CN109571435B - 一种肩部助力托举外骨骼 - Google Patents

Abstract

一种肩部助力托举外骨骼，包括助力模块、传力模块和主体连接模块，主体连接模块包括穿戴于腰部且尺寸可调的腰封，尺寸可调的肩带与腰封固定连接，腰封背部与下调节板垂直固定连接，下连接板与可调节主连接板固定连接，主体连接模块主要承受整体的托举力；传力模块中的第一连杆和第二连杆的位置可变化，能够传递托举力，扩大肩部活动的范围，满足肩部运动灵活性的需要；助力模块包括主壳体、设置在主壳体内作为助力的凸轮式弹簧储能模块及固定连接在主壳底座上的上臂绑具，上臂绑具固定于用户的上臂，助力模块能够自适应性地实现对人体肩部进行助力，且在胸部以下的非工作区间对手臂自由摆动无影响，具有灵活性高、无阻力、轻便易穿的特点。

Description

一种肩部助力托举外骨骼

技术领域

本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种肩部助力托举外骨骼。

背景技术

在工厂、仓库等工作场景，需要工人较长时间地托举重物。重复性上肢作业易引发上肢骨骼肌肉疾患；人工搬举重物及长时间的站立容易引发下背痛及静脉曲张的发生。肩部外骨骼可以提供肩部部支撑，工人托举重物时，它可以有效地减小肩部受力并且使用户能够在长时间工作，减少工人肩部肌肉的损伤。

现有的上肢外骨骼多以电机、液压等提供动力，且主要应用于康复领域。现有的动力上肢外骨骼主要通过在肩部等关节添加电机，从而对手臂起到助力的作用。但电机的驱动方式下，外骨骼整体笨重，续航低，因此主要运用于固定位置处的上肢康复。而在工业领域，重复上肢托举操作时，不需要电机等提供大的助力，可以通过弹簧、液压杆等被动元件对人体进行助力。美国相关公司设计了一种肩部外骨骼，在胸部以上的操作空间对人肩部起到助力，主要靠弹簧储能的方式，但肩部自由度单一，降低了肩关节的灵活性；且在非工作模式下，手臂在胸部以下空间活动时，外骨骼对手臂仍有力的作用，影响了穿戴者的正常活动。

因此现有的可穿戴肩部托举外骨骼主要存在的问题是：

1、现有上肢外骨骼多以动力驱动为主，动力式上肢外骨骼的笨重、续航短等，不利于工业领域中工人的穿戴使用。

2、外骨骼自由度单一，活动范围较为局限，主要在肩关节处不能够满足人体灵活运动的需要。

3、非工作模式下，或者穿戴者手臂下摆时，外骨骼对手臂产生阻力，干涉穿戴者的正常活动。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种肩部助力托举外骨骼，能够提高运动的灵活性，自适应性对人进行助力且不会对手臂产生阻力，具有灵活性高、无阻力、轻便易穿的特点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种肩部助力托举外骨骼，包括助力模块、传力模块和主体连接模块；

所述主体连接模块包括穿戴于腰部且尺寸可调的腰封1，尺寸可调的肩带7与腰封1固定连接，腰封1背部与下调节板2垂直固定连接，下调节板2与主连接板3固定连接，主连接板3的上部与管限位座11固定连接，管限位座11左右对称设置；

所述传力模块包括与助力模块的主壳盖9转动连接的第一连杆6，第一连杆6两个端面开有方形槽，轴连接块23的方凸起插入其中一个方形槽内固定，连接轴24插入轴连接块23内固定，中间块22的方柱凸起插入第一连杆6的另一个方形槽内并固定连接，两个平面轴承20分别嵌入中间块22的两侧圆形凹槽内，两个平面轴承20的另一面分别嵌入下封盖21和上封盖19开有的圆形凹槽内，下封盖21与上封盖19的两个圆孔固定连接，以形成第一连杆6和第二连杆5的相对转动，上封盖19、中间块22、下封盖21的通孔内插入销进行限位，下封盖21的方柱凸起插入第二连杆5的方形槽内并固定连接，下封盖18尾部的长方形凸起插入第二连杆5端部的孔内固定，两个平面轴承17分别嵌入直线滑块14的两侧圆形凹槽内，两个平面轴承17的另一面分别嵌入下封盖18和上封盖16开有的圆形凹槽内，下封盖18与上封盖16固定连接，下封盖18、平面轴承17、直线滑块14和上封盖16的中间通孔内插入销子，以形成直线滑块14与下封盖18的相对转动；开有通孔的直线滑块14一侧面开有两个圆形槽，圆形槽内安装开有通孔的直线轴承13，导向管15穿过通孔与其滑动连接，导向管15两个端面分别插入管限位座11固定；

