CN113084781A - 正压力颗粒拥塞的变刚度穿戴系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种正压力颗粒拥塞的变刚度穿戴系统，包括变刚度模块、控制模块、驱动模块以及结构件，所述变刚度模块穿戴在人体上，包括刚性状态和柔性状态，所述控制模块输出控制命令；所述驱动模块执行控制命令并能够驱使所述变刚度模块在刚性状态和柔性状态之间切换，所述控制模块、驱动模块、变刚度模块通过所述结构件穿戴在人体上。本发明采用全新的颗粒拥塞变刚度穿戴式系统设计，利用颗粒受压后相互挤压不能相互移动形成刚度增加解除挤压后恢复柔性的特性，通过控制柔性囊体内的压力轻松实现对人体不同关节的助力，具有低成本、操作方便、持久性好的优点。

Description

正压力颗粒拥塞的变刚度穿戴系统

技术领域

本发明涉及工作辅助设备技术领域，具体地，涉及一种正压力颗粒拥塞的变刚度穿戴系统。

背景技术

在人们进行一些特殊工作，如对头顶上方工位进行操作，或人体处于仰卧姿势进行一些工作，肢体长时间保持一个姿势，人很容易产生疲劳，需要中断休息，且工作容易出错。此时支撑关节进行助力可以减小人体工作时的能量消耗，延长工作时间，减少疲劳从而降低出错率。

现有工作姿势助力方面的产品极为有限。一些刚性固定式的支具可用于该领域，但其不可变形状限制了人体正常活动，且刚性支架增加了人机交互的危险性及不舒适度。外骨骼机器人能够胜任该工作，但结构复杂且成本高，造成资源浪费。变刚度设备可用于所述工作领域，但现有变刚度设备都采用负压力抽真空挤压的方式增大刚度，压力变化最多一个大气压，刚度变化范围很有限，能提供的助力较小。因此，一款成本低廉且有效的变刚度关节助力设备将对需要长时间保持特殊工作姿势的工作人员提供极大的帮助。

专利文献CN111660284A公开了一种具有辅助支撑功能的可穿戴协作机器人，包括：两台多自由度辅助操作机械臂、可穿戴背板、两台三自由度辅助支撑腿、驱动与传动模块、传感模块、控制模块、电源模块；所述多自由度辅助操作机械臂包括：机械臂本体和末端执行装置；所述三自由度辅助支撑腿包括：短连杆、长连杆、伸缩杆、末端支撑装置，伸缩杆通过轴向伸缩改变支撑腿长度，髋部关节用于改变支撑腿前后及左右摆角；所述可穿戴背板包括：双臂基座、支撑腿基座、电源基座、控制卡槽以及与人体连接的绑带。控制模块与传感模块、驱动和传动模块连接，控制双臂和支撑腿的运动，但该设计质量较大且成本较高。

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正压力颗粒拥塞的变刚度穿戴系统。

根据本发明提供的一种正压力颗粒拥塞的变刚度穿戴系统，包括：

变刚度模块，穿戴在人体上，包括刚性状态和柔性状态；

控制模块，输出控制命令；

驱动模块，执行控制命令并能够驱使所述变刚度模块在刚性状态和柔性状态之间切换；

结构件，所述控制模块、驱动模块、变刚度模块通过所述结构件穿戴在人体上。

优选地，所述变刚度模块包括第一端盖、颗粒、柔性囊体、第二端盖、导气管以及柔性外壳；

所述柔性外壳的内部设置有第一容纳空间，所述柔性囊体安装在所述第一容纳空间中，所述柔性外壳和柔性囊体之间形成第二容纳空间，所述颗粒填充在所述第二容纳空间中；

所述第一端盖安装在所述柔性外壳的一端，所述第二端盖安装在所述柔性外壳的另一端，所述导气管的一端连接所述柔性囊体，所述导气管的另一端穿过所述第二端盖并延伸到所述柔性外壳的外部连接所述驱动模块。

优选地，所述驱动模块包括电源以及驱动器，所述驱动器与所述电源电连接。

优选地，所述驱动器采用马达气泵。

优选地，所述控制模块包括按键、电磁阀以及微处理器；

所述微处理器分别与所述按键、电磁阀、驱动模块信号连接。

优选地，所述电磁阀为三通阀，其中，所述电磁阀的第一端口与所述驱动模块，所述电磁阀的第二端口与所述变刚度模块所具有的柔性囊体连接，所述电磁阀的第三端口与外部大气连接。

