CN109276001A - 一种自动跟随和安全助力的平衡手杖 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种专为行动不便的老人设计的可以实现自动跟随和安全助力的平衡手杖，属于日常使用的个人耐用消费品，本发明产品主要由握把，杖体和平衡机构组成，采用动态平衡的设计原理提供自动跟随和安全助力，用于替代传统的纯机械式拐杖，和其他众多所谓智能手杖和多功能手杖主要关注附加功能不同，本发明专注于手杖的基本功能—保持身体平衡和辅助行走，利用自平衡原理为老人们提供一种可以自动贴身跟随并提供安全助力的工具，使用起来恰如亲人随行搀扶。产品同时具有安全自锁，差速转向，极简操作和免充电，免维护等显著特点。本发明用户数量巨大，实用价值高，市场前景广阔。

Description

一种自动跟随和安全助力的平衡手杖

技术领域

本专利为一种自动跟随和安全助力的平衡手杖，属于日常生活使用的家用机电产品。

背景技术

对于腿脚不便的老人而言，外出活动是日常的刚需，为了保持身体平衡和出行安全，采用手杖予以辅助出行是自古至今的寻常做法，为了避免打滑，手杖的地脚一般采用橡胶等防滑材料，甚至采用四个地脚并加大间距来增加摩擦。传统的纯机械式手杖没有动力，需要使用者不断抬起和落下，频繁抬起落下的过程不仅增加使用者负担，更使身体的平衡失去辅助而变得充满风险，最为理想的护理来自于亲人的随行搀扶和贴身保护。本项目的灵感即来自于此，希望可以通过对其基本功能的创新，结合传统手杖和平衡技术， 为出行不便的老人提供一种可以实现自动跟随和安全助力的工具。

关于手杖的发明专利很多，如各种智能手杖和多功能手杖等，但其都集中在手杖的附加功能上，如在手杖中增加收音机，手电筒，定位报警装置，发送短信装置等，又或者为盲人设计的探路防撞装置等。这些锦上添花的设计丰富了了手杖的品类，但对于手杖的基本用途却几乎没有什么改变，本发明专注于手杖的本质功能，力求在辅助出行方面有所创新。

发明内容

针对传统手杖存在的使用痛点，借鉴平衡助力车中应用相对较为成熟的平衡助力技术，本发明尝试给出一个解决安全助力出行的产品方案。

本发明由握把[1]、杖体[2]、和平衡装置[3]组成，握把[1]供使用者用手握持，优先的，其壳体[1-1]外形应符合人体工程学要求，材质柔软，利于把握，壳体[1-1]内设置按压式开关[1-2]，用以控制手杖的上电和下电；杖体[2]为产品的主体结构，主要包括杖杆[2-1]，太阳能发电薄膜[2-2]，电池组[2-3]和长度调整装置[2-4]。太阳能发电薄膜[2-2]将太阳能转化为电能储存在电池组[2-3]中，长度调整装置[2-4]可以根据使用者的不同身高和需要进行长度的调节，优先的，太阳能发电薄膜[2-2]缠绕在杖杆[2-1]的外表面，其内层用绝缘薄膜和杖体[2]隔离，外表面敷设高透明的防护薄膜，优先的，电池组[2-3]由多个18650电池串联后并联而成，采用前后排列的形式放置在杖杆[2-1]的内部空间中；平衡装置[3]包括控制组件[3-1]、电机[3-2] 、减速器[3-3]、差速器[3-5]和脚轮[3-4]，控制组件[3-1]完成电源管理，姿态感知和电机[3-2]的调速控制和驱动，脚轮[3-4]按照控制指令在电机[3-2]、减速器[3-3]、差速器[3-5]带动下实现转动，确保手杖始终处于平衡状态，优先的，减速器[3-3]采用蜗轮蜗杆传动装置以实现自锁，差速器[3-5]实现脚轮以不同的转速运动。优先的，脚轮[3-4]中的轮毂采用高强轻质材料制成，轮胎由橡胶海绵材料制成，材质柔软，可以起到减振缓冲的作用，同时加大和地面之间的摩擦力，避免出现滑倒的不安全现象。

