CN115556077B - 一种智能型可穿戴腰部助力外骨骼装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种智能型可穿戴腰部助力外骨骼装置及控制方法，包括呈C型的碳纤维连杆、设置于碳纤维连杆上的动力控制器、分别设置于碳纤维连杆两侧的两个驱动器和分别连接于驱动器的腿部绑带，碳纤维连杆通过设置于其上的腰带固定在人体的腰部，其中；驱动器内设置有驱动电机，驱动电机的输出轴与一卷轮连接，卷轮上通过柔性连接带与腿部绑带连接，腿部绑带上设置有加速度传感器；主控板根据对加速度传感器采集的腿部绑带在X轴、Y轴、Z轴上发生的不同的加速度数据进行分析后按预设规则控制驱动电机的转动速度。通过本发明，可获得一种智能型可穿戴腰部助力外骨骼装置及控制方法，为电力维护工作人员提供一种轻便、可长途步行和攀爬用的外骨骼。

Description

一种智能型可穿戴腰部助力外骨骼装置及控制方法

技术领域

本发明涉及外骨骼领域，尤其涉及一种智能型可穿戴腰部助力外骨骼装置及控制方法。

背景技术

在现代输电巡检维护工作当中，高压输电线路的巡检工作的重要性尤为突出，为保证输电线路和输电网络稳定、安全运行，必须对其进行周期性的检测和维护。在输电线路的巡检过程中，离不开人的参与，电网巡检依靠人工巡检为主，工作人员每天携带专业设备深入高山峡谷，甚至深山老林，徒步野外行走数十公里到达每一基铁塔下，完成巡检预定工作，碰上恶劣天气，依然要坚持在巡检一线，输电巡检维护是一个需要徒步行走的劳力活，长距离巡线是客观存在。

现有技术中存在有外骨骼***，用于为使用者的步行提供助力，但一般是应用于医疗领域的康复治疗，其驱动结构为刚性的，笨重且活动不便，不适宜于长途步行和攀爬所用。以及，现有的外骨骼***，助力模式固定，使用者不能根据实际需求改变助力的大小。

发明内容

鉴于以上技术问题，本发明提供一种智能型可穿戴腰部助力外骨骼装置及控制方法，为电力维护工作人员提供一种轻便、可长途步行和攀爬用的外骨骼。

本公开的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本公开的实践而习得。

根据本发明的一方面，公开一种智能型可穿戴腰部助力外骨骼装置，包括呈C型的碳纤维连杆、设置于所述碳纤维连杆上的动力控制器、分别设置于所述碳纤维连杆两侧的两个驱动器和分别连接于所述驱动器的腿部绑带，所述碳纤维连杆通过设置于其上的腰带固定在人体的腰部，其中：所述动力控制器内包括密封壳体和设置于所述密封壳体内的电池仓和主控板，所述壳体上布设有按键模块，所述按键模块用于触发所述主控板改变所述驱动器的工作模式；所述驱动器内设置有驱动电机，所述驱动电机与所述主控板电性连接，所述驱动电机的输出轴与一卷轮连接，所述卷轮上连接一柔性连接带的一端，所述柔性连接带的另一端与所述腿部绑带连接，所述腿部绑带上设置有加速度传感器；所述主控板根据对所述加速度传感器采集的所述腿部绑带在X轴、Y轴、Z轴上发生的不同的加速度数据进行分析，并根据分析结果按预设规则控制所述驱动电机的转动速度。

进一步的，所述电池仓包括稳压单元、检测单元、电池单元、充电单元、接口单元，所述稳压单元用于为所述主控板和所述驱动器提供不同大小的供电电压，所述检测单元用于检测所述电池单元的电压，所述充电单元通过所述接口单元为所述电池单元充电。

进一步的，所述卷轮上设置有一感应片，所述感应片的一侧设置有感应开关，所述感应开关用于感应所述感应片的转动圈数并发送数据至所述主控板，在所述转动圈数大于或所述驱动器的当前模式对应的圈数阈值时，所述主控板控制所述电池仓对所述驱动电机停止供电。

