CN107252210B - 一种自动控制的可穿戴座椅及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种自动控制的可穿戴座椅，包括人体支撑模块和变幅模块，还包括意图感应控制模块和旋转支撑模块；旋转支撑模块包括与脚底支撑件连接的旋转支撑板，以及电机和驱动齿轮；意图感应控制模块包括设置在脚底支撑件与人体脚底接触面的脚底压力传感器、设置在大腿支撑件与人体大腿接触面的大腿压力传感器、以及用于根据脚底压力传感器和大腿压力传感器的数据判断人体意图并控制所述的变幅模块和旋转支撑板的动作的微处理器。本发明通过增加意图感应控制模块，根据使用者的意图做出相应的控制措施；旋转支撑模块扩大人体重心移动范围，增加人体上身活动空间；二者综合后提高使用者与座椅之间的适应性。
Description
技术领域
本发明属于座椅设计领域，具体涉及一种自动控制的可穿戴座椅及使用方法。
背景技术
在日常工作过程中，工人们需要频繁蹲伏、变换姿势，这可能造成腰背、关节疼痛。传统座椅不仅不能适应工人不同坐姿，而且可能会降低工人工作效率。对于此，瑞士苏黎世的初创企业Noonee设计了一种“无形座椅”，它在一定程度上能改善工人工作环境。但其中仍存在一些问题，包括：（1）产品自动化程度低，工人使用不便；（2）使用者上身活动范围受限；（3）座椅对于使用者间的体型差异适应性较差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种自动控制的可穿戴座椅及使用方法，能够根据使用者的意图做出相应的控制措施，提高使用者与座椅之间的适应性。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种自动控制的可穿戴座椅，包括人体支撑模块和变幅模块，人体支撑模块包括依次活动连接的大腿支撑件、小腿支撑件和脚底支撑件，两条腿的大腿支撑件之间连接有臀部支撑件，所述的变幅模块用于控制大腿支撑件和小腿支撑件之间的角度及支撑；其特征在于：本座椅还包括意图感应控制模块和旋转支撑模块；其中，
旋转支撑模块包括与所述的脚底支撑件连接的旋转支撑板，以及用于驱动旋转支撑板绕脚底支撑件的后部在脚底支撑件所在平面旋转的电机和驱动齿轮；
意图感应控制模块包括设置在脚底支撑件与人体脚底接触面的脚底压力传感器、设置在大腿支撑件与人体大腿接触面的大腿压力传感器、以及用于根据脚底压力传感器和大腿压力传感器的数据判断人体意图并控制所述的变幅模块和旋转支撑板的动作的微处理器；
微处理器用于执行以下步骤：
当前状态为站立状态时，当大腿压力传感器采集到的压力达到预设的坐姿启动值时，控制变幅模块随人体运动，直到大腿压力传感器采集到的压力达到预设的坐姿锁定值，控制变幅模块对当前状态进行锁定，构成坐姿状态；同时，控制旋转支撑板旋转至与脚底支撑件的后方；
当前状态为坐姿状态时，当两个脚底压力传感器采集的压力同时产生突变，则控制变幅模块随人体运动，还原为站立状态；同时控制旋转支撑板旋转回到脚底支撑件底部。
按上述方案，所述的变幅模块包括设置在小腿支撑件后侧的丝杠滑台，丝杠滑台上设有沿小腿支撑件方向的丝杠，丝杠底部设有用于驱动丝杠转动的步进电机和联轴器，丝杠上设有随丝杠转动而上下滑动的丝杠滑块，丝杠滑块上通过缓冲材料层连接有支撑滑块，支撑滑块通过连接杆与所述的大腿支撑件上一点铰接；所述的步进电机由所述的微处理器控制。
按上述方案，所述的大腿支撑件和小腿支撑件均为连接有固定绷带的伸缩杆，每根伸缩杆上设有若干个配合位。
