CN113104181A - 一种辅助潜水用踝关节外骨骼机器人系统 - Google Patents

一种辅助潜水用踝关节外骨骼机器人系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种辅助潜水用踝关节外骨骼机器人系统,包括基础结构，基础结构上设置有传感装置、控制装置、驱动装置以及防水装置，传感装置与控制装置电连接，所述控制装置与驱动装置电连接并控制驱动装置运动；基础结构包括设置在小腿上的小腿紧固件和套设在脚掌上的脚蹼；传感装置用于检测人体的运动信息以及脚蹼与水的作用力，控制装置用于接收并处理传感装置获取的信息，驱动装置用于带动踝关节进行转动运动；防水装置用于对机器人系统的防水保护。通过传感装置检测人体的运动信息和脚蹼与水的作用力，由控制装置对信息做分析和处理，从而控制驱动装置运动，为踝关节转动助力，有助于减少水下使用者的能量消耗。

Description

一种辅助潜水用踝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，涉及一种辅助潜水用踝关节外骨骼机器人系统。
背景技术
水下机器人是探索海洋的重要工具。由于海洋环境复杂，在很多情况下需要人遥控机器人机器人。对于更为复杂的情况，需要人类直接进行水下作业。人类由于生理结构不适合水中运动，在水下作业中表现出许多运动机能不足的问题。
外骨骼机器人能有效增强人体运动机能。如陆地外骨骼实现了人类负重能力增强、能量消耗减小以及运动功能康复等。
现有公告号为CN205127318U的中国专利，公开了一种穿戴式水下辅助推进装置，包括机械外骨骼系统、一对手臂动力推动装置、一对腿部动力推动装置和电源模块，所述一对手臂动力推动装置、一对腿部动力推动装置分别安装在机械外骨骼系统的手臂前端和脚末端，所述腿部动力推动装置包括一对腿部拨片驱动电机、腿部关节轴、腿部转轴和一对腿部拨水片，所述腿部转轴通过轴承活动安装在机械外骨骼系统上的脚末端，所述一对腿部拨水片呈弧形，并分别通过腿部关节轴和腿部转轴分别与一对腿部拨片驱动电机的动力轴传动相连。
现有技术中机械外骨骼系统上的脚末端设置有腿部拨水片，并由腿部拨水片拨水辅助使用者水下游动。发明人认为现有技术中的机械外骨骼节约使用者能量消耗的效果差，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用踝关节外骨骼机器人系统。
根据本发明提供的一种辅助潜水用踝关节外骨骼机器人系统,包括基础结构，所述基础结构上设置有传感装置、控制装置、驱动装置以及防水装置，所述传感装置与控制装置电连接，所述控制装置与驱动装置电连接并控制驱动装置运动；所述基础结构包括设置在小腿上的小腿紧固件和套设在脚掌上的脚蹼；所述传感装置用于检测人体的运动信息以及脚蹼与水的作用力，所述控制装置用于接收并处理传感装置获取的信息，所述驱动装置用于带动踝关节进行转动运动，从而带动脚蹼划动；所述防水装置用于对机器人系统的防水保护。
优选地，所述传感装置包括防水惯性传感器，所述防水惯性传感器在小腿紧固件和脚蹼上均设置有一组，位于所述小腿紧固件上的防水惯性传感器用于检测小腿的运动状态，位于所述脚蹼上的防水惯性传感器用于检测脚部的运动状态。
优选地，所述传感装置还包括防水力传感器，所述防水力传感器设置在脚蹼上，且所述防水力传感器用于检测脚蹼与水之间的作用力。
优选地，所述控制装置包括微处理器，所述微处理器用于接收并处理传感装置获取的信息，且所述微处理器还用于控制驱动装置运动。
优选地，所述驱动装置包括双向滑轮、前传动线、后传动线以及用于驱动双向滑轮转动的驱动件，所述双向滑轮转动架设在小腿紧固件上，所述前传动线远离双向滑轮的一端与脚蹼的脚背位置固定连接，所述后传动线远离双向滑轮的一端与脚蹼的脚后跟位置固定连接。
