CN106659629B - 一种改进的用于支撑身体的缚带系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单点扭矩调节机械组件和在进行肌肉骨骼活动如抬举重物、跪坐、弯曲和行走过程中支撑和辅助身体的改进的缚带装置和使用方法。该缚带具有单点扭矩调节机械组件，该单点扭矩调节机械组件具有铰链连同弹性机构，当使用者从中性位置改变姿势时，该弹性机构存储势能并可帮助身体返回至该中性位置。该缚带利用一结构以分担来自头部、颈部的负荷并将负荷导至腰部和地面。本发明装置可防止使用者患得脊椎炎，脊柱后凸或骨质疏松。本发明装置适用于需进行频繁地肌肉工作如在上下弯曲的同时搬运沉重负荷、久坐、行走等的用户。

Description

一种改进的用于支撑身体的缚带系统

相关申请的交叉引用和优先权

本申请主张于2015年12月17日提交的PCT申请号 PCT/IB2015/059722的优先权，该PCT申请进一步主张申请日为2014年12 月18日的印度临时专利申请号3750/DEL/2014的优先权。

技术领域

本发明涉及一种单点扭矩调节机械组件。更具体地，本发明涉及一种具有单点扭矩调节机械组件的装置以及一种连接至弹性机构的可调节铰链，其用以减少所需人力以及辅助膝盖和腰部，进而分担来自头部、背部、脊柱、腰部及膝盖的负荷并将负荷转移至地面。

背景技术

人体的骨架由许多骨骼、肌腱和韧带连接在一起从而构成一个完美的框架。脊柱是人体非常重要的部分，其具有支撑身体、支撑头部、运动、保护脊髓、协调和控制等功能。对头部的支撑功能是至关重要的，因为颈部须参与日常活动中的快速协调运动。因此，保护脊髓免受猝动、冲击和过劳影响是维持全身健康的关键。

除开健康的脊髓之外，所有的身体关节以及韧带和肌腱均须处于良好状态人体才能保持适当的姿势，进行有效的运动或者移动。

经常进行诸如抬举或搬运重物、头顶或者背部搬运重物，或从事其他类似劳苦活动的人员需频繁地弯曲和收缩身体部件，因而由于身体各部位的过度张紧和拉伸，可能导致腰痛、膝盖疼痛、颈部疼痛、椎体脱位等身体疾病。不断的辛苦劳作，如过多的弯曲、跪下和行走可能导致诸如脊柱炎、脊柱后凸或炎症在内的疾病。一些人也因此患得可改变脊柱本身形状的骨质疏松脊柱。

此类疾病通常使用高剂量的止痛药或使用一般缠绕在身体易感部位的固定网状结构或者弹性带来进行治疗。一般所采用的策略是借助绑缚在这些身体部位周围的缚带来支撑脊柱和腰部，然而，这可能部分地或完全限制身体的运动。此类解决方案亦不能完全地辅助脊柱或腰部。

因此，长期以来需要一种不仅可辅助人员抬举重物还可支撑人员的弯曲姿势、坐立姿势，支撑人员进行头顶或背部搬运负荷和长距离行走，还可用作脊柱疾病如脊柱炎、脊柱后凸和炎症的矫正措施的解决方案。

现有技术中，专利申请号US20080154165主要提出一种具有地板接触构件的体重支撑装置。然而，由于致动器、驱动单元和其它辅助部件的存在，这种外部供电的且以腿部为中心的装置非常沉重。由本专利的发明人提交的印度专利申请号2155/DEL/2008所提出的一种缚带不具备可附接构件如腿部装置、将头部/腰部/背部的负荷分担至地面的结构、以及单点扭矩调节机械组件。另一现有技术专利US6041444提出了一种用于支撑使用者自身重量的负荷支撑腰带，然而所公开的腰带并不能辅助行走或减少使用者所需承载或搬动的总体或部分负荷。US4632096揭示了相同的功能，但其仅用于加固或支撑膝盖。US5147261所公开的发明可通过柔性缚带约束腰部区域来辅助抬举负荷而无需其它特别机构。US6016869所公开的装置是一个用于辅助抬举的笨重且庞大的蹬踏装置。

本领域的上述现有发明均未公开具备单点辅助扭矩调节机构的轻型装置，该轻型装置为自供电，重量轻，紧凑但有效，简单且用户友好，其不仅可辅助人员抬举重物，还可支撑人员的跪姿、弯曲姿态、侧向弯曲姿态、坐立姿态、头顶或背部搬运负荷、长距离行走，还可用作脊柱疾病如脊柱炎、脊柱后凸或炎症的矫正措施，并且可有效减小所需人力以进行各种自主性的且身体各部位可完全自由运动的肌肉动作。

