一种电动拐杖、姿态检测装置及机器人的制作方法

本发明涉及检测与控制技术领域，尤其是涉及一种电动拐杖、姿态检测装置及机器人。

背景技术：

拐杖，也称之为拐棍，是一种辅助行走的简单器械，通常是一根由木材或金属材料制作而成的棍体，对于腿脚不方便的老人或病人，拐杖对其外出活动以及保持身体平衡起到重要的辅助作用。

一般拐杖，其活动需要依靠人力，即使用者需要不断地抬起和落下拐杖，才能让拐杖跟随使用者行进并对其身体进行支撑，这是会消耗使用者额外的体力。为了解决上述技术问题，现有技术中出现了经过改进的电动拐杖，如公布号为cn109276001a的中国专利，公开了一种自动跟随和安全助力的平衡手杖，它包括握把、杖体和平衡装置，杖体上设置电池组以提供电能，平衡装置包括控制组件、电机、减速器、差速器以及脚轮，控制组件能够对杖体的倾斜进行姿态感知，并通过调速控制和电机驱动以控制脚轮转动，进而补偿杖体的姿态变化，使手杖恢复并动态地维持平衡状态，从而实现跟随及助力使用者的功能。

但是即使采用上述现有技术方案，依旧会在实际应用中遇到难题，例如在使用者需要靠电动拐杖进行转弯时，这种电动拐杖就无法很好地跟随及助力使用者，还可能出现转弯角过大或过小，影响使用者行走的情况。导致这种情况的原因在于，如上述专利的附图3至5所示意的，这种电动拐杖虽然能够对杖体向前或向后方向的倾斜进行较为准确的检测，但是在转弯的情况下，杖体不只有向前或向后倾斜的趋势，还存在向左或向右（依据拐弯的方向）的倾斜趋势，而受制于这种电动拐杖的结构限制，这种向转弯方向的倾斜无法得到准确的检测，因此无法控制脚轮补偿杖体的姿态变化，平衡性不好。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的目的一在于提供一种电动拐杖，具备能够对杖体的倾斜姿态进行准确的检测进而提高多种使用场景下的平衡性的优点。

本发明的上述发明目的一是通过以下技术方案得以实现的：

一种电动拐杖，包括握把、杖体和平衡装置，所述平衡装置包括运动机构以及控制所述运动机构运动的主控板，所述杖体与运动机构之间连接有姿态检测装置，所述姿态检测装置包括：随动连接件，与所述杖体连接并与杖体保持联动；弹性支撑件，连接于随动连接件与运动机构之间，用于承载随动连接件并为随动连接件提供一活动空间；姿态传感器，安装在随动连接件或杖体上，用于感知杖体的姿态变化并反馈给主控板。

通过采用上述技术方案，当电动拐杖的使用者在多种使用场景行进，如前进、后退、左转、右转，操作者施加给杖体相应方向的倾斜趋势，由于杖体连接在随动连接件上，而随动连接件在弹性支撑件的支撑下能够在活动空间内向任意方向倾斜，由此区别于现有技术的电动拐杖，杖体能够在随动连接件的支撑下，自身以及同步带动随动连接件向任意方向发生倾斜，进而使得姿态传感器能够检测得到杖体向前、向后、向左、向右的倾斜变化分量，以更准确地检测到杖体的倾斜姿态变化，获知使用者的行进意图，从而更有利于控制运动机构补偿杖体的姿态变化，使得电动拐杖在多种使用场景下的平衡性提高。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述姿态传感器为九轴惯性传感器、三轴加速度传感器、三轴陀螺仪、三轴电子罗盘中的一种或多种的组合。

通过采用上述技术方案，可直接选用九轴惯性传感器，或根据应用需要，选取三轴加速度传感器、三轴陀螺仪、三轴电子罗盘或其组合，具备较好的可选择性与扩展性。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述杖体与所述随动连接件通过固定结构实现固定连接。

通过采用上述技术方案，杖体与随动连接件固定来接以实现两者的联动，杖体的姿态变化直接转化为随动连接件的姿态变化，更加同步与及时。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述随动连接件为板体，所述杖体连接在所述板体的几何中心处。

通过采用上述技术方案，板体为固定结构以及杖体提供了较为平整以及充裕的连接空间，将杖体连接在板体的几何中心处，更有利于电动拐杖的平衡与稳定。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述板体包括用于水平安装姿态传感器的安装部，所述姿态传感器安装在所述安装部上。

通过采用上述技术方案，安装部提供了水平的安装平面，方便姿态传感器的安装与调试。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述弹性支撑件为弹簧。

通过采用上述技术方案，弹簧具备较好的承载力以及弹性形变与恢复力，能够良好地支撑随动连接件，且使其能够在活动空间内变化姿态。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述弹簧设置为多个且分布连接在所述随动连接件的外周边。

