CN109107082A - 一种智能助力运动裤 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能助力运动裤，包括运动裤本体、执行机构、驱动机构和控制系统；控制系统下达指令给驱动机构，驱动机构驱动执行机构完成指令动作，执行机构安装在运动裤本体内，运动裤本体与人体直接接触。本发明的控制系统能够实时监测人体在运动过程中的运动及健康信息，分析并下达动作指令，通过驱动机构驱动执行机构完成相应动作，辅助人体的下肢运动；根据穿戴者的实际运动状态，给穿戴者下肢运动提供达到正常运动状态的运动辅助，减少穿戴者运动过程中的下肢损伤。

Description

一种智能助力运动裤

【技术领域】

本发明属于智能可穿戴装置领域，具体涉及一种智能助力运动裤。

【背景技术】

下肢作为人体运动和承力的主要部位，在运动过程中非常容易疲劳，并且关节处易产生不同程度的损伤，如膝关节炎、脚踝扭伤等。穿戴下肢助力装置能够减少长时间、高负荷行走引起的受伤风险，目前市场上也有大量针对下肢运动成熟的保护产品，如运动护膝、护腕、跑步运动员的压力裤、减震衣物等，但普遍存在以下几点不足：(1)多为被动结构，难以为下肢运动提供主动辅助力；(2)因刚性结构会对下肢部分运动产生约束，不能适应各类灵活的运动；(3)部分装置只考虑以加压固定形式防止关节损伤，没有设计主动结构预防关节损伤；(4)不能实时监测人体健康状态，并做出调节；(5)不能与人体进行智能互动，按用户需求实时更新助力方案。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种智能助力运动裤，该运动裤便于穿戴，可实时监测人体运动及健康状态，同时根据监测情况下达相应指令，辅助穿戴者运动。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种智能助力运动裤，包括运动裤本体、执行机构、驱动机构和控制系统；运动裤本体与人体直接接触，执行机构安装在运动裤本体内；控制系统下达指令给驱动机构，驱动机构驱动执行机构完成指令动作。

本发明的进一步改进在于：

优选的，执行机构包括条状人工肌肉和手风琴风箱状人工肌肉；条状人工肌肉为能够执行伸缩动作的长条状人工肌肉；手风琴风箱状人工肌肉为能够沿折叠方向弯曲或伸展的风箱状人工肌肉。

优选的，条状人工肌肉沿下肢的骨骼肌及韧带方向布置；手风琴风箱状人工肌肉安装在下肢各个关节的四周。

优选的，运动裤本体包括髋关节助力区、膝关节助力区和踝关节助力区(3)；髋关节助力区和膝关节助力区之间，膝关节助力区和踝关节助力区之间均为可拆卸连接；每一个助力区内安装有独立的执行机构。

优选的，驱动机构安装在运动裤本体上；驱动方式选用电流驱动、液体驱动或气压驱动，对应有导线、液体通路或气路安装在执行机构中。

优选的，驱动机构设置有无线信号接收器，用于接收控制系统下达的指令。

优选的，所述控制系统包括：

传感系统，用于测量并采集人体髋关节角度、膝关节角度、踝关节角度、地面反作用力、执行机构处运动裤与人体之间的压力、人体的体温和心率以及表面肌电信号的信息，并将采集到的信息传输至输入模块；

输入模块，用于接收并传递传感系统传入的信息至滤波模块；

滤波模块，用于降噪处理输入模块输入的信息，将处理好的信息分别传入人体健康评估模块和实时助力模块；

用户模块，用于将用户的身高、体重信息传输至人体健康评估模块，用户的自定义动作指令传输至输出模块；同时接收并显示输出模块输出的人体健康报告与正在执行的动作命令信息；

人体健康评估模块，结合用户模块输入的身高、体重信息，将滤波模块输入的心率、体温、地面反作用力及表面肌电信号与健康人的同类别数据作对比，将对比结果生成人体健康报告输出至输出模块；