优选地，所述驱动件包括防水电机，所述防水电机的输出轴与双向滑轮同轴固定连接，且所述防水电机与控制装置电连接。
优选地，所述小腿紧固件上还安装有两个传动线套，两个所述传动线套均呈弧形设置，且两个所述传动线套的其一端口均朝向双向滑轮另一端口均朝向脚蹼，其一所述传动线套与前传动线呈对应设置，所述前传动线穿设与之对应的传动线套并与其滑移配合，另一所述传动线套与后传动线呈对应设置，所述后传动线穿设与之对应的传动线套并与其滑移配合。
优选地，所述小腿紧固件上设置有魔术贴，所述魔术贴绕设使用者的小腿并将小腿紧固件固定安装在使用者的小腿上。
优选地，所述小腿紧固件上设置有动力源，所述防水装置包括防水壳，所述防水壳固定安装在小腿紧固件上并罩设控制装置和动力源，所述防水装置还包括防水接头和防水连接线，所述防水接头和防水连接线用于将动力源、控制装置二者与防水壳外部的电路相连接。
优选地，所述动力源包括电池。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过传感装置检测人体的运动信息和脚蹼与水的作用力，并由控制装置对传感装置检测到的信息做分析和处理，从而控制驱动装置驱动脚蹼运动划水，为踝关节转动进行助力，有助于减少水下工作人员的能量消耗，从而有助于提高工作人员的水下活动能力，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小腿紧固件安装在使用者的小腿上，并将脚蹼套设在使用者的脚上，无须考虑外骨骼机器人系统与人体踝关节轴向对齐，有助于提高外骨骼机器人系统穿戴的舒适性；
3、本发明通过一个防水电机驱动双向滑轮做往复的转动，从而实现了助力踝关节在两个相反方向的运动，有助于减少外骨骼机器人系统的重量和复杂程度，且有助于提高外骨骼机器人系统运行的稳定性。
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系统在使用者腿部的安装结构示意图。
附图标记：1、传动线套；2、防水壳；3、电池；4、微处理器；5、防水惯性传感器；6、后传动线；7、双向滑轮；8、防水电机；9、基础结构；10、小腿紧固件；11、前传动线；12、传感装置；13、脚蹼；14、防水力传感器；15、驱动装置；16、防水装置；17、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用踝关节外骨骼机器人系统，包括基础结构9、传感装置12、控制装置、驱动装置15以及防水装置16。传感装置12、控制装置、驱动装置15以及防水装置16四者均安装在基础结构9上，且传感装置12与控制装置电连接，控制装置与驱动装置15电连接。
如图1所示，基础结构9包括小腿紧固件10和脚蹼13，小腿紧固件10为矩形盒体，小腿紧固件10与使用者的小腿贴合，且小腿紧固件10上固定安装有魔术贴17，魔术贴17在小腿紧固件10的上下两侧均安装有一个。两个魔术贴17分别缠绕在使用者小腿肌肉最突出处的上下两侧，并配合将小腿紧固件10固定安装在使用者的小腿上，且脚蹼13套设穿戴在使用者的脚上。
驱动装置15包括双向滑轮7、前传动线11、后传动线6以及驱动件，驱动件为防水电机8，防水电机8的机体通过螺栓固定安装在小腿紧固件10内，双向滑轮7与防水电机8的输出轴通过螺栓同轴固定连接。
前传动线11的一端穿设脚蹼13的脚背位置，并通过锁线器将前传动线11与脚蹼13固定连接，前传动线11的另一端通过设置在双向滑轮7上的卡接口结构与双向滑轮7固定连接，且前传动线11绕设在双向滑轮7的绕线槽内；后传动线6的一端穿设脚蹼13的脚跟位置，并通过锁线器将后传动线6与脚蹼13固定连接，后传动线6的另一端通过设置在双向滑轮7上的卡接口结构与双向滑轮7固定连接，且后传动线6绕设在双向滑轮7的绕线槽内。