发明内容

在描述本发明装置及其部件和使用方法之前，应当理解，本发明并不限于所描述的特定装置及其结构，因为可能存在多个可能的实施例，虽然这些实施例未在本发明中明确揭示，但在权利要求所确定的本发明范畴内其仍然是可实施的。还应当理解的是，在说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定版本或实施例的目的，而并不意在限制本发明的范畴。本发明内容不意在确定所要求保护的主题的必要特征，也不意在限定或限制所要求保护主题的范畴。

本发明的一方面提供一种单点扭矩调节机械组件，该机械组件通过调节杠杆臂的长度从而非线性地改变扭矩，因此弹性机构的固定端不需要发生移位。该机械组件包括上部元件、下部元件、具有固定端和自由端的弹性机构、柔性不可伸长元件或绳索、铰链销和轴、在其自由端具有单点的负荷/扭矩调节机构。在该机械组件中，上部元件通过铰链销和轴与下部元件可移动地相互固定，且负荷调节机构的一端与上部元件的固定端可移动地相互连接。柔性不可伸长元件或绳索与弹性机构的自由端和铰链销可移动地相互固定或者可移动地固定至弹性机构的自由端和铰链销之间，且柔性不可伸长元件穿过负荷调节机构的自由端。柔性不可伸长元件或绳索的长度相当于或等于铰链销和负荷调节机构的自由端之间的距离以及负荷调节机构的自由端和弹性机构的自由端之间的距离之和。该距离之和保持不变。

本发明的另一方面涉及一种辅助肌肉骨骼活动的装置，该装置利用弹性机构所存储的势能产生的反扭矩从而减小使用者返回至中性姿势所需的人力。该装置包括一个或多个纵向机械元件、可调节铰链机构；一个或多个弹性机构；高度和扭矩/负荷调节机构；以及一个或多个应用于腰部、背部或肩部的缚带连同可移动地且弹性地连接至缚带的大腿部元件。该装置的整体特征为单点扭矩调节机械组件，当使用者进行肌肉骨骼活动而从所述中性位置改变身体姿势时，该装置产生反扭矩，该反扭矩源自弹性机构所存储的势能。单点扭矩调节机械组件具有可调节铰链，该可调节铰链连接至弹性机构，该弹性机构负责产生反扭矩以将使用者带回至所述中性位置；可使用单点扭矩调节机械组件通过调节铰链和单点之间的距离从而非线性地改变反扭矩，其中，轴作为旋转轴线，而所述纵向距离作为杠杆臂。该单点扭矩调节机械组件设置有可调节铰链且可应用于脊柱、骨盆和膝关节，并进一步具有辅助使用所述单点扭矩调节机械组件的延伸机构。在另一方面，装置还具有可附接结构，用于分担来自头部、脊柱和背部的负荷并将所分担的负荷传递至腰部和地面。因此，负荷可从头部和背部传递至地面。

本发明的再一方面涉及一种利用装置辅助肌肉骨骼活动的方法，该装置利用弹性机构存储的势能所产生的反扭矩减小使用者返回中性位置所需的人力。根据该方法，当使用者进行肌肉骨骼活动而从中性位置改变身体姿势时，装置可产生反扭矩，该反扭矩源自弹性机构所存储的势能。单点扭矩调节机械组件具有可调节铰链，该可调节铰链连接至弹性机构，该弹性机构负责产生反扭矩以将使用者带回至中性位置。可使用单点扭矩调节机械组件通过调节铰链和单点之间的距离以非线性地改变反扭矩，其中，轴作为旋转轴线，而纵向距离作为杠杆臂。该单点扭矩调节机械组件整合有可调节铰链，其可应用于脊柱、骨盆和膝关节，并进一步具有辅助使用所述单点扭矩调节机械组件的延伸机构。装置还具有可附接结构，用于分担来自头部、脊柱和背部的负荷并将所分担的负荷传递至腰部和地面。因此负荷可从头部和背部传递至地面。

本发明的又一方面还涉及一种辅助肌肉骨骼活动的装置，该装置能够分担使用者身体各部位的负荷并将负荷传递至地面。该装置包括一个或多个应用于腰部111、背部107或肩部106的缚带/绑带；以及一个或多个身体适应性肩部元件101、大腿部元件102、小腿部元件103和具有身体形状适应性轮廓并用以承载负荷的结构601，该结构601的上侧利用可移动固定机构被安装至背带107，其特征在于，结构601上可形成平台或悬臂梁，其可将头部的负荷传递至缚带，进一步地，缚带可将负荷传递至腿部并最终传递至地面。