实时助力模块，将髋关节角度、膝关节角度、踝关节角度和地面反作用力信息分别与人体正常运动状态下的髋关节角度、膝关节角度、踝关节角度和地面反作用力变化规律比对，通过人体逆动力学算法计算出各关节需要的辅助力矩值；将各关节需要的辅助力矩值转换为各个执行机构需要输出的力数值；将各个执行机构需要输出的力转换为电流值、液压值或气压值，生成动作命令信息，输入至输出模块；监测执行机构处运动裤与人体之间的压力，超出设定值停止动作命令的输出；

输出模块，用于将实时助力模块下达的动作命令信息或用户的自定义指令传输至运动裤的驱动机构；同时将人体健康评估模块传入的人体健康报告及实时助力模块下达的动作命令信息，传递并显示在用户模块。

优选的，所述传感系统包括：

惯性测量传感器，安装在腰部靠近髋关节处、大腿上靠近髋关节和膝关节处、小腿上靠近膝关节和踝关节处及脚部靠近膝关节处，用于跟踪安装部位的实时加速度及安装部位的运动角度，安装部位的运动角度包括髋关节角度、膝关节角度和踝关节角度；

压力传感器，安装在执行机构安装处及脚底部，用于监测运动裤与人体皮肤之间的压力及地面对人体的地面反作用力；

表面肌电传感器，安装在下肢的肌肉处，用于检测肌肉处的肌电信号；

心率传感器，用于实时监测人体的心率；

体温传感器，用于实时监测人体的体温；

各类传感器均通过无线发射器将信号传入至输入模块。

优选的，控制系统的输入模块、滤波模块、用户模块、人体健康评估模块、实时助力模块和输出模块均安装在智能通讯设备中；控制系统设置有向驱动机构传输无线信号的发射器。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种智能助力运动裤，包括运动裤本体、执行机构、驱动机构和控制系统；控制系统下达指令给驱动机构，驱动机构驱动执行机构完成指令动作，执行机构安装在运动裤本体内，运动裤本体与人体直接接触。本发明的控制系统能够实时监测人体在运动过程中的运动及健康信息，分析后下达动作指令，通过驱动机构驱动执行机构完成相应动作，辅助人体的下肢运动；根据穿戴者的实际运动状态，给穿戴者下肢运动提供达到正常运动状态的运动辅助，减少穿戴者运动过程中的下肢损伤。

进一步的，本发明的执行机构根据人体下肢的结构特点，设置有条状人工肌肉与手风琴风箱状人工肌肉，条状人工肌肉通过其收缩与延伸完成命令动作，手风琴风箱状人工肌肉通过沿折叠方向弯曲或伸展完成命令动作，辅助下肢的关节运动。

进一步的，本发明的条状人工肌肉沿肌肉及韧带的收缩与伸展方向布置，辅助肌肉与韧带的运动；手风琴风箱状人工肌肉安装在关节的四周，辅助关节的弯曲与伸展，用以限制关节的运动范围，矫正关节多自由度运动，避免关节在运动过程中受损。

进一步的，本发明的运动裤本体依据下肢的结构设置有三个助力区，不同的助力区内设置有不同的执行机构，对应不同助力区的肌肉结构；同时助力区之间为可拆卸连接，方便穿戴调整。每一个助力区内有独立的执行机构，执行机构的安装方式与安装数量可根据实际情况调节。

进一步的，本发明的驱动机构安装在运动裤本体上，方便驱动夹装在运动裤本体之间的执行机构；本发明的驱动机构选用有多种能量提供方式，如：电流驱动、液体驱动或气压驱动等；不同的驱动方式，其能量提供路径及原理不同，电流驱动将电线埋在人工肌肉内，通过电流刺激人工肌肉的收缩与伸展；气压驱动在人工肌肉内设置气路，通过控制气体的流量与流向控制人工肌肉的收缩与伸展。

