一种可调节无源助力上肢外骨骼

技术领域

本发明涉及可穿戴设备技术领域，尤其涉及一种可调节无源助力外骨骼。

背景技术

无源上肢外骨骼作为一种可穿戴设备，在无附加动力源的情况下，通过特定的弹性元件为人体上肢提供助力。

目前无源上肢外骨骼在民用市场中主要用于医疗康复和工业生产，作为辅助性设备帮助残障人士进行四肢或身体其他部位的康复治疗或运动助力，以及帮助工人减轻工件施加的负荷、缓解肌肉疲劳。

现有的可穿戴肩部助力外骨骼是由穿戴部分、与穿戴部分相接的对称设置的支撑部分、连接在每个支撑部分上端的对称设置的手臂机构、与手臂机构相接的卷簧式驱动机构构成的，但在调节助力大小时，由于棘轮位于卷簧壳内，无法徒手转动棘轮，需使用额外工具，操作不便。

有鉴于此，如何提出一种可调节无源助力上肢外骨骼，提高外骨骼的可调节性，成为亟需解决的问题。

发明内容

本发明提供一种可调节无源助力上肢外骨骼，用以至少解决现有技术中由于棘轮位于卷簧壳内，无法徒手转动棘轮，从而无法实现调节外骨骼的问题。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种可调节无源助力上肢外骨骼，所述可调节无源助力上肢外骨骼包括：穿戴机构；与所述穿戴机构连接的肩宽调节机构；与所述肩宽调节机构连接，且对称设置的肩部助力机构；与所述肩宽调节机构连接的仿生脊柱机构；以及与所述仿生脊柱机构连接的背部长度调节机构，其中，

所述肩宽调节机构，设置有背板、连接杆、凸轮拨杆和压块，其中，所述背板前侧设有凸起结构，用于固定所述凸轮拨杆，所述背板两侧与所述凸起结构之间设有穿孔，用于将所述凸轮拨杆作用于所述压块上，调节所述连接杆的伸缩程度；

所述肩部助力机构，设置有卷簧座和棘轮座，其中，所述卷簧座一端与臂托连接杆连接，另一端设有容纳涡卷弹簧的卷簧槽，所述棘轮座通过连接轴与所述肩宽调节机构的连接杆连接；

所述仿生脊柱机构的上端通过铰链与所述肩宽调节机构的背板连接，下端与所述背部长度调节机构连接；

所述背部长度调节机构，设置有腰托、螺杆和螺杆管套，其中，所述螺杆固定于所述腰托的下端，所述螺杆管套固定于所述仿生脊柱机构的末端。

在一个实施方式中，所述肩宽调节机构的所述压块的底部为弧形结构，所述压块顶部设有凸块，用于所述凸轮拨杆作用于所述压块，调节所述连接杆的伸缩程度；

所述压块的两端设有限位柱，通过所述背板的限位孔，固定所述压块的位置。

在一个实施方式中，所述肩宽调节机构的所述背板两侧设有通孔，通过所述通孔，将所述连接杆固定于所述背板上。

所述连接杆，包括左侧连接杆和右侧连接杆，所述左侧连接杆和所述右侧连接杆的一端，通过孔轴与所述肩部助力机构的棘轮座连接；

所述左侧连接杆和所述右侧连接杆的另一端，设有压块槽，用于将所述压块的底部固定于所述压块槽中。

在一个实施方式中，所述肩宽调节机构的所述凸轮拨杆与所述背板，通过凸轮轴和凸起结构连接，其中，所述凸轮拨杆能绕所述凸起结构做圆周运动。

在一个实施方式中，所述肩部助力机构的所述卷簧座一端与臂托连接杆连接，所述臂托连接杆在连接杆套中可进行伸缩调节，用于调节上臂长度，其中，所述连接杆套末端固定有臂托。

