一种外骨骼穿戴式肩部助力装置的制作方法

1.本发明涉及外骨骼技术领域，具体说是一种外骨骼穿戴式肩部助力装置。


背景技术：

2.随着社会发展，社会开始逐渐步入老龄化，在一些如建筑、装修等行业自动化程度不高，需要大量体力劳动参与的场景里，又或者需要长时间保持托举姿势作业的场景里，中老年劳动者比例仍然占较高水平。这些劳动者由于年龄较大，体力有限，参与的工作体力又消耗较大，容易出现体力透支等现象，长时间工作后影响身体健康，轻则降低工作效率，严重则威胁生命安全。
3.机械外骨骼是一种在体外的辅助人体助力的设备。目前，外骨骼逐渐从医疗康复领域往工业领域发展。外骨骼根据功能分类可分为肩部助力外骨骼、腰部助力外骨骼以及负重外骨骼等。根据动力源分类可分为动力外骨骼和无源外骨骼，动力外骨骼通过设计电机或气缸等可实现较大的助力，但体积较大，舒适性较差，在上述场景不适用；无源外骨骼使用储能元件如弹簧、弹力带等元件实现助力。由于人体身体构造的原因，在抬升手臂时，不管手臂处于任何位置都是费力的，当手臂抬起尤其在手臂上有工具或者重物时，长时间后肩部肌肉容易出现疲劳。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明提供一种无需外部动力驱动、穿戴方便、通过简单机械结构实现对人体手臂提供恒定向上的支撑力的外骨骼穿戴式肩部助力装置。
5.本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种外骨骼穿戴式肩部助力装置，包括穿戴组件、助力组件和手臂支撑组件，所述穿戴组件包含设有腰部固定板的腰带，所述助力组件包括空心式的支撑杆、设于支撑杆内底部的压簧和拉绳，所述支撑杆一端活动连接固定于腰部固定板上的底座，所述支撑杆另一端与转接块支点转动相连，所述压簧远离支撑杆内底部的一端与齿条抵触相连，所述齿条与支撑杆上的齿轮相啮合，且所述齿轮一端和槽轮同轴相连，所述拉绳缠绕在槽轮和调节块上做闭环运动，所述调节块通过设于转接块一端的第一调节器的调节滑动于转接块内滑槽一，所述转接块将助力组件产生的助力传递给另一端连接的手臂支撑组件。
6.作为优选，所述手臂支撑组件包括连接杆，所述连接杆一端与连接于转接块的链节或钢弹片固定，所述连接杆另一端通过支撑环固定于穿戴者的手臂。
7.作为优选，所述链节包括数个h型关节和数个i型关节，每个h型关节和每个i型关节交错串联并通过销钉固定。
8.作为优选，所述转接块包括拼接的两个镜像零件，所述滑槽一设有两个，且两个滑槽一呈对称设置设于两个镜像零件相对一侧。
9.作为优选，所述穿戴组件还包含有两个肩带，所述肩带的首端和尾端分别连接于腰带的前部和后部，所述肩带和腰带上均设有至少一组卡扣。
10.作为优选，所述滑槽一与转接块支点的连线和手臂支撑组件平移至转接块支点处与转接块支点的连线成夹角设置，且所述转接块上沿滑槽一方向设有助力刻度。
11.作为优选，所述腰带后部设有供底座滑动的滑槽二，所述底座通过紧固件固定于滑槽二内。
12.作为优选，所述支撑杆一端通过球头关节或铰链与底座活动连接，所述支撑杆另一端通过关节轴承与转接块转动相连，所述压簧初始状态长度和齿条长度之和等于或小于支撑杆长度。
13.作为优选，所述支撑杆为圆柱形空心伸缩杆,且齿条贴合支撑杆面对应为圆形，所述拉绳为钢丝绳，所述第一调节器为调节螺栓。
14.作为优选，所述助力组件和手臂支撑组件均均设为两组，且均以脊椎为中线对称设于两侧。
