CN210361297U - 上肢气压助力装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种上肢气压助力装置，包括基础框架、臂杆、气压缓冲容器和臂杆支撑构件，所述臂杆支撑构件由一端开口的柱形筒、位于柱形筒内的活塞以及与活塞固接的活塞杆构成，所述活塞杆从开口处插入到柱形筒内并可沿柱形筒滑动；所述气压缓冲容器与柱形筒连通，所述柱形筒的底部与基础框架铰接，所述活塞杆与臂杆铰接；所述臂杆以活塞杆与臂杆的铰接点为界分成两段，所述臂杆上设有用于支撑手臂的前臂垫，所述臂杆与基础框架还通过绳索或连杆连接。该装置能够大幅度降低长时间举起重物及长时间重复性动作带来的对人类肌肉与骨骼的伤害，并且提高了人的工作效率。

Description

上肢气压助力装置

技术领域

本实用新型涉及一种上肢气压助力装置，具体涉及一种可穿戴式的上肢气压助力的外骨骼机器人装置。

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，且传统的外骨骼助力装置也存在刚度差，不能托举重物的问题。

发明内容

本实用新型要解决技术问题是：提供一种能够大幅度降低长时间举起重物及长时间重复性动作对人类肌肉与骨骼带来造成伤害的上肢气压助力装置。

为了解决上述技术问题，本实用新型提出的技术方案是：一种上肢气压助力装置，包括基础框架、臂杆、气压缓冲容器和臂杆支撑构件，所述臂杆支撑构件由一端开口的柱形筒、位于柱形筒内的活塞以及与活塞固接的活塞杆构成，所述活塞杆从开口处插入到柱形筒内并可沿柱形筒滑动，所述臂杆、臂杆支撑构件各有两个且分别一一相对应，所述基础框架上用于佩戴在人体上的佩戴构件；所述气压缓冲容器与柱形筒连通，所述柱形筒的底部与基础框架通过球形关节铰接，所述活塞杆与臂杆铰接；所述臂杆以活塞杆与臂杆的铰接点为界分成两段，其中远离基础框架的一段臂杆为第一臂杆，靠近基础框架的一段臂杆为第二臂杆，所述第一臂杆上设有用于支撑手臂的前臂垫，所述第二臂杆与基础框架之间通过绳索连接。

本实用新型中，基础框架上的肩带和腰带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，用于方便背负基础框架。所述前臂垫采用塑性材料，起到固定手臂，使支撑力精准地作用在手臂上。

本实用新型可以通过调整背架的长度，以适应不同人的腰部高度。在使用时，将两个手臂固定到前臂垫上，调整柱形筒（球形关节可使柱形筒朝任意方向转动，从而保证了臂杆的自由度）的角度使两活塞杆分别位于人体的两手臂外侧，气压缓冲容器充气从而提供支撑力，该支撑力作用于活塞杆，最终通过活塞杆带动臂杆作用于人的手臂，将上肢负重分担至人体的髋部，使得人双臂的负担大大降低，进而起到提供助力的效果，这样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。本实用新型具有安全系数高，减负效果好，助力支持大，人机融合，运动灵活方便等优点。

与其他同类技术相比，本实用新型通过采用气动装置，不但结构简单、轻便、安装维护方便，而且输出速度大，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，同时气缸技术有良好的缓冲性，对冲击负载和负载过载具有较强的适应能力。另外，气压缓冲容器可以使活塞杆上下运动的过程中，气体压力的变化尽可能减少，提供的助力就更加均匀，使佩戴者获得更好的体验感。

