CN104984473B - 基于穿戴式肌肉电刺激的危险工位自动身体保护系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于穿戴式肌肉电刺激的危险工位自动身体保护系统，包括安全光幕装置、设备启动触发信号模块以及穿戴式肌肉电刺激器；所述安全光幕装置和设备启动触发信号模块分别与穿戴式肌肉电刺激器无线连接；其中：所述安全光幕装置用于提供人体进入工位危险区域的信号a；所述设备启动触发信号模块用于提供设备动作的信号b；所述穿戴式肌肉电刺激器接收信号a和信号b后通过电刺激使肌肉产生收缩动作。本发明优点是动作迅速，保护效果好，安装、佩戴方便，使用过程也不会干扰用户的动作或者限制其活动范围。

Description

基于穿戴式肌肉电刺激的危险工位自动身体保护系统

技术领域

本发明涉及机械加工技术领域，具体地，涉及基于穿戴式肌肉电刺激的危险工位自动身体保护系统，利用穿戴式肌肉电刺激技术实现危险工位的自动身体保护，适用于制造业中常用的冲床、剪板机、车床、注塑机等需要人工上下料的大型危险机械设备。

背景技术

工厂使用的冲床、剪板机、车床、注塑机等设备常常发生伤害操作者的事故。目前这些大型机械的保护机制通常是从机械本身的角度出发，当检测到危险时就迅速刹停机器，它的缺陷是操作者可能误触发停机信号，所以有些企业为追求生产效率而关闭此类保护系统以减小热停机；而且这些保护系统有可能出现故障从而引发事故；同时冲床的高速惯性可能导致刹车效果不理想从而导致事故的发生。也有采用防护罩等实体防护措施，但由于操作麻烦而常常被操作者放弃使用。还有通过声光发出警报的系统，但视觉和听觉刺激的神经流程是：声/光信号->眼/耳->神经传入->大脑处理决策->神经输出->肌肉收缩->肢体动作，整个流程需要操作者的中枢神经系统的介入，由操作者自主完成，大概要2秒多，不能实现即时有效的保护。

经文献检索发现，中国专利公开号为CN201052543，专利名称为：冲床人手安全保护装置，申请日为2006年12月5日。该装置提供了一种冲床人手安全保护机制，当检测到危险时就使冲床的离合器不能开启或者实施紧急制动。该装置存在一些不足：

1、大型机械的高速惯性可能导致刹车效果不理想从而导致事故的发生；

2、误触发的停机信号会降低生产效率，导致某些管理不严格的企业放弃使用这种保护机制；

3、该保护装置需要定期维护，但还是可能发生故障带来严重后果。

发明内容

本发明针对现有制造业中冲床、剪板机、车床、注塑机等需要人工上下料的大型危险机械设备容易发生故障带来严重后果的不足，提供了一种基于穿戴式肌肉电刺激的危险工位自动身体保护系统，利用电刺激肌肉技术，自动实现人体躲避危险的保护动作。本发明无需操作者的自主参与，完全是在外界电刺激作用下，即时被动的实现身体保护；整个系统可以根据现场的实际工况，通过各部分的组合实现。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的。

一种基于穿戴式肌肉电刺激的危险工位自动身体保护系统，包括安全光幕装置、设备启动触发信号模块以及穿戴式肌肉电刺激器；所述安全光幕装置和设备启动触发信号模块分别与穿戴式肌肉电刺激器无线连接；其中：

所述安全光幕装置用于提供人体进入工位危险区域的触发信号；

所述设备启动触发信号模块用于提供设备启动的动作信号；

所述穿戴式肌肉电刺激器接收触发信号和动作信号后通过电刺激使肌肉产生收缩动作。

优选地，所述穿戴式肌肉电刺激器包括载体、控制盒以及表面电极；所述控制盒和表面电极均安装于载体上；其中：

所述载体用于穿戴于使用者的手臂上，并与手臂相适配；

所述控制盒包括无线模块和控制器，所述无线模块接收触发信号和动作信号后传送至控制器，所述控制器实时处理触发信号和动作信号，并基于处理结果实时控制表面电极通电并电刺激手臂肌肉完成收缩动作。

优选地，所述电刺激利用低频脉冲电流，通过预先设定的程序刺激一组或多组肌肉，诱发肌肉运动；所述预先设定的程序为：模仿手缩回过程中肌肉的收缩过程，进而控制贴在相关骨骼肌的表面电极产生电流刺激肌肉产生收缩。

