CN107485540B - 一种用于智能协步手杖的能量注入*** - Google Patents

一种用于智能协步手杖的能量注入*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于智能协步手杖的新型能量注入***，包括人体姿态测量模块、手杖模块和能量注入装置。能量注入装置通过注入能量来补充智能手杖在运动中由于机械摩擦以及与地面碰撞损失的机械能，使得智能手杖能够支撑人体进行周期性稳定步行。该机构可避免电机正反转带来的电机过热、耗能增加、机构产生冲击稳定性差等一系列不利影响，有利于智能手杖长时间稳定工作。

Description

一种用于智能协步手杖的能量注入***
技术领域
本发明涉及智能手杖***，尤其涉及一种辅助行走的智能手杖能量注入***。
背景技术
随着社会的不断发展，残障人士的生活质量受到越来越多的关注。现阶段各个企业研究机构所研制的智能手杖都是以为盲人导航为主要目的，但是带有自主动力的辅助单腿暂时或永久性残障人群行走的智能手杖***很少。
人们对腿式跳跃机器人动态性能的研究已有四十余年的历史，在实际应用中，相对轮式机器人和履带式机器人的局限性，腿式跳跃机器人以点支撑的方式移动，有着在不规则和不平坦的地形环境中灵活运动的能力，更适合于在自然路况环境中快速移动。
其中发明专利“一种辅助行走的智能拐杖***”(专利号ZL201210098831.8)中直接通过Z轴电机正反转带动小支撑杆进行直线往复运动来注入能量实现辅助行走，但是该机构存在Z轴电机正反转带来的电机过热、耗能增加、机构产生冲击稳定性差等一系列不利影响。
发明内容
本发明的目的是克服现有能量注入技术的不足，提供一种低能耗、低电机损耗、可长时间工作的能量注入***设计。本发明采用如下技术方案：
一种用于智能协步手杖的能量注入***，包括人体姿态测量模块和手杖模块，其特征在于手杖模块还包括能量注入装置，手杖模块包括机身和大支撑杆，所述机身包括：旋转支撑平台、手杖支撑，手杖支撑内固定设有驱动控制***，手杖支撑通过Z轴旋转机构铰接在旋转支撑平台上，手杖支撑上边沿通过焊接固定有上多轴力传感器，旋转支撑平台上通过焊接固定有第六加速度计和第六陀螺仪；大支撑杆包括：大支撑杆外壳、小支撑杆，大支撑杆外壳上下两端分别通过焊接固定有大支撑杆上端盖和大支撑杆下端盖，小支撑杆位于大支撑杆外壳内部，通过大支撑杆下端盖中心孔伸出大支撑杆外壳，小支撑杆上有滑槽来限制小支撑杆上下运动的极限位置，大支撑杆上端盖上通过焊接与旋转支撑平台连接，旋转支撑平台上通过焊接固定有X轴电机，小支撑杆上通过焊接固定有第七加速度计和第七陀螺仪，小支撑杆下端通过焊接固定有下多轴力传感器，大支撑杆外壳通过Z、Y平面摆动机构与手杖支撑连接，其中能量注入装置包括X轴摆动机构和Y轴摆动机构、驱动控制***、上多轴力传感器、Z、Y平面摆动机构、Z轴旋转机构、第七加速度计、第七陀螺仪、下多轴力传感器、曲柄连杆机构。
所述Z、Y平面摆动机构包括：X轴电机、小万向铰；X轴电机通过焊接固定在旋转支撑平面上，X轴电机的转轴与小万向铰的上半部分铰接；小万向铰上下端分别通过焊接连接手杖支撑和旋转支撑平台。
所述曲柄连杆机构包括：第六加速度计、第六陀螺仪、曲柄滑块电机、曲轴、连杆、活塞滑块、弹簧，曲柄滑块电机通过焊接固定在旋转支撑平台内，曲轴与曲柄滑块电机通过联轴器相连，与连杆相铰接，连杆与活塞滑块相铰接，活塞滑块下端与弹簧通过焊接相连，整个机构位于大支撑外壳内，下端与小支撑杆通过焊接相连。
