本發(fā)明涉及醫(yī)療領(lǐng)域中的一種助力裝置，具體是一種輔助人體下肢爬樓的便攜式助力裝置。

背景技術(shù)：

目前，在助老助殘及醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域，一般的下肢助力裝置包括了髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，用戶使用前需要經(jīng)過訓(xùn)練；造價昂貴，普通家庭難以承受；整體結(jié)構(gòu)沉重，穿戴舒適性差。文獻(xiàn)(kenyasuhara.walkingassistdevicewithstridemanagementsystem[j].hondar&dtechnicalreview,2009.10:57-66)中提供了一種小型下肢輔助步行裝置，由于采用的是盤式電機(jī)結(jié)合行星齒輪的結(jié)構(gòu)，裝置的輸出力矩小，僅用于跑步及步行到位訓(xùn)練，無直接助力效果；速度輸出缺少閉環(huán)控制，輸出速度不能穩(wěn)定控制。現(xiàn)有技術(shù)在造價、舒適性和助力效果上難以實現(xiàn)兼顧。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有下肢助力裝置在造價、穿戴舒適性和助力效果上難以兼顧的問題，為此提供了一種輔助人體下肢爬樓的便攜式助力裝置。

本發(fā)明所需要解決的技術(shù)問題，可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：一種輔助人體下肢爬樓的便攜式助力裝置，其包括助力機(jī)構(gòu)、控制器和直流電源器。助力機(jī)構(gòu)包括：腰部支撐件，其呈u型，用于與人體腰部配合；兩個執(zhí)行器，其分別安裝在腰部支撐件的u型兩端，用于輔助人體的兩條下肢爬樓；兩個腿部固定架，其分別安裝在兩個執(zhí)行器上；兩條腿部綁帶，其分別安裝在兩個腿部固定架上，且在使用時分別綁定在人體兩條下肢上?？刂破骺刂苾蓚€執(zhí)行器的運(yùn)行，直流電源器提供電源給兩個執(zhí)行器。

作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，每個執(zhí)行器包括：角度傳感器，編碼器，傳遞座，柔輪法蘭，諧波減速器，安裝座，無刷直流電機(jī)；其中，傳遞座的一端為中心軸，穿過編碼器后插接在角度傳感器中，傳遞座的相對另一端為基底，同心固定在柔輪法蘭上；柔輪法蘭與諧波減速器固定；諧波減速器和無刷直流電機(jī)分別固定在安裝座的相對兩側(cè)上，無刷直流電機(jī)用于驅(qū)動諧波減速器；安裝座安裝在腰部支撐件上，柔輪法蘭安裝在相應(yīng)腿部固定架上；角度傳感器檢測傳遞座回轉(zhuǎn)的角度值，編碼器檢測傳遞座回轉(zhuǎn)的速度值；控制器根據(jù)所述角度值通過內(nèi)部存儲的人體爬樓過程中的步態(tài)函數(shù)改變無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，根據(jù)所述速度值降低無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速波動；控制器通過控制無刷直流電機(jī)驅(qū)動諧波減速器帶動柔輪法蘭向相應(yīng)腿部固定架傳遞轉(zhuǎn)矩，柔輪法蘭的轉(zhuǎn)動改變傳遞座回轉(zhuǎn)的角度和速度，角度傳感器和編碼器分別由此獲得實時的角度值和速度值且均發(fā)送回控制器，實現(xiàn)執(zhí)行器傳動的閉環(huán)控制。

進(jìn)一步地，安裝座通過角度調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)與腰部支撐件之間的角度調(diào)節(jié)；所述角度調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)包括至少一個安裝孔一、與至少一個安裝孔一相對應(yīng)的至少一個安裝孔二、固定于相應(yīng)的安裝孔一和安裝孔二中的至少一個轉(zhuǎn)動軸；安裝孔一開設(shè)在安裝座上，安裝孔二開設(shè)在腰部支撐件上，轉(zhuǎn)動軸實現(xiàn)安裝座與腰部支撐件之間的活動連接。

進(jìn)一步地，柔輪法蘭通過長度及角度調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)與相應(yīng)腿部固定架之間的長度調(diào)節(jié)；所述長度及角度調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)包括至少一個安裝孔三、與至少一個安裝孔三相對應(yīng)的至少一個安裝孔四、固定于相應(yīng)的安裝孔三和安裝孔四中的少一個緊固件；安裝孔三開設(shè)在柔輪法蘭上，安裝孔四開設(shè)在腿部固定架上，緊固件實現(xiàn)柔輪法蘭與腿部固定架長度調(diào)節(jié)和角度調(diào)節(jié)后之間的相互固定。

