CN112494280A - 一种基于摩擦电的智能运动感知安全带 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于摩擦电的智能运动感知安全带，涉及康复医疗及运动控制技术领域。基于摩擦电的智能运动感知安全带包括腰部安全带、腿部安全带及上下连接扣。腰部安全带包括安全带主体、左右连接锁紧扣、运动意图识别传感器以及安全带‑机器人连接装置；腿部安全带包括腿部安全带主体、锁紧扣以及步速检测传感器；该智能运动感知安全带，基于摩擦电原理，设计相应的检测传感器，能够对运动信号进行高精度、高响应速度地进行识别检测，同时，可在不同的康复机器人上进行快速连接拆卸，有较好的互换性，能够为康复医疗设备及运动控制提供高效的控制信号支持。

Description

一种基于摩擦电的智能运动感知安全带
技术领域
本发明涉及康复医疗及运动控制技术领域，特别是涉及一种基于摩擦电的智能运动感知安全带。
背景技术
随着我国进入老龄化社会，人口老龄化问题日益严重，针对老年人步行和生活起居问题的助行机器人研究得到广泛关注。康复机器人主要是通过识别使用者的运动意图，通过连接人与机器人的安全带，给使用者提供支撑力，并在识别与运动意图后，驱动机器人跟随使用者运动，实现康复训练。因此，可识别运动意图及行走速度的智能腰带可以很好地服务于康复医疗，这成为亟待了解决的技术问题。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种基于摩擦电的智能运动感知安全带，能够对运动信号进行高精度、高响应速度地进行识别检测，同时，可以在不同的康复机器人上进行快速连接拆卸，有较好的互换性。
为达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于摩擦电的智能运动感知安全带，包括腰部安全带、腿部安全带及上下连接扣；
腰部安全带包括安全带主体、左右连接锁紧扣、四个运动意图识别传感器以及安全带-机器人连接装置；
腿部安全带包括腿部安全带主体、锁紧扣以及步速检测传感器；
所述腰部安全带与人体腰部和臀部形状相似，使腰部安全带的形状与人体接触部位形状相适配，左右连接锁紧扣缝定在腰部安全带上腰部位置，用于锁紧腰部安全带主体与人的间隙；四个运动意图识别传感器分别布置在腰部安全带主体内侧，通过棉线缝定，四个传感器的位置布置于腰部左右前后位置，通过人体不同运动状态对传感器的不同信号刺激，经过逻辑分析，得到人体的运动意图；安全带-机器人连接装置，布置在腰部安全带主体的左右两侧，用以连接安全带与机器人，根据机器人的具体连接形式进行更换；所述腿部安全带通过上下连接扣与腰部安全带连接；锁紧扣用于锁紧腿部安全带与大腿之间的间隙，并根据实际情况调整腿部安全带的上下位置；步速检测传感器通过棉线，布置在腿部安全带上处于大腿内侧的位置，用以检测人在行走时的行走速度。
优选地，所述腰部安全带的安全带主体通过左右连接锁紧扣与人体锁紧，并通过锁紧扣的安全带余量适应不同人体体型的需求；所述安全带-机器人连接装置用以连接安全带与机器人，通过机器人给使用者提供一定的支撑力，并引导使用者进行行走康复训练；所述四个运动意图识别传感器用以检测使用者的运动状态，将信号传递至机器人控制模块，驱动机器人跟随使用者的运动。
优选地，所述导向支架包括上导向支架和下导向支架，所述上导向支架固定于所述上安装板的下表面，所述下导向支架固定于所述中安装板的上表面，所述上导向支架和所述下导向支架固定连接。
优选地，所述运动意图识别传感器包括ABS主体壳、上下金属电极、板簧、硅胶片和腈纶片；所述上下金属电极分别布置在ABS主体壳的内侧，硅胶片和腈纶片布置在金属电极的侧面，ABS主体壳在人体有相对于安全带的运动趋势时，会被有压缩，导致硅胶片与腈纶片接触摩擦，在金属电极产生一定的电荷转移，产生电压，作为运动信号提供给机器人，在机器人跟随人体的运动后，摩擦结束，产生一个相反的电压信号；所述板簧安装于ABS主体壳的两侧，用以提供一定的复位力，供ABS主体壳复位；通过对四个传感器检测到信号进行逻辑分类，判断使用者的运动意图：前进、后退、左转或右转。