进一步的，所述碳纤维连杆还通过设置于其上的柔性肩带固定在人体的腰部。

进一步的，所述碳纤维连杆上设置有可拆卸的背部支撑组件，所述背部支撑组件包括相互平行的两个支撑杆，两个所述支撑杆具有与人体背部直立时相配合的弧度，以及两个所述支撑杆的顶部之间连接一弧形连接板。

进一步的，两个所述支撑杆的底部均固定于一伸缩组件上，以及两个所述支撑杆的顶部共同连接与同一胸部束缚带，所述胸部束缚带用于包裹人体的胸部以使得所述支撑杆的顶部固定于人体的背部。

进一步的，所述伸缩组件包括：第一连接杆和第二连接杆，其各顶部一端分别铰接于所述支撑杆底部，以及其中部相互铰接；第三连接杆和第四连接杆，其各顶部一端分别交接于所述第一连接杆和所述第二连接杆的各底部一端，以及其中部相互铰接，所述第三连接杆的底部一端铰接于所述碳纤维连杆的固定件上；第五连接杆，其一端铰接于所述第四连接杆的底部一端，其另一端铰接于所述固定件上；所述固定件可拆卸式安装于所述碳纤维连杆上。

进一步的，所述第一连接杆和所述第二连接杆之间、所述第三连接杆和所述第四连接杆之间的铰接处均设置有扭力弹簧，在所述伸缩组件为拉伸状态时，所述扭力弹簧被拉伸。

根据本发明的另一方面，公开一种力反馈可穿戴柔性外骨骼控制方法，包括如上所述的装置，所述方法包括：获取加速度传感器在周期内产生的加速度数据，并根据所述加速度数据计算出使用者的运动方向趋势和运动强度；根据所述运动方向趋势和所述运动强度，主控板控制驱动电机执行对应的助力策略。

进一步的，所述根据所述加速度数据计算出使用者的运动方向趋势和运动强度，包括：读取所述加速度传感器在X轴、Y轴和Z轴产生的不同的所述加速度数据，得到所述运动强度；以X轴为使用者的前后方向，以Y轴为使用者的左右方向，以Z轴为使用者的上下方向，计算所述加速度传感器在X轴、Y轴、Z轴在周期内产生的位移数据；根据所述位移数据，得到在不同时刻加速度传感器在X轴、Y轴、Z轴上不同的坐标；根据所述坐标，得到加速度传感器的运动曲线，以得到所述运动方向趋势。

本发明的技术方案具有以下有益效果：

采用柔性腰带、柔性连接带和驱动器，利用步进电机带动卷轮旋转而使得腿部绑带上升，进而带动使用者的胯关节运动，提供工作人员步行、攀爬所需的助力，且拥有较轻的质量和较大的运动角度而便于工作人员爬山涉水

通过电池仓、主控板、驱动电机和加速度传感器组成电动外***的基础***，其中通过电池仓的稳压单元、检测单元、电池单元、充电单元、接口单元，实现对***的供电和精细电流控制，从而使得***的助力模式可以改变，即根据供电电流的大小，改变助力强度。

