CN111840003A - 一种基于stc12c5a60s2的智能助老扶残机械腿装置 - Google Patents

一种基于stc12c5a60s2的智能助老扶残机械腿装置 Download PDF

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Abstract

一种基于STC12C5A60S2的智能助老扶残机械腿装置包括脚掌装置、脚踝装置、腿部装置和控制装置。脚掌装置包括脚板、脚部可拆卸式魔术贴；脚踝装置包括踝关节舵机及支架、金属舵盘、L型和一字型支架；腿部装置包括关节舵机、可抽拉式腰部绑带及支架、大腿部和小腿部U字型滑块支架、大腿部和小腿部魔术贴及固定架、U字型支架、舵机支架、L型支架；控制装置包括关节电位器、启动和记忆键、LED红灯和绿灯、STC12C5A60S2芯片、控制面板。该发明结构简单，穿戴方便，采用平面四杆机构，可以适用复杂地形。

Description

一种基于STC12C5A60S2的智能助老扶残机械腿装置
技术领域
本发明是一种基于STC12C5A60S2的智能助老扶残机械腿装置，属于机械腿技术领域。
背景技术
随着中国人口的老龄化程度的加深以及残疾人对生活品质要求的提高，越来越多的机械腿用于助老扶残中，但是现有机械腿佩戴使用后，存在四个问题，第一个问题：现有的机械腿将脚掌、脚踝和小腿固定在一起，灵活性太差，当遇到凹凸不平的地面时，容易摔倒；第二个问题：现有的机械腿在设计时，未较好利用人体仿生学原理，导致人体腰部只能直立、不能弯曲，只有膝盖处能进行弯曲；第三个问题：现有的机械腿整体结构复杂，装备沉重，穿着不易；第四个问题：操控系统较为复杂，用户在进行操作时，如果操控出现失误，将会造成难以预计的危害。
为解决上述问题，本发明采用了人体工程学技术及STC12C5A60S2芯片技术，该技术可以合理有效地解决问题，采用该技术的机械腿具有记忆功能，更好地带动腿部运动，该技术采用平面四杆机构和滑块机构可以实时调整人体平衡，有效解决凹凸不平的地面带来的风险行为，该技术采用在机械腿腰部布置可抽拉式腰部绑带及可抽拉式腰部绑带支架，并配合髋关节左右旋转式舵机和髋关节上下旋转式舵机，使人体腰部有效实现弯曲转动。该发明克服了传统机械腿装备沉重、穿着困难且操作复杂的缺陷，具有操作便捷，反应高效，穿着舒适的特点，能够很好地适应于各种体型的使用者。
发明内容
本发明克服现有技术的不足，所要解决的技术问题是提供一种基于STC12C5A60S2的智能助老扶残机械腿装置。
一种基于STC12C5A60S2的智能助老扶残机械腿装置包括脚掌装置、脚踝装置、腿部装置和控制装置。
其特征在于所述脚掌装置包括脚板、脚部可拆卸式魔术贴；所述脚板为平板构件，所述可拆卸式魔术贴安装在脚板上，使用时，人将脚掌放置在脚板上，根据脚掌的大小进行魔术贴长度的调整，实现脚掌最舒适的贴合。
其特征在于所述脚踝装置包括踝关节舵机、舵机支架、金属舵盘、L型支架、一字型支架；所述踝关节舵机经由舵机支架通过螺栓连接在腿部装置的小腿部U字型滑块支架外侧，所述一字型支架一端通过金属舵盘与踝关节舵机输出端及腿部装置的小腿部U字型滑块支架内侧连接，另一端通过铰链与L型支架上端连接，所述L型支架的下端与脚掌装置中的脚板进行螺栓连接，使用时，踝关节舵机为原动件，带动一字型支架、L型支架和脚板进行平面四杆机构运动，当遇到凹凸不平的地面时，能够及时调整平衡，降低摔倒等风险行为。