为了便于使用、存放和及时补充柱形筒内的气体，所述气压缓冲容器上设有充气口，所述充气口处设有单向阀。单向阀可防止压缩空气逆向流动，保护气泵同时保证气压，这样在充气时可以采用电源驱动的气泵，电源上电后气泵开始工作，压缩空气通过单向阀进入气压缓冲容器，然后进入两侧活塞杆的柱形筒，进而在两侧做往复运动的过程中，起到分担重量的作用，以此为人体提供持续助力。使用者在穿戴外骨骼设备将双手高于肩膀工作时，会产生竖直向下方向的作用力，这样根据工作量调节气压缓冲容器内的压缩空气的量，将手部的重力通过前臂垫分担到活塞杆上，以此减少使用者的肌肉负担。为了准确控制，在柱形筒内安装气压传感器，通过气压传感器可以得到柱形筒内的准确气压。

上述技术方案的进一步改进是：所述第二臂杆的中部设有沿臂杆长度方向延伸的滑槽，所述滑槽的底部设有沿臂杆长度方向延伸的条形孔，所述滑槽内设有可沿滑槽移动的销柱，所述绳索远离基础框架的一端穿过条形孔后与销柱固接。当佩戴者的双手下垂，不需要助力支撑的时候，柱销会向杠杆支撑点位置滑动，根据杠杆原理，对于双手提供的助力会瞬间降低，便于双手自然的下垂，使佩戴者更加舒适，进而减轻人体的肌肉负担，起到省力的作用。

优选的，还包括由相互铰接的两个连接件构成的双层旋转结构，其中一个连接件与基础框架铰接，另外一个连接件设有通孔，所述绳索贯穿该通孔。双层旋转结构用于对绳索进行限位，使设备闲置搁放时结构不混乱。

另外，本实用新型还提供了另一种结构形式的上肢气压助力装置，包括基础框架、臂杆、气压缓冲容器和臂杆支撑构件，所述臂杆支撑构件由一端开口的柱形筒、位于柱形筒内的活塞以及与活塞固接的活塞杆构成，所述活塞杆从开口处插入到柱形筒内并可沿柱形筒滑动，所述臂杆、臂杆支撑构件各有两个且分别一一相对应，所述基础框架上用于佩戴在人体上的佩戴构件；所述气压缓冲容器与柱形筒连通，所述柱形筒的底部与基础框架通过球形关节铰接，所述活塞杆与臂杆铰接；所述臂杆以活塞杆与臂杆的铰接点为界分成两段，其中远离基础框架的一段臂杆为第一臂杆，靠近基础框架的一段臂杆为第二臂杆，所述第一臂杆上设有用于支撑手臂的前臂垫，所述第二臂杆的中部设有沿臂杆长度方向延伸的滑槽，所述滑槽内设有可沿滑槽移动的销柱，所述销柱与基础框架之间设有连杆，所述连杆的一端与销柱铰接，所述连杆的另一端与基础框架铰接。

优选的，所述滑槽的底部设有沿臂杆长度方向延伸的条形孔，所述连杆穿过该条形孔。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，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实用新型的某些实施例，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为本实用新型实施例的结构示意图。

图2是本实用新型实施例背面的示意图。

图3是绳索与臂杆连接的结构示意图。

附图标记：前臂垫1，臂杆2，活塞杆3，双层螺旋结构4，柱形筒5，气压缓冲容器6，中控盒7，基础骨架8，绳索9，气压导管10，销柱11，滑槽12，条形孔13，球形关节14。

具体实施方式

实施例一

本实施例的上肢气压助力装置如图1和图2所示，包括基础框架8、臂杆2、气压缓冲容器6和臂杆支撑构件，臂杆支撑构件由一端开口的柱形筒5、位于柱形筒5内的活塞（未示出）以及与活塞固接的活塞杆3构成，柱形筒5、活塞和活塞杆3构成一个类似气缸的结构。基础框架1为用于固定气压缓冲容器6的矩形骨架，基础框架1设有肩带、腰带和搭扣（图中未示出）等必要的用于佩戴在人体上的佩戴构件，基础框架上的肩带和腰带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，用于方便背负基础框架。

如图2所示，基础框架8上固定安装有十字支架，其中纵向支架用于固定气压缓冲容器6。基础框架8用于支撑各部件的空间位置，也方便使用者的携带与穿戴，起到固定结构的运用。

