本申請(qǐng)主張于2015年12月17日提交的PCT申請(qǐng)?zhí)朠CT/IB2015/059722的優(yōu)先權(quán)，該P(yáng)CT申請(qǐng)進(jìn)一步主張申請(qǐng)日為2014年12月18日的印度臨時(shí)專利申請(qǐng)?zhí)?750/DEL/2014的優(yōu)先權(quán)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種單點(diǎn)扭矩調(diào)節(jié)機(jī)械組件。更具體地，本發(fā)明涉及一種具有單點(diǎn)扭矩調(diào)節(jié)機(jī)械組件的裝置以及一種連接至彈性機(jī)構(gòu)的可調(diào)節(jié)鉸鏈，其用以減少所需人力以及輔助膝蓋和腰部，進(jìn)而分擔(dān)來(lái)自頭部、背部、脊柱、腰部及膝蓋的負(fù)荷并將負(fù)荷轉(zhuǎn)移至地面。

背景技術(shù)：

人體的骨架由許多骨骼、肌腱和韌帶連接在一起從而構(gòu)成一個(gè)完美的框架。脊柱是人體非常重要的部分，其具有支撐身體、支撐頭部、運(yùn)動(dòng)、保護(hù)脊髓、協(xié)調(diào)和控制等功能。對(duì)頭部的支撐功能是至關(guān)重要的，因?yàn)轭i部須參與日?；顒?dòng)中的快速協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。因此，保護(hù)脊髓免受猝動(dòng)、沖擊和過(guò)勞影響是維持全身健康的關(guān)鍵。

除開(kāi)健康的脊髓之外，所有的身體關(guān)節(jié)以及韌帶和肌腱均須處于良好狀態(tài)人體才能保持適當(dāng)?shù)淖藙?shì)，進(jìn)行有效的運(yùn)動(dòng)或者移動(dòng)。

經(jīng)常進(jìn)行諸如抬舉或搬運(yùn)重物、頭頂或者背部搬運(yùn)重物，或從事其他類似勞苦活動(dòng)的人員需頻繁地彎曲和收縮身體部件，因而由于身體各部位的過(guò)度張緊和拉伸，可能導(dǎo)致腰痛、膝蓋疼痛、頸部疼痛、椎體脫位等身體疾病。不斷的辛苦勞作，如過(guò)多的彎曲、跪下和行走可能導(dǎo)致諸如脊柱炎、脊柱后凸或炎癥在內(nèi)的疾病。一些人也因此患得可改變脊柱本身形狀的骨質(zhì)疏松脊柱。

此類疾病通常使用高劑量的止痛藥或使用一般纏繞在身體易感部位的固定網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)或者彈性帶來(lái)進(jìn)行治療。一般所采用的策略是借助綁縛在這些身體部位周圍的縛帶來(lái)支撐脊柱和腰部，然而，這可能部分地或完全限制身體的運(yùn)動(dòng)。此類解決方案亦不能完全地輔助脊柱或腰部。

因此，長(zhǎng)期以來(lái)需要一種不僅可輔助人員抬舉重物還可支撐人員的彎曲姿勢(shì)、坐立姿勢(shì)，支撐人員進(jìn)行頭頂或背部搬運(yùn)負(fù)荷和長(zhǎng)距離行走，還可用作脊柱疾病如脊柱炎、脊柱后凸和炎癥的矯正措施的解決方案。

現(xiàn)有技術(shù)中，專利申請(qǐng)?zhí)朥S20080154165主要提出一種具有地板接觸構(gòu)件的體重支撐裝置。然而，由于致動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)單元和其它輔助部件的存在，這種外部供電的且以腿部為中心的裝置非常沉重。由本專利的發(fā)明人提交的印度專利申請(qǐng)?zhí)?155/DEL/2008所提出的一種縛帶不具備可附接構(gòu)件如腿部裝置、將頭部/腰部/背部的負(fù)荷分擔(dān)至地面的結(jié)構(gòu)、以及單點(diǎn)扭矩調(diào)節(jié)機(jī)械組件。另一現(xiàn)有技術(shù)專利US6041444提出了一種用于支撐使用者自身重量的負(fù)荷支撐腰帶，然而所公開(kāi)的腰帶并不能輔助行走或減少使用者所需承載或搬動(dòng)的總體或部分負(fù)荷。US4632096揭示了相同的功能，但其僅用于加固或支撐膝蓋。US5147261所公開(kāi)的發(fā)明可通過(guò)柔性縛帶約束腰部區(qū)域來(lái)輔助抬舉負(fù)荷而無(wú)需其它特別機(jī)構(gòu)。US6016869所公開(kāi)的裝置是一個(gè)用于輔助抬舉的笨重且龐大的蹬踏裝置。

本領(lǐng)域的上述現(xiàn)有發(fā)明均未公開(kāi)具備單點(diǎn)輔助扭矩調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的輕型裝置，該輕型裝置為自供電，重量輕，緊湊但有效，簡(jiǎn)單且用戶友好，其不僅可輔助人員抬舉重物，還可支撐人員的跪姿、彎曲姿態(tài)、側(cè)向彎曲姿態(tài)、坐立姿態(tài)、頭頂或背部搬運(yùn)負(fù)荷、長(zhǎng)距離行走，還可用作脊柱疾病如脊柱炎、脊柱后凸或炎癥的矯正措施，并且可有效減小所需人力以進(jìn)行各種自主性的且身體各部位可完全自由運(yùn)動(dòng)的肌肉動(dòng)作。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在描述本發(fā)明裝置及其部件和使用方法之前，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并不限于所描述的特定裝置及其結(jié)構(gòu)，因?yàn)榭赡艽嬖诙鄠€(gè)可能的實(shí)施例，雖然這些實(shí)施例未在本發(fā)明中明確揭示，但在權(quán)利要求所確定的本發(fā)明范疇內(nèi)其仍然是可實(shí)施的。還應(yīng)當(dāng)理解的是，在說(shuō)明書(shū)中所使用的術(shù)語(yǔ)僅僅是出于描述特定版本或?qū)嵤├哪康模⒉灰庠谙拗票景l(fā)明的范疇。本發(fā)明內(nèi)容不意在確定所要求保護(hù)的主題的必要特征，也不意在限定或限制所要求保護(hù)主題的范疇。