所述助力模块包括由主壳盖9和主壳底座8固结构成的主壳体、设置在主壳体内作为助力的凸轮式弹簧储能模块及固定连接在主壳底座8上的上臂绑具10，上臂绑具10尺寸可调并通过绑带贴合地固定于用户的上臂。

所述凸轮式弹簧储能模块包括设置在主壳体内部的管固定座34，管固定座34与主壳底座8固定连接，管固定座34的宽面开有两个孔，弹簧导管32一端插入管固定座34的孔内固定，弹簧导管32另一端插入滑块31开设的孔内，弹簧导管32在孔内滑动的距离大于储能弹簧33的形变量，储能弹簧33套在弹簧导管32上，且两个储能弹簧33之间无干涉，第一轴承封盖28和第二轴承封盖30相对设置且均与滑块31固结，第一轴承封盖28和第二轴承封盖30通过其上的圆柱凸起从两侧插入从动轴承29以限制其移动，从动轴承29相对第一轴承封盖28和第二轴承封盖30的凸起转动；从动轴承29与凸轮26接触，凸轮26一端开有圆孔，可置于主壳底座8的凸起圆柱上，并通过平面轴承25与主壳底座8接触，凸轮26另一端开有的方孔内放置连接轴24，连接轴24的柱形体插入主壳盖9的圆孔内，并通过连接的平面轴承27与主壳盖9接触。

所述下调节板2开有圆孔，主连接板3开有与下调节板2相对应的圆孔，下调节板2与主连接板3之间通过螺栓固定连接，可调节圆孔固结的位置改变下调节板2与主连接板3的整体长度，以满足不同身高穿戴者的穿戴需求。

所述直线滑块14上固定设有轴承盖12，轴承盖12位于直线轴承13的侧面，对直线轴承13进行限位。

所述主连接板3上固定有封壳4，封壳4开有长条形槽以便于直线滑块14在其内运动。

所述主壳盖9、主壳底座8固结构成的主壳体内部空间高度与管固定座34高度相同，以限制管固定座34在主壳体内的位置变化。

所述主壳盖9、主壳底座8固结构成的主壳体内部空间高度与滑块31高度相同，以限制滑块31只能在主壳体内进行滑动。

所述上臂绑具10为符合人体工学的曲面结构，上臂绑具10上开有圆孔，通过螺栓与主壳底座8固定连接。

本发明采用主体连接模块、传力模块和助力模块三大模块，主体连接模块主要承受整体的托举力，能够方便穿戴者的穿戴；传力模块中的第一连杆和第二连杆的位置可变化，能够传递托举力，同时扩大肩部活动的范围，满足肩部运动灵活性的需要；助力模块中主壳底座和主壳盖固结构成的主壳体可相对第一连杆进行转动，能够增大活动范围，增加运动的灵活性；助力模块能够自适应性地实现对人体肩部进行助力，且在胸部以下的非工作区间，对手臂自由摆动无影响。

进一步地，助力模块内设置在主壳体内作为助力的凸轮式弹簧储能模块，能够以弹簧为助力元件，在胸部以上的托举空间，通过弹簧元件的储能和释放实现对肩部的助力。另外，本发明能够适应不同身高人群,适应不同肩宽用户的需要。

