CN115476345A - 一种老年人登山助行设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种老年人登山助行设备，包括腰部主体，其两侧分别通过侧腰绑带与两个髋关节架连接，两个髋关节架通过前腰锁扣可拆卸连接，两个髋关节架分别与两个大腿杆连接，两个大腿杆分别通过膝部助力关节架与两个小腿杆连接，两个小腿杆的底部分别通过小腿关节架与两个小腿绑带连接。本老年人登山助行设备，在登山活动中旋转助力开关，可助力老人下肢，减轻下肢负担，使用过程中，开启降温模块，实用舒适，开启定位模块，定位老人位置信息，如发生意外，可迅速搜救，开启语音模块，可提示老人前方路况及风险警告，安全高效，设备可在膝部关节处折叠，压缩产品空间占比。
Description
技术领域
本发明涉及登山助行技术领域，尤其涉及一种老年人登山助行设备。
背景技术
近年来，登山徒步等户外活动逐渐在老年人群中兴起，越来越多的老年人通过此种方式来探索祖国河山的壮丽之景，在获得心灵放松的同时又促进了身体素质的提升。然而登山活动中的运动损伤、跌倒风险对老年群体的生命健康安全存有极大威胁，因此针对登山场景下老年人群助行产品研究具有较高的应用价值及社会意义。
从目前已有老年助行产品应用来看，主要针对日常生活辅助及医疗康复，对于登山等特定场景下的应用研究不足，特别是对登山过程中，给予老年人下肢助力，减轻下肢负担，提高登山舒适度以及安全性能，没有相应的研究。
综上所述，有必要提出一种老年人登山助行设备，以解决上述问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，针对目前已有老年助行产品应用来看，对于登山等特定场景下的应用研究不足，特别是对登山过程中，给予老年人下肢助力，减轻下肢负担，提高登山舒适度以及安全性能，没有相应的研究的问题，提出了一种老年人登山助行设备。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种老年人登山助行设备，该老年人登山助行设备包括：腰部主体，其两侧分别通过侧腰绑带与两个髋关节架连接，两个髋关节架通过前腰锁扣可拆卸连接，两个髋关节架分别与两个大腿杆连接，两个大腿杆分别通过膝部助力关节架与两个小腿杆连接，两个小腿杆的底部分别通过小腿关节架与两个小腿绑带连接。
其中，腰部主体内中心部位设置有风机，风机的前后侧的腰部主体外壳上均设置有多个风孔，风机与风机按钮电性连接，风机按钮设置于左腿的髋关节架外侧。
其中，腰部主体上设置有定位器和语音模块，语音模块包括电性连接的扬声器、MP3语音模块以及充电电池，充电电池与定位器和风机电性连接，腰部主体的壳体上设置有充电孔，与充电电池电性连接。
其中，两个髋关节架分别连接前腰带，两个前腰带通过前腰锁扣可拆卸连接。
其中，髋关节架、膝部助力关节架和大腿杆三者形成大腿结构，小腿杆和小腿关节架形成小腿结构，大腿结构与小腿结构通过转动机构连接，小腿绑带与小腿关节架通过转轴连接。
其中，两个髋关节架上对应大腿质心的位置安装有姿态传感器，用于收集大腿转动数据，预测小腿摆动并对小腿进行助力。
其中，姿态传感器预测小腿摆动的预测方法为：先分析老年人上下坡任务的下肢行为特征收集数据，通过数据分析，寻找在登山过程中大小腿运动趋势及规律；对比大小腿摆动角度的范围值、最大角位移值，并对大小腿摆角范围值及最大角位移值进行均值统计，为产品设计中的助力方案的选择提供参考；对比上坡与下坡过程下肢运动的差异、完成上下坡任务时男性与女性老年人之间的差异，得到对应的差异数据，根据得到的大腿数据，来预测小腿摆动，为助力方案设计提供差异化设计方向的数据参考。
其中，右腿的髋关节架外侧设置有旋转开关，旋转开关与两个姿态传感器和两个伺服电机电性连接，两个伺服电机分别安装于两个转动机构内。
其中，髋关节架、膝部助力关节架以及小腿关节关节架上均镶嵌有灯带，灯带与51单片机电性连接，51单片机安装于腰部主体内。
其中，小腿杆为内外套杆结构，小腿杆的底端上设置有长度调节钮。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