该结构的设计大大简化了机械结构及控制***硬件需求，同时也使得该发明专利产品的性能得到极大的提升。具体结构优化如下：1、由于新的注能机构避免了电机正反转的问题，对电机的性能要求大大降低，因此在电机的选型方面，可以选择低价格、低噪声、小体积的电机。2、手杖体积大大减小，质量大大减轻，生产成本大大降低。3、通过旋转支撑平台和带有转轴的手杖支撑铰接，使手杖下半部分能够拥有下半球面的活动范围(以满足手杖根据人体姿态调整自身姿态的要求)。4、该结构的优化解决了原发明专利中电机正反转带来的速度突变而产生不稳定冲击的问题，使得整个手杖***更加稳定，减少能耗以及产品的使用寿命，该***的控制***，是根据人的步行周期，外界环境，手杖姿态及压力数据等综合信息，设计的高级自适应模糊控制器控。该控制***可以根据不同的外界环境、人体姿态及手杖受力情况，来自动调整手杖姿态，以保证使用者能够完成正常的步行周期。
所述驱动控制***可根据人的步行周期，外界环境，手杖姿态及压力数据等综合信息，对手杖进行自适应模糊控制；该控制***可以根据不同的外界环境、人体姿态及手杖受力情况，来自动调整手杖姿态，以保证使用者能够完成正常的步行周期。
本发明中的能量注入装置拥有能量注入的侦测和控制***。该***通过装在旋转支撑平台上的第六加速度传感器和第六陀螺仪，通过对加速度传感机器获取的信息进行二重积分可获得其姿态及位移信息，来实时侦测手杖的姿态和位移情况。安装在手杖上的控制***根据模糊控制算法将设定的正常值范围与获得的姿态位移反馈信息对比，对曲柄滑块电机的输出进行控制，使得手杖在每个运动周期中都能达到相似的运动状态，来弥补手杖在运动过程中损失的动能及机械能，为使用者减少能量消耗，实现手杖协助行走的功能。本发明所对应的智能协助步行手杖即致力于将智能手杖概念与单腿跳跃机器人技术相结合，通过检测使用者身***姿速度等信息实时调整跳跃步态从而达到辅助行走之目的。传统手杖需使用者自主将手杖抬起、前移，而发明所对应的智能协助步行手杖可以让手杖随着使用者向前移动自主向前跳跃。
附图说明
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1为所述***示意图；
图2a为所述手杖的局部放大图；
图2b为内部曲柄滑块结构图；
图3为应用该能量注入***后手杖结构与原专利拐杖结构对比图；
图4a为本专利执行机构(曲柄滑块)示意图；
图4b为与原专利执行机构结构示意图；
图5为控制***框图；
图6为控制原理框图；
图7为人体各平面(BodyPlanes)示意图；
图8为人体-手杖***矢状面内周期性稳定步行示意图。
具体实施方式
如图1所示，辅助行走的智能手杖***包括人体姿态测量模块和智能协助步行手杖，两者配套使用；其中人体姿态测量模块包括：第一加速度计1、第二加速度计2、第三加速度计3、第四加速度计4、第五加速度计5、第一陀螺仪8、第二陀螺仪9、第三陀螺仪10、第四陀螺仪11、第五陀螺仪12；第一加速度计1和第一陀螺仪8通过硅胶贴片固定在人体胸前，第二加速度计2和第二陀螺仪9通过硅胶贴片固定在人体右大腿前侧，第三加速度计3和第三陀螺仪10通过硅胶贴片固定在人体左大腿前侧，第四加速度计4和第四陀螺仪11通过硅胶贴片固定在人体右小腿前侧，第五加速度计5和第五陀螺仪12通过硅胶贴片固定在人体左小腿前侧。
如图1-3所示的一种用于智能协步手杖的能量注入***，包括人体姿态测量模块和手杖模块，手杖模块还包括能量注入装置，手杖模块包括机身和大支撑杆，机身包括：旋转支撑平台15、手杖支撑16，手杖支撑16内固定设有驱动控制***，手杖支撑16通过Z轴旋转机构铰接在旋转支撑平台15上，手杖支撑16上边沿通过焊接固定有上多轴力传感器19，旋转支撑平台15上通过焊接固定有第六加速度计6和第六陀螺仪13、旋转支撑平台15上铰接有Z轴旋转机构；大支撑杆包括：大支撑杆外壳21、小支撑杆31，大支撑杆外壳21上下两端分别通过焊接固定有大支撑杆上端盖26和大支撑杆下端盖24，小支撑杆31位于大支撑杆外壳21内部，通过大支撑杆下端盖24中心孔伸出大支撑