一种智能可穿戴膝关节助力器的制作方法

本实用新型涉及一种膝关节助力器，尤其涉及一种智能可穿戴膝关节助力器，其属于外骨骼机器人技术领域。

背景技术：

得益于外骨骼技术的积累和相关技术领域的突破，可穿戴式助力型机器人在各个方面都具有广泛的应用前景。日本、法国、以色列等国都相继腿出了自己的外骨骼助力产品，并且已经在市场上引起了强烈的反响，创造了巨大的经济价值与社会价值。国内科研院校近些年将主要研究方向集中于上、下肢整体的外骨骼，虽然其结构、控制方式相对复杂，但是已经取得阶段性成果，积累了大量相关技术。

膝关节助力设备的关键就在于如何准确的施加外部手腕传感器模块助力，也就是快速识别人体运动意图，从而能够适应不同的地形，如山地、坡地、楼梯等，主动施加助力，减轻人体负担。而现有的膝关节助力设备的控制主要有两种：一种是被动的助力，即按照编写好的程序、规划好步态，由设备带动人体运动，这种方式会受地形变化的影响，运动形式有限，并且存在一定的安全隐患；另一种是由手部施加命令的方式给人体提供助力，也就是人的手中握有一个遥控器一样的装置，以此来控制腿部的摆动。这两种方法都有其自身的局限性，不够智能化，在很大程度上也消耗了人的体力，并且人的运动也会变得很不自然。

随着国家大力倡导全民健身，户外徒步、爬山人群不断增加，结合外骨骼机器人的行走助力的设备也获得了越来越多的人的期待。所以，迫切需要一款智能的可以实时提取穿戴者运动意图并能及时跟随的穿戴式膝关节助力设备。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本实用新型提出一种智能可穿戴膝关节助力器，其通过腿部加速度传感器模块，绑带上的压力传感器阵列和穿戴在手腕上的传感器模块的信号，可准确识别人体运动意图，从而合理施加外部助力，减轻人体运动时的膝关节负担。

为了达到上述目的，本实用新型的技术方案如下：一种智能可穿戴膝关节助力器，该助力器为主动施加助力，其包括机械结构部分和人体运动意图提取部分；所述机械结构部分包括大腿杆、小腿杆、谐波齿轮减速器，所述大腿杆的一端为工字型结构，谐波齿轮减速器与大腿杆的工字型结构通过螺栓固定连接，所述谐波齿轮减速器上安装有直流电机，所述小腿杆通过法兰安装到谐波齿轮减速机的输出轴上；位于大腿杆和小腿杆上分别安装有大腿绑带和小腿绑带；

所述人体运动意图提取部分包括设置在大、小腿杆上的大、小腿加速度传感器，设置在大腿杆上的直流稳压电源与处理器模块，设置在大、小腿绑带内侧上的大、小腿压力传感器阵列，以及穿戴在手腕上的传感器模块。

作为优选，所述大、小腿加速度传感器选用多轴或者单轴加速度传感器，其用于检测人体步行时矢状面内的大腿、小腿的加速度及倾角角度，所述倾角角度通过陀螺仪传感器或加速度传感器可直接得到。

作为优选，所述大、小腿压力传感器阵列为接触开关、电容开关或者压力传感器中的一种或者多种的组合，大、小腿压力传感器阵列用以通过检测阵列式传感器的信号变化，得到人体腿部的运动意图。

所述手腕传感器模块用于实现手臂摆动姿态的提取，其姿态包含但不限于摆动角度、摆动速度，所述手腕传感器模块包括但不限于加速度传感器、陀螺仪传感器、倾角计或者磁力传感器。

且设置在外部的手腕传感器模块在具体应用过程中安装在表盘里，且腕带由弹性体制成。中央处理器将采集到的不同传感器的信号进行运算分析，准确快速的识别判断出人体的运动意图，驱动电机，主动给人体施加助力。

作为优选，所述小腿杆的一端设置有挡块，所述挡块与大腿杆的工字型结构共同组成限位装置。

作为优选，所述大、小腿绑带在大、腿杆上可活动调节，且所述大、小腿绑带通过锁扣安装在大、腿杆上，使用者根据使用的舒适度来手动调整绑带的位置，以便达到一个更舒适的位置。

作为优选，所述谐波齿轮减速器的输出轴与大腿杆之间安装有一法兰轴承。

作为优选，所述大、小腿杆由硬质铝合金制成，其与人体贴合的一面设置有弹性海绵材料层，避免硬质铝合金直接与人体直接接触，从而保护人体皮肤不受运动损伤。

作为优选，所述大、小腿绑带由透气帆布材料制成。

作为优选，所述直流电机为直流盘式电机，其给助力器提供动力，且该助力器为主动施加助力。

本实用新型的有益效果：本实用新型结构简单轻巧、穿戴方便；且本装置为主动施加助力，大大减轻了使用者行动的不便；本实用新型还能快速准确的识别人体运动意图，及时准确的给人体施加正确的助力；本实用新型不仅可以应用于行走助力，也可用于膝关节的康复治疗。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的结构示意图；