附图说明

图1为本说明书实施例中智能型可穿戴腰部助力外骨骼装置的结构示意图；

图2为本说明书实施例中外骨骼***的控制电路的结构框图；

图3本说明书实施例中驱动器的局部视图；

图4本说明书实施例中背部支撑组件的结构示意图。

其中，附图标记说明：

1、碳纤维连杆；2、动力控制器；21、主控板；22、电池仓；221、检测单元；222、稳压单元；223、电池单元；224、充电单元；225、接口单元；23、按键模块；3、驱动器；31、驱动电机；4、腿部绑带；5、腰带；6、卷轮；7、柔性连接带；8、加速度传感器；9、感应开关；10、支撑杆；11、弧形连接板；12、伸缩组件；121、第一连接杆；122、第二连接杆；123、第三连接杆；124、第四连接杆；125、第五连接杆。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图4所示，本说明书实施例提供一种智能型可穿戴腰部助力外骨骼装置，包括呈C型的碳纤维连杆1、设置于碳纤维连杆1上的动力控制器2、分别设置于碳纤维连杆1两侧的两个驱动器3和分别连接于驱动器3的腿部绑带4，碳纤维连杆1通过设置于其上的腰带5固定在人体的腰部，其中：动力控制器2内包括密封壳体和设置于密封壳体内的电池仓22和主控板21，壳体上布设有按键模块23，按键模块23用于触发主控板21改变驱动器3的工作模式；驱动器3内设置有驱动电机31，驱动电机31与主控板21电性连接，驱动电机31的输出轴与一卷轮6连接，卷轮6上连接一柔性连接带7的一端，柔性连接带7的另一端与腿部绑带4连接，腿部绑带4上设置有加速度传感器8；主控板21根据对加速度传感器8采集的腿部绑带4在X轴、Y轴、Z轴上发生的不同的加速度数据进行分析，并根据分析结果按预设规则控制驱动电机31的转动速度。其中，电池仓22包括稳压单元222、检测单元221、电池单元223、充电单元224、接口单元225，稳压单元222用于为主控板21和驱动器3提供不同大小的供电电压，检测单元221用于检测电池单元223的电压，充电单元224通过接口单元225为电池单元223充电。其中，通过电池仓22、主控板21、驱动电机31和加速度传感器8组外骨骼的基础***，其中通过电池仓22的稳压单元222、检测单元221、电池单元223、充电单元224、接口单元225，实现对***的供电和精细电流控制，从而使得***的助力模式可以改变，即根据供电电流的大小，改变助力强度。而助力策略的改变来源于加速度传感器8，

在一实施方式中，卷轮6上设置有一感应片（图中未示出），感应片的一侧设置有感应开关9，感应开关9用于感应感应片的转动圈数并发送数据至主控板21，在转动圈数大于或驱动器3的当前模式对应的圈数阈值时，主控板21控制电池仓22对驱动电机31停止供电。在不同的模式下，使用者的腿部抬升程度不同，如步行时只需要小弧度抬升，攀爬时需要大幅度抬升，抬升的高度与卷轮6的转动圈数相关，因而，通过计算和控制卷轮6转动的圈数，即可控制抬升的高度。

在一实施方式中，碳纤维连杆1还通过设置于其上的柔性肩带固定在人体的腰部。以稳定碳纤维连杆1在腰部的稳定性。

在一实施方式中，碳纤维连杆1上设置有可拆卸的背部支撑组件，背部支撑组件包括相互平行的两个支撑杆10，两个支撑杆10具有与人体背部直立时相配合的弧度，以及两个支撑杆10的顶部之间连接一弧形连接板11。通过设置背部支撑组件，以形成对使用者在搬运时的腰部支撑，保护脊椎。