杆外壳21，小支撑杆31上有滑槽来限制小支撑杆31上下运动的极限位置，大支撑杆上端盖26上通过焊接与旋转支撑平台15连接，旋转支撑平台15上通过焊接固定有X轴电机18，小支撑杆31上通过焊接固定有第七加速度计7和第七陀螺仪14，小支撑杆31下端通过焊接固定有下多轴力传感器23；大支撑杆外壳21通过Z、Y平面摆动机构20与手杖支撑16连接，其中能量注入装置由X轴摆动机构和Y轴摆动机构、驱动控制***、上多轴力传感器19、Z、Y平面摆动机构20、Z轴旋转机构、第七加速度计7、第七陀螺仪14、下多轴力传感器23、X轴电机18、曲柄连杆机构组成。
Z轴旋转机构包括：Z轴电机17、Z轴旋转平台22，Z轴电机17通过焊接固定在手杖支撑16内，电机转轴与Z轴旋转平台22通过联轴器相连接。
Z、Y平面摆动机构包括：X轴电机18、小万向铰；X轴电机18通过焊接固定在旋转支撑平面15上，X轴电机18的转轴与小万向铰的上半部分铰接；小万向铰上下端分别通过焊接连接手杖支撑16和旋转支撑平台15。
曲柄连杆机构包括：第六加速度计6、第六陀螺仪13、曲柄滑块电机25、曲轴27、连杆30、活塞滑块29、弹簧28，曲柄滑块电机25通过焊接固定在旋转支撑平台15内，曲轴27与曲柄滑块电机25通过联轴器相连，与连杆30相铰接，连杆30与活塞滑块29相铰接，活塞滑块29下端与弹簧28通过焊接相连，整个机构位于大支撑外壳21内，下端与小支撑杆31通过焊接相连。
如图6所示，驱动控制***可根据人的步行周期，外界环境，手杖姿态及压力数据等综合信息，对手杖进行自适应模糊控制；该控制***可以根据不同的外界环境、人体姿态及手杖受力情况，来自动调整手杖姿态，以保证使用者能够完成正常的步行周期。
本发明中的能量注入装置拥有驱动控制***，该***通过装在旋转支撑平台上的第六加速度传感器和第六陀螺仪，通过对加速度传感机器获取的信息进行二重积分可获得其姿态及位移信息来实时侦测手杖的姿态和位移情况，安装在手杖上的驱动控制***根据模糊控制算法将设定的正常值范围与获得的姿态位移反馈信息对比，对曲柄滑块电机25的输出进行控制，使得手杖在每个运动周期中都能达到相似的运动状态，实现手杖协助行走的功能。
其中具体控制方法如下：
本发明中的人体-手杖***的运动在如图7所示人体各平面(矢状面(SagittalPlane)、冠状面(CoronalPlane)和横断面(TransversePlane))内进行。本项目拟先研究***在矢状面内周期性步行运动控制；再研究增加了冠状面滚动自由度的三维周期性步行运动控制；最后研究非周期性三维步行运动控制。
1)矢状面内周期性步行运动控制
矢状平面内周期性步行是人体-手杖***在平坦地面上的基础运动形式，因此本项目对其进行重点研究。如图8所示，人体躯干、左腿、右腿、手杖分别以a、b、c、d表示，人体-手杖***的一个运动周期各阶段依次为：(1)左右腿与手杖同时着地(支撑相1)；(2)左腿与手杖抬起向前摆动，右腿着地(摆动相1)；(3)左右腿与手杖同时着地(支撑相2)；(4)右腿抬起向前摆动，左腿与手杖同时着地(摆动相2)；(5)左右腿与手杖同时着地(回到支撑相1)。
在以上运动周期中，摆动相1和2有不同的动力学方程模型，在此期间***各变量均为连续值。支撑相1和2持续时间极短，因此地面对***的冲击可被视为脉冲信号，导致***速度变量发生跳变。这样，手杖***在一个运动周期内的连续与脉冲量共存的混合(Hybrid)动力学模型如下：
式(4)中摆动相1和2的连续状态方程可由手杖运动方程(3)得到，其中状态变量控制输入u＝T2，外部扰动u1＝δT2；支撑相1和2的状态跳变方程和则可由式(3)的脉冲响应求得，其中x-和x+分别为足部部冲击地面时刻前后跳变的状态。S1、S2分别为左脚(手杖)、右脚足部冲击地面时刻***状态切换平面。综上所述，本项目拟针对平面混合动力学模型(4)研究设计控制量u，使得手杖状态变量x能够在人体扰动u1下收敛于实时设计的稳定周期性轨迹，从而保证整个人体-手杖***的稳定步行。在作为外界输入参考量的步态参数变化时，控制量u能够使手杖调整步速进入新的稳定步行周期。