進(jìn)一步地，柔輪法蘭開設(shè)安裝諧波減速器的密封槽一，通過在密封槽一內(nèi)填入o型密封圈一與諧波減速器的圓周側(cè)面形成擠壓密封。

進(jìn)一步地，每個執(zhí)行器還包括安裝罩；角度傳感器固定在安裝罩上，傳遞座的中心軸穿過編碼器后再穿過安裝罩才插接在角度傳感器中。

再進(jìn)一步地，每個執(zhí)行器還包括保護(hù)罩；編碼器、安裝罩均安裝在保護(hù)罩上，傳遞座的中心軸在穿過編碼器之前要穿過保護(hù)罩。

進(jìn)一步地，每個執(zhí)行器還包括電機(jī)法蘭；無刷直流電機(jī)通過電機(jī)法蘭安裝在安裝座上。

再進(jìn)一步地，安裝座開設(shè)安裝電機(jī)法蘭的密封槽二，通過在密封槽二內(nèi)填入o型密封圈二與電機(jī)法蘭的圓周側(cè)面形成擠壓密封；電機(jī)法蘭開設(shè)安裝無刷直流電機(jī)的密封槽三，通過在密封槽三內(nèi)填入o型密封圈三與無刷直流電機(jī)的圓周側(cè)面形成擠壓密封。

作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，腰部支撐件采用對稱連接的兩個彎折件，每個彎折件通過活動連接的方式連接一塊連接板，連接板上開設(shè)水平的回形槽，執(zhí)行器通過在回形槽上的固定位置調(diào)節(jié)執(zhí)行器與相應(yīng)彎折件之間的距離。

人體爬樓過程中主要通過股四頭肌的屈伸實現(xiàn)爬樓動作，因此通過輔助股四頭肌的屈伸即可實現(xiàn)助力效果，不再需要整體考慮髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動，進(jìn)行針對性結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)大幅降低成本；結(jié)構(gòu)可調(diào)可以滿足更多人群的需要或者適應(yīng)同一用戶形體的變化，簡化結(jié)構(gòu)則降低了裝置質(zhì)量，二者皆可提高穿戴的舒適性；助力效果反映在助力大小及穩(wěn)定性兩方面，提高助力大小需要綜合考慮電機(jī)規(guī)格、減速器結(jié)構(gòu)、動力源參數(shù)和安裝形式，穩(wěn)定性方面需要設(shè)計動力傳輸?shù)倪\(yùn)動監(jiān)控。

因此，本發(fā)明的有益效果主要如下：

1.針對爬樓動作設(shè)計，結(jié)構(gòu)簡便，與現(xiàn)有技術(shù)相比成本大幅降低；

2.整體質(zhì)量大大減輕，多處設(shè)計角度或者長度調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，提高了裝置的穿戴舒適性和通用性；

3.對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，提高了動力輸出的穩(wěn)定性；

4.無刷直流電機(jī)結(jié)合諧波減速器和大容量鋰電池，提高了執(zhí)行器的輸出轉(zhuǎn)矩。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的輔助人體下肢爬樓的便攜式助力裝置的結(jié)構(gòu)立體圖。

圖2為圖1中便攜式助力裝置的執(zhí)行器的立體分解圖。

圖3為圖1中便攜式助力裝置的執(zhí)行器的部分剖視圖。

圖4為圖1中便攜式助力裝置的腰部支撐件和執(zhí)行器之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系圖。

圖5為圖4中區(qū)域i的局部放大示意圖。

圖6為圖4中區(qū)域ii的局部放大示意圖。

圖7為圖1中便攜式助力裝置的執(zhí)行器和腿部固定架之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系圖。

圖8為圖7中區(qū)域iii的局部放大示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

請參閱圖1，本發(fā)明的輔助人體下肢爬樓的便攜式助力裝置解決現(xiàn)有下肢助力裝置在造價、穿戴舒適性和助力效果上難以兼顧的問題，主要包括助力機(jī)構(gòu)、控制器1和直流電源器2?？刂破?用于控制助力機(jī)構(gòu)去輔助人體下肢爬樓，直流電源器2提供助力機(jī)構(gòu)能源，控制器1和直流電源器2可以安裝在助力機(jī)構(gòu)上，也可以獨(dú)立于助力機(jī)構(gòu)，比如控制器1和直流電源器2設(shè)置成手持式的部件，此部件由人拿著進(jìn)行操控。在本實施例中，采用了控制器1和直流電源器2安裝在助力機(jī)構(gòu)上的方式。

