CN106821682A - 一种可穿戴式腰部助力装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可穿戴式腰部助力装置，包括腰部支撑架，所述腰部支撑架上设置有腰部绑带，所述腰部支撑架下方设有与腰部支撑架可相对转动的大腿连杆，所述大腿连杆上设置有腿部绑带，腰部支撑架和大腿连杆连接处设置有组合助力驱动装置，腰部支撑架和大腿连杆上设置有用于检测身体姿态的陀螺仪，在腰部支撑架上还设置有控制系统，所述控制系统用于根据陀螺仪数据使组合助力驱动装置控制腰部支撑架和大腿连杆之间产生转动助力。本助力装置能够减轻长时间弯腰工作时背部肌肉的负担和不适，从而减少腰背痛发病率，有利于长时间弯腰工作的劳动者。

Description

一种可穿戴式腰部助力装置
技术领域
本发明主要涉及可帮助穿戴者搬抬重物、减轻疲劳的助力装置技术领域，具体是一种可穿戴式腰部助力装置。
背景技术
人们长时间从事弯腰的劳动时易患腰肌劳损和各种腰椎疾病，尤其是对于一些长期搬抬重物的人群。由于长期弯腰搬抬重物时，背部肌肉会产生负担和不适，导致腰背痛发病率高。目前，还没有一种可以帮助人减轻弯腰搬取重物压力和提高腰部抗疲劳能力的可穿戴式腰部助力装置。
发明内容
为解决目前技术的不足，本发明结合现有技术，从实际应用出发，提供一种可穿戴式腰部助力装置，本助力装置能够减轻长时间弯腰工作时背部肌肉的负担和不适，从而减少腰背痛发病率，有利于长时间弯腰工作的劳动者。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种可穿戴式腰部助力装置，包括腰部支撑架，所述腰部支撑架上设置有腰部绑带，所述腰部支撑架下方设有与腰部支撑架可相对转动的大腿连杆，所述大腿连杆上设置有腿部绑带，腰部支撑架和大腿连杆连接处设置有组合助力驱动装置，腰部支撑架和大腿连杆上设置有用于检测身体姿态的陀螺仪，在腰部支撑架上还设置有控制系统，所述控制系统用于根据陀螺仪数据使组合助力驱动装置控制腰部支撑架和大腿连杆之间产生转动助力。
所述腰部支撑架包括腰支撑板，腰支撑板两侧固定有连接臂，所述连接臂和大腿连杆可转动连接。
所述组合助力驱动装置包括舵机，所述舵机固定在连接臂上，舵机的输出轴连接有扭力轴，所述扭力轴上安装有卷簧，卷簧外部安装有与大腿连杆固定连接的卷簧外壳。
所述陀螺仪共三个，分别固定在腰支撑板和两侧的两个大腿连杆上。
所述腰支撑板的板面为内凹弧形。
所述大腿连杆包括通过螺钉连接的上连杆和下连杆，上连杆和下连杆连接处设有用于调节大腿连杆长度的长度调节孔卡。
所述控制系统包括固定在腰部支撑架上的电控箱，电控箱内设置有充电电池，和用于与陀螺仪、组合助力驱动装置和云服务器通讯的微型电脑。
本发明的有益效果：
1、本发明可穿戴式腰部助力装置十分轻便，成本低廉，且易于与工作环境结合，可实现自动助力，通过加速计陀螺仪采取人体姿态信号，通过控制系统使组合助力驱动装置产生助力帮助人们搬抬重物，能够减轻人体弯腰时背部竖脊肌及背阔肌的活动，且没有增加腹直肌的活动，有利于长时间弯腰工作的劳动者。
2、本发明的组合助力驱动装置结构简单，运行稳定，且将舵机固定在腰部支撑架上，使腿部负重减轻，便于身体的行走移动。
3、本发明的组合助力驱动装置通过设置的卷簧，将动力进行缓冲，使助力更加平滑稳定，且由于卷簧具有一定的弹性，腰部支撑架和大腿连杆之间可产生小幅转动使陀螺仪产生数据，作为启动信号，使得本发明使用更为自动化、人性化。
4、本发明的腰部支撑架和大腿连杆设计结构简单，穿戴舒适，适用于长时间穿戴使用。