优选地，所述腿部安全带的锁紧扣用于锁紧腿部安全带与大腿之间的间隙，并根据实际情况调整腿部安全带的上下位置；所述步速检测传感器基于摩擦电原理，检测使用者的行走速度。
优选地，所述步速检测传感器基于摩擦电原理，实时检测使用者的行走速度，且无需给传感器供电；所述步速检测传感器由ABS壳、两侧金属电极、尼龙片和涤卡片组成；所述ABS壳通过棉线缝定在腿部安全带大腿内侧的位置，金属电极粘贴在ABS壳的外侧，尼龙片和涤卡片粘贴在金属电极外侧，在使用者的行走过程中，当两腿对齐时，尼龙片和涤卡片摩擦，基于摩擦发电机的原理，在金属电极之间产生电荷转移，行成短路电流，且电流大小随尼龙与涤卡的摩擦速度成线性相关，通过速度与电流标定，通过检测电流大小判断摩擦速度，即使用者的行走速度。
优选地，所述安全带-机器人连接模块，根据不同的使用环境及机器人具体连接设备，进行快速替换，保证智能安全带与机器人之间的互换性。
优选地，所述传感装置为压力传感器或光电传感器。
优选地，所述意图识别传感器基于摩擦发电机原理，在转向过程中产生开路电压信号。优选地，所述步速检测传感器基于摩擦发电机原理，在行走的摩擦过程中产生于摩擦速度线性相关的短路电流信号。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明提供的基于摩擦电的智能运动感知安全带，包括腰部安全带、腿部安全带及上下连接扣，腰部安全带包括安全带主体、左右连接锁紧扣、四个运动意图识别传感器以及安全带-机器人连接装置，运动意图识别传感器包括ABS主体壳、上下金属电极、板簧、硅胶片和腈纶片；腿部安全带包括腿部安全带主体、锁紧扣以及步速检测传感器，步速检测传感器包括ABS壳、两侧金属电极、尼龙片和涤卡片；
2.本发明装置通过基于摩擦发电机原理额意图识别传感器和步速检测传感器，可以高精度、高响应地检测使用者的运动意图及步行速度，并将信号传递至机器人控制模块，驱动该机器人跟随使用者的运动；
3.本发明安全带-机器人连接装置可以根据机器机器人的机构情况进行快速更换，保证安全带与机器人之间的互换性。
附图说明
图1是本发明基于摩擦电的智能运动感知安全带的整体结构示意图。
图2是本发明腰部安全带的整体结构示意图。
图3是本发明运动意图识别检测原理图。
图4是本发明运动意图识别检测传感器结构图。
图5是本发明腿部安全带的结构示意图。
图6是本发明步速检测传感器结构图。
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。
本发明的目的是提供一种基于摩擦电的智能运动感知安全带，能够对运动信号进行高精度、高响应速度地进行识别检测，同时，可以在不同的康复机器人上进行快速连接拆卸，有较好的互换性，能够为康复医疗设备及运动控制提供高效的控制信号支持。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和优选实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例一：
在本实施例中，参见图1-6，一种基于摩擦电的智能运动感知安全带，包括腰部安全带10、腿部安全带20及上下连接扣30；
腰部安全带10包括安全带主体101、左右连接锁紧扣104、四个运动意图识别传感器103以及安全带-机器人连接装置102；
腿部安全带20包括腿部安全带主体201、锁紧扣203以及步速检测传感器204；
所述腰部安全带10与人体腰部和臀部形状相似，使腰部安全带10的形状与人体接触部位形状相适配，左右连接锁紧扣104缝定在腰部安全带10上腰部位置，用于锁紧腰部安全带主体101与人的间隙；四个运动意图识别传感器103分别布置在腰部安全带主体101内侧，通过棉线缝定，四个传感器的位置布置于腰部左右前后位置，通过人体不同运动状态对传感器的不同信号刺激，经过逻辑分析，得到人体的运动意图；安全带-机器人连接装置102，布置在腰部安全带主体101的左右两侧，用以连接安全带与机器人，根据机器人的具体连接形式进行更换；所述腿部安全带20通过上下连接扣30与腰部安全带10连接；锁紧扣203用于锁紧腿部安全带20与大腿之间的间隙，并根据实际情况调整腿部安全带的上下位置；步速检测传感器204通过棉线，布置在腿部安全带20上处于大腿内侧的位置，用以检测人在行走时的行走速度。