本老年人登山助行设备，在登山活动中旋转助力开关，可助力老人下肢，减轻下肢负担，使用过程中，开启降温模块，实用舒适，开启定位模块，定位老人位置信息，如发生意外，可迅速搜救，开启语音模块，可提示老人前方路况及风险警告，安全高效，设备可在膝部关节处折叠，压缩产品空间占比。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的老年人登山助行设备的结构示意图；
图2为腰部主体的正视结构示意图；
图3为小腿杆拉伸状态结构示意图；
图4为老年人登山助行设备的折叠收纳状态结构示意图；
图5为大腿结构与小腿结构之间的转动机构的爆炸结构示意图；
图6为小腿绑带与小腿关节架之间的连接转轴的结构示意图；
图7为单片机在腰部主体上的安装位置示意图；
图8为姿态传感器在髋关节架上的安装位置示意图；
图9为下肢运动模型示意图；
图10为单个上坡步态周期下肢变化示意图；
图11为单个下坡步态周期下肢变化示意图。
图中：腰部主体1、侧腰绑带2、髋关节架3、旋转开关4、前腰锁扣5、大腿杆6、膝部助力关节架7、小腿杆8、小腿关节架9、小腿绑带10、风孔11、扬声器12、充电孔13、传动机构14、伺服电机15、转轴16、姿态传感器17以及51单片机18。
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。
请参见图1-图4，图1为本发明提供的老年人登山助行设备的结构示意图；图2为腰部主体的正视结构示意图；图3为小腿杆拉伸状态结构示意图；图4为老年人登山助行设备的折叠收纳状态结构示意图。
腰部主体1两侧分别通过侧腰绑带2与两个髋关节架3连接，两个髋关节架3分别连接前腰带，两个前腰带通过前腰锁扣5可拆卸连接。腰部主体1内中心部位设置有风机，风机的前后侧的腰部主体1外壳上均设置有多个风孔11，风机与风机按钮电性连接，风机按钮设置于左腿的髋关节架3外侧。腰部主体1上设置有定位器和语音模块，语音模块包括电性连接的扬声器12、MP3语音模块以及充电电池，充电电池与定位器和风机电性连接，腰部主体1的壳体上设置有充电孔13，与充电电池电性连接。语音模块通过MP3导入及播放语音文件通过扬声器发声，支持的是新用户初次使用设备时的功能引导、在路程中关键地标处的语音提示、运动时长过长及风险发生前后的语音警示功能。
两个髋关节架3分别与两个大腿杆6连接，两个大腿杆6分别通过膝部助力关节架7与两个小腿杆8连接，两个小腿杆8的底部分别通过小腿关节架9与两个小腿绑带10连接。小腿杆8为内外套杆结构，小腿杆8的底端上设置有长度调节钮。髋关节架3、膝部助力关节架7和大腿杆6三者形成大腿结构，小腿杆8和小腿关节架9形成小腿结构，大腿结构与小腿结构通过转动机构连接，小腿绑带10与小腿关节架9通过转轴16连接。请参见图5-图6，图5为大腿结构与小腿结构之间的转动机构的爆炸结构示意图，图6为小腿绑带与小腿关节架之间的连接转轴的结构示意图，在本实施例中，转动机构包括伺服电机15和传动机构14，膝部助力关节架7与伺服电机15连接，伺服电机15通过传动机构14与小腿杆8转动连接；小腿关节架9通过转轴16与小腿绑带10转动连接，实现转动收纳。
髋关节架3、膝部助力关节架7以及小腿关节关节架9上均镶嵌有灯带，灯带与51单片机18电性连接，51单片机18安装于腰部主体1内，请参见图7，图7为单片机在腰部主体上的安装位置示意图。通过51单片机18控制灯带，用户操作设备，灯带会有相应颜色变化及闪烁反馈。设备开机，灯带为蓝色并闪烁一次；设备关机，灯带为蓝色闪烁一次；控制风扇，灯带为蓝色闪烁一次；开启路线引导功能，灯带为蓝色闪烁一次；用户运动超时未休息，灯带变为红色连续闪烁；路面有风险，灯带为红色闪烁一次。
两个髋关节架3上对应大腿质心的位置安装有姿态传感器17，用于收集大腿转动数据，预测小腿摆动并对小腿进行助力，请参见图8，图8为姿态传感器在髋关节架上的安装位置示意图。右腿的髋关节架3外侧设置有旋转开关4，旋转开关4与两个姿态传感器、两个伺服电机15电性连接。使用时膝部位置的伺服电机15驱动模块与髋部内置的姿态传感器17相配合，姿态传感器17通过识别大腿的摆动规律，对登山过程中小腿摆动趋势进行预测，从而控制海泰HT100伺服电机15和传动机构14带动小腿杆8进行摆动。考虑到机械式旋钮的盲操作准确性更高，更适合老年人的使用行为习惯，故在该助行设备的开关设计上采用机械式旋钮的方式，向前旋动即可开启设备。考虑到右利手情况居多，因此开关设置在右侧。设备启动后，由髋关节架3内的姿态传感器监测大腿摆动情况，并对登山过程中小腿摆动趋势进行预测，通过海泰HT100伺服电机的转动对小腿运动进行助力。