5、本发明可通过微型电脑上的WIFI将数据上传至云服务器，云服务器通过接收该设备发来的数据进行大数据统计和分析，从而根据使用者的身体姿态习惯来进行优化，为用户定制化的调整工作和行走模型。
附图说明
附图1为本发明总体结构示意图；
附图2为本发明组合助力驱动装置结构示意图；
附图3为本发明电控箱结构示意图；
附图4为本发明工作流程示意图。
附图中所示标号：1、腰部支撑架；2、腰部绑带；3、大腿连杆；4、腿部绑带；5、电控箱；6、陀螺仪；7、组合助力驱动装置；8、腰支撑板；9、绑带孔；10、活卡扣；11、长度调节孔卡；12、连接臂；13、舵机；14、联轴器；15、卷簧；16、扭力轴；17、卷簧外壳；18、轴承；19、微型电脑；20、充电电池。
具体实施方式
结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。
如附图1～3所示，一种可穿戴式腰部助力装置，包括腰部支撑架1，所述腰部支撑架1上设置有腰部绑带2，所述腰部支撑架1下方设有与腰部支撑架1可相对转动的大腿连杆3，所述大腿连杆3上设置有腿部绑带4，腰部支撑架1和大腿连杆3连接处设置有组合助力驱动装置7，腰部支撑架1和大腿连杆3上设置有用于检测身体姿态的陀螺仪6，在腰部支撑架1上还设置有控制系统，所述控制系统用于根据陀螺仪6数据使组合助力驱动装置7控制腰部支撑架1和大腿连杆3之间产生转动助力。
本发明的腰部绑带2为两个，使用时穿戴于腰部位置，腿部绑带4使用时穿戴于腿部，在腿部绑带4和腰部绑带2上均设有绑带孔9和活卡扣10，方便穿戴使用。腰部支撑架1的腰支撑板8设置为内凹弧形，可提高穿戴时的舒适性。大腿连杆3通过长度调节孔卡11可进行长度调节，适用性强。为提高助力装置穿戴时的舒适度，本发明的腰部绑带2和腿部绑带4均采用37mm的布带。
陀螺仪6共3个，其中1个设置在腰部支撑架1的腰支撑板8上，另外2个设置在两个大腿连杆3上，通过3个陀螺仪6可测量人体上身和两个腿的倾斜角来计算身体姿态。本发明穿戴后，组合助力驱动装置7位于腰部关节和股关节部位周边。
组合助力驱动装置7结构如附图2所示，组合助力驱动装置7包括舵机13，舵机13固定在连接臂12上，舵机13的输出轴连接有扭力轴16，扭力轴16上安装有卷簧15，卷簧15外部安装有与大腿连杆3固定连接的卷簧外壳17。附图2中图示只表示出了部分连接臂12结构，扭力轴16通过联轴器14和舵机13的输出轴连接，连接臂12用于固定舵机13，在扭力轴16上设置有轴承18，舵机13启动时，其输出轴产生扭力并将扭力传递至扭力轴16，扭力轴16通过卷簧15和卷簧外壳17将扭力传递至大腿连杆3，使用时，由于大腿连杆3绑在大腿上不会产生转动，因此该扭力又会反作用于舵机13上，使舵机13带动连接臂12转动，实现将舵机13产生的动力转换为关节的伸展力，由此，进行腰部周边的腰关节及股关节的运动辅助。采用本结构将舵机13安装在腰部支撑架1上，可减轻大腿连杆3的重量，便于穿戴后行走移动，且通过卷簧15和卷簧外壳17可先将扭力吸收后再释放，使得助力更为平滑，使用更为人性化。由于卷簧15具有一定的弹性，因此，在组合助力驱动装置7没有启动时，使用者也可使腰部支撑架1和大腿连杆3上的陀螺仪6产生数据，用于控制舵机13的启动。
本发明的控制系统包括微型电脑19，微型电脑19用于接收组合助力装置7和陀螺仪6的数据，保存所有数据，并通过微型电脑19上的WIFI将数据上传至云服务器。云服务器通过接收该设备发来的数据进行大数据统计和分析，从而根据使用者的身体姿态习惯来进行优化，为用户定制化的调整工作和行走模型。
