包括弹性元件的外骨骼制造技术

本发明专利技术涉及一种外骨骼（100），包括：

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】包括弹性元件的外骨骼


[0001]本专利技术涉及外骨骼领域，即，使人体骨骼部分加倍以便辅助他执行任务或活动（比如提起和搬运负载）的机械结构。
[0002]在本文中，术语“负载”应被理解为由用户支撑的重量，即，他自己上肢的重量，上肢可能承载由一个或多个所搬运的物体施加的重量或力。
[0003]更具体地，本专利技术涉及一种外骨骼，该外骨骼包括一个弹性元件，该弹性元件产生力矩以补偿负载，以便在执行任务或活动时减轻外骨骼的穿戴者的负重。
[0004]特别地，本专利技术应用在医疗、军事和体力/手工工作领域中，其中本专利技术允许特别预防肌肉骨骼疾病的产生。

技术介绍

[0005]从现有技术已知外骨骼技术，这些技术允许在执行疼痛的、重复的任务时减轻穿戴者的负重，特别是涉及肌肉骨骼疾病产生的任务。
[0006]从现有技术还已知用于医疗和军事目的的外骨骼技术，这些技术旨在恢复身体虚弱的人的身体机能，或者增强身体健康的人的身体机能。
[0007]因此，使用各种机械装置的外骨骼解决方案是已知的，比如特别涉及致动器气缸的机器人装置。
[0008]特别地，这种机器人系统的缺点是其重量大、采购和维护成本高以及需要接入能源，例如电力或液压，这些能源通常又重又笨，嵌在外骨骼上，并且通常自主性低。
[0009]纯机械系统也是已知的，即，这些系统特别地不包括机电或液压机械致动器，并且不需要机载能源。
[0010]许多这种系统特别是基于线缆、滑轮或杆的使用，线缆、滑轮或杆被布置成支撑穿戴者的肢体，该系统通过以弹性能量的形式储存从系统外部供应的能量而自供能，该储存是通过穿戴者的肢体在运动过程中引起的弹性元件的变形来进行的。
[0011]这种系统能够克服上述缺点的一部分，然而，现有技术的已知解决方案被证明是笨重的，还包括许多对穿戴者的运动自由度和人体工程学有影响的元件。
[0012]此外，通常已知系统的中心部件承受很大的力，从而需要显著调整尺寸来增大外骨骼的质量，或者在寻求质量的优化时需要更频繁地更换部件。
[0013]当前没有一个系统能同时解决所有的需求，即，提出非机动化且非机器人化的外骨骼技术，满足质量、成本和尺寸降低的标准，同时提出简单的设计和较长的使用寿命。