姿态传感器预测小腿摆动的预测方法为：先分析老年人上下坡任务的下肢行为特征收集数据，通过数据分析，寻找在登山过程中大小腿运动趋势及规律；对比大小腿摆动角度的范围值、最大角位移值，并对大小腿摆角范围值及最大角位移值进行均值统计，为产品设计中的助力方案的选择提供参考；对比上坡与下坡过程下肢运动的差异、完成上下坡任务时男性与女性老年人之间的差异，得到对应的差异数据，根据得到的大腿数据，来预测小腿摆动，为助力方案设计提供差异化设计方向的数据参考。
具体的数据采集方法：为便于对登山过程中老年人的下肢进行运动分析，需要对运动过程中相关参数进行定义，结合研究中所使用的姿态传感器坐标轴定义方式，将下肢运动简化为在xoy平面内，绕z轴旋转的两杆模型，见图9，图9为下肢运动模型示意图。OA代表大腿，大腿长度为L1，大腿在矢状面内任意时刻转动的与y轴所夹角度为θ1。途中AB段代表小腿，小腿长度为L2，小腿在矢状面内任意时刻转动的与y轴所夹角度为θ2。当转角θ1及θ2等于0时，大腿及小腿为竖直状态；当转角θ1及θ2大于0，大腿及小腿为正向摆动状态；当转角θ1及θ2小于0，大腿及小腿为反向摆动状态。在申请中通过姿态传感器来收集上下坡任意时刻大小腿转角θ1及θ2，并通过统计分析来获得老年人上下坡过程中的运动行为规律。该姿态传感器为维特智能出品，型号为BWT901BLECL5.0，该产品内部测量模块包括了三轴陀螺仪模块、三周加速度计模块、地磁场传感器模块、蓝牙5.0模块，采用先进的运动解算和卡尔曼动态滤波算法，可以对该传感器的实时位置姿态进行解算。搭载的蓝牙5.0模块可保证50米内的稳定数据传输。该设备输出加速度数据量程为-16g至16g，角速度量程为-2000deg/s至2000deg/s，绕X轴、Z轴角度测量范围为±180deg，绕Y轴旋转角度测量范围为±90deg。在测量大小腿步态数据时，应保持传感器Y轴指向为垂直轴方向，X轴指向为矢状轴方向，传感器与腿部侧面相贴合，Z轴所测数据即可作为腿部绕冠状轴所转动的角度。在穿戴过程中，需要将上位机中的测量安装方向由默认的水平更改为垂直，且开始时需校准加速度计和陀螺仪，并对Z轴角度置零，将回传速率设置为50HZ。
采集方案：（1）采集样本人群：结合产品应用场景，使用人群应具备登山的活动能力，因此样本数据均在实际户外活动场景下招募采集。本次数据采集共招募符合上述条件的60周岁至65周岁的，BMI值在18.5至23.9区间内的老年人共30名，其中男女各15人，后续研究中依据受试者步速、实验任务完成的完整性进行样本筛选，去除步速过慢或过快、实验任务完成不流畅的样本数据，保证后期数据分析的合理性。
（2）采集环境：本文研究主要是针对老年人在登山过程中的步态分析，为最大程度还原老年人登山过程中的实际肢体运动方式，因此数据均在老年人登山的实际情境下进行采集。同时为减少数据收集过程中因日间时段、天气、路面状况等环境要素对老年人步态行为数据造成的客观误差，因此所有数据的收集均在相同天气状况、相同路段下进行采集。
（3）实验任务：受试者在了解测试流程后，按照测试人员的指引完成相应的上坡、下坡任务。
（4）数据收集：每一名受试者将产生上下坡数据共6组，其中每一组数据时长约100s，在后期筛选中，截取中间数据，以此减少由于收集开始和结束时，因外界干扰所产生的数据误差。同时为减少用户主观因素对大腿、小腿运动数据产生的差异，在数据筛选时保障男女样本数量均衡的同时，对样本的步速、BMI值进行筛选，保障此类因素无显著性差异。
采集步骤：介绍实验目的，让受试者了解实验全流程：告知受试者本次实验目的在于收集其在登山过程中下肢的运动数据，需要受试者完成3次的上下坡步行测试，每次行走时间不限，行走坡面距离为30米，期间会有一次的休息时间，休息时长为5分钟。