附图说明

以下的具体实施方式参照说明书附图进行描述。附图中各附图标记最左边的数位表示该附图标记首次出现的附图。附图中所使用的相同的附图标记指代类似的特征或部件。

图1A为本发明一实施例所揭示的一种缚带装置的示意图。

图1B为本发明一实施例所揭示的一种配备可附接腿部设备/元件的装置的示意图。

图2为本发明一实施例所揭示的一种利用与单点扭矩/负荷调节机械组件113连接的铰链机构104所产生的反扭矩来减小所需人力的方法。

图3为本发明一实施例所揭示的一种对负荷机构进行调节的延伸机构的示意图。

图4为本发明一实施例所揭示的一种单点扭矩/负荷调节机械组件的示意图。

图5为本发明一实施例所揭示的装置在各姿势下的元件分解视图和组装视图，该装置进一步包括足部元件120用以将负荷从该装置转移至地面。

图6为本发明一实施例所揭示的一种承载负荷的附加结构的示意图，该附加结构可通过缚带固定至腰部和背部。

图7为本发明一实施例所揭示的当使用者穿戴本发明装置并使用长 1cm的杠杆臂时相关的扭矩和负荷的结果图。

图8为本发明一实施例所揭示的当使用者穿戴本发明装置并使用长 2cm的杠杆臂时相关的扭矩和负荷的结果图。

图9为本发明一实施例所揭示的当使用者穿戴本发明装置并使用长 3cm的杠杆臂时相关的扭矩和负荷的结果图。

图10为本发明一实施例所揭示的当使用者穿戴本发明装置并使用长4cm的杠杆臂时相关的扭矩和负荷的结果图。

具体实施方式

本发明涉及一种在抬举重物、跪坐、弯曲和行走过程中支撑和辅助身体的改进的缚带。更具体地，该缚带(本说明书中各情形下亦称为装置)包括具有可调节铰链的单点扭矩调节机械组件以及弹性机构，其中，当使用者从中性位置处改变姿势时，弹性机构可存储势能并辅助身体返回至中性位置。

本发明中，“中性位置”可以是关节无弯曲并且脊柱和腿对齐且不发生扭曲的姿势。词语“负荷”、“扭矩”和“辅助扭矩”可互换使用并具有类似含义。

本发明中，“弹性机构”可以是在发生弯曲、拉伸或压缩之后能够反弹或返回原本形状的物体。弹性机构可包括弹簧、液压气动装置、弹性缕、弹性绳、环带等。在本发明一实施例中，弹性机构可具有动力或者不具有动力。

本发明中，“肌肉骨骼活动”可包括跪、坐、走、跑、上/下弯曲、向前/向后弯曲和向左/向右旋转、搬运和拾取负荷在内的人类动作，以及其他具备各种持续时间和频率的类似活动。

本发明中，词语“系统”和“装置”同样可互换使用。

本发明中，包括扭矩、负荷、角度、长度等在内的表格、图表或数据中出现的所有结果均应被考虑为在给定值的±10％的范围内浮动。例如，100N-cm的扭矩应当考虑为在90N-cm至110N-cm的范围内浮动的值。应当理解，图表或数值数据基于利用所描述的特定组的实施例和配置而开发的原型，但其并不对装置和方法产生限制，因为可能存在未于本发明中明确揭示的多个可能实施例。

图1为本发明一实施例所揭示的一种缚带的示意图。在该缚带中，位于使用者左侧的元件可称为左部元件，而位于使用者右侧的元件可称为右部元件。每个纵向元件可由具备扩展性和接合-分离配置的至少两个或三个子元件制成。附接至肩部的上部子元件可以称为肩部元件101，附接至大腿部的子元件可以称为大腿部元件102，而附接至小腿的子元件可称为小腿部元件103。纵向元件的每个子元件的尺寸是可调节的，并且这些子元件通过一个或两个铰链机构104(也称作铰链)进行连接，其中，铰链机构104连接至单点扭矩/负荷调节机械组件113，并具有弹性机构105或动力弹性机构或两者均具有。肩部元件101的上端可具有缓冲带106，而肩部元件101的下端可通过铰链和单点扭矩调节机械组件104连接至大腿元件102的上端。缓冲带106可将肩部和肩部元件101 紧握在一起。两侧的肩部元件101可通过称作背带107的弹性元件相连接。肩部元件101的上端可具有调节肩部元件101的长度的机构，并可进一步具有适应性和尺寸调节机构115，以提升其人体工学舒适性。铰链机构104可与单点扭矩/负荷调节机械组件113连接，该单点扭矩/负荷调节机械组件113可将肩部元件101的下端和大腿部元件102的上端可移动地连接在一起。

铰链机构可包括负荷调节管108和按钮109机构，其中，负荷调节管108可与肩部元件101的下端可移动地连接，且按钮109机构用于将负荷调节管108固定在特定位置。负荷调节管108的特定位置可决定铰链机构的负荷和扭矩。不可伸长的柔性元件或绳索114可将弹性机构105 或动力弹性装置的上端连接至铰链销110，并且柔性元件或绳索114穿过负荷调节管108下端的单点116。铰链销110可以是铰链机构的一部分，其可与肩部元件101的下端相互固定并可移动地连接至铰链的轴 118。弹性元件(机构)105或动力弹性元件的另一端可固定至大腿部元件102的下端。

