CN111113382B - 人体尺寸自适应上肢外骨骼机构及机器学习控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明设置外骨骼工具技术领域，特别是人体尺寸自适应上肢外骨骼机构及机器学习控制方法，包括供电箱，所述供电箱的一侧固定连接有腰部固定带，所述供电箱的一侧面固定连接有减速电机，所述供电箱的顶部固定连接有关节筒，所述关节筒内壁的两侧均固定连接有轴承，所述轴承的内壁固定连接有转动筒，所述转动筒的内壁开设有传动齿，所述转动筒外壁的中部固定连接有伸缩杆。本发明的优点在于：通过设置了伸缩杆，伸缩杆的顶部通过支撑架固定连接有肩带，伸缩杆的底部通过转动筒、关节筒、供电箱连接有腰部固定带，能够使肩带与腰部固定带之间的距离可以灵活改变，从而适应不同身材的人，可自适应人体尺寸进行穿戴，达到提高实用性的目的。

Description

人体尺寸自适应上肢外骨骼机构及机器学习控制方法

技术领域

本发明涉及外骨骼工具技术领域，具体为人体尺寸自适应上肢外骨骼机构及机器学习控制方法。

背景技术

外骨骼技术可以增强人体行动能力、减轻负重，通常由金属或碳纤维等材料制成，最初旨在帮助患有多发性硬化症、严重关节炎等疾病的群体克服行动困难，目前外骨骼已经在诸多领域的使用上进行了深入的研究，在军事上，外骨骼设备可用于提高士兵的各项体能，在工业领域，外骨骼可以提高工人的工作能力，但是在民用外骨骼领域，该方面的研究还有所欠缺，人们日常的工作行为简单，所以民用外骨骼无需过多复杂的机构，甚至通过简单的机械结构就可以满足民用，因此也使得民用外骨骼生产成本较低，而民用市场也较为广阔，因此发展民用外骨骼设备势在必行。但是目前在民用外骨骼领域，目前的产品存在许多不足，尤其是通用性，很难满足不同的人体尺寸，而且结构复杂，操作方法繁琐麻烦，难以推广使用，因而本发明提出人体尺寸自适应上肢外骨骼机构及机器学习控制方法，用于解决现有不足。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了人体尺寸自适应上肢外骨骼机构及机器学习控制方法，具备自适应人体尺寸，操作方法简单易学等优点，解决了通用性不足，操作复杂的问题。

(二)技术方案

为实现上述自适应人体尺寸，操作方法简单易学的目的，本发明提供如下技术方案：人体尺寸自适应上肢外骨骼机构及机器学习控制方法，包括供电箱，所述供电箱的一侧固定连接有腰部固定带，所述供电箱的一侧面固定连接有减速电机，所述供电箱的顶部固定连接有关节筒，所述关节筒内壁的两侧均固定连接有轴承，所述轴承的内壁固定连接有转动筒，所述转动筒的内壁开设有传动齿，所述转动筒外壁的中部固定连接有伸缩杆，所述关节筒的两侧均固定连接有封盖，所述封盖的底部转动连接有齿柱，所述齿柱的一端与减速电机的输出端固定连接，所述伸缩杆远离转动筒的一端固定连接有支撑架，所述支撑架底面的两侧均固定连接有肩带，所述肩带的一侧设置有长短调节扣，所述支撑架顶面靠近肩带两侧的内部均固定连接有电机正向开关，所述电机正向开关的旋钮处固定连接有把手，所述电机正向开关的旋钮处还套接有蝶形弹簧，所述蝶形弹簧的一侧与把手固定连接，所述蝶形弹簧的另一侧与支撑架的内壁相接触，所述把手的一端与肩带的一端固定连接，所述支撑架两端内部的中心处转动连接有棘轮，所述棘轮的一侧固定连接有复位柱，所述棘轮的圆心处固定连接有连接轴，所述连接轴靠近棘轮的一侧转动连接有复位轮，所述复位轮的一侧开设有复位滑孔，所述支撑架两端内部的一侧转动连接有衔钩，所述衔钩的一侧设置有弹片，所述弹片的一侧与支撑架的内壁固定连接，所述弹片的另一侧与衔钩固定连接，所述连接轴的一侧固定连接有辅助臂，所述支撑架顶面的中部固定连接有电机反向开关，所述电机反向开关的内部转动连接有头部托板，所述电机反向开关的两侧设置有滑槽，所述滑槽的内部设置有开关推杆，所述滑槽的内部设置有复位弹簧。