15.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
16.1、本发明利用压簧作为储能元件为人体手臂提供恒定支撑力，不需要任何动力源，通过简单的机械结构实现对人体手臂提供恒定向上的支撑力，降低工人劳动强度，同时结构采用仿生学，本方案可满足人体手臂在任何范围内都能自由活动不产生束缚感且不影响助力效果，实现外骨骼灵活、舒适以及实用性；
17.2、本发明链节或钢弹片特殊的结构设计可以跟随手臂任意角度摆动，实现水平方向任意弯曲，且竖直方向受力不变形并对压簧压力进行传递，持续保持受到向上的支撑力。
18.3、本发明穿戴组件通过多组卡扣进行连接，可根据不同人体体型进行调节，满足不同身高体型穿戴，分别对穿戴者腰部、肩部及胸部进行贴合，并通过与支撑杆相连的底座在滑槽二上的滑动，使助力组件进一步贴合穿戴者，有利于稳定提供助力；
19.4、本发明调节块通过第一调节器的调节滑动于转接块内滑槽一，从而调节压簧端力臂距离，并通过助力刻度的设置，可以精准为对应手臂提供不同大小的助力；
20.5、本发明通过手臂运动带动钢丝绳动，从而带动同轴相连的槽轮与齿轮保持同步旋转运动，旋转的齿轮与齿条啮合使得齿条进行上下运动，实现压簧助力的传递。
附图说明
21.图1为本发明的穿戴示意图；
22.图2为本发明的部分结构示意图；
23.图3为本发明助力组件部分结构示意图；
24.图4为本发明转接块与链节的连接示意图；
25.图5为压簧提供助力示意图。
具体实施方式
26.下面将结合图1-5详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
27.一种外骨骼穿戴式肩部助力装置，其包括穿戴组件、均以脊椎为中线对称设于两侧的两组助力组件5和两组手臂支撑组件3，所述穿戴组件包含设有腰部固定板6的腰带2，所述助力组件包括空心式的支撑杆13、设于支撑杆内底部的压簧17和拉绳20，所述支撑杆
一端通过球头关节16或铰链活动连接固定于腰部固定板上的底座14，所述支撑杆另一端与转接块支点26通过关节轴承转动相连，具体的支撑杆为可以调节高度的圆柱形空心伸缩杆，所述压簧远离支撑杆内底部的一端与齿条19抵触相连，所述齿条与支撑杆上的齿轮15相啮合，且所述齿轮一端和槽轮28同轴相连，所述拉绳缠绕在槽轮和调节块25上做闭环运动，齿条贴合支撑杆面对应为圆形，可以实现齿条在支撑杆内的导向，且压簧初始状态长度和齿条长度之和等于或小于支撑杆长度，齿轮始终不和压簧相抵触，本方案中的拉绳采用钢丝绳，所述调节块通过设于转接块7一端的第一调节器18的调节滑动于转接块内滑槽一24，所述滑槽一与转接块支点的连线和手臂支撑组件平移至转接块支点处与转接块支点的连线成夹角设置，夹角设计的目的是使手臂完全放下时，压簧力臂为0，且所述转接块上沿滑槽一方向设有助力刻度，第一调节器为调节螺栓，本方案利用杠杆原理f1*l1＝f2*l2，以支撑杆为轴，在无任何动力源的情况下利用压簧作为储能元件为人体手臂提供恒定支撑力，转接块将助力组件产生的助力传递给另一端连接的手臂支撑组件，支撑手臂臂长固定，第一调节器通过调节块在滑槽一的滑动调节压簧端力臂距离，并通过助力刻度的设置，可以精准进行助力大小的调节，从而为对应手臂提供不同大小的助力。