图3为本实用新型限位装置的结构示意图；

图4为手腕传感器模块的结构示意图；

其中：1.大腿杆，2.小腿杆，3.谐波齿轮减速器，4.直流电机，5.大腿绑带，6.小腿绑带，7.大腿加速度传感器，8.小腿加速度传感器，9.直流稳压电源与处理器模块，10.大腿压力传感器阵列，11.小腿压力传感器阵列，12.手腕传感器模块，13.挡块，14.腕带。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1至4所示，一种智能可穿戴膝关节助力器，该助力器为主动施加助力，其包括机械结构部分和人体运动意图提取部分；所述机械结构部分包括大腿杆1、小腿杆2、谐波齿轮减速器3，所述大腿杆1的一端为工字型结构，谐波齿轮减速器3与大腿杆1的工字型结构通过螺栓固定连接，所述谐波齿轮减速器3上安装有直流电机4，所述小腿杆2通过法兰安装到谐波齿轮减速器3 的输出轴上；位于大腿杆1和小腿杆2上分别安装有大腿绑带5和小腿绑带6；

所述人体运动意图提取部分包括设置在大、小腿杆1和2上的大、小腿加速度传感器7和8，设置在大腿杆1上的直流稳压电源与处理器模块9，设置在大、小腿绑带5和6内侧上的大、小腿压力传感器阵列10和11，以及设置在外部的手腕传感器模块12。

所述大、小腿加速度传感器7和8选用多轴或者单轴加速度传感器，其用于检测人体步行时矢状面内的大腿、小腿的加速度及倾角角度，所述倾角角度通过陀螺仪传感器或加速度传感器可直接得到。

所述大、小腿压力传感器阵列10和11为接触开关、电容开关或者压力传感器中的一种或者多种的组合，大、小腿压力传感器阵列10和11用以通过检测阵列式传感器的信号变化，得到人体腿部的运动意图。

所述手腕传感器模块12用于实现手臂摆动姿态的提取，其姿态包含但不限于摆动角度、摆动速度，所述手腕传感器模块12包括但不限于单轴加速度传感器、多轴加速度传感器、陀螺仪传感器、倾角计或者磁力传感器。

且手腕传感器模块12在具体应用过程中安装在表盘里，且腕带14由弹性体制成。中央处理器将采集到的不同传感器的信号进行运算分析，准确快速的识别判断出人体的运动意图，驱动直流电机4，主动给人体施加助力，在具体的应用过程中直流电机4选择直流盘式电机，但不限于盘式电机，其它直流电机也可以，在计算出人体运动意图之后，处理器模块发出驱动信号到直流盘式电机，经过减速器驱动小腿杆，主动施加助力，完成抬腿的动作。

所述小腿杆2的一端设置有挡块13，所述挡块13与大腿杆1的工字型结构共同组成限位装置，从而限制了小腿杆2的旋转角度，起到了保护小腿的作用。

所述大、小腿绑带5和6在大、腿杆1和2上可活动调节，且所述大、小腿绑带通过锁扣安装在大、腿杆上，使用者根据使用的舒适度来手动调整绑带的位置，以便达到一个更舒适的位置。

所述谐波齿轮减速器3的输出轴与大腿杆1之间安装有一法兰轴承。

所述大、小腿杆1和2由硬质铝合金制成，结构为薄片状，其与人体贴合的一面设置有弹性海绵材料层，避免硬质铝合金直接与人体直接接触，从而保护人体皮肤不受运动损伤。且所述大、小腿绑带5和6由透气帆布材料制成，与人腿绑紧，是的大腿杆和小腿杆在运动过程中不会掉落，其不会使人体感到不适。

其工作过程是：在大腿杆1上安装有一个大腿杆加速度传感器7，在小腿杆上2安装一个小腿杆加速度传感器8，通过采集这两个传感器的信号，得出大腿与小腿之间的角度变化，利用关节角度判断人体运动意图；在每个大腿绑带5内侧上安装有一个大腿压力传感器阵列10，每个小腿绑带6上安装一个小腿压力传感器阵列11，当人体运动时，腿部肌肉会发生变化，压力传感器采集到肌肉的变化，并将这种信号转化为电信号输出，根据传感器输出的信号，来判断人体的运动意图；并且，因为人体的运动是一个上下肢协调的运动，所以也可以在人体的上肢手腕处穿戴一个手腕传感器模块12，通过采集传感器的输出信号，计算得出上肢的运动姿态，就可以分析出人体的运动意图。

本实用新型结构简单轻巧、穿戴方便；且本装置为主动施加助力，大大减轻了使用者行动的不便；本实用新型还能快速准确的识别人体运动意图，及时准确的给人体施加正确的助力；本实用新型不仅可以应用于行走助力，也可用于膝关节的康复治疗。