双向滑轮7转动时，带动前传动线11和后传动线6运动，其一运动状态为：双向滑轮7转动带动前传动线11绕紧、后传动线6放松，则前传动线11将使用者的脚背位置提起，形成踝关节背屈，从而带动脚蹼13向上运动；另一运动状态为：双向滑轮7转动带动前传动线11放松、后传动线6绕紧，则后传动线6将使用者的脚跟位置提起，形成踝关节趾屈，从而带动脚蹼13向下运动。通过外骨骼机器人系统辅助使用者的踝关节转动，从而能够减少使用者的能量消耗。
进一步的，小腿紧固件10上安装有两个传动线套1，两个传动线套1分别位于双向滑轮7的两侧，两个传动线套1的形状均呈弧形，且两个传动线套1的其一端口均朝向脚蹼13另一端口均朝向双向滑轮7。两个传动线套1均自外向内穿入小腿紧固件10内并均与其过盈配合，且与脚蹼13后跟位于同侧的传动线套1与后传动线6呈对应设置，后传动线6穿设该传动线套1并与其滑移配合；与脚蹼13背部位于同侧的传动线套1与前传动线11呈对应设置，前传动线11穿设该传动线套1并与其滑移配合。由两个弧形的传动线套1分别引导前传动线11和后传动线6运动，提高了外骨骼机器人系统运动的稳定性。
如图1所示，传感装置12包括防水惯性传感器5和防水力传感器14，防水惯性传感器5在小腿紧固件10和脚蹼13上均通过胶水固定安装有一块。位于小腿紧固件10上的防水惯性传感器5用于检测使用者小腿的运动状态，位于脚蹼13上的防水惯性传感器5用于检测使用者脚部的运动状态，两者综合可得到踝关节的运动状态。防水力传感器14通过胶水在脚蹼13上固定安装有一块，且防水力传感器14检测脚蹼13与水之间的作用力。
控制装置为微处理器4，微处理器4固定安装在小腿紧固件10内，且微处理器4分别与两个防水惯性传感器5、防水力传感器14以及防水电机8电连接。且微处理器4接收两个防水惯性传感器5和防水力传感器14传递的信号，分析得到人体潜水游动时的运动状态，并结合人体潜水时踝关节的运动特点，将运动控制指令发送给防水电机8，防水电机8接收微处理器4的控制指令，从而带动双向滑轮7转动。
小腿紧固件10上还固定安装有动力源，动力源为电池3，电池3为外骨骼机器人系统中的全部用电装置提供动力。防水装置16包括防水壳2、防水接头以及防水连接线，防水壳2罩设电池3和微处理器4，防水壳2外面的电子器件通过防水连接线连接到防水接头，由防水接头连接防水壳2内电路。从而减少了电池3和微处理器4二者因与水接触而造成的短路的情况发生，且为安装于小腿紧固件10上的防水惯性传感器5提供了安装位置。
工作原理
工作中，两个防水惯性传感器5分别检测使用者小腿和脚部的运动，并将检测数据输送至微处理器4，防水力传感器14检测脚蹼13与水之间的作用力，并将检测数据输送至微处理器4；微处理器4接收并处理两个防水惯性传感器5和防水力传感器14的数据，经分析得到使用者潜水游动时的运动状态，并结合人体潜水时踝关节运动的特点，将运动控制指令发送给防水电机8；防水电机8接收微处理器4的控制指令，带动双向滑轮7转动，从而带起前传动线11和后传动线6运动。若双向滑轮7转动使前传动线11绕紧、后传动线6放松，则前传动线11将脚背位置提起，形成踝关节背屈，带动脚蹼13向上运动；若双向滑轮7转动使前传动线11放松、后传动线6绕紧，则后传动线6将脚跟位置提起，形成踝关节趾屈，带动脚蹼13向下运动；从而为踝关节转动进行助力，进而减小使用者的能量消耗，提高使用者的水下活动能力及时间。
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)