請結(jié)合圖2及圖3，助力機(jī)構(gòu)包括腰部支撐件4、兩個執(zhí)行器5、兩個腿部固定架6、兩條腿部綁帶7、兩條背帶3。

腰部支撐件4呈u型，用于與人體腰部配合。腰部支撐件4可以采用一體結(jié)構(gòu)，也可以采用分體結(jié)構(gòu)，如在本實施例中，腰部支撐件4采用對稱連接的兩個彎折件。每個彎折件通過活動連接的方式連接一塊連接板42，連接板42上開設(shè)水平的回形槽43。活動連接的方式可以采用鉸接、樞接等形式，只要便于腰部支撐件4在使用時，能更好的去貼合人體的腰部。為了減輕腰部支撐件4的重量，也可以在腰部支撐件4上開設(shè)若干孔洞44。當(dāng)然這些孔洞44也同時方便了控制器1和直流電源器2在腰部支撐件4上的安裝，控制器1和直流電源器2在腰部支撐件4上安裝時，可以左右對稱的形式設(shè)置，這樣不但可以均衡整個助力裝置的質(zhì)量分布，也比較美觀。

兩條背帶3的兩端分別安裝在腰部支撐件4，兩條背帶3由人體的兩個肩膀配合使用，用于方便人體負(fù)載整個助力裝置的重量。背帶3可采用螺釘固定于腰部支撐件4的中部和執(zhí)行器5上端之間，背帶3的佩戴長度設(shè)計成可調(diào)，可形同背包的背帶結(jié)構(gòu)方式。

兩個執(zhí)行器5分別安裝在腰部支撐件4的u型兩端，用于輔助人體的兩條下肢爬樓。執(zhí)行器5通過在回形槽43上的固定位置調(diào)節(jié)執(zhí)行器5與相應(yīng)彎折件之間的距離。

每個執(zhí)行器5包括角度傳感器8，安裝罩9，編碼器10，保護(hù)罩11，傳遞座12，柔輪法蘭13，o型密封圈一14，諧波減速器15，安裝座16，o型密封圈二17，電機(jī)法蘭18，o型密封圈三19，無刷直流電機(jī)20以及電機(jī)保護(hù)罩21。

在其他實施方式中，執(zhí)行器5可以只包括角度傳感器8，編碼器10，傳遞座12，柔輪法蘭13，諧波減速器15，安裝座16，無刷直流電機(jī)20。傳遞座12的一端為中心軸，穿過編碼器10后插接在角度傳感器8中，傳遞座12的相對另一端為基底，同心固定在柔輪法蘭13上。柔輪法蘭13與諧波減速器15固定，諧波減速器15和無刷直流電機(jī)20分別固定在安裝座16的相對兩側(cè)上，無刷直流電機(jī)20用于驅(qū)動諧波減速器15。安裝座16安裝在腰部支撐件4上，柔輪法蘭13安裝在相應(yīng)腿部固定架6上。

控制器角度傳感器8檢測傳遞座12回轉(zhuǎn)的角度值，編碼器10檢測傳遞座12回轉(zhuǎn)的速度值。控制器1根據(jù)所述角度值通過內(nèi)部存儲的人體爬樓過程中的步態(tài)函數(shù)改變無刷直流電機(jī)20轉(zhuǎn)速，根據(jù)所述速度值降低無刷直流電機(jī)20的轉(zhuǎn)速波動?？刂破?通過控制無刷直流電機(jī)20驅(qū)動諧波減速器15帶動柔輪法蘭13向相應(yīng)腿部固定架6傳遞轉(zhuǎn)矩，柔輪法蘭13的轉(zhuǎn)動改變傳遞座12回轉(zhuǎn)的角度和速度，角度傳感器8和編碼器10分別由此獲得實時的角度值和速度值且均發(fā)送回控制器1，實現(xiàn)執(zhí)行器5傳動的閉環(huán)控制。

