一种穿戴式无源上肢助力外骨骼假肢

本发明属于可穿戴助力设备，具体涉及一种穿戴式无源上肢助力外骨骼假肢。

背景技术：

1、在建筑装修、汽车装配、设配维修等众多作业领域，操作人员需要长时间保持双手抬举作业，会给他们的颈部、肩部、背部以及上肢肌肉和关节造成很大的负担，进而降低作业质量，影响作业效率，引发肌肉骨骼损伤相关疾病，疲劳作业甚至会出现重大事故。

2、无源上肢外骨骼假肢因其不需要外接动力源，在医疗康复、工业生产以及军事装配等领域被广泛应用，尤其是可穿戴式上肢外骨骼假肢不仅可以极大程度上帮助作业人员减少肌肉负荷，缓解上肢肌肉疲劳，还能保证操作人员很少受到外骨骼假肢限制，高自由度的完成相关工作。

3、现有可穿戴式无源上肢外骨骼假肢主要存在以下缺陷：1.结构较为复杂，特别是背部支撑及助力机构的结构比较复杂，质量重，穿戴不便，不同体型人穿戴时需要进行肩宽和高度等多步调节才能适配穿戴者，不支持多自由度穿戴调节，且结构复杂带来的重量问题增加了穿戴者的负荷，穿戴体验感不好；2.助力系统通常由驱动组件和相关的机械结构组成，驱动组件多为弹性元件，如拉伸弹簧、流体弹簧、涡卷弹簧和气体弹簧等，这些弹性驱动元件常与拉绳、拉带等部件相连接进行驱动，在力的传递过程中，由于组件间弹性接触传力或因部件间的摩擦也会导致能量损耗和衰减；3.助力调节较为困难，调节阻力大，多需要借助外界工具来调节弹簧的预紧力，调节操作复杂费力；4.助力机构多设置在腰部，力传导需要由腰部传递至臂部，增加了力传导过程中的消耗；5.背部支撑结构与人体的自然曲线贴合性不好，导致穿戴时不够舒适，较大限制穿戴者上肢活动自由度，影响人机关系和使用效果。

4、因此，有必要设计一款结构简单、调节方便、穿戴舒适、高自由度的穿戴式无源上肢助力外骨骼假肢。

技术实现思路

1、要解决的技术问题：

2、为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种穿戴式无源上肢助力外骨骼假肢，至少解决现有技术中无源上肢外骨骼假肢存在的结构复杂，穿戴不便，助力大小调节需要借助外部工具且调节费力的问题。

3、本发明的技术方案是：一种穿戴式无源上肢助力外骨骼假肢，包括穿戴于腰部的腰部支撑组件，穿戴于肩部、与腰部支撑组件通过绑带连接的肩部支撑组件，两个对称设于背部两侧、连接腰部支撑组件和肩部支撑组件的背部支撑组件，两个对称安装于两侧背部支撑组件上端部的助力装置，以及两个对称穿戴于双臂、与助力装置的支撑臂连接的臂部支撑组件；其中，

4、所述腰部支撑组件包括位于后腰部的腰部支撑板，所述腰部支撑板的两侧相对于中心位置水平对称设有两个固定座，用于支撑背部支撑组件；

5、所述背部支撑组件为l形可伸缩杆，整体竖直设置，其下端与固定座球面铰接，其上端水平外翻，上端的端部与助力装置的壳体铰接；背部支撑组件靠近上端处与肩部支撑组件弹性限位连接。

6、所述助力装置包括壳体，壳体内平行转动安装有第一转轴和第二转轴；s形的涡卷弹簧套于两个转轴，其一端芯部与第一转轴同轴固定连接，另一端芯部与第二转轴同轴固定连接；棘轮与第一转轴同轴固定连接；棘爪安装于壳体内壁，位于棘轮一侧，用于和棘轮啮合；支撑臂可伸缩，其一端与第二转轴固定连接，另一端安装臂部支撑组件；所述第一转轴的一端贯通壳体侧壁外露出壳体，其外露端用于旋拧调整涡卷弹簧的预紧力，进而调整支撑臂的支撑力度。