实验前的穿戴准备：a.测量并记录受试者的体重、身高，询问年龄、记录性别。b.将设备分别穿戴至大腿质心、小腿质心位置。c.告知用户自由活动一段时间，以适应设备的穿戴感受。
开始收集数据：受试者保持正常站立姿态，收到开始指令后开始步行（注意记录数据需要提前10秒左右，开机十秒后提醒受试者开始动作）。
数据收集完毕：a.整理上位机中的数据（data文件夹中），按照实验数据样本采集顺序命名。b.将数据放入指定的文件夹中。
数据结论：通过对上下坡过程下肢运动数据整理、下肢运动摆角范围及摆角峰值对比、 上下坡任务中下肢运动性别差异对比、单个步态周期内大小腿运动分析，得到了下表1、图10和图11的结论。图10为单个上坡步态周期下肢变化示意图；图11为单个下坡步态周期下肢变化示意图。
通过设计老年人上下坡登山任务实验，使用Wit-motion姿态传感设备完成了对大小腿步态数据的收集。通过独立样本t检验、成对样本t检验的数据统计分析方法，对比分析了性别差异、上下坡过程大小腿运动的摆动范围值及最大角位移之间的差异。通过对步态数据的单步态周期进行提取拟合，得到上下坡过程中大小腿摆动角度均值变化曲线，并通过对单步态周期中下肢关键运动节点进行划分，总结出了上坡与下坡过程中大小腿在单个步态周期中的运动规律。依据实验数据分析的结果，提出了助力方案的设计方向，同时为差异化、智能化老年人登山助力功能设计方案的提出提供科学依据。
根据上述数据的收集，形成一个本产品的数据库，当本设备中的髋关节架3上的姿态传感器收集到正在使用的老年人的大腿转动数据后，则根据上述数据预测小腿摆动并通过控制器控制电机摆动小腿杆对小腿进行助力。
本老年人登山助行设备各关节外壳材料选择聚碳酸酯塑料PC，该塑料强度高、尺寸稳定、耐老化耐热且抗冲击性优。本设备为可穿戴产品，穿在用户身上的重量需要考虑，对于助行设备的驱动杆的材料中可选材料为铝合金与碳纤维，这两种材料的质量轻，相比来看碳纤维质量更轻，但如果考虑产品生产制造的成本，则可选择铝合金材料。在与肢体直接接触的绑带、支撑垫上可采用具有弹性且支撑性强的硅胶作为底衬，海绵搭配透气的织网作为外包材质。
本老年人登山助行设备，采用姿态传感器监测大腿的运动，在大腿摆动时给予小腿前摆助力，以此起到登山助力的效果。主体可分为腰部、大腿杆及小腿杆三个部分。开关旋钮在右腿髋部位置，实现助力功能启动与关闭。
腰部主体内置风机，以此减少用户登山途中的闷热，同时增加助行产品穿戴后的舒适感。用户可通过左腿位置的按钮对风机进行控制，通过连续按压进行三档调节。
膝部位置的电机驱动模块与髋部内置的姿态传感器相配合，通过识别大腿的摆动规律，电机带动小腿杆进行摆动。在小腿杆末端的位置为小腿杆长度调节按钮，用户可依据自身下肢尺寸，调整至佩戴舒适位置。
在腰部主体下方为充电口及扬声器；髋部两侧设有灯带，用以给予用户在执行某操作后的视觉反馈。考虑到机械式旋钮的盲操作准确性更高，更适合老年人的使用行为习惯，故在该助行设备的开关设计上采用机械式旋钮的方式，向前旋动即可开启设备。考虑到右利手情况居多，因此开关设置在右侧。设备启动后，由髋部位置的姿态传感器监测大腿摆动情况，并对登山过程中小腿摆动趋势进行预测，通过海泰HT100伺服电机的转动对小腿运动进行助力。
语音模块的扬声器设置在腰部主体的底部位置，两侧分布，使得声音传出更立体。在功能上，语音模块主要支持的是新用户初次使用设备时的功能引导、在路程中关键地标处的语音提示、运动时长过长及风险发生前后的语音警示功能。
降温功能属于产品的辅助功能，设计此功能的目的在于增加老年登山用户在炎热天气状况下穿戴该产品的舒适性，同时在高温天气登山时降低登山中暑等情况的发生。考虑到直吹风可能会对老年人的肢体关节产生不良影响，故采用腰部主体中部设置挡风板的方式，改变风道，使得风吹向挡风板时能够被分流至背部及下肢处。
此外在硬件产品上设置了定位模块，并结合线上平台的位置共享与查询，使用户亲友及救援人员能够及时获取用户位置信息。考虑到整体产品的内部空间容纳问题，将该定位模块放置在腰部主体内的开发板上。
考虑到老年用户可能出现听觉异常的情况，因此在产品设计中增添了视觉通道的反馈，用以辅助加强该产品对用户的信息反馈效用。通过结合听觉通道的反馈，使得用户在使用产品及登山过程中能够更有效地接收到助行产品所反馈到地信息。灯光色彩的选取主要依据目前人们日常生活中对于色彩信息的感知，如正常状况为蓝色、紧急及警示时为红色。