附图说明

图1是本发明实施例肩部助力托举外骨骼的结构示意图。

图2是本发明实施例的主体连接模块的结构示意图。

图3是本发明实施例的传力模块的结构示意图。

图4是本发明实施例的传力模块的爆炸结构示意图。

图5是本发明实施例的凸轮式弹簧储能模块的结构示意图。

图6是本发明实施例的凸轮式弹簧储能模块的爆炸结构示意图。

图7是本发明实施例的凸轮式弹簧储能模块的运动功能示意图。

图8(1)为从动轴承29相对凸轮26的接触位置图；(2)为两者在不同接触位置下凸轮式弹簧储能模块提供向上支撑力的示意图。

附图标记如下：1-腰封；2-下调节板；3-主连接板；4-封壳；5-第二连杆；6-第一连杆；7-肩带；8-主壳底座；9-主壳盖；10-上臂绑具；11-管限位座；12-轴承盖；13-直线轴承；14-直线滑块；15-导向管；16-上封盖；17-平面轴承；18-下封盖；19-上封盖；20-平面轴承；21-下封盖；22-中间块；23-轴连接块；24-连接轴；25-第一平面轴承；26-凸轮；27-第二平面轴承；28-第一轴承封盖；29-从动轴承；30-第二轴承封盖；31-滑块；32-弹簧导管；33-储能弹簧；34-管固定座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

一种肩部助力托举外骨骼，包括助力模块、传力模块和主体连接模块。

参见图1、图2，所述主体连接模块包括穿戴于腰部且尺寸可调的腰封1，尺寸可调的肩带7与腰封1固定连接，腰封1背部与下调节板2垂直固定连接，下调节板2与主连接板3固定连接，主要承受整体的托举力，所述下调节板2开有圆孔，主连接板3开有与下调节板2相对应的圆孔，下调节板2与主连接板3之间通过螺栓固定连接，可调节圆孔固结的位置改变下调节板2与主连接板3的整体长度，以满足不同身高穿戴者的穿戴需求。主连接板3的上部与管限位座11固定连接，管限位座11左右对称设置；所述主连接板3上固定有封壳4，封壳4开有长条形槽以便于直线滑块14在其内运动。

参见图3、图4，所述传力模块包括与助力模块的主壳盖9转动连接的第一连杆6，第一连杆6两个端面开有方形槽，轴连接块23的方凸起插入其中一个方形槽内，在方形槽的一面插入螺栓固定第一连杆6和轴连接块23，连接轴24插入轴连接块23内，以螺栓进行固定，中间块22的方柱凸起插入第一连杆6的另一个方形槽内并固定连接，两个平面轴承20分别嵌入中间块22的两侧圆形凹槽内，两个平面轴承20的另一面分别嵌入下封盖21和上封盖19开有的圆形凹槽内，下封盖21与上封盖19的两个圆孔通过螺栓固定连接，以形成中间块22与下封盖21的相对转动，从而最终形成第一连杆6和第二连杆5的相对转动，上封盖19、中间块22、下封盖21的通孔内插入销进行限位，下封盖21的方柱凸起插入第二连杆5的方形槽内并固定连接，下封盖18尾部的长方形凸起插入第二连杆5端部的孔内，通过螺栓固定连接，下封盖18、平面轴承17、直线滑块14和上封盖16的装配顺序依次为：两个平面轴承17分别嵌入直线滑块14的两侧圆形凹槽内，两个平面轴承17的另一面分别嵌入下封盖18和上封盖16开有的圆形凹槽内，下封盖18与上封盖16通过其上的两个圆孔及螺栓固定连接，下封盖18、平面轴承17、直线滑块14和上封盖16的中间通孔内可插入销子，最终以形成直线滑块14与下封盖18的相对转动；开有通孔的直线滑块14一侧面开有两个圆形槽，圆形槽内安装开有通孔的直线轴承13，所述直线滑块14上固定设有轴承盖12，轴承盖12位于直线轴承13的侧面，对直线轴承13进行限位。导向管15穿过通孔与其滑动连接，导向管15两个端面分别插入管限位座11，以固定其位置。

参见图1，所述助力模块包括由主壳盖9和主壳底座8固结构成的主壳体、设置在主壳体内作为助力的凸轮式弹簧储能模块及固定连接在主壳底座8上的上臂绑具10，上臂绑具10尺寸可调并通过绑带贴合地固定于用户的上臂。所述上臂绑具10为符合人体工学的曲面结构，上臂绑具10上开有圆孔，通过螺栓与主壳底座8固定连接。