优选地，能够采用多个所述变刚度模块并联的方式穿戴在人体用以匹配不同的人体辅助支撑需求。

优选地，所述结构件包括端盖连接器以及绑带；

所述端盖连接器连接所述变刚度模块的端部并通过所述绑带穿戴在人体上。

优选地，所述柔性外壳采用布料绕成，所述布料采用不可拉伸的布料；

所述柔性外壳的两端分别与所述第一端盖、第二端盖缝合或粘接。

优选地，所述柔性囊体采用如下任一种结构：

-采用硅胶浇注成形，所述柔性囊体在浇注时完成所述导气管密封连接；

-采用长条形气球多层叠放结构，所述柔性囊体与所述导气管采用线绳扎紧并采用粘接实现密封连接。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明采用全新的颗粒拥塞变刚度穿戴式系统设计，利用颗粒受压后相互挤压不能相互移动形成刚度增加解除挤压后恢复柔性的特性，通过控制柔性囊体内的压力轻松实现对人体不同关节的助力，具有低成本、操作方便、持久性好、质量小的优点。

2、本发明通过正压力使内部气囊膨胀挤压颗粒实现变刚度，气囊内部只接触压缩气体，外部接触颗粒；而负压力的情况是外壳收缩，内部接触颗粒，外部接触工作环境，更加容易损害，因此本发明比负压力实现变刚度能实现的刚度变化范围更大，且使用寿命将更长。

3、本发明能够通过改变绑带固定在人身上的位置轻松实现对人体不同关节的助力，可配置性强。

4、本发明针对现有辅助设备存在的问题，设计了一款满足特殊工作需求的颗粒拥塞变刚度穿戴式系统。该项目的实施有助于推进相关产品的研发与应用，提高工人的工作能力。

5、本发明利用正气压作为刚度变化的能量来源，刚度大小与其他压力呈正相关，刚度变化范围大，当到达所需刚度后能够通过阀保持压力，无须气压源连续工作，节约能源。

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为正压力变刚度模块工作原理示意图；

图2为正压力变刚度模块穿戴系统结构示意图。

图中示出：

第一端盖1 驱动器8

颗粒2 变刚度模块9

柔性囊体3 端盖连接器10

第二端盖4 第一容纳空间11

导气管5 绑带12

电磁阀6 第二容纳空间13

微处理器7 柔性外壳14

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。

本发明提供了一种正压力颗粒拥塞的变刚度穿戴系统，包括变刚度模块9、控制模块、驱动模块以及结构件，所述变刚度模块9穿戴在人体上，包括刚性状态和柔性状态并能够根据实际工作的需求在刚性状态和柔性状态之间切换，所述控制模块输出控制命令，所述驱动模块执行控制命令并能够驱使所述变刚度模块9在刚性状态和柔性状态之间切换，所述结构件可拆卸的固定所述控制模块以及驱动模块并能够将所述变刚度模块9可拆卸的穿戴在人体上。

进一步地，所述结构件包括端盖连接器10以及绑带12，所述端盖连接器10连接所述变刚度模块9的端部并通过所述绑带12穿戴在人体的关节上，端盖连接器10连接变刚度模块9两端的端盖，可通过魔术贴或其他方式固定在绑带12上，绑带12将变刚度模块9两端绑在人体关节两端。绑带12表面可粘附魔术贴，可为微处理器7、电磁阀6、驱动器8、电源等提供安装位置。该穿戴式系统可通过将绑带12绑在不同关节的两端实现对不同关节进行助力。

具体地，所述变刚度模块9包括第一端盖1、颗粒2、柔性囊体3、第二端盖4、导气管5以及柔性外壳14，柔性外壳14具有非延展性，所述柔性外壳14的内部设置有第一容纳空间11，所述柔性囊体3安装在所述第一容纳空间11中，所述柔性外壳14和柔性囊体3之间形成第二容纳空间13，所述颗粒2填充在所述第二容纳空间13中，本发明中的变刚度模块9通过结构件穿戴在人体的关节处并通过改变柔性囊体3内的压力进而使颗粒拥塞实现刚度改变，所述第一端盖1安装在所述柔性外壳14的一端，所述第二端盖4安装在所述柔性外壳14的另一端，所述导气管5的一端连接所述柔性囊体3，所述导气管5的另一端穿过所述第二端盖4并延伸到所述柔性外壳14的外部连接所述驱动模块。

