CN207874218U - 穿戴式助力系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种穿戴式助力系统，包括穿着部、驱动部和供电单元，本实用新型的穿戴式助力系统与现有的助力装置相比，具有柔性可穿戴、驱动‑传感一体化的特点。特别是基于EAP软材料研制的驱动器，与传统的电磁式、压电式作动器相比，具有可控变形大、可变自由度多、响应速度快、质量轻、无需传动结构、无噪声、柔性可穿戴等优点。此外，结合EAP材料力电相互转化特性，可反向地将使用者的运动能量实时转化为电能。该系统不仅可以用于智能化单兵装备，还可广泛应用于旅游、消防、康复医疗等民用领域。

Description

穿戴式助力系统

技术领域

本实用新型涉及关节辅助运动技术领域，尤其涉及一种穿戴式助力系统。

背景技术

进入21世纪以来，虽然世界大环境呈和平态势，但是恐怖主义、宗教叛乱等突发事件越发严重，局部地区战争或武装冲突时有发生，从新世纪初发生的阿富汗战争、科特迪瓦内战到当前的利比亚冲突等重大事件不难看出，现代军事科学与技术的快速发展已使当前武器装备得到了大幅度革新，进而决定性地影响了相关战争或冲突的最终发展态势。然而，由于作战形式与环境的日益复杂化，士兵需满足越来越高的作战要求，包括特殊地形攀爬、野外长距离行进等；另一方面，随着作战装备日趋智能化，士兵随身携带越来越多的电子设备，包括移动通讯终端、多功能侦查器、夜视仪等，这些设备不仅大大增加了单兵负重，而且对移动电源供给提出了更大的挑战。在现代战场上，随着未来单兵机动力、防护力、进攻力和信息力的发展，必然使得单兵负重进一步增加，能源需求进一步加大。因此，无论从全球军事格局还是未来战争形态来看，都对未来单兵装备提出了更高的要求，智能化、多功能性将是未来单兵装备发展的必然趋势，单兵助力设备与能源供给方式的科技创新必将成为单兵野外作战能力大幅度提升的核心推动力。

为此，近些年西方国家投入了大量人力、物力与财力开展相关技术研究。例如俄罗斯开发的单兵助力外骨骼样机—“勇士-21”，法国于2011年 MILIPOL(国际军警保安器材展)上展出了单兵外骨骼战斗服“大力神”等。各国科研团队研制的单兵助力系统主要以附着在人体四周的“外骨骼系统”为主，这些单兵装备起到了一定的助力作用，但却普遍存在以下致命性缺陷：

(1)自由度低、运动匹配性差。绝大部分装备只能支持单一方向运动，而人体的活动是多自由度的，并具有一定的任意性。因此，这些装备严重制约了其助力效果，甚至发挥副作用；

(2)系统重量大、能源消耗高。目前见诸报道的各种试验样机，轻者几十公斤，重者达上百公斤，穿戴极其不便，机动性较差，且普遍存在功率消耗大等问题，大大降低了其野外实用性；

(3)结构复杂、功能单一。外骨骼系统包含复杂的驱动单元、传动机构、控制线路、电池模块等，大大增加了系统的可靠性风险。此外，该系统仅能提供简单的助力作用，这很难满足当前战局对单兵装备的多功能性、轻便性、可靠性等多要素一体化的要求。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种穿戴式助力系统，该穿戴式助力系统具有柔性可穿戴、驱动传感一体化、质量轻和结构简单等优点，可以有效地克服现有技术中存在的技术问题。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：

一种穿戴式助力系统，包括穿着部、驱动部和供电单元，所述穿着部可穿着于使用者关节上下两侧，其包括穿着于关节上侧的第一穿着部和穿着于关节下侧的第二穿着部，所述驱动部的两端分别连接第一穿着部和第二穿着部，当所述供电单元向驱动部供电时，所述驱动部发生形变，并联动地改变第一穿着部和第二穿着部之间的距离，达到对肢体辅助作动的效果。

该穿戴式助力系统与现有的助力装置相比，具有柔性可穿戴、驱动-传感一体化、质量轻等优点。

进一步地，所述驱动部包括单个或多个柱形介电型EAP驱动器，所述柱形介电型EAP驱动器通电后可输出轴向位移。

进一步地，所述柱形介电型EAP驱动器包括压缩弹簧，所述压缩弹簧两端分别安装有端盖，预拉伸的介电型EAP膜卷绕在预压缩状态下的压缩弹簧和端盖上，所述介电型EAP膜两侧覆有柔性电极。

在上述方案的基础上，还包换能部、电控装置和储能单元，所述换能部可穿着于使用者的关节外侧，当关节运动时可使换能部发生形变进而产生电能，所述电控装置用于对换能部预先施加初始电压，并控制充电电路通断，最终将换能部产生的电能进行高低压转换后输送至储能单元进行储存。