进一步的，驱动机构设置有无线信号接收器，接收控制系统下达的指令，执行动作命令指令。

进一步的，本发明的智能助力运动裤设置有控制系统，所述控制系统包括传感系统、输入模块、滤波模块、人体健康评估模块、实时助力模块、用户模块及输出模块；通过控制系统中各个模块的配合，完成人体信息的采集、分析及下达指令，用户也可自定义指令信息，下达动作命令信息，通过执行机构辅助下肢运动。

进一步的，本发明的传感系统包括惯性测量单元、压力传感器、表面肌电传感器、心率传感器和体温传感器；各传感器固定在裤子内侧的特定部位，其中，惯性测量单元用以跟踪人体下肢各个关节处的的角度信息；压力传感器用以监测裤子与人体皮肤之间的压力和地面对足底的反作用力；表面肌电传感器实时监测驱动各关节运动的各骨骼肌的肌电信号；心率传感器、体温传感器及其他测量生命健康信号的传感器用以记录人体心率、体温等信号便于形成人体健康报告。

进一步的，本发明的控制系统中除传感系统中的传感器直接与人体接触外，其余模块均能够安装在用户手机、运动手环或平板电脑等随身携带的智能设备，对智能助力运动裤进行无线控制。

【附图说明】

图1为本发明的智能助力运动裤的整体示意图；

图2为本发明的智能助力运动裤的左腿前侧人工肌肉位置及右腿前侧传感器位置示意图；

图3为本发明的智能助力运动裤的左腿后侧人工肌肉位置及右腿后侧传感器位置示意图；

图4为本发明的智能助力运动裤的手风琴风箱状人工肌肉示意图；

图5为本发明的智能助力运动裤的控制系统结构图；

其中：1.-髋关节助力区；2-膝关节助力区；3-踝关节助力区；4-条状人工肌肉；5-手风琴风箱状人工肌肉；6-惯性测量单元；7-压力传感器；8-心率传感器；9-体温传感器；10-表面肌电传感器；11-本体。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1-图3，本发明公开了一种智能助力运动裤，包括运动裤本体11、执行机构、驱动机构和控制系统；控制系统下达指令给驱动机构，驱动机构驱动执行机构完成指令动作，执行机构安装在运动裤本体11内，运动裤本体11与人体直接接触。

运动裤本体11包括髋关节助力区1、膝关节助力区2和踝关节助力区3；各部分有其独立的执行机构和传感系统，既可单独工作又可相互组合协同工作。髋关节助力区1、膝关节助力区2与踝关节助力区3的主体部分选用弹性纤维编织的布料构成；髋关节助力区1和膝关节助力区2之间，膝关节助力区2和踝关节助力区3之间均为可拆卸连接，如柔性拉链或魔术贴等可重复粘合材料；每一个助力区均设置有单独的执行机构。其中，髋关节助力区1的整体外形类似短裤，可保护髋关节、大腿部并为其运动提供辅助力；膝关节助力区2的整体外形类似护膝，可保护膝关节并为其运动提供辅助力；踝关节助力区3的整体外形类似长袜，可保护踝关节并为其运动提供辅助力。

参见图2-图4，执行机构安装在运动裤本体10的两层布料之间，执行机构由统一的驱动机构驱动其动作，驱动机构受控于控制系统；驱动系统包括条状人工肌肉4和手风琴风箱状人工肌肉5；条状人工肌肉4为能够执行伸缩动作的长条状人工肌肉，沿下肢各骨骼肌及韧带布置，用于给下肢运动提供辅助力。图4为手风琴风箱状人工肌肉5示意图，手风琴风箱状人工肌肉5设置在各个关节的四周，手风琴风箱状人工肌肉5可折叠，便于收缩和舒张，用以限制关节的运动范围，矫正关节多自由度运动，避免关节在运动过程中受损；执行机构由驱动机构驱动其运动。