参见图5、图6，所述凸轮式弹簧储能模块包括设置在主壳体内部的管固定座34，所述主壳盖9、主壳底座8固结构成的主壳体内部空间高度与管固定座34高度相同，从而能限制管固定座34在主壳体内的位置变化。管固定座34的窄面开有圆孔，可插入主壳底座8的圆柱凸起固定，管固定座34的宽面开有两个孔，弹簧导管32一端插入管固定座34孔内，并在弹簧导管32插入固定座34孔内的部分侧面开有小孔，同时对应位置固定座34的侧面也开有打穿整体的小孔，销子插入两个小孔固定弹簧导管32与固定座34的位置，弹簧导管32另一端插入滑块31开设的孔内，孔深度满足弹簧导管32在里面自由滑动一定的距离，该距离大于使用过程中储能弹簧33的形变量，所述主壳盖9、主壳底座8固结构成的主壳体内部空间高度与滑块31高度相同，使滑块31只能在主壳体内进行滑动动作。储能弹簧33套在弹簧导管32上，且两个储能弹簧33之间无干涉，以储能弹簧33为助力元件，通过储能弹簧33的储能和释放实现对肩部的助力。第一轴承封盖28和第二轴承封盖30相对设置且均与滑块31固结，第一轴承封盖28和第二轴承封盖30通过其上的圆柱凸起从两侧插入从动轴承29以限制其移动，从动轴承29只能相对第一轴承封盖28和第二轴承封盖30的凸起进行转动；从动轴承29与凸轮26接触，凸轮26一端开有圆孔，可置于主壳底座8的凸起圆柱上，并通过平面轴承25与主壳底座8接触，凸轮26另一端开有的方孔内放置连接轴24，接轴24的柱形体插入主壳盖9的圆孔内，并通过连接的平面轴承27与主壳盖9接触。

凸轮弹簧储能模块具体的工作模式如下：如图7所示，当穿戴者手臂沿下摆时，凸轮26相对不动，从动轴承29沿凸轮26转动，随着从动轴承29中心到凸轮26中心距离的增大，滑块31随从动轴承29滑动，储能弹簧33受到挤压，滑动轴承29与凸轮26的接触点法线不过凸轮圆心，产生偏心力，进而阻碍手臂下摆，即外骨骼可对手臂产生向上托举的力。当从动轴承29转动到一定位置后再继续下转，从动轴承29中心到凸轮26中心距离不发生变化，储能弹簧33挤压量不再变化，滑动轴承29与凸轮26的接触点法线过凸轮圆心，无偏心力，即外骨骼不再对手臂产生作用力。图8所示为从动轴承29在凸轮26上不同位置，外骨骼对手臂作用力的大小。a位置可视为手臂竖直向上，d位置可视为手臂竖直向下。a到c的活动区间为工作区间，外骨骼对手臂产生托举力，在b处托举力最大。c到d的区间，为非工作区间，外骨骼对手臂基本无作用力，从而手臂能自由摆动。外骨骼对手臂的托举力最大为30N。

Claims (8)

1.一种肩部助力托举外骨骼，其特征在于，包括助力模块、传力模块和主体连接模块；

所述主体连接模块包括穿戴于腰部且尺寸可调的腰封(1)，尺寸可调的肩带(7)与腰封(1)固定连接，腰封(1)背部与下调节板(2)垂直固定连接，下调节板(2)与主连接板(3)固定连接，主连接板(3)的上部与管限位座(11)固定连接，管限位座(11)左右对称设置；

