本發(fā)明創(chuàng)造屬于機械外骨骼領(lǐng)域，尤其是涉及一種具有能量回收再利用功能的增跳機械外骨骼系統(tǒng)及其增跳方法。

背景技術(shù)：

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人體外骨骼在助力和運動康復(fù)等領(lǐng)域已取得了一定的發(fā)展，現(xiàn)有的外骨骼機器人以助老助殘外骨骼和普通人助力外骨骼為主，其中助老助殘外骨骼主要增強下肢力量，使得下肢從無力變得有力，助力型外骨骼針對健康人群，主要通過外骨骼的續(xù)力作用增強下肢耐久力同時分擔(dān)穿戴者負載的重力。這些外骨骼都是增強行走或奔跑等人體的普遍運動，而針對人體提升單純運動能力，例如對于籃球愛好者的提升跳高能力外骨骼比較少見，另外現(xiàn)有的機械外骨骼耗能大，自身重量比較重，穩(wěn)定性和柔順性都不好，還可能給穿戴者帶來一定的傷害。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明創(chuàng)造旨在提出一種具有能量回收再利用功能的增跳機械外骨骼系統(tǒng)及其增跳方法，以解決現(xiàn)有的外骨骼主要是用來助力和運動康復(fù)，針對人體提升單方面運動能力的外骨骼比較少見的問題，以及現(xiàn)有的機械外骨骼耗能大，自身重量比較重，穩(wěn)定性和柔順性都不好，還可能給穿戴者帶來一定的傷害的問題，本發(fā)明創(chuàng)造結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，并且具有能量回收再利用的功能，耗能小，安全環(huán)保，穩(wěn)定性和柔順性好。

為達到上述目的，本發(fā)明創(chuàng)造的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：

一種具有能量回收再利用功能的增跳機械外骨骼系統(tǒng)，包括穿戴于大腿至足底的外骨骼本體和控制系統(tǒng)，所述的外骨骼本體包括穿戴在大腿部位的第一固定部1，穿戴在膝蓋部位的第二固定部2和穿戴在足部的第三固定部3，所述的第一固定部1和第二固定部2一體式設(shè)置，還包括氣泵4、儲氣瓶5、氣動肌肉6和足底氣體回收氣囊7，所述的氣泵4和儲氣瓶5固設(shè)在第一固定部上，所述的氣動肌肉6一端固定在第二固定部2上，另一端固定在第三固定部3上，所述的足底氣體回收氣囊7固設(shè)在第三固定部3上，所述的氣泵4通過第一輸氣管與儲氣瓶5連通，所述的足底氣體回收氣囊7通過第二輸氣管8與儲氣瓶5連通，所述的儲氣瓶5通過第三輸氣管9與氣動肌肉6連通，所述的第一輸氣管上設(shè)置第一單向閥，所述的第二輸氣管8上設(shè)置第二單向閥10，所述的第三輸氣管9上設(shè)置一電磁閥11，所述的電磁閥11為兩位三通電磁閥；

所述的控制系統(tǒng)包括第一壓力傳感器12、姿態(tài)傳感器13和控制器14，所述的控制器14與第一壓力傳感器12電連接，所述的控制器14與姿態(tài)傳感器13電連接，所述的控制器14通過接收第一壓力傳感器12和姿態(tài)傳感器13的信號來控制兩位三通電磁閥11的開關(guān)動作，所述的第一壓力傳感器12設(shè)置在足底氣體回收氣囊7上，所述的姿態(tài)傳感器13設(shè)置在第二固定部2上相應(yīng)小腿部位處，所述的控制器14設(shè)置在第二固定部2上靠近膝蓋部位處。

進一步的，所述的儲氣瓶5上設(shè)有第二壓力傳感器，所述的第二壓力傳感器與控制器14電連接，所述的氣泵4上設(shè)有繼電器，所述的控制器14通過接收第二壓力傳感器的信號來控制繼電器的開合，所述的儲氣瓶5上還設(shè)有一減壓閥。