在一个实施方式中，所述肩部助力机构的所述卷簧座外侧设有开口，用于固定所述涡卷弹簧的外钩；

所述肩部助力机构的所述卷簧座中心设有卷簧座中心孔，用于通过轴端挡圈固定中心轴的一端，其中，所述卷簧座中心孔的直径与所述中心轴的直径相匹配，且所述卷簧座中心孔未贯穿所述卷簧座；

所述中心轴一端为卷簧轴，设有沟槽，用于固定所述涡卷弹簧的中心。

在一个实施方式中，所述肩部助力机构的所述棘轮座通过连接轴，以孔轴的方式，与所述肩宽调节机构的连接杆连接；

所述棘轮座中心设有棘轮座中心孔，其中，所述棘轮座中心孔的直径与中心轴的直径相匹配；

所述中心轴另一端为棘轮中心轴，设有键槽，用于通过所述键槽，与棘轮连接。

在一个实施方式中，所述棘轮座设有棘轮槽，用于容纳棘轮和止回棘爪，所述棘轮座外壳盖内侧的中心，设有调节手柄，其中，所述调节手柄，可绕中心轴做圆周运动；

所述调节手柄上，设有棘爪，其中，所述棘爪可绕中心轴做圆周运动所述止回棘爪，设有拨动手柄，用于控制所述止回棘爪与棘轮的固定。

在一个实施方式中，所述棘轮座的外壳盖上设有弧形孔，用于通过所述调节手柄进行预紧力的调节；

所述棘轮座的外壳盖上设有椭圆孔，用于通过所述拨动手柄控制所述止回棘爪。

在一个实施方式中，所述仿生脊柱机构由五个仿脊柱骨骼形状的模块和五个铰链并行排列组成；

所述仿生脊柱机构与所述肩宽调节机构进行连接的位置，设有与所述铰链形状相同的凹槽。

本说明书实施例提供的可调节无源助力上肢外骨骼，与现有技术相比，将助力元件设置于肩部可以减少力传递过程中的能量损耗，仿生脊柱机构在实现传递力的功能的同时，还能满足穿戴者弯腰的需求，外骨骼背部呈“工”字形，兼顾稳定性的同时可以减少刚性部分的体积，达到轻量化的目的，且本说明书实施例中对于该无源助力上肢外骨骼的创新性调节方式包括调节助力大小、肩宽以及背部长度，在提高外骨骼的可调节性的同时，简化调节操作，从而提高穿戴者的工作效率和穿戴舒适性。

上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本申请的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在附图中：

图1是本说明书实施例提供的一种可调节无源助力上肢外骨骼的立体结构后侧视示意图；

图2是本说明书实施例提供的一种可调节无源助力上肢外骨骼的立体结构前侧视示意图；

图3是本说明书实施例提供的一种可调节无源助力上肢外骨骼的肩宽调节机构的示意图；

图4是本说明书实施例提供的一种可调节无源助力上肢外骨骼的肩部助力机构的第一示意图；

图5是本说明书实施例提供的一种可调节无源助力上肢外骨骼的肩部助力机构的第二示意图；

图6是是本说明书实施例提供的一种可调节无源助力上肢外骨骼的背部长度调节机构的示意图；

其中，100-穿戴机构；101-肩带；102-胸前绑带；103-腰带；104-海绵软垫；200-肩宽调节机构；201-背板；202-连接杆；203-凸轮拨杆；204-压块；205-凸起结构；206-穿孔；207-压块槽；208-凸块；209-限位柱；210-凸轮轴；300-肩部助力机构；301-卷簧座；302-臂托连接杆；303-卷簧槽；304-涡卷弹簧；305-开口；306-卷簧座中心孔；307-中心轴；308-棘轮座；309-连接轴；310-棘轮；311-止回棘爪；312-棘轮槽；313-棘轮座中心孔；314-拨动手柄；315-外壳盖；316-调节手柄；317-棘爪；318-弧形孔；319-椭圆孔；320-沟槽；321-键槽；322-键；323-轴端挡圈；324-连接杆套；325-臂托；400-仿生脊柱机构；401-模块；402-铰链；403-凹槽；500-背部长度调节机构；501-螺杆；502-轴承；503-腰托；504-螺杆管套。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