本發(fā)明的一方面提供一種單點(diǎn)扭矩調(diào)節(jié)機(jī)械組件，該機(jī)械組件通過(guò)調(diào)節(jié)杠桿臂的長(zhǎng)度從而非線性地改變扭矩，因此彈性機(jī)構(gòu)的固定端不需要發(fā)生移位。該機(jī)械組件包括上部元件、下部元件、具有固定端和自由端的彈性機(jī)構(gòu)、柔性不可伸長(zhǎng)元件或繩索、鉸鏈銷和軸、在其自由端具有單點(diǎn)的負(fù)荷/扭矩調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。在該機(jī)械組件中，上部元件通過(guò)鉸鏈銷和軸與下部元件可移動(dòng)地相互固定，且負(fù)荷調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的一端與上部元件的固定端可移動(dòng)地相互連接。柔性不可伸長(zhǎng)元件或繩索與彈性機(jī)構(gòu)的自由端和鉸鏈銷可移動(dòng)地相互固定或者可移動(dòng)地固定至彈性機(jī)構(gòu)的自由端和鉸鏈銷之間，且柔性不可伸長(zhǎng)元件穿過(guò)負(fù)荷調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的自由端。柔性不可伸長(zhǎng)元件或繩索的長(zhǎng)度相當(dāng)于或等于鉸鏈銷和負(fù)荷調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的自由端之間的距離以及負(fù)荷調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的自由端和彈性機(jī)構(gòu)的自由端之間的距離之和。該距離之和保持不變。

本發(fā)明的另一方面涉及一種輔助肌肉骨骼活動(dòng)的裝置，該裝置利用彈性機(jī)構(gòu)所存儲(chǔ)的勢(shì)能產(chǎn)生的反扭矩從而減小使用者返回至中性姿勢(shì)所需的人力。該裝置包括一個(gè)或多個(gè)縱向機(jī)械元件、可調(diào)節(jié)鉸鏈機(jī)構(gòu)；一個(gè)或多個(gè)彈性機(jī)構(gòu)；高度和扭矩/負(fù)荷調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)；以及一個(gè)或多個(gè)應(yīng)用于腰部、背部或肩部的縛帶連同可移動(dòng)地且彈性地連接至縛帶的大腿部元件。該裝置的整體特征為單點(diǎn)扭矩調(diào)節(jié)機(jī)械組件，當(dāng)使用者進(jìn)行肌肉骨骼活動(dòng)而從所述中性位置改變身體姿勢(shì)時(shí)，該裝置產(chǎn)生反扭矩，該反扭矩源自彈性機(jī)構(gòu)所存儲(chǔ)的勢(shì)能。單點(diǎn)扭矩調(diào)節(jié)機(jī)械組件具有可調(diào)節(jié)鉸鏈，該可調(diào)節(jié)鉸鏈連接至彈性機(jī)構(gòu)，該彈性機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)產(chǎn)生反扭矩以將使用者帶回至所述中性位置；可使用單點(diǎn)扭矩調(diào)節(jié)機(jī)械組件通過(guò)調(diào)節(jié)鉸鏈和單點(diǎn)之間的距離從而非線性地改變反扭矩，其中，軸作為旋轉(zhuǎn)軸線，而所述縱向距離作為杠桿臂。該單點(diǎn)扭矩調(diào)節(jié)機(jī)械組件設(shè)置有可調(diào)節(jié)鉸鏈且可應(yīng)用于脊柱、骨盆和膝關(guān)節(jié)，并進(jìn)一步具有輔助使用所述單點(diǎn)扭矩調(diào)節(jié)機(jī)械組件的延伸機(jī)構(gòu)。在另一方面，裝置還具有可附接結(jié)構(gòu)，用于分擔(dān)來(lái)自頭部、脊柱和背部的負(fù)荷并將所分擔(dān)的負(fù)荷傳遞至腰部和地面。因此，負(fù)荷可從頭部和背部傳遞至地面。

本發(fā)明的再一方面涉及一種利用裝置輔助肌肉骨骼活動(dòng)的方法，該裝置利用彈性機(jī)構(gòu)存儲(chǔ)的勢(shì)能所產(chǎn)生的反扭矩減小使用者返回中性位置所需的人力。根據(jù)該方法，當(dāng)使用者進(jìn)行肌肉骨骼活動(dòng)而從中性位置改變身體姿勢(shì)時(shí)，裝置可產(chǎn)生反扭矩，該反扭矩源自彈性機(jī)構(gòu)所存儲(chǔ)的勢(shì)能。單點(diǎn)扭矩調(diào)節(jié)機(jī)械組件具有可調(diào)節(jié)鉸鏈，該可調(diào)節(jié)鉸鏈連接至彈性機(jī)構(gòu)，該彈性機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)產(chǎn)生反扭矩以將使用者帶回至中性位置。可使用單點(diǎn)扭矩調(diào)節(jié)機(jī)械組件通過(guò)調(diào)節(jié)鉸鏈和單點(diǎn)之間的距離以非線性地改變反扭矩，其中，軸作為旋轉(zhuǎn)軸線，而縱向距離作為杠桿臂。該單點(diǎn)扭矩調(diào)節(jié)機(jī)械組件整合有可調(diào)節(jié)鉸鏈，其可應(yīng)用于脊柱、骨盆和膝關(guān)節(jié)，并進(jìn)一步具有輔助使用所述單點(diǎn)扭矩調(diào)節(jié)機(jī)械組件的延伸機(jī)構(gòu)。裝置還具有可附接結(jié)構(gòu)，用于分擔(dān)來(lái)自頭部、脊柱和背部的負(fù)荷并將所分擔(dān)的負(fù)荷傳遞至腰部和地面。因此負(fù)荷可從頭部和背部傳遞至地面。