在一实施例中，当使用者向下弯曲时，本发明装置可在不可伸长的柔性元件中产生张力，进而将负荷传递至弹性机构105。如此，势能便储存在弹性机构105中，并且连接至单点扭矩/负荷调节机械组件113的铰链机构104可通过腰带为使用者的背部和腰部提供反向支撑。当使用者趋于向上弯曲和站立时，所存储的势能即可辅助使用者。负荷调节管 108的不同位置或者说r和l的不同组合可确保铰链的杠杆臂取不同长度进而致使弹性机构105伸长不同的距离。若调节负荷调节管108的位置以增大杠杆臂长度，则铰链可提供更多的反扭矩或可增加反负荷，从而致使铰链承载更多的负荷，反之亦然。柔性不可伸长元件或绳索114的长度等于r(OA)和l(AB)的长度之和，而相对于不同的杠杆臂长度，柔性不可伸长元件或绳索114的长度保持不变。大腿部元件102或纵向元件中每个元件均可与腰带111可移动地连接。腰带111可以是缓冲柔性元件，用于缠绕在使用者的腰部或身体周围。腰带111可将位于腰部的两个纵向元件连接在一起，并进一步将其连接至使用者的腰部。大腿部元件102的下端具有垫状结构和缓冲带112，该缓冲带112可将大腿部元件102夹持至大腿。垫状结构可在大腿部元件102的不同位置之间进行调节，并可具备不同的人体工学特性和用户友好的形状和配置，使其能够穿戴在诸如裙子和纱丽(Sarees)的衣服上而无需将其系在或绑在大腿周围。大腿部元件102的下端通过另一个铰链104和负荷/扭矩调节机械组件113可移动地连接至小腿部元件103，此处的铰链机构104 类似于上述在肩部元件101的下端与单点扭矩/负荷调节机械组件113连接的铰链机构104，但这里的铰链机构104是用于膝盖。小腿部元件103 的下端可具有衬垫和缓冲带117以使小腿部元件103和小腿紧握，且本发明装置可进一步具有与小腿部元件103的下端可移动地固定在一起的脚部元件120，其用于将负荷和重量传递至地面。连接至单点扭矩/负荷调节机械组件113的铰链机构104可支撑并辅助使用者的膝部。当使用者坐下或通过膝盖弯折腿部时，势能便可存储在弹性机构105或动力弹性机构中。同样的能量可在使用者站立期间或进行肌肉骨骼活动时支撑和辅助使用者。

在一实施方式中，可在负荷调节管108上方和肩部元件101下方设置适应性可调节机构115，用来为相关使用者调节装置的高度。该调节机构可提升本发明装置的人体工程舒适性从而使得本发明装置符合用户-设备之间的工作环境。在另一实施例中，肩部元件101内部可设置弹簧或者弹性机构502，用于辅助调节尺寸；具体地，当使用者向下弯曲时弹簧或弹性机构502被压缩，而当使用者向上弯曲时其可返回正常形状，从而确保肩部元件与肩部的移动情况相一致。

图1B为本发明一实施例所揭示的组件连同腿部元件或腿部装置的示意图。在另一实施例中，揭示了一种可在使用者的行走和坐立姿势下确保小腿部元件103可运动的机构。该机构可具有将肩部元件101连接至小腿部元件103的构件。小腿部元件103可将重量和负荷从使用者身上转移至身体的下部和地面，从而将抬举沉重负荷和进行剧烈活动可能产生的不利后果最小化。该机构还可在使用者半坐、站立、频繁坐下时辅助使用者。

在人员穿戴本发明的缚带系统的情况下，当人员向上/向下弯曲，坐下或站立的同时抬举重物，或正在进行任何其他剧烈活动时，施加在人员身体各部分的应变和应力可被弹性机构105提供的弹性力吸收，从而使得人员的背部、腰部和膝部可自由运动，而不存在导致不利后果的风险。

图2为本发明一实施例所揭示的一种通过利用连接至单点扭矩/负荷调节机械组件113的铰链机构104产生的反扭矩来降低人力需求的装置和方法。在一实施方式中，连接至单点扭矩/负荷调节机械组件113的铰链机构104的上部可包括负荷调节管108和按钮109机构。负荷调节管上可限定凹槽或孔，其用于根据所需负载与按钮109进行卡合。长度 OA代表杠杆臂，其用于在设备中非线性地改变扭矩和反扭矩，这是因为扭矩与杠杆臂的长度和所施加的力成正比。点O可保持固定。负荷调节管108可在肩部元件101的下端滑动以改变杠杆臂的长度。柔性不可伸长元件将铰链的点O连接至弹性机构105或动力弹性机构的上端B，该柔性不可伸长元件的长度等于AO和AB之和，并且该柔性不可伸长元件经过单点A。当使用者向下弯曲、跪下或坐下时，弹性机构105或者动力弹性机构可存储势能。所存储的势能可在距点O距离为AO的单点A处对负荷调节管施加力的作用，并最终凭借杠杆臂产生扭矩。单点扭矩调节机械组件113通过调节杠杆臂(r)的长度来调节扭矩，因而弹性机构105的下端/第二端D无法发生移位。在该铰链机构104中，长度OD及长度l和r之和均可保持不变；不需要调节弹性机构105中的预负荷/张力；并且铰链机构104具有负荷调节管108和柔性不可伸长元件或钢丝绳114，其中，负荷调节管108在其下端具有单点(A)116。长度为(l+r)的柔性不可延长元件或钢丝绳114通过负荷调节管108 的单点(A)将弹性机构105的上端连接至铰链销。负荷调节管108可在肩部元件101下端和大腿部元件102处进行滑动以改变杠杆臂的长度，从而产生非线性可变反扭矩以减小肌肉骨骼动作过程中所需的人力。负荷调节管108可使用接合/分离按钮109从而相对于肩部元件101 的下端进行锁定/解锁；可选地，负荷调节管108包括延伸机构以辅助负荷调节管108的锁定/解锁和滑动用以调节扭矩；单点扭矩调节机械组件可使用或应用于其他用途，例如类人动物、外骨骼以及其他应用和设备。