优选地，预先设定的程序具体为：

-当面对简单工位时，针对肱二头肌进行电脉冲刺激，肌肉收缩使肘关节快速弯曲，带动前臂及手部快速靠近身体，形成远离设备的保护动作；

-当面对复杂工位时，针对多块肌肉，按照固定时序分别给每一块肌肉进行电刺激，肌肉收缩使关节快速弯曲，带动前臂及手部快速靠近身体，形成远离设备的保护动作。

优选地，所述电脉冲为双向方波，电脉冲的参数值设定为：脉宽300微秒，频率40Hz，幅值设定范围为20毫安～60毫安。

优选地，所述穿戴式肌肉电刺激器还包括设置于载体上的如下任一个或任多个部件：

-指示灯，所述指示灯用于显示穿戴式肌肉电刺激器的工作状态；

-按键，所述按键用于使用者对显示穿戴式肌肉电刺激器进行控制。

优选地，所述载体穿戴于使用者手臂的上肢。

优选地，所述安全光幕装置包括：投光器、受光器以及无线通信模块；其中，所述投光器和受光器成对安装，所述投光器发射的红外光束被受光器接收，形成光路；当有物体出现在光路上时，受光器通过控制电路发出触发信号，所述触发信号通过无线通信模块传送至穿戴式肌肉电刺激器。

本发明的工作原理为：

在设备的工作台上设置安全光幕装置，投光器发射经过调制的红外光束，受光器接收，从而形成了一个保护网(光路)，当有物体进入保护网挡住光线，受光器内部的控制电路便迅速输出一个信号。安全光幕装置发出的信号通过无线方式(无线通信模块)被穿戴式肌肉电刺激器接收，当机械设备动作并且操作人员的身体仍处在安全光幕装置所规定的危险区域内时，穿戴式肌肉电刺激器就会快速及时地刺激操作者的相关肌肉而将手按照预设的轨迹缩回。功能性电刺激技术利用一定强度的低频脉冲电流，通过预先设定的程序来刺激一组或多组肌肉，诱发肌肉运动。其中预先设定程序的作用就是模仿手缩回过程中肌肉的收缩时序，控制贴在相关骨骼肌的表面电极产生电流刺激肌肉产生收缩，从而实现希望的肢体动作。本发明利用肌肉功能性电刺激技术原理，工作流程是：触发信号->电刺激肌肉收缩->肢体动作，产生自动化的被动保护动作。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明不需要操作者任何自主意识的介入，所以整个流程缩短至100多毫秒，从而能够有效避免事故的发生。

2、通过调整表面电极布置的位置、数量以及刺激电流的相关参数，可以使人的手臂按照合理的轨迹收回，从而避免撞到其他物体造成伤害。

3、本发明较其他安全装置而言动作更迅速，保护效果更好，安装、佩戴方便，使用过程也不会干扰操作者的动作，允许操作者在一定的范围内自由移动。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明基于穿戴式肌肉电刺激的危险工位自动身体保护系统的应用场景；

图2是本发明穿戴式肌肉电刺激器的结构示意图；

图3是安全光幕装置的结构示意图；

图中：1为穿戴式肌肉电刺激器，2为安全光幕装置，3为设备启动触发信号模块，4为表面电极，5为控制盒，6为载体，7为投光器，8为受光器，9为红外光束，10为无线通信模块。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

实施例

本实施例提供了一种基于穿戴式肌肉电刺激的危险工位自动身体保护系统，包括安全光幕装置、设备启动触发信号模块以及穿戴式肌肉电刺激器；所述安全光幕装置和设备启动触发信号模块分别与穿戴式肌肉电刺激器无线连接；其中：

所述安全光幕装置用于提供人体进入工位危险区域的信号a(触发信号)；

所述设备启动触发信号模块用于提供设备动作的信号b(动作信号)；

所述穿戴式肌肉电刺激器接收信号a和信号b后通过电刺激使肌肉产生收缩动作。

进一步地，所述穿戴式肌肉电刺激器包括载体、控制盒以及表面电极；所述控制盒和表面电极均安装于载体上；其中：

所述载体用于穿戴于使用者的手臂上，并与手臂相适配；

所述控制盒包括无线模块和控制器，所述无线模块接收信号a和信号b后传送至控制器，所述控制器实时处理信号a和信号b，并基于处理结果实时控制表面电极电刺激手臂肌肉完成收缩动作。

进一步地，所述电刺激利用低频脉冲电流，通过预先设定的程序刺激一组或多组肌肉，诱发肌肉运动；所述预先设定的程序为：模仿手缩回过程中肌肉的收缩过程，进而控制贴在相关骨骼肌的表面电极产生电流刺激肌肉产生收缩。