其特征在于所述腿部装置包括髋关节左右旋转式舵机、髋关节上下旋转式舵机、大腿部U字型滑块支架、大腿部魔术贴固定架、大腿部固定魔术贴、膝关节舵机、可抽拉式腰部绑带、可抽拉式腰部绑带支架、多个U字型支架、小腿部魔术贴固定架、小腿部固定魔术贴、小腿部U字型滑块支架、舵机支架、L型支架；所述可抽拉式腰部绑带支架将左右两支机械腿连接在一起，并通过可抽拉式腰部绑带固定在腰部，所述可抽拉式腰部绑带可以根据人的体型进行长度的调整，使其紧紧与人的腰部进行贴合，不发生上下位移，防止脱落，所述髋关节左右旋转式舵机通过舵机支架固定在可抽拉式腰部绑带支架的左侧和右侧，髋关节左右旋转式舵机的输出端通过L型支架与髋关节上下旋转式舵机连接，所述大腿部U字型滑块支架的上端经由U字型支架与髋关节上下旋转式舵机螺栓连接，下端经由U字型支架与舵机支架、膝关节舵机连接，实现膝关节的屈伸运动，所述大腿部魔术贴固定架及大腿部固定魔术贴安装在大腿部U字型滑块支架上，所述小腿部U字型滑块支架的上端经由L型支架与膝关节舵机输出端通过金属舵盘连接，下端经由舵机支架与脚踝装置螺栓连接，所述小腿部魔术贴固定架及小腿部固定魔术贴固定在小腿部U字型滑块支架上，使用时，通过拉伸或压缩腿部U字型滑块支架，使其适应不同体型的人群，调整腿部固定魔术贴使使用者的大腿、小腿紧紧与装置贴合，有效提供支撑，调节髋关节左右旋转式舵机和髋关节上下旋转式舵机，实现人的腰部运动，可以有效地解决现有机械腿不能腰部自由运动的问题。
其特征在于所述控制装置包括髋关节左右旋转电位器、髋关节上下旋转电位器、膝关节电位器、踝关节电位器，启动键和记忆键，LED红灯，LED绿灯，STC12C5A60S2芯片以及控制面板；所述髋关节左右旋转电位器、髋关节上下旋转电位器、膝关节电位器、踝关节电位器用来控制所对应关节舵机的旋转，在手动模式下，用户只需旋转相对应关节的电位器，关节舵机就会相对应的旋转，带动机械腿进行动作，进而实现行走及康复功能，所述启动键和记忆键配合使用，实现数据记忆功能，使用时，首先通过记忆键进入记忆角度的功能，此时LED红灯熄灭，进入记忆模式，然后利用启动键记录腿部每个关节所运动过的轨迹，记录上一步操作中的运动角度，此时LED绿灯闪烁一下，代表记录成功，重复上述步骤，依次记录髋关节舵机左右旋转角度、髋关节舵机上下旋转角度、膝关节舵机上下旋转角度、踝关节舵机上下旋转角度，最后再按下记忆键结束记忆功能，进入读取记忆模式，机械腿便开始读取记忆的运动轨迹，带动用户的腿部进行运动动作。
考虑到操作系统的高效性，选用STC12C5A60S2芯片来作为控制芯片。
考虑到使用者的方便性，对控制面板做了便捷调整，只需通过启动键和记忆键来产生中断信号，让机械腿进入记忆模式或读取记忆模式，设置LED红灯和LED绿灯，使其有效检测线路故障，并进行信号提示。
考虑到复杂地形的影响，脚踝装置及脚掌装置采用了平面四杆机构，能够自动调节保持平衡。
考虑到使用者的穿着效果及舒适度，对机械结构做出优化，采用大腿部U字型滑块支架，小腿部U字型滑块支架，可以通过调节滑块机构，使整体结构拉伸或者压缩，进而使机械腿适应不同体型的使用者。
本发明与现有技术相比具有的有益效果是：机械腿结构简单，操作方便；系统高效，反应灵敏，安全有保障；穿戴方便，便于携带；采用平面四杆机构，可以适用复杂地形。
附图说明
图1是本发明整体结构的侧视图。
图2是本发明整体结构的主视图。
图3是本发明整体结构的左视图。
图4是本发明脚掌装置的上视图。
图5是本发明膝关节舵机的局部视图。
图6是本发明脚踝装置及脚掌装置的局部视图。
图7是本发明控制装置控制面板的布局图。