本实施例基于摩擦电的智能运动感知安全带，能够对运动信号进行高精度、高响应速度地进行识别检测，同时，可以在不同的康复机器人上进行快速连接拆卸，有较好的互换性。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，参见图1-6，所述腰部安全带10的安全带主体101通过左右连接锁紧扣104与人体锁紧，并通过锁紧扣104的安全带余量适应不同人体体型的需求；所述安全带-机器人连接装置102用以连接安全带与机器人，通过机器人给使用者提供一定的支撑力，并引导使用者进行行走康复训练；所述四个运动意图识别传感器103用以检测使用者的运动状态，将信号传递至机器人控制模块，驱动机器人跟随使用者的运动。
在本实施例中，所述运动意图识别传感器103包括ABS主体壳1031、上下金属电极1032、1033、板簧1034、硅胶片1035和腈纶片1036；所述上下金属电极1032、1033分别布置在ABS主体壳1031的内侧，硅胶片1035和腈纶片1036布置在金属电极1032、1033的侧面，ABS主体壳1031在人体有相对于安全带的运动趋势时，会被有压缩，导致硅胶片1035与腈纶片1036接触摩擦，在金属电极产生一定的电荷转移，产生电压，作为运动信号提供给机器人，在机器人跟随人体的运动后，摩擦结束，产生一个相反的电压信号；所述板簧1034安装于ABS主体壳1031的两侧，用以提供一定的复位力，供ABS主体壳1031复位；通过对四个传感器103检测到信号进行逻辑分类，判断使用者的运动意图：前进、后退、左转或右转。
在本实施例中，所述腿部安全带20的锁紧扣203用于锁紧腿部安全带20与大腿之间的间隙，并根据实际情况调整腿部安全带20的上下位置；所述步速检测传感器204基于摩擦电原理，检测使用者的行走速度。
在本实施例中，所述步速检测传感器204基于摩擦电原理，实时检测使用者的行走速度，且无需给传感器供电；所述步速检测传感器204由ABS壳2041、两侧金属电极2042、2043、尼龙片2044和涤卡片2045组成；所述ABS壳2041通过棉线缝定在腿部安全带大腿内侧的位置，金属电极2042、2043粘贴在ABS壳2041的外侧，尼龙片2044和涤卡片2045粘贴在金属电极2042、2043外侧，在使用者的行走过程中，当两腿对齐时，尼龙片2044和涤卡片2045摩擦，基于摩擦发电机的原理，在金属电极之间产生电荷转移，行成短路电流，且电流大小随尼龙与涤卡的摩擦速度成线性相关，通过速度与电流标定，通过检测电流大小判断摩擦速度，即使用者的行走速度。
在本实施例中，所述安全带-机器人连接模块102，根据不同的使用环境及机器人具体连接设备，进行快速替换，保证智能安全带与机器人之间的互换性。
本实施例基于摩擦电的智能运动感知安全带包括腰部安全带、腿部安全带及上下连接扣，腰部安全带包括安全带主体、左右连接锁紧扣、四个运动意图识别传感器以及安全带-机器人连接装置，运动意图识别传感器包括ABS主体壳、上下金属电极、板簧、硅胶片和腈纶片；腿部安全带包括腿部安全带主体、锁紧扣以及步速检测传感器，步速检测传感器包括ABS壳、两侧金属电极、尼龙片和涤卡片；本实施例通过基于摩擦发电机原理额意图识别传感器和步速检测传感器，可以高精度、高响应地检测使用者的运动意图及步行速度，并将信号传递至机器人控制模块，驱动该机器人跟随使用者的运动。
实施例二：
本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，如图1-6所示，一种基于摩擦电的智能运动感知安全带，包括腰部安全带10、腿部安全带20及上下连接扣30。腰部安全带10包括安全带主体101、左右连接锁紧扣104、运动意图识别传感器103以及安全带-机器人连接装置102；腿部安全带20包括腿部安全带主体201、锁紧扣203以及步速检测传感器201。
