CN112936232B - 一种辅助潜水的髋关节外骨骼机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种辅助潜水的髋关节外骨骼机器人系统，包括基础结构模块，所述基础结构上设置有传感模块、控制模块、执行模块以及防水模块；基础结构模块包括腰部紧固件和两个腿部紧固件，两个腿部紧固件均通过执行模块与腰部紧固件连接，执行模块用于辅助髋关节转动并带动使用者的腿部上下摆动；传感模块用于检测人体腿部的运动状态，且传感模块将检测到的运动数据发送到控制模块；控制模块用于接收并处理传感模块发送的运动数据，控制模块控制执行模块运动。对使用者的髋关节转动进行助力，从而有助于减少水下工作人员的能量消耗，且有助于提高水下工作人员的活动能力，进而有助于延长工作人员的水下活动时间。

Description

一种辅助潜水的髋关节外骨骼机器人系统

技术领域

本发明涉及水下机器人设备技术领域，具体地，涉及一种辅助潜水的髋关节外骨骼机器人系统。

背景技术

海洋空间是人类发展的战略空间之一，是生物资源、能源、水资源和金属资源的战略性开发基地，对经济与社会发展产生直接、巨大的支撑作用。随着人类社会发展的需要和科学技术的进步,海洋探索的规模越来越大,水下机器人因智能程度低很多时候不能胜任复杂任务，此时人类直接下水进行作业不可避免。水下工作者在水下实施工作时，受到各方面的影响，加之人类由于生理结构不适合水中运动，导致水下工作不能长时间进行，其中最大的阻碍就是人在水下工作时所消耗的体力问题。

现有的水下助力方面的产品极其有限,例如常压小型潜水器、水下推进器、蛙鞋等。但是，常压小型潜水器体型庞大笨重；水下推进器对水流扰动大且易伤及海洋生物，而操作水下推进器常需要占用水下工作人员的手；蛙鞋需要人力推动前进，效率低下。

现有的水下助力器对水下工作人员活动能力的提高小，能量节约少，存在待改进之处。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种辅助潜水的髋关节外骨骼机器人系统。

根据本发明提供的一种辅助潜水的髋关节外骨骼机器人系统,包括基础结构模块，所述基础结构模块上设置有传感模块、控制模块、执行模块以及防水模块；所述基础结构模块包括腰部紧固件和两个腿部紧固件，两个所述腿部紧固件均通过执行模块与腰部紧固件连接，所述执行模块用于辅助髋关节转动并带动使用者的腿部上下摆动；所述传感模块用于检测人体腿部的运动状态，且所述传感模块将检测到的运动数据发送到控制模块；所述控制模块用于接收并处理传感模块发送的运动数据，且所述控制模块控制执行模块运动。

优选地，所述传感模块包括惯性传感器和无线传输器，所述惯性传感器用于检测人体腿部的运动状态，所述惯性传感器和无线传输器电连接并防水封装，且所述惯性传感器和无线传输器二者在两个腿部紧固件上均设置有一个；使用时，两个所述腿部紧固件上的惯性传感器分别放置在使用者左侧和右侧的大腿上。

优选地，所述控制模块包括微处理器和无线接收器，所述无线接收器与微处理器电连接，所述无线接收器用于接收无线传输器发出的信息，所述微处理器用于处理传感模块获取的运动信息、判断人体的游动状态并相对应的控制执行模块运动。

优选地，所述执行模块包括驱动器、执行器、双向滑轮、前传动线以及后传动线，所述双向滑轮与腿部紧固件呈相对设置，两个所述双向滑轮均转动设置在腰部紧固件上；所述前传动线和后传动线二者在两个双向滑轮上均绕设有一根，位于同一所述双向滑轮上的前传动线和后传动线的走向相反，两个所述双向滑轮上的前传动线和后传动线远离双向滑轮的端部分别与对应的腿部紧固件的前后两侧固定连接；所述驱动器和执行器二者均与双向滑轮呈相对设置，两组所述驱动器均用于接收控制模块的信号并驱动执行器分别带动两个双向滑轮运动。

优选地，所述执行器包括防水电机，所述防水电机固定安装在腰部紧固件上，所述双向滑轮与对应的防水电机的输出轴同轴固定连接，所述驱动器与对应的防水电机电连接，且所述驱动器用于接收控制模块的信号并控制防水电机运动。

