一種輕便運(yùn)動(dòng)助力裝置及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及助力裝置技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種輕便運(yùn)動(dòng)助力裝置及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]人們?cè)谏钪薪?jīng)常會(huì)進(jìn)行上樓梯、爬山、騎自行車等運(yùn)動(dòng)，而這些運(yùn)行都會(huì)使得膝關(guān)節(jié)承受很大的力量，長(zhǎng)時(shí)間會(huì)損傷膝關(guān)節(jié)，對(duì)于老年人或者負(fù)重行走的人員更是如此。隨著科技水平的不斷進(jìn)步，出現(xiàn)了可穿戴式輔助機(jī)械裝置，此類裝置可以輔助老人和體弱者短途行走和解決在日常生活中遇到的問(wèn)題；隨著老齡化社會(huì)的到來(lái)，這類輔助機(jī)械將會(huì)有廣闊的應(yīng)用空間，在有效控制成本的情況下這類商品甚至將成為每個(gè)家庭中的必須品，普及程度很高。適用人群不僅限于尚能獨(dú)立行走的中老年人，還包括需要助力支持的青壯年人。
[0003]可穿戴式輔助機(jī)械裝置在機(jī)械裝置中增加智能，可以經(jīng)過(guò)配置耦合于穿戴者身上，能夠承擔(dān)穿戴者及其背負(fù)的部分負(fù)荷，這類裝置也成為人機(jī)外骨骼系統(tǒng)。專利CN200680006514.UCN200910020107.UCN201180028332.5 以及 CN201310215174.5 均就相關(guān)裝置的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行說(shuō)明。
[0004]上述發(fā)明揭示的外骨骼系統(tǒng)及裝置能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動(dòng)助力功能，但均實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、成本高昂且很笨重，不適合大規(guī)模推廣普及。
[0005]有一些產(chǎn)品如矯正器或護(hù)膝，能夠?qū)οリP(guān)節(jié)起到一定的支撐或保護(hù)作用，但卻不具備提供動(dòng)力的能力，不能對(duì)人體行動(dòng)起到主動(dòng)助力的作用，如專利CN201320711776.5。
[0006]專利CN201410462145.3提到一種基于套索傳動(dòng)的膝關(guān)節(jié)助力康復(fù)裝置，該裝置采用套索傳動(dòng)，系統(tǒng)依靠腰部提供力量支撐。為此，該裝置需要大力度固定在腰部，給穿戴者造成不適，且正常工作時(shí)套索不斷運(yùn)動(dòng)，容易磨損；該裝置主要用于助行康復(fù)器械領(lǐng)域，不太適應(yīng)普通人群的日常工作生活。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明提供一種輕便運(yùn)動(dòng)助力裝置及其控制方法，以解決上述助力裝置實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、成本高昂且很笨重，不適合大規(guī)模推廣普及的技術(shù)問(wèn)題。
[0008]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種輕便運(yùn)動(dòng)助力裝置，包括能源組件、控制組件和至少一套執(zhí)行組件，所述能源組件分別與所述控制組件和執(zhí)行組件連接，所述控制組件與所述執(zhí)行組件連接；所述執(zhí)行組件包括支撐結(jié)構(gòu)、力矩產(chǎn)生器及傳感器裝置；所述傳感器裝置感應(yīng)人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)、并將所述運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)傳送給所述控制組件，所述控制組件根據(jù)所述運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)、并發(fā)出控制指令給所述執(zhí)行組件，所述力矩產(chǎn)生器根據(jù)所述控制指令產(chǎn)生動(dòng)力驅(qū)動(dòng)所述支撐部件；所述能源組件為所述控制組件和執(zhí)行組件提供能源；所述支撐結(jié)構(gòu)包括大腿連接段、小腿連接段、大小腿連接軸，所述大腿連接段和所述小腿連接段通過(guò)所述大小腿連接軸連接；所述大腿連接段設(shè)有與人體大腿緊密固定的大腿束帶，所述小腿連接段設(shè)有與人體小腿緊密固定的小腿束帶；所述力矩產(chǎn)生器和傳感器裝置分別包括大腿力矩產(chǎn)生器和大腿傳感裝置，所述大腿傳感裝置設(shè)置在所述大腿連接段上以感應(yīng)大腿束帶的張力；所述大腿力矩產(chǎn)生器設(shè)置在所述大腿連接段和所述小腿連接段之間。
