TWI828331B - 上肢外骨骼裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明係提供一種上肢外骨骼裝置，本發明使用凸輪、彈簧、齒輪組之複合式結構，可提供使用者手部助力，本發明可應用於穿戴型上肢外骨骼，結合具有彈性的脊柱、柔性綁帶，或穿在下腰部的短型顎式脊柱與髖關節外骨骼之組合一起使用，提供搬運重物工作者同時減輕上背部及下背部的負擔。
Description
本發明係與機械助力結構有關，特別係指一種用於外骨骼系統的上肢外骨骼裝置。
上肢外骨骼裝置用來輔助手臂之出力，以減輕上身肩胛部位盂肱關節處韌帶和肌肉的受力，又分成專門為了雙手常舉高在頭頂上方工作的上肢外骨骼裝置，以及專門為了雙手從下方抬起重物或搬運重物行走的上肢外骨骼裝置。
為了雙手舉高在上方工作而專門設計的上肢外骨骼裝置，其以剛性連桿機構連結在上身穿戴的剛性脊柱活動接頭處，延伸出來的連桿以臂套固定在手臂上，從盂肱關節至肘關結再延伸到腕關節，連桿之間的旋轉接頭有受控馬達供應的動力或是由彈簧提供的恢復力傳動連桿。
專門為了雙手從下方抬起重物或搬運重物行走的外骨骼裝置，因為穿戴者必須彎腰向下去提取物品，因此不能使用會限制上身彎曲運動的剛性脊柱，而以彈性脊柱支撐穿戴者之上身，其支撐力量由大腿經過髖關節外骨骼傳遞給彈性脊柱，只有穿戴這種彈性脊柱加髖關節的上身外骨骼改善了人體下背部腰肌的受力以及腰椎、間椎及髖關節等處的
受力矩，但是對於上背部肌肉的受力及盂肱關節的受力矩並無改善，因此，另需上肢外骨骼裝置來對應。
為了輔助雙手從下方抬起重物或搬運重物行走的上肢外骨骼裝置，因為沒有剛性脊柱作為支撐，所以需要使用柔性機構傳遞力量，目前已有M.Asgari等人論文發表的被動式彈性脊柱外骨骼使用此種凸輪輔具，其為一種線牽引凸輪-彈簧機構之被動式上肢外骨骼裝置，使用等力矩彈簧，彈簧之出力經過凸輪輪廓匹配盂肱關節在抬起重物改變姿勢中所受力矩來調節放大。等力矩彈簧之出力由端點固定於臂套的鋼線所牽引，因此在手臂伸展時，鋼線牽引的彈簧抵抗手臂之運動，從省力觀點來看反而無助益。
為改善先前技術之缺點，本發明係提供一種上肢外骨骼裝置，本發明使用凸輪、彈簧、齒輪組之複合式結構，可提供使用者手部助力，本發明可應用於穿戴型上肢外骨骼，結合具有彈性的脊柱、柔性綁帶，或穿在下腰部的短型顎式脊柱與髖關節外骨骼之組合一起使用，提供搬運重物工作者同時減輕上背部及下背部的負擔。
本發明係為一種上肢外骨骼裝置，係由一使用者背負，用以提供該使用者之手部補償助力，該上肢外骨骼裝置係包括：一背板，該背板上設有一拉線固定座、一捲線盤、一第一齒輪、一第二齒輪、一第二齒輪輸出盤、一儲存盤，該捲
線盤係捲繞一拉線、該拉線之一端通過至該拉線固定座並延伸至該使用者之手部，該捲線盤並具有一傳動帶凸輪，該第一齒輪與該第二齒輪相咬合，該第一齒輪具有一第一齒輪驅動盤，該第一齒輪驅動盤係繞設一第一傳動帶，該第一傳動帶之一端係連接至該傳動帶凸輪，該第二齒輪輸出盤係透過一輸出齒輪與該第二齒輪相咬合，該儲存盤與該第二齒輪輸出盤間係繞設一等力矩彈簧；其中該等力矩彈簧的彈力經由該傳動帶凸輪放大力矩，帶動該捲線盤，該拉線從該捲線盤伸出，經過該拉線固定座，而將該上肢外骨骼裝置之補償助力經由拉線傳遞到該使用者手部。
本發明之一實施例中，當使用者手部拉動該拉線時，該儲存盤中的該等力矩彈簧隨該拉線拉伸而轉入該第二齒輪輸出盤，由於第一齒輪的齒數大於第二齒輪，使用者拉動拉線所需的力量較小；當使用者手部縮回時，該等力矩彈簧縮回該儲存盤，拉線與等力矩彈簧之間的傳動帶凸輪、第一齒輪、第二齒輪之組成會放大該等力矩彈簧所提供之力矩，提供助力給使用者、以利使用者提起重物。