结合柔性可穿戴的换能部，可将使用者的运动能量实时转化为电能为穿戴式助力系统自身或其他随身电子设备正常运行提供能源保障。

进一步地，所述换能部包括单个或多个介电型EAP发电单元及第三穿着部，所述介电型EAP发电单元固定在所述第三穿着部上，并通过所述第三穿着部穿着于使用者的关节外侧。

进一步地，所述介电型EAP发电单元包括第二介电型EAP薄膜和安装在第二介电型EAP薄膜两侧的第二柔性电极，所述第二柔性电极连接电控装置。

进一步地，所述第三穿着部位于所述第一穿着部和所述第二穿着部之间，并通过缝制方式分别连接所述第一穿着部和所述第二穿着部。

进一步地，所述驱动部与供电单元之间、所述换能部与电控装置之间分别通过导线连接，所述导线部分包埋于所述第一穿着部或所述第二穿着部内，并从所述第一穿着部或所述第二穿着部集中引出。

进一步地，所述柱形介电型EAP驱动器和/或所述介电型EAP发电单元外包覆有绝缘层。

本实用新型的穿戴式助力系统与现有的助力装置相比，具有柔性可穿戴、驱动-传感一体化的特点。特别是基于EAP软材料研制的驱动器，与传统的电磁式、压电式作动器相比，具有可控变形大、可变自由度多、响应速度快、质量轻、无需传动结构、无噪声、柔性可穿戴等优点。结合EAP材料力电相互转化特性，可反向地将使用者的运动能量实时转化为电能，为穿戴式助力系统自身或其他随身电子设备正常运行提供能源保障。

本实用新型的穿戴式助力系统不仅可以用于智能化单兵装备，而且在民用领域可广泛应用于登山、消防、等需要肢体作动的情况，通过辅助肢体作动，有效的降低机体消耗；还可以用于老年人、肢体运动障碍病人进行康复运动，具有很好的发展前景。

附图说明

图1本实用新型的穿戴式助力系统结构示意图；

图2本实用新型的柱形介电型EAP驱动器分解结构示意图；

图3本实用新型的介电型EAP发电单元拉伸时的结构示意图；

图4本实用新型的介电型EAP发电单元收缩时的结构示意图；

其中，图中的件号表示为：

1、柱形介电型EAP驱动器；2、穿着部；3、换能部；4、储能单元；5、供电单元；6、电控装置；7、导线；11、压缩弹簧；12、端盖；13、介电型 EAP膜；14、柔性电极；141、电极引线；21、第一穿着部；22、第二穿着部；31、第三穿着部；32、介电型EAP发电单元；321、第二介电型EAP薄膜； 322、第二柔性电极；

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

如图1所示，穿戴式助力系统用于辅助关节的屈伸，特别是膝关节与肘关节的屈伸。穿戴式助力系统包括穿着部2、驱动部和供电单元5。

穿着部2是穿戴式助力系统的承载机构，用于承载驱动部，使其可穿戴于人体上。穿戴部2可跨越地穿着于使用者关节的上下两侧，它包括穿着于关节上侧的第一穿着部21和穿着于关节下侧的第二穿着部22。具体地，第一穿着部21和第二穿着部22用柔性材质制成，为了不阻碍关节运动以及增加穿戴的舒适性，优选使用具有弹性布料制成；第一穿着部21和第二穿着部22可为图1所示的环状物，也可以设计为带状，当为带状时，需要增设有魔术贴或卡扣等连接件，以便于第一穿着部21和第二穿着部22固定于人体上。

驱动部是穿戴式助力系统的动力输出机构，驱动部可将电能转换为辅助关节运动的机械能。驱动部的两端分别连接第一穿着部21和第二穿着部22。驱动部通电时可发生形变，并联动地改变第一穿着部21和第二穿着部22之间的距离，使关节弯曲或伸展，达到对肢体辅助作动的效果。具体地，驱动部包括单个或多个通电后可输出轴向位移的柱形介电型EAP驱动器1。

EAP(Electro-active Polymers)也称电活性材料，是一种典型的人工肌肉材料。如图2所示，柱形介电型EAP驱动器1包括压缩弹簧11，压缩弹簧11两端分别安装有端盖12，端盖12起到固定压缩弹簧11和介电型EAP 膜13的作用，介电型EAP膜13两侧覆有柔性电极14，柔性电极上设置有电极引线141，将预拉伸的介电型EAP膜13卷绕在预压缩状态下的压缩弹簧 11和端盖12上。断电状态时，柱形介电型EAP驱动器1的介电型EAP膜 13内的应力与压缩弹簧11的压缩力相平衡，成为平衡态1。为增强安全性，防止漏电，在柱形介电型EAP驱动器11外包覆有绝缘层。