[0009]本發(fā)明的有益效果是:由于大腿連接段設(shè)有與人體大腿緊密固定的大腿束帶，小腿連接段設(shè)有與人體小腿緊密固定的小腿束帶；這樣可以大大簡(jiǎn)化裝置結(jié)構(gòu)、重量及成本，從而達(dá)到輕便、低成本的目的；大腿傳感裝置設(shè)置在大腿連接段上以感應(yīng)大腿束帶的張力，使得大腿束帶既有固定助力裝置的作用，又有傳遞大腿張力的作用，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了助力裝置的結(jié)構(gòu)。當(dāng)控制組件檢測(cè)到大腿傳感裝置的張力值后，如果張力值大于設(shè)定閾值，控制組件根據(jù)張力值計(jì)算大腿力矩產(chǎn)生器說(shuō)需要的功率，然后驅(qū)動(dòng)大腿力矩產(chǎn)生器工作，大腿力矩產(chǎn)生器帶動(dòng)大、小腿彎曲運(yùn)動(dòng)，從而為人的行走提供助力。
[0010]進(jìn)一步，所述支撐結(jié)構(gòu)還包括足部結(jié)構(gòu)和腳踝軸，所述小腿連接段和所述足部結(jié)構(gòu)通過(guò)所述腳踝軸連接。
[0011]采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是:設(shè)置足部結(jié)構(gòu)，使得人體穿戴更為方便。
[0012]進(jìn)一步，所述傳感裝置還包括壓力傳感裝置，所述壓力傳感裝置設(shè)置在所述足部結(jié)構(gòu)上，所述壓力傳感裝置與所述控制組件連接。
[0013]采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是:在足部結(jié)構(gòu)上設(shè)置壓力傳感裝置，通過(guò)壓力傳感裝置探測(cè)人體足部的壓力來(lái)控制助力裝置，使得控制更為準(zhǔn)確。
[0014]進(jìn)一步，所述壓力傳感裝置為多個(gè)，分別分布在所述足部結(jié)構(gòu)的前部和后部。
[0015]采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是:通過(guò)前部和后部的壓力傳感信號(hào)，可以清楚分辨人體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，為助力裝置的控制提供了精確的控制信息，能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的控制。
[0016]進(jìn)一步，所述足部結(jié)構(gòu)設(shè)有與人體足部緊密固定的足部束帶。
[0017]采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是:足部束帶能夠?qū)⑷梭w的足部固定在足部結(jié)構(gòu)上，穿戴比較可靠。
[0018]進(jìn)一步，所述傳感裝置還包括足部傳感裝置，所述足部傳感裝置設(shè)置在所述足部結(jié)構(gòu)上以感應(yīng)足部束帶的張力，所述足部傳感裝置與所述控制組件連接。
[0019]采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是:通過(guò)足部傳感裝置探測(cè)人體足部張力，以增強(qiáng)裝置與人體的協(xié)調(diào)性，進(jìn)一步提高助力裝置的使用體驗(yàn)。
[0020]進(jìn)一步，所述小腿連接段設(shè)有與人體小腿緊密固定的小腿束帶，所述傳感裝置還包括小腿傳感裝置，所述小腿傳感裝置設(shè)置在所述小腿連接段上以感應(yīng)小腿束帶的張力，所述小腿傳感裝置與所述控制組件連接。
[0021]采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是:小腿傳感裝置能夠探測(cè)人體小腿的張力值，根據(jù)人體小腿張力值來(lái)計(jì)算力矩產(chǎn)生器所需要的功率，為控制助力裝置提供了更為準(zhǔn)確的控制信息。
[0022]進(jìn)一步，所述力矩產(chǎn)生器還包括小腿力矩產(chǎn)生器，所述小腿力矩產(chǎn)生器設(shè)置在所述小腿連接段和所述足部結(jié)構(gòu)之間，所述小腿力矩產(chǎn)生器分別與所述能源組件和所述控制組件連接。
[0023]采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是:小腿力矩產(chǎn)生器能夠?yàn)槿梭w小腿提供驅(qū)動(dòng)力，使得助力裝置的省力效果更佳。
[0024]進(jìn)一步，所述傳感裝置還包括角度傳感裝置，所述角度傳感裝置設(shè)置在所述大腿連接段上或所述小腿連接段上，所述角度傳感裝置與所述控制組件連接。
[0025]采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是:角度傳感裝置能夠探測(cè)大腿連接段和小腿連接段之間的角度，通過(guò)大腿連接段和小腿連接段之間的角度的大小來(lái)調(diào)整助力裝置的控制力矩，提高了助力裝置控制的準(zhǔn)確性。
[0026]進(jìn)一步，所述大腿力矩產(chǎn)生器為收縮做功裝置，所述小腿連接段延伸出所述大小腿連接軸形成延伸端，所述收縮做功裝置設(shè)置在所述延伸端和所述大腿連接段之間。
[0027]采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是:收縮做功裝置來(lái)為小腿連接段提供助力。
[0028]進(jìn)一步，所述大腿力矩產(chǎn)生器為拉伸做功裝置，所述拉伸做功裝置設(shè)置在所述大腿連接段和所述小腿連接段的中段之間。