通过采用上述技术方案，弹簧是沿其轴向产生弹性形变的部件，将弹簧设置在板体状的随动连接件的外周边，相当于让弹簧远离随动连接件的几何中心，当随动连接件发生倾斜时候，能够增加沿弹簧轴向的力矩，减少水平向的扭矩，在为随动连接件提供活动空间的同时，弹簧自身的使用寿命得以延长，同时沿着外周边分布的多个弹簧的共同支撑，使得随动连接件无论是姿态变化时或维持自然平衡状态时对力的传递能力更加可靠。

本发明的目的二在于提供一种姿态检测装置，具备能够对待平衡部的倾斜姿态进行准确的检测进而提高多种使用场景下的平衡性的优点。

本发明的上述发明目的二是通过以下技术方案得以实现的：

一种姿态检测装置，包括：随动连接件，用于与待平衡部连接并与待平衡部保持联动；弹性支撑件，连接于随动连接件与运动机构之间，用于承载随动连接件并为随动连接件提供一活动空间；姿态传感器，安装在随动连接件或待平衡部上，用于感知待平衡部的姿态变化并反馈给主控板。

通过采用上述技术方案，可以将姿态检测装置应用于多种包含了待平衡部和平衡装置的机器中，在多种使用场景的行进中，如前进、后退、左转、右转，待平衡部能够在随动连接件的支撑下，待平衡部自身以及同步带动随动连接件向任意方向发生倾斜，进而使得姿态传感器能够检测得到向前、向后、向左、向右的倾斜分量，以更准确地检测其倾斜姿态变化，从而更有利于控制运动机构补偿待平衡部的姿态变化，提升多种使用场景下的平衡性提高。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述姿态传感器为九轴惯性传感器、三轴加速度传感器、三轴陀螺仪、三轴电子罗盘中的一种或多种的组合。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述随动连接件上设有用于固定连接待平衡部的固定结构。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述随动连接件为板体，所述板体的几何中心处用于连接待平衡部。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述板体包括用于水平安装姿态传感器的安装部，所述姿态传感器安装在所述安装部上。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述弹性支撑件为弹簧。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述弹簧设置为多个且分布连接在所述随动连接件的外周边。

本发明的目的三在于提供一种机器人，具备能够对待平衡部的倾斜姿态进行准确的检测进而提高多种使用场景下的平衡性的优点。

本发明的上述发明目的三是通过以下技术方案得以实现的：

一种机器人，包括待平衡部和平衡装置，所述平衡装置包括运动机构以及控制所述运动机构运动的主控板，所述机器人还包括上述的姿态检测装置。

综上所述，本发明包括以下至少一种有益技术效果：

一、通过姿态检测装置，使得诸如杖体这样的待平衡部能够在随动连接件和弹性支撑件的共同作用下，在一活动空间内可向任意角度倾斜，进而让姿态传感器能准确地检测到待平衡部的姿态变化，相应地更好地控制运动机构进行补偿，更利于维持平衡；

二、合理地配置随动连接件以及弹性支撑件的结构，以及两者与待平衡部、运动机构之间的连接与位置关系，整体结构简单易于实施，但同时兼顾使用寿命与助力传递的可靠性。

附图说明

图1是本发明电动拐杖实施例一的结构示意图。

图2是本发明电动拐杖施例一的系统结构示意图。

图中，1、握把；2、杖体；31、底盘；32、连杆；33、脚轮；34、驱动电机；4、主控板；41、锂电池；42、单片机；43、驱动器；51、姿态传感器；52、板体；521、安装部；53、弹簧；6、固定结构；61、连接盘；62、固定套筒。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例一

参照图1，为本发明公开的一种电动拐杖，包括呈c形的握把1、固定连接在握把1下方的杖体2、连接在杖体2的底端的姿态检测装置以及连接在姿态检测装置下方的、根据姿态检测装置反馈的姿态检测数据、进行计算判断、发出控制指令、转化为行进的平衡装置。

平衡装置包括运动机构以及控制所述运动机构运动的主控板4。

运动机构包括底盘31、连杆32和安装于连杆32上的脚轮33，本实施例中，底盘31呈矩形，连杆32与脚轮33设置为四组且分别设置在底盘31的两条长边的端部，每个脚轮33对应的都连接有一个驱动电机34，单独控制其转动，位于同一长边上的两个连杆32组合呈八字形，如此设置能使得整个运动机构的重心降低、底盘31更稳，增加运动机构的稳定性。在其他实施例中，底盘31的形状还可以是三角形、框体或其他形状，可选择的，连杆32与脚轮33设置的组数也可以设置为两组、三组及四组以上的组数。如此设置的运动机构，通过驱动电机34各自驱动脚轮33的转动，依据转速的变化，可以实现停止、前进、后退，当前进方向两侧的脚轮33的转速不同时，则可以进行向左或向右的转向。

参见图2，主控板4包括电池、单片机42以及驱动器43，电池为锂电池41，用于给电动拐杖的各用电器件供电，单片机42用于接收姿态传感器51反馈的姿态检测数据，姿态检测数据中包含的为杖体2在x、y、z三个方向倾斜的角度值，然后由单片机42进行计算判断，与相应方向的阈值比较，如果某个方向倾斜的角度值超出阈值，就向驱动器43发出控制指令，由驱动器43转化为对每个驱动电机34单独控制的pwm信号，由此来控制每个脚轮33的转动，实现运动控制与姿态补偿，使电动拐杖平衡。

