CN110181486A - 人体上半身外骨骼的手臂活动支架及人体上半身外骨骼 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种人体上半身外骨骼的手臂活动支架及人体上半身外骨骼，包括肩部摆臂、第一转轴和手部摆臂，第一转轴安装在位于背部后方的背部支架上，肩部摆臂转动安装在第一转轴上，肩部摆臂与手部摆臂连接，手部摆臂安装在手臂上，手部摆臂在躯干侧向上抬起或下降以带动肩部摆臂绕第一转轴转动。背部支架形成对肩部摆臂以及手部摆臂的支撑，手臂活动时带动手部摆臂转动，手部摆臂带动肩部摆臂转动。其中第一转轴和直立状态下的后背垂直或者近似垂直，因此手臂在躯干侧向上的转动会转换成肩部摆臂绕第一转轴的转动。手臂的转动平面与第一转轴的垂直度越高，手臂转动时受到阻力越小，因此第一转轴提供了手臂活动支架在人体侧向上转动自由度。

Description

人体上半身外骨骼的手臂活动支架及人体上半身外骨骼

【技术领域】

本发明涉及一种人体上半身外骨骼的手臂活动支架及人体上半身外骨骼，属于外骨骼领域。

【背景技术】

外骨骼是对人体起到外部支撑的一种机械装置，其中有一类手臂支架，其作用在于对手臂进行支撑。但是现有的手臂外骨骼的运行自由度设置非常不合理，导致手臂的活动非常僵硬，无法满足实际需求。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足而提供一种手臂活动更加灵活的人体上半身外骨骼的手臂活动支架及人体上半身外骨骼。

解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种人体上半身外骨骼的手臂活动支架，包括肩部摆臂、第一转轴和手部摆臂，第一转轴安装在位于背部后方的背部支架上，肩部摆臂转动安装在第一转轴上，肩部摆臂与手部摆臂连接，手部摆臂安装在手臂上，手部摆臂在躯干侧向上抬起或下降以带动肩部摆臂绕第一转轴转动。

本发明的有益效果为：

背部支架形成对肩部摆臂以及手部摆臂的支撑，手臂活动时带动手部摆臂转动，手部摆臂带动肩部摆臂转动。其中第一转轴和直立状态下的后背垂直或者近似垂直，因此手臂在躯干侧向上的转动会转换成肩部摆臂绕第一转轴的转动。手臂的转动平面与第一转轴的垂直度越高，手臂转动时受到阻力越小，因此第一转轴提供了手臂活动支架在人体侧向上转动自由度。尤其在手臂需要进行举高作业时，由手部摆臂对手臂进行支撑，适用于佩戴人员在需要一些较为极端动作下的长期作用。

本发明所述第一转轴与人体后背夹角为70°-90°。

本发明还包括第二转轴、第三转轴以及转动杆，第二转轴设置在肩部摆臂上，转动杆的一端绕第二转轴转动连接在肩部摆臂上，第三转轴设置在转动杆的另一端，手部摆臂绕第三转轴转动连接在转动杆上，第二转轴和第三转轴均相对第一转轴倾斜设置，且第三转轴相对第二转轴和第一转轴所在平面倾斜设置，肩部摆臂与手部摆臂通过转动杆连接。第二转轴和第一转轴所在平面为同时平行于第二转轴和第一转轴的平面。

本发明所述第二转轴垂直于第一转轴。

本发明所述手部摆臂上安装有臂向滑轨，臂向滑轨上滑接有臂向滑块，臂向滑块在臂向滑轨上滑动以在手臂轴向上移动，臂向滑块上安装有手臂固定件，手部摆臂通过手臂固定件安装在手臂上。

本发明所述背部支架上安装有肩向滑轨，手臂活动支架还包括肩部滑块，肩部滑块滑接在肩向滑轨上，肩部滑块在肩向滑轨上滑动以在两肩部之间移动，第一转轴安装在肩部滑块上，第一转轴通过肩部滑块安装在背部支架上。