在使用时，当人手对握把[1]实施按，压， 推，拉等动作时，杖体[2]的姿态将发生变化，控制组件[3-1]中的惯性测量组件监测到杖体[2]的姿态变化，控制组件[3-1]中的中央处理器对测量数据进行融合处理和滤波解算，依据内部的控制程序发出控制指令驱动电机[3-2]、减速器[3-3]和差速器[3-5]带动脚轮[3-4]向相应方向转动，抵消杖体[2]的姿态变化使其重新恢复到初识的平衡，进而对人体产生相应的顶，升，抬，移等反作用，从而实现自动跟随和安全助力的效应，以帮助行动不便的老人保持身体平衡和行动安全。

对本发明而言，杖体[2]的姿态变化均来自于使用者的主动操作，系统总是被动适应地实施平衡控制，而不会主动去破坏杖体[2]的平衡状态，同时，减速器[3-3]采用涡轮蜗杆减速形式，可以实现下电自锁；差速器[3-5]可以确保杖体[2]转动平滑以适应不同路面和转弯；脚轮[3-4]采用橡胶材料，和地面之间有良好的摩擦系数，这些措施确保了产品在助力时的被动性和安全性，为使用者提供极大的行动便利，解决了其出行的刚需和痛点，并将成为老人们高频使用的贴身日常用品。

本发明的使用模式如下。

模式一：支撑模式。如附图2，当用手垂直按压时，杖体[2]的地面支撑力F2和按压力F1实现平衡，杖体[2]处于平衡和静止状态，手杖可以提供支撑但并不随行，这是一种理想的支撑状态。

模式二：助力模式。如附图3，当杖体[2]存在偏角并用手沿杖体[2]轴向按压时，由于杖体[2]前倾偏离平衡状态，脚轮[3-4]在控制系统的指令下会产生顺时针转动，杖体[2]会出现图示的逆时针转动趋势，人手将感受到杖体[2]恢复平衡状态的辅助力量，同时，杖体[2]受到的地面摩擦力和地面支撑力的合力F2会和轴向按压力F1对冲抵消，杖体[2]向上抬升而不前行，此时的杖体[2]处于助力状态。

模式三：跟随助力模式。如附图4，当杖体[2]存在偏角并用手垂直按压时，由于杖体[2]前倾偏离平衡状态，脚轮[3-4]在控制系统的指令下会产生顺时针转动，杖体[2]会出现图示的逆时针转动和向前平动，人手将感受到杖体[2]恢复平衡状态和前行的辅助力量，同时，杖体[2]受到的地面支撑力F2会和轴向按压力F1对冲抵消，杖体[2]向上抬升并同时前行，此时的杖体[2]处于跟随助力状态。

模式四：跟随模式。如附图5，当杖体[2]存在偏角并用手水平推拉时，由于杖体[2]前倾偏离平衡状态，脚轮[3-4]在控制系统的指令下会产生顺时针转动，在水平推拉力F1和地面摩擦力F2的共同作用下会出现图示的平动，此时的杖体[2]处于跟随状态。

模式五：下电支撑模式。如附图6，在关机状态下，脚轮[3-4]自锁，助力手杖等同于普通手杖，无论是否存在偏角，当用手沿杖体[2]轴向施力（抬起 或者落下）时，杖体[2]受力处于平衡，此时的杖体[2]处于支撑状态，使用者感受不到助力的效果。其它方向的施力都会使杖体[2]失去平衡而摔倒。

模式六：转弯模式。如附图7，无论是上电工作还是下电状态，当路面不平时，或者使用者需要转弯时，两个脚轮[3-4]之间会出现不同的转速，差速器[3-5]都可以保证杖体[2]实现路面适应和平滑转向。