按上述方案，所述的伸缩杆包括方形的内杆和外杆，所述的配合位为连接孔，内杆和外杆的连接孔通过螺栓和螺母连接。
按上述方案，所述的脚底支撑件为带有脚部固定绷带的脚底支撑板，脚底支撑板的底部或中部设有用于设置所述的旋转支撑板的槽，旋转支撑板与脚底支撑板通过转轴连接，其中旋转支撑板与转轴固定连接，转轴上设有不完全齿轮，所述的驱动齿轮和电机设置在脚底支撑板内部，且驱动齿轮与所述的不完全齿轮啮合。
按上述方案，所述的臀部支撑件为臀部支撑绷带。
一种所述的自动控制的可穿戴座椅的使用方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1、使用者将左右腿分别伸入本座椅，脚、小腿和大腿分别与脚底支撑件、小腿支撑件和大腿支撑件固定；初始状态下，旋转支撑板位于脚底支撑件内部，二者为一整体；
S2、实时检测大腿压力传感器和脚底压力传感器采集到的压力；
当大腿压力传感器采集的压力未达到预设的坐姿启动值，且脚底压力传感器采集到持续或有规律的压力时，判断当前状态为非坐姿状态，不进行控制；
当需要坐下时，双腿站立，直接屈腿做下蹲的动作，脚底压力传感器采集到持续的压力，大腿压力传感器采集的压力达到预设的坐姿启动值，控制变幅模块随人体运动；当使用者达到预定坐姿时，使用者静止，大腿压力传感器采集到的压力达到预设的坐姿锁定值，控制变幅模块对当前状态进行锁定，构成坐姿状态；同时，控制旋转支撑板旋转至与脚底支撑件的后方；
当从坐姿状态起立时，使用者做起立动作，两个脚底压力传感器采集的压力同时产生突变，控制变幅模块随人体运动，还原为站立状态；同时控制旋转支撑板旋转回到脚底支撑件底部，回到初始状态。
按上述方法，所述的坐姿锁定值为0。
本发明的有益效果为：通过增加意图感应控制模块，能够根据使用者的意图做出相应的控制措施；旋转支撑模块通过扩大人体重心移动范围，增加人体上身活动空间；二者综合后提高使用者与座椅之间的适应性。
附图说明
图1为本发明一实施例的结构示意图。
图2为本发明一实施例的左视图。
图3为本发明一实施例的脚部结构轴测视图。
图4为本发明一实施例的脚部结构仰视图。
图5为本发明一实施例的大腿支撑杆内杆轴测视图
图6为本发明一实施例的站立时人体的腿部与本发明装置的配合示意图。
图中：1大腿固定绷带、2小腿支撑杆外杆、3小腿支撑杆内杆、4小型直流电机、5脚部固定绷带、6脚底支撑板、7臀部支撑绷带、8大腿支撑杆外杆、9大腿支撑杆内杆、10丝杠滑台、11连接杆、12丝杠、13支撑滑块、14缓冲材料层、15丝杠滑块、16步进电机、17旋转支撑板、18联轴器、19螺栓螺母、20不完全齿轮、21驱动齿轮。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
本发明提供一种自动控制的可穿戴座椅，如图1至图6所示，包括人体支撑模块和变幅模块，人体支撑模块作为座椅整体骨架，起主要支撑作用，在一定范围内长度可调，从而适应不同人群。人体支撑模块包括依次活动连接（例如铰接）的大腿支撑件、小腿支撑件和脚底支撑件，两条腿的大腿支撑件之间连接有臀部支撑件。所述的变幅模块用于控制大腿支撑件和小腿支撑件之间的角度，以适应人体的不同坐姿，起辅助支撑作用。本实施例中，大腿支撑件包括方形的大腿支撑杆内杆9和大腿支撑杆外杆8构成的伸缩杆，以及设置在大腿支撑杆内杆9上的大腿固定绷带1；大腿支撑杆内杆9和大腿支撑杆外杆8上均设有多个连接孔作为配合位，通过螺栓螺母19连接，从而实现对座椅整体尺寸的调节。