作为补充的，两个支撑杆10的底部均固定于一伸缩组件12上，以及两个支撑杆10的顶部共同连接与同一胸部束缚带，胸部束缚带用于包裹人体的胸部以使得支撑杆10的顶部固定于人体的背部。通过伸缩组件12，使得使用者可以进行弯腰时延伸支撑杆10，避免出现弯腰不能的情况，设置胸部束缚带，可以使得支撑杆10稳定在使用者的背部，防止脱离，同时，也减少由支撑杆10所带来的不适。其中，伸缩组件12包括：第一连接杆121和第二连接杆122，其各顶部一端分别铰接于支撑杆10底部，以及其中部相互铰接，其中第一连接杆121通过中间件与支撑杆铰接；第三连接杆123和第四连接杆124，其各顶部一端分别交接于第一连接杆121和第二连接杆122的各底部一端，以及其中部相互铰接，第三连接杆123的底部一端铰接于碳纤维连杆1的固定件上；第五连接杆125，其一端铰接于第四连接杆124的底部一端，其另一端铰接于固定件上；固定件可拆卸式安装于碳纤维连杆1上。当中，在使用者弯腰时，第一连接杆121、第二连接杆122、第三连接杆123、第四连接杆124、第五连接杆125沿着铰接处转动，使得整个伸缩组件12在弯曲状态下延长，便于使用者弯腰搬运货物，在抬起货物后，第一连接杆121、第二连接杆122、第三连接杆123、第四连接杆124、第五连接杆125恢复初始状态，且如图4所示的彼此接触，可防止支撑杆10继续下压，而形成对背部的支撑，此时，背部收到货物下压及后倾的力被部分转移到了固定件上，即转移到了碳纤维连杆1上，减轻了使用者脊椎的受力。

作为补充的，第一连接杆121和第二连接杆122之间、第三连接杆123和第四连接杆124之间的铰接处均设置有扭力弹簧，在伸缩组件12为拉伸状态时，扭力弹簧被拉伸。即在使用者弯腰时，对扭力弹簧产生拉伸力，当使用者直站立时，扭力弹簧提供一种助力，减少脊椎的用力。另外，通过调校扭力弹簧的位置，扭力弹簧也可以形成一种第一连接杆121和第二连接杆122之间、第三连接杆123和第四连接杆124之间的缓冲，使得第一连接杆121和第二连接杆122之间、第三连接杆123和第四连接杆124之间的开合过程连续，避免使用者的不适。

基于以上的外骨骼装置，本发明实施例还提供一种力反馈可穿戴柔性外骨骼控制方法，方法包括：获取加速度传感器在周期内产生的加速度数据，并根据加速度数据计算出使用者的运动方向趋势和运动强度；根据运动方向趋势和运动强度，主控板控制驱动电机执行对应的助力策略。

根据加速度数据计算出使用者的运动方向趋势和运动强度，包括：读取加速度传感器在X轴、Y轴和Z轴产生的不同的加速度数据，得到运动强度；以X轴为使用者的前后方向，以Y轴为使用者的左右方向，以Z轴为使用者的上下方向，计算加速度传感器在X轴、Y轴、Z轴在周期内产生的位移数据；根据位移数据，得到在不同时刻加速度传感器在X轴、Y轴、Z轴上不同的坐标；根据坐标，得到加速度传感器的运动曲线，以得到运动方向趋势。

其中，计算的过程由主控板实现，此时主控板可以采用MCU进行计算。

本发明的技术方案具有以下有益效果：

采用柔性腰带、柔性连接带和驱动器，利用驱动电机带动卷轮旋转而使得腿部绑带上升，进而带动使用者的胯关节运动，提供工作人员步行、攀爬所需的助力，且拥有较轻的质量和较大的运动角度而便于工作人员爬山涉水。另外，采用了加速度传感器以计算使用者的运动方向趋势和运动强度，以实现对当前的运动模式进行匹配，如爬山时加大驱动电机扭矩和转动圈数，跑步或步行时则可以减少圈数，以实现智能助力。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种智能型可穿戴腰部助力外骨骼装置，其特征在于，包括呈C型的碳纤维连杆、设置于所述碳纤维连杆上的动力控制器、分别设置于所述碳纤维连杆两侧的两个驱动器和分别连接于所述驱动器的腿部绑带，所述碳纤维连杆通过设置于其上的腰带固定在人体的腰部，其中：

所述动力控制器内包括密封壳体和设置于所述密封壳体内的电池仓和主控板，所述壳体上布设有按键模块，所述按键模块用于触发所述主控板改变所述驱动器的工作模式；

所述驱动器内设置有驱动电机，所述驱动电机与所述主控板电性连接，所述驱动电机的输出轴与一卷轮连接，所述卷轮上连接一柔性连接带的一端，所述柔性连接带的另一端与所述腿部绑带连接，所述腿部绑带上设置有加速度传感器；