上述各种工作模式可以自由叠加切换。

和常见的平衡助力车相比较，平衡助力车的原始控制力来自于骑行者身体的摆动，只有上述模式一（支撑状态）和模式三（随行助力状态），传统拐杖只有上述模式五的支撑状态，而本项目不仅兼具了平衡助力车和传统拐杖的优点，而且可以为行动不便的老人们提供更加安全更加便利更加温暖的使用体验，其自动跟随和自适应助力的核心能力使用起来犹如亲人在旁贴身搀扶，同时，本项目还具有差速转向，免充电，免维护，操作极简的显著特点，可以为老人们提供一个全新的安全的服务产品。

附图说明

附图1是本发明的产品结构组成示意图。

附图2是支撑模式示意图。

附图3是助力模式示意图。

附图4是跟随助力模式示意图。

附图5是跟随模式示意图。

附图6是下电支撑模式示意图。

附图7是转弯模式示意图。

具体实施例

通过下面的具体实施例可以详细解释本发明，以及根据本发明设计原理所作出的产品拓展和变化，公开本发明的目的旨在保护本发明权利要求之内的技术及改进。

产品由握把[1]、杖体[2]、和平衡装置[3]组成，握把[1]供使用者用手握持，其壳体[1-1]内设置按压式开关[1-2]，用以控制手杖的上电和下电；杖体[2]为产品的主体结构，主要包括杖杆[2-1]、太阳能发电薄膜[2-2]、电池组[2-3]和长度调整装置[2-4]。太阳能发电薄膜[2-2]将太阳能光线转化为电能储存在电池组[2-3]中，长度调整装置[2-4]可以根据使用者的不同身高和需要进行长度的调节；平衡装置[3]包括控制组件[3-1]、电机[3-2]和脚轮[3-4]，控制组件[3-1]完成电源管理，姿态感知和PWM调速控制，脚轮[3-4]按照控制指令在电机[3-2] 、减速器[3-3]、差速器[3-5]的带动下实现转动，确保手杖始终处于平衡状态。

具体实施中，握把[1]的形状可以多种多样并可以定制，本发明优先采用葫芦球状握把[1]，取其“福禄”之意，也可以采用“T”型，倒“U”型，环形，三角型等形状，握把[1]的护套材质以柔软舒适为主， 兼具个性化和装饰意义，允许第三方按照标准接口开发定制。

本发明的握把[1]中仅设置按压式开关[1-2]，当然也可以增加附加模块，进行智能化多功能扩展，比如在握把[1]中增加来电提醒，手电筒，收音机，GPS定位，摔倒报警装置，血压心跳测试，健身记步等功能。 这部分功能也可以第三方按照标准接口进行开发定制。

在具体实施中，电机[3-2]的种类，如有刷直流电机，数字无刷电机或者步进电机，伺服电机，轮毂电机等，其转速、功率都可以依据具体的使用要求实现系列化，不同的使用者可以根据自己的需要进行适配选择。

在具体实施中，杖体[2]也可以由单杆结构变形为整体框架结构，相应的脚轮[3-4]也可以适应性地采用单轮，双轮，三轮或者四轮的结构形式，控制组件[3-1]，驱动器和电机[3-2]的数量与组成需要与之相适配。驱动器必须和电机功率、驱动电压、电流等相匹配适应。

本发明中未加详细说明的内容为相关领域技术人员所熟知的通用技术。

特别说明：虽然以上所述描述了本发明的具体实施例，但是本领域内的技术人员应当理解，这些具体的实施例子仅是举例说明，本领域内的技术人员应当在不脱离本发明的工作原理和技术实质的情况下，可以对本发明的具体实施内容进行改变，删减，增加，替换或忽略，但凡按照实质相同的原理和方法执行实质相同的功能以达到实质相同的结果均属于本发明保护的范畴，本发明的保护范围由发明权利要求书所限定。

Claims (8)