本發(fā)明的又一方面還涉及一種輔助肌肉骨骼活動(dòng)的裝置，該裝置能夠分擔(dān)使用者身體各部位的負(fù)荷并將負(fù)荷傳遞至地面。該裝置包括一個(gè)或多個(gè)應(yīng)用于腰部111、背部107或肩部106的縛帶/綁帶；以及一個(gè)或多個(gè)身體適應(yīng)性肩部元件101、大腿部元件102、小腿部元件103和具有身體形狀適應(yīng)性輪廓并用以承載負(fù)荷的結(jié)構(gòu)601，該結(jié)構(gòu)601的上側(cè)利用可移動(dòng)固定機(jī)構(gòu)被安裝至背帶107，其特征在于，結(jié)構(gòu)601上可形成平臺(tái)或懸臂梁，其可將頭部的負(fù)荷傳遞至縛帶，進(jìn)一步地，縛帶可將負(fù)荷傳遞至腿部并最終傳遞至地面。

附圖說(shuō)明

以下的具體實(shí)施方式參照說(shuō)明書(shū)附圖進(jìn)行描述。附圖中各附圖標(biāo)記最左邊的數(shù)位表示該附圖標(biāo)記首次出現(xiàn)的附圖。附圖中所使用的相同的附圖標(biāo)記指代類似的特征或部件。

圖1A為本發(fā)明一實(shí)施例所揭示的一種縛帶裝置的示意圖。

圖1B為本發(fā)明一實(shí)施例所揭示的一種配備可附接腿部設(shè)備/元件的裝置的示意圖。

圖2為本發(fā)明一實(shí)施例所揭示的一種利用與單點(diǎn)扭矩/負(fù)荷調(diào)節(jié)機(jī)械組件113連接的鉸鏈機(jī)構(gòu)104所產(chǎn)生的反扭矩來(lái)減小所需人力的方法。

圖3為本發(fā)明一實(shí)施例所揭示的一種對(duì)負(fù)荷機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)的延伸機(jī)構(gòu)的示意圖。

圖4為本發(fā)明一實(shí)施例所揭示的一種單點(diǎn)扭矩/負(fù)荷調(diào)節(jié)機(jī)械組件的示意圖。

圖5為本發(fā)明一實(shí)施例所揭示的裝置在各姿勢(shì)下的元件分解視圖和組裝視圖，該裝置進(jìn)一步包括足部元件120用以將負(fù)荷從該裝置轉(zhuǎn)移至地面。

圖6為本發(fā)明一實(shí)施例所揭示的一種承載負(fù)荷的附加結(jié)構(gòu)的示意圖，該附加結(jié)構(gòu)可通過(guò)縛帶固定至腰部和背部。

圖7為本發(fā)明一實(shí)施例所揭示的當(dāng)使用者穿戴本發(fā)明裝置并使用長(zhǎng)1cm的杠桿臂時(shí)相關(guān)的扭矩和負(fù)荷的結(jié)果圖。

圖8為本發(fā)明一實(shí)施例所揭示的當(dāng)使用者穿戴本發(fā)明裝置并使用長(zhǎng)2cm的杠桿臂時(shí)相關(guān)的扭矩和負(fù)荷的結(jié)果圖。

圖9為本發(fā)明一實(shí)施例所揭示的當(dāng)使用者穿戴本發(fā)明裝置并使用長(zhǎng)3cm的杠桿臂時(shí)相關(guān)的扭矩和負(fù)荷的結(jié)果圖。

圖10為本發(fā)明一實(shí)施例所揭示的當(dāng)使用者穿戴本發(fā)明裝置并使用長(zhǎng)4cm的杠桿臂時(shí)相關(guān)的扭矩和負(fù)荷的結(jié)果圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明涉及一種在抬舉重物、跪坐、彎曲和行走過(guò)程中支撐和輔助身體的改進(jìn)的縛帶。更具體地，該縛帶(本說(shuō)明書(shū)中各情形下亦稱為裝置)包括具有可調(diào)節(jié)鉸鏈的單點(diǎn)扭矩調(diào)節(jié)機(jī)械組件以及彈性機(jī)構(gòu)，其中，當(dāng)使用者從中性位置處改變姿勢(shì)時(shí)，彈性機(jī)構(gòu)可存儲(chǔ)勢(shì)能并輔助身體返回至中性位置。

本發(fā)明中，“中性位置”可以是關(guān)節(jié)無(wú)彎曲并且脊柱和腿對(duì)齊且不發(fā)生扭曲的姿勢(shì)。詞語(yǔ)“負(fù)荷”、“扭矩”和“輔助扭矩”可互換使用并具有類似含義。

本發(fā)明中，“彈性機(jī)構(gòu)”可以是在發(fā)生彎曲、拉伸或壓縮之后能夠反彈或返回原本形狀的物體。彈性機(jī)構(gòu)可包括彈簧、液壓氣動(dòng)裝置、彈性縷、彈性繩、環(huán)帶等。在本發(fā)明一實(shí)施例中，彈性機(jī)構(gòu)可具有動(dòng)力或者不具有動(dòng)力。

本發(fā)明中，“肌肉骨骼活動(dòng)”可包括跪、坐、走、跑、上/下彎曲、向前/向后彎曲和向左/向右旋轉(zhuǎn)、搬運(yùn)和拾取負(fù)荷在內(nèi)的人類動(dòng)作，以及其他具備各種持續(xù)時(shí)間和頻率的類似活動(dòng)。

