一种丘陵地区林果作业助力器的制作方法

本发明涉及一种丘陵地区林果作业助力器，属于农林机械加工领域。

背景技术：

林果业(包括树林、园林、果木、花卉等)是农业产业结构的重要组成部分，随着我国经济的发展和农业产业结构的调整，森林覆盖率与林果种植面积越来越大，且具有极大的发展潜力。然而，我国林果树种植大都集中于丘陵山地，农业机械较难入地作业，肥料、果实、农机器具等农业货物的挪移搬运给林果农造成很大的体力消耗与身体负担，随着农村新城镇化建设的发展，农村“老龄化、空心化”现象严重，从事林果业生产的人员中老年人、女性的比例日益递增，此种人群在丘陵山地携带货物上沟爬崖实施高强度作业极易受到损伤。通常人们采用手杖助力，但是，手杖有较大的使用局限性，使用时需手持且须随时配合各种路况，不能有效地满足人们对省力和减负的要求。

技术实现要素：

为克服上述缺陷，本发明提供了一种丘陵地区林果作业助力器，是一种工作平稳、劳动强度低、穿戴可靠、操作简便安全的新型林果作业人机交互助力装备。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

一种丘陵地区林果作业助力器，包括固定结构、测试系统、控制系统、动力系统和电源部分；

所述的固定结构包括铝合金框架、腿部固定带、脚部固定带，铝合金框架上端与腿部固定带连接，下端与脚部固定带连接；所述铝合金框架可活动套在小腿上，腿部固定带固定在膝关节下部，脚部固定带固定在踝关节上部。所述腿部固定带与脚部固定带之间竖立均匀连接有八条弹性布条；铝合金框架根据人体小腿的长度制作，框架长度可调。

所述的测试系统包括倾斜开关和角加速度传感器；所述的倾斜开关、角加速度传感器及单片机固定于脚踝部位；所述角加速度传感器为L3G4200角加速度传感器。

所述的动力系统包括舵机和柔索；所述舵机固定在铝合金框架上部；柔索上端与舵机连接且缠绕在舵机上，下端与脚部固定带连接，起到助力器工作时牵引小腿的作用。所述舵机为YYDJ-018舵机。

所述的控制系统为单片机，单片机分别和倾斜开关、角加速度传感器、舵机连接。所述单片机为89C52单片机。

所述的电源部分包括12V镍氢电池和12伏转5伏转压模块；12V镍氢电池用于为舵机供电；12伏转5伏转压模块用于为单片机及其他模块供电。

本发明还涉及一种步态控制方法，其步骤如下：

1、单片机中存储控制步态(控制步态可根据现有技术编程)；所述控制步态具体为：右脚两次抬起之间为一个步态周期，每个周期分为四个单程：①右腿弯曲抬起，②右脚伸直落地，③左腿弯曲抬起，④左腿伸直落地。在①、③过程中，右脚、左脚脚底分别与地面成负角度；②、④过程右脚、左脚分别与地面成正角度(设平踩地面时角度为零度，从左往右看，脚底绕脚踝逆时针转动为正角度，顺时针转动为负角度)。

2、利用角加速度传感器测试人体的运动状态并向单片机输出数字量，倾斜开关在正角度时向单片机的p3.0口输入高电平，在负角度时向单片机的p3.0口输入低电平；

3、单片机通过角加速度传感器输入的信号判断人体的运动状态，若输入1，则为正角度，处于①或③步态，若输入0，则为负角度，处于②或④步态；

4、处于①或③步态即弯腿时，舵机处于位置控制模式，能输出较大扭矩并精确控制转动角度。单片机经过运算，向舵机输出周期20ms占空比10％的矩形波，控制舵机的转动，使舵机转动到120°；

5、舵机的转动经过动力系统，一部分转化成牵引力，使小腿抬起，减轻人体抬腿的负担；另一部分转化成弹性布条的弹性势能储存起来，通过弹性布条将抬脚力增大，而落脚力减小；

6、伸腿时，单片机向舵机输出周期20ms，占空比5％的矩形波，舵机倒转至-120°(舵机外部负载小，能够较快复)。同时弹性布条将储存的弹性势能释放，促进完成伸腿动作。

在本发明中，人体运动时，角加速度传感器(L3G4200)与倾斜开关测量人体的运动状态，判断出人体将要进行的是抬腿还是落腿动作，而后在弯腿时，单片机(89C52)根据所判断的运动状态控制舵机；传递不同占空比的矩形波信号(根据现有技术编程设定舵机启动提前量)，以控制舵机(YYDJ-018)的转动，舵机牵引柔索，柔索带动腿部使行走动作更加轻松、灵活。同时，抬腿时弹性机构储存能量，在下一个运动状态时释放储存的弹性势能促进伸腿。通过舵机牵引与弹性机构势能释放给人体行走、爬坡时的迈步动作完成助力。