小腿支撑件包括方形的小腿支撑杆内杆3和小腿支撑杆外杆2构成的伸缩杆，无需绷带，小腿支撑杆内杆3和小腿支撑杆外杆2上均设有多个连接孔作为配合位，通过螺栓螺母19连接，从而实现对座椅整体尺寸的调节。脚底支撑件为带有脚部固定绷带5的脚底支撑板6。两条大腿支撑杆外杆8之间设有的臀部支撑件即为臀部支撑绷带7，臀部支撑绷带7将左右腿的座椅柔性连接并提高使用时的舒适度，大腿固定绷带1将使用者大腿与座椅固定，脚部固定绷带5将座椅脚底支撑板与使用者脚部固定，此外使用者还可以通过肩带(未画出)与座椅连接，防止行走过程中座椅滑落，总体上实现座椅的可穿戴功能。
所述的变幅模块包括设置在小腿支撑件后侧的丝杠滑台10，丝杠滑台10上设有沿小腿支撑件方向的丝杠12，丝杠12底部设有用于驱动丝杠12转动的步进电机16和联轴器18，丝杠12上设有随丝杠12转动而上下滑动的丝杠滑块15，丝杠滑块15上通过缓冲材料层14（例如橡胶材料）连接有支撑滑块13，支撑滑块13通过连接杆11与所述的大腿支撑件上一点铰接。当步进电机16控制丝杠12转动时，丝杠滑块15即可将旋转运动转化为自身的直线运动，丝杠滑块15通过上方的橡胶材料14向支撑滑块13传递运动，支撑滑块13与连接杆11铰接，连接杆11与大腿支撑杆内杆9铰接，最终将电机的转动转化成大腿支撑杆与小腿支撑杆间的相对角位移。特别地，丝杠滑块15与丝杠12间螺纹连接，而支撑滑块13套在丝杠12上，当人体站立行走时，丝杠滑块15移动至固定位置，而支撑滑块13依旧可以在人为作用下在丝杠12上滑动，以减少行走过程中座椅对人体的干涉作用。缓冲材料层14主要起减小丝杠滑块15与支撑滑块13间的冲击作用。支撑滑块13与丝杠滑块15的设计，主要用于减少起立过程中座椅滞后响应对人体的干涉。
本座椅还包括意图感应控制模块和旋转支撑模块。
旋转支撑模块包括与所述的脚底支撑件连接的旋转支撑板17，以及用于驱动旋转支撑板17绕脚底支撑件的后部在脚底支撑件所在平面旋转的小型直流电机4和驱动齿轮21。具体的，脚底支撑板6的底部或中部设有用于设置所述的旋转支撑板17的槽，旋转支撑板17与脚底支撑板6通过转轴连接，其中旋转支撑板17与转轴固定连接，转轴上设有不完全齿轮20，所述的驱动齿轮21和电机设置在脚底支撑板6内部，且驱动齿轮21与所述的不完全齿轮20啮合，通过小型直流电机4使驱动齿轮21转动，带动不完全齿轮20转动，从而使得旋转支撑板17绕转轴旋转。当意图感应控制模块识别到使用者坐下意图后，控制小型直流电机4转动，通过驱动齿轮21与旋转支撑板17一端的不完全齿轮20啮合，使旋转支撑板17旋转180度，扩大使用者上身活动范围。在人体起立与坐下过程中，由于前脚掌发力，而脚底支撑板6前端弯曲设计使其后半部分对地压力减小，降低旋转支撑板17对地面的摩擦。当意图感应控制模块识别到使用者起立意图后，小型直流电机4反转，将旋转支撑板17收回，以防影响使用者行走。
意图感应控制模块包括设置在脚底支撑件与人体脚底接触面的脚底压力传感器、设置在大腿支撑件与人体大腿接触面的大腿压力传感器、以及用于根据脚底压力传感器和大腿压力传感器的数据判断人体意图并控制所述的变幅模块和旋转支撑板的动作的微处理器。
微处理器用于执行以下步骤：
当前状态为站立状态时，当大腿压力传感器采集到的压力达到预设的坐姿启动值时，通过控制步进电机16使得变幅模块随人体运动，直到大腿压力传感器采集到的压力达到预设的坐姿锁定值，控制变幅模块对当前状态进行锁定，构成坐姿状态；同时，控制旋转支撑板17旋转至与脚底支撑件的后方；