本發(fā)明中，詞語(yǔ)“系統(tǒng)”和“裝置”同樣可互換使用。

本發(fā)明中，包括扭矩、負(fù)荷、角度、長(zhǎng)度等在內(nèi)的表格、圖表或數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的所有結(jié)果均應(yīng)被考慮為在給定值的±10％的范圍內(nèi)浮動(dòng)。例如，100N-cm的扭矩應(yīng)當(dāng)考慮為在90N-cm至110N-cm的范圍內(nèi)浮動(dòng)的值。應(yīng)當(dāng)理解，圖表或數(shù)值數(shù)據(jù)基于利用所描述的特定組的實(shí)施例和配置而開(kāi)發(fā)的原型，但其并不對(duì)裝置和方法產(chǎn)生限制，因?yàn)榭赡艽嬖谖从诒景l(fā)明中明確揭示的多個(gè)可能實(shí)施例。

圖1為本發(fā)明一實(shí)施例所揭示的一種縛帶的示意圖。在該縛帶中，位于使用者左側(cè)的元件可稱為左部元件，而位于使用者右側(cè)的元件可稱為右部元件。每個(gè)縱向元件可由具備擴(kuò)展性和接合-分離配置的至少兩個(gè)或三個(gè)子元件制成。附接至肩部的上部子元件可以稱為肩部元件101，附接至大腿部的子元件可以稱為大腿部元件102，而附接至小腿的子元件可稱為小腿部元件103。縱向元件的每個(gè)子元件的尺寸是可調(diào)節(jié)的，并且這些子元件通過(guò)一個(gè)或兩個(gè)鉸鏈機(jī)構(gòu)104(也稱作鉸鏈)進(jìn)行連接，其中，鉸鏈機(jī)構(gòu)104連接至單點(diǎn)扭矩/負(fù)荷調(diào)節(jié)機(jī)械組件113，并具有彈性機(jī)構(gòu)105或動(dòng)力彈性機(jī)構(gòu)或兩者均具有。肩部元件101的上端可具有緩沖帶106，而肩部元件101的下端可通過(guò)鉸鏈和單點(diǎn)扭矩調(diào)節(jié)機(jī)械組件104連接至大腿元件102的上端。緩沖帶106可將肩部和肩部元件101緊握在一起。兩側(cè)的肩部元件101可通過(guò)稱作背帶107的彈性元件相連接。肩部元件101的上端可具有調(diào)節(jié)肩部元件101的長(zhǎng)度的機(jī)構(gòu)，并可進(jìn)一步具有適應(yīng)性和尺寸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)115，以提升其人體工學(xué)舒適性。鉸鏈機(jī)構(gòu)104可與單點(diǎn)扭矩/負(fù)荷調(diào)節(jié)機(jī)械組件113連接，該單點(diǎn)扭矩/負(fù)荷調(diào)節(jié)機(jī)械組件113可將肩部元件101的下端和大腿部元件102的上端可移動(dòng)地連接在一起。

鉸鏈機(jī)構(gòu)可包括負(fù)荷調(diào)節(jié)管108和按鈕109機(jī)構(gòu)，其中，負(fù)荷調(diào)節(jié)管108可與肩部元件101的下端可移動(dòng)地連接，且按鈕109機(jī)構(gòu)用于將負(fù)荷調(diào)節(jié)管108固定在特定位置。負(fù)荷調(diào)節(jié)管108的特定位置可決定鉸鏈機(jī)構(gòu)的負(fù)荷和扭矩。不可伸長(zhǎng)的柔性元件或繩索114可將彈性機(jī)構(gòu)105或動(dòng)力彈性裝置的上端連接至鉸鏈銷110，并且柔性元件或繩索114穿過(guò)負(fù)荷調(diào)節(jié)管108下端的單點(diǎn)116。鉸鏈銷110可以是鉸鏈機(jī)構(gòu)的一部分，其可與肩部元件101的下端相互固定并可移動(dòng)地連接至鉸鏈的軸118。彈性元件105或動(dòng)力彈性元件的另一端可固定至大腿部元件102的下端。

在一實(shí)施例中，當(dāng)使用者向下彎曲時(shí)，本發(fā)明裝置可在不可伸長(zhǎng)的柔性元件中產(chǎn)生張力，進(jìn)而將負(fù)荷傳遞至彈性機(jī)構(gòu)105。如此，勢(shì)能便儲(chǔ)存在彈性機(jī)構(gòu)105中，并且連接至單點(diǎn)扭矩/負(fù)荷調(diào)節(jié)機(jī)械組件113的鉸鏈機(jī)構(gòu)104可通過(guò)腰帶為使用者的背部和腰部提供反向支撐。當(dāng)使用者趨于向上彎曲和站立時(shí)，所存儲(chǔ)的勢(shì)能即可輔助使用者。負(fù)荷調(diào)節(jié)管108的不同位置或者說(shuō)r和l的不同組合可確保鉸鏈的杠桿臂取不同長(zhǎng)度進(jìn)而致使彈性機(jī)構(gòu)105伸長(zhǎng)不同的距離。若調(diào)節(jié)負(fù)荷調(diào)節(jié)管108的位置以增大杠桿臂長(zhǎng)度，則鉸鏈可提供更多的反扭矩或可增加反負(fù)荷，從而致使鉸鏈承載更多的負(fù)荷，反之亦然。柔性不可伸長(zhǎng)元件或繩索114的長(zhǎng)度等于r(OA)和l(AB)的長(zhǎng)度之和，而相對(duì)于不同的杠桿臂長(zhǎng)度，柔性不可伸長(zhǎng)元件或繩索114的長(zhǎng)度保持不變。大腿部元件102或縱向元件中每個(gè)元件均可與腰帶111可移動(dòng)地連接。腰帶111可以是緩沖柔性元件，用于纏繞在使用者的腰部或身體周圍。腰帶111可將位于腰部的兩個(gè)縱向元件連接在一起，并進(jìn)一步將其連接至使用者的腰部。大腿部元件102的下端具有墊狀結(jié)構(gòu)和緩沖帶112，該緩沖帶112可將大腿部元件102夾持至大腿。墊狀結(jié)構(gòu)可在大腿部元件102的不同位置之間進(jìn)行調(diào)節(jié)，并可具備不同的人體工學(xué)特性和用戶友好的形狀和配置，使其能夠穿戴在諸如裙子和紗麗(Sarees)的衣服上而無(wú)需將其系在或綁在大腿周圍。大腿部元件102的下端通過(guò)另一個(gè)鉸鏈104和負(fù)荷/扭矩調(diào)節(jié)機(jī)械組件113可移動(dòng)地連接至小腿部元件103，此處的鉸鏈機(jī)構(gòu)104類似于上述在肩部元件101的下端與單點(diǎn)扭矩/負(fù)荷調(diào)節(jié)機(jī)械組件113連接的鉸鏈機(jī)構(gòu)104，但這里的鉸鏈機(jī)構(gòu)104是用于膝蓋。小腿部元件103的下端可具有襯墊和緩沖帶117以使小腿部元件103和小腿緊握，且本發(fā)明裝置可進(jìn)一步具有與小腿部元件103的下端可移動(dòng)地固定在一起的腳部元件120，其用于將負(fù)荷和重量傳遞至地面。連接至單點(diǎn)扭矩/負(fù)荷調(diào)節(jié)機(jī)械組件113的鉸鏈機(jī)構(gòu)104可支撐并輔助使用者的膝部。當(dāng)使用者坐下或通過(guò)膝蓋彎折腿部時(shí)，勢(shì)能便可存儲(chǔ)在彈性機(jī)構(gòu)105或動(dòng)力彈性機(jī)構(gòu)中。同樣的能量可在使用者站立期間或進(jìn)行肌肉骨骼活動(dòng)時(shí)支撐和輔助使用者。