7、本发明的进一步技术方案是：所述涡卷弹簧的两端芯部均设有一段平面结构的安装部，分别用于和第一转轴、第二转轴固定连接；所述第一转轴和第二转轴的径向均设有和所对应涡卷弹簧芯部安装部相匹配的卷簧固定槽，所述安装部插装固定于所对应的卷簧固定槽。

8、本发明的进一步技术方案是：所述壳体包括壳身和盖合于壳身敞口端的壳盖；所述第一转轴、第二转轴均垂直贯穿壳盖，且与壳盖转动连接；所述壳身内壁设有第一转轴支撑套和第二转轴支撑套，分别用于转动支撑第一转轴和第二转轴。

9、本发明的进一步技术方案是：所述棘轮与第一转轴防转固定连接，棘轮靠近壳盖内壁，位于壳盖与涡卷弹簧之间；所述棘爪转动安装于壳盖内壁，棘爪一侧的壳盖内壁安装有固定柱，弹簧一端与固定柱连接，另一端与棘爪面向固定柱的侧壁连接，所述弹簧用于弹性牵制棘爪；所述棘爪面向壳盖一侧固定有滑杆，所述滑杆贯穿壳盖，所述壳盖上对应设有用于滑杆穿过的腰形孔，通过滑杆沿腰形孔滑动用于解除棘爪与棘轮的啮合状态。

10、本发明的进一步技术方案是：所述支撑臂包括内支撑臂和外支撑臂；所述内支撑臂的一端与第二转轴防转固定连接，其另一端与外支撑臂可调节伸缩连接；

11、所述内支撑臂的一端为叉头状结构，包括平行设置的内撑板和外撑板，内撑板和外撑板位于壳盖内外两侧，内撑板端部设有通孔套装于第二转轴外径，外撑板端部设有一字条形孔与第二转轴外端部的一字形第二凸块防转固定套接；

12、所述内支撑臂另一端设有弹性可按压的第二调节按钮，所述外支撑臂沿轴向一字排列设置多个和第二调节按钮相匹配的通孔，内支撑臂的第二调节按钮所在端嵌入外支撑臂内，通过第二调节按钮卡接入外支撑臂的不同通孔，用于内支撑臂和外支撑臂的伸缩调节。

13、本发明的进一步技术方案是：所述壳盖内壁设有两个止动条，两个止动条沿第二转轴径向设置，对称位于第一转轴和第二转轴的轴心所在面的两侧，且二者夹角为140°；两个止动条用于限制内撑板的转动范围，进而限定支撑臂的支撑力度调节范围。

14、本发明的进一步技术方案是：所述肩部支撑组件包括肩部包裹和前、后绑带，所述肩部包裹为整体式双肩背带结构，覆盖穿戴者背部、肩部和胸部，肩部包裹位于背部区域的下端通过后绑带与腰部支撑板中间外壁连接，肩部包裹位于两侧胸部区域的下端均通过前绑带分别与腰部支撑板对应侧的内壁连接；所述前、后绑带均设有调节扣，用于调节适配长度。

15、本发明的进一步技术方案是：所述背部支撑组件包括内撑杆和外撑杆；所述内撑杆竖直设置，其下端部为球状，与固定座球面铰接；其上端设有弹性可按压的第一调节按钮；所述外撑杆同轴套接于内撑杆上端，外撑杆对应设有与第一调节按钮匹配的一组通孔，通过调整第一调节按钮卡接入外撑杆不同通孔，用于二者的伸缩调节；所述外撑杆上端水平外翻，其端部设有接头，用于和助力装置的壳体铰接。