進一步的，還包括一移動端，所述的控制系統(tǒng)與移動端通過藍牙實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，所述的移動端通過移動網(wǎng)絡(luò)與云端服務(wù)器連接。

進一步的，所述的氣泵4是微型高壓氣泵。

進一步的，所述的第一固定部1是粘扣式或綁帶式彈性套。

進一步的，所述的第二固定部2是一體式彈性套。

進一步的，所述的第三固定部3是仿鞋型固定套。

進一步的，所述的第二輸氣管8上設(shè)有一增壓閥。

進一步的，所述的控制系統(tǒng)和氣泵4均通過電池供電。

一種具有能量回收再利用功能的增跳機械外骨骼系統(tǒng)的增跳方法，

本系統(tǒng)在實際使用時一般是成對使用的，在使用時，穿戴者從腳到大腿穿戴在兩條腿上，穿戴時要保證氣動肌肉6的位置與穿戴者小腿肌肉的位置相對應(yīng)，穿戴完畢后根據(jù)自身身體條件將第一固定部1的粘扣粘合上，一方面，穿戴者在正常行走或起跳落地時，足部會不斷地踩壓足底氣體回收氣囊7，使得足底氣體回收氣囊7中的氣體通過第二輸氣管8不斷地充入到儲氣瓶5中待使用，另一方面，氣泵4通過第一輸氣管為儲氣瓶5儲氣待使用，當穿戴者處于起跳狀態(tài)時，位于足底氣體回收氣囊7上的第一壓力傳感器12和位于第二固定部2上的姿態(tài)傳感器13檢測到穿戴者起跳信號，并將穿戴者起跳信號傳送至控制器14，控制器14控制兩位三通電磁閥11與儲氣瓶5連接的一端連通，使得儲氣瓶5內(nèi)的氣體通過第三輸氣管9和氣動肌肉6上的氣動接頭迅速充入到氣動肌肉6中，氣動肌肉6內(nèi)壓力變大，氣動肌肉6迅速收縮，從而有助于增強穿戴者的彈跳功能。

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明創(chuàng)造所述的一種具有能量回收再利用功能的增跳機械外骨骼系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：

本發(fā)明所述的一種具有能量回收再利用功能的增跳機械外骨骼系統(tǒng)，足底氣體回收氣囊的設(shè)置，能夠回收能量，并且再利用到增跳過程中，耗能小，安全環(huán)保；氣動肌肉的設(shè)置，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和柔順性，大大減輕了裝備的自身重量，也避免了給穿戴者帶來傷害。

本發(fā)明主要關(guān)注運動人群尤其是籃球愛好者，提供一種具有能量回收再利用功能的增跳機械外骨骼系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于穿戴者身體部分或步態(tài)特征的感應(yīng)變化的輸入進行控制，與穿戴者形成完美的運動配合，使運動參與者通過訓(xùn)練能夠彈跳更高的高度，實現(xiàn)自身的運動挑戰(zhàn)，該系統(tǒng)同樣能夠應(yīng)用于運動輔助甚至極限運功中。

附圖說明

構(gòu)成本發(fā)明創(chuàng)造的一部分的附圖用來提供對本發(fā)明創(chuàng)造的進一步理解，本發(fā)明創(chuàng)造的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明創(chuàng)造，并不構(gòu)成對本發(fā)明創(chuàng)造的不當限定。在附圖中：

圖1為本發(fā)明創(chuàng)造實施例所述的一種具有能量回收再利用功能的增跳機械外骨骼系統(tǒng)穿戴于穿戴者左腳結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明創(chuàng)造實施例所述的一種具有能量回收再利用功能的增跳機械外骨骼系統(tǒng)的控制框圖。