在一實(shí)施方式中，可在負(fù)荷調(diào)節(jié)管108上方和肩部元件101下方設(shè)置適應(yīng)性可調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)115，用來(lái)為相關(guān)使用者調(diào)節(jié)裝置的高度。該調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可提升本發(fā)明裝置的人體工程舒適性從而使得本發(fā)明裝置符合用戶-設(shè)備之間的工作環(huán)境。在另一實(shí)施例中，肩部元件101內(nèi)部可設(shè)置彈簧或者彈性機(jī)構(gòu)502，用于輔助調(diào)節(jié)尺寸；具體地，當(dāng)使用者向下彎曲時(shí)彈簧或彈性機(jī)構(gòu)502被壓縮，而當(dāng)使用者向上彎曲時(shí)其可返回正常形狀，從而確保肩部元件與肩部的移動(dòng)情況相一致。

圖1B為本發(fā)明一實(shí)施例所揭示的組件連同腿部元件或腿部裝置的示意圖。在另一實(shí)施例中，揭示了一種可在使用者的行走和坐立姿勢(shì)下確保小腿部元件103可運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)可具有將肩部元件101連接至小腿部元件103的構(gòu)件。小腿部元件103可將重量和負(fù)荷從使用者身上轉(zhuǎn)移至地面和身體的下部，從而將抬舉沉重負(fù)荷和進(jìn)行劇烈活動(dòng)可能產(chǎn)生的不利后果最小化。該機(jī)構(gòu)還可在使用者半坐、站立、頻繁坐下時(shí)輔助使用者。

在人員穿戴本發(fā)明的縛帶系統(tǒng)的情況下，當(dāng)人員向上/向下彎曲，坐下或站立的同時(shí)抬舉重物，或正在進(jìn)行任何其他劇烈活動(dòng)時(shí)，施加在人員身體各部分的應(yīng)變和應(yīng)力可被彈性機(jī)構(gòu)105提供的彈性力吸收，從而使得人員的背部、腰部和膝部可自由運(yùn)動(dòng)，而不存在導(dǎo)致不利后果的風(fēng)險(xiǎn)。

圖2為本發(fā)明一實(shí)施例所揭示的一種通過(guò)利用連接至單點(diǎn)扭矩/負(fù)荷調(diào)節(jié)機(jī)械組件113的鉸鏈機(jī)構(gòu)104產(chǎn)生的反扭矩來(lái)降低人力需求的裝置和方法。在一實(shí)施方式中，連接至單點(diǎn)扭矩/負(fù)荷調(diào)節(jié)機(jī)械組件113的鉸鏈機(jī)構(gòu)104的上部可包括負(fù)荷調(diào)節(jié)管108和按鈕109機(jī)構(gòu)。負(fù)荷調(diào)節(jié)管上可限定凹槽或孔，其用于根據(jù)所需負(fù)載與按鈕109進(jìn)行卡合。長(zhǎng)度OA代表杠桿臂，其用于在設(shè)備中非線性地改變扭矩和反扭矩，這是因?yàn)榕ぞ嘏c杠桿臂的長(zhǎng)度和所施加的力成正比。點(diǎn)O可保持固定。負(fù)荷調(diào)節(jié)管108可在肩部元件101的下端滑動(dòng)以改變杠桿臂的長(zhǎng)度。柔性不可伸長(zhǎng)元件將鉸鏈的點(diǎn)O連接至彈性機(jī)構(gòu)105或動(dòng)力彈性機(jī)構(gòu)的上端B，該柔性不可伸長(zhǎng)元件的長(zhǎng)度等于AO和AB之和，并且該柔性不可伸長(zhǎng)元件經(jīng)過(guò)單點(diǎn)A。當(dāng)使用者向下彎曲、跪下或坐下時(shí)，彈性機(jī)構(gòu)105或者動(dòng)力彈性機(jī)構(gòu)可存儲(chǔ)勢(shì)能。所存儲(chǔ)的勢(shì)能可在距點(diǎn)O距離為AO的單點(diǎn)A處對(duì)負(fù)荷調(diào)節(jié)管施加力的作用，并最終憑借杠桿臂產(chǎn)生扭矩。單點(diǎn)扭矩調(diào)節(jié)機(jī)械組件113通過(guò)調(diào)節(jié)杠桿臂(r)的長(zhǎng)度來(lái)調(diào)節(jié)扭矩，因而彈性機(jī)構(gòu)105的下端/第二端D無(wú)法發(fā)生移位。在該鉸鏈機(jī)構(gòu)104中，長(zhǎng)度OD及長(zhǎng)度l和r之和均可保持不變；不需要調(diào)節(jié)彈性機(jī)構(gòu)105中的預(yù)負(fù)荷/張力；并且鉸鏈機(jī)構(gòu)104具有負(fù)荷調(diào)節(jié)管108和柔性不可伸長(zhǎng)元件或鋼絲繩114，其中，負(fù)荷調(diào)節(jié)管108在其下端具有單點(diǎn)(A)116。長(zhǎng)度為(l+r)的柔性不可延長(zhǎng)元件或鋼絲繩114通過(guò)負(fù)荷調(diào)節(jié)管108的單點(diǎn)(A)將彈性機(jī)構(gòu)105的上端連接至鉸鏈銷。負(fù)荷調(diào)節(jié)管108可在肩部元件101下端和大腿部元件102處進(jìn)行滑動(dòng)以改變杠桿臂的長(zhǎng)度，從而產(chǎn)生非線性可變反扭矩以減小肌肉骨骼動(dòng)作過(guò)程中所需的人力。負(fù)荷調(diào)節(jié)管108可使用接合/分離按鈕109從而相對(duì)于肩部元件101的下端進(jìn)行鎖定/解鎖；可選地，負(fù)荷調(diào)節(jié)管108包括延伸機(jī)構(gòu)以輔助負(fù)荷調(diào)節(jié)管108的鎖定/解鎖和滑動(dòng)用以調(diào)節(jié)扭矩；單點(diǎn)扭矩調(diào)節(jié)機(jī)械組件可使用或應(yīng)用于其他用途，例如類人動(dòng)物、外骨骼以及其他應(yīng)用和設(shè)備。