在附图中，为了便于说明，已稍微夸大了物体的厚度、尺寸和形状。附图仅为示例而并非严格按比例绘制。

还应理解的是，用语“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”，当在本说明书中使用时表示存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或附加有一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组合。此外，当诸如“...中的至少一个”的表述出现在所列特征的列表之后时，修饰整个所列特征，而不是修饰列表中的单独元件。此外，当描述本申请的实施方式时，使用“可以”表示“本申请的一个或多个实施方式”。并且，用语“示例性的”旨在指代示例或举例说明。

如在本文中使用的，用语“基本上”、“大约”以及类似的用语用作表近似的用语，而不用作表程度的用语，并且旨在说明将由本领域普通技术人员认识到的、测量值或计算值中的固有偏差。

除非另外限定，否则本文中使用的所有用语(包括技术用语和科学用语)均具有与本申请所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。还应理解的是，用语(例如在常用词典中定义的用语)应被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义，并且将不被以理想化或过度正式意义解释，除非本文中明确如此限定。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

传统无源上肢外骨骼的助力装置，通常由驱动元件及实现助力效果所需的机械结构组成，其中驱动元件多为弹性驱动元件，包括但不限于拉伸弹簧、流体弹簧、涡卷弹簧、气体弹簧等。

为实现助力效果，弹性驱动元件通常会与拉绳、拉带等元件以及其他机械或拉带的弹性产生损耗，或因为元件之间的摩擦产生衰减。在使用涡卷弹簧作为驱动元件的无源外骨骼中，多数外骨骼无法对助力大小进行调节，或需使用额外调节工具调节涡卷弹簧的预紧力，因此会由于操作不便而降低使用者的体验感，且传统无源上肢外骨骼很多背部为竖直坚硬结构，没有很好地贴合人体背部曲线，且在人体背部弯曲时无法随之弯曲，使得穿戴舒适性差，人机关系较差，影响实际使用效果。

因此，传统的无源上肢外骨骼仍受到多方面因素的限制，首先是机械结构，机械结构作为外骨骼的设计基础，直接决定了外骨骼的使用效果。传统的无源上肢外骨骼，在设计无源外骨骼时并未考虑如何根据使用者的实际需求进行尺寸调节，同时，对于质量较重的无源上肢外骨骼，也会造成使用者较差的体验感；其次是负载能力，负载能力作为外骨骼助力的核心，也是限制无源上肢外骨骼发展的瓶颈；最后是舒适性设计，无源外骨骼应以“刚柔相济，人机一体为”为指导思想，以“人主机辅、以人为本”为设计思想，使用时穿戴方便，与人体直接接触的部位采用柔性材料，避免给使用者带来不适感。

有鉴于此，本说明书实施例提出了一种可调节无源助力上肢外骨骼，通过将助力装置直接安装于肩部，从而减少里传递过程中的能量损耗；仿生脊柱的添加在实现在传递力的功能的同时，也满足了穿戴者弯腰的需求；外骨骼背部呈现“工”字形，可在兼顾上肢外骨骼稳定性的同时，减少刚性部分的体积，达到轻量化的目的；同时助力大小、肩宽、背部长度的调节等创新型调节方式，极大提高了外骨骼的可调节性，简化了调节操作，从而提高了穿戴者的工作效率和穿戴舒适性。

在本说明书中，提供了一种可调节无源助力上肢外骨骼，可参考图1至图6。

如图1和图2所示，所述可调节无源助力上肢外骨骼包括：穿戴机构100；与所述穿戴机构100连接的肩宽调节机构200；与所述肩宽调节机构200连接，且对称设置的肩部助力机构300；与所述肩宽调节机构200连接的仿生脊柱机构400；以及与所述仿生脊柱机构400连接的背部长度调节机构500。