附圖標記說明：

1-第一固定部；2-第二固定部；3-第三固定部；4-氣泵；5-儲氣瓶；6-氣動肌肉；7-足底氣體回收氣囊；8-第二輸氣管；9-第三輸氣管，10-第二單向閥；11-電磁閥；12-第一壓力傳感器；13-姿態(tài)傳感器；14-控制器

具體實施方式

需要說明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明創(chuàng)造中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。

在本發(fā)明創(chuàng)造的描述中，需要理解的是，術(shù)語“中心”、“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明創(chuàng)造和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明創(chuàng)造的限制。此外，術(shù)語“第一”、“第二”等僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特征。在本發(fā)明創(chuàng)造的描述中，除非另有說明，“多個”的含義是兩個或兩個以上。

在本發(fā)明創(chuàng)造的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi)部的連通。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以通過具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明創(chuàng)造中的具體含義。

下面將參考附圖并結(jié)合實施例來詳細說明本發(fā)明創(chuàng)造。

具體實施方式一：

如圖1-圖2所示，一種具有能量回收再利用功能的增跳機械外骨骼系統(tǒng)，包括穿戴于大腿至足底的外骨骼本體和控制系統(tǒng)，所述的外骨骼本體包括穿戴在大腿部位的第一固定部1，穿戴在膝蓋部位的第二固定部2和穿戴在足部的第三固定部3，所述的第一固定部1和第二固定部2一體式設(shè)置，還包括氣泵4、儲氣瓶5、氣動肌肉6和足底氣體回收氣囊7，所述的氣泵4和儲氣瓶5固設(shè)在第一固定部1上，所述的氣動肌肉6一端固定在第二固定部2上，另一端固定在第三固定部3上，所述的足底氣體回收氣囊7固設(shè)在第三固定部3上，所述的氣泵4通過第一輸氣管(未示出)與儲氣瓶5連通，所述的足底氣體回收氣囊7通過第二輸氣管8與儲氣瓶5連通，所述的儲氣瓶5通過第三輸氣管9與氣動肌肉6連通，所述的第一輸氣管(未示出)上設(shè)置第一單向閥(未示出)，所述的第二輸氣管8上設(shè)置第二單向閥10，所述的第三輸氣管9上設(shè)置一電磁閥11，所述的電磁閥11為兩位三通電磁閥；

所述的控制系統(tǒng)包括第一壓力傳感器12、姿態(tài)傳感器13和控制器14，所述的控制器14與第一壓力傳感器12電連接，所述的控制器14與姿態(tài)傳感器13電連接，所述的控制器14通過接收第一壓力傳感器12和姿態(tài)傳感器13的信號來控制兩位三通電磁閥11的開關(guān)動作，所述的第一壓力傳感器12設(shè)置在足底氣體回收氣囊7上，所述的姿態(tài)傳感器13設(shè)置在第二固定部2上相應(yīng)小腿部位處，所述的控制器14設(shè)置在第二固定部2上靠近膝蓋部位處。

具體實施方式二：

與具體實施方式一不同的是，本實施方式下的一種具有能量回收再利用功能的增跳外骨骼系統(tǒng)，所述的儲氣瓶5上設(shè)有第二壓力傳感器(未示出)，所述的第二壓力傳感器與控制器14電連接，所述的氣泵4上設(shè)有繼電器(未示出)，所述的控制器14通過接收第二壓力傳感器的信號來控制繼電器的開合，第二壓力傳感器用于檢測儲氣瓶內(nèi)的壓力，當壓力過大時，控制器14會控制繼電器斷電，從而氣泵4不再向儲氣瓶5內(nèi)充氣；

所述的儲氣瓶5上還設(shè)有減壓閥，所述的減壓閥主要起到保護作用，當儲氣瓶5內(nèi)的氣體壓力大過減壓閥的設(shè)定值時，減壓閥自動開始減壓放氣，防止儲氣瓶5內(nèi)氣體壓力過大對儲氣瓶造成損壞和傷到穿戴者。