具體地說，角度傳感器8檢測傳遞座12回轉(zhuǎn)的角度值，由于傳遞座12與柔輪法蘭13固連，因此二者回轉(zhuǎn)角度值一致。角度傳感器8將檢測得到的角度值轉(zhuǎn)換為電信號發(fā)送到控制器1中；編碼器10檢測傳遞座12回轉(zhuǎn)的速度值，傳遞座12回轉(zhuǎn)的速度經(jīng)過諧波減速器15的減速作用，變?yōu)闊o刷直流電機(jī)20轉(zhuǎn)速的1/i，i為諧波減速器15的減速比，在本實施例中，i＝100。因此通過測量傳遞座12回轉(zhuǎn)的速度值間接獲得無刷直流電機(jī)20的轉(zhuǎn)速，傳遞座12將速度信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柊l(fā)送到控制器1中?？刂破?可采用預(yù)置的stm32單片機(jī)芯片，控制無刷直流電機(jī)20，stm32單片機(jī)芯片預(yù)先寫入了人體爬樓過程中的步態(tài)函數(shù)。無刷直流電機(jī)20的轉(zhuǎn)速與傳遞座12回轉(zhuǎn)的角度值相互對應(yīng)，角度傳感器8發(fā)送的角度值經(jīng)過stm32單片機(jī)處理后，按照步態(tài)函數(shù)改變無刷直流電機(jī)20轉(zhuǎn)速，編碼器10發(fā)送的速度值經(jīng)過stm32單片機(jī)處理后，降低無刷直流電機(jī)20的轉(zhuǎn)速波動?？刂破?控制無刷直流電機(jī)20驅(qū)動諧波減速器15帶動柔輪法蘭13向相應(yīng)腿部固定架6傳遞轉(zhuǎn)矩，柔輪法蘭13的轉(zhuǎn)動改變傳遞座12回轉(zhuǎn)的角度值和速度值，角度傳感器8和編碼器10將回轉(zhuǎn)的角度值和速度值發(fā)送回控制器1，實現(xiàn)執(zhí)行器5傳動的的閉環(huán)控制。

諧波減速器15與柔輪法蘭13之間的安裝方式可以采用如下方式：柔輪法蘭13開設(shè)安裝諧波減速器15的密封槽一，通過在密封槽一內(nèi)填入o型密封圈一14與諧波減速器15的圓周側(cè)面形成擠壓密封。同理，安裝座16與電機(jī)法蘭18、電機(jī)法蘭18和無刷直流電機(jī)20之間也都可以采用相似的安裝方式：安裝座16開設(shè)安裝電機(jī)法蘭18的密封槽二，通過在密封槽二內(nèi)填入o型密封圈二17與電機(jī)法蘭18的圓周側(cè)面形成擠壓密封；電機(jī)法蘭18開設(shè)安裝無刷直流電機(jī)20的密封槽三，通過在密封槽三內(nèi)填入o型密封圈三19與無刷直流電機(jī)20的圓周側(cè)面形成擠壓密封。

請結(jié)合圖4、圖5及圖6，安裝座16通過角度調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)與腰部支撐件4之間的角度調(diào)節(jié)。所述角度調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)包括至少一個安裝孔一161、與至少一個安裝孔一161相對應(yīng)的至少一個安裝孔二、固定于相應(yīng)的安裝孔一161和安裝孔二中的至少一個轉(zhuǎn)動軸41。安裝孔一161開設(shè)在安裝座16上，安裝孔二開設(shè)在腰部支撐件4上，轉(zhuǎn)動軸41實現(xiàn)安裝座16與腰部支撐件4之間的活動連接。安裝座16通過在回形槽43上的固定位置調(diào)節(jié)執(zhí)行器5與相應(yīng)彎折件之間的距離，安裝座16可以設(shè)置延伸條以便騰出空間與腰部支撐件4配合安裝。

在圖4中所示，腰部支撐件4開設(shè)12個均布安裝孔，安裝座16配開4個均布安裝孔，實現(xiàn)腰部支撐件4和執(zhí)行器5之間的角度調(diào)節(jié)，角度調(diào)節(jié)值為30°一檔。

在圖5中，柔輪法蘭13開設(shè)了自上而下共4排8個安裝孔，相鄰4個孔的水平和豎直方向中心距相等；腿部固定架6加工了4個弧形腰孔，弧形腰孔間的水平和豎直方向中心距相等，且中心距值與柔輪法蘭13的相鄰4個孔中心距值相等；弧形腰孔與圓孔配合實現(xiàn)了一定范圍內(nèi)的角度調(diào)節(jié)，弧形腰孔與多排孔配合實現(xiàn)了長度尺寸的分級調(diào)整。

