CN107928979A - 一种基于智能材料的人体关节主动助力结构 - Google Patents

一种基于智能材料的人体关节主动助力结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于智能材料的人体关节主动助力结构，由形状记忆合金、智能高分子材料、压电材料和弹性体智能材料细化至智能纤维后组成，编织本体为中空圆柱状，边缘为智能纤维织构。智能纤维包括经纤维条与纬纤维环，经纤维条与纬纤维环连接处横竖方向呈十字交叉编织相嵌结构，结构上下两端纬纤维环以所有经纤维条两端反向弯折180°叠扣其下的方式固定，上下两端无突出经纤维条端，实现平滑过渡。结构成贴近包括人体各个关节在内的可穿戴贴身服装。控制智能纤维伸缩运动，每条经纤维条与纬纤维环分别产生经线与纬线方向上不同程度的变形，主动助力结构达到不同程度的弯曲，同时结构带动普通织物纤维伸缩，实现主动助力。

Description

一种基于智能材料的人体关节主动助力结构
技术领域
本发明涉及生物医学工程与机器人技术领域，具体地说，涉及一种基于智能材料的人体关节主动助力结构。
背景技术
随着人口老龄化的加快与交通事故的增加，造成的人体伤残问题也逐年增多，使得助老助残问题日益突显。目前，帮助残、弱人士恢复日常活动的方式有仿生假肢、仿生假肢机器人、康复机器人、外骨骼机器人等。现有技术中的大部分辅助装备利用外骨骼贴附于使用者身体，同时外骨骼关节被设置为与依附关节具有相同的旋转轴。
发明专利CN105213155A中公开了一种人工智能辅助装备，通过向使用者穿戴的外骨骼助力器传达指令控制其帮助运动；但其硬质结构构成的辅助装备较为笨重、穿戴灵活性不适，外骨骼的销接头与人体关节的轴线不重合度较高，这使得受用者产生疼痛感，甚至受伤。
在专利CN104869969A中公开了一种由多个柔性连接元件、锚定点、传感器、致动器与部分刚性部件组成被动软式外装护具用以辅助人体运动，其在外骨骼助力器的基础上作以部分柔性化，一定程度上在灵活性、舒适性和方便穿戴的提高，但无法达到主动助力的目的。
发明内容
为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种基于智能材料的人体关节主动助力结构；该助力结构通过控制智能材料伸缩，实现主动助力结构的灵活变形，同时结构嵌入服装作为贴身关节结构，更加贴合人体运动，适应膝关节运动机理的特点，帮助改善弱、残者的行动。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:由形状记忆合金、形状记忆复合材料、智能高分子材料、压电材料和弹性体智能材料细化至智能纤维后组成，编织本体为中空圆柱状，边缘为智能纤维织构，其特征在于智能纤维包括若干经纤维条、若干纬纤维环，经纤维条与纬纤维环横截面直径均为0.1～1mm，经纤维条为长条形，纬纤维环为中空圆结构，经纤维条绕纬纤维环等间距环状分布，自经纤维条两端起等间距层层分布，经纤维条之间与纬纤维环之间间隙为1.5～2倍纤维直径；经纤维条与纬纤维环连接处横竖方向呈十字交叉编织相嵌结构，上下两端纬纤维环以所有经纤维条两端反向弯折180°叠扣其下的方式固定，上下两端无突出经纤维条端，实现平滑过渡；控制智能材料伸缩运动时，每条经纤维条与纬纤维环分别产生经线与纬线方向上不同的变形，变形量的差异导致经纤维条与纬纤维环之间相对变形，实现编织本体的弯曲主动助力。
所述经纤维条之间与所述纬纤维环之间间隙形状为矩形、或三角形、或菱形。
有益效果
本发明提出的一种基于智能材料的人体关节主动助力结构，通过控制智能材料伸缩，实现主动助力结构的灵活变形，同时结构嵌入服装作为贴身关节结构，贴合人体运动，适应膝关节运动机理的特点，帮助改善弱、残者的行动。
与现有结构技术相比:
本发明人体关节主动助力结构是在传统生物力学的基础上，将关节整体运动微量化地分配于主动助力结构的网格，建立适应人体关节的贴身结构。
本发明人体关节主动助力结构，将智能材料纤维化至经纤维条与纬纤维环状，二者分别保持等间距环状与层层分布，通过在竖直方向上十字交叉编织的连接方式，构建轻巧、精细的纤维网格，构成基于智能材料的人体关节主动助力结构。
本发明人体关节主动助力结构，灵活轻便，通过在结构上等间距空隙处与普通织物纤维重复十字交叉编织的方式嵌入服装，利用机械反压和弹性约束使结构嵌入服装作为贴身关节结构，紧贴皮肤，最大限度地减少纵向应力和提高关节的灵活性，通过控制经纤维条与纬纤维环带动主动助力结构变形，同时主动助力结构带动与普通织物纤维伸缩，完成人体关节主动助力服装的实时或超前运动。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种基于智能材料的人体关节主动助力结构作进一步详细说明。
图1为本发明人体关节主动助力结构网格结构图
图a智能纤维布局 图b结构主体图 图c结构变形图。
图2为本发明人体关节主动助力结构及嵌入服装框图。
图中
1.经纤维条 2.纬纤维环 3.编织本体
具体实施方式
本实施例是一种基于智能材料的人体关节主动助力结构，通过智能材料纤维化十字交叉编织构成人体关节主动助力结构，同时以重复交叉编织的方式嵌入人体服装，通过控制智能纤维的伸缩实现服装的弯曲状态，帮助残、弱人士恢复日常运动。
参阅图1、图2，本实施例基于智能材料的人体关节主动助力结构，由形状记忆合金、形状记忆复合材料、智能高分子材料、压电材料和弹性体智能材料细化至智能纤维后组成，编织本体3为中空圆柱状，边缘为智能纤维织构；其中智能纤维包括若干经纤维条1与若干纬纤维环2，经纤维条与纬纤维环横截面直径均为0.1～1mm，经纤维条1为长条形、纬纤维环2为中空圆结构，经纤维条绕纬纤维环等间距环状分布，自经纤维条两端起等间距层层分布，经纤维条之间与纬纤维环之间间隙为1.5～2倍纤维直径；经纤维条之间与纬纤维环之间间隙形状为矩形、或三角形、或菱形。
本实施例中,经纤维条1与纬纤维环2连接处横竖方向呈十字交叉编织相嵌结构，上下两端纬纤维环以所有经纤维条两端反向弯折180°叠扣其下的方式固定，上下两端无突出经纤维条端，实现平滑过渡。纤维条环之间并未完全锁定，以十字交叉编织类似服装编织的方式组合，控制智能材料伸缩运动时，每条经纤维条与纬纤维环分别产生经线与纬线方向上不同程度的变形，变形量的差异导致经纤维条与纬纤维环之间相对变形效果不同，使结构达到不同程度的弯曲，实现编织本体的弯曲主动助力。
实施方式:
第一步.本实施例基于智能材料，构建结构精巧、体积小且能承受压力的主动助力贴身软关节结构。该结构为本体中空，边缘网格化的基本圆筒结构；边缘结构由矩形网格或其它形状网格组成圆筒壁，整体类似于用一层网格织物环绕包裹关节。
第二步.将形状记忆合金、形状记忆复合材料、智能高分子材料、压电材料、弹性体智能材料细化至直径为1mm智能纤维，该智能纤维与一般衣物纺织纤维的尺寸相近。智能纤维由若干经纤维条与纬纤维环组成，经纤维条与纬纤维环截面直径均为0.1～1mm，经纤维条为长条形,有80条，纬纤维环为中空圆结构，有51条，经纤维条绕纬纤维环等间距环状分布；自经纤维条两端起等间距层层分布，经纤维条之间与纬纤维环之间保持间隙为1.5～2倍纤维直径，间隙形状为矩形,或三角形、或菱形。结构内部经纬纤维连接处横竖方向呈十字交叉编织相嵌状，结构上下两端纬纤维环以所有纤维条两端反向弯折180°叠扣其下的方式固定。
第三步.将基于智能材料的人体关节主动助力结构嵌入人体服装，该服装织物内部包括人体关节主动助力结构与普通织物纤维，人体关节主动助力结构由经纤维条与纬纤维环十字交叉编织形成，普通织物纤维为弹性良好的衣物材质，二者间重复十字交叉编织构成人体关节主动助力服装，形成微观多层织物形与宏观服装样式。
第四步.人体关节主动助力结构嵌入服装后，通过控制不同智能纤维在不同方向上进行不同程度的舒张与收缩带动主动助力结构变形，同时主动助力结构带动普通织物纤维伸缩，完成人体关节主动助力服装不同状态的弯曲，达到与人体相近的弯曲效果，实现同时或超前于人体弯曲的运动。弱、残人士通过穿戴该人体关节主动助力服装，更加服帖省力地完成关节运动。

