264的力臂小得多。然而，在这种情况下，压缩弹簧268没有被压缩，鲍登拉索的力264基本上等于一个很小的预紧力，从而使装置的辅助力矩很小。当使用者的手臂靠近垂直于躯干的位置时，鲍登拉索264和266的力臂几乎相等，因此力鲍登拉索266的扭矩接近压缩弹簧268的压缩力，可以提供大的辅助扭矩来辅助使用者的肩关节。当使用者的手臂放下时，接近自然下垂位置时，压缩弹簧268将被完全压缩。然而，鲍登拉索266的力臂比鲍登拉索264的力臂大得多，因此鲍登拉索266的力几乎为零从而使用者可以自由地移动手臂。

在该实施例中，装置同样可以用于辅助使用者的左/右臂运动或双臂运动。手臂连杆通过臂带与使用者的上臂相连，扭矩发生器和躯干连杆固定在基部支架上，基部支架可以通过背带与使用者的腰部相连。躯干连杆通过通用轴承连接到基部支架，这使得该装置足够灵活，可以跟随手臂的大部分运动，并允许肩关节铰链内的滑轮与使用者肩关节的轴线对齐。当装置处于安装状态时，肩关节铰链平行于使用者的肩关节放置，可旋转地连接手臂连杆和躯干连杆。扭矩发生器通过鲍登缆绳驱动肩关节铰链内的滑轮。在操作中，扭矩发生器在手臂连杆和躯干连杆之间提供抵抗扭矩，手臂连杆对上臂施加向上的拉力，从而减少肩关节的力矩负荷。偏心轮在使用中随上臂移动，偏心轮的偏心度限定一预定范围，在该预定范围内施加了相对较大的抵抗扭矩。当手臂垂直于躯干抬起时，扭矩发生器提供最大的辅助扭矩，但当手臂接近自然下垂位置时提供几乎为零的扭矩。使用者在举起手臂进行头顶工作时会得到很好的辅助，并且在休息或进行其他日常活动时也会感到舒适。

本公开的各种实施例涉及用于人体上臂辅助的装置，其中使用鲍登缆绳将力传递到肩关节。力发生器，可以是力可控的致动器，放置在人的背部位置并且不随手臂移动。人体肩部结构小巧轻便，仅包含一个滑轮和安装在支撑连杆构件上的薄壳。当使用者需要帮助时，力发生器会拉动鲍登缆绳并驱动滑轮旋转联接到使用者手臂的臂连杆构件，从而为肩关节提供辅助扭矩以减少肌肉疲劳。因此，肩关节附近的结构可以小而轻，并且可以避免力产生构件随手臂一起移动而导致的能量损失。此外，扭矩发生器在手臂垂直于躯干抬起时提供最大的辅助扭矩，而在手臂接近自然下垂位置时几乎为零扭矩，从而让使用者在日常活动中感到自由。

应当注意，在此用于描述各种实施例的术语“示例性”及其变体旨在表明此类实施例是可能的示例、代表或说明可能的实施例(并且此类术语并不旨在暗示这样的实施例必然是非同寻常或最优例子)。还应当注意，本文中使用的术语“大约”和“基本上”意在具有广泛的含义，与本披露的主题所涉及的本领域的普通技术人员的共同和公认用法一致。

此处使用的术语“或”以其包含的意义(而非排他的意义)使用，因此当用于连接列表时元素中，术语“或”表示列表中的一个、部分或全部元素。除非另外特别说明，例如，“X、Y和Z中的至少一个”可以理解为表达的元素是：X、Y、Z；X和Y；X和Z；Y和Z；或X、Y和Z(即X、Y和Z的任意组合)。因此，除非另有说明，否则这样的连词一般不旨在暗示某些实施例需要至少一个X、至少一个Y和至少一个Z各自存在。

尽管已经参考示例性实施例或多个实施例描述了本公开，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以做出各种改变并且可以用等同物替代其元素。此外，在不脱离本公开的实质范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适应本公开的教导。因此，本公开不限于作为预期用于执行本公开的最佳方案而公开的特定实施例，而是本公开将包括落入权利要求范围内的所有实施例。