图2B揭示了本发明一实施例所提供的具有铰链的替代性配置的类似机构，该铰链具有负荷调节管108和弹性机构。该替代性配置在功能上可以与图2A所示方式类似的方式工作，其区别之处在于该替代性配置的元件可具有不同的方向，如图2B所示。

图3为本发明一实施例所揭示的一种用于调节负载的延伸机构301。在一实施例中，本发明装置可配备延伸机构301以使得使用者可通过调节负荷调节管108和接合/分离按钮109来调节扭矩。该装置可包括一个或多个延伸机构301，用以调整位于腰部的铰链104和负载调节机械组件113的负荷，以及位于膝盖处的应用于小腿部元件103的的铰链和负载调节机械组件113的负载。所述用于调节负载的延伸机构301可位于腰部前方或任何使用者容易接近的、比单点扭矩/负载调节机械组件113 和铰链机构104相连接的位置更为优选的部位。锁定机构可帮助使用者调节扭矩。

在一实施例中，用于调节负载的延伸机构301包括锁定元件302、一条或多条连接至按钮109的金属线303(按钮109穿过锁定元件302 并可通过紧固装置附接至负荷调节管108)、一端连接至固定支撑件且另一端连接至负荷调节管108的拉伸弹簧304、连接至按钮109的压缩弹簧305，其中，该压缩弹簧305的压缩力致使按钮109插入负载管108 的孔或槽中。金属线306用于滑动负荷管108，而金属线307用于接合/ 分离按钮109。一条或多条金属线306、307可被锁定在锁定元件302处。在一实施方式中，当使用者按压旋钮308以拉动金属线307时，按钮109 被解锁，进一步地，当使用者在锁定元件302上移动旋钮308时，负荷调节管108可发生滑动。默认状态下，由于压缩弹簧305的压缩按钮109 将被锁定。在拉伸弹簧304的默认作用下，负荷调节管108将被设定在最小的杠杆臂长度处。当在压缩弹簧305的压缩作用下到达后一个或前一个槽时，按钮109可自动接合。拉伸弹簧304可使得负荷调节管趋于返回至最小杠杆臂长度位置，这是因为弹簧的张力迫使负荷调节管108 朝向铰链销110或铰链的旋转轴线/轴118移动。因此，利用负责调节负荷的延伸机构301，使用者可容易调节装置的扭矩和负荷承载能力。一个负荷调节管108所对应的金属线303可以是连续的，尽管其看似是从锁定元件302延伸出来的两根线。每条主金属线303可对应各自的左侧或右侧负荷调节管108。

图4为本发明一实施例所揭示的一种单点扭矩/负荷调节机械组件的示意图。该单点扭矩调节机械组件通过调节杠杆臂的长度从而非线性地改变扭矩，因此弹性机构105′的固定端无需发生移位。该组件机构可包括上部元件101′、下部元件102′、具有固定端和自由端119′的弹性机构105′、柔性不可伸长元件或绳索114′、铰链销110′和轴118′、在其自由端116′具有单点的一个或多个单点扭矩/负荷调节机构113′。在该机械组件中，上部元件101′通过铰链销110′和轴118′与下部元件102′可移动地固定在一起，负荷调节机构108的一端与上部元件101′的固定端可移动地连接在一起。柔性不可伸长元件或绳索114′与弹性机构的自由端 119′和铰链销110′可移动地相互固定或可移动地固定至弹性机构的自由端119′和铰链销110′之间，且该柔性不可伸长元件114′穿过负荷调节机构108′的自由端116′。柔性不可伸长元件或绳索114′的长度等于或相当于铰链销110′与负载调节机构108′的自由端116′之间的距离以及负荷调节机构108′的自由端116′和弹性机构的自由端119′之间的距离之和。该距离之和可保持不变。负荷调节机构108′可在上部元件101′的下端滑动以改变杠杆臂的长度从而产生非线性的可变反扭矩。铰链销110′和轴118′可替换为球窝接头。进一步地，在该机构中无需调节弹性机构 105′的预载荷/张力。负载调节机构108′可利用接合/分离机构109′而相对上部元件101′的下端进行锁定/解锁。可选地，前述机制可包括扩展机构，以辅助负载调节机构108′的锁定/解锁和滑动用以调节扭矩。