本發明之一實施例中，其中該第一齒輪之齒數係大於該第二齒輪之齒數。
本發明之一實施例中，其中該上肢外骨骼裝置可係兩組成對設置，分別對應該使用者之左手與右手補償助力需求，例如將兩組上肢外骨骼裝置左右對稱設置在一背板上，
讓使用者背負並提供雙手提物之助力。
本發明之一實施例中，該第一傳動帶係為皮帶、鋼帶或其他材質製成之撓性傳動帶。
本發明之一實施例中，該拉線係為鋼線、碳纖線、PE線、尼龍線或其他材質製成之傳動用線。
本發明之一實施例中，該捲線盤與該傳動帶凸輪具有一棘輪，該棘輪係用於使該捲線盤與該傳動帶凸輪結合共軸同轉，或使該捲線盤與該傳動帶凸輪分開。
以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本發明達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本發明的其他目的及優點，將在後續的說明及圖示中加以闡述。
10:上肢外骨骼裝置
11、21:背板
12、22:拉線固定座
13、23:捲線盤
131、231:傳動帶凸輪
14、24:第一齒輪
141:第一齒輪驅動盤
141A:第一傳動帶
15、25:第二齒輪
151、251:第二齒輪輸出盤
16、26:儲存盤
161:等力矩彈簧
17、27:拉線
18、28:頂部固定板
181:固定柱
19:背部束帶固定座
圖1係為本發明之上肢外骨骼裝置實施例分解示意圖。
圖2係為本發明之上肢外骨骼裝置實施例組合示意圖。
以下係藉由特定的具體實例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點與功效。
本發明之上肢外骨骼裝置實施例分解示意圖如圖1所示，該實施例10具有兩組對稱設置之上肢外骨骼裝置，
供使用者背負以提供使用者手部助力，該實施例係包括：背板11，該背板上設有拉線固定座12、二捲線盤13、二第一齒輪14、二第二齒輪15、二第二齒輪輸出盤151、二儲存盤16；其中該捲線盤13為雙層式設計，一層為圓形盤，一拉線17之一端固定並捲繞於該圓形盤，該拉線之另一端通過至該拉線固定座12，進而延伸至一使用者之手部(圖未示)，該捲線盤13另一層為一傳動帶凸輪131；該第一齒輪14與該第二齒輪15相咬合、且該第一齒輪14之齒數大於該第二齒輪15之齒數，該第一齒輪14疊加設置一第一齒輪驅動盤141、兩者為同步旋轉之一整體元件，該第一齒輪驅動盤141並繞設第一傳動帶141A，該第一傳動帶141A之另一端係連接並繞設該傳動帶凸輪131，該第二齒輪輸出盤151本身具有一共軸同轉之輸出齒輪，該第二齒輪輸出盤151係透過該輸出齒輪與該第二齒輪15相咬合；該儲存盤16與該第二齒輪輸出盤151間係繞設一等力矩彈簧161；該實施例並具有一頂部固定板18，係用於將上述各元件透過複數固定柱181固定於該背板11上，同時保護該些元件；該實施例之背板另一側(朝向使用者一側)可設置一以上背部束帶固定座19，用以容置背帶(圖未示)以利使用者背負該實施例之上肢外骨骼裝置。
本發明之一實施例中，該拉線之一端除可直接固定於該捲線盤之圓形盤側壁、使其捲繞於圓形盤上，亦可將該拉線一端先固定於一繞線圈上，再將繞線圈固定於該捲線盤
之圓形盤側壁，如圖1之實施例所示。
本發明之一實施例中，該第二齒輪輸出盤之輸出齒輪齒數與該第二齒輪相同。