进一步地，预先设定的程序具体为：

-当面对简单工位时，针对肱二头肌进行电脉冲刺激，肌肉收缩使肘关节快速弯曲，带动前臂及手部快速靠近身体，形成远离设备的保护动作；

-当面对复杂工位时，针对多块肌肉，按照固定时序分别给每一块肌肉进行电刺激，肌肉收缩使关节快速弯曲，带动前臂及手部快速靠近身体，形成远离设备的保护动作。

进一步地，所述电脉冲为双向方波，电脉冲的参数值设定为：

脉宽300微秒；

频率40Hz；

幅值因人而异，其设定范围为20毫安～60毫安。

进一步地，所述穿戴式肌肉电刺激器还包括如下任一个或任多个部件：

-指示灯，所述指示灯用于显示穿戴式肌肉电刺激器的工作状态；

-按键，所述按键用于使用者对显示穿戴式肌肉电刺激器进行控制。

进一步地，所述载体穿戴于使用者手臂的上肢。

进一步地，所述安全光幕装置包括：投光器、受光器以及无线通信模块；其中，所述投光器和受光器成对安装，所述投光器发射的红外光束被受光器接收，形成光路；当有物体出现在光路上时，受光器触发信号a，并通过无线通信模块传传至穿戴式肌肉电刺激器。

下面结合附图对本实施例进一步描述。

如图1所示，1是佩戴在操作者手臂上的穿戴式肌肉电刺激器，2是安装在机械设备特定区域的安全光幕装置，3是设备启动触发信号模块。当安全光幕装置的光线被人的身体阻隔，也即投光器发射的光线不能被受光器接收，则安全光幕装置就触发信号，通过无线的方式发送给穿戴式肌肉电刺激器2。当设备启动开关合上使机器动作，设备启动触发信号模块3就会通过无线的方式将这个动作信号传给穿戴式肌肉电刺激器。穿戴式肌肉电刺激器的控制盒的无线模块同时接收安全光幕装置的信号和设备启动的信号，只有在设备启动并且安全光幕装置触发信号的时候，控制盒的控制器才会给穿戴式肌肉电刺激器上的表面电极按照程序设定的规则通电，刺激操作者手臂的骨骼肌完成缩手动作，避免事故的发生。

进一步地，所述机械设备特定区域具体为：人工上下料时可能会给操作者产生伤害的区域。

如图2所示，4是布置在穿戴式肌肉电刺激器上的表面电极，5是穿戴式肌肉电刺激器的控制盒，6是穿戴式肌肉电刺激器的载体。本实施例中的肌肉电刺激器做成可穿戴的形式，载体6选用亲人体肌肤的材质(比如棉布等)，即使长时间佩戴也不会产生不适感，同时它的大小可调以适应不同体型的操作者。电极采用的表面电极4，不会对佩戴者造成创伤，同时表面电极4的数量和布置位置是可调的，以刺激特定的骨骼肌从而实现希望的手臂运动轨迹，电极通过导线与控制盒5相连。控制盒5包括电源、控制器、无线模块、指示灯、功能按键，控制盒可以做到体积小、质量轻、柔软，可以带给操作者舒适的佩戴体验。无线模块接收安全光幕装置的触发信号和设备启动的动作信号，当两者同时满足时，控制器按照设定的程序就给表面电极通电刺激肌肉实现缩手动作，保护操作者，其中设定程序的作用就是模仿手缩回过程中肌肉的收缩时序，控制器控制贴附在相关骨骼肌的表面电极产生电流刺激肌肉产生收缩，从而实现希望的肢体动作。无线模块的使用可以让操作者不受到信号线的干扰而能够自由地活动。机械设备的动作信号是机械设备启动开关合上的同时无线传输给穿戴式肌肉电刺激器控制盒的。控制器是可编程的，扩大了穿戴式肌肉电刺激器的适用范围。指示灯用来指示穿戴式肌肉电刺激器的运行状态。

针对本实施例的应用，如果针对简单的工位，只需要控制肘关节一个自由度的运动(弯曲)，表面电极只需针对一块肌肉(肱二头肌)进行电刺激，即可完成保护动作；如果针对某些复杂工位，保护动作的完成可能需要多块肌肉的参与，那么表面电极需要针对多块肌肉，按照固定时序分别给每一块肌肉进行电刺激，从而完成肢体期望的运动轨迹控制。

如图3所示，7是安全光幕的投光器，8是安全光幕的受光器，9是经过调制的红外光束，10是无线通信模块。投光器和受光器成对安装，投光器7发射的红外光束被受光器8接收则不会触发信号，当有物体出现在光路上，受光器就会触发信号，通过无线方式传给穿戴式肌肉电刺激器。

本实施例利用穿戴式肌肉电刺激技术实现危险工位的自动身体保护系统，安全光幕装置提供身体进入危险区域的信号，设备启动触发信号模块提供设备动作的信号，穿戴式肌肉电刺激器接收以上信号处理后控制表面电极刺激肌肉产生希望的动作。

