上肢肩部外骨骼支撑系统概念结构

这套肩部外骨骼概念结构，主要面向上肢长期负重作业场景与上肢运动功能康复场景做结构预研，核心作用是为肩部肌群提供额外的力矩支撑，降低上肢抬举动作过程中肩部三角肌、斜方肌的持续负荷，既可以适配工业场景中需要长期抬臂操作的装配、检修工位，也能作为康复训练辅具为肩部运动功能障碍人群提供可控的活动支撑。从结构功能拆分来看，整套机构分为肩背固定基座、肩部转动铰链、上臂支撑托块三个核心功能段，肩背固定基座采用贴合人体上背部轮廓的曲面构型，接触区域预留了柔性衬垫安装位，使用时通过绑带固定在使用者胸背位置，作为整套外骨骼的受力基座，抵消上肢支撑过程中产生的反作用力，基座背部的盒型结构预留了动力元件、传感元件的安装空间，可根据实际使用需求选配被动弹性储能元件或是主动驱动模组，不需要额外增加外置的管线连接结构。肩部转动铰链采用多轴铰接构型，完全匹配人体肩部的盂肱关节、肩锁关节复合运动轨迹，可实现上臂前屈、后伸、外展、内旋多自由度的随动，铰链的转动副位置预留了阻尼调节结构，可根据不同使用者的体重、上肢负重需求调整转动阻尼大小，避免运动过程中出现机构卡滞或是过度支撑导致的动作受限问题，铰链的转动范围做了机械硬限位，最大抬臂角度限制在人体肩部安全活动范围内，避免过度抬举造成的关节损伤。上臂支撑托块采用贴合人体上臂轮廓的弧形构型，接触位置同样预留了柔性衬垫安装位，通过绑带与使用者上臂固定，将外骨骼输出的支撑力矩均匀传递到上臂区域，避免局部应力集中造成的佩戴不适感。从设计思路层面，这套概念结构优先保证了穿戴状态下的运动兼容性，所有铰接点的转动轴线都与人体对应关节的转动轴线做了同轴对齐处理，避免机构运动与人体肢体运动产生干涉，整套结构的主体构件采用薄壁镂空构型，在保证结构强度满足支撑力矩需求的前提下尽可能降低自身重量，减少使用者穿戴过程中的额外负重。安装边界层面，肩背基座的轮廓尺寸适配绝大多数成年使用者的上背部宽度，横向宽度控制在380mm以内，纵向高度控制在250mm以内，不会对使用者颈部、腰部的正常活动造成干涉；上臂支撑托块的长度可在180mm到260mm范围内做适配调整，可匹配不同上臂长度的使用需求；肩部铰链的转动中心高度可根据使用者肩高做上下20mm的调节，保证不同身形的使用者都能获得准确的关节对位。整套结构的所有外露边缘都做了圆角钝化处理，没有尖锐凸起结构，避免穿戴使用过程中剐蹭衣物或是造成皮肤损伤，各个转动副位置都预留了润滑脂加注通道，可在长期使用过程中定期做维护保养，降低转动副的磨损量，延长机构的整体使用寿命。在实际工况适配中，被动版本的结构可通过内置的板簧元件存储上肢下放过程中的重力势能，在上臂抬举过程中释放能量提供辅助支撑，不需要外接电源即可实现助力效果，适合长时间户外作业或是无供电场景使用；主动版本可在基座盒内安装微型伺服驱动元件，结合肌电传感器采集的肌肉电信号调整输出力矩大小，实现更精准的助力控制，适配康复训练过程中不同阶段的肌力支撑需求。