16、本发明的进一步技术方案是：所述外撑杆上端设有限位环；弹性绑带的一端固定于肩部包裹，位于背部区域靠近肩部的外侧边缘处；弹性绑带的另一端穿过限位环与弹性绑带的固定端通过尼龙搭扣粘贴固定，用于将外撑杆弹性限位于弹性绑带形成的弹性圈内。

17、本发明的进一步技术方案是：所述臂部支撑组件包括臂部支撑板和臂部绑带，所述臂部支撑板为扇形板，与外支撑臂远离内支撑臂一端固定连接；所述臂部绑带的一端与臂部支撑板沿扇形周向的一侧固定，另一端缠绕于穿戴者臂部，并通过尼龙搭扣与臂部绑带的固定端粘接，用于将臂部支撑板与穿戴者臂部固定。

18、有益效果

19、本发明的有益效果在于：本发明一种穿戴式无源上肢助力外骨骼假肢，设有腰部支撑组件、肩部支撑组件、背部支撑组件、助力装置及臂部支撑组件，其中各佩戴部位尺寸均可根据穿戴者形体需求自由调节，包括腰部穿戴的松紧度，臂部穿戴的松紧度，腰部支撑板与肩部包裹的距离，均可通过各自的绑带方便调节，满足不同操作者及不同作业任务需求，保证穿戴者的舒适度。

20、左右背部两侧对称设置的背部支撑组件通过调节按钮可伸缩调节，以匹配不同佩戴者对助力装置与腰部支撑板之间距离的要求。背部支撑组件的内撑杆下端与固定座球面铰接，同时，外撑杆上端通过弹性绑带与肩部包裹弹性限位连接，该结构配合方式一方面球面铰接设计结构增加了背部支撑组件的活动自由度，另一方面弹性绑带的弹性限位又在保证背部支撑组件不脱离有效活动范围；使得安装于背部支撑组件上端的助力装置具有更灵活的自由度，进而使安装于助力装置支撑臂的臂部支撑组件获得更灵活的空间自由度，从而保证穿戴人员上肢在作业状态下可以多个自由度活动，不会因穿戴设备而受到限制。同时，该结构使得对于不同肩宽的佩戴者无需再调整两个助力装置的间距，通过背部支撑组件下端与腰部支撑板的球面铰接结构即可自适应实现。

21、本发明助力装置可自由调节助力大小，无需借助外接工具。通过使用s形涡卷弹簧，利用s形涡卷弹簧两端旋向相反的结构特点，将涡卷弹簧一端芯部与第一转轴同轴固定连接，另一端芯部与第二转轴同轴固定连接，通过正向旋拧第一转轴，涡卷弹簧两端收缩，带动第二转轴反向旋转，从而通过涡卷弹簧的预紧力给支撑臂相应支撑力度。相比于同样直径大小的圆形涡卷弹簧，本发明s形涡卷弹簧使得助力范围增加一倍，在使用者将外骨骼假肢调节至同样的助力大小时，s形涡卷弹簧比等径圆形涡卷弹簧更加省力，更加安全，人手即可轻松调节；同时，本发明助力装置位于穿戴者肩部位置，且与臂部支撑组件通过支撑臂刚性连接，减小了力传导过程中的消耗。

22、本发明通过止动条限制内撑板的转动范围，其中上止动条限制支撑臂的支撑力度最大值，下止动条定位涡卷弹簧松弛状态下的支撑臂位置，上、下止动条夹角140°，将支撑臂转动范围限制在第一转轴和第二转轴所在面的上、下70°之间，从而避免了支撑臂转动角度过大对穿戴者上肢造成损伤，但又不影响穿戴者在工作区域的自由活动。

23、本发明结构简单，组件少，自由度更高，穿戴及助力调整方便，腰部支撑板、臂部支撑板、背部支撑组件的内撑杆和外撑杆、支撑臂的内支撑臂和外支撑臂均采用合金材料，在保证支撑强度的同时，具有重量轻的特点。