进一步地，所述控制模块控制驱动模块改变柔性囊体3内的压力，当柔性囊体3未充气时，柔性囊体3、颗粒2和柔性外壳14总体为柔性，可随着人体关节运动，不对人体运动产生限制；当柔性囊体3充气时，柔性囊体3体积增大，挤压颗粒2，由于柔性外壳14不可延展，因此颗粒2之间挤压拥塞，导致相互摩擦力增加。处于挤压状态的颗粒2与压缩气体共同提高变刚度模块9结构整体的刚度。变刚度模块9的结构整体刚度在一定范围内随输入的气体压力线性增加，即增加充气压力可进一步增加刚度从而为人体关节位置固定提供助力。在进行一些特殊工作时，如对头顶上方工位进行操作，或人体处于仰卧姿势进行一些工作，肢体长时间保持一个姿势，对关节进行助力可以减小人体工作时的能量消耗，延长工作时间，减少疲劳从而降低出错率。本发明可应用于工厂操作工人和汽车维修人员等人群，为其特殊工位提供助力，具有实际应用价值。

更进一步地，所述柔性外壳14采用布料绕成，所述布料采用不可拉伸的布料，所述柔性外壳14的两端分别与所述第一端盖1、第二端盖4缝合或粘接。所述柔性囊体3可优选采用硅胶浇注成形，所述柔性囊体3在浇注时完成所述导气管5密封连接；在一个变化例中，可采用长条形气球多层叠放结构，所述柔性囊体3与所述导气管5采用线绳扎紧并采用粘接实现密封连接。

具体地，所述驱动模块包括电源以及驱动器8，所述驱动器8与所述电源电连接，所述驱动器8优选采用马达气泵，驱动器8接收微处理器7控制指令进行工作，为系统提供气压源。电源可通过魔术贴或其他方式固定在结构件上，为驱动器8工作提供能源。驱动器8可通过魔术贴或其他方式固定在结构件上，接收微处理器7控制指令进行工作，为系统提供气压源。

具体地，所述控制模块包括按键、电磁阀6以及微处理器7，所述微处理器7分别与所述按键、电磁阀6、驱动模块信号连接。

进一步地，按键可通过魔术贴或其他方式固定在人胸口处等方便操作的位置，连接到微处理器7，用于人机交互控制穿戴式系统是否为关节提供助力以及助力的大小。微处理器7可通过魔术贴或其他方式固定在结构件上，接受人的指令，控制电磁阀6和驱动器8。电磁阀6可通过魔术贴或其他方式固定在结构件上，所述电磁阀6为三通阀，其中，所述电磁阀6的第一端口与所述驱动模块，所述电磁阀6的第二端口与所述变刚度模块9所具有的柔性囊体3连接，所述电磁阀6的第三端口与外部大气连接。按键用于人机交互控制是否助力以及助力大小，微处理器7控制电磁阀6和驱动器8，电磁阀6用于控制柔性囊体3内的压力大小，且在压力达到后保持压力，无须驱动器8持续工作，用于控制柔性囊体3内的压力大小，在压力达到后保持压力无须驱动器8持续工作，且在需要释放压力时连通空气。

将电磁阀6常闭口连接柔性囊体3，在压力达到后保持压力无须驱动器8持续工作，节约能源，减少噪声，在需要释放压力时电磁阀6连通空气快速泄压。

具体地，根据实际的应用场景能够采用多个所述变刚度模块9并联的方式穿戴在人体用以匹配不同的人体辅助支撑需求，在实际应用中，所述变刚度模块9与变刚度模块9之间通过端盖连接器10进行固定，本发明中采用并联的方式可在不增加系统厚度的情况下增大助力效果，且增加关节稳定性。本发明能够通过移动结构件固定在人身上的位置，该穿戴式系统可作用于多个关节上助力，例如肘关节、肩关节、髋关节、膝关节和踝关节等关节助力。