技术实现思路

[0014]本专利技术旨在克服现有技术的所有或部分上述缺点。
[0015]为此，本专利技术涉及一种外骨骼，该外骨骼适于在使用中在提起和搬运负载时辅助外骨骼的穿戴者的至少一个上肢。外骨骼包括：
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至少一个臂，至少一个臂在其端部中被称为“前端”的一端处包括用于附接穿戴
者的上肢的至少一个装置，
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负载承载结构，该负载承载结构旨在固定到穿戴者，包括至少一个支撑点，
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至少一个补偿构件，至少一个补偿构件通过第一枢轴固定到臂，并在补偿构件所固定到的臂与负载承载结构之间延伸，并通过至少一个弹性元件的变形在臂上施加补偿力矩，
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一个力传递元件，该力传递元件在补偿构件的低点与臂的与前端相反的被称为“后端”的一端之间延伸，该外骨骼包括：
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至少一个弹性元件和力传递元件，至少一个弹性元件和力传递元件在外骨骼的使用期间在拉伸下被持续加载，并且被配置成力矩随着臂的倾斜度而变化，
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力传递元件通过位于臂的后端处的第二枢轴固定到臂，第一枢轴位于第二枢轴与臂的前端之间。
[0016]由于这些布置，可以提供完全自供能的外骨骼技术，由于能量储存在弹性元件中，质量和尺寸减小，不需要能量储存库。
[0017]此外，外骨骼还向用户提供与要提供的力一致的辅助，即，提供补偿力，更具体地说是补偿力矩，这种辅助在例如用户搬运负载的工作位置时更明显，而在用户处于放松位置（其中手臂沿着身体朝向他的脚）时不太明显。
[0018]因为外骨骼在用户的腰部与他的上肢之间延伸，所以外骨骼的臂在使用中位于上肢下方。因此，外骨骼的臂仅在弯曲时受力，而不像现有技术已知的外骨骼那样在弯曲和扭转时受力，从而使其具有较长的寿命和较小的尺寸。更具体地，与在扭转时受力的臂相比，在弯曲时受力但在扭转时没有受力的臂具有更小的轮廓。此外，可以设计由复合材料制成的臂，这种类型的材料具有高抗弯曲性，抗扭转性却很低。例如，可以使用包括玻璃纤维或碳纤维的材料，从而与已知的外骨骼技术相比，可以获得质量大大减小的外骨骼臂。
[0019]此外，由补偿构件、臂和力传递元件形成的结构是自约束的，即，前述元件以及它们的部件形成在压力和拉力的共同作用下平衡的结构。特别地，力传递元件和弹性元件纯粹在拉伸下被加载，补偿构件和臂的其他部件在压缩下被加载。该臂还包括负载的施加点，如上所述，该施加点在弯曲时被加载，因此自约束元件系统没有形成所谓的完美的“张拉整体”系统，而是非常接近于此。特别地，在没有负载的情况下，臂的质量可以忽略，系统处于准张拉整体状态。应理解，该结构的平衡是动态的，因为它在负载的作用下变化，弹性元件能够通过它们的可变张力达到平衡。
[0020]单一弹性元件的存在能够获得外骨骼的“基本”输出行为，用户感受到的补偿力以正弦方式变化，在所谓的“工作”位置处感受到最大值，在“低”和“高”的极端位置处感受到最小值。
[0021]然而，根据本专利技术的外骨骼可以包括较大数量的弹性元件，此数量在理论上不受限制。实际上，可以设计具有串联或并联的多个弹性元件的补偿构件，从而获得外骨骼的各种输出行为。特别地，可以使用具有不同弹性常数的弹性元件，从而进一步改变输出行为。
[0022]此外，弹性元件的倍增能够设计各种形状的补偿构件，特别是曲线形的，从而尽可能紧密地贴合用户的身体的线条。
[0023]此外，取决于外骨骼的设计，从极端位置开始朝向中间位置，补偿力增大，优选单调地增大，以便增加对负载的补偿，这对于用户来说越来越难以穿戴或搬运。以这种让用户
感受到流畅的渐进支持的方式进行，特别地，用户感受到的力大体上呈现正弦的变化路径，从而在工作位置周围的位置中产生高补偿，而在仅需要中等补偿的极端位置中的产生较低补偿。此外，补偿力根据上肢位置的这种变化对应于由上肢施加在穿戴者的肩部上的力的变化，因此，外骨骼在其所有角度位置上补偿由上肢承受的负载，以便永久减轻外骨骼的穿戴者的负重。
[0024]在本专利技术的特定实施例中，臂包括一个用于设置第一枢轴与第二枢轴之间的距离的设置机构。
[0025]由于这些布置，补偿力作用在其上的力臂可以变化，从而改变可用的补偿力矩。因此，以非常简单的方式，用户可以根据他想要执行的任务或活动的类型来调整外骨骼的输出“力量”。
[0026]在本专利技术的特定实施例中，设置机构包括：
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一个第一枢轴的开口，臂能够在该开口中滑动，
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一个设置板，该设置板位于臂的一个端部，所述设置板固定到与所述第一枢轴的一个螺纹开口配合的蜗杆。
[0027]由于这些布置，设置过程特别容易且直观，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种外骨骼（100），所述外骨骼适于在使用中在提起和搬运负载时辅助所述外骨骼的穿戴者的至少一个上肢（202），所述外骨骼包括：至少一个臂（110），所述至少一个臂在其端部中被称为“前端”的一端处包括用于附接所述穿戴者的上肢的至少一个装置（115）；一个负载承载结构（140），所述负载承载结构旨在固定到所述穿戴者，包括至少一个支撑点（141）；至少一个补偿构件（130），至少一个所述补偿构件通过一个第一枢轴（131）固定到所述臂，并且在所述补偿构件所固定到的所述臂与所述负载承载结构之间延伸，至少一个所述补偿构件通过至少一个弹性元件（132）的变形在所述臂上施加一个补偿力矩；以及一个力传递元件（150），所述力传递元件在所述补偿构件的低点与所述臂的与所述前端相反的被称为“后端”的一端之间延伸；所述外骨骼的特征在于：所述至少一个弹性元件和所述力传递元件在所述外骨骼的使用期间在拉伸下被持续加载，并且被配置成使得所述补偿力矩随着所述臂的倾斜度而变化，所述传递元件通过位于所述臂的后端处的一个第二枢轴（151）固定到所述臂，所述第一枢轴位于所述第二枢轴与所述臂的前端之间。2.根据权利要求1所述的外骨骼（100），其特征在于，所述臂（110）包括一个用于设置所述第一枢轴（131）与所述第二枢轴（151）之间的距离的设置机构。3.根据权利要求2所述的外骨骼（100），其特征在于，所述设置机构包括：一个所述第一枢轴的开口，所述臂能够在所述开口中滑动，和一个设置板（112），所述设置板位于所述臂的一个端部，所述设置板固定到与所述第一枢轴的一个螺纹开口配合的蜗杆（113）。4.根据权利要求1至3之一所述的外骨骼（100），其特征在于，所述补偿构件（130）包括一个弹性元件（132），
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当所述上肢（202）位于所谓的第一极端的“高”位置时，所述弹性元件处于最小张力状态...

【专利技术属性】
技术研发人员：西蒙，
申请(专利权)人：人体机械技术公司，
类型：发明
国别省市：