28.手臂支撑组件包括连接杆21，所述连接杆一端与连接于转接块的链节8或钢弹片22固定，所述连接杆另一端通过支撑环9固定于穿戴者1的手臂4，链节包括数个h型关节10和数个i型关节11，每个h型关节和每个i型关节交错串联并通过销钉12固定，设计链节的作用在于链节在垂直方向可传递力的同时不影响关节水平旋转，也就是链节可以跟随手臂任意角度摆动，在摆动的同时一直受到向上的支撑力。相同的，多段h型关节和i型关节通过销钉串联组成的链节可替换成由一块或多块薄的钢弹片组成的柔性关节，钢弹片具有和链节一样的优点，水平方向可任意弯曲，竖直方向受力不变形可对压簧助力进行传递，从而实现外骨骼灵活、舒适以及实用性。
29.转接块包括拼接的两个镜像零件23，所述滑槽一设有两个，且两个滑槽一呈对称设置设于两个镜像零件相对一侧。
30.穿戴组件还包含有两个肩带27，所述肩带的首端和尾端分别连接于腰带的前部和后部，所述肩带和腰带上均设有至少一组卡扣，腰带后部设有供底座滑动的滑槽二，所述底座通过紧固件固定于滑槽二内，紧固件可采用螺钉，穿戴组件通过多组卡扣进行连接，可根据不同人体体型进行调节，满足不同身高体型穿戴，分别对穿戴者腰部、肩部及胸部进行贴合，并通过与支撑杆相连的底座在滑槽二上的滑动，使助力组件进一步贴合穿戴者，有利于稳定提供助力。
31.人体手臂重量大概4kg左右，不同体型手臂重量会有所变化，设备利用杠杆原理f1*l1＝f2*l2，以支撑杆为支点，一端安装在手臂上，另一端连接压簧，压簧在受到力时产生压缩变形，力越大变形越大，由于手臂支撑组件与手臂绑在一起，手臂运动会通过钢丝绳带动与槽轮同轴相连的齿轮旋转，旋转的齿轮与齿条啮合使得齿条进行上下运动，当压簧处于自然状态下时，手臂支撑组件与支撑杆夹角大概为170
°
，当手臂向下运动时带动齿条向下运动，此时齿条对压簧产生压力使压缩变形压缩，同时手臂也受到一定的支撑力。由于手臂运动到不同位置所对应的力臂和压簧的力臂都发生改变，当手臂自然下垂时，手臂与支撑杆夹角大概成20
°
夹角，通过结构设计，使得压簧压缩达到最大，但此时压簧压力方向与支撑杆轴线基本在同一条线，力臂为0，此时对手臂基本不产生支撑力，产生的效果就是
当不需要工作的时候，手臂可自然放下，但随着手臂逐渐抬起，夹角逐渐增大，压簧力臂和手臂力臂也随之增大，但手臂力臂增大速度远大于压簧力臂，所以当手臂在下面摆动时，所需要的压簧力比较大，随着夹角增大对手臂的助力也逐渐增大，但此时压簧的形变不足以产生支撑手臂的力，所以手臂感受到的力比较小。当夹角达到40
°
，基本可以产生足够支撑手臂的支撑力，也就是说可以达到设定的支撑力，相当于手臂在20
°
至40
°
之间活动，产生的支撑力不足以支撑手臂的重量，所以感觉支撑力比较弱，因而基本不会产生束缚感，当夹角达到45
°
时，助力效果逐渐明显，当手臂在40
°
至170
°
时，虽然压簧的助力逐渐减小，但由于力臂随着变化，压簧对手臂的支撑力基本恒定，整个过程中压簧提供助力的大小如图5所示，其中x轴代表手臂与支撑杆夹角，y轴代表手臂支撑力。
32.在实施过程中，根据穿戴者体型的手臂长度，利用第一调节器带动调节块在滑槽一的滑动调节压簧端力臂距离，并通过助力刻度的设置，可以精准进行助力大小的调节，从而设定适合穿戴者手臂的支撑力，为对应手臂提供不同大小的助力，再穿戴好穿戴组件，并通过多组卡扣调整至贴合穿戴者的位置，最后通过底座在滑槽二的滑动，将与底座相连的助力组件固定在腰带后部腰部固定板匹配的位置，再根据工作者的需求抬升手臂支撑组件，从而利用压簧作为储能元件为人体手臂提供恒定向上的支撑力。
33.以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。