一种被动式外骨骼装置及其参数检测方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种被动式外骨骼装置及其参数检测方法，其中，一种被动式腰部助力外骨骼装置，包括臀带、背带、髋关节助力机构以及枝杆旋转片，髋关节助力机构为两个，分别安装于臀带的两侧；所述髋关节助力机构包括腿垫、腿杆、转轴、发条弹簧以及转轮，腿垫安装于腿杆上，腿杆与转轴固定连接，发条弹簧安装于转轮的弹簧腔中且发条弹簧与转轮固定连接，转轴穿过转轮和发条弹簧后转轴两端分别铰接于臀带上，发条弹簧与转轴固定连接，枝杆旋转片包括胸前垫板以及安装于胸前垫板上且能相对于胸前垫板转动的转板。本发明专利技术能将人体上身的重力通过髋关节助力机构储能达到为人体弯腰作业储能的作用。

A passive exoskeleton device and its parameters detection method

The invention discloses a detection method, a passive exoskeleton device and its parameters, a passive exoskeleton device comprises a waist, hip belt, straps, hip servounit and rod rotating piece, hip servounit is two, respectively, are mounted on two sides of hip belt; the hip servounit including the leg pad, legs, a rotating shaft, a spring and a wheel leg pad mounted on the legs, legs and shaft is fixedly connected with a spring, a spring cavity mounted on the wheel and the spring is fixed with the rotating shaft through the connection, the runner and the spring after the two ends of the rotating shaft are respectively hinged on the hip belt, spring the shaft is fixedly connected with the rotary sheet, rod plate installed on the chest and chest including pad and turn plate plate rotation relative to the chest. The invention can store the gravity of the body of the body through the energy storage of the hip joint force mechanism to achieve the function of storing energy for the body bending in the body.

【技术实现步骤摘要】
一种被动式外骨骼装置及其参数检测方法
本专利技术涉及一种穿戴式外外骨骼，特别涉及一种被动式外骨骼装置及其参数检测方法。
技术介绍
近年来，穿戴式外骨骼的研究逐渐兴起，目的是将人的灵活性、智慧性与机器强壮性进行有机结合。其主要应用于医疗康复、工业生产、单兵作战等领域。目前已公布的各种人体穿戴式外骨骼系统有很多，其功能包括提高负重行走能力，重型物资搬运助力，人体上、下肢运行障碍康复等，功能多集中于人体助力行走。其共同特点是在动力源的支持下，通过传感器采集人体信号反馈给控制单元，经过控制单元的逻辑处理后，下达指令使动力执行单元完成动作，以实现相应功能。这样会带来下肢运动趋势预测机制设计，机器人控制策略的制定与实施，动力源和轻便、高效的自给能源装置等一系列关键问题。而目前这些有待解决的问题导致人体穿戴式外骨骼系统在实现相应功能的过程中，无法达到其理想的效果，同时昂贵的制造成本也使其仅仅停留在科学研究阶段，无法广泛应用于工业生产中。