本发明的工作原理如下：

人在进行某项工作需要长时间保持某关节姿势时，可以借助变刚度穿戴系统进行助力。操作按键以向系统发出控制指令，微处理器7收到指令并控制驱动器8工作，用户可控制助力刚度的大小，微处理器7通过控制电磁阀6实现。电磁阀6控制进入柔性囊体3的气体压力，实现颗粒拥塞进而实现不同刚度的调节。刚度到达电磁阀6的设定值后驱动器8即停止工作，电磁阀6将柔性囊体3内的压力保持住，无须驱动器8持续工作。人需要关节自由运动时可操作按键发出泄压指令，微处理器7控制电磁阀6与空气连通，变刚度模块9恢复柔性。

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 (10)

1.一种正压力颗粒拥塞的变刚度穿戴系统，其特征在于，包括：

变刚度模块(9)，穿戴在人体上，包括刚性状态和柔性状态；

控制模块，输出控制命令；

驱动模块，执行控制命令并能够驱使所述变刚度模块(9)在刚性状态和柔性状态之间切换；

结构件，所述控制模块、驱动模块、变刚度模块(9)通过所述结构件穿戴在人体上。

2.根据权利要求1所述的正压力颗粒拥塞的变刚度穿戴系统，其特征在于，所述变刚度模块(9)包括第一端盖(1)、颗粒(2)、柔性囊体(3)、第二端盖(4)、导气管(5)以及柔性外壳(14)；

所述柔性外壳(14)的内部设置有第一容纳空间(11)，所述柔性囊体(3)安装在所述第一容纳空间(11)中，所述柔性外壳(14)和柔性囊体(3)之间形成第二容纳空间(13)，所述颗粒(2)填充在所述第二容纳空间(13)中；

所述第一端盖(1)安装在所述柔性外壳(14)的一端，所述第二端盖(4)安装在所述柔性外壳(14)的另一端，所述导气管(5)的一端连接所述柔性囊体(3)，所述导气管(5)的另一端穿过所述第二端盖(4)并延伸到所述柔性外壳(14)的外部连接所述驱动模块。

3.根据权利要求1所述的正压力颗粒拥塞的变刚度穿戴系统，其特征在于，所述驱动模块包括电源以及驱动器8，所述驱动器8与所述电源电连接。

4.根据权利要求3所述的正压力颗粒拥塞的变刚度穿戴系统，其特征在于，所述驱动器8采用马达气泵。

5.根据权利要求1所述的正压力颗粒拥塞的变刚度穿戴系统，其特征在于，所述控制模块包括按键、电磁阀(6)以及微处理器(7)；

所述微处理器(7)分别与所述按键、电磁阀(6)、驱动模块信号连接。

6.根据权利要求5所述的正压力颗粒拥塞的变刚度穿戴系统，其特征在于，所述电磁阀(6)为三通阀，其中，所述电磁阀(6)的第一端口与所述驱动模块，所述电磁阀(6)的第二端口与所述变刚度模块(9)所具有的柔性囊体(3)连接，所述电磁阀(6)的第三端口与外部大气连接。

7.根据权利要求1所述的正压力颗粒拥塞的变刚度穿戴系统，其特征在于，能够采用多个所述变刚度模块(9)并联的方式穿戴在人体用以匹配不同的人体辅助支撑需求。

8.根据权利要求1所述的正压力颗粒拥塞的变刚度穿戴系统，其特征在于，所述结构件包括端盖连接器(10)以及绑带(12)；

所述端盖连接器(10)连接所述变刚度模块(9)的端部并通过所述绑带(12)穿戴在人体上。

9.根据权利要求2所述的正压力颗粒拥塞的变刚度穿戴系统，其特征在于，所述柔性外壳(14)采用布料绕成，所述布料采用不可拉伸的布料；

所述柔性外壳(14)的两端分别与所述第一端盖(1)、第二端盖(4)缝合或粘接。

10.根据权利要求2所述的正压力颗粒拥塞的变刚度穿戴系统，其特征在于，所述柔性囊体(3)采用如下任一种结构：

-采用硅胶浇注成形，所述柔性囊体(3)在浇注时完成所述导气管(5)密封连接；

-采用长条形气球多层叠放结构，所述柔性囊体(3)与所述导气管(5)采用线绳扎紧并采用粘接实现密封连接。

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