优选的，包括以下步骤：

1)、使用者将腰部固定带固定到腰部，并将肩带跨到肩部；

2)、使用者将大臂放到辅助臂上，并使用绑带将大臂与辅助臂固定；

3)、使用者需要向后仰时，头部顺势向后推动头部托板，头部托板推动电机反向开关的开关推杆，启动减速电机反转，使伸缩杆向后摆；

4)、到达需要位置后，放松头部，关停减速电机，然后伸缩杆支撑人体进行仰视姿态的作业；

5)、需要复位时，向上轻轻抬起肩部，启动减速电机的正传，到达指定位置，放松肩部即可；

6)、需要抬起手臂作业时，手臂顺势向上抬到合适高度辅助臂便可以托着使用者大臂。

优选的，所述齿柱与转动筒的内壁相互啮合，所述齿柱的长度与转动筒的长度相等，所述转动筒通过固定连接有轴承与关节筒转动连接。

优选的，所述支撑架两端的内部均固定连接有限位柱，所述限位柱位于棘轮与复位轮的一侧，所述限位柱的位置与复位轮的位置相对应。

优选的，所述衔钩的位置与棘轮的位置相对应，所述衔钩的钩端形状与棘轮的棘齿形状相适配，所述衔钩的内侧为圆弧状，所述衔钩的内侧形状与复位轮外侧的形状相适配。

优选的，所述复位柱的位置与复位滑孔的位置相对应，所述复位柱的直径与复位滑孔的宽度向适配，所述复位柱与复位滑孔滑动连接。

优选的，所述电机正向开关与减速电机电性连接，所述电机反向开关与减速电机电性连接，所述减速电机与供电箱电性连接，所述供电箱的内部设置有蓄电池。

优选的，所述辅助臂的一侧固定连接有固定带，所述辅助臂通过连接轴和棘轮与支撑架转动连接。

优选的，所述伸缩杆通过固定连接有转动筒与关节筒转动连接，所述支撑架一侧的中部固定连接有肩垫。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了人体尺寸自适应上肢外骨骼机构及机器学习控制方法，具备以下有益效果：

1、该人体尺寸自适应上肢外骨骼机构及机器学习控制方法，通过设置了伸缩杆，伸缩杆的顶部通过支撑架固定连接有肩带，伸缩杆的底部通过转动筒、关节筒、供电箱连接有腰部固定带，能够使肩带与腰部固定带之间的距离可以灵活改变，从而适应不同身材的人，使该装置可自适应人体尺寸进行穿戴，达到提高实用性的目的。该自适应调整以特定动作周期内外骨骼与人体相互作用力矩与角位移的乘积随时间的积分最小化为目标，采用梯度下降法的动态迭代计算获得。

2、该人体尺寸自适应上肢外骨骼机构及机器学习控制方法，通过设置了电机正向开关与电机反向开关，且电机正向开关的旋钮处固定连接有把手，电机正向开关的旋钮处还套接有蝶形弹簧，蝶形弹簧的一侧与把手固定连接，蝶形弹簧的另一侧与支撑架的内壁相接触，把手的一端与肩带的一端固定连接，电机反向开关的内部转动连接有头部托板，电机反向开关的两侧设置有滑槽，滑槽的内部设置有开关推杆，滑槽的内部设置有复位弹簧，且头部托板的位置与开关推杆的位置相对应，能够使使用者需要向后仰时，头部顺势向后推动头部托板，头部托板推动电机反向开关的开关推杆，启动减速电机反转，使伸缩杆向后摆，需要复位时，向上轻轻抬起肩部，启动减速电机的正传，到达指定位置，放松肩部即可，达到便于操作，学习简单，便于使用掌握的目的。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的侧视结构示意图；