技术实现思路
针对现有技术中存在的技术问题，本专利技术的目的是：提供一种被动式外骨骼装置。本专利技术的另一目的是：提供一种被动式外骨骼装置参数检测方法。本专利技术的目的通过下述技术方案实现：一种被动式腰部助力外骨骼装置，包括臀带、背带、髋关节助力机构以及枝杆旋转片，背带与臀带连接，髋关节助力机构为两个，分别安装于臀带的两侧；所述髋关节助力机构包括腿垫、腿杆、转轴、发条弹簧以及转轮，腿垫安装于腿杆上，腿杆与转轴固定连接，发条弹簧安装于转轮的弹簧腔中且发条弹簧与转轮固定连接，转轴穿过转轮和发条弹簧后转轴两端分别铰接于臀带上，发条弹簧与转轴固定连接，枝杆旋转片包括胸前垫板以及安装于胸前垫板上且能相对于胸前垫板转动的转板，背带一端与臀带连接，另一端与胸前垫板连接；两转轮上分别伸出有与转板连接的连接枝干，两连接枝干分别连接到转板两侧。优选的，所述胸前垫板上开设有转板连接孔以及导向弧槽，所述转板对应转板连接孔以及导向弧槽处分别设置有连接转轴以及导向轴，连接转轴连接到转板连接孔中，导向轴与导向弧槽相配合。优选的，所述胸前垫板包括左垫片、右垫片、左扣板以及右扣板，导向弧槽开设在左扣板上，导向弧槽为两级的阶梯槽，所述转板连接孔开设在右扣板上，转板连接孔为两级的阶梯孔，左扣板固定连接于左垫片上，右扣板固定连接于右垫片上；所述转板包括左转片以及右转片，左转片以及右转片上分别设置有锁扣和与锁扣相配合将左转片以及右转片锁定起来的插扣；所述连接转轴为两级的阶梯轴，所述导向轴为两级的阶梯轴；连接转轴穿出转板连接孔后固定连接于右转片上，其中，连接转轴的小径轴和大径轴分别连接到转板连接孔的小径孔和大径孔中，导向轴穿出导向弧槽后固定连接于左转片上，其中，导向轴的小径轴和大径轴分别连接到导向弧槽的小径槽和大径槽中。优选的，所述臀带包括臀垫、臀垫连接带以及两个助力机构安装架，臀垫为两个，两臀垫的内侧通过臀垫连接带连接起来，两个助力机构安装架分别安装于两臀垫的外侧，助力机构安装架呈“U”形，转轴两端分别铰接于安装架的槽中。优选的，腿杆包括座体以及固定片，座体上伸出有转轴连接耳板，固定片固定于座体上，转轴连接耳板与固定片之间形成供转轮装入的转轮安装槽，转轴连接耳板与固定片上分别开设有用于固定转轴的转轴锁定孔，转轴穿设于转轴锁定孔中。优选的，还设置有连接键，所述转轴锁定孔开设有键口，转轴对应键口位置开设有键槽，连接键连接于键口和键槽中将转轴固定于座体以及固定片上；所述座体底部伸出有腿垫连接杆，腿垫安装于腿垫连接杆上。一种上述的被动式外骨骼装置的参数检测方法，包括省力系数检测方法，其特征在于：发条弹簧产生一个固定值：弹性系数k，当人体弯腰时，发条弹簧发生弹性形变导致发条弹簧行程L变长，因此人体上肢弯曲角度∠1越大就会导致弹簧的行程L越大，L越大就会导致力矩越大，因此产生力Fx就会越大，由此根据弹性系数公式推出Fx：Fx＝L×kFx的值小于人体上身受到的重力，设人体上身的质量为m1，即上身受到的力F1＝m1×g其中：g为重力加速度；人体上肢在弯腰和上抬过程都会被省力，被省下的力Fs:Fs＝F1-Fx；优选的，在髋关节助力机构中设置有三轴陀螺仪传感器；当使用中，连接枝干运动导致转轴转动时，三轴陀螺仪传感器实时探测出人体上肢向前和向下的加速度；设定Ax、Ay和Az分别为三轴陀螺仪传感器的X、Y、Z三轴的加速度；设定三轴陀螺仪传感器Z轴加速度与自然坐标系Z之间的夹角∠1：设人体运动或直立时的峰值加速度为a：其中：Ax是陀螺仪自身的x轴上的加速度；Ay是陀螺仪自身的y轴上的加速度；Az是陀螺仪自身的z轴上的加速度；人体实际弯腰数据采用四元数计算位计算，四元数Q的公式为其中q0、q1、q2、q3为实数，即四元数计算中的向量的值，为虚数。