优选地，所述腰部紧固件上安装有传动线套，所述传动线套与前传动线和后传动线均呈对应设置，任一所述前传动线均穿设与之对应的传动线套并与之滑移配合，任一所述后传动线均穿设与之对应的传动线套并与之滑移配合。

优选地，所述前传动线和后传动线二者远离对应的双向滑轮的一端均穿设对应的腿部紧固件，且所述前传动线和后传动线二者均通过锁线器与对应的腿部紧固件固定连接。

优选地，所述腰部紧固件上设置有电池，所述电池为机器人系统的整个电路提供电能。

优选地，所述防水模块包括防水外壳，所述防水外壳安装在腰部紧固件上，且所述防水外壳罩设控制模块、驱动器以及电池。

优选地，所述腰部紧固件和任一腿部紧固件上均设置有魔术贴，所述腰部紧固件通过魔术贴固定安装在使用者的腰部，两个腿部紧固件通过魔术贴分别固定安装在使用者的两条大腿上。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明通过传感模块检测人体腿部的运动状态，并由控制模块对传感模块检测到的信息做分析和处理，从而控制执行模块运动并于使用者的髋关节转动进行助力，从而有助于减少水下工作人员的能量消耗，且有助于提高水下工作人员的活动能力，进而有助于延长工作人员的水下活动时间；

2、本发明通过魔术贴将腰部紧固件和腿部紧固件分别安装在使用者的腰部和两个大腿上，具有柔性，从而适应不同体格的使用者，有助于提高外骨骼机器人系统的适用性，且有助于提高外骨骼机器人系统穿戴的舒适性；

3、本发明通过执行模块带动大腿相对腰部运动实现髋关节转动，无须考虑外骨骼机器人系统与人体髋关节轴向对齐，有助于降低外骨骼机器人系统的复杂程度。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明主要体现外骨骼机器人在人体上的安装结构示意图；

图2为本发明主要体现腰部紧固件整体结构示意图。

附图标记：1、基础结构模块；11、腰部紧固件；12、腿部紧固件；13、传动线套； 14、电池；2、传感模块；21、惯性传感器；22、无线传输器；3、控制模块；31、微处理器；32、无线接收器；4、执行模块；41、驱动器；42、防水电机；43、双向滑轮； 44、前传动线；45、后传动线；5、防水外壳；6、魔术贴。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，根据本发明提供的一种辅助潜水的髋关节外骨骼机器人系统，包括基础结构模块1、传感模块2、控制模块3、执行模块4以及防水模块。且传感模块2、控制模块3、执行模块4以及防水模块四者均安装在基础结构模块1上。

如图1和图2所示，基础结构模块1包括腰部紧固件11和腿部紧固件12，腰部紧固件11和腿部紧固件12均由柔性材料制成，且腰部紧固件11与使用者的腰部贴合，腿部紧固件12在使用者的两条大腿上分别贴合安装有一个。且腰部紧固件11和两个腿部紧固件12上均安装有魔术贴6，位于腰部紧固件11上的魔术贴6缠绕在髋关节上方的位置，从而使腰部紧固件11固定安装在使用者的腰部。由于胯部的作用，腰部紧固件11在受向下拉力时不易向下滑动。

位于两个腿部紧固件12上的魔术贴6分别缠绕在膝盖上方大腿最细的位置，使两个腿部紧固件12分别固定在两条大腿上。从而使两个腿部紧固件12在受向上拉力时不易向上滑动。

如图1和图2所示，执行模块4包括驱动器41、执行器、双向滑轮43、前传动线 44以及后传动线45，执行器为防水电机42，防水电机42在腰部紧固件11后侧通过螺栓间隔安装有两个，防水电机42与腿部紧固件12呈一一对应设置，且双向滑轮43在两个防水电机42的输出轴上均通过螺栓同轴固定连接有一个。

前传动线44和后传动线45二者在两个双向滑轮43的绕线槽内均绕设有一组，且前传动线44和后传动线45位于对应双向滑轮43上的线头均通过双向滑轮43上的卡接口结构与对应的双向滑轮43固定连接。且位于同一所述双向滑轮43上的前传动线44 和后传动线45的走向相反。两个前传动线44远离对应的双向滑轮43的端部均穿设对应的腿部紧固件12的前侧，并通过锁线器将两个前传动线44分别与对应的腿部紧固件 12固定连接。两个后传动线45远离对应的双向滑轮43的端部均穿设对应的腿部紧固件 12的后侧，并通过锁线器将两个后传动线45分别与对应的腿部紧固件12固定连接。