圖2B揭示了本發(fā)明一實(shí)施例所提供的具有鉸鏈的替代性配置的類似機(jī)構(gòu)，該鉸鏈具有負(fù)荷調(diào)節(jié)管108和彈性機(jī)構(gòu)。該替代性配置在功能上可以與圖2A所示方式類似的方式工作，其區(qū)別之處在于該替代性配置的元件可具有不同的方向，如圖2B所示。

圖3為本發(fā)明一實(shí)施例所揭示的一種用于調(diào)節(jié)負(fù)載的延伸機(jī)構(gòu)301。在一實(shí)施例中，本發(fā)明裝置可配備延伸機(jī)構(gòu)301以使得使用者可通過(guò)調(diào)節(jié)負(fù)荷調(diào)節(jié)管108和接合/分離按鈕109來(lái)調(diào)節(jié)扭矩。該裝置可包括一個(gè)或多個(gè)延伸機(jī)構(gòu)301，用以調(diào)整位于腰部的鉸鏈104和負(fù)載調(diào)節(jié)機(jī)械組件113的負(fù)荷，以及位于膝蓋處的應(yīng)用于小腿部元件103的的鉸鏈和負(fù)載調(diào)節(jié)機(jī)械組件113的負(fù)載。所述用于調(diào)節(jié)負(fù)載的延伸機(jī)構(gòu)301可位于腰部前方或任何使用者容易接近的、比單點(diǎn)扭矩/負(fù)載調(diào)節(jié)機(jī)械組件113和鉸鏈機(jī)構(gòu)104相連接的位置更為優(yōu)選的部位。鎖定機(jī)構(gòu)可幫助使用者調(diào)節(jié)扭矩。

在一實(shí)施例中，用于調(diào)節(jié)負(fù)載的延伸機(jī)構(gòu)301包括鎖定元件302、一條或多條連接至按鈕109的金屬線303(按鈕109穿過(guò)鎖定元件302并可通過(guò)緊固裝置附接至負(fù)荷調(diào)節(jié)管108)、一端連接至固定支撐件且另一端連接至負(fù)荷調(diào)節(jié)管108的拉伸彈簧304、連接至按鈕109的壓縮彈簧305，其中，該壓縮彈簧305的壓縮力致使按鈕109插入負(fù)載管108的孔或槽中。金屬線306用于滑動(dòng)負(fù)荷管108，而金屬線307用于接合/分離按鈕109。一條或多條金屬線306、307可被鎖定在鎖定元件302處。在一實(shí)施方式中，當(dāng)使用者按壓旋鈕308以拉動(dòng)金屬線307時(shí)，按鈕109被解鎖，進(jìn)一步地，當(dāng)使用者在鎖定元件302上移動(dòng)旋鈕308時(shí)，負(fù)荷調(diào)節(jié)管108可發(fā)生滑動(dòng)。默認(rèn)狀態(tài)下，由于壓縮彈簧305的壓縮按鈕109將被鎖定。在拉伸彈簧304的默認(rèn)作用下，負(fù)荷調(diào)節(jié)管108將被設(shè)定在最小的杠桿臂長(zhǎng)度處。當(dāng)在壓縮彈簧305的壓縮作用下到達(dá)后一個(gè)或前一個(gè)槽時(shí)，按鈕109可自動(dòng)接合。拉伸彈簧304可使得負(fù)荷調(diào)節(jié)管趨于返回至最小杠桿臂長(zhǎng)度位置，這是因?yàn)閺椈傻膹埩ζ仁关?fù)荷調(diào)節(jié)管108朝向鉸鏈銷110或鉸鏈的旋轉(zhuǎn)軸線/軸118移動(dòng)。因此，利用負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)負(fù)荷的延伸機(jī)構(gòu)301，使用者可容易調(diào)節(jié)裝置的扭矩和負(fù)荷承載能力。一個(gè)負(fù)荷調(diào)節(jié)管108所對(duì)應(yīng)的金屬線303可以是連續(xù)的，盡管其看似是從鎖定元件302延伸出來(lái)的兩根線。每條主金屬線303可對(duì)應(yīng)各自的左側(cè)或右側(cè)負(fù)荷調(diào)節(jié)管108。