上述的预拉伸是指通过双向拉伸机构按照要求的预拉伸率对介电型EAP膜13同时进行X、Y两个方向的拉伸。

柱形介电型EAP驱动器1的工作原理如下：

断电状态时，柱形介电型EAP驱动器1的介电型EAP膜13内的应力与压缩弹簧11的压缩力相平衡，成为平衡态1。当通电后，介电型EAP膜两面的柔性电极14上的异性电荷相互吸引，在Maxwell应力的作用下，介电型EAP膜13的厚度减小，其刚度降低，这样压缩弹簧11的恢复力将大于介电型EAP膜13内的拉应力，使原有平衡状态打破，介电型EAP驱动器1 伸长。当压缩弹簧11恢复力与介电型EAP膜13的内应力达到新的平衡，成为平衡态2，柱形介电型EAP驱动器1形变停止。

当断电后，Maxwell应力作用将消失，介电型EAP膜13迅速恢复到近似平衡态1时的刚度，这样，介电型EAP膜13内的拉应力将大于平衡态2 时压缩弹簧11的回复力，从而带动压缩弹簧11回缩。当压缩弹簧11的回复力与介电型EAP膜13内的拉应力达到平衡态1，柱形介电型EAP驱动器恢复原状。

供电单元5用于可控地向驱动部提供电能。更为具体地，供电单元5还包括升压器、运动控制电路和电源，电源通常使用固态电池。升压器将电源的低电压转换为可供驱动的高电压，以使驱动部运行。运动控制电路控制电源向驱动部供电；更具体地，运动控制电路集数据记录、分析、触发、保护功能于一体，具有自学习功能，能够根据使用者的运动习惯，规律性的触发驱动部，产生驱动力，辅助关节运动；同时在检测到漏电时，能够及时切断电路保护使用者。

为了对人体运动的机械能加以利用，可增设将肢体运动的机械能转化为电能的装置，包括换能部3、电控装置6和储能单元4。换能部3可穿着于使用者的关节外侧，肢体反复作动时关节的弯曲、伸展转化为换能部3的周期性形变，进而将机械能转化为电能储存起来。所述电控装置6用于对换能部3预先施加初始电压，控制充电电路的通断，并将换能部3产生的电能进行高低压转换后输送至储能单元4进行储存。

具体地，换能部3包括第三穿着部31和介电型EAP发电单元32，介电型EAP发电单元32固定在第三穿着部31上，并通过第三穿着部31穿着于使用者的关节外侧。如图3、图4所示，介电型EAP发电单元31包括第二介电型EAP薄膜321和安装在第二介电型EAP薄膜321两侧的第二柔性电极 322，第二柔性电极322通过导线连接电控装置6。为增强安全性，防止漏电，在介电型EAP发电单元外包覆有绝缘层。

介电型EAP具有恒电压、恒电荷、恒电场三种发电模式，本实用新型所涉及EAP发电模式采用恒电荷模式，其原理如下：

充电模式下，电控装置6向换能部3的介电型EAP薄膜321两侧预先施加初始电压，关节(特别是膝关节和肘关节)屈伸过程中，关节弯曲会拉伸换能部，使第二介电型EAP薄膜321受到拉伸力而发生形变，即厚度变薄，面积增大，电容增大，当关节伸展时拉伸力消失，第二介电型EAP薄膜321 自由收缩直至平衡后，膜上总电荷不变，电容变小，此时电极间电压将会增加，膜的内应力抵抗静电压力做功，转化为电容的电能，增加的电能就等于外力拉伸第二介电型EAP薄膜321所做的功，即将机械能转换为电能，并通过导线7将介电型EAP发电单元32产生的电能传输至电控装置6，通过电控装置6将上述电能进行调节转换后输送至储能单元4进行储存。

储能单元4所储存的电能可以用来为电控装置6、供电单元5以及其他用电负载提供电能，以提高穿戴式助力系统的可续航性。

为了便于穿戴，根据不同的身体结构设计不同的换能部3，例如膝关节和肘关节处，将换能部3设计为护膝或者护肘结构，并将第一穿着部21和第二穿着部22分别缝制在换能部3上下两侧，使驱动部位于关节内侧。

在关节外侧的换能部3布置多个介电型EAP发电单元32，可提高使用者运动时产生动能的利用率。

为了减轻活动关节的载重以及提高舒适性，可将供电单元、电控装置和储能单元固定在大腿、手臂的非活动关节处或腰部等位置。

连接驱动部与供电单元5之间、换能部3与电控装置6之间导线7，从驱动部或换能部3引出后，使其穿过第一穿着部21或第二穿着部22，并从第一穿着部21或第二穿着部22集中引出，如此设计即可以增加产品的美观性，也避免导线布置散乱影响使用者的肢体活动。