图5为本发明一实施例所揭示的装置在各姿势下的元件分解视图和组装视图，该装置进一步包括足部元件120用以将负荷从该装置转移至地面。根据一实施例，缚带的工作原理通过多种姿势进行说明。图5-A 为本发明装置的元件分解图，其中，从顶部到底部，该装置包括肩部元件101、负荷调节管108、按钮109、绳索114、铰链104、弹性机构105、下部铰链和弹性机构、以及负责将负荷转移至地面的足部元件120。图 5-B所示的组装设备处于中性位置，在该中性位置下使用者(未显示) 的任何关节或肌肉均未发生弯曲或扭曲。在中性位置或姿态下，铰链可处于零度弯曲状态，且弹性机构105也可位于未加载位置处。图5-C所示的组装缚带代表坐立姿态。延伸后的小腿部元件103可包括足部元件 120，该足部元件120可将负载从身体传递至小腿部元件103并最终传递至地面。在该极限位置，腰部和膝盖处的所有铰链以及所有弹性机构 105均发生作用以对抗施加在使用者身上的负荷。

现请参照图6，背带107上额外附加了结构601用以承载负荷，结构601可在位于枢转点602的机械元件处进行枢转，位于该枢转点602 的机械元件可连接3D或简单铰链603，且结构601的上方安装至背带 107。在另一实施例中，本发明装置还可配备负荷承载结构，该负荷承载结构可在靠近将两个3D铰链603连接在一起的机械元件处附接至装置背部，且该负荷承载结构上方可安装至背带107。3D铰链603安装在肩部元件的下端(内管)。若从使用者的左侧进行观察，则结构601可显示为连续的Z形轮廓。结构601的上部可用于承载头部的负荷。结构 601的上部可形成为平台或悬臂梁，用以将头部的负荷传递并分担至缚带，进而缚带可将负荷传递至腿部并最终传递至地面。在一实施方式中，负荷也可在下部平台的帮助下承载于背部，也即，下部平台亦可以用作负载梁。下部的负荷可通过插入枢轴从而传递至装置，而枢轴可在枢轴点处将结构601和装置连接在一起。因此，利用附接有结构601的装置可容易地抬举袋装的谷物、水泥或任何其它材料。将3d铰链603和结构上侧连接起来的机械元件可枢转地安装在后带107处。3D铰链603 安装在肩部元件的下端(内管)。

在一实施方式中，可调节结构601的依附情况使得结构保持垂直取向。结构601可在枢转点602处即将两个3D铰链603连接起来的机械元件处进行枢转，其中，结构上方安装至背带107。3D铰链603安装至肩部元件的下端(内管)，当使用者进行包括屈曲、弯曲、伴随旋转的弯曲或非平坦步进在内的动作时，上述配置可允许结构在多个方向进行旋转。当使用者起身或降低时，由于3D铰链或多向接头603的作用，结构601的取向可保持不变。因此，即便使用者的姿势可能不垂直，利用多向接头601可使得结构603保持正确的垂直取向，。

图7为本发明一实施例所揭示的扭矩相对于弯曲角度而发生的非线性变化的示意图，其中，纵坐标上的扭矩揭示使用者腰部负载的减小，横坐标代表弯曲角度。下面的表1代表自重70kg、身高180cm的使用者利用1cm杠杆臂抬举20kg负荷的相关数据。

表1

图8为本发明一实施例所揭示的扭矩相对于弯曲角度而发生的非线性变化的示意图，其中，纵坐标上的扭矩揭示使用者腰部负载的减小，横坐标代表弯曲角度。下面的表2代表自重70kg、身高180cm的使用者利用2cm杠杆臂抬举20kg负荷的相关数据。

表2

图9为本发明一实施例所揭示的扭矩相对于弯曲角度而发生的非线性变化的示意图，其中，纵坐标上的扭矩揭示使用者腰部负载的减小，横坐标代表弯曲角度。下面的表3代表自重70kg、身高180cm的使用者利用3cm杠杆臂抬举20kg负荷的相关数据。

表3

图10为本发明一实施例所揭示的扭矩相对于弯曲角度而发生的非线性变化的示意图，其中，纵坐标上的扭矩揭示使用者腰部负载的减小，横坐标代表弯曲角度。下面的表4代表自重70kg、身高180cm的使用者利用4cm杠杆臂抬举20kg负荷的相关数据。

表4

在一实施方式中，通过观察上述表1到表4中的数据之后，可得出以下结论，即在杠杆臂长度4cm处可获得最大扭矩，换言之，最大的杠杆臂长度可提供最大扭矩。不考虑最大臂长度，在角度80-110度之间可观察到每个杠杆臂长度所对应的最大扭矩。