图3为本发明供电箱的结构示意图；

图4为本发明支撑架的结构示意图；

图5为本发明齿柱的结构示意图；

图6为本发明关节筒的内部结构示意图；

图7为本发明棘轮的结构示意图；

图8为本发明电机反向开关的结构示意图；

图9为本发明电机正向开关的结构示意图；

图10为本发明伸缩杆的结构示意图；。

图中：1-供电箱、2-腰部固定带、3-减速电机、4-关节筒、5-转动筒、6-封盖、7-伸缩杆、8-支撑架、9-肩垫、10-电机反向开关、11-头部托板、12-肩带、13-连接轴、14-辅助臂、15-轴承、16-齿柱、17-棘轮、18-复位柱、19-复位轮、20-复位滑孔、21-限位柱、22-衔钩、23-弹片、24-复位弹簧、25-开关推杆、26-长短调节扣、27-电机正向开关、28-把手、29-蝶形弹簧。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-10，人体尺寸自适应上肢外骨骼机构及机器学习控制方法，包括供电箱1，供电箱1的一侧固定连接有腰部固定带2，供电箱1的一侧面固定连接有减速电机3，供电箱1的顶部固定连接有关节筒4，关节筒4内壁的两侧均固定连接有轴承15，轴承15的内壁固定连接有转动筒5，转动筒5的内壁开设有传动齿，转动筒5外壁的中部固定连接有伸缩杆7，关节筒4的两侧均固定连接有封盖6，封盖6的底部转动连接有齿柱16，齿柱16的一端与减速电机3的输出端固定连接，伸缩杆7远离转动筒5的一端固定连接有支撑架8，支撑架8底面的两侧均固定连接有肩带12，肩带12的一侧设置有长短调节扣26，支撑架8顶面靠近肩带12两侧的内部均固定连接有电机正向开关27，电机正向开关27的旋钮处固定连接有把手28，电机正向开关27的旋钮处还套接有蝶形弹簧29，蝶形弹簧29的一侧与把手28固定连接，蝶形弹簧29的另一侧与支撑架8的内壁相接触，把手28的一端与肩带12的一端固定连接，支撑架8两端内部的中心处转动连接有棘轮17，棘轮17的一侧固定连接有复位柱18，棘轮17的圆心处固定连接有连接轴13，连接轴13靠近棘轮17的一侧转动连接有复位轮19，复位轮19的一侧开设有复位滑孔20，支撑架8两端内部的一侧转动连接有衔钩22，衔钩22的一侧设置有弹片23，弹片23的一侧与支撑架8的内壁固定连接，弹片23的另一侧与衔钩22固定连接，连接轴13的一侧固定连接有辅助臂14，支撑架8顶面的中部固定连接有电机反向开关10，电机反向开关10的内部转动连接有头部托板11，电机反向开关10的两侧设置有滑槽，滑槽的内部设置有开关推杆25，滑槽的内部设置有复位弹簧24。

包括以下步骤：

1)、使用者将腰部固定带2固定到腰部，并将肩带12跨到肩部；

2)、使用者将大臂放到辅助臂14上，并使用绑带将大臂与辅助臂14固定；

3)、使用者需要向后仰时，头部顺势向后推动头部托板11，头部托板11推动电机反向开关10的开关推杆25，启动减速电机3反转，使伸缩杆7向后摆，人体向后仰时会先向后仰头，通过设计头部托板11，更加符合人体动作，使操作更加自然舒适易学习；

4)、到达需要位置后，放松头部，关停减速电机3，然后伸缩杆7支撑人体进行仰视姿态的作业；

5)、需要复位时，向上轻轻抬起肩部，启动减速电机3的正传，到达指定位置，放松肩部即可，人体向上起身时，肩部会顺势抬起，从而拉动肩带12，这样更符合人体动作，达到简单易学的目的；

6)、需要抬起手臂作业时，手臂顺势向上抬到合适高度辅助臂14便可以托着使用者大臂。

齿柱16与转动筒5的内壁相互啮合，齿柱16的长度与转动筒5的长度相等，转动筒5通过固定连接有轴承15与关节筒4转动连接。

支撑架8两端的内部均固定连接有限位柱21，限位柱21位于棘轮17与复位轮19的一侧，限位柱21的位置与复位轮19的位置相对应，从而使限位柱21可以阻挡复位轮19向下转动，限制辅助臂14的转动范围。

衔钩22的位置与棘轮17的位置相对应，衔钩22的钩端形状与棘轮17的棘齿形状相适配，衔钩22的内侧为圆弧状，衔钩22的内侧形状与复位轮19外侧的形状相适配，从而使复位轮19可以顶开衔钩22使棘轮17脱钩复位。

复位柱18的位置与复位滑孔20的位置相对应，复位柱18的直径与复位滑孔20的宽度向适配，复位柱18与复位滑孔20滑动连接。

电机正向开关27与减速电机3电性连接，电机反向开关10与减速电机3电性连接，减速电机3与供电箱1电性连接，供电箱1的内部设置有蓄电池，从而使电机反向开关10与电机正向开关27可以分别控制减速电机3的正反转。