以设计为护膝状的穿戴式助力系统为例，使用时，将穿戴式助力系统穿着于膝关节，当使用者行走时，供电单元5向驱动部供电使驱动部伸展，驱动部的两端分别推动第一穿着部21与第二穿着部22逐渐远离，进而推动膝关节伸展；而当驱动部断电时，驱动部收缩，其两端分别拉扯第一穿着部与第二穿着部逐渐靠近，进而使膝关节弯曲；如此交替，以此辅助关节的屈伸运动，从而辅助使用者行进、攀爬、弹跳等。

本实用新型的穿戴式助力系统与现有的助力装置相比，具有柔性可穿戴、驱动-传感一体化的特点。特别是基于EAP软材料研制的驱动器，与传统的电磁式、压电式作动器相比，具有可控变形大、可变自由度多、响应速度快、质量轻、无需传动结构、无噪声、柔性可穿戴等优点。结合EAP材料力电相互转化特性，可反向地将使用者的运动能量实时转化为电能，为穿戴式助力系统自身或其他随身电子设备正常运行提供能源保障。

将穿戴式助力系统供单兵使用，可实现单兵装备集助力、发电、储能、传感于一体的多功能性；此外，材料重量轻(约1.0g/cm3)，功耗低至一颗纽扣电池足以长时间驱动；同时，材料的环境适应性强，在极端恶劣环境下仍可保证其功能性。因此，通过穿戴式助力系统可大大增强士兵作战能力。

本实用新型的穿戴式助力系统不仅可以用于智能化单兵装备，而且在民用领域可广泛应用于登山、消防、等需要肢体作动的情况，通过辅助肢体作动，有效的降低机体消耗；还可以用于老年人、肢体运动障碍病人进行康复运动，具有很好的发展前景。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“周向”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种穿戴式助力系统，其特征在于，包括穿着部(2)、驱动部和供电单元(5)，所述穿着部(2)可穿着于使用者关节上下两侧，其包括穿着于关节上侧的第一穿着部(21)和穿着于关节下侧的第二穿着部(22)，所述驱动部的两端分别连接第一穿着部(21)和第二穿着部(22)，当所述供电单元(5)向驱动部供电时，所述驱动部发生形变，并联动地改变第一穿着部(21)和第二穿着部(22)之间的距离，达到对肢体辅助作动的效果

2.根据权利要求1所述的穿戴式助力系统，其特征在于，所述驱动部包括单个或多个柱形介电型EAP驱动器(1)，所述柱形介电型EAP驱动器(1)通电后可输出轴向位移。

3.根据权利要求2所述的穿戴式助力系统，其特征在于，所述柱形介电型EAP驱动器(1)包括压缩弹簧(11)，所述压缩弹簧(11)两端分别安装有端盖(12)，预拉伸的介电型EAP膜(13)卷绕在预压缩状态下的压缩弹簧(11)和端盖(12)上，所述介电型EAP膜(13)两侧覆有柔性电极(14)。

4.根据权利要求1所述的穿戴式助力系统，其特征在于，还包括换能部(3)、电控装置(6)和储能单元(4)，所述换能部(3)可穿着于使用者的关节外侧，当关节运动时可使换能部(3)发生形变进而产生电能，所述电控装置(6)用于对换能部(3)预先施加初始电压，并控制充电电路通断，最终将换能部(3)产生的电能进行高低压转换后输送至储能单元(4)进行储存。

5.根据权利要求4所述的穿戴式助力系统，其特征在于，所述换能部(3)包括单个或多个介电型EAP发电单元(32)及第三穿着部(31)，所述介电型EAP发电单元(32)固定在所述第三穿着部(31)上，并通过所述第三穿着部(31)穿着于使用者的关节外侧。

6.根据权利要求5所述的穿戴式助力系统，其特征在于，所述介电型EAP发电单元(32)包括第二介电型EAP薄膜(321)和安装在第二介电型EAP薄膜(321)两侧的第二柔性电极(322)，所述第二柔性电极(322)连接电控装置(6)。

7.根据权利要求5所述的穿戴式助力系统，其特征在于，所述第三穿着部(31)位于所述第一穿着部(21)和所述第二穿着部(22)之间，并通过缝制方式分别连接所述第一穿着部(21)和所述第二穿着部(22)。

8.根据权利要求4所述的穿戴式助力系统，其特征在于，所述驱动部与供电单元(5)之间、所述换能部(3)与电控装置(6)之间分别通过导线(7)连接，所述导线(7)部分包埋于所述第一穿着部(21)或所述第二穿着部(22)内，并从所述第一穿着部(21)或所述第二穿着部(22)集中引出。

9.根据权利要求3所述的穿戴式助力系统，其特征在于，所述柱形介电型EAP驱动器(1)和/或所述介电型EAP发电单元(32)外包覆有绝缘层。