防水电机42带动与之对应的双向滑轮43转动，将与之对应的前传动线44和后传动线45绕起，并带起与之对应的前传动线44和后传动线45运动。其一运动状态为：双向滑轮43转动使前传动线44绕紧、后传动线45放松，则前传动线44将大腿前面提起，形成髋关节屈，带动大腿向下摆动；另一运动状态为：双向滑轮43转动使前传动线44放松、后传动线45绕紧，则后传动线45将大腿后面提起，形成髋关节伸，带动大腿向上摆动；使用者的两只大腿在两组前传动线44和后传动线45的拉动下交替上下摆动，形成外骨骼机器人系统对人体运动的辅助。

驱动器41与防水电机42呈对应设置，且任一驱动器41均与对应的防水电机42电连接。任一驱动器41均用于接收控制模块3发出的控制指令，并控制与之对应的防水电机42进行转动。

进一步的，腰部紧固件11上安装有四个传动线套13，四个传动线套13分别与两个前传动线44和两个后传动线45呈对应设置，任一传动线套13靠近腰部紧固件11的端部均插入腰部紧固件11内并与其过盈配合，且任一传动线套13远离腰部紧固件11的端口分别朝向与之对应的腿部紧固件12。两个前传动线44均穿设与之对应的传动线套 13并与其滑移配合，两个后传动线45也均穿设与之对应的传动线套13并与其滑移配合。由四个传动线套13分别引导两个前传动线44和两个后传动线45运动，提高了外骨骼机器人系统运动的稳定性。

如图1和图2所示，传感模块2包括惯性传感器21和无线传输器22，惯性传感器 21和无线传输器22电连接并防水封装，且传感模块2在两个腿部紧固件12上通过胶水固定安装有一组。使用时，两个所述腿部紧固件12上的惯性传感器21分别放置在使用者左侧和右侧的大腿上，并检测人体腿部的运动状态，反映相应的髋关节转动状态。

控制模块3包括微处理器31和无线接收器32，微处理器31和无线接收器32二者均固定安装在腰部紧固件11的后侧，且无线接收器32与微处理器31电连接，微处理器31与驱动器41电连接。无线接收器32接收无线传输器22传输的信息并将信息输送至微处理器31进行分析。得到人体潜水游动时的大腿摆动状态，结合人体潜水时髋关节转动特点，形成相应的控制策略，将运动控制指令发送给驱动器41，驱动器41驱动防水电机42进行转动。

腰部紧固件11的后侧还安装有电池14，电池14为机器人系统的整个电路提供电能。防水模块包括防水外壳5，防水外壳5通过螺栓固定安装在腰部紧固件11的后侧，且防水外壳5罩设两个驱动器41、微处理器31、无线接收器32以及电池14，并将两个驱动器41、微处理器31、无线接收器32以及电池14与外界环境分割，从而起到防水的作用。且防水外壳5外的电子器件均通过防水连接线连接到防水接头，由防水接头连接防水外壳5内的电路。从而减少了防水外壳5内的电子器件和电池14因与水接触而造成的短路的情况发生。

工作原理

工作中，两个惯性传感器21分别检测使用者两个大腿的运动状态，并通过无线传输器22将检测信息传递到无线接收器32，再传递到微处理器31进行分析；微处理器 31结合人体潜水时髋关节转动特点，形成相应的控制策略，将运动控制指令发送给驱动器41，驱动器41驱动防水电机42进行转动；从而带动两个双向滑轮43转动，其一运动状态为：双向滑轮43转动使前传动线44绕紧、后传动线45放松，则前传动线44将大腿前面提起，形成髋关节屈，带动大腿向下摆动；另一运动状态为：双向滑轮43转动使前传动线44放松、后传动线45绕紧，则后传动线45将大腿后面提起，形成髋关节伸，带动大腿向上摆动；从而让使用者的两只大腿在两组前传动线44和后传动线45 的拉动下交替上下摆动，形成外骨骼机器人系统对人体运动的辅助。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种辅助潜水的髋关节外骨骼机器人系统，其特征在于，包括基础结构模块(1)，所述基础结构模块(1)上设置有传感模块(2)、控制模块(3)、执行模块(4)以及防水模块；