1.一种辅助潜水用踝关节外骨骼机器人系统，其特征在于，包括基础结构(9)，所述基础结构(9)上设置有传感装置(12)、控制装置、驱动装置(15)以及防水装置(16)，所述传感装置(12)与控制装置电连接，所述控制装置与驱动装置(15)电连接并控制驱动装置(15)运动；
所述基础结构(9)包括设置在小腿上的小腿紧固件(10)和套设在脚掌上的脚蹼(13)；所述传感装置(12)用于检测人体的运动信息以及脚蹼(13)与水的作用力，所述控制装置用于接收并处理传感装置(12)获取的信息，所述驱动装置(15)用于带动踝关节进行转动运动，从而带动脚蹼(13)划动；所述防水装置(16)用于对机器人系统的防水保护。
2.如权利要求1所述的一种辅助潜水用踝关节外骨骼机器人系统，其特征在于，所述传感装置(12)包括防水惯性传感器(5)，所述防水惯性传感器(5)在小腿紧固件(10)和脚蹼(13)上均设置有一组，位于所述小腿紧固件(10)上的防水惯性传感器(5)用于检测小腿的运动状态，位于所述脚蹼(13)上的防水惯性传感器(5)用于检测脚部的运动状态。
3.如权利要求1所述的一种辅助潜水用踝关节外骨骼机器人系统，其特征在于，所述传感装置(12)还包括防水力传感器(14)，所述防水力传感器(14)设置在脚蹼(13)上，且所述防水力传感器(14)用于检测脚蹼(13)与水之间的作用力。
4.如权利要求1所述的一种辅助潜水用踝关节外骨骼机器人系统，其特征在于，所述控制装置包括微处理器(4)，所述微处理器(4)用于接收并处理传感装置(12)获取的信息，且所述微处理器(4)还用于控制驱动装置(15)运动。
5.如权利要求1所述的一种辅助潜水用踝关节外骨骼机器人系统。其特征在于，所述驱动装置(15)包括双向滑轮(7)、前传动线(11)、后传动线(6)以及用于驱动双向滑轮(7)转动的驱动件，所述双向滑轮(7)转动架设在小腿紧固件(10)上，所述前传动线(11)远离双向滑轮(7)的一端与脚蹼(13)的脚背位置固定连接，所述后传动线(6)远离双向滑轮(7)的一端与脚蹼(13)的脚后跟位置固定连接。
6.如权利要求5所述的一种辅助潜水用踝关节外骨骼机器人系统，其特征在于，所述驱动件包括防水电机(8)，所述防水电机(8)的输出轴与双向滑轮(7)同轴固定连接，且所述防水电机(8)与控制装置电连接。
7.如权利要求5所述的一种辅助潜水用踝关节外骨骼机器人系统，其特征在于，所述小腿紧固件(10)上还安装有两个传动线套(1)，两个所述传动线套(1)均呈弧形设置，且两个所述传动线套(1)的其一端口均朝向双向滑轮(7)另一端口均朝向脚蹼(13)，其一所述传动线套(1)与前传动线(11)呈对应设置，所述前传动线(11)穿设与之对应的传动线套(1)并与其滑移配合，另一所述传动线套(1)与后传动线(6)呈对应设置，所述后传动线(6)穿设与之对应的传动线套(1)并与其滑移配合。
8.如权利要求1所述的一种辅助潜水用踝关节外骨骼机器人系统，其特征在于，所述小腿紧固件(10)上设置有魔术贴(17)，所述魔术贴(17)绕设使用者的小腿并将小腿紧固件(10)固定安装在使用者的小腿上。
9.如权利要求1所述的一种辅助潜水用踝关节外骨骼机器人系统，其特征在于，所述小腿紧固件(10)上设置有动力源，所述防水装置(16)包括防水壳(2)，所述防水壳(2)固定安装在小腿紧固件(10)上并罩设控制装置和动力源，所述防水装置(16)还包括防水接头和防水连接线，所述防水接头和防水连接线用于将动力源、控制装置二者与防水壳(2)外部的电路相连接。
10.如权利要求1所述的一种辅助潜水用踝关节外骨骼机器人系统，其特征在于，所述动力源包括电池(3)。
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