在使用康复机器人进行行走康复训练时，需要用安全带将人与机器进行连接，可以通过针对不同的机器人设计更换适合的安全安全带-机器人连接装置102。连接好后，安全带固定于机器人上，当人有运动趋势时，会相对安全带有一定的转动或平动，如左转，如图3所示，则左前方和后前方传感器FL和BR检测到正电压V+，则说明运动趋势为正，其余运动状态及传感器逻辑见表1，将检测到的信号传递至机器人控制模块，驱动机器人跟随使用者的运动。
表1.运动意图识别逻辑表
项目 FL FR BL BR 运动意图
1 V+ V+ V- V- 前进
2 V- V- V+ V+ 后退
3 V+ V- V- V+ 左转
4 V- V+ V+ V- 右转
安全带主体101通过左右连接锁紧扣104与人体锁紧，并可以通过锁紧扣的安全带余量适应不同人体体型的需求。
运动意图识别传感器103如图4所示，包括ABS主体壳、上下金属电极、板簧、硅胶片和腈纶片。所述上下电极分别布置在ABS主体壳的内侧，硅胶片和腈纶片布置在金属电极的侧面，ABS主体壳在人体有相对于安全带的运动趋势时，会被有压缩，导致硅胶片与腈纶片接触摩擦，在金属电极产生一定的电荷转移，产生电压，作为运动信号提供给机器人，在机器人跟随人体的运动后，摩擦结束，产生一个相反的电压信号；所述板簧安装于ABS主体壳的两侧，用以提供一定的复位力，供ABS主体壳复位；通过对四个传感器检测到信号进行逻辑分类，可以判断使用者的运动意图：前进、后退、左转或右转如表1所示。
腿部安全带20包括腿部安全带主体201、锁紧扣203以及步速检测传感器202，所述锁紧扣203用于锁紧腿部安全带与大腿之间的间隙，并可以根据实际情况调整腿部安全带的上下位置；所述步速检测传感器202基于摩擦电原理，检测使用者的行走速度。
步速检测传感器202如图6所示，由ABS壳、两侧金属电极、尼龙片和涤卡片组成。所述ABS壳通过棉线缝定在腿部安全带大腿内侧的位置，金属电极粘贴在ABS壳的外侧，尼龙片和涤卡片粘贴在金属电极外侧。
在使用者的行走过程中，置于大腿内侧的步速检测传感器202会相互摩擦，基于摩擦发电机的发电原理，在金属电极之间产生电荷转移，行成短路电流，且电流大小随尼龙与涤卡的摩擦速度成线性相关，通过速度与电流标定，可以通过检测电流大小判断摩擦速度，即使用者的行走速度。
本发明智能运动感知安全带可以通过如下方式实现对使用者的运动意图及步速检测：
1、通过分析安装在腰部安全带的运动意图识别传感器检测到的信号，进行逻辑分析，实现对使用者运动意图的检测；
2、通过检测安装在腿部安全带的步速检测传感器产生的电流大小，实现对使用者的行走速度的检测。
3、通过针对不同的机器人设计更换适合的安全安全带-机器人连接装置，实现智能腰带在不用应用场合的良好互换性。
综上所述，上述实施例基于摩擦电的智能运动感知安全带，涉及康复医疗及运动控制技术领域。它包括腰部安全带、腿部安全带及上下连接扣。腰部安全带包括安全带主体、左右连接锁紧扣、运动意图识别传感器以及安全带-机器人连接装置；腿部安全带包括腿部安全带主体、锁紧扣以及步速检测传感器；该智能运动感知安全带，基于摩擦电原理，设计相应的检测传感器，能够对运动信号进行高精度、高响应速度地进行识别检测，同时，可在不同的康复机器人上进行快速连接拆卸，有较好的互换性，能够为康复医疗设备及运动控制提供高效的控制信号支持。
对于其它基于本发明专利运动意图识别及步速检测思想的发明，如利用其它传感器中的压力传感器、位移传感器或电容传感器来代替本文提出的基于摩擦发电机的意图识别传感器，都应属于本发明专利的保护范围。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于摩擦电的智能运动感知安全带，其特征在于：包括腰部安全带(10)、腿部安全带(20)及上下连接扣(30)；
腰部安全带(10)包括安全带主体(101)、左右连接锁紧扣(104)、四个运动意图识别传感器(103)以及安全带-机器人连接装置(102)；
腿部安全带(20)包括腿部安全带主体(201)、锁紧扣(203)以及步速检测传感器(204)；