双层控制结构的内层连续***控制量u承担人体-手杖***每一个步行周期内的稳定控制任务，考虑到手杖自由度数大于驱动量数，式(4)所示***为欠驱动非线性***。这类控制***的全局稳定性难以得到保证，为此可设计控制量u使***状态进入降维的零动态空间(维数为状态与控制输入维数之差n-m)，并且收敛于预先设计的周期性稳定轨迹。故首先选取m维控制输出y＝y1-yd，其中y1和yd分别是代表手杖运动特征的位移量以及相应各阶导数连续有界的设计轨线，控制的目的是使在步行周期内y→0，即手杖位移渐近跟踪收敛于设计轨线。由于欠驱动腿式机器人***相对阶为2，以上问题可通过对输出两次求导并进行输入-输出线性化。然而考虑到式(4)中连续状态方程的模型不确定性和已知扰动u1、u2的误差将会使控制结果恶化，本项目拟采用滑模变结构控制方法以提高跟踪控制鲁棒性，关键在于使***状态既能快速鲁棒地趋向平衡点，又能够最大限度地消除滑模控制抖振(Chattering)，使手杖动作平滑。
为使设计的状态轨线能够在一个步行周期时间内稳定地回归，可采用庞加莱分析法(PoincaréAnalysis)，将手杖与地面碰撞时刻作为一个步行周期的开始，令状态切换面S1为庞加莱截面(PoincaréSection)，利用庞加莱截面S1上的不动点(FixedPoint，***轨线在周期开始和结束时与庞加莱截面S1交于相同的状态点)与周期性稳定轨线的对应关系，将周期性稳定状态轨线规划问题转化为寻找不动点的问题。找到不动点后，可通过多项式插值的方法规划出整个周期内的状态轨线。
综上所述，内层连续控制器设计步骤为：(1)假设已有待设计的状态轨线，采用滑模变结构方法设计控制器u使***渐近跟踪设计轨线，这时u为状态轨线的函数；(2)在确定的手杖***步态参数(速度、步长)下，通过状态坐标变换等方法降低计算负担，得到庞加莱截面S1上不动点x*；(3)求得多项式插值函数系数α，其中α＝[α1α2]，α1由不动点x*确定，α2为可供优化的冗余多项式系数。为了降低手杖运动能耗，可建立一个周期内能量目标函数并进行仿真优化以获得最优的多项式系数α2；(4)将α构建的最优状态轨线代入(1)的结果，可得连续控制量u。
由于在步行中人体速度不断变化，因此还需要考虑外层控制调整手杖步行速度跟随人体运动。由***轨线与庞加莱截面S1的交点可得如下非线性离散时间***：
式(5)中，和分别为第k+1和k步行周期手杖碰撞地面前瞬间***状态；P为的庞加莱回归映射(PoincaréReturnMap)函数，系数α1,k为第k周期控制输入。我们的控制任务是设计α1,k改变不动点和状态轨线，使手杖快速稳定地跟踪参考步态。为消除速度跟踪的动态和稳态误差，考虑到离散***(5)中的模型不确定性，拟采用离散滑模控制方法，拟设计时变的比例-积分型滑模面和α1,k控制律使***能够在相异的不动点之间快速平滑地切换，为此需要在保证非线性***平稳性(即在不动点处线性化***稳定)的前提下综合考虑平滑与鲁棒性能之间的平衡问题。
2)三维空间内周期性沿直线步行运动控制
人体-手杖***在平坦地面上更一般的运动方式是在矢状面和冠状面内进行三维沿直线周期性步行，由于沿直线运动，手杖没有偏摆自由度。此时手杖比二维运动时增加了髋、足部的2个滚动自由度，而仅增加了髋部的1个滚动控制力矩，故***欠驱动自由度的个数比二维运动时增加了1个，导致周期性稳定步行运动控制难度加大。