Claims (31)

1.一种用于辅助使用者上臂的装置，包括：

支撑机构，所述支撑机构被配置以将所述装置支撑在所述使用者的躯干上；

臂连杆构件，所述臂连杆构件可操作地连接到所述上臂；

接合构件，所述接合构件联接所述臂连杆构件和所述支撑机构，其中所述装置在使用中将负载从所述上臂通过所述接合构件传递到所述躯干；和

力产生构件，所述力产生构件被布置在所述支撑机构上并且被配置为在所述臂连杆构件和所述支撑机构之间提供抵抗扭矩，其中所述力产生构件被配置为在所述上臂运动的预定范围内施加相对较大的抵抗扭矩并在所述预定范围之外施加相对较小的抵抗扭矩。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述上臂运动的所述预定范围包括所述上臂垂直于所述躯干的情况。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述力产生构件被配置为当所述上臂垂直于所述躯干抬起时提供最大的抵抗扭矩。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述力产生构件被配置为当所述上臂处于自然下垂位置时基本上不施加力。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其中，所述接合构件能够旋转地连接到所述臂连杆构件和所述支撑机构，并且在所述装置处于安装状态时平行于所述使用者的肩关节布置。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其中，所述力产生构件是扭矩发生器，所述扭矩发生器包括偏心轮，其中所述偏心轮在使用中随所述上臂移动，所述偏心轮的偏心度限定所述预定范围。

7.根据权利要求6中任一项所述的装置，其中，所述扭矩发生器包括一个或多个弹簧，用于调节所述抵抗扭矩的大小。

8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述力产生构件为力发生器，所述力发生器包括用于产生所述抵抗扭矩的液压缸、电动机或气动系统。

9.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其中，所述力产生构件被配置为使用一根或多根鲍登缆绳在所述接合构件处施加所述抵抗扭矩。

10.根据权利要求8所述的装置，进一步包括：

传感器系统，所述传感器系统被配置为检测所述使用者的信息；和

控制模块，所述控制模块被配置为基于由所述传感器系统检测到的所述使用者的信息产生控制信号，并将所述控制信号提供给所述力发生器。

11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述传感器系统与所述控制模块通信以控制至少以下方面：在所述力发生器产生抵抗扭矩的工作模式和所述力发生器不产生抵抗扭矩的非工作模式之间切换所述力发生器，并且在所述工作模式下，所述力发生器能够被配置为当所述上臂相对于所述躯干处于任意位置时提供最大的抵抗扭矩。

12.根据权利要求10所述的装置，其中，所述传感器系统包括角度传感器、速度传感器、力传感器和加速度计中的一个或多个。

13.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其中，所述臂连杆构件的长度是可调节的。

14.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其中，所述支撑机构通过背带安装在所述使用者的背部上，在所述背带和所述支撑构件之间设置有弹性绳索。

15.一种用于辅助使用者的至少一个上臂的装置，包括：

支撑机构，所述支撑机构被配置为将所述装置支撑在所述使用者的躯干上并且包括：

基部支架；和

分别连接于所述基部支架的两个支撑连杆构件；

两个臂连杆构件，所述两个臂连杆构件分别可操作地连接到所述上臂；

两个接合构件，所述两个接合构件分别与所述两个臂连杆构件和所述两个支撑连杆构件联接，其中所述装置在使用时将负载从所述上臂通过所述两个接合构件传递到所述躯干；以及

至少一个力产生构件，所述至少一个力产生构件布置在所述基部支架上并被配置为在每个所述臂连杆构件和所述支撑机构之间提供抵抗扭矩，其中所述至少一个力产生构件被配置为在所述上臂运动的预定范围内施加相对较大的抵抗扭矩并在所述预定范围之外施加相对较小的抵抗扭矩。