Claims (2)

1.一种基于智能材料的人体关节主动助力结构，由形状记忆合金、形状记忆复合材料、智能高分子材料、压电材料和弹性体智能材料细化至智能纤维后组成，编织本体为中空圆柱状，边缘为智能纤维织构，其特征在于:智能纤维包括若干经纤维条、若干纬纤维环，经纤维条与纬纤维环横截面直径均为0.1～1mm，经纤维条为长条形，纬纤维环为中空圆结构，经纤维条绕纬纤维环等间距环状分布，自经纤维条两端起等间距层层分布，经纤维条之间与纬纤维环之间间隙为1.5～2倍纤维直径；经纤维条与纬纤维环连接处横竖方向呈十字交叉编织相嵌结构，上下两端纬纤维环以所有经纤维条两端反向弯折180°叠扣其下的方式固定，上下两端无突出经纤维条端，实现平滑过渡；控制智能材料伸缩运动时，每条经纤维条与纬纤维环分别产生经线与纬线方向上不同的变形，变形量的差异导致经纤维条与纬纤维环之间相对变形，实现编织本体的弯曲主动助力。
2.根据权利要求1所述的基于智能材料的人体关节主动助力结构，其特征在于:所述经纤维条之间与所述纬纤维环之间间隙形状为矩形、或三角形、或菱形。
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