[0029]采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是:拉伸做功裝置設(shè)置在大腿連接段和小腿連接段的中段之間，助力裝置的整體結(jié)構(gòu)較為緊湊。
[0030]進(jìn)一步，其特征在于，所述執(zhí)行組件還包括腰部固定結(jié)構(gòu)，所述腰部固定結(jié)構(gòu)包括腰部連接軸和腰部束帶；所述腰部束帶通過(guò)腰部連接軸與所述大腿連接段相連接。
[0031]采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是:通過(guò)腰部固定結(jié)構(gòu)，能夠確保助力裝置與人體腰部的良好固定。
[0032]進(jìn)一步，所述大腿連接段和所述腰部固定結(jié)構(gòu)之間設(shè)置有彈簧。
[0033]采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是:彈簧使得大腿連接段和腰部結(jié)構(gòu)之間保持張力；在穿戴者邁步抬腿時(shí)，彈簧的拉力可以減輕穿戴者邁步抬腿時(shí)裝置本身重量帶來(lái)的負(fù)荷。
[0034]進(jìn)一步，所述大腿連接段和所述腰部固定結(jié)構(gòu)之間設(shè)置有大腿抬腿動(dòng)力產(chǎn)生器，所述大腿抬腿動(dòng)力產(chǎn)生器驅(qū)動(dòng)所述大腿連接段轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0035]采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是:通過(guò)大腿抬腿動(dòng)力產(chǎn)生器為助力器提供助力，驅(qū)動(dòng)所述大腿連接段轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0036]進(jìn)一步，所述力矩產(chǎn)生器和大腿抬腿動(dòng)力產(chǎn)生器為電動(dòng)推桿或直線電機(jī)，所述能源組件為電源，所述電源與所述電動(dòng)推桿電連接。
[0037]采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是:通過(guò)電動(dòng)推桿或直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩產(chǎn)生器和大腿抬腿動(dòng)力產(chǎn)生器，提供助力的驅(qū)動(dòng)源為電源，操作非常方便。
[0038]進(jìn)一步，所述電源為電池、燃料電池、太陽(yáng)能電池、生物電池或燃燒引擎。
[0039]采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是:電池、燃料電池、太陽(yáng)能電池、生物電池或燃燒引擎作為電源，能源環(huán)保、經(jīng)濟(jì)。
[0040]進(jìn)一步，所述力矩產(chǎn)生器或大腿抬腿動(dòng)力產(chǎn)生器為空氣氣動(dòng)肌腱，所述能源組件為高壓氣泵，所述高壓氣泵通過(guò)柔性高壓氣管與所述空氣氣動(dòng)肌腱連接。
[0041]采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是:空氣氣動(dòng)肌腱具的動(dòng)態(tài)特性好，無(wú)移動(dòng)機(jī)械部件，慢速移動(dòng)時(shí)也無(wú)跳動(dòng)和爬行現(xiàn)象，無(wú)需使用位移傳感器，密封良好，分隔驅(qū)動(dòng)器內(nèi)空氣和周圍空氣，能夠適用于各種環(huán)境，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固。
[0042]進(jìn)一步，所述高壓氣泵和所述空氣氣動(dòng)肌腱之間設(shè)有氣體增壓閥。
[0043]采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是:通過(guò)氣體增壓閥增大空氣氣動(dòng)肌腱的驅(qū)動(dòng)力。
[0044]進(jìn)一步，所述力矩產(chǎn)生器或大腿抬腿動(dòng)力產(chǎn)生器為液壓推桿，所述能源組件為液壓泵，所述液壓泵通過(guò)液壓管與所述液壓推桿連接。
[0045]采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是:液壓推桿具有良好的穩(wěn)定性，提供助力的過(guò)程較為平穩(wěn)，改善用戶的體驗(yàn)。
[0046]進(jìn)一步，所述液壓泵和所述液壓推桿之間設(shè)有液體增壓閥。
[0047]采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是:通過(guò)液體增壓閥增大液壓推桿的驅(qū)動(dòng)力。
[0048]進(jìn)一步，所述力矩產(chǎn)生器或大腿抬腿動(dòng)力產(chǎn)生器為人造肌肉，所述能源組件為電源，所述電源通過(guò)液壓管與所述人造肌肉連接。
[0049]采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是:人造肌肉作為一種電活