16.根据权利要求15所述的装置，其中所述上臂运动的所述预定范围包括所述上臂垂直于所述躯干的情况。

17.根据权利要求16所述的装置，其中，所述至少一个力产生构件被配置为当所述上臂垂直于所述躯干抬起时提供最大的抵抗扭矩。

18.根据权利要求15所述的装置，其中，所述至少一个力产生构件被配置为当所述上臂处于自然下垂位置时基本上不施加力。

19.根据权利要求15-18中任一项所述的装置，其中，所述接合构件能够旋转地连接到所述臂连杆构件和所述支撑机构，并且当所述装置处于安装状态时平行于所述使用者的肩关节布置。

20.根据权利要求15-18中任一项所述的装置，其中，所述至少一个力产生构件中的每一个是扭矩发生器，所述扭矩发生器包括偏心轮，其中所述偏心轮在使用中随着所述上臂移动，所述偏心轮的偏心度限定所述预定范围。

21.根据权利要求20中任一项所述的装置，其中，每个所述扭矩发生器包括一个或多个弹簧，用于调节所述抵抗扭矩的大小。

22.根据权利要求15所述的装置，其中，所述至少一个力产生构件中的每一个是力发生器，所述力发生器包括用于产生所述抵抗扭矩的液压缸、电动机或气动系统。

23.根据权利要求15-18中任一项所述的装置，其中，所述至少一个力产生构件被配置为使用一根或多根鲍登缆绳在所述接合构件处施加所述抵抗扭矩。

24.根据权利要求22所述的装置，进一步包括：

传感器系统，所述传感器系统被配置为检测所述使用者的信息；和

控制模块，所述控制模块被配置为基于由传感器系统检测到的所述使用者的信息产生控制信号并将所述控制信号提供给所述至少一个力发生器。

25.根据权利要求24所述的装置，其中，所述传感器系统与所述控制模块通信以控制至少以下方面：在所述力发生器产生抵抗扭矩的工作模式和所述力发生器不产生抵抗扭矩的非工作模式之间切换所述至少一个力发生器；并且在所述工作模式下，所述至少一个力发生器能够被配置为当所述上臂相对于所述躯干处于任意位置工作时提供最大的抵抗扭矩。

26.根据权利要求24所述的装置，其中，所述传感器系统包括角度传感器、速度传感器、力传感器和加速度计中的一个或多个。

27.根据权利要求15-18中任一项所述的装置，其中，每个支撑连杆构件的长度是可调节的和/或每个臂连杆构件的长度是可调节的。

28.根据权利要求15-18中任一项所述的装置，其中，每个支撑连杆构件通过通用轴承联接到所述基部支架。

29.根据权利要求15-18中任一项所述的装置，其中，所述支撑构件机构被配置为通过所述基部支架支撑所述装置，并且在操作过程中，所述基部支架通过背带附接到使用者的背部。

30.根据权利要求29所述的装置，其中，在所述背带和所述两个支撑连杆构件之间的设置有弹性绳索。

31.一种用于辅助使用者的至少一个上臂的装置，包括：

至少一个臂连杆构件，所述至少一个臂连杆构件可操作地连连接到所述使用者的所述上臂；

基部支架，所述基部支架可操作地连接到所述使用者的躯干；

至少一个支撑连杆构件，所述至少一个支撑连杆构件旋转地固定在所述基部支架上；

至少一个接合构件，所述至少一个接合构件分别与所述至少一个臂连杆构件和所述至少一个支撑连杆构件联接，其中所述装置在使用中将负载从所述上臂通过所述至少一个接合构件传递到所述使用者的所述躯干；和

至少一个力产生构件，所述至少一个力产生构件布置在所述基部支架上并且被配置为分别在所述至少一个臂连杆构件和所述至少一个支撑连杆构件之间提供抵抗扭矩，其中所述至少一个力产生构件被配置为施加在所述上臂运动的预定范围内施加相对较大的抵抗扭矩并且在所述预定范围之外施加相对较小的抵抗扭矩。

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