考虑到人体下肢尺寸的差异及产品穿戴的匹配度，在小腿位置设计了伸缩结构，通过按压下端按钮进行伸长缩短调节。这种伸缩结构，可以通过电机控制内套杆在外套杆内的伸长缩短来实现，为现有技术，不做过多说明。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种老年人登山助行设备，其特征在于，包括：腰部主体，其两侧分别通过侧腰绑带与两个髋关节架连接，两个所述髋关节架通过前腰锁扣可拆卸连接，两个所述髋关节架分别与两个大腿杆连接，两个所述大腿杆分别通过膝部助力关节架与两个小腿杆连接，两个所述小腿杆的底部分别通过小腿关节架与两个小腿绑带连接。
2.根据权利要求1所述的老年人登山助行设备，其特征在于，所述腰部主体内中心部位设置有风机，所述风机的前后侧的腰部主体外壳上均设置有多个风孔，所述风机与风机按钮电性连接，所述风机按钮设置于左腿的所述髋关节架外侧。
3.根据权利要求2所述的老年人登山助行设备，其特征在于，所述腰部主体上设置有定位器和语音模块，所述语音模块包括电性连接的扬声器、MP3语音模块以及充电电池，所述充电电池与所述定位器和所述风机电性连接，所述腰部主体的壳体上设置有充电孔，所述充电孔与所述充电电池电性连接。
4.根据权利要求1所述的老年人登山助行设备，其特征在于，两个所述髋关节架分别连接前腰带，两个所述前腰带通过所述前腰锁扣可拆卸连接。
5.根据权利要求1所述的老年人登山助行设备，其特征在于，所述髋关节架、所述膝部助力关节架和大腿杆三者形成大腿结构，所述小腿杆和所述小腿关节架形成小腿结构，所述大腿结构与所述小腿结构通过转动机构连接，所述小腿绑带与所述小腿关节架通过转轴连接。
6.根据权利要求5所述的老年人登山助行设备，其特征在于，两个所述髋关节架上对应大腿质心的位置安装有姿态传感器，用于收集大腿转动数据，预测小腿摆动并对小腿进行助力。
7.根据权利要求6所述的老年人登山助行设备，其特征在于，所述姿态传感器预测小腿摆动的预测方法为：先分析老年人上下坡任务的下肢行为特征收集数据，通过数据分析，寻找在登山过程中大小腿运动趋势及规律；对比大小腿摆动角度的范围值、最大角位移值，并对大小腿摆角范围值及最大角位移值进行均值统计，为产品设计中的助力方案的选择提供参考；对比上坡与下坡过程下肢运动的差异、完成上下坡任务时男性与女性老年人之间的差异，得到对应的差异数据，根据得到的大腿数据，来预测小腿摆动，为助力方案设计提供差异化设计方向的数据参考。
8.根据权利要求6所述的老年人登山助行设备，其特征在于，右腿的所述髋关节架外侧设置有旋转开关，所述旋转开关与两个所述姿态传感器和两个伺服电机电性连接，两个所述伺服电机分别安装于两个转动机构内。
9.根据权利要求1所述的老年人登山助行设备，其特征在于，所述髋关节架、所述膝部助力关节架以及所述小腿关节关节架上均镶嵌有灯带，所述灯带与51单片机电性连接，所述51单片机安装于所述腰部主体内。
10.根据权利要求1所述的老年人登山助行设备，其特征在于，所述小腿杆为内外套杆结构，所述小腿杆的底端上设置有长度调节钮。
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|---|---|---|---|
| CN202211374901.8A CN115476345A (zh) | 2022-11-04 | 2022-11-04 | 一种老年人登山助行设备 |
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| CN115476345A true CN115476345A (zh) | 2022-12-16 |
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2022
- 2022-11-04 CN CN202211374901.8A patent/CN115476345A/zh active Pending
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