考虑到***在一个稳定步行周期中的能量也呈现周期性变化，故本项目在内层(每一步)控制中拟采用基于能量解耦的方法将人体-手杖***解耦成为矢状面和冠状面内动力学进行分别控制并加以整合，实现步骤如下：(1)建立三维直线步行运动的人体-手杖***拉格朗日能量函数，将该函数分解为矢状面内二维运动能量与冠状面内滚动能量之和；(2)运用本项目中二维稳定步行运动控制的研究成果对解耦后矢状面和冠状面内动力学进行控制，使各平面内运动能量实现周期性变化；(3)整合各平面内控制量使三维***总体能量实现周期性变化，即进行周期性稳定步行。
除以上三维***的内层运动控制外，本项目还拟利用二维***外层周期性步态离散控制研究成果，针对三维动力学***的庞加莱非线性映射函数，设计相应的比例-积分型滑模控制器，研究其在实现前进步速的连续稳定调节和抵抗矢状面和冠状面之间的耦合干扰中的作用。这其中，如何实现庞加莱映射函数的解耦是研究的重点。
3)三维空间内非周期性步行运动控制
三维空间内非周期性步行运动控制是外层控制的重点，目的是使进入非周期步行的广义机器人回到周期步行(或静止-周期步行的特例)。在崎岖地面上步行以及在运动中转向是人体-手杖***在实际中经常面临的两种非周期步行情况。前者是由于不平的地面状况导致***每一步足部触地时间不相等而使***进入非周期性运动，而后者则由于在直线运动中叠加了偏摆角度。因此本项目将有针对性地加以研究。
对于前一种情况，拟采用鲁棒预观控制的方法改善内层轨迹控制。预观控制能够通过未来参考信息改善控制暂态性能。此处拟基于线性化动力学模型，以手杖足部未来运动轨迹为参考量，手杖髋部力矩为控制输入，定义包括H∞约束在内的目标函数并最小化求解控制量。为构建手杖足部未来运动轨迹，则拟采集步行周期时间信息，估计时间概率密度函数，预测手杖撞击地面时刻。本项目拟采取离散贝叶斯滤波方法完成上述任务。
对于后一种情况，首先进行路径规划，拟先通过姿态与步态参数估计人体转向趋势，预测手杖绕横断面Z轴偏摆角度与角速度，通过多项式插值规划手杖转向路径；结合其它步态参数，构建矢状面和冠状面内手杖运动轨迹，拟重点采用鲁棒预观控制方法跟踪冠状面内轨迹，改善控制器暂态性能(内层控制)。由于转向中庞加莱截面上的不动点发生连续变化，因此拟采用离散滑模控制方法控制跟踪时变不动点，增加鲁棒性(外层控制)。
当广义机器人由于碰撞或其它原因失去平衡时，原先的周期性步行变为非周期性步行状态。因此在平衡恢复控制方面，拟将项目组前期双足仿人机器人的平衡控制方法用于智能手杖***，使用捕获点、捕获域和运动空间中三者逻辑关系说明各基本策略的适用条件；针对稳定区域内的平衡恢复运动，采用虚拟力控制的方式，通过三组虚拟的弹簧-阻尼模型对机器人产生虚拟力作用，通过对地面的反作用力对机器人实施力的平衡恢复控制；在捕获点落在足底之外时，通过全身转矩策略，以最大身体转矩为输出目标，实现机器人从非稳定状态恢复至稳定状态。
能量注入装置中的曲柄连杆机构能够将活塞滑块29的往复运动转换为曲轴27的旋转运动，曲柄滑块电机25与曲轴27相连，带动连杆30顶端做圆周运动，这时活塞滑块29在套筒的约束下，只能够做上下的往复运动，同时将曲轴27对外输出的转矩转变为作用于活塞上的力，以驱动连接在活塞滑块29下端的弹簧28及小支撑杆31，实现给智能手杖辅助人体行走的功能。