按照四元数计算，虚数满足||Q||表示人体空间上移动的距离以数学形式表示：弯腰的角度值为∠1的值，也表示人弯腰前的重力加速度gbefore和弯腰后的重力加速度gafter的夹角。qx、qy、qz描述单位向量在固定位置的三个方向，因此，重力加速度g被描述为：重力加速度为g，gx、gy和gz是g的三个状态要素，描述四元数计算中X、Y、Z三个轴重力加速度g的三个元素，表述为：单位四元数Q用来描述人体弯腰时的状态，它被分解为Q1、Q2和Q3三个旋转四元数，分别表示人刚开始弯腰、正在弯腰、和弯腰后的三个状态。其中Q1可以被描述为：由于旋转角的计算方法是:因此，旋转角度和三轴陀螺仪传感器的旋转轴写成：其中其中四元数Q2被写作：旋转角度∠2为人体在自然坐标系中X轴和Y轴转动的夹角，被写作：∠3为人体弯腰低于自然坐标系X轴，即人体弯腰超过了90度后的度数，四元数Q3可以被描述为：因此旋转角度和旋转轴被描述为，在人体弯腰前，人体的重力加速度记作gbefore；在弯腰结束后的瞬间，重力加速度被记录为gafter：当人体弯腰时，旋转由四元数相乘得出结果：gafter＝Q*gbefore*Q*＝Q3*Q2*Q1*gbefore*Q1**Q2**Q3*其中，当时，四元数Q发生变化；四元数代数用矩阵形式表达，因此多四元数相乘表达为：整个旋转四元数被化简为：Q＝Q3*Q2*Q1＝M(Q3)M(Q2)Q1。优选的，所述设定三轴陀螺仪传感器Z轴加速度与自然坐标系Z之间的夹角∠1通过以下方式得到：当人体直立时只受重力影响，而没有受到其它力的影响，因此人运动的加速度a完全等于重力加速度，设弯腰时间为t，此时将重力加速度记作gbefore；当人开始弯腰时a的绝对值小于a的临界值，a的临界值记作athreshold；当人体弯腰到固定角度停止时加速度达到athreshold，设tthreshold为athreshold状态下的作用时间，当athreshold结束后，此时的加速度的绝对值几乎接近重力加速度g，此时的重力加速度被记录为gafter，然后单片机计算出此时的角度；并把上述数据记录下来。优选的，还包括单片机根据三轴陀螺仪传感器的硬件特性出现偏移时的校准方法，校准方法为：将三轴陀螺仪传感器Z轴置于重力g的方向，然后，每0.1秒进行一次采样，并让单片机运行在特定频率下，此时，三轴陀螺仪传感器Z轴有一个g的加速度，而X和Y轴有零个g的加速度，然后，将重力加速本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种被动式腰部助力外骨骼装置，其特征在于：包括臀带、背带、髋关节助力机构以及枝杆旋转片，背带与臀带连接，髋关节助力机构为两个，分别安装于臀带的两侧；所述髋关节助力机构包括腿垫、腿杆、转轴、发条弹簧以及转轮，腿垫安装于腿杆上，腿杆与转轴固定连接，发条弹簧安装于转轮的弹簧腔中且发条弹簧与转轮固定连接，转轴穿过转轮和发条弹簧后转轴两端分别铰接于臀带上，发条弹簧与转轴固定连接，枝杆旋转片包括胸前垫板以及安装于胸前垫板上且能相对于胸前垫板转动的转板，背带一端与臀带连接，另一端与胸前垫板连接；两转轮上分别伸出有与转板连接的连接枝干，两连接枝干分别连接到转板两侧。

【技术特征摘要】
1.一种被动式腰部助力外骨骼装置，其特征在于：包括臀带、背带、髋关节助力机构以及枝杆旋转片，背带与臀带连接，髋关节助力机构为两个，分别安装于臀带的两侧；所述髋关节助力机构包括腿垫、腿杆、转轴、发条弹簧以及转轮，腿垫安装于腿杆上，腿杆与转轴固定连接，发条弹簧安装于转轮的弹簧腔中且发条弹簧与转轮固定连接，转轴穿过转轮和发条弹簧后转轴两端分别铰接于臀带上，发条弹簧与转轴固定连接，枝杆旋转片包括胸前垫板以及安装于胸前垫板上且能相对于胸前垫板转动的转板，背带一端与臀带连接，另一端与胸前垫板连接；两转轮上分别伸出有与转板连接的连接枝干，两连接枝干分别连接到转板两侧。2.