所述主控板根据对所述加速度传感器采集的所述腿部绑带在X轴、Y轴、Z轴上发生的不同的加速度数据进行分析，并根据分析结果按预设规则控制所述驱动电机的转动速度；

所述碳纤维连杆上设置有可拆卸的背部支撑组件，所述背部支撑组件包括相互平行的两个支撑杆，两个所述支撑杆具有与人体背部直立时相配合的弧度，以及两个所述支撑杆的顶部之间连接一弧形连接板，两个所述支撑杆的底部均固定于一伸缩组件上，以及两个所述支撑杆的顶部共同连接与同一胸部束缚带，所述胸部束缚带用于包裹人体的胸部以使得所述支撑杆的顶部固定于人体的背部，所述伸缩组件包括：

第一连接杆和第二连接杆，其各顶部一端分别铰接于所述支撑杆底部，以及其中部相互铰接；

第三连接杆和第四连接杆，其各顶部一端分别交接于所述第一连接杆和所述第二连接杆的各底部一端，以及其中部相互铰接，所述第三连接杆的底部一端铰接于所述碳纤维连杆的固定件上；

第五连接杆，其一端铰接于所述第四连接杆的底部一端，其另一端铰接于所述固定件上；

所述固定件可拆卸式安装于所述碳纤维连杆上；

所述第一连接杆通过中间件与所述支撑杆铰接。

2.根据权利要求1所述的智能型可穿戴腰部助力外骨骼装置，其特征在于，所述电池仓包括稳压单元、检测单元、电池单元、充电单元、接口单元，所述稳压单元用于为所述主控板和所述驱动器提供不同大小的供电电压，所述检测单元用于检测所述电池单元的电压，所述充电单元通过所述接口单元为所述电池单元充电。

3.根据权利要求1所述的智能型可穿戴腰部助力外骨骼装置，其特征在于，所述卷轮上设置有一感应片，所述感应片的一侧设置有感应开关，所述感应开关用于感应所述感应片的转动圈数并发送数据至所述主控板，在所述转动圈数大于或所述驱动器的当前模式对应的圈数阈值时，所述主控板控制所述电池仓对所述驱动电机停止供电。

4.根据权利要求1所述的智能型可穿戴腰部助力外骨骼装置，其特征在于，所述碳纤维连杆还通过设置于其上的柔性肩带固定在人体的腰部。

5.根据权利要求1所述的智能型可穿戴腰部助力外骨骼装置，其特征在于，所述第一连接杆和所述第二连接杆之间、所述第三连接杆和所述第四连接杆之间的铰接处均设置有扭力弹簧，在所述伸缩组件为拉伸状态时，所述扭力弹簧被拉伸。

6.一种力反馈可穿戴柔性外骨骼控制方法，其特征在于，包括如权利要求1-5任一项所述的装置，所述方法包括：

获取加速度传感器在周期内产生的加速度数据，并根据所述加速度数据计算出使用者的运动方向趋势和运动强度；

根据所述运动方向趋势和所述运动强度，主控板控制驱动电机执行对应的助力策略。

7.根据权利要求6所述的力反馈可穿戴柔性外骨骼控制方法，其特征在于，所述根据所述加速度数据计算出使用者的运动方向趋势和运动强度，包括：

读取所述加速度传感器在X轴、Y轴和Z轴产生的不同的所述加速度数据，得到所述运动强度；

以X轴为使用者的前后方向，以Y轴为使用者的左右方向，以Z轴为使用者的上下方向，计算所述加速度传感器在X轴、Y轴、Z轴在周期内产生的位移数据；

根据所述位移数据，得到在不同时刻加速度传感器在X轴、Y轴、Z轴上不同的坐标；

根据所述坐标，得到加速度传感器的运动曲线，以得到所述运动方向趋势。