本發明之上肢外骨骼裝置實施例組合示意圖如圖2所示，該實施例使用等力矩彈簧來補償使用者肩部受到的重力及提舉負荷造成之力矩，等力矩彈簧設置在該儲存盤26與該第二齒輪輸出盤251間，在該實施例中，該等力矩彈簧的力經由傳動帶凸輪231放大力矩、帶動捲線盤23，拉線27從捲線盤23伸出，經過背板21上方(相當於使用者肩部上方)的拉線固定座22(用於引導拉線的方向)，而將補償的力量經由拉線27傳遞到使用者手臂，並同時將儲存盤中的等力矩彈簧全部轉入該第二齒輪輸出盤251中重複使用。第一齒輪24(與一第一齒輪驅動盤共軸同轉)與第二齒輪25相當於一個減速齒輪組，等力矩彈簧藉由該第二齒輪輸出盤驅動該第一齒輪與第二齒輪組成的減速齒輪組，使其增倍力矩之輸出，使用者手臂縮回時或手臂等長施力時，則起到增倍助力的效果。頂部固定板28將上述各元件固定於該背板21上，同時保護該些元件。
本發明屬於一種線牽引凸輪-彈簧機構之被動式上肢外骨骼裝置，以拉線(例如鋼線)牽引等力矩彈簧，該等力矩彈簧之出力經過凸輪輪廓匹配盂肱關節，在抬起重物改變姿勢中所受力矩來調節放大，該彈簧的力經由凸輪放大力矩，帶動捲線盤，拉線從捲線盤伸出，經過肩部上方的導座(拉線
固定座)，而將補償的力量傳遞到手臂，當重複上臂及前臂彎曲動作時，肩部牽引盂肱關節肌肉在伸展/內收或等長收縮時降低施力。
本發明之一實施例中，係以使用者肩部作為整套上肢外骨骼作用力及力矩的支撐點，加入凸輪及彈簧作為被動式線牽引上肢外骨骼之機構設計，在這種機構的設計，主要是針對手部運動及肩部所承受之力矩優化凸輪之輪廓形狀。在手臂伸展連續動作提取下方物體時，藉由拉線帶動凸輪旋轉，由凸輪之輪廓放大反作用力，再帶動第二齒輪輸出盤與儲存盤旋轉、以傳動使彈簧得以儲能，使用者提舉重物往上時，手臂被拉線牽引縮回，彈簧恢復力拉回拉線、牽引手臂，當重複上臂及前臂彎曲動作時，肩部牽引盂肱關節肌肉在伸展/內收或等長收縮時降低施力。
本發明之一實施例中，使用者抬(提)起物品時，手臂收縮回來，捲線盤之旋轉方向與伸展手臂時旋轉方向相反，傳動帶凸輪與捲線盤成結合狀態，當等力矩彈簧從第二齒輪輸出盤經由第一傳動帶傳動凸輪，凸輪與捲線盤共軸同轉，使等力矩彈簧出力經由端點固定於臂套的拉線所牽引至手臂，提供助力，減少盂肱關節之受力。
本發明之一實施例中，使用者抬(提)舉著物體移動時，需手臂維持著等長狀態下出力，傳動帶凸輪與捲線盤結合成為一體，雙向都能一起旋轉的位置，傳動帶凸輪與捲線盤
共軸同轉，由等力矩彈簧出力，在兩個方向牽引著鋼線出力，輔助使用者的手臂施力提舉物體。
本發明之一實施例中，該捲線盤與該傳動帶凸輪係為可分離/結合之設計，例如使用一棘輪來使捲線盤與該傳動帶凸輪結合而共軸同轉、或者使兩者分開，捲線盤與該傳動帶凸輪分開時，使用者即無法利用本發明之上肢外骨骼裝置提供助力。
本發明之一實施例中，使用者伸展手臂之動作，牽引到彈簧輸出盤(第二齒輪輸出盤)，等力矩彈簧透過本發明之齒輪組放大其彈力、伸出，並分別各自保持在儲存盤和第二齒輪輸出盤兩部分中，收縮手臂時，牽引到該第二齒輪輸出盤，使等力矩彈簧移動回儲存盤，彈簧移動量等同於手臂運動之收縮量。
本發明之一實施例中，使用者上身向前、向下彎曲時，上肢伸直拉長拉線，拖動凸輪的力臂愈短、抗力矩減少，便於抬起下方物體，上肢彎曲拉線縮短，拖動凸輪的力臂愈長、恢復力矩增加，並運用齒輪組之傳動力矩比等於齒輪減速比之反比，以小齒輪連接髖關節輸出軸，以大齒輪連接凸輪軸，使抗力矩減少倍數，恢復力矩增加倍數。本發明之傳動帶凸輪為半月形凸輪，藉以滿足上述之拉伸、縮回兩個動作，凸輪力臂長度不同之需求。
本發明在使用者手臂彎曲(上臂與身體軀幹有夾