在本说明书的实施例中，所述穿戴机构100，包括：肩带101、胸前绑带102、腰带103、以及背部和腰部的海绵软垫104，其中，所述肩带101与所述背部肩宽调节机构200连接；所述胸前绑带102与所述仿生脊柱机构400连接；所述腰带103与所述背部长度调节机构500连接。

如图1至图3所示，所述肩宽调节机构200位于背部区域，设置有背板201、连接杆202、凸轮拨杆203和压块204，其中，所述背板201前侧设有凸起结构205，用于固定所述凸轮拨杆203，所述背板201两侧与所述凸起结构205之间设有穿孔206，用于将所述凸轮拨杆203作用于所述压块204上，调节所述连接杆202的伸缩程度。

在本说明书的实施例中，所述肩宽调节机构200的所述压块204的底部为弧形结构，能够与左侧连接杆和右侧连接杆的压块槽207贴合；所述压块204顶部设有凸块208，用于所述凸轮拨杆203作用于所述压块204，调节所述连接杆202的伸缩程度；所述压块204的两端设有限位柱209，通过与所述背板201的限位孔配合，固定所述压块204的位置，可以保证压块204的位置不移动。

在本说明书的实施例中，所述肩宽调节机构200的所述背板201两侧设有通孔，通过所述通孔，将所述连接杆202固定于所述背板201上，其中，所述连接杆202包括左侧连接杆和右侧连接杆，即将左侧连接杆和右侧连接杆插入所述背板201两侧的通孔中。

在本说明书的实施例中，所述肩宽调节机构200的所述连接杆202，包括左侧连接杆和右侧连接杆，所述左侧连接杆和所述右侧连接杆的一端，通过孔轴与所述肩部助力机构300的棘轮座308连接；

所述左侧连接杆和所述右侧连接杆的另一端，设有压块槽207，用于将所述压块204的底部固定于所述压块槽207中。

在本说明书的实施例中，所述肩宽调节机构200的所述凸轮拨杆203与所述背板201，通过凸轮轴210和凸起结构205连接，其中，所述凸轮拨杆203能绕所述凸起结构205做圆周运动。

实际应用中，当顺时针拨动凸轮拨杆203时，凸轮拨杆203将不再作用于压块204，压块204对连接杆202的作用力也随之消失，此时，连接杆202可在背板201的孔洞中自由伸缩，穿戴者可根据实际需求，对连接杆202进行调节。在穿戴者完成调节后，将凸轮拨杆203逆时针拨动回初始位置，此时，凸轮拨杆203重新作用在压块204上，使压块204压紧连接杆202，从而固定连接杆202的位置。

应用本说明书实施例提供的可调节无源助力上肢外骨骼的肩宽调节机构200，通过凸轮拨杆203和压块204的作用关系，调节连接杆202的伸缩程度，在凸轮拨杆203作用于压块204时，压块204对连接杆202有压紧作用，从而固定连接杆202的位置，在凸轮拨杆203不再作用于压块204时，压块204对连接杆202的作用力也随之消失，从而使得连接杆202可以自由伸缩。

如图1、图2、图4和图5所示，所述肩部助力机构300，位于肩部区域，由左右对称的两部分组成，该肩部助力机构300设置有卷簧座301和棘轮座308，其中，所述卷簧座301一端与臂托连接杆302连接，另一端设有容纳涡卷弹簧304的卷簧槽303，所述棘轮座308通过连接轴309与所述肩宽调节机构200的连接杆202连接。

在本说明书的实施例中，所述肩部助力机构300的所述卷簧座301一端与臂托连接杆302连接，所述臂托连接杆302在连接杆套324中可进行伸缩调节，用于调节上臂长度，其中，所述连接杆套324末端固定有臂托325。