根据本发明的示例性实施例，本发明装置可应用于以下领域或情形：

1)国防军，军队中士兵需不断奔跑，弯曲，爬行，有时可能处于非常不舒服的姿势；

2)施工现场，劳动者和技术人员需在进行弯曲和收缩等活动的同时搬运重物，或者需保持其他姿势如在极限低位或高位进行钻孔、锤击等；

3)负责家庭工作的人员，例如家庭作业者需进行大量肌肉骨骼活动如弯曲、跪下等各类任务；

4)各类工业，工人须在诸如车床、钻孔和铣削机器上进行诸如工件等沉重负荷的搬运；

5)老年人，其骨骼由于钙含量低而发生退化，因而需要支撑其行走、弯曲、坐下或站立；

6)农业，农民必须不断弯腰以在地面上插播种子，并搬运重物将其储存至仓库中；

7)医疗领域，患有脊柱后凸、脊柱炎和其他类似障碍的患者不便弯曲和坐下。

上述说明书、权利要求书或以下附图中所揭示的实施例、示例和替代方案可单独考虑或以任何组合的形式进行考虑。结合某个实施例所描述的特征可应用于任何实施例，当这些特征不兼容时除外。在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以许多其它形式进行实施或执行，而以上详细描述的本发明实施例仅用于说明的目的。应当理解，本发明不限于所描述的实施例，可对本发明进行诸多本领域技术人员已知的变化和修改，而对本发明装置的所有变化或修改包括部件的重新配置，均将落入本发明的范畴之内。

Claims (14)

1.一种单点扭矩调节机械组件，其中，所述机械组件通过调节杠杆臂的长度来改变扭矩，从而使得弹性机构的固定端无需发生移位，所述机械组件包括：

上部元件；

下部元件；

弹性机构，其具有固定端和自由端；

柔性不可伸长元件或绳索；

铰链销和轴；

负荷/扭矩调节机构，所述负荷/扭矩调节机构在其自由端处具有单点；

其中，所述上部元件通过所述铰链销和轴与所述下部元件可移动地相互固定，并且所述负荷调节机构的一端与所述上部元件的固定端可移动地相互固定；

所述柔性不可伸长元件或绳索与所述弹性机构的自由端和所述铰链销可移动地相互固定或者可移动地固定至所述弹性机构的自由端和所述铰链销之间，且所述柔性不可伸长元件或绳索穿过所述负荷调节机构的自由端；

其特征在于，所述柔性不可伸长元件或绳索的长度相当于或等于所述铰链销与所述负荷调节机构的自由端之间的距离以及所述负荷调节机构的自由端与所述弹性机构的自由端之间的距离之和，其中，所述距离之和保持不变；

所述负荷调节机构可在所述上部元件的下端和所述下部元件上滑动以改变所述杠杆臂的长度从而产生非线性的可变反扭矩。

2.根据权利要求1所述的单点扭矩调节机械组件，其中，所述铰链销和轴可替换为球窝接头。

3.根据权利要求1所述的单点扭矩调节机械组件，其中，无需调节所述弹性机构中的预载荷/张力以调节扭矩。

4.根据权利要求1所述的单点扭矩调节机械组件，其中，所述负荷调节机构利用接合/分离机构相对于所述上部元件的下端进行锁定/解锁。

5.根据权利要求1所述的单点扭矩调节机械组件，其中，所述机械组件包括延伸机构用以辅助负荷调节机构的锁定/解锁和滑动以调节所述扭矩。

6.一种单点扭矩调节机械组件的使用方法，其中，所述方法使用所述机械组件通过调节杠杆臂的长度来非线性地改变扭矩，从而使得弹性机构的固定端无需发生移位，所述机械组件包括：

上部元件；

下部元件；

弹性机构，其具有固定端和自由端；

柔性不可伸长元件或绳索；

铰链销和轴；

负荷/扭矩调节机构，所述负荷/扭矩调节机构在其自由端处具有单点；

其中，所述上部元件通过所述铰链销和轴与所述下部元件可移动地相互固定，并且所述负荷调节机构的一端与所述上部元件的固定端可移动地相互固定；

所述柔性不可伸长元件或绳索与所述弹性机构的自由端和所述铰链销可移动地相互固定或者可移动地固定至所述弹性机构的自由端和所述铰链销之间，且所述柔性不可伸长元件或绳索穿过所述负荷调节机构的自由端；

其特征在于，所述柔性不可伸长元件或绳索的长度相当于或等于所述铰链销与所述负荷调节机构的自由端之间的距离以及所述负荷调节机构的自由端与所述弹性机构的自由端之间的距离之和，其中，所述距离之和保持不变；

所述负荷调节机构可在所述上部元件的下端和所述下部元件上滑动以改变所述杠杆臂的长度从而产生非线性的可变反扭矩。

7.一种辅助肌肉骨骼活动的装置，所述装置使得使用者能够利用弹性机构所存储的势能产生的反扭矩来分担身体各部位所承载的负荷并减小使用者返回至中性位置所需的人力，所述装置包括：