具體實施方式三：

與具體實施方式二不同的是，本實施方式下的一種具有能量回收再利用功能的增跳外骨骼系統(tǒng)，還包括一移動端，所述的控制系統(tǒng)與移動端通過藍牙實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，所述的移動端通過移動網(wǎng)絡(luò)與云端服務(wù)器連接，根據(jù)穿戴者的訓(xùn)練情況數(shù)據(jù)通過無線傳輸，由本系統(tǒng)傳遞給移動端app，移動端app根據(jù)穿戴者的訓(xùn)練數(shù)據(jù)判斷出相應(yīng)的增跳力度，適時解鎖氣泵氣壓為穿戴者實現(xiàn)不同力度的增跳，以供穿戴者慢慢適應(yīng)外骨骼，逐漸提高外骨骼的彈力。

具體實施方式四：

與具體實施方式三不同的是，本實施方式下的一種具有能量回收再利用功能的增跳外骨骼系統(tǒng)，所述的氣泵4是微型高壓氣泵，它與大型真空泵相比，主要有如下優(yōu)點：

體積小巧、噪音低、功耗小、而且壓力高，易于操作、便于攜帶、免維護、可24小時連續(xù)運轉(zhuǎn)，還允許介質(zhì)富含水汽。比如微型高壓氣泵pcf5015n這個型號，它的體積僅有15.6*6.4*7.2cm，但輸出壓力可以為0.1mpa。最重要的是，因為是干式、無油的，不需要真空泵油或潤滑油，所以不會污染工作介質(zhì)，不會干擾對介質(zhì)的分析等等。而且價格相對便宜得多。

具體實施方式五：

與具體實施方式四不同的是，本實施方式下的一種具有能量回收再利用功能的增跳外骨骼系統(tǒng)，所述的第一固定部1是粘扣式或綁帶式彈性套，便于調(diào)節(jié)，可適應(yīng)不同體型的人群，適用范圍廣。

具體實施方式六：

與具體實施方式五不同的是，本實施方式下的一種具有能量回收再利用功能的增跳外骨骼系統(tǒng)，所述的第二固定部2是一體式彈性套，與人體貼合性好，在起跳和回落過程，不會因為小腿姿勢的變化導(dǎo)致脫落等問題。

具體實施方式七：

與具體實施方式六不同的是，本實施方式下的一種具有能量回收再利用功能的增跳外骨骼系統(tǒng)，所述的第三固定部3是仿鞋型固定套，方便穿戴者穿戴并且走路時也會舒適。

具體實施方式八：

與具體實施方式七不同的是，本實施方式下的一種具有能量回收再利用功能的增跳外骨骼系統(tǒng)，所述的第二輸氣管8上設(shè)有一增壓閥，提高氣體能量回收速度，便于穿戴者更好的利用。

具體實施方式九：

與具體實施方式八不同的是，本實施方式下的一種具有能量回收再利用功能的增跳外骨骼系統(tǒng)，所述的控制系統(tǒng)和氣泵4均通過電池供電，方便戶外運動，小巧輕便，便于攜帶。

具體實施方式十：

本實施方式下增跳外骨骼系統(tǒng)的增跳方法，

本系統(tǒng)在實際使用時一般是成對使用的，在使用時，穿戴者從腳到大腿穿戴在兩條腿上，穿戴時要保證氣動肌肉6的位置與穿戴者小腿肌肉的位置相對應(yīng)，才能達到最好的效果，穿戴完畢后根據(jù)自身身體條件(由于穿戴者不同，腿的長短與粗細均不同)，將第一固定部1的粘扣粘合在合適的位置上或是綁帶系在合適的位置(合適的位置指，穿戴者穿著時不會因太松導(dǎo)致起跳或下落過程松掉，也不會因太緊導(dǎo)致影響肌肉的正常收縮)，一方面，穿戴者在正常行走或彈跳下落時，足部會不斷地踩壓足底氣體回收氣囊7，使得足底氣體回收氣囊7中的氣體通過第二輸氣管8不斷地充入到儲氣瓶5中待使用，另一方面，氣泵4通過第一輸氣管為儲氣瓶5儲氣待使用，第一單向閥和第二單向閥10都具有鎖定氣壓功能，使得進入到儲氣瓶5中的氣體不外泄；