安全光幕装置的信号通过无线的方式传输给穿戴式肌肉电刺激器。

设备启动触发信号模块能在设备启动的同时将其动作信号以无线的方式传输给穿戴式肌肉电刺激器。

穿戴式肌肉电刺激器的载体选用亲人体肌肤的材质，长时间佩戴也不会产生不适感，同时它的大小可调以适应不同体型的用户。控制盒里的无线模块接收安全光幕和设备启动触发信号模块的无线信号；控制器实时处理这些信号，基于处理结果实时控制表面电极刺激肌肉完成特定的动作；指示灯用来显示穿戴式肌肉电刺激器的工作状态；按键允许用户发出简单的指令，如：开关机、模式切换等。控制器是可编程的，根据不同的工况运行相应的程序，从而扩展了这套系统的应用范围。表面电极是无创伤的，同时其数量和布置的位置是可以调整的，这样就可以实现不同的上肢动作，可以适应不同的工况。

本实施例将功能性电刺激技术和穿戴式系统相结合，实现危险工位的自动身体保护，适用于需要人工上下料的大型危险机械，在不影响生产效率的情况下，安全性高、使用方便。本实施例提供的基于穿戴式肌肉电刺激的危险工位自动身体保护系统，具有动作迅速、保护效果好、安装佩戴方便、使用过程不会干扰用户的动作或者限制其活动范围的特点。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种基于穿戴式肌肉电刺激的危险工位自动身体保护系统，其特征在于，包括安全光幕装置、设备启动触发信号模块以及穿戴式肌肉电刺激器；所述安全光幕装置和设备启动触发信号模块分别与穿戴式肌肉电刺激器无线连接；其中：

所述安全光幕装置用于提供人体进入工位危险区域的触发信号；

所述设备启动触发信号模块用于提供设备启动的动作信号；

所述穿戴式肌肉电刺激器接收触发信号和动作信号后通过电刺激使肌肉产生收缩动作；

所述穿戴式肌肉电刺激器包括载体、控制盒以及表面电极；所述控制盒和表面电极均安装于载体上；其中：

所述载体用于穿戴于使用者的手臂上，并与手臂相适配；

所述控制盒包括无线模块和控制器，所述无线模块接收触发信号和动作信号后传送至控制器，所述控制器实时处理触发信号和动作信号，并基于处理结果实时控制表面电极通电并电刺激手臂肌肉完成收缩动作；

所述电刺激利用低频脉冲电流，通过预先设定的程序刺激一组或多组肌肉，诱发肌肉运动；所述预先设定的程序为：模仿手缩回过程中肌肉的收缩过程，进而控制贴在相关骨骼肌的表面电极产生电流刺激肌肉产生收缩。

2.根据权利要求1所述的基于穿戴式肌肉电刺激的危险工位自动身体保护系统，其特征在于，预先设定的程序具体为：

-当面对简单工位时，针对肱二头肌进行电脉冲刺激，肌肉收缩使肘关节快速弯曲，带动前臂及手部快速靠近身体，形成远离设备的保护动作；

-当面对复杂工位时，针对多块肌肉，按照固定时序分别给每一块肌肉进行电刺激，肌肉收缩使关节快速弯曲，带动前臂及手部快速靠近身体，形成远离设备的保护动作。

3.根据权利要求2所述的基于穿戴式肌肉电刺激的危险工位自动身体保护系统，其特征在于，所述电脉冲为双向方波，电脉冲的参数值设定为：脉宽300微秒，频率40Hz，幅值设定范围为20毫安～60毫安。

4.根据权利要求1所述的基于穿戴式肌肉电刺激的危险工位自动身体保护系统，其特征在于，所述穿戴式肌肉电刺激器还包括设置于载体上的如下任一个或任多个部件：

-指示灯，所述指示灯用于显示穿戴式肌肉电刺激器的工作状态；

-按键，所述按键用于使用者对穿戴式肌肉电刺激器进行控制。

5.根据权利要求1所述的基于穿戴式肌肉电刺激的危险工位自动身体保护系统，其特征在于，所述载体穿戴于使用者手臂的上肢。

6.根据权利要求1所述的基于穿戴式肌肉电刺激的危险工位自动身体保护系统，其特征在于，所述安全光幕装置包括：投光器、受光器以及无线通信模块；其中，所述投光器和受光器成对安装，所述投光器发射的红外光束被受光器接收，形成光路；当有物体出现在光路上时，受光器通过控制电路发出触发信号，所述触发信号通过无线通信模块传送至穿戴式肌肉电刺激器。