其中：1、髋关节左右旋转式舵机，2、髋关节上下旋转式舵机，3、大腿部U字型滑块支架，4、大腿部魔术贴固定架，5、膝关节舵机，6、小腿部魔术贴固定架，7、可抽拉式腰部绑带，8、可抽拉式腰部绑带支架，9、大腿部固定魔术贴，10、U字型支架，11、小腿部固定魔术贴，12、小腿部U字型滑块支架，13、踝关节舵机，14、脚板，15、舵机支架，16、金属舵盘，17、L型支架，18、一字型支架，19、脚部可拆卸式魔术贴，20、髋关节左右旋转电位器，21、髋关节上下旋转电位器，22、膝关节电位器，23、踝关节电位器，24、启动键，25、LED红灯，26、LED绿灯，27、记忆键，28、STC12C5A60S2芯片，29控制面板。
具体实施方式
如图1—图7所示，一种基于STC12C5A60S2的智能助老扶残机械腿装置包括脚掌装置、脚踝装置、腿部装置和控制装置。
其特征在于所述脚掌装置包括脚板14、脚部可拆卸式魔术贴19；所述脚板14为平板构件，所述可拆卸式魔术贴19安装在脚板14上，使用时，人将脚掌放置在脚板14上，根据脚掌的大小进行魔术贴长度的调整，实现脚掌最舒适的贴合。
其特征在于所述脚踝装置包括踝关节舵机13、舵机支架15、金属舵盘16、L型支架17、一字型支架18；所述踝关节舵机13经由舵机支架15通过螺栓连接在腿部装置的小腿部U字型滑块支架12外侧，所述一字型支架18一端通过金属舵盘16与踝关节舵机13输出端及腿部装置的小腿部U字型滑块支架12内侧连接，另一端通过铰链与L型支架17上端连接，所述L型支架17的下端与脚掌装置中的脚板14进行螺栓连接。
其特征在于所述腿部装置包括髋关节左右旋转式舵机1、髋关节上下旋转式舵机2、大腿部U字型滑块支架3、大腿部魔术贴固定架4、膝关节舵机5、小腿部魔术贴固定架6、可抽拉式腰部绑带7、可抽拉式腰部绑带支架8、大腿部固定魔术贴9、多个U字型支架10、小腿部固定魔术贴11、小腿部U字型滑块支架12、舵机支架15、L型支架17；所述可抽拉式腰部绑带支架8将左右两支机械腿连接在一起，并通过可抽拉式腰部绑带7固定在腰部，所述可抽拉式腰部绑带7可以根据人的体型进行长度的调整，使其紧紧与人的腰部进行贴合，不发生上下位移，防止脱落，所述髋关节左右旋转式舵机1通过舵机支架15固定在可抽拉式腰部绑带支架8的左侧和右侧，髋关节左右旋转式舵机1的输出端通过L型支架17与髋关节上下旋转式舵机2连接，所述大腿部U字型滑块支架3的上端经由U字型支架10与髋关节上下旋转式舵机2螺栓连接，下端经由U字型支架10与舵机支架15、膝关节舵机5连接，实现膝关节的屈伸运动，所述大腿部魔术贴固定架4及大腿部固定魔术贴9安装在大腿部U字型滑块支架3上，所述小腿部U字型滑块支架12的上端先与L型支架17螺栓连接，L型支架17再与膝关节舵机5输出端通过金属舵盘16连接，小腿部U字型滑块支架12的下端经由舵机支架15与脚踝装置螺栓连接，所述小腿部魔术贴固定架6及小腿部固定魔术贴11固定在小腿部U字型滑块支架12上。
其特征在于所述控制装置包括髋关节左右旋转电位器20、髋关节上下旋转电位器21、膝关节电位器22、踝关节电位器23、启动键24、记忆键27、LED红灯25、LED绿灯26、STC12C5A60S2芯片28；所述髋关节左右旋转电位器20、髋关节上下旋转电位器21、膝关节电位器22、踝关节电位器23用来控制所对应关节舵机的旋转，在手动模式下，用户只需旋转相对应关节的电位器，关节舵机就会相对应的旋转，带动机械腿进行动作，进而实现行走及康复功能，所述启动键24和记忆键27配合使用，