本发明所述肩部滑块上设置有对肩部摆臂进行限位的限位件。

本发明所述限位件为与肩部滑块螺纹连接的调节螺母。

本发明所述手部摆臂内安装有齿轮机构，第三转轴与齿轮机构连接，第三转轴转动驱动齿轮机构对手部摆臂提供支撑力。

一种人体上半身外骨骼，包括手臂活动支架。

本发明的其他特点和优点将会在下面的具体实施方式、附图中详细的揭露。

【附图说明】

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

图1为本发明实施例人体上半身外骨骼的状态一(肩部滑块在肩向滑轨上移动前，转动杆绕第二转轴转动前，肩部摆臂绕第一转轴转动前)主视结构示意图；

图2为本发明实施例人体上半身外骨骼的状态二(肩部滑块在肩向滑轨上移动后，转动杆绕第二转轴转动前，肩部摆臂绕第一转轴转动前)主视结构示意图；

图3为本发明实施例人体上半身外骨骼的状态三(肩部滑块在肩向滑轨上移动后，转动杆绕第二转轴转动前，肩部摆臂绕第一转轴转动后)立体结构示意图；

图4为本发明实施例人体上半身外骨骼的状态三主视结构示意图；

图5为本发明实施例人体上半身外骨骼的状态三后视结构示意图；

图6为图5中X处放大结构示意图；

图7为本发明实施例的手臂活动支架的另一立体结构示意图(缺省手部摆臂)；

图8为本发明实施例人体上半身外骨骼的状态四(肩部滑块在肩向滑轨上移动后，转动杆绕第二转轴转动后，肩部摆臂绕第一转轴转动前)的主视结构示意图；

图9为本发明实施例人体上半身外骨骼的使用状态图。

【具体实施方式】

下面结合本发明实施例的附图对本发明实施例的技术方案进行解释和说明，但下述实施例仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其他实施例，都属于本发明的保护范围。

在下文描述中，出现诸如术语“内”、“外”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示方位或者位置关系仅是为了方便描述实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例：

参见图1-9，本实施例展示的一种人体上半身外骨骼，包括底盘支架A和手臂活动支架。手臂活动支架安装在底盘支架A上，底盘支架A与人体的脊柱或者腰部固定，由人体的脊柱或者腰部对手臂活动支架进行支撑，而手臂活动支架则与手臂进行连接，手臂活动时带动手臂活动支架活动，由手臂活动支架在手臂活动过程中对手臂进行支撑。

具体的，本实施例中底盘支架A与常规人体上半身外骨骼一致，也包括一背部支架。在其他实施例中，该背部支架可以直接与佩戴者背部的脊柱位置进行固定，由佩戴者背部的脊柱位置对背部支架进行支撑。

但在本实施例中，底盘支架A还可以包括一腰部支架，腰部支架与佩戴者腰部固定，背部支架则与腰部支架连接，由佩戴者腰部对腰部支架支撑，腰部支架对背部支架进行支撑，背部支架则位于人体背部的后方，背部支架不直接与人体的后背固定。腰部相比脊柱具有更好的承重能力，采用腰部支撑的方式对人体更加安全舒适，同时也更利于人体上半身外骨骼的长期佩戴。

本实施例中手臂活动支架包括肩部摆臂B1、第一转轴B2、手部摆臂B3、第二转轴B4、第三转轴B5、转动杆B6和肩部滑块B8。

手部摆臂B3上安装有的臂向滑轨B12，臂向滑轨B12上滑接有臂向滑块B7，臂向滑块B7上安装有手臂固定件B10。手臂活动支架使用时，手臂固定件B10和手臂绑定或者固定，手部摆臂B3通过手臂固定件B10安装在手臂上，同时臂向滑轨B12与手臂轴向平行或者大致平行，从而使臂向滑块B7在臂向滑轨B12上滑动过程中带动手臂在手臂自身轴向上产生位移。臂向滑轨B12与手臂轴向之间夹角在正常情况下不大于45°。

本实施例中，背部支架上安装有沿两肩部相对方向设置的肩向滑轨B9，肩部滑块B8滑接在肩向滑轨B9上。背部支架在使用时和腰部固定，因此肩向滑轨B9相对腰部的位置并不会变化。肩部滑块B8在肩向滑轨B9上作直线运动，且该运动朝向是两肩部的相对方向，即肩部滑块B8在肩向滑轨B9上滑动的同时是在两肩部之间移动。肩部滑块B8、肩部摆臂B1、转动杆B6、手部摆臂B3以及手臂固定件B10依次传动，因此手臂在向肩部两侧张开活动过程中可以通过手臂固定件B10传动至肩部滑块B8，带动肩部滑块B8沿两肩部的相对方向移动。因此肩部滑块B8在肩向滑轨B9上的滑动自由度提供了手臂活动的其中一个直线自由度。同理手臂带动臂向滑块B7在手部摆臂B3上沿臂向滑轨B12滑动时提供了手臂在手臂活动支架上的另一个直线自由度。