角或/及前臂與上臂有夾角)時，因上臂肘關節與盂肱關節距離縮短，以及上臂肘關節與前臂腕關節距離縮短，拉線牽引凸輪輪距增加，使等力矩彈簧生成力矩增加產生大的助力，使抬舉重物超過胸線時比搬運重物在胸線下方時更省力，以及從地面抬或提起重物時再使彈簧力不影響手臂伸展之動作。
本發明之上肢外骨骼裝置係可作為一獨立裝置，讓使用者透過背帶背負在身上使用，亦可與其他全身式、半身式(上身)外骨骼結合使用。本發明之上肢外骨骼裝置結構為被動式之設計，原則上不需額外動力源即可使用，惟本發明所屬領域中具有通常知識者，亦可依需求增設動力源(如步進馬達)取代等力矩彈簧，提供更強的輔助力量。
藉此，本發明透過線牽引、等力矩彈簧與凸輪機構等設計，使穿戴者於搬運過程中達到省力效果。本發明使用齒輪傳動設計，使手臂伸展時，等於抗力矩較小，反向等力矩彈簧不被鋼線所牽引，因此手臂之運動未受彈簧抵抗，可解決先前技術遭遇之問題。本發明可結合具有彈性的脊柱、柔性綁帶、或穿在下腰部的短型顎式脊柱與髖關節外骨骼一起使用，提供搬運重物工作者同時減輕上背部及下背部的負擔。本發明可適用於軍民用領域各種具動力的外骨骼裝置，如裝配生產線、物流、砲彈搬運等工作或產業均可應用，亦可用於醫療輔具、復健器材等民生用途，具有高運用彈性。
上述之實施例僅為例示性說明本發明之特點及
其功效，而非用於限制本發明之實質技術內容的範圍。任何熟習此技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
10:上肢外骨骼裝置
11:背板
12:拉線固定座
13:捲線盤
131:傳動帶凸輪
14:第一齒輪
141:第一齒輪驅動盤
15:第二齒輪
151:第二齒輪輸出盤
16:儲存盤
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Claims (6)
- 一種上肢外骨骼裝置，係由一使用者背負，用以提供該使用者之手部補償助力，該上肢外骨骼裝置係包括：一背板，該背板上設有一拉線固定座、一捲線盤、一第一齒輪、一第二齒輪、一第二齒輪輸出盤、一儲存盤，該捲線盤係捲繞一拉線、該拉線之一端通過至該拉線固定座並延伸至該使用者之手部，該捲線盤並具有一傳動帶凸輪，該第一齒輪與該第二齒輪相咬合，該第一齒輪具有一第一齒輪驅動盤，該第一齒輪驅動盤係繞設一第一傳動帶，該第一傳動帶之一端係連接至該傳動帶凸輪，該第二齒輪輸出盤係透過一輸出齒輪與該第二齒輪相咬合，該儲存盤與該第二齒輪輸出盤間係繞設一等力矩彈簧；其中該等力矩彈簧的彈力經由該傳動帶凸輪放大力矩，帶動該捲線盤，該拉線從該捲線盤伸出，經過該拉線固定座，而將該上肢外骨骼裝置之補償助力經由拉線傳遞到該使用者手部。
- 如請求項1所述之上肢外骨骼裝置，其中該第一齒輪之齒數係大於該第二齒輪之齒數。
- 如請求項1所述之上肢外骨骼裝置，其中該上肢外骨骼裝置係兩組成對設置，分別對應該使用者之左手與右手補償助力需求。
- 如請求項1所述之上肢外骨骼裝置，其中該第一傳動帶係為皮帶、鋼帶或其他材質製成之撓性傳動帶。
- 如請求項1所述之上肢外骨骼裝置，其中該拉線係為鋼線、碳纖線、PE線、尼龍線或其他材質製成之傳動用線。
- 如請求項1所述之上肢外骨骼裝置，其中該捲線盤與該傳動帶凸輪具有一棘輪，該棘輪係用於使該捲線盤與該傳動帶凸輪結合共軸同轉，或使該捲線盤與該傳動帶凸輪分開。
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- 2022-09-23 TW TW111136449A patent/TWI828331B/zh active
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