所述传力模块包括与助力模块的主壳盖(9)转动连接的第一连杆(6)，第一连杆(6)两个端面开有方形槽，轴连接块(23)的方凸起插入其中一个方形槽内固定，连接轴(24)插入轴连接块(23)内固定，中间块(22)的方柱凸起插入第一连杆(6)的另一个方形槽内并固定连接，两个平面轴承(20)分别嵌入中间块(22)的两侧圆形凹槽内，两个平面轴承(20)的另一面分别嵌入下封盖(21)和上封盖(19)开有的圆形凹槽内，下封盖(21)与上封盖(19)的两个圆孔固定连接，以形成第一连杆(6)和第二连杆(5)的相对转动，上封盖(19)、中间块(22)、下封盖(21)的通孔内插入销进行限位，下封盖(21)的方柱凸起插入第二连杆(5)的方形槽内并固定连接，下封盖(18)尾部的长方形凸起插入第二连杆(5)端部的孔内固定，两个平面轴承(17)分别嵌入直线滑块(14)的两侧圆形凹槽内，两个平面轴承(17)的另一面分别嵌入下封盖(18)和上封盖(16)开有的圆形凹槽内，下封盖(18)与上封盖(16)固定连接，下封盖(18)、平面轴承(17)、直线滑块(14)和上封盖(16)的中间通孔内插入销子，以形成直线滑块(14)与下封盖(18)的相对转动；开有通孔的直线滑块(14)一侧面开有两个圆形槽，圆形槽内安装开有通孔的直线轴承(13)，导向管(15)穿过通孔与其滑动连接，导向管(15)两个端面分别插入管限位座(11)固定；

所述助力模块包括由主壳盖(9)和主壳底座(8)固结构成的主壳体、设置在主壳体内作为助力的凸轮式弹簧储能模块及固定连接在主壳底座(8)上的上臂绑具(10)，上臂绑具(10)尺寸可调并通过绑带贴合地固定于用户的上臂。

2.根据权利要求1所述的一种肩部助力托举外骨骼，其特征在于，所述凸轮式弹簧储能模块包括设置在主壳体内部的管固定座(34)，管固定座(34)与主壳底座(8)固定连接，管固定座(34)的宽面开有两个孔，弹簧导管(32)一端插入管固定座(34)的孔内固定，弹簧导管(32)另一端插入滑块(31)开设的孔内，弹簧导管(32)在孔内滑动的距离大于储能弹簧(33)的形变量，储能弹簧(33)套在弹簧导管(32)上，且两个储能弹簧(33)之间无干涉，第一轴承封盖(28)和第二轴承封盖(30)相对设置且均与滑块(31)固结，第一轴承封盖(28)和第二轴承封盖(30)通过其上的圆柱凸起从两侧插入从动轴承(29)以限制其移动，从动轴承(29)相对第一轴承封盖(28)和第二轴承封盖(30)的凸起转动；从动轴承(29)与凸轮(26)接触，凸轮(26)一端开有圆孔，可置于主壳底座(8)的凸起圆柱上，并通过平面轴承(25)与主壳底座(8)接触，凸轮(26)另一端开有的方孔内放置连接轴(24)，连接轴(24)的柱形体插入主壳盖(9)的圆孔内，并通过连接的平面轴承(27)与主壳盖(9)接触。

3.根据权利要求1所述的一种肩部助力托举外骨骼，其特征在于，所述下调节板(2)开有圆孔，主连接板(3)开有与下调节板(2)相对应的圆孔，下调节板(2)与主连接板(3)之间通过螺栓固定连接。

4.根据权利要求1所述的一种肩部助力托举外骨骼，其特征在于，所述直线滑块(14)上固定设有轴承盖(12)，轴承盖(12)位于直线轴承(13)的侧面，对直线轴承(13)进行限位。

5.根据权利要求1所述的一种肩部助力托举外骨骼，其特征在于，所述主连接板(3)上固定有封壳(4)，封壳(4)开有长条形槽以便于直线滑块(14)在其内运动。

6.根据权利要求1所述的一种肩部助力托举外骨骼，其特征在于，所述主壳盖(9)、主壳底座(8)固结构成的主壳体内部空间高度与管固定座(34)高度相同，以限制管固定座(34)在主壳体内的位置变化。

7.根据权利要求1所述的一种肩部助力托举外骨骼，其特征在于，所述主壳盖(9)、主壳底座(8)固结构成的主壳体内部空间高度与滑块(31)高度相同，以限制滑块(31)仅在主壳体内进行滑动。

8.根据权利要求1所述的一种肩部助力托举外骨骼，其特征在于，所述上臂绑具(10)为符合人体工学的曲面结构，上臂绑具(10)上开有圆孔，通过螺栓与主壳底座(8)固定连接。

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