驱动机构安装在运动裤本体11上，驱动机构选用电流驱动、液体驱动或气压驱动，对应有导线、液体通路或气路安装在执行机构中，液体通路中的液体可以选择水、液压油等其他可流动液体；驱动机构设置有无线信号接收器，用于接收控制系统下达的指令；当驱动机构选用电能作为驱动源时，电路导线埋在各个助力区内，通过控制通电或断电、电流的大小，控制条状人工肌肉4的收缩或伸长，及手风琴风箱状人工肌肉5沿折叠方向的收缩或扩张；当驱动机构选用气压作为驱动源时，各个助力区内设置有气路管道，通过控制通气或断气、通入气路的大小，控制条状人工肌肉4的收缩或伸长，及手风琴风箱状人工肌肉5沿折叠方向的收缩或扩张。

本发明的智能助力运动裤的控制系统中的输入模块、滤波模块、用户模块、人体健康评估模块、实时助力模块和输出模块均安装在用户手机、运动手环或平板电脑等随身携带的智能设备，对智能助力可拆卸运动紧身裤进行无线控制；控制系统设置有向驱动机构传输无线信号的发射器。

参见图5，控制系统包括传感系统、输入模块、滤波模块、人体健康评估模块、实时助力模块、用户模块及输出模块。传感系统传播信号给输入模块，输入模块的输出端和滤波模块连接，滤波模块的输出端并联有人体健康评估模块和实时助力模块；人体健康评估模块的输出端均与实时助力模块及输出模块连接，实时助力模块的输出端和输出模块连接；用户模块的输入端为用户自定信息，输出端分别与人体健康评估模块、实时助力模块和输出模块连接；

传感系统，传感系统通过将各类传感器安装在人体的不同部位，将髋关节角度、膝关节角度、踝关节角度、地面对人体的反作用力、执行机构处运动裤与人体之间的压力、人体的体温和心率以及表面肌电信号的信息，并将采集到的运动及健康信息通过无线方式传递至输入模块；

输入模块，通过无线接收器接收传感系统中各个传感器传入的人体运动及健康信息，并将运动及健康信息传递至滤波模块；

滤波模块，用于将运动及健康信息进行降噪处理，将处理好的信息分别传入人体健康评估模块和实时助力模块；

用户模块，用户模块为人机交互模块，用户可自定义两类信息，一类为人体输入的自定义身高、体重信息，用户模块将自定义身高、体重信息传输至人体健康评估模块和实时助力模块；另一类为人体动作指令信息，直接传递给输出模块；同时接收并显示输出模块输入的人体健康评估报告与动作命令信息；

人体健康评估模块：结合用户模块输入的身高、体重信息，将滤波模块输入的心率、体温、足底地面反作用力及表面肌电信号与健康人的同类别数据作对比，将对比结果生成人体健康报告输出至输出模块；

实时助力模块，将髋关节角度、膝关节角度、踝关节角度和地面反作用力信息分别与人体正常运动状态下的髋关节角度、膝关节角度、踝关节角度和地面反作用力变化规律比对，通过人体逆动力学算法计算出各关节需要的辅助力矩值；辅助力矩值为各关节为达到正常人运动状态需要的力矩，人体逆动力学算法可通过OPENSIM等软件计算出，将各关节需要的辅助力矩值转换为各个执行机构需要输出的力数值；将各个执行机构需要输出的力转换为电流值、液压值或气压值，生成动作命令信息，输入至输出模块；监测执行机构处运动裤与人体之间的压力，超出设定值停止动作命令的输出；防止执行机构给人体的压力过大，损伤肌肉或关节

输出模块，用于将实时助力模块下达的动作命令信息或用户自定义下达动作指令信息传输至运动裤的驱动机构，使驱动机构驱动执行机构按照动作命令信息运动，进而为下肢助力，减少下肢运动损伤；同时将人体健康评估模块传入的人体健康报告及实时助力模块下达的动作命令信息，传递至用户模块，便于用户及时了解自身健康状态。