所述活塞杆3从开口处插入到柱形筒5内并可沿柱形筒5滑动，所述臂杆2、臂杆支撑构件各有两个且分别一一相对应；所述气压缓冲容器6与柱形筒5通过气压导管10连通，所述柱形筒5的底部与基础框架8通过球形关节14铰接形成球铰结构，可以实现双手的全方向跟踪，所述活塞杆3与臂杆2铰接；所述臂杆2以活塞杆3与臂杆2的铰接点为界分成两段，其中远离基础框架8的一段臂杆为第一臂杆，靠近基础框架8的一段臂杆为第二臂杆，所述第一臂杆上设有用于支撑手臂的前臂垫1，所述第二臂杆与一绳索9的一端连接，所述绳索9的另一端固定在基础框架8上，绳索9优选弹性绳。

在使用时，首先将基础框架8背负在人体上，然后将人体的两个手臂分别固定到前臂垫1上，调整柱形筒5（球形关节14可使柱形筒5朝任意方向转动，从而保证了臂杆的自由度）的角度使两活塞杆分别位于人体的两手臂外侧，气压缓冲容器充气从而提供支撑力，该支撑力最终通过活塞杆带动臂杆作用于人的手臂，即借由气压导管10将气压缓冲容器6的压力传递至手臂两侧，依靠活塞杆3为手臂提供助力，从而将上肢负重分担至人体的髋部，使得人双臂的负担大大降低，进而起到提供助力的效果。

当然，基础框架8也可以采用其他形式，比如采用X型背带，按照人体工学设计，用超宽肩带和超宽腰带平衡分担重量，穿戴更加便捷，人体负担大大降低。

本例中基础框架8、十字支架、臂杆2等均使用轻质的铝合金材料，所以重量较轻。上肢气压助力装置与人体背部间通过基础框架8上的肩带进行连接，借由腹部的搭扣进行固定。基础框架采用人体工学设计，与人体间存在间隙，形成气流通道，可以降低背部与设备直接接触所产生压力与闷热体验。

另外，为了便于使用与存放和及时补充气压缓冲容器6内的气体，气压缓冲容器6下方设有充气口，所述充气口处设有单向阀，单向阀可防止压缩空气逆向流动，保护气泵同时保证气压。基础框架8的下方设有中控盒7，电源、开关与气泵等均可设置在中控盒7内，充气时可以采用电源驱动的气泵，当然也可以采用独立外置的气泵，或者携带一个小型的压缩空气罐，等等。本实施例中，电源上电后气泵开始工作，压缩空气通过单向阀进入气压缓冲容器，然后进入两侧活塞杆的柱形筒5，进而在两侧做往复运动的过程中，起到分担重量的作用，以此为人体提供持续助力。使用者在穿戴上肢气压助力装置时若将双手高于肩膀工作时，会产生竖直向下方向的作用力，根据工作量调节气压缓冲容器6的压缩空气的量，将手部的重力通过前臂垫1分担到活塞杆3上，以此减少使用者的肌肉负担。为了提高控制精度，所述柱形筒5内安装有气压传感器，根据柱形筒5内的气压对气压缓冲容器6的压缩空气进行控制。

本实施例还可以作以下改进：如图1和图2所示，还包括由相互铰接的两个连接件构成的双层旋转结构4，其中一个连接件与基础框架8的横向支架铰接，另外一个连接件设有通孔，所述绳索9贯穿该通孔。这样在收纳时，可以通过双层旋转结构4对绳索9进行限位整理，以免太混乱。

实施例二

本实施例是在实施例一基础上的进一步改进，其改进之处在于：如图1-3所示，所述第二臂杆的中部设有沿臂杆2长度方向延伸的滑槽12，所述滑槽12的底部设有沿臂杆2长度方向延伸的条形孔13，所述滑槽12内设有可沿滑槽12移动的销柱11，所述绳索9远离基础框架8的一端穿过条形孔13后与销柱11固接。当佩戴者的双手下垂，不需要助力支撑的时候，柱销会向杠杆支撑点位置滑动，根据杠杆原理，对于双手提供的助力会瞬间降低，便于双手自然的下垂，使佩戴者更加舒适，进而减轻人体的肌肉负担，起到省力的作用。