辅助臂14的一侧固定连接有固定带，辅助臂14通过连接轴13和棘轮17与支撑架8转动连接，从而使辅助臂14可以带动棘轮17转动。

伸缩杆7通过固定连接有转动筒5与关节筒4转动连接，从而使伸缩杆7可以灵活改变支撑角度，支撑架8一侧的中部固定连接有肩垫9，肩垫9质地柔软，托住肩膀时更加舒适。

该文中出现的电器元件主控器可为计算机等起到控制的常规已知设备。

在使用时，使用者先将腰部固定带2固定到腰部，并将肩带12跨到肩部，然后再将大臂放到辅助臂14上，并使用绑带将大臂与辅助臂14固定，接着头部顺势向后推动头部托板11，头部托板11推动电机反向开关10的开关推杆25，启动减速电机3反转，使伸缩杆7向后摆，到达需要位置后，放松头部，关停减速电机3，然后伸缩杆7支撑人体进行仰视姿态的作业，需要抬手作业时，使用者手臂顺势向上抬到合适高度，然后辅助臂14带动棘轮17转动，然后衔钩22勾住棘轮17，实现固定，从而使辅助臂14固定以支撑使用者手臂，达到减轻使用者负担的目的，需要复位时，向上轻轻抬起肩部，通过肩带12拉动电机正向开关27，启动减速电机3的正传，到达指定位置，放松肩部即可。

综上所述，该人体尺寸自适应上肢外骨骼机构及机器学习控制方法，通过设置了伸缩杆7，伸缩杆7的顶部通过支撑架8固定连接有肩带12，伸缩杆7的底部通过转动筒5、关节筒4、供电箱1连接有腰部固定带2，能够使肩带12与腰部固定带2之间的距离可以灵活改变，从而适应不同身材的人，使该装置可自适应人体尺寸进行穿戴，达到提高实用性的目的，再通过设置了电机正向开关27与电机反向开关10，且电机正向开关27的旋钮处固定连接有把手28，电机正向开关27的旋钮处还套接有蝶形弹簧29，蝶形弹簧29的一侧与把手28固定连接，蝶形弹簧29的另一侧与支撑架8的内壁相接触，把手28的一端与肩带12的一端固定连接，电机反向开关10的内部转动连接有头部托板11，电机反向开关10的两侧设置有滑槽，滑槽的内部设置有开关推杆25，滑槽的内部设置有复位弹簧24，且头部托板11的位置与开关推杆25的位置相对应，能够使使用者需要向后仰时，头部顺势向后推动头部托板11，头部托板11推动电机反向开关10的开关推杆25，启动减速电机3反转，使伸缩杆7向后摆，需要复位时，向上轻轻抬起肩部，启动减速电机3的正传，到达指定位置，放松肩部即可，达到便于操作，学习简单，便于使用掌握的目的。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.人体尺寸自适应上肢外骨骼机构，其特征在于：包括供电箱(1)，所述供电箱(1)的一侧固定连接有腰部固定带(2)，所述供电箱(1)的一侧面固定连接有减速电机(3)，所述供电箱(1)的顶部固定连接有关节筒(4)，所述关节筒(4)内壁的两侧均固定连接有轴承(15)，所述轴承(15)的内壁固定连接有转动筒(5)，所述转动筒(5)的内壁开设有传动齿，所述转动筒(5)外壁的中部固定连接有伸缩杆(7)，所述关节筒(4)的两侧均固定连接有封盖(6)，所述封盖(6)的底部转动连接有齿柱(16)，所述齿柱(16)的一端与减速电机(3)的输出端固定连接，所述伸缩杆(7)远离转动筒(5)的一端固定连接有支撑架(8)，所述支撑架(8)底面的两侧均固定连接有肩带(12)，所述肩带(12)的一侧设置有长短调节扣(26)，所述支撑架(8)顶面靠近肩带(12)两侧的内部均固定连接有电机正向开关(27)，所述电机正向开关(27)的旋钮处固定连接有把手(28)，所述电机正向开关(27)的旋钮处还套接有蝶形弹簧(29)，所述蝶形弹簧(29)的一侧与把手(28)固定连接，所述蝶形弹簧(29)的另一侧与支撑架(8)的内壁相接触，所述把手(28)的一端与肩带(12)的一端固定连接，所述支撑架(8)两端内部的中心处转动连接有棘轮(17)，所述棘轮(17)的一侧固定连接有复位柱(18)，所述棘轮(17)的圆心处固定连接有连接轴(13)，所述连接轴(13)靠近棘轮(17)的一侧转动连接有复位轮(19)，所述复位轮(19)的一侧开设有复位滑孔(20)，所述支撑架(8)两端内部的一侧转动连接有衔钩(22)，所述衔钩(22)的一侧设置有弹片(23)，所述弹片(23)的一侧与支撑架(8)的内壁固定连接，所述弹片(23)的另一侧与衔钩(22)固定连接，所述连接轴(13)的一侧固定连接有辅助臂(14)，所述支撑架(8)顶面的中部固定连接有电机反向开关(10)，所述电机反向开关(10)的内部转动连接有头部托板(11)，所述电机反向开关(10)的两侧设置有滑槽，所述滑槽的内部设置有开关推杆(25)，所述滑槽的内部设置有复位弹簧(24)。