实际应用中，在对所述肩部助力机构300调节助力大小时，以右臂为例，将调节手柄316以逆时针方向拨动，由于调节手柄316上的棘爪317与棘轮310啮合，所以会带动棘轮310逆时针转动，实现棘轮座308上的止回棘爪311与棘轮310啮合，并固定棘轮310使之不再转动；由于棘轮310与中心轴307以键322连接得以径向固定，所以棘轮310转动带动中心轴307逆时针转动；中心轴307另一端与涡卷弹簧304中心固定连接，涡卷弹簧304外钩固定在卷簧座301上，因此在中心轴307逆时针转动带动涡卷弹簧304中心逆时针转动时，涡卷弹簧304卷紧，储存能量。

在对所述肩部助力机构300进行调节助力大小操作时，以右臂为例，同时向右拨动锁紧的拨动手柄314，并顺时针转动调节手柄316，即可调节助力大小。在调节完成后，向左拨动未锁紧的拨动手柄314，使其重新处于锁紧状态。

在本说明书的实施例中，所述肩部助力机构300的所述卷簧座301外侧设有开口305，用于固定所述涡卷弹簧304的外钩；

所述肩部助力机构300的所述卷簧座301中心设有卷簧座中心孔306，用于通过轴端挡圈323固定中心轴307的一端，其中，所述卷簧座中心孔306的直径与所述中心轴307的直径相匹配，且所述卷簧座中心孔306未贯穿所述卷簧座301；

所述中心轴307一端为卷簧轴，设有沟槽320，用于固定所述涡卷弹簧304的中心。

需要说明的是，这里的涡卷弹簧304位于卷簧槽303中，外钩嵌入卷簧槽303的开口305处，中心固定在中心轴307的沟槽320中。

在本说明书的实施例中，所述肩部助力机构300的所述棘轮座308通过连接轴309，以孔轴的方式，与所述肩宽调节机构200的连接杆202连接。

在本说明书的实施例中，所述棘轮座308中心设有棘轮座中心孔313，其中，所述棘轮座中心孔313的直径与中心轴307的直径相匹配；

所述中心轴307另一端为棘轮中心轴307，设有键槽321，用于通过所述键槽321，与棘轮310通过键322进行连接。

在本说明书的实施例中，所述棘轮座308设有棘轮槽312，用于容纳棘轮310和止回棘爪311；

所述止回棘爪311，设有拨动手柄314，用于控制所述止回棘爪311与棘轮310的固定，即用于控制止回棘爪311是否卡住棘轮310。

在本说明书的实施例中，所述棘轮座308外壳盖315内侧的中心，设有调节手柄316，其中，所述调节手柄316，可绕中心轴307做圆周运动；

所述调节手柄316上，设有棘爪317，其中，所述棘爪317可绕中心轴307做圆周运动。

在本说明书的实施例中，所述棘轮座308的外壳盖315上设有弧形孔318，用于通过所述调节手柄316进行预紧力的调节；

所述棘轮座308的外壳盖315上设有椭圆孔319，用于通过所述拨动手柄314控制所述止回棘爪311。

需要说明的是，这里通过调节手柄316进行预紧力的调节方式为：通过拨动调节手柄316，带动棘轮310旋转，从而带动中心轴307转动，调节预紧力的大小。

应用本说明书实施例提供的可调节无源助力上肢外骨骼的肩部助力机构300，肩部助力使用涡卷弹簧304机构，涡卷弹簧304位于卷簧座301的卷簧槽303中，涡卷弹簧304的中心固定于中心轴307，末端的外钩嵌入卷簧槽303的开口305处，在卷簧座301相对于中心轴307转动时，会带动涡卷弹簧304外钩旋转，实现涡卷弹簧304卷紧或放松；助力大小调节通过棘轮棘爪机构实现，棘轮310位于棘轮座308中，棘轮310中心与中心轴307固定，棘轮310与调节手柄316上的棘爪317啮合，通过拨动调节手柄316，带动棘轮310旋转，从而带动中心轴307转动，实现对预紧力大小的调节。