当前状态为坐姿状态时，当两个脚底压力传感器采集的压力同时产生突变，则控制变幅模块随人体运动，还原为站立状态；同时控制旋转支撑板17旋转回到脚底支撑件底部。
一种所述的自动控制的可穿戴座椅的使用方法，包括以下步骤：
S1、使用者将左右腿分别伸入本座椅，脚、小腿和大腿分别与脚底支撑件、小腿支撑件和大腿支撑件固定；初始状态下，旋转支撑板位于脚底支撑件内部，二者为一整体；
S2、实时检测大腿压力传感器和脚底压力传感器采集到的压力；
当大腿压力传感器采集的压力未达到预设的坐姿启动值，且脚底压力传感器采集到持续或有规律的压力时，判断当前状态为非坐姿状态，不进行控制；
当需要坐下时，双腿站立，直接屈腿做下蹲的动作，脚底压力传感器采集到持续的压力，大腿压力传感器采集的压力达到预设的坐姿启动值，控制变幅模块随人体运动；当使用者达到预定坐姿时，使用者静止，大腿压力传感器采集到的压力达到预设的坐姿锁定值，控制变幅模块对当前状态进行锁定，构成坐姿状态；同时，控制旋转支撑板旋转至与脚底支撑件的后方；
当从坐姿状态起立时，使用者做起立动作，两个脚底压力传感器采集的压力同时产生突变，控制变幅模块随人体运动，还原为站立状态；同时控制旋转支撑板旋转回到脚底支撑件底部，回到初始状态。
本实施例中，微处理器为单片机，还带有小型蓄电池为微处理器供电。本实施例的整机工作程序是：使用者坐下过程中，大腿支撑杆外杆8和大腿支撑杆内杆9受到大腿作用的压力，当达到设定的坐姿启动值时，大腿压力传感器给予单片机信号，控制步进电机16转动，从而驱动丝杠滑块15、支撑滑块13向下移动，通过连接杆11，使大腿支撑杆外杆8和大腿支撑杆内杆9随人体运动。同时，旋转支撑模块中，小型直流电机4驱动旋转支撑板17旋转180度。达到使用者预定坐姿时，使用者静止一到两秒，大腿压力传感器无压力信号，则步进电机16停止运转，由于丝杠滑块15的自锁性，可以使整机固定。位于脚底支撑板6后侧的旋转支撑板17可扩大人体重心移动范围，能有效扩大使用者上半身活动空间。在人体起立时，由于脚底支撑板6前端弯曲设计，身体前倾，使得左右脚掌前端压力同时产生突变，脚底压力传感器接受该信号后，控制步进电机16及小型直流电机4反转，座椅还原。行走过程中，大腿支撑杆外杆8和大腿支撑杆内杆9上的压力由于大腿固定绷带1有一定值，但未达到设定的坐姿启动值，小型直流电机4和步进电机16均不运作。支撑滑块13的设计减小了行走过程中座椅对人体的干涉作用。
本发明的优点在于：意图感应控制模块利用人体不同姿势情况下大腿与脚底的压力变化自动识别使用者起坐的意图，自动控制座椅的运动，无需手动操作，以达到随人体意图而自动控制的效果，提高工人工作效率；旋转支撑模块能随人体坐下的动作而旋转打开，扩大人体重心移动范围，能有效扩大使用者上半身活动空间，提高整机稳定性；人体支撑模块中，大腿和小腿杆件设计有多个配合位，通过螺栓螺母连接，可调节大腿和小腿杆件的长度，适应不同人群，降低成本。座椅可以根据使用者要求实现任意位置自锁，适应使用者多种坐姿。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种自动控制的可穿戴座椅，包括人体支撑模块和变幅模块，人体支撑模块包括依次活动连接的大腿支撑件、小腿支撑件和脚底支撑件，两条腿的大腿支撑件之间连接有臀部支撑件，所述的变幅模块用于控制大腿支撑件和小腿支撑件之间的角度及支撑；其特征在于：本座椅还包括意图感应控制模块和旋转支撑模块；其中，