由此可知，更为准确的平衡控制，首先来自于对杖体2在x、y、z三个方向倾斜的角度值的准确与高频检测，为了能够解决现有技术中存在的，因为受制于电动拐杖的结构设计，向转弯方向的倾斜无法得到准确的检测，因此无法控制脚轮33补偿杖体2的姿态变化，平衡性不好的问题。参见图1，作为中间连接结构的姿态检测装置，它包括了随动连接件、弹性支撑件以及前文所提到的姿态传感器51，随动连接件与杖体2连接并与杖体2保持联动，弹性支撑件连接于随动连接件与底盘31之间，在承载随动连接件的同时，为随动连接件提供一活动空间，由此随动连接件可以在活动空间内向任意方向发生倾斜，姿态传感器51安装在随动连接件上。

本实施例中，随动连接件设置为与底盘31相同形状以及大小的矩形的板体52，板体52上包括用于水平安装姿态传感器51的安装部521，姿态传感器51安装在安装部521上，杖体2通过固定结构6固定连接在板体52的几何中心位置，即矩形的两条对角线相交的位置。固定结构6为一连接座，连接座包括了连接盘61和位于连接盘61中心的固定套筒62，杖体2的下端插接并固定在固定套筒62内，连接盘61通过螺钉或焊接的方式固定在板体52上，如此以来，杖体2在板体52的固定及支撑下，同样也能够向任意方向倾斜，同时杖体2的姿态变化能够同步为板体52的姿态变化，让姿态传感器51检测到在x、y、z三个方向的姿态倾斜的角度值，反馈给单片机42，从而有利于控制运动机构补偿杖体2的姿态变化，使得电动拐杖在多种使用场景下的平衡性提高。

本实施例中，弹性支撑件为弹簧53，弹簧53的上端固定连接在板体52上，弹簧53的下端固定连接在底盘31上，弹簧53具备较好的承载力以及弹性形变与恢复力，能够良好地支撑随动连接件，且使其能够在活动空间内变化姿态。弹簧53设置为多个且分布连接在板体52的外周边，图1中示意的弹簧53在矩形的两条长边各布置四个，总计八个，由此当随动连接件发生倾斜时候，能够增加沿弹簧53轴向的力矩，减少水平向的扭矩，在为随动连接件提供活动空间的同时，弹簧53自身的使用寿命得以延长，同时沿着外周边分布的多个弹簧53的共同支撑，使得随动连接件无论是姿态变化时或维持自然平衡时对力的传递能力更加可靠。

姿态传感器51可以为九轴惯性传感器、三轴加速度传感器、三轴陀螺仪、三轴电子罗盘中的一种或多种的组合，具备较好的可选择性与扩展性，本实施例中选择九轴惯性传感器作为姿态传感器51，在其他实施例中，姿态传感器51可以安装在杖体2上。

实施例二

一种姿态检测装置，包括：随动连接件，用于与待平衡部连接并与待平衡部保持联动；弹性支撑件，连接于随动连接件与运动机构之间，用于承载随动连接件并为随动连接件提供一活动空间；姿态传感器51，安装在随动连接件或待平衡部上，用于感知待平衡部的姿态变化并反馈给主控板4。

可以将姿态检测装置应用于多种包含了待平衡部和平衡装置的机器中，在多种使用场景的行进中，如前进、后退、左转、右转，待平衡部能够在随动连接件的支撑下，自身以及同步带动随动连接件向任意方向发生倾斜，进而使得姿态传感器51能够检测得到向前、向后、向左、向右的倾斜分量，以更准确地检测其倾斜姿态变化，从而更有利于控制运动机构补偿待平衡部的姿态变化，提升多种使用场景下的平衡性提高。

进一步，所述姿态传感器51为九轴惯性传感器、三轴加速度传感器、三轴陀螺仪、三轴电子罗盘中的一种或多种的组合。所述随动连接件上设有用于固定连接待平衡部的固定结构6。所述随动连接件为板体52，所述板体52的几何中心处用于连接待平衡部。所述板体52包括用于水平安装姿态传感器51的安装部521，所述姿态传感器51安装在所述安装部521上。所述弹性支撑件为弹簧53。所述弹簧53设置为多个且分布连接在所述随动连接件的外周边。

实施例三

一种机器人，包括待平衡部和平衡装置，所述平衡装置包括运动机构以及控制所述运动机构运动的主控板4，所述机器人还包括实施例二中所述的姿态检测装置。

上述实施例二和实施例三中的待平衡部可以是用于承载物体的支架、托盘、夹具等，用于固定其他实际需要平衡的物体。

待平衡部也可以直接为实际需要平衡的物体，如支撑杆、摄像头、平衡车踏板等。

本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。