所述仿生脊柱机构400位于背部区域，其中，所述仿生脊柱机构400上端通过铰链402与所述肩宽调节机构200的背板201连接，下端与所述背部长度调节机构500连接。

在本说明书的实施例中，所述仿生脊柱机构400由五个仿脊柱骨骼形状的模块401和五个铰链402并行排列组成；

所述仿生脊柱机构400与所述肩宽调节机构200进行连接的位置，设有与所述铰链402形状相同的凹槽403。

其中，所述仿生脊柱机构400的上端与肩宽调节机构200的背板201，通过人体接触侧的铰链402进行连接；且所述仿生脊柱机构400的上端与五个仿脊柱骨骼形状的模块401，通过人体接触侧的铰链402进行连接。且在与铰链402安装相对应的肩宽调节机构200的第一安装处和与五个仿脊柱骨骼形状的模块401的第二安装处，均设有与铰链402形状相同的凹槽403，其中，这里的凹槽403用于保证与人体接触面的平整度，避免穿戴时造成不舒适。

应用本说明书实施例提供的可调节无源助力上肢外骨骼的仿生脊柱机构400，可实现在传递力的功能的同时，还能满足穿戴者弯腰的需求，外骨骼背部呈“工”字形，兼顾稳定性的同时减少刚性部分的体积，达到了轻量化的目的。其中，该仿生脊柱机构400从上至下宽度和厚度逐渐增大，以满足轻量化和稳定性要求，且各个仿脊柱骨骼形状的模块401之间的相互连接，通过人体接触侧的铰链402实现，且在与铰链402安装相对应的背板201和模块401的安装处设有与铰链402形状相同的凹槽403，用于保证与人体接触面的平整度。

如图1、图2和图6所示，所述背部长度调节机构500与穿戴部分的腰带103连接，设置有腰托503、螺杆501、螺杆管套504和轴承502等结构，其中，所述螺杆501通过轴承502固定于所述腰托503的下端，且所述螺杆501底端会预留目标长度，用于穿戴者根据实际需求，进行调节。

所述螺杆管套504固定于所述仿生脊柱机构400的末端，其中，螺杆管套504内侧有与螺杆501相对应的螺纹，螺杆501旋入螺杆管套504中，通过将螺杆管套504上端固定在仿生脊柱第五模块的下端的孔中，使得螺杆管套504经过旋转调节，能带动第五模块活动，从而改变垂直方向上的距离。

具体的，通过顺时针转动螺杆501末端，螺纹连接的螺杆管套504向上移动，使得固定在螺杆管套504上端的仿生脊柱向上移动，实现该上肢外骨骼的背部长度增加；反之，通过逆时针转动螺杆501末端，螺纹连接的螺杆管套504向下移动，使得固定在螺杆管套504上端的仿生脊柱向下移动，实现该上肢外骨骼的背部长度缩短。

应用本说明书实施例提供的可调节无源助力上肢外骨骼的背部长度调节机构500，螺杆管套504固定于仿生脊柱末端，螺杆501固定在腰托503下端，螺杆管套504与螺杆501通过螺纹配合，旋转螺杆501可改变螺杆501旋入螺杆管套504的长度，使得腰托503与仿生脊柱末端的距离改变，从而实现背部长度的调节，有利于提升穿戴者的使用体验感。

本说明书实施例提供的可调节无源助力上肢外骨骼，与现有技术相比，将助力元件设置于肩部可以减少力传递过程中的能量损耗，仿生脊柱机构400在实现传递力的功能的同时，还能满足穿戴者弯腰的需求，外骨骼背部呈“工”字形，兼顾稳定性的同时可以减少刚性部分的体积，达到轻量化的目的，且本说明书实施例中对于该无源助力上肢外骨骼的创新性调节方式包括调节助力大小、肩宽以及背部长度，在提高外骨骼的可调节性的同时，简化调节操作，从而提高穿戴者的工作效率和穿戴舒适性。

需要说明的是，在本申各实施例中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本申请的保护之内。