圖4為本發(fā)明一實(shí)施例所揭示的一種單點(diǎn)扭矩/負(fù)荷調(diào)節(jié)機(jī)械組件的示意圖。該單點(diǎn)扭矩調(diào)節(jié)機(jī)械組件通過(guò)調(diào)節(jié)杠桿臂的長(zhǎng)度從而非線性地改變扭矩，因此彈性機(jī)構(gòu)105′的固定端無(wú)需發(fā)生移位。該組件機(jī)構(gòu)可包括上部元件101′、下部元件102′、具有固定端和自由端119′的彈性機(jī)構(gòu)105′、柔性不可伸長(zhǎng)元件或繩索114′、鉸鏈銷110′和軸118′、在其自由端116′具有單點(diǎn)的一個(gè)或多個(gè)單點(diǎn)扭矩/負(fù)荷調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)113′。在該機(jī)械組件中，上部元件101′通過(guò)鉸鏈銷110′和軸118′與下部元件102′可移動(dòng)地固定在一起，負(fù)荷調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)108的一端與上部元件101′的固定端可移動(dòng)地連接在一起。柔性不可伸長(zhǎng)元件或繩索114′與彈性機(jī)構(gòu)的自由端119′和鉸鏈銷110′可移動(dòng)地相互固定或可移動(dòng)地固定至彈性機(jī)構(gòu)的自由端119′和鉸鏈銷110′之間，且該柔性不可伸長(zhǎng)元件114′穿過(guò)負(fù)荷調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)108′的自由端116。柔性不可伸長(zhǎng)元件或繩索114′的長(zhǎng)度等于或相當(dāng)于鉸鏈銷110′與負(fù)載調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)108′的自由端116′之間的距離以及負(fù)荷調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的自由端116′和彈性機(jī)構(gòu)的自由端119′之間的距離之和。該距離之和可保持不變。負(fù)荷調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)108′可在上部元件101′的下端滑動(dòng)以改變杠桿臂的長(zhǎng)度從而產(chǎn)生非線性的可變反扭矩。鉸鏈銷110′和軸118′可替換為球窩接頭。進(jìn)一步地，在該機(jī)構(gòu)中無(wú)需調(diào)節(jié)彈性機(jī)構(gòu)105′的預(yù)載荷/張力。負(fù)載調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)108′可利用接合/分離機(jī)構(gòu)109′而相對(duì)上部元件101′的下端進(jìn)行鎖定/解鎖。可選地，前述機(jī)制可包括擴(kuò)展機(jī)構(gòu)，以輔助負(fù)載調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)108′的鎖定/解鎖和滑動(dòng)用以調(diào)節(jié)扭矩。

圖5為本發(fā)明一實(shí)施例所揭示的裝置在各姿勢(shì)下的元件分解視圖和組裝視圖，該裝置進(jìn)一步包括足部元件120用以將負(fù)荷從該裝置轉(zhuǎn)移至地面。根據(jù)一實(shí)施例，縛帶的工作原理通過(guò)多種姿勢(shì)進(jìn)行說(shuō)明。圖1-A為本發(fā)明裝置的元件分解圖，其中，從頂部到底部，該裝置包括肩部元件101、負(fù)荷調(diào)節(jié)管108、按鈕109、繩索114、鉸鏈104、彈性機(jī)構(gòu)105、下部鉸鏈和彈性機(jī)構(gòu)、以及負(fù)責(zé)將負(fù)荷轉(zhuǎn)移至地面的足部元件120。圖1-B所示的組裝設(shè)備處于中性位置，在該中性位置下使用者(未顯示)的任何關(guān)節(jié)或肌肉均未發(fā)生彎曲或扭曲。在中性位置或姿態(tài)下，鉸鏈可處于零度彎曲狀態(tài)，且彈性機(jī)構(gòu)105也可位于未加載位置處。圖4-C所示的組裝縛帶代表坐立姿態(tài)。延伸后的小腿部元件103可包括足部元件120，該足部元件120可將負(fù)載從身體傳遞至小腿部元件103并最終傳遞至地面。在該極限位置，腰部和膝蓋處的所有鉸鏈以及所有彈性機(jī)構(gòu)105均發(fā)生作用以對(duì)抗施加在使用者身上的負(fù)荷。

現(xiàn)請(qǐng)參照?qǐng)D6，背帶107上額外附加了結(jié)構(gòu)601用以承載負(fù)荷，結(jié)構(gòu)601可在位于樞轉(zhuǎn)點(diǎn)602的機(jī)械元件處進(jìn)行樞轉(zhuǎn)，位于該樞轉(zhuǎn)點(diǎn)602的機(jī)械元件可連接3D或簡(jiǎn)單鉸鏈603，且結(jié)構(gòu)601的上方安裝至背帶107。在另一實(shí)施例中，本發(fā)明裝置還可配備負(fù)荷承載結(jié)構(gòu)，該負(fù)荷承載結(jié)構(gòu)可在靠近將兩個(gè)3D鉸鏈603連接在一起的機(jī)械元件處附接至裝置背部，且該負(fù)荷承載結(jié)構(gòu)上方可安裝至背帶107。3D鉸鏈603安裝在肩部元件的下端(內(nèi)管)。若從使用者的左側(cè)進(jìn)行觀察，則結(jié)構(gòu)601可顯示為連續(xù)的Z形輪廓。結(jié)構(gòu)601的上部可用于承載頭部的負(fù)荷。結(jié)構(gòu)601的上部可形成為平臺(tái)或懸臂梁，用以將頭部的負(fù)荷傳遞并分擔(dān)至縛帶，進(jìn)而縛帶可將負(fù)荷傳遞至腿部并最終傳遞至地面。在一實(shí)施方式中，負(fù)荷也可在下部平臺(tái)的幫助下承載于背部，也即，下部平臺(tái)亦可以用作負(fù)載梁。下部的負(fù)荷可通過(guò)插入樞軸從而傳遞至裝置，而樞軸可在樞軸點(diǎn)處將結(jié)構(gòu)601和裝置連接在一起。因此，利用附接有結(jié)構(gòu)601的裝置可容易地抬舉袋裝的谷物、水泥或任何其它材料。將3d鉸鏈603和結(jié)構(gòu)上側(cè)連接起來(lái)的機(jī)械元件可樞轉(zhuǎn)地安裝在后帶107處。3D鉸鏈603安裝在肩部元件的下端(內(nèi)管)。