本***将通过人体姿态测量模块中的第一加速度计1、第二加速度计2、第三加速度计3、第四加速度计4、第五加速度计5、第一陀螺仪8、第二陀螺仪9、第三陀螺仪10、第四陀螺仪11和第五陀螺仪12采集人体运动信息，通过能量注入装置中的第六加速度计6、第六陀螺仪13采集手杖模块的姿态及位移信息，通过手杖模块中的上多轴力传感器19和下多轴力传感器23采集手杖模块的受力信息，这些信息通过采集卡送入驱动控制***，综合上述信息后，驱动控制***将发出控制信号，控制Z轴电机17、X轴电机18和曲柄滑块电机25转动，Z轴电机17、X轴电机18通过联轴器传动，曲柄滑块电机25通过曲柄连杆机构传动，Z轴旋转机构控制大支撑杆的绕Z轴的旋转，Z、Y平面摆动机构控制大支撑杆在Z、Y平面上的摆动，大支撑杆中的活塞滑块29通过弹簧28控制小支撑杆31的伸缩，使手杖自动随使用者摆动的同时，能量注入***通过曲柄连杆机构注入适当的能量来补充运动过程中损失的机械能和动能，实现能量转化，减少手杖***的能量损耗，同时让使用者行走无碍，其中本实施例中，Z轴为为地面垂直的方向，X轴表示手杖的左右方向，Y轴表示手杖的前后方向，X、Y轴形成的平面与地面平行。
根据各通讯协议的特点，***内采用不同的通讯方式，驱动器与控制器之间采用CAN总线协议进行通讯，控制器与PC之间采用USART协议进行通讯，传感器与控制器之间采用I2C协议进行通讯，驱动控制***包括曲柄滑块电机25、驱动器及驱动控制器32，其驱动器与控制***的硬件相互关系如5图所示，控制器在接收到传感器反馈的信息后，驱动控制器32对控制Z轴电机17、X轴电机18和曲柄滑块电机25进行驱动，驱动器选用铭朗公司生产的MLDS3610B多功能多结构直流伺服驱动器该驱动器有三个工作模式：位置调节模式、速度调节模式以及电流调节模式，这里我们主要采用位置调节模式和速度调节模式，可以通过编码器反馈给驱动器电机的运动状态，实现对电机的闭环PID控制，控制器选用ARM公司生产的STM32芯片STM32具有高性能、低成本、低功耗的特点，并可以实时计算。

Claims (4)

1.一种用于智能协步手杖的能量注入***，包括人体姿态测量模块和手杖模块，其特征在于手杖模块还包括能量注入装置，手杖模块包括机身和大支撑杆，所述机身包括：旋转支撑平台(15)、手杖支撑(16)，手杖支撑(16)内固定设有驱动控制***，手杖支撑(16)通过Z轴旋转机构铰接在旋转支撑平台(15)上，手杖支撑(16)上边沿通过焊接固定有上多轴力传感器(19)，旋转支撑平台(15)上通过焊接固定有第六加速度计(6)和第六陀螺仪(13)；大支撑杆包括：大支撑杆外壳(21)、小支撑杆(31)，大支撑杆外壳(21)上下两端分别通过焊接固定有大支撑杆上端盖(26)和大支撑杆下端盖(24)，小支撑杆(31)位于大支撑杆外壳(21)内部，通过大支撑杆下端盖(24)中心孔伸出大支撑杆外壳(21)，小支撑杆(31)上有滑槽来限制小支撑杆(31)上下运动的极限位置，大支撑杆上端盖(26)上通过焊接与旋转支撑平台(15)连接，旋转支撑平台(15)上通过焊接固定有X轴电机(18)，小支撑杆(31)上通过焊接固定有第七加速度计(7)和第七陀螺仪(14)，小支撑杆(31)下端通过焊接固定有下多轴力传感器(23)，大支撑杆外壳(21)通过Z、Y平面摆动机构(20)与手杖支撑(16)连接；其中能量注入装置包括X轴摆动机构和Y轴摆动机构、驱动控制***、上多轴力传感器(19)、Z、Y平面摆动机构(20)、Z轴旋转机构、第七加速度计(7)、第七陀螺仪(14)、下多轴力传感器(23)、曲柄连杆机构；
所述曲柄连杆机构包括：第六加速度计(6)、第六陀螺仪(13)、曲柄滑块电机(25)、曲轴(27)、连杆(30)、活塞滑块(29)、弹簧(28)，曲柄滑块电机(25)通过焊接固定在旋转支撑平台(15)内，曲轴(27)与曲柄滑块电机(25)通过联轴器相连，与连杆(30)相铰接，连杆(30)与活塞滑块(29)相铰接，活塞滑块(29)下端与弹簧(28)通过焊接相连，整个机构位于大支撑外壳(21)内，下端与小支撑杆(31)通过焊接相连。
2.根据权利要求1所述的一种用于智能协步手杖的能量注入***，其特征在于所述Z轴旋转机构包括：Z轴电机(17)、Z轴旋转平台(22)，Z轴电机(17)通过焊接固定在手杖支撑(16)内，电机转轴与Z轴旋转平台(22)通过联轴器相连接。