实现数据记忆功能，使用时，首先按下记忆键27，开始记忆角度，此时LED红灯25熄灭，进入记忆模式，然后按下启动键24记录腿部每个关节所运动过的轨迹，此时LED绿灯26闪烁一下，代表记录成功，重复上述步骤，依次记录髋关节左右旋转式舵机1左右旋转角度、髋关节上下旋转式舵机2上下旋转角度、膝关节舵机5上下旋转角度、踝关节舵机13上下旋转角度，最后再按下记忆键27结束记忆功能，机械腿进入读取记忆模式，机械腿便开始读取记忆的运动轨迹，带动用户的腿部不断重复运动动作。
考虑到操作系统的高效性，选用STC12C5A60S2芯片28作为控制芯片。
考虑到使用者的方便性，对控制面板29做了便捷调整，只需通过启动键24和记忆键27来产生中断信号，让机械腿进入记忆模式或读取记忆模式，设置LED红灯25和LED绿灯26，使其有效检测线路故障，并进行信号提示。
考虑到腰部自由运动问题，设置髋关节舵机，通过调节髋关节左右旋转式舵机1和髋关节上下旋转式舵机2，实现人的腰部运动，可以有效地解决现有机械腿不能腰部自由运动的问题。
考虑到使用者的穿着效果及舒适度，对机械结构做出优化，采用大腿部U字型滑块支架3和小腿部U字型滑块支架12，通过调节滑块机构，使整体结构拉伸或者压缩，进而使机械腿适应不同体型的使用者，调整腿部固定魔术贴使使用者的大腿、小腿紧紧与装置贴合，有效提供支撑。
如图6，考虑到复杂地形的影响，对脚踝装置及脚掌装置采用平面四杆机构，以踝关节舵机13为原动件，带动脚板14、L型支架17和一字型支架18进行平面四杆机构运动，当遇到凹凸不平的地面时，能够及时进行自动调节保持平衡，降低摔倒等风险行为。
如图7，髋关节左右旋转电位器20，髋关节上下旋转电位器21，膝关节电位器22，踝关节电位器23，启动键24，LED红灯25，LED绿灯26，记忆键27布置在控制面板29上，控制面板29为手持式，方便使用者操作控制。
使用本发明时，先将本发明通过可抽拉式腰部绑带7及可抽拉式腰部绑带支架8固定在腰部，使其紧贴，然后再分别将大腿部固定魔术贴9、小腿部固定魔术贴11与使用者的大腿部与小腿部固定。在手动模式下，用户旋转髋关节左右旋转电位器20、髋关节上下旋转电位器21、膝关节电位器22或踝关节电位器23，相对应的髋关节左右旋转式舵机1，髋关节上下旋转式舵机2，膝关节舵机5，踝关节舵机13就会相对应的旋转，对人体部位进行康复训练。在记忆模式下，按下记忆键27启动记忆模式，启动键24记录用户数据。首先按下记忆键27，开始记忆角度，此时LED红灯25熄灭，进入记忆模式；然后按下启动键24记录腿部每个关节的运动轨迹，此时LED绿灯26闪烁一下，代表记录成功；重复上述步骤，依次记录髋关节左右旋转式舵机1左右旋转角度、髋关节上下旋转式舵机2上下旋转角度、膝关节舵机5上下旋转角度、踝关节舵机13上下旋转角度，最后再按下记忆键27，结束记忆角度的功能，进入读取角度的状态，机械腿便开始重复读取用户在操作过程中每个关节的运动轨迹，带动用户的腿部进行运动动作。

Claims (6)

1.一种基于STC12C5A60S2的智能助老扶残机械腿装置，其特征在于该装置包括脚掌装置、脚踝装置、腿部装置和控制装置；
所述脚掌装置包括脚板(14)、脚部可拆卸式魔术贴(19)，人将脚掌放置在脚板(14)上，根据脚掌的大小进行魔术贴长度的调整，实现脚掌最舒适的贴合；
