【技术实现步骤摘要】
本专利技术专利涉及一种可穿戴柔性腰部外骨骼及搭载在该外骨骼上的智能驱动系统。该腰部外骨骼可为长期需要进行弯腰搬运动作的用户提供辅助，可以有效缓解人体腰部负荷。
技术介绍
1、弯腰搬运在运输行业、制造业等诸多行业中都是常见的工作动作，并且在许多行业中弯腰搬运这一动作需要长期反复进行，这会直接导致工作者患有各种腰部疾病。外骨骼的出现使这样的情况得以解决，过腰部外骨骼的使用，可以有效缓解人体腰部肌肉的疲劳。
2、外骨骼在制造业、运输行业里运用逐渐普遍，然而常见的都是刚性外骨骼，质量较重，也因为此原因导致用于搬运的外骨骼常设计为无源外骨骼，提供的辅助力矩较为恒定，与人体正常弯腰过程的作用力矩不匹配。
3、本次专利技术专利中运用到了emg信号检测技术、人体关节力矩估计算法、伺服关节电机柔性控制方法、独有的符合人体工学要求的机械结构设计等。
4、emg信号即是表面肌电信号，表面肌电信号作为人体运动过程中与肌肉活动相关联的信号，较易捕获，对人体无损伤，可直观体现人体运动过程中的肌力情况。
5、人体关节力矩估算方法。该方法以hill肌肉模型为基础模型，以检测到的emg信号作为模型计算中的重要参数，结合角度传感器测量得到的髋关节自由度角度智能估算人体髋关节力矩。
6、伺服关节电机柔性控制方法。伺服关节电机可以精准地控制电机转动速度、转动位置，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，此处地输入信号便是惯性测量单元与角度传感器测量得到的人体躯干运动角速度
技术实现思路
1、针对现有的研究背景以及发现的现实存在的问题，本专利技术的目的是：研发一种更加智能的，可提供柔性辅助力的腰部外骨骼，在用户进行弯腰搬运工作时提供辅助，防止用户由于长时间搬运工作造成腰部肌肉不可逆损伤。具体实现依靠外骨骼独特的轻量化结构设计、人体关节力矩估算方法与伺服关节电机柔性控制方法。
本文档来自技高网...【技术保护点】
1.一种提供智能驱动力矩的柔性腰部外骨骼装置。其特征在于：轻质刚性结构、柔性驱动系统、柔性整体穿戴结构。
2.一种控制电机输出的智能系统，其特征在于：以惯性测量单元与角度传感器为测量基础，搭配权利要求1所述的柔性驱动系统组成，该系统可实现对人体的实时辅助，力矩提供更加智能化。
3.根据权利要求1所述的轻质刚性结构，其特征在于：由轻质X型背板、髋-腿支撑连杆组成，刚性结构可以更好地支撑整个装置的质量，将整个装置的质量均布到人体的整个躯干与髋关节。
4.根据权利要求3所述的轻质刚性结构，其特征在于：主体部分的轻质X型背板选用尼龙-碳纤维材料，保证轻质的同时具有较高强度。整体结构贴合人体腰线，对腰部起到了一定的支撑保护作用。 X型背板中间为圆环形，分布有螺纹孔，能更好地搭载装置的整体结构；X型背板下侧有平行于人体矢状面的凸台，模拟人体髋关节作用，连接髋-腿支撑连杆，放置角度传感器。髋-腿支撑连杆通过转轴与X型背板连接，可与X型背板作相对转动。
5.根据权利要求1所述的柔性驱动系统，其特征在于：由伺服关节电机、电机转轴、卷盘、电机驱动编码器
6.根据权利要求5所述的柔性驱动系统，其特征在于：整体结构放置于X型背板上。其中惯性测量单元放置于X型背板的靠上位置，可直接测量人体躯干部分运动过程中的惯性数据，辨别人体运动趋势。角度传感器放置于X型背板下侧的凸台处，与髋-腿支撑连杆共用一个转轴。伺服关节电机放置位置与惯性测量单元接近，电机整体质量由人上肢部分共同分担，使得人体感知到的质量较小，伺服关节电机中装配有φ18的转轴，转轴上用键连接，连接了两个卷盘。
7.根据权利要求1所述的柔性整体穿戴结构，其特征在于：由长度可调节的背带、后腰固定带、腰带、大腿绑带及充当人体竖脊肌的拉伸带组成。
8.根据权利要求7所述的柔性整体穿戴结构，其特征在于：大部分穿戴件固定在X型背板上，其中后腰固定带、腰带固定在X型背板下侧的凸台上，后腰固定带的材料选用涤纶织带，弹性低，可作为人体起身时的支点，腰带的材料选用乳胶丝，左右两侧各一根，可用八字扣锁紧，长度可调节，适配不同体型的用户；背带承受整体结构的大部分重力，内填充弹性海绵，可减小人体肩部压强，使用时更加舒适；大腿绑带与拉伸带连接，大腿绑带附魔术贴，可紧固在大腿的合适部位，拉伸带一段与大腿绑带可靠连接，一侧连接在柔性驱动系统的卷盘处。伺服关节电机转动时可带动卷盘收紧拉伸带，辅助人体起身。
9.根据权利要求2所述的控制电机输出的智能系统，其特征在于：利用惯性测量单元识别人体运动趋势，对人体的下一步动作进行预判，并将测量的结果以电信号的方式通过编码器传递给伺服关节电机，控制电机的启停；利用角度传感器测量人体髋关节屈曲角度，根据角度转动情况判定人体躯干的位置情况，提供不同大小的驱动力矩。
...【技术特征摘要】
1.一种提供智能驱动力矩的柔性腰部外骨骼装置。其特征在于：轻质刚性结构、柔性驱动系统、柔性整体穿戴结构。
2.一种控制电机输出的智能系统，其特征在于：以惯性测量单元与角度传感器为测量基础，搭配权利要求1所述的柔性驱动系统组成，该系统可实现对人体的实时辅助，力矩提供更加智能化。
3.根据权利要求1所述的轻质刚性结构，其特征在于：由轻质x型背板、髋-腿支撑连杆组成，刚性结构可以更好地支撑整个装置的质量，将整个装置的质量均布到人体的整个躯干与髋关节。
4.根据权利要求3所述的轻质刚性结构，其特征在于：主体部分的轻质x型背板选用尼龙-碳纤维材料，保证轻质的同时具有较高强度。整体结构贴合人体腰线，对腰部起到了一定的支撑保护作用。 x型背板中间为圆环形，分布有螺纹孔，能更好地搭载装置的整体结构；x型背板下侧有平行于人体矢状面的凸台，模拟人体髋关节作用，连接髋-腿支撑连杆，放置角度传感器。髋-腿支撑连杆通过转轴与x型背板连接，可与x型背板作相对转动。
5.根据权利要求1所述的柔性驱动系统，其特征在于：由伺服关节电机、电机转轴、卷盘、电机驱动编码器、惯性测量单元、角度传感器组成，为人体腰部提供驱动力，缓解腰部疲劳，也可以起到姿势保持的作用。
6.根据权利要求5所述的柔性驱动系统，其特征在于：整体结构放置于x型背板上。其中惯性测量单元放置于x型背板的靠上位置，可直接测量人体躯干部分运动过程中的惯性数据，...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨靓，韦俊平，
申请(专利权)人：江苏标固科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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