當穿戴者處于起跳狀態(tài)時，位于足底氣體回收氣囊7上的第一壓力傳感器12和位于第二固定部2上的姿態(tài)傳感器13檢測到穿戴者起跳信號，并將穿戴者起跳信號傳送至控制器14，控制器14控制兩位三通電磁閥11與儲氣瓶5連通的一端打開，使得儲氣瓶5內(nèi)的氣體通過第三輸氣管9和氣動肌肉6上的氣動接頭迅速充入到氣動肌肉6中，氣動肌肉6內(nèi)壓力變大，氣動肌肉6迅速收縮，其過程就像人體的肌肉運動，從而有助于增強穿戴者的彈跳功能。

控制器14主要通過接收第一壓力傳感器12和姿態(tài)傳感器13的信號來判斷穿戴者是否起跳，從而控制氣動肌肉6的收縮。主要原理是：一、因為起跳的準備過程會先下蹲，再跳起，壓力的變化是先減小，再增大，再減小，完全跳起來的時候壓力消失；下蹲的過程中第一壓力傳感器12檢測到的壓力也遵循這個過程，當壓力突然開始減小再次增大，再減小到一個壓力的時候控制器14則判斷穿戴者起跳準備完成；二、起跳的準備過程小腿的姿勢變化是先向前，再向后，這個過程同時伴隨著速度的快速變化，當位姿變化為先向前再向后，加速度快速變化時，控制器14判斷穿戴者起跳準備完成。

因此，控制器14接收第一壓力傳感器12的壓力信號，通過檢測壓力變化過程判斷穿戴者是否完成起跳準備；控制器14接收姿態(tài)傳感器13返回的小腿的姿態(tài)信息(包括小腿的坐標，加速度)，通過檢測位置變化和加速度變化判斷穿戴者是否完成起跳準備。

檢測到起跳信號后也就是氣動肌肉6開始收縮后，此時的第一壓力傳感器的壓力值變?yōu)?，控制器14內(nèi)的定時器開始啟動，達到設(shè)定時間后，控制器14控制兩位三通電磁閥11與大氣連接的一端連通，與儲氣瓶5連接的一端斷開，因此氣動肌肉6內(nèi)的氣體釋放，氣動肌肉6內(nèi)的壓力變小，氣動肌肉6恢復(fù)到原始狀態(tài)，等待下一次的助力增跳。

氣動肌肉的基本組成包括橡膠管、編織網(wǎng)和兩端的接頭。一端的接頭上有氣動接頭連接用螺紋孔。其工作原理是利用橡膠管的膨脹產(chǎn)生的力作用到編織網(wǎng)上，利用編織網(wǎng)網(wǎng)線夾角的變化使得肌肉產(chǎn)生收縮運動。因此，氣動肌肉在工作過程中只通過收縮產(chǎn)生拉力。在氣動肌肉中，橡膠管起膨脹的作用，編織網(wǎng)承受拉力，而接頭主要起固定和密封的作用。

氣動肌肉由外部提供的壓縮空氣驅(qū)動，作推拉動作，其過程就像人體的肌肉運動。它可以提供很大的力量，而重量卻比較小，最小的氣動肌肉重量只有10g。氣動肌肉會在達到推拉極限時自動制動，不會突破預(yù)定的范圍。多個氣動肌肉可以按任意方向、位置組合，不需要整齊的排列。

以上所述僅為本發(fā)明創(chuàng)造的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明創(chuàng)造，凡在本發(fā)明創(chuàng)造的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明創(chuàng)造的保護范圍之內(nèi)。