所述脚踝装置包括踝关节舵机(13)、舵机支架(15)、金属舵盘(16)、L型支架(17)、一字型支架(18)；其中，踝关节舵机(13)经由舵机支架(15)通过螺栓连接在腿部装置的小腿部U字型滑块支架(12)外侧，一字型支架(18)一端通过金属舵盘(16)与踝关节舵机(13)输出端及腿部装置的小腿部U字型滑块支架(12)内侧连接，另一端通过铰链与L型支架(17)上端连接，L型支架(17)的下端与脚掌装置中的脚板(14)进行螺栓连接；
所述腿部装置包括安装在腰部的可抽拉式腰部绑带(7)、可抽拉式腰部绑带支架(8)，安装在大腿部位的大腿部U字型滑块支架(3)、大腿部魔术贴固定架(4)、大腿部固定魔术贴(9)，安装在小腿部位的小腿部魔术贴固定架(6)、小腿部固定魔术贴(11)、小腿部U字型滑块支架(12)，髋关节左右旋转式舵机(1)和髋关节上下旋转式舵机(2)实现腰部与大腿部连接，膝关节舵机(5)实现大腿部与小腿部的连接；
所述控制装置包括髋关节左右旋转电位器(20)、髋关节上下旋转电位器(21)、膝关节电位器(22)、踝关节电位器(23)，启动键(24)和记忆键(27)，LED红灯(25)，LED绿灯(26)，STC12C5A60S2芯片(28)、控制面板(29)；STC12C5A60S2芯片(28)安装在控制面板(29)内部，髋关节左右旋转电位器(20)、髋关节上下旋转电位器(21)、膝关节电位器(22)、踝关节电位器(23)、启动键(24)、LED红灯(25)、LED绿灯(26)、记忆键(27)布置在控制面板(29)上，控制面板(29)为手持式，方便使用者操作控制。
2.如权利要求1所述的一种基于STC12C5A60S2的智能助老扶残机械腿装置，其特征在于可抽拉式腰部绑带支架(8)将左右两支机械腿连接在一起，并通过可抽拉式腰部绑带(7)固定在腰部，可抽拉式腰部绑带(7)可以根据人的体型进行长度的调整，使其紧紧与人的腰部进行贴合，不发生上下位移，防止脱落。
3.如权利要求1所述的一种基于STC12C5A60S2的智能助老扶残机械腿装置，其特征在于调节髋关节左右旋转式舵机(1)和髋关节上下旋转式舵机(2)，实现人的腰部运动，可以有效地解决现有机械腿不能腰部自由运动的问题。
4.如权利要求1所述的一种基于STC12C5A60S2的智能助老扶残机械腿装置，其特征在于小腿部U字型滑块支架(12)的上端先与L型支架(17)螺栓连接，L型支架(17)再与膝关节舵机(5)输出端通过金属舵盘(16)连接，小腿部U字型滑块支架(12)下端经由舵机支架(15)与脚踝装置螺栓连接，拉伸或压缩大腿部U字型滑块支架(3)与小腿部U字型滑块支架(12)，使其适应不同体型的人群，调整腿部固定魔术贴使使用者的大腿、小腿紧紧与装置贴合，有效提供支撑。
5.如权利要求1所述的一种基于STC12C5A60S2的智能助老扶残机械腿装置，其特征在于髋关节左右旋转式舵机(1)通过舵机支架(15)固定在可抽拉式腰部绑带支架(8)的左侧和右侧，髋关节左右旋转式舵机(1)的输出端通过L型支架(17)与髋关节上下旋转式舵机(2)连接，大腿部U字型滑块支架(3)的上端经由U字型支架(10)与髋关节上下旋转式舵机(2)螺栓连接，下端经由U字型支架(10)与舵机支架(15)、膝关节舵机(5)连接，实现膝关节的屈伸运动。
6.如权利要求1所述的一种基于STC12C5A60S2的智能助老扶残机械腿装置，其特征在于踝关节舵机(13)为原动件，带动一字型支架(18)、L型支架(17)和脚板(14)进行平面四杆机构运动，当遇到凹凸不平的地面时，能够及时调整平衡，降低摔倒等风险行为。
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