实施例三

本实施例是在实施例二基础上的进一步改进，其改进之处在于：本实施例将实施例二中的绳索9替换为连杆，同时也不再需要双层旋转结构4，所述连杆的一端与销柱铰接，所述连杆的另一端与基础框架铰接。优选的，所述连杆穿过所述滑槽底部的条形孔。

本实用新型不局限于上述实施例所述的具体技术方案，除上述实施例外，本实用新型还可以有其他实施方式。对于本领域的技术人员来说，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等形成的技术方案，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种上肢气压助力装置，其特征在于：包括基础框架、臂杆、气压缓冲容器和臂杆支撑构件，所述臂杆支撑构件由一端开口的柱形筒、位于柱形筒内的活塞以及与活塞固接的活塞杆构成，所述活塞杆从开口处插入到柱形筒内并可沿柱形筒滑动，所述臂杆、臂杆支撑构件各有两个且分别一一相对应，所述基础框架上用于佩戴在人体上的佩戴构件；所述气压缓冲容器与柱形筒连通，所述柱形筒的底部与基础框架通过球形关节铰接，所述活塞杆与臂杆铰接；所述臂杆以活塞杆与臂杆的铰接点为界分成两段，其中远离基础框架的一段臂杆为第一臂杆，靠近基础框架的一段臂杆为第二臂杆，所述第一臂杆上设有用于支撑手臂的前臂垫，所述第二臂杆与基础框架之间通过绳索连接。

2.根据权利要求1所述的上肢气压助力装置，其特征在于：所述第二臂杆的中部设有沿臂杆长度方向延伸的滑槽，所述滑槽的底部设有沿臂杆长度方向延伸的条形孔，所述滑槽内设有可沿滑槽移动的销柱，所述绳索远离基础框架的一端穿过条形孔后与销柱固接。

3.根据权利要求1所述的上肢气压助力装置，其特征在于：所述气压缓冲容器设有充气口，所述充气口处设有单向阀。

4.根据权利要求3所述的上肢气压助力装置，其特征在于：所述柱形筒内安装有气压传感器。

5.根据权利要求1-4之任一项所述的上肢气压助力装置，其特征在于：还包括由相互铰接的两个连接件构成的双层旋转结构，其中一个连接件与基础框架铰接，另外一个连接件设有通孔，所述绳索贯穿该通孔。

6.一种上肢气压助力装置，其特征在于：包括基础框架、臂杆、气压缓冲容器和臂杆支撑构件，所述臂杆支撑构件由一端开口的柱形筒、位于柱形筒内的活塞以及与活塞固接的活塞杆构成，所述活塞杆从开口处插入到柱形筒内并可沿柱形筒滑动，所述臂杆、臂杆支撑构件各有两个且分别一一相对应，所述基础框架上用于佩戴在人体上的佩戴构件；所述气压缓冲容器与柱形筒连通，所述柱形筒的底部与基础框架通过球形关节铰接，所述活塞杆与臂杆铰接；所述臂杆以活塞杆与臂杆的铰接点为界分成两段，其中远离基础框架的一段臂杆为第一臂杆，靠近基础框架的一段臂杆为第二臂杆，所述第一臂杆上设有用于支撑手臂的前臂垫，所述第二臂杆的中部设有沿臂杆长度方向延伸的滑槽，所述滑槽内设有可沿滑槽移动的销柱，所述销柱与基础框架之间设有连杆，所述连杆的一端与销柱铰接，所述连杆的另一端与基础框架铰接。

7.根据权利要求6所述的上肢气压助力装置，其特征在于：所述滑槽的底部设有沿臂杆长度方向延伸的条形孔，所述连杆穿过该条形孔。

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