在一實(shí)施方式中，可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)601的依附情況使得結(jié)構(gòu)保持垂直取向。結(jié)構(gòu)601可在樞轉(zhuǎn)點(diǎn)602處即將兩個(gè)3D鉸鏈603連接起來(lái)的機(jī)械元件處進(jìn)行樞轉(zhuǎn)，其中，結(jié)構(gòu)上方安裝至背帶107。3D鉸鏈603安裝至肩部元件的下端(內(nèi)管)，當(dāng)使用者進(jìn)行包括屈曲、彎曲、伴隨旋轉(zhuǎn)的彎曲或非平坦步進(jìn)在內(nèi)的動(dòng)作時(shí)，上述配置可允許結(jié)構(gòu)在多個(gè)方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。當(dāng)使用者起身或降低時(shí)，由于3D鉸鏈或多向接頭603的作用，結(jié)構(gòu)601的取向可保持不變。因此，即便使用者的姿勢(shì)可能不垂直，利用多向接頭601可使得結(jié)構(gòu)601保持正確的垂直取向，。

圖7為本發(fā)明一實(shí)施例所揭示的扭矩相對(duì)于彎曲角度而發(fā)生的非線性變化的示意圖，其中，橫坐標(biāo)上的扭矩揭示使用者腰部負(fù)載的減小，縱坐標(biāo)代表彎曲角度。下面的表1代表自重70kg、身高180cm的使用者利用1cm杠桿臂抬舉20kg負(fù)荷的相關(guān)數(shù)據(jù)。

表1

圖8為本發(fā)明一實(shí)施例所揭示的扭矩相對(duì)于彎曲角度而發(fā)生的非線性變化的示意圖，其中，橫坐標(biāo)上的扭矩揭示使用者腰部負(fù)載的減小，縱坐標(biāo)代表彎曲角度。下面的表2代表自重70kg、身高180cm的使用者利用2cm杠桿臂抬舉20kg負(fù)荷的相關(guān)數(shù)據(jù)。

表2

圖9為本發(fā)明一實(shí)施例所揭示的扭矩相對(duì)于彎曲角度而發(fā)生的非線性變化的示意圖，其中，橫坐標(biāo)上的扭矩揭示使用者腰部負(fù)載的減小，縱坐標(biāo)代表彎曲角度。下面的表3代表自重70kg、身高180cm的使用者利用3cm杠桿臂抬舉20kg負(fù)荷的相關(guān)數(shù)據(jù)。

表3

圖10為本發(fā)明一實(shí)施例所揭示的扭矩相對(duì)于彎曲角度而發(fā)生的非線性變化的示意圖，其中，橫坐標(biāo)上的扭矩揭示使用者腰部負(fù)載的減小，縱坐標(biāo)代表彎曲角度。下面的表4代表自重70kg、身高180cm的使用者利用4cm杠桿臂抬舉20kg負(fù)荷的相關(guān)數(shù)據(jù)。

表4

在一實(shí)施方式中，通過(guò)觀察上述表1到表4中的數(shù)據(jù)之后，可得出以下結(jié)論，即在杠桿臂長(zhǎng)度4cm處可獲得最大扭矩，換言之，最大的杠桿臂長(zhǎng)度可提供最大扭矩。不考慮最大扭矩外，在角度80-110度之間可觀察到每個(gè)杠桿臂長(zhǎng)度所對(duì)應(yīng)的最大扭矩。

根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，本發(fā)明裝置可應(yīng)用于以下領(lǐng)域或情形：

1)國(guó)防軍，軍隊(duì)中士兵需不斷奔跑，彎曲，爬行，有時(shí)可能處于非常不舒服的姿勢(shì)；

2)施工現(xiàn)場(chǎng)，勞動(dòng)者和技術(shù)人員需在進(jìn)行彎曲和收縮等活動(dòng)的同時(shí)搬運(yùn)重物，或者需保持其他姿勢(shì)如在極限低位或高位進(jìn)行鉆孔、錘擊等；

3)負(fù)責(zé)家庭工作的人員，例如家庭作業(yè)者需進(jìn)行大量肌肉骨骼活動(dòng)如彎曲、跪下等各類任務(wù)；

4)各類工業(yè)，工人須在諸如車床、鉆孔和銑削機(jī)器上進(jìn)行諸如工件等沉重負(fù)荷的搬運(yùn)；

5)老年人，其骨骼由于鈣含量低而發(fā)生退化，因而需要支撐其行走、彎曲、坐下或站立；

6)農(nóng)業(yè)，農(nóng)民必須不斷彎腰以在地面上插播種子，并搬運(yùn)重物將其儲(chǔ)存至倉(cāng)庫(kù)中；

7)醫(yī)療領(lǐng)域，患有脊柱后凸、脊柱炎和其他類似障礙的患者不便彎曲和坐下。

上述說(shuō)明書(shū)、權(quán)利要求書(shū)或以下附圖中所揭示的實(shí)施例、示例和替代方案可單獨(dú)考慮或以任何組合的形式進(jìn)行考慮。結(jié)合某個(gè)實(shí)施例所描述的特征可應(yīng)用于任何實(shí)施例，當(dāng)這些特征不兼容時(shí)除外。在不脫離本發(fā)明的精神或本質(zhì)特征的情況下，本發(fā)明可以許多其它形式進(jìn)行實(shí)施或執(zhí)行，而以上詳細(xì)描述的本發(fā)明實(shí)施例僅用于說(shuō)明的目的。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于所描述的實(shí)施例，可對(duì)本發(fā)明進(jìn)行諸多本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的變化和修改，而對(duì)本發(fā)明裝置的所有變化或修改包括部件的重新配置，均將落入本發(fā)明的范疇之內(nèi)。