本发明采用单片机控制舵机，舵机牵引人体腿部以及弹性机构能够储存释放弹性势能的方式和特点，提高了丘陵山区林果作业人工效率与作业安全，且整机具有设计重量轻、操作简单、运动灵活的特点，弹性机构的设置与应用，节约了该装备的能耗，同时也提高了装备的续航能力，是一种有效的辅助人体行走、作业装备。

附图说明

图1：人机交互助力器结构主视图

图2：人体行走步态分析图

图3：单片机引脚图

图4：传感器脉冲信号图

图5：人机交互助力器的工作原理图

图中：1腿部固定带,2铝合金框架,3弹性布条,4脚部固定带,5单片机,6倾斜开关,7角加速度传感器,8柔索,9舵机。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步描述，本发明中所使用部件，如无特殊说明，均为可市购件或采用现有技术实现。如图1所示，包括固定结构、测试系统、控制系统、动力系统和电源部分；

所述的固定结构包括铝合金框架2、腿部固定带1、脚部固定带4，铝合金框架2上端与腿部固定带1连接，下端与脚部固定带4连接；所述铝合金框架2可活动套在小腿上，腿部固定带1固定在膝关节下部，脚部固定带4固定在踝关节上部。所述腿部固定带1与脚部固定带4之间竖立均匀连接有八条弹性布条3；铝合金框架2根据人体小腿的长度制作，铝合金框架2长度可调。

所述的测试系统包括倾斜开关6和角加速度传感器(L3G4200)7；所述的倾斜开关、角加速度传感器7及单片机(89C52)5固定于脚踝部位；

所述的动力系统包括舵机9、柔索8；所述舵机(YYDJ-018)9固定在铝合金框架2上；胶绳(柔索)8上端与舵机9相连，下端与脚部固定带4连接，起到助力器工作时牵引小腿的作用。所述的柔索可采用胶绳、软绳等柔软材质且有一定强度的绳子。

所述的控制系统为单片机5，单片机5分别和倾斜开关6、角加速度传感器7、舵机9连接。

所述的电源部分包括12V镍氢电池和12伏转5伏转压模块；12V镍氢电池用于为舵机供电；12伏转5伏转压模块用于为单片机5及其他模块供电。

本发明以铝合金材质制作铝合金框架2，铝合金框架2轻便可穿脱，用于减轻人体爬坡或携带重物时小腿部肌肉的负担。铝合金框架上固定有舵机9，在人体各关节处设置多种传感器。人体运动时，利用角加速度传感器7与倾斜开关6测量人体的运动状态，判断出人体将要进行的是抬腿还是落腿动作，而后在弯腿时，单片机5根据所判断的运动状态向舵机9传递不同占空比的矩形波信号，以控制舵机9的转动，舵机9牵引柔索8，柔索8带动腿部使行走动作更加轻松、灵活。同时，抬腿时弹性布条3储存能量，在下一个运动状态时释放储存的弹性势能促进伸腿。

使用时，本发明具体的步态控制方法，步骤如下：

(1)利用传感器测试人体的运动状态并向单片机最小系统输出数字量，倾斜开关在正角度时向单片机的p3.0口输入高电平，在负角度时向单片机的p3.0口输入低电平(图3)；

(2)单片机通过传感器输入的信号判断人体的运动状态，若输入1，则为正角度，处于①或③步态，若输入0，则为负角度，处于②或④步态(图2)；

(3)处于①或③步态即弯腿时，舵机处于位置控制模式，能输出较大扭矩并精确控制转动角度。单片机经过运算，向舵机输出周期20ms占空比10％的矩形波(图4)，控制舵机的转动，使舵机转动到120°；

(4)舵机的转动经过传动机构，一部分转化成牵引力，使小腿抬起，减轻人体抬腿的负担，另一部分转化成弹性元件的弹性势能储存起来，例如，通过使用弹性布条，将抬脚力可增大到100N，而落脚力减小至50N；

(5)伸腿时，单片机向舵机输出周期20ms，占空比5％的矩形波，舵机倒转至-120°(舵机外部负载小，能够较快复)。同时弹性元件将储存的弹性势能释放，促进完成伸腿动作。工作原理如图5所示。

本发明采取单片机控制舵机，舵机牵引人体腿部的运动方式，在人体行走或携带重物作业时起到腿部助力的作业，同时使人体运动、作业时的安全也得到了有效保障。

本发明使用性能优势显著，具体体现为：1、该装置采取自动控制的方式，结构设计简便、灵活、重量轻。2、工作过程平稳。3、有效协助人体运动或负荷重物作业。4、操作简便、安全、可靠。