旋转支撑模块包括与所述的脚底支撑件连接的旋转支撑板，以及用于驱动旋转支撑板绕脚底支撑件的后部在脚底支撑件所在平面旋转的电机和驱动齿轮；
意图感应控制模块包括设置在脚底支撑件与人体脚底接触面的脚底压力传感器、设置在大腿支撑件与人体大腿接触面的大腿压力传感器、以及用于根据脚底压力传感器和大腿压力传感器的数据判断人体意图并控制所述的变幅模块和旋转支撑板的动作的微处理器；
微处理器用于执行以下步骤：
当前状态为站立状态时，当大腿压力传感器采集到的压力达到预设的坐姿启动值时，控制变幅模块随人体运动，直到大腿压力传感器采集到的压力达到预设的坐姿锁定值，控制变幅模块对当前状态进行锁定，构成坐姿状态；同时，控制旋转支撑板旋转至脚底支撑件的后方；
当前状态为坐姿状态时，当两个脚底压力传感器采集的压力同时产生突变，则控制变幅模块随人体运动，还原为站立状态；同时控制旋转支撑板旋转回到脚底支撑件底部。
2.根据权利要求1所述的自动控制的可穿戴座椅，其特征在于：所述的变幅模块包括设置在小腿支撑件后侧的丝杠滑台，丝杠滑台上设有沿小腿支撑件方向的丝杠，丝杠底部设有用于驱动丝杠转动的步进电机和联轴器，丝杠上设有随丝杠转动而上下滑动的丝杠滑块，丝杠滑块上通过缓冲材料层连接有支撑滑块，支撑滑块通过连接杆与所述的大腿支撑件上一点铰接；所述的步进电机由所述的微处理器控制。
3.根据权利要求1所述的自动控制的可穿戴座椅，其特征在于：所述的大腿支撑件和小腿支撑件均为连接有固定绷带的伸缩杆，每根伸缩杆上设有若干个配合位。
4.根据权利要求3所述的自动控制的可穿戴座椅，其特征在于：所述的伸缩杆包括方形的内杆和外杆，所述的配合位为连接孔，内杆和外杆的连接孔通过螺栓和螺母连接。
5.根据权利要求1所述的自动控制的可穿戴座椅，其特征在于：所述的脚底支撑件为带有脚部固定绷带的脚底支撑板，脚底支撑板的底部或中部设有用于设置所述的旋转支撑板的槽，旋转支撑板与脚底支撑板通过转轴连接，其中旋转支撑板与转轴固定连接，转轴上设有不完全齿轮，所述的驱动齿轮和电机设置在脚底支撑板内部，且驱动齿轮与所述的不完全齿轮啮合。
6.根据权利要求1所述的自动控制的可穿戴座椅，其特征在于：所述的臀部支撑件为臀部支撑绷带。
7.一种权利要求1所述的自动控制的可穿戴座椅的使用方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1、使用者将左右腿分别伸入本座椅，脚、小腿和大腿分别与脚底支撑件、小腿支撑件和大腿支撑件固定；初始状态下，旋转支撑板位于脚底支撑件内部，二者为一整体；
S2、实时检测大腿压力传感器和脚底压力传感器采集到的压力；
当大腿压力传感器采集的压力未达到预设的坐姿启动值，且脚底压力传感器采集到持续或有规律的压力时，判断当前状态为非坐姿状态，不进行控制；
当需要坐下时，双腿站立，直接屈腿做下蹲的动作，脚底压力传感器采集到持续的压力，大腿压力传感器采集的压力达到预设的坐姿启动值，控制变幅模块随人体运动；当使用者达到预定坐姿时，使用者静止，大腿压力传感器采集到的压力达到预设的坐姿锁定值，控制变幅模块对当前状态进行锁定，构成坐姿状态；同时，控制旋转支撑板旋转至与脚底支撑件的后方；
当从坐姿状态起立时，使用者做起立动作，两个脚底压力传感器采集的压力同时产生突变，控制变幅模块随人体运动，还原为站立状态；同时控制旋转支撑板旋转回到脚底支撑件底部，回到初始状态；
所述的坐姿锁定值为0。
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