請結(jié)合圖7及圖8，柔輪法蘭13通過長度及角度調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)與相應(yīng)腿部固定架6之間的長度調(diào)節(jié)。所述長度及角度調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)包括至少一個安裝孔三131、與至少一個安裝孔三131相對應(yīng)的至少一個安裝孔四、固定于相應(yīng)的安裝孔三131和安裝孔四中的少一個緊固件132。安裝孔三131開設(shè)在柔輪法蘭13上，安裝孔四開設(shè)在腿部固定架6上，緊固件132實現(xiàn)柔輪法蘭13與腿部固定架6長度調(diào)節(jié)和角度調(diào)節(jié)后之間的相互固定。

在本實施例中，控制器1和直流電源器2安裝在腰部支撐件4的兩側(cè)，通過螺釘固定，直流電源采用動力鋰電池，可實現(xiàn)二次充放，電源規(guī)格24v，3200mah。腰部支撐件4和執(zhí)行器5之間設(shè)計角度調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)完成通過螺釘固定。執(zhí)行器5和腿部固定架6之間設(shè)計了安裝角度和長度調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)完成通過螺釘固定。腿部綁帶7為魔術(shù)貼結(jié)構(gòu)，用于包裹大腿，通過沉頭螺釘安裝在腿部固定架6。背帶3，執(zhí)行器5，腿部固定架6和腿部綁帶7各有兩件，左右側(cè)安裝。

角度傳感器8由螺釘固定于安裝罩9，安裝罩9、編碼器10安裝在保護(hù)罩11之上。傳遞座12與柔輪法蘭13對心固定，配合角度傳感器9、編碼器10構(gòu)成執(zhí)行器5運(yùn)動監(jiān)控機(jī)構(gòu)。柔輪法蘭13開有密封槽一，填入o型密封圈一14后，與諧波減速器15的左端面形成擠壓密封，柔輪法蘭13于諧波減速器15的柔輪螺釘固定，隨諧波減速器15的柔輪進(jìn)行轉(zhuǎn)動。保護(hù)罩11、諧波減速器15、電機(jī)法蘭18、無刷直流電機(jī)20和電機(jī)保護(hù)罩21皆通過螺釘固定在安裝座16之上，電機(jī)法蘭18兩端面設(shè)有密封槽，填入o型密封圈二17和o型密封圈三19后，配合安裝座16和無刷直流電機(jī)20的端面擠壓，實現(xiàn)諧波減速器15的右端面擠壓密封，防止諧波減速器15內(nèi)部填充的潤滑脂發(fā)生泄漏。安裝罩9、保護(hù)罩11和電機(jī)保護(hù)罩21為塑料件，作用在于安全保護(hù)，避免人體接觸運(yùn)動件以及防止觸電。無刷直流電機(jī)20通過諧波減速器15將高速低轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)變成低速高轉(zhuǎn)矩，通過固連在諧波減速器15上的柔輪法蘭13向外傳遞轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動。

請再次參閱圖3，傳遞座12、柔輪法蘭13、角度傳感器8和編碼器10可構(gòu)成所述執(zhí)行器5的運(yùn)動監(jiān)控機(jī)構(gòu)的主要部件。其中，傳遞座12與柔輪法蘭13固定安裝，角度傳感器8和編碼器10的安裝見圖2描述；傳遞座12與柔輪法蘭13相對執(zhí)行器安裝座16做回轉(zhuǎn)運(yùn)動，角度傳感器8和編碼器10相對安裝座16固定；傳遞座12的伸軸貫穿編碼器10并插入角度傳感器8中，實現(xiàn)對傳遞座12回轉(zhuǎn)角度和速度的檢測，檢測數(shù)據(jù)上傳經(jīng)由控制器1處理后，調(diào)節(jié)無刷直流電機(jī)20的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對執(zhí)行器5的運(yùn)動監(jiān)控。

本發(fā)明的輔助人體下肢爬樓的便攜式助力裝置在操作時，其操作過程結(jié)合圖1—圖5說明。

穿戴前檢測用戶爬樓步態(tài)周期，調(diào)節(jié)執(zhí)行器5運(yùn)動參數(shù)；佩戴背帶3，調(diào)節(jié)長度，綁緊腿部綁帶7；參照圖4、圖7，根據(jù)用戶體態(tài)調(diào)節(jié)角度和長度。完成調(diào)節(jié)工作后，穿戴爬樓。

需要注意的是，所述一種輔助人體下肢爬樓的便攜式助力裝置用于腿部功能正常但是運(yùn)動能力不足用戶的爬樓過程，例如輔助老年人爬樓。

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