由于本实施例中肩向滑轨B9和肩部滑块B8的数量均为两个，且两个肩向滑轨B9沿脊柱对称设置，因此单个肩部滑块B8的活动范围被限制在脊柱和其中一个肩部之间。例如本实施例中人体直立情况下，肩向滑轨B9平行于地面，同时平行于脊柱一侧的人体背部。

第一转轴B2安装在肩部滑块B8上，第一转轴B2通过肩部滑块B8安装在背部支架上。肩部滑块B8在滑动过程中带动第一转轴B2一并沿肩向滑轨B9的轴向移动。肩部摆臂B1的其中一端转动安装在第一转轴B2上，第一转轴B2与人体的背部垂直或者大致垂直，因此肩部摆臂B1的转动平面大致平行或者平行于人体的后背平面。因此人体手臂在躯干侧向上转动时会带动肩部摆臂B1绕第一转轴B2转动。人体手臂在躯干侧向上转动时会进行上抬起或下降，此类一般均为难易度较高的作业动作，因此佩戴者在手部摆臂B3支撑作用下能够长时间进行操作难度大的作业，具有较高的应用价值。第一转轴B2相应提供了手臂活动的一个转动自由度。

考虑到人体后背弯曲，一般而言第一转轴B2与人体后背夹角为70°-90°。第一转轴B2与人体后背越接近垂直关系，手臂侧向转动时从第一转轴B2处受到的阻力越小。

第二转轴B4设置在肩部摆臂B1的另一端，转动杆B6的一端绕第二转轴B4转动连接在肩部摆臂B1上。由于第二转轴B4和第一转轴B2均是安装在肩部摆臂B1上，因此肩部摆臂B1不论如何绕第一转轴B2转动，第二转轴B4和第一转轴B2的相对位置始终不变。其中第二转轴B4相对第一转轴B2倾斜设置，因此转动杆B6绕第二转轴B4的转动平面和肩部摆臂B1绕第一转轴B2的转动平面始终不会重合，因此第二转轴B4能够提供手臂第二个转动自由度。

为了减少第二转轴B4和第一转轴B2在对手臂转动自由度贡献上的重复性，因此采用第二转轴B4垂直于第一转轴B2的设计是较为优化的方案。

第三转轴B5设置在转动杆B6的另一端，手部摆臂B3绕第三转轴B5转动连接在转动杆B6上。手部摆臂B3绕第三转轴B5则提供了手臂第三个转动自由度。与第二转轴B4和第一转轴B2的相对位置相似，第三转轴B5同样垂直于第二转轴B4。但是由于转动杆B6会绕第二转轴B4转动，因此第一转轴B2和第三转轴B5的位置会随转动杆B6绕第二转轴B4的转动过程产生变化。但是始终保持第三转轴B5相对第二转轴B4和第一转轴B2所在平面倾斜设置，第一转轴B2、第二转轴B4和第三转轴B5提供三个转动自由度。此处第二转轴B4和第一转轴B2所在平面为同时平行于第二转轴B4和第一转轴B2的平面。

当然在其他实施例中，第二转轴B4和第一转轴B2之间以及第三转轴B5和第二转轴B4之间并不需要严格垂直，只需要保证第二转轴B4和第一转轴B2相互倾斜，第三转轴B5和第二转轴B4相互倾斜，第三转轴B5和第一转轴B2相互倾斜，第一转轴B2、第二转轴B4和第三转轴B5不同时平行于同一平面，即可保证上述三个转动自由度。

肩部摆臂B1绕第一转轴B2转动，以及肩部滑块B8在肩向滑轨B9上滑动提供了第二转轴B4一个平移自由度和一个转动自由度，间接带动和手臂固定件B10绑定的手臂的转动和平移自由度。转动杆B6绕第二转轴B4转动、手部摆臂B3绕第三转轴B5转动以及臂向滑块B7在臂向滑轨B12上滑接三个自由度则使得手臂能够在以第二转轴B4为中心的一个立体空间范围内进行移动。第二转轴B4自身相对腰部的两个自由度叠加手臂相对第二转轴B4的三个自由度，使得手臂一共具有五个自由度，因此手臂活动十分连贯流畅，同时能够满足手臂几乎所有的动作，能够适用于很多需要长时间极端动作操作的场合，应用范围和场景更加丰富。五个自由度中缺省任一自由度均会造成手臂活动范围受到较大的限制，而再增加任一自由度便会造成与上述五个自由度中的若干个自由度重复，反而造成成本的不必要浪费。