3.根据权利要求1所述的一种用于智能协步手杖的能量注入***，其特征在于所述Z、Y平面摆动机构包括：X轴电机(18)、小万向铰；X轴电机(18)通过焊接固定在旋转支撑平面(15)上，X轴电机(18)的转轴与小万向铰的上半部分铰接；小万向铰上下端分别通过焊接连接手杖支撑(16)和旋转支撑平台(15)。
4.根据权利要求1所述的一种用于智能协步手杖的能量注入***，其特征在于：所述驱动控制***可根据人的步行周期，外界环境，手杖姿态及压力数据的综合信息，对手杖进行自适应模糊控制；该控制***可以根据不同的外界环境、人体姿态及手杖受力情况，来自动调整手杖姿态，以保证使用者能够完成正常的步行周期。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3957292A1 (en) * 2020-08-21 2022-02-23 Global Paldor S.L. Gait-assisting stick

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108743259B (zh) * 2018-04-02 2020-03-24 赵景烨 一种可控制单次移动距离的单腿辅助移动医用支架

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009268655A (ja) * 2008-05-07 2009-11-19 Koichi Inoue 前腕保持具が可傾の杖
CN102670382A (zh) * 2012-04-06 2012-09-19 浙江大学 一种辅助行走的智能拐杖***
JP2014195509A (ja) * 2013-03-29 2014-10-16 株式会社エクォス・リサーチ 歩行補助装置
CN104546391A (zh) * 2015-01-31 2015-04-29 中山大学 一种用于盲杖的陀螺稳定装置及其互补滤波方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150025423A1 (en) * 2013-07-19 2015-01-22 Bionik Laboratories, Inc. Control system for exoskeleton apparatus

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009268655A (ja) * 2008-05-07 2009-11-19 Koichi Inoue 前腕保持具が可傾の杖
CN102670382A (zh) * 2012-04-06 2012-09-19 浙江大学 一种辅助行走的智能拐杖***
JP2014195509A (ja) * 2013-03-29 2014-10-16 株式会社エクォス・リサーチ 歩行補助装置
CN104546391A (zh) * 2015-01-31 2015-04-29 中山大学 一种用于盲杖的陀螺稳定装置及其互补滤波方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3957292A1 (en) * 2020-08-21 2022-02-23 Global Paldor S.L. Gait-assisting stick
WO2022037974A1 (en) * 2020-08-21 2022-02-24 Global Paldor S.L. Gait-assisting stick

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