1.一种专为行动不便的老人设计的可以实现自动跟随和安全助力的平衡手杖，其主要特征是，产品由握把[1]，杖体[2]和平衡装置[3]组成，握把[1]供使用者用手握持，壳体[1-1]内设置按压式开关[1-2]；杖体[2]为产品的主体承力结构，包括杖杆[2-1]，太阳能发电薄膜[2-2]、电池组[2-3]和长度调整装置[2-4]，杖杆[2-1]承受载荷，太阳能薄膜[2-2]和电池组[2-3]为产品提供电能，杖杆[2-1]长度可以根据需要进行调整；平衡装置[3]包括控制组件[3-1]，电机[3-2]、减速器[3-3]、差速器[3-5]和脚轮[3-4]，控制组件[3-1]完成电源管理、姿态感知、调速控制和电机驱动，脚轮[3-4]按照控制指令在电机[3-2]、减速器[3-3]和差速器[3-5]带动下实现转动，确保手杖始终处于平衡状态，在使用时，当人手对握把[1]实施按、压、推、拉等动作时，杖体[2]的姿态将发生变化，控制组件[3-1]感应检测到姿态变化，通过电机[3-2]、减速器[3-3]和差速器[3-5]驱动脚轮[3-4]自动向相应方向转动，以补偿杖体[2]的姿态变化使其重新恢复到初始的平衡，进而对人体产生相应的、升、抬、移等作用，从而实现自动贴身跟随和安全助力。

2.根据权利要求一中所述的握把[1]，其壳体[1-1]形状应符合人体工程学要求，材质柔软，利于把握，握把[1]的壳体[1-1]处设置有按压式开关[1-2]，用于控制上电开机和下电关机。

3.根据权利要求一中所述的杖杆[2-1]，作为手杖的主要承力部件，由轻质高强材料制成，用于承受使用过程中的各种载荷，杖杆[2-1]的外表面铺设太阳能发电薄膜[2-2]，内部安装电池组[2-3]，杖杆[2-1]的上部设置机械接口和握把[1]实现对接，下部设置长度调整装置[2-4]，可以根据个体的身高差异对杖杆[2-1]长度实施调整，长度调整时不能影响内部导线和电路板的正常使用，杖杆[2-1]的下端和平衡装置[3]相连接。

4.根据权利要求三中所述的太阳发电薄膜[2-2]，其主要特征为缠绕在杖杆的外表面，其内层用绝缘薄膜和杖体[2-1]隔离，外表面敷设高透明的防护薄膜，太阳能发电薄膜[2-2]的电极和控制组件[3-1]相连接。

5.根据权利要求三中所述的电池组[2-3]，其主要特征为由多个18650电池串联后并联而成，采用前后排列的形式放置在杖杆[2-1]的内部空间中。

6.根据权利要求一中所述的控制组件[3-1]，其主要特征为，包括惯性测量组件、电源组件、中央处理器和电机驱动器，惯性测量组件用于对杖体[2]的姿态变化进行高频的精密测量，电源组件用于控制太阳能发电薄膜[2-2]和电池组[2-3]之间的自动充电放电管理和电源转换及供电管理，以实现免充电和免维护的效果，中央处理器依据内置的控制程序完成各种信息的解算和融合处理，并发出控制指令和调速指令，通过驱动器控制电机[3-1]的转向和转速。

7.根据权利要求一中所述的减速器[3-3]采用涡轮蜗杆传动，以实现断电状态下的自锁和安全，差速器[3-5]的输出轴和脚轮[3-4]实现固连，确保杖体[2]的转弯平滑。

8.根据权利要求一中所述的脚轮[3-4]，由轮毂和轮胎组成，轮毂采用高强轻质材料制成，和差速器[3-5]的输出轴相连，轮胎由橡胶海绵材料制成，材质柔软，可以起到减振缓冲的作用，同时加大和地面之间的摩擦力，利于行走时的安全，避免打滑。