所述基础结构模块(1)包括腰部紧固件(11)和两个腿部紧固件(12)，两个所述腿部紧固件(12)均通过执行模块(4)与腰部紧固件(11)连接，所述执行模块(4)用于辅助髋关节转动并带动使用者的腿部上下摆动；

所述传感模块(2)用于检测人体腿部的运动状态，且所述传感模块(2)将检测到的运动数据发送到控制模块(3)；

所述控制模块(3)用于接收并处理传感模块(2)发送的运动数据，且所述控制模块(3)控制执行模块(4)运动；

所述执行模块(4)包括驱动器(41)、执行器、双向滑轮(43)、前传动线(44)以及后传动线(45)，所述双向滑轮(43)与腿部紧固件(12)呈相对设置，两个所述双向滑轮(43)均转动设置在腰部紧固件(11)上；

所述前传动线(44)和后传动线(45)二者在两个双向滑轮(43)上均绕设有一根，位于同一所述双向滑轮(43)上的前传动线(44)和后传动线(45)的走向相反，两个所述双向滑轮(43)上的前传动线(44)和后传动线(45)远离双向滑轮(43)的端部分别与对应的腿部紧固件(12)的前后两侧固定连接；

所述驱动器(41)和执行器二者均与双向滑轮(43)呈相对设置，两组所述驱动器(41)均用于接收控制模块(3)的信号并驱动执行器分别带动两个双向滑轮(43)运动；

所述执行器包括防水电机(42)，所述防水电机(42)固定安装在腰部紧固件(11)上，所述双向滑轮(43)与对应的防水电机(42)的输出轴同轴固定连接，所述驱动器(41)与对应的防水电机(42)电连接，且所述驱动器(41)用于接收控制模块(3)的信号并控制防水电机(42)运动；

所述腰部紧固件(11)上安装有传动线套(13)，所述传动线套(13)与前传动线(44)和后传动线(45)均呈对应设置，任一所述前传动线(44)均穿设与之对应的传动线套(13)并与之滑移配合，任一所述后传动线(45)均穿设与之对应的传动线套(13)并与之滑移配合；

所述传感模块(2)包括惯性传感器(21)和无线传输器(22)，所述惯性传感器(21) 用于检测人体腿部的运动状态，所述惯性传感器(21)和无线传输器(22)电连接并防水封装，且所述惯性传感器(21)和无线传输器(22)二者在两个腿部紧固件(12)上均设置有一个；

使用时，两个所述腿部紧固件(12)上的惯性传感器(21)分别放置在使用者左侧和右侧的大腿上。

2.如权利要求1所述的一种辅助潜水的髋关节外骨骼机器人系统，其特征在于，所述控制模块(3)包括微处理器(31)和无线接收器(32)，所述无线接收器(32)与微处理器(31)电连接，所述无线接收器(32)用于接收无线传输器(22)发出的信息，所述微处理器(31)用于处理传感模块(2)获取的运动信息、判断人体的游动状态并相对应的控制执行模块(4)运动。

3.如权利要求1所述的一种辅助潜水的髋关节外骨骼机器人系统，其特征在于，所述前传动线(44)和后传动线(45)二者远离对应的双向滑轮(43)的一端均穿设对应的腿部紧固件(12)，且所述前传动线(44)和后传动线(45)二者均通过锁线器与对应的腿部紧固件(12)固定连接。

4.如权利要求1所述的一种辅助潜水的髋关节外骨骼机器人系统，其特征在于，所述腰部紧固件(11)上设置有电池(14)，所述电池(14)为机器人系统的整个电路提供电能。

5.如权利要求4所述的一种辅助潜水的髋关节外骨骼机器人系统，其特征在于，所述防水模块包括防水外壳(5)，所述防水外壳(5)安装在腰部紧固件(11)上，且所述防水外壳(5)罩设控制模块(3)、驱动器(41)以及电池(14)。

6.如权利要求1所述的一种辅助潜水的髋关节外骨骼机器人系统，其特征在于，所述腰部紧固件(11)和任一腿部紧固件(12)上均设置有魔术贴(6)，所述腰部紧固件(11)通过魔术贴(6)固定安装在使用者的腰部，两个腿部紧固件(12)通过魔术贴(6)分别固定安装在使用者的两条大腿上。

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