手部摆臂B3内安装有齿轮机构，齿轮机构可以采用外骨骼中常规使用的现有的齿轮机构。第三转轴B5与齿轮机构连接，当手部摆臂B3绕第三转轴B5转动时，会带动齿轮机构内弹簧形变，从而驱动齿轮机构对手部摆臂B3提供支撑力。因此只要手部摆臂B3绕转动杆B6的转动角度不变情况下，手部摆臂B3内部齿轮机构对手部的支持力就是恒定不变的。

此外，肩部摆臂B1的转动角度反映了手臂在人体侧向上的抬高或下降高度，因此手臂带动肩部摆臂B1转动过大角度的情况下会使得手臂产生扭伤，为此肩部滑块B8上设置有对肩部摆臂B1进行限位的限位件。通过限位件对肩部摆臂B1的转动角度进行限制。

在本实施例中，限位件为与肩部滑块B8螺纹连接的调节螺母B11。调节螺母B11的中间开设有螺纹孔，螺纹孔的内壁处为内螺纹，调节螺母B11的外壁处则为外螺纹。通过对内螺纹转动控制调节螺母B11进出肩部滑块B8，肩部摆臂B1外延形成一个撞击板，撞击板位于肩部滑块B8内。参见图7，调节螺母B11伸入肩部滑块B8内时，肩部摆臂B1转动到一定角度使撞击板和调节螺母B11撞击，从而对肩部摆臂B1的转动角度进行限制。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于附图和上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (10)

1.一种人体上半身外骨骼的手臂活动支架，其特征在于：包括肩部摆臂、第一转轴和手部摆臂，第一转轴安装在位于背部后方的背部支架上，肩部摆臂转动安装在第一转轴上，肩部摆臂与手部摆臂连接，手部摆臂安装在手臂上，手部摆臂在躯干侧向上抬起或下降以带动肩部摆臂绕第一转轴转动。

2.根据权利要求1所述的人体上半身外骨骼的手臂活动支架，其特征在于：所述第一转轴与人体后背夹角为70°-90°。

3.根据权利要求1所述的人体上半身外骨骼的手臂活动支架，其特征在于：还包括第二转轴、第三转轴以及转动杆，第二转轴设置在肩部摆臂上，转动杆的一端绕第二转轴转动连接在肩部摆臂上，第三转轴设置在转动杆的另一端，手部摆臂绕第三转轴转动连接在转动杆上，第二转轴和第三转轴均相对第一转轴倾斜设置，且第三转轴相对第二转轴和第一转轴所在平面倾斜设置，肩部摆臂与手部摆臂通过转动杆连接。

4.根据权利要求3所述的人体上半身外骨骼的手臂活动支架，其特征在于：所述第二转轴垂直于第一转轴。

5.根据权利要求1所述的人体上半身外骨骼的手臂活动支架，其特征在于：所述手部摆臂上安装有臂向滑轨，臂向滑轨上滑接有臂向滑块，臂向滑块在臂向滑轨上滑动以在手臂轴向上移动，臂向滑块上安装有手臂固定件，手部摆臂通过手臂固定件安装在手臂上。

6.根据权利要求1所述的人体上半身外骨骼的手臂活动支架，其特征在于：所述背部支架上安装有肩向滑轨，手臂活动支架还包括肩部滑块，肩部滑块滑接在肩向滑轨上，肩部滑块在肩向滑轨上滑动以在两肩部之间移动，第一转轴安装在肩部滑块上，第一转轴通过肩部滑块安装在背部支架上。

7.根据权利要求6所述的人体上半身外骨骼的手臂活动支架，其特征在于：所述肩部滑块上设置有对肩部摆臂进行限位的限位件。

8.根据权利要求7所述的人体上半身外骨骼的手臂活动支架，其特征在于：所述限位件为与肩部滑块螺纹连接的调节螺母。

9.根据权利要求3所述的人体上半身外骨骼的手臂活动支架，其特征在于：所述手部摆臂内安装有齿轮机构，第三转轴与齿轮机构连接，第三转轴转动驱动齿轮机构对手部摆臂提供支撑力。

10.一种人体上半身外骨骼，其特征在于：包括如权利要求1-9任一权利要求所述的手臂活动支架。