传感系统，由惯性测量单元、压力传感器、表面肌电传感器、心率传感器及体温传感器构成。各传感器固定在裤子内侧的特定部位。其中，惯性测量单元6安装在腰部靠近髋关节处、大腿上靠近髋关节和膝关节处、小腿上靠近膝关节和踝关节处及脚部靠近膝关节处，用于跟踪安装部位的实时加速度及安装部位的运动角度，进而计算出不同测量部位之间的角度，包括髋关节角度、膝关节角度和踝关节角度，髋关节角度指腰部与大腿的角度，膝关节角度指大腿与小腿的角度，踝关节角度指小腿和脚背形成的角度，以跟踪人体下肢各部分的姿态、位置等运动信息；压力传感器7安装在执行机构安装处及脚部，用以监测裤子与人体皮肤之间的压力和地面反作用力；表面肌电传感器10：安装在下肢的肌肉处，实时监测驱动各关节运动的各骨骼肌的肌电信号；心率传感器8，安装在下肢可测得心率处，实时监测人体的心率便于形成人体健康报告；体温传感器9，用于实时监测体温以记录人体体温信号便于形成人体健康报告。

通过上述控制系统控制运动裤的过程为：

(1)输入模块接收多功能传感系统传入的信息，并将信息传入滤波模块。用户模块接收用户自定义信息与自定义动作指令，自定义信息传输至人体健康评估模块和实时助力模块，自定义动作指令传输至输出模块。

(2)滤波模块对输入的信息进行降噪处理，并将处理好的信息分别传入人体健康评估模块和实时助力模块。

(3)人体健康评估模块结合用户模块输入的身高、体重信息，将滤波模块输入的心率、体温、足底地面反作用力及表面肌电信号与健康人的同类别数据作对比，将对比结果生成人体健康报告输出至输出模块；

(4)实时助力模块将髋关节角度、膝关节角度、踝关节角度和地面反作用力信息分别与人体正常运动状态下的髋关节角度、膝关节角度、踝关节角度和地面反作用力变化规律比对，通过人体逆动力学算法计算出各关节需要的辅助力矩值；将各关节需要的辅助力矩值转换为各个执行机构需要输出的力的数值；将各个执行机构需要输出的力转换为电流值、液压值或气压值，生成动作命令信息，输入至输出模块；监测执行机构处运动裤与人体之间的压力，超出设定值停止动作命令的输出；

(5)输出模块一方面将人体健康评估模块传入的人体健康报告传输至用户模块，便于用户及时了解自身健康状态；另一方面将动作指令通过无线方式传给驱动机构；

(6)驱动机构向执行机构提供动力；当驱动机构为电流时，控制电流以控制条状人工肌肉4的伸展或收缩、手风琴风箱状人工肌肉5的收缩或舒张，以帮助肌肉或关节运动；当驱动机构为气路时，人工肌肉内设置有气路，通过控制气路中的气流或气体流向，控制条状人工肌肉4的伸展或收缩、手风琴风箱状人工肌肉5的收缩或舒张，以帮助肌肉或关节运动。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种智能助力运动裤，其特征在于，包括运动裤本体(11)、执行机构、驱动机构和控制系统；运动裤本体(11)与人体直接接触，执行机构安装在运动裤本体(11)内；控制系统下达指令给驱动机构，驱动机构驱动执行机构完成指令动作。

2.根据权利要求1所述的一种智能助力运动裤，其特征在于，执行机构包括条状人工肌肉(4)和手风琴风箱状人工肌肉(5)；条状人工肌肉(4)为能够执行伸缩动作的长条状人工肌肉；手风琴风箱状人工肌肉(5)为能够沿折叠方向弯曲或伸展的风箱状人工肌肉。