所述腰部安全带(10)与人体腰部和臀部形状相似，使腰部安全带(10)的形状与人体接触部位形状相适配，左右连接锁紧扣(104)缝定在腰部安全带(10)上腰部位置，用于锁紧腰部安全带主体(101)与人的间隙；四个运动意图识别传感器(103)分别布置在腰部安全带主体(101)内侧，通过棉线缝定，四个传感器的位置布置于腰部左右前后位置，通过人体不同运动状态对传感器的不同信号刺激，经过逻辑分析，得到人体的运动意图；安全带-机器人连接装置(102)，布置在腰部安全带主体(101)的左右两侧，用以连接安全带与机器人，根据机器人的具体连接形式进行更换；所述腿部安全带(20)通过上下连接扣(30)与腰部安全带(10)连接；锁紧扣(203)用于锁紧腿部安全带(20)与大腿之间的间隙，并根据实际情况调整腿部安全带的上下位置；步速检测传感器(204)通过棉线，布置在腿部安全带(20)上处于大腿内侧的位置，用以检测人在行走时的行走速度。
2.根据权利要求1所述的基于摩擦电的智能运动感知安全带，其特征在于：所述腰部安全带(10)的安全带主体(101)通过左右连接锁紧扣(104)与人体锁紧，并通过锁紧扣(104)的安全带余量适应不同人体体型的需求；所述安全带-机器人连接装置(102)用以连接安全带与机器人，通过机器人给使用者提供一定的支撑力，并引导使用者进行行走康复训练；所述四个运动意图识别传感器(103)用以检测使用者的运动状态，将信号传递至机器人控制模块，驱动机器人跟随使用者的运动。
3.根据权利要求2所述的基于摩擦电的智能运动感知安全带，其特征在于：所述运动意图识别传感器(103)包括ABS主体壳(1031)、上下金属电极(1032、1033)、板簧(1034)、硅胶片(1035)和腈纶片(1036)；所述上下金属电极(1032、1033)分别布置在ABS主体壳(1031)的内侧，硅胶片(1035)和腈纶片(1036)布置在金属电极(1032、1033)的侧面，ABS主体壳(1031)在人体有相对于安全带的运动趋势时，会被有压缩，导致硅胶片(1035)与腈纶片(1036)接触摩擦，在金属电极产生一定的电荷转移，产生电压，作为运动信号提供给机器人，在机器人跟随人体的运动后，摩擦结束，产生一个相反的电压信号；所述板簧(1034)安装于ABS主体壳(1031)的两侧，用以提供一定的复位力，供ABS主体壳(1031)复位；通过对四个传感器(103)检测到信号进行逻辑分类，判断使用者的运动意图：前进、后退、左转或右转。
4.根据权利要求1所述的基于摩擦电的智能运动感知安全带，其特征在于：所述腿部安全带(20)的锁紧扣(203)用于锁紧腿部安全带(20)与大腿之间的间隙，并根据实际情况调整腿部安全带(20)的上下位置；所述步速检测传感器(204)基于摩擦电原理，检测使用者的行走速度。
5.根据权利要求4所述的基于摩擦电的智能运动感知安全带，其特征在于：所述步速检测传感器(204)基于摩擦电原理，实时检测使用者的行走速度，且无需给传感器供电；所述步速检测传感器(204)由ABS壳(2041)、两侧金属电极(2042、2043)、尼龙片(2044)和涤卡片(2045)组成；所述ABS壳(2041)通过棉线缝定在腿部安全带大腿内侧的位置，金属电极(2042、2043)粘贴在ABS壳(2041)的外侧，尼龙片(2044)和涤卡片(2045)粘贴在金属电极(2042、2043)外侧，在使用者的行走过程中，当两腿对齐时，尼龙片(2044)和涤卡片(2045)摩擦，基于摩擦发电机的原理，在金属电极之间产生电荷转移，行成短路电流，且电流大小随尼龙与涤卡的摩擦速度成线性相关，通过速度与电流标定，通过检测电流大小判断摩擦速度，即使用者的行走速度。
6.根据权利要求1所述的基于摩擦电的智能运动感知安全带，其特征在于，所述安全带-机器人连接模块(102)，根据不同的使用环境及机器人具体连接设备，进行快速替换，保证智能安全带与机器人之间的互换性。
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