2.根据权利要求1所述的人体尺寸自适应上肢外骨骼机构，其特征在于：还包括机器学习控制方法，具有以下步骤：

1)、使用者将腰部固定带(2)固定到腰部，并将肩带(12)跨到肩部；

2)、使用者将大臂放到辅助臂(14)上，并使用绑带将大臂与辅助臂(14)固定；

3)、使用者需要向后仰时，头部顺势向后推动头部托板(11)，头部托板(11)推动电机反向开关(10)的开关推杆(25)，启动减速电机(3)反转，使伸缩杆(7)向后摆；

4)、到达需要位置后，放松头部，关停减速电机(3)，然后伸缩杆(7)支撑人体进行仰视姿态的作业；

5)、需要复位时，向上轻轻抬起肩部，启动减速电机(3)的正传，到达指定位置，放松肩部即可；

6)、需要抬起手臂作业时，手臂顺势向上抬到合适高度辅助臂(14)便可以托着使用者大臂。

3.根据权利要求1所述的人体尺寸自适应上肢外骨骼机构，其特征在于：所述齿柱(16)与转动筒(5)的内壁相互啮合，所述齿柱(16)的长度与转动筒(5)的长度相等，所述转动筒(5)通过固定连接有轴承(15)与关节筒(4)转动连接。

4.根据权利要求1所述的人体尺寸自适应上肢外骨骼机构，其特征在于：所述支撑架(8)两端的内部均固定连接有限位柱(21)，所述限位柱(21)位于棘轮(17)与复位轮(19)的一侧，所述限位柱(21)的位置与复位轮(19)的位置相对应。

5.根据权利要求1所述的人体尺寸自适应上肢外骨骼机构，其特征在于：所述衔钩(22)的位置与棘轮(17)的位置相对应，所述衔钩(22)的钩端形状与棘轮(17)的棘齿形状相适配，所述衔钩(22)的内侧为圆弧状，所述衔钩(22)的内侧形状与复位轮(19)外侧的形状相适配。

6.根据权利要求1所述的人体尺寸自适应上肢外骨骼机构，其特征在于：所述复位柱(18)的位置与复位滑孔(20)的位置相对应，所述复位柱(18)的直径与复位滑孔(20)的宽度相 适配，所述复位柱(18)与复位滑孔(20)滑动连接。

7.根据权利要求1所述的人体尺寸自适应上肢外骨骼机构，其特征在于：所述电机正向开关(27)与减速电机(3)电性连接，所述电机反向开关(10)与减速电机(3)电性连接，所述减速电机(3)与供电箱(1)电性连接，所述供电箱(1)的内部设置有蓄电池。

8.根据权利要求1所述的人体尺寸自适应上肢外骨骼机构，其特征在于：所述辅助臂(14)的一侧固定连接有固定带，所述辅助臂(14)通过连接轴(13)和棘轮(17)与支撑架(8)转动连接。

9.根据权利要求1所述的人体尺寸自适应上肢外骨骼机构，其特征在于：所述伸缩杆(7)通过固定连接有转动筒(5)与关节筒(4)转动连接，所述支撑架(8)一侧的中部固定连接有肩垫(9)。

10.根据权利要求2所述的人体尺寸自适应上肢外骨骼机构，其特征在于：还包括机器学习控制方法，在各个步骤中所述减速电机(3)的停止锁定位置是以一个完整动作周期内外骨骼与人体相互作用力所做的功最小化为目标的动态自适应迭代计算过程。

Images