3.根据权利要求2所述的一种智能助力运动裤，其特征在于，条状人工肌肉(4)沿下肢的骨骼肌及韧带方向布置；手风琴风箱状人工肌肉(5)安装在下肢各个关节的四周。

4.根据权利要求1所述的一种智能助力运动裤，其特征在于，运动裤本体(11)包括髋关节助力区(1)、膝关节助力区(2)和踝关节助力区(3)；髋关节助力区(1)和膝关节助力区(2)之间，膝关节助力区(2)和踝关节助力区(3)之间均为可拆卸连接；每一个助力区内安装有独立的执行机构。

5.根据权利要求1所述一种智能助力运动裤，其特征在于，驱动机构安装在运动裤本体(11)上；驱动方式选用电流驱动、液体驱动或气压驱动，对应有导线、液体通路或气路安装在执行机构中。

6.根据权利要求1所述一种智能助力运动裤，其特征在于，驱动机构设置有无线信号接收器，用于接收控制系统下达的指令。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种智能助力运动裤，其特征在于，所述控制系统包括：

传感系统，用于测量并采集人体髋关节角度、膝关节角度、踝关节角度、地面反作用力、执行机构处运动裤本体(11)与人体之间的压力、人体的体温和心率以及表面肌电信号的信息，并将采集到的信息传输至输入模块；

输入模块，用于接收并传递传感系统传入的信息至滤波模块；

滤波模块，用于降噪处理输入模块输入的信息，将处理好的信息分别传入人体健康评估模块和实时助力模块；

用户模块，用于将用户的身高、体重信息传输至人体健康评估模块，用户的自定义动作指令传输至输出模块；同时接收并显示输出模块输出的人体健康报告与正在执行的动作命令信息；

人体健康评估模块，结合用户模块输入的身高、体重信息，将滤波模块输入的心率、体温、地面反作用力及表面肌电信号与健康人的同类别数据作对比，将对比结果生成人体健康报告输出至输出模块；

实时助力模块，将髋关节角度、膝关节角度、踝关节角度和地面反作用力信息分别与人体正常运动状态下的髋关节角度、膝关节角度、踝关节角度和地面反作用力变化规律比对，通过人体逆动力学算法计算出各关节需要的辅助力矩值；将各关节需要的辅助力矩值转换为各个执行机构需要输出的力数值；将各个执行机构需要输出的力转换为电流值、液压值或气压值，生成动作命令信息，输入至输出模块；监测执行机构处运动裤本体(11)与人体之间的压力，超出设定值停止动作命令的输出；

输出模块，用于将实时助力模块下达的动作命令信息或用户的自定义指令传输至运动裤的驱动机构；同时将人体健康评估模块传入的人体健康报告及实时助力模块下达的动作命令信息，传递并显示在用户模块。

8.根据权利要求7所述的一种智能助力运动裤，其特征在于，所述传感系统包括：

惯性测量传感器(6)，安装在腰部靠近髋关节处、大腿上靠近髋关节和膝关节处、小腿上靠近膝关节和踝关节处及脚部靠近膝关节处，用于跟踪安装部位的实时加速度及安装部位的运动角度，安装部位的运动角度包括髋关节角度、膝关节角度和踝关节角度；

压力传感器(7)，安装在执行机构安装处及脚底部，用于监测运动裤本体(11)与人体皮肤之间的压力及地面对人体的地面反作用力；

表面肌电传感器(10)，安装在下肢的肌肉处，用于检测肌肉处的肌电信号；

心率传感器(8)，用于实时监测人体的心率；

体温传感器(9)，用于实时监测人体的体温；

各类传感器均通过无线发射器将信号传入至输入模块。

9.根据权利要求7所述的一种智能助力运动裤，其特征在于，控制系统的输入模块、滤波模块、用户模块、人体健康评估模块、实时助力模块和输出模块均安装在智能通讯设备中；控制系统设置有向驱动机构传输无线信号的发射器。