根据权利要求1所述的被动式腰部助力外骨骼装置，其特征在于：所述胸前垫板上开设有转板连接孔以及导向弧槽，所述转板对应转板连接孔以及导向弧槽处分别设置有连接转轴以及导向轴，连接转轴连接到转板连接孔中，导向轴与导向弧槽相配合。3.根据权利要求2所述的被动式腰部助力外骨骼装置，其特征在于：所述胸前垫板包括左垫片、右垫片、左扣板以及右扣板，导向弧槽开设在左扣板上，导向弧槽为两级的阶梯槽，所述转板连接孔开设在右扣板上，转板连接孔为两级的阶梯孔，左扣板固定连接于左垫片上，右扣板固定连接于右垫片上；所述转板包括左转片以及右转片，左转片以及右转片上分别设置有锁扣和与锁扣相配合将左转片以及右转片锁定起来的插扣；所述连接转轴为两级的阶梯轴，所述导向轴为两级的阶梯轴；连接转轴穿出转板连接孔后固定连接于右转片上，其中，连接转轴的小径轴和大径轴分别连接到转板连接孔的小径孔和大径孔中，导向轴穿出导向弧槽后固定连接于左转片上，其中，导向轴的小径轴和大径轴分别连接到导向弧槽的小径槽和大径槽中。4.根据权利要求1所述的被动式腰部助力外骨骼装置，其特征在于：所述臀带包括臀垫、臀垫连接带以及两个助力机构安装架，臀垫为两个，两臀垫的内侧通过臀垫连接带连接起来，两个助力机构安装架分别安装于两臀垫的外侧，助力机构安装架呈“U”形，转轴两端分别铰接于安装架的槽中。5.根据权利要求1所述的被动式腰部助力外骨骼装置，其特征在于：腿杆包括座体以及固定片，座体上伸出有转轴连接耳板，固定片固定于座体上，转轴连接耳板与固定片之间形成供转轮装入的转轮安装槽，转轴连接耳板与固定片上分别开设有用于固定转轴的转轴锁定孔，转轴穿设于转轴锁定孔中。6.根据权利要求5所述的被动式腰部助力外骨骼装置，其特征在于：还设置有连接键，所述转轴锁定孔开设有键口，转轴对应键口位置开设有键槽，连接键连接于键口和键槽中将转轴固定于座体以及固定片上；所述座体底部伸出有腿垫连接杆，腿垫安装于腿垫连接杆上。7.一种权利要求1-6任一所述的被动式外骨骼装置的参数检测方法，包括省力系数检测方法，其特征在于：发条弹簧产生一个固定值：弹性系数k，当人体弯腰时，发条弹簧发生弹性形变导致发条弹簧行程L变长，因此人体上肢弯曲角度∠1越大就会导致弹簧的行程L越大，L越大就会导致力矩越大，因此产生力Fx就会越大，由此根据弹性系数公式推出Fx：Fx＝L×kFx的值小于人体上身受到的重力，设人体上身的质量为m1，即上身受到的力F1＝m1×g其中：g为重力加速度；人体上肢在弯腰和上抬过程都会被省力，被省下的力Fs:Fs＝F1-Fx。8.根据权利要求7所述的参数检测方法，其特征在于：在髋关节助力机构中设置有三轴陀螺仪传感器；当使用中，连接枝干运动导致转轴转动时，三轴陀螺仪传感器实时探测出人体上肢向前和向下的加速度；设定Ax、Ay和Az分别为三轴陀螺仪传感器的X、Y、Z三轴的加速度；设定三轴陀螺仪传感器Z轴加速度与自然坐标系Z之间的夹角∠1：设人体运动或直立时的峰值加速度为a：其中：Ax是陀螺仪自身的x轴上的加速度；Ay是陀螺仪自身的y轴上的加速度；Az是陀螺仪自身的z轴上的加速度；人体实际弯腰数据采用四元数计算位计算，四元数Q的公式为其中q0、q1、q2、q3为实数，即四元数计算中的向量的值，为虚数；按照四元数计算，虚数满足||Q||表示人体空间上移动的距离以数学形式表示：弯腰的角度值为∠1的值，也表示人弯腰前的重力加速度gbefore和弯腰后的重力加速度gafter的夹角；qx、qy、qz描述单位向量在固定位置的三个方向，因此，重力加速度g被描述为：重力加速度为g，gx、gy和gz是g的三个状态要素，描述四元数计算中X、Y、Z三个轴重力加速度g的三个元素，表述为：单位四元数Q用来描述人体弯腰时的状态，它被分...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨靓，胡欣钧，尹鹏，关培鑫，郭伟行，
申请(专利权)人：广州市海同机电设备有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44