本发明舵机采用可输出大转矩的舵机，额定转矩为380kgf.cm(7.4V),尺寸：95.1*60.2*92mm，质量：500g，额定电压：12V-24V/DC，空载电流：<500mA限流值：5A，控制方式：RC模式1ms脉冲模式：1ms～2ms(脉宽)/50Hz(频率)，适用于无线遥控器方式控制；2ms脉冲模式：0.5ms～2.5ms(脉宽)/50Hz(频率)，适用于多路舵机控制器方式控制；模拟电压模式0V～5V输入电压(0.22V对应0°，4.78V对应300°)，材质：齿轮与轴合金钢；齿轮箱体铸铝。伺服舵机采用了标准伺服舵机接口，即PPM信号口、电源和GND。使用时，本发明的具体工作流程如附图4所示，主要包括以下步骤：
S1：装置上电，等待电压稳定后开始工作；
S2：初始化阶段：对腰部的陀螺仪采样一定次数，求得陀螺仪的零偏值，在之后的行走过程中，消去陀螺仪的零偏值；
S3：数据采集：在一个循环中，对陀螺仪分别采样n次，通过互补滤波分别求得陀螺仪的均值，然后通过卡尔曼滤波求得在搬运过程中，外骨骼大腿和腰部的俯仰、横滚和偏航角，通过对搬运过程中大腿和腰部的俯仰、横滚、偏航角的分析，能够得知外骨骼的姿态信息；
S4：数据分析：根据姿态信息，判定腰部助力装置是否处于稳定工作状态，通过分析数据调节辅以穿戴者最合适的动力抬举搬运重物。
本发明的使用方法：将两个腿部绑带4，绑在穿戴者大腿部，腰部支撑架1通过腰部绑带2固定在使用者腰部，调节大腿连杆3上的长度调节卡11到弯腰的合适位置即可。本发明可在人弯腰时起反向拉伸作用，使人弯腰时腰部用力减轻，并对人腰部具有向前的支撑作用，长期使用可提高人腰部的抗疲劳能力，既可预防各种腰病的发生，还可减轻腰病患者的病痛。

Claims (7)

1.一种可穿戴式腰部助力装置，包括腰部支撑架(1)，所述腰部支撑架(1)上设置有腰部绑带(2)，其特征在于：所述腰部支撑架(1)下方设有与腰部支撑架(1)可相对转动的大腿连杆(3)，所述大腿连杆(3)上设置有腿部绑带(4)，腰部支撑架(1)和大腿连杆(3)连接处设置有组合助力驱动装置(7)，腰部支撑架(1)和大腿连杆(3)上设置有用于检测身体姿态的陀螺仪(6)，在腰部支撑架(1)上还设置有控制系统，所述控制系统用于根据陀螺仪(6)数据使组合助力驱动装置(7)控制腰部支撑架(1)和大腿连杆(3)之间产生转动助力。
2.如权利要求1所述的一种可穿戴式腰部助力装置：其特征在于：所述腰部支撑架(1)包括腰支撑板(8)，腰支撑板(8)两侧固定有连接臂(12)，所述连接臂(12)和大腿连杆(3)可转动连接。
3.如权利要求2所述的一种可穿戴式腰部助力装置：其特征在于：所述组合助力驱动装置(7)包括舵机(13)，所述舵机(13)固定在连接臂(12)上，舵机(13)的输出轴连接有扭力轴(16)，所述扭力轴(16)上安装有卷簧(15)，卷簧(15)外部安装有与大腿连杆(3)固定连接的卷簧外壳(17)。
4.如权利要求2所述的一种可穿戴式腰部助力装置：其特征在于：所述陀螺仪(6)共三个，分别固定在腰支撑板(8)和两侧的两个大腿连杆(3)上。
5.如权利要求2所述的一种可穿戴式腰部助力装置：其特征在于：所述腰支撑板(8)的板面为内凹弧形。
6.如权利要求1所述的一种可穿戴式腰部助力装置：其特征在于：所述大腿连杆(3)包括通过螺钉连接的上连杆和下连杆，上连杆和下连杆连接处设有用于调节大腿连杆(3)长度的长度调节孔卡(11)。
7.如权利要求1所述的一种可穿戴式腰部助力装置：其特征在于：所述控制系统包括固定在腰部支撑架(1)上的电控箱(5)，电控箱(5)内设置有充电电池(20)，和用于与陀螺仪(6)、组合助力驱动装置(7)和云服务器通讯的微型电脑(19)。
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