一个或多个纵向机械元件；

一个或多个可调节铰链机构；

一个或多个单点扭矩/负荷调节机构；

适应性和高度调节机构；

应用于腰部、背部或肩部的一条或多条缚带/绑带；以及

一个或多个身体适应性肩部元件和大腿部元件；其特征在于，当所述使用者进行肌肉骨骼活动而从中性位置改变姿势时，所述装置产生反扭矩，所述反扭矩源自所述弹性机构所存储的势能；

其中，所述单点扭矩调节机械组件具有可调节铰链，所述可调铰链连接至弹性机构，所述弹性机构负责产生反扭矩以将所述使用者带回至所述中性位置；

并可使用所述单点扭矩调节机械组件通过调节铰链/铰链销和单点之间的纵向距离以非线性地改变反扭矩，其中，所述铰链的轴作为旋转轴线，且所述纵向距离作为杠杆臂。

8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述装置可穿着在衣服上面/下面或背部，并且所述装置具有肩部缓冲带、膝盖杯和用于紧握腰部的腰带，所述装置可使用于或嵌入衣服或夹克中。

9.根据权利要求7所述的装置，其中，所述弹性机构中的势能致使在所述可调节铰链机构处施加力的作用，所述可调铰链机构进一步凭借所述单点扭矩/负荷调节机械组件产生扭矩；并在所述使用者步行、弯曲、坐、跪、旋转过程中执行步行或动作时提供辅助力。

10.根据权利要求7所述的装置，其中，所述装置包括延伸机构用以辅助所述负荷调节机构的锁定/解锁和滑动从而调节所述扭矩。

11.根据权利要求7所述的装置，其中，所述负荷和辅助扭矩可在腰部和膝关节处进行调节；当负载在膝部和腰部分别为最大和最小时，所述提供支撑的辅助扭矩对应的弯曲角度为最大和最小；且所述辅助扭矩的模式和属性是可调节的。

12.根据权利要求7所述的装置，其中，所述装置确立适当的人体姿势，矫正脊柱变形，并保持支撑人员的姿势和脊柱。

13.一种辅助肌肉骨骼活动的腿部装置，所述腿部装置利用弹性机构所存储的势能产生反扭矩并将负荷导至地面从而分担使用者膝部/腿部的负荷并减小所述使用者将其腿部和膝关节返回至中性位置所需的人力，所述装置包括：

一个或多个纵向机械元件；

一个或多个可调节铰链机构；

一个或多个单点扭矩/负荷调节机构；

一个或多个腿杯；

可选的一个或多个足部元件；和

适应性和高度调节机构；

其特征在于，当所述使用者进行肌肉骨骼活动而从中性腿部位置发生移位时，所述腿部装置产生反转矩，该反扭矩源自所述弹性机构所存储的势能；

其中，所述单点扭矩调节机械组件设置可调节铰链，所述可调节铰链连接至弹性机构，所述弹性机构负责产生反扭矩以将所述使用者的腿部带回至所述中性位置；

并可使用所述单点扭矩调节机械组件通过调节铰链/铰链销和单点之间的纵向距离来非线性地改变反扭矩，其中，所述铰链的轴作为旋转轴线，且所述纵向距离作为杠杆臂；且所述负荷/重量通过所述足部元件转移至地面。

14.一种利用装置辅助肌肉骨骼活动的方法，其中，所述装置可分担使用者身体各部位的负荷，并利用弹性机构所存储的势能产生反扭矩并将所述负荷导至地面从而减小所述使用者返回至中性位置所需的人力，所述装置包括：

一个或多个纵向机械元件；

一个或多个可调节铰链机构；

一个或多个单点扭矩/负荷调节机构；

负载结构，用于分担和重导来自头部、颈部和背部的负荷；

一个或多个弹性机构；

适应性和高度调节机构；

应用于腰部、背部或肩部的一条或多条缚带；

一个或多个可移动地且弹性地连接至所述缚带的身体适应性肩部元件、大腿部元件和小腿部元件；

其特征在于，当所述使用者进行肌肉骨骼活动而从中性位置改变姿势时，所述装置产生所述反扭矩，所述反扭矩源自所述弹性机构所存储的势能；

其中，所述单点扭矩调节机械组件设置可调节铰链，所述可调节铰链连接至所述弹性机构，所述弹性机构负责产生反扭矩以将所述使用者带回至所述中性位置；

可利用所述单点扭矩调节机构通过调节所述可调节所述铰链机构与单点之间的纵向距离从而非线性地改变所述反扭矩，其中，所述可调节铰链机构作为旋转轴线，且所述纵向距离作为杠杆臂；

所述用于分担和重导来自头部、颈部和背部的负荷的负载结构用以分担来自头部、颈部和背部的负荷并将负荷导至腰部和地面。