自動輔助行走裝置的制作方法

本實用新型屬于智能穿戴硬件技術領域，尤其是涉及一種自動輔助行走裝置。

背景技術：

近年來，隨著人們生活方式的多元化和電子商務的快速發展，網上購物已經日漸成為人們主流的消費方式。但是與之配套的快遞物流業寄送投遞效率低，導致大量貨物積壓，同時為滿足顧客送貨上樓的服務要求，使得快遞員的勞動強度加重，勞動時間延長。因此，設計一種可以提高快遞公司的服務效率，降低快遞員的工作壓力的輔助行走裝置的要求越來越迫切。

美國國防部高級研究局(DARPA)在2000年投資五千萬美元，研究開發出一種能增強人體技能的外骨骼，準備研制一種使士兵能夠單兵作戰的機械外骨骼。在軍事領域，士兵穿上該外骨骼之后能夠做長距離的背負沉重的武器裝備至少四小時而不感覺到疲倦，而且它提供能源裝置，能夠保證連續運行4小時。除此之外它還集成了通訊設備和武器裝備大大的使士兵的單兵作戰能力提高了。此項目資助了多家研究結構，分別為橡樹嶺國家實驗室(ORNL)、加利福尼亞大學的實驗室、SARCOS公司還有千年噴氣機公司。加利福尼亞大學的人體工程實驗室已研制出伯克利下肢外骨骼。

2002年，由日本筑波大學的Cybernics Lab開發的HAL系列穿戴型下肢外骨骼用于助力及幫助老年人和下肢殘疾者完成行走。該外骨骼是HAL-5，它是由筑波Cyberdyne公司研發的人體外骨骼產品，其可以使下肢殘疾者和老年人便捷安全的進行日常行動。該產品擁有自動控制系統，神經信號可以被肌肉通過神經元來獲取，從而進行達到移動的目的。皮膚上的微弱信號都可以被它檢測到。從而使驅動裝置控制運動。它是一款可穿戴外骨骼，利用可充電電池來進行驅動，擁有將近三小時的持久力。混合控制也是HAL-5的特點之一，比如身體的狀態控制，生物學反饋還有預測前饋。該產品是助力外骨骼的成功范例。

ReWalk是由以色列的ReWalkRobotic設計制造的一款外骨骼，主要是幫助不能夠正常行走的人員像正常人一樣站立起來行走。它還是一款可穿戴的外骨骼系統并且是由電池供電的。在它的關節處有步進電機和傳感器，通過電腦來控制膝蓋和髖關節運動。ReWalk控制運動的方法是通過檢測到身體的前傾，從而開始一步又一步的向前運動，它是可以滿足人的自然行走狀態和速度的。因為這套外骨骼可以支撐身體的裝量，所以用戶不必消耗太多多余的體力來支撐身體。正常人的上下樓以及坐立行走都是rewalk允許用戶完成的。

近些年我國也有很多科研人員開始從事這項研究，而且很多科研單位都有很不錯的成績。

南京軍區南京總醫院研究的第一部單兵外骨骼系統在2013年正式公布，該系統是根據昆蟲外骨骼的仿生學原理研制而成的，在將來的戰場上，士兵的攜帶的武器裝備會越發沉重，但是人體的負荷能力是有限的。研究的這款外骨骼，能夠使士兵減少最少50％的負重，但是該系統仍然處于研發狀態。

此外，中科院常州先進制造技術研究所研制的認知外骨骼機器人1號在2014年進行最后的調試。該機器人有六個電機，每個電機對對應的關節施以助力，并且它還配有二十多個傳感器，對照南京軍區的單兵負重外骨骼該機器人也可以幫助穿戴者減輕負重，然而它的外形太大，不容易穿戴。

當前的自動輔助行走裝置多用于軍事、醫療等領域，多輔助人力在平坦路面行走，且結構較為復雜，不適合在日常生活中進行廣泛的運用。而在日常生活中，我們又需要一種成本相對較低且適用于快遞員工作，既能滿足平坦路面行走又能上下樓梯的助力行走裝置為我們服務。因此本設計要以低成本為前提，最大限度的簡化機構，同時又能滿足降低快遞員工作壓力這一基本功能的實現。

本設計致力于改善快遞員等負重工作人員的工作方式，主要通過人的智能動作控制整體機構的運動，把人的主動性與擁有強大力量的機電系統結合在一起，使人的負重行走更加輕松，大大降低了他們的體能消耗，從而將快遞員從繁重的勞動強度中解放出來，提高了其工作效率和服務質量，最終促進了電商行業的發展。

技術實現要素：

本實用新型的目的在于提供一種自動輔助行走裝置，旨在解決現有的輔助行走設備結構復雜，不適于快遞員直接使用的問題。

本實用新型是這樣實現的：

自動輔助行走裝置，其特征在于：包括背帶、角位移傳感器、可折疊背板、大腿伸縮臂、小腿伸縮臂、可延展載物板、可調行程氣彈簧、固定踏板、控制箱、鋼絲和控制單元，所述可折疊背板上設有背帶，所述可折疊背板兩側對稱設有角位移傳感器，所述可折疊背板下端通過轉軸連接控制箱上端邊緣，所述控制箱水平設置，所述控制箱上端設有可延展載物板，所述控制箱下端邊緣兩側對稱設有大腿伸縮臂，所述控制箱旋轉連接大腿伸縮臂上端，所述大腿伸縮臂下端旋轉連接小腿伸縮臂，所述小腿伸縮臂下端內側設有固定踏板，所述控制箱下端和小腿伸縮臂外側中部之間設有可調行程氣彈簧，所述控制箱內設有控制單元；

所述控制單元包括單片機、電源模塊、模數轉換器、步進驅動器、步進電機和鋼絲絞盤，所述單片機連接所述角位移傳感器，所述單片機連接模數轉換器，所述模數轉換器連接步進驅動器，所述步進驅動器連接步進電機，所述步進電機輸出端連接鋼絲絞盤，所述鋼絲絞盤連接鋼絲一端，所述鋼絲另一端連接所述小腿伸縮臂下端。

優選的，所述單片機型號為STC89C52RC。

優選的，所述角位移傳感器型號為WDD35D4A。

優選的，所述模數轉換器型號為PCF8591。

優選的，所述步進驅動器型號為GJ2HB404。

優選的，所述可延展載物板包括載物板本體和可伸縮甲板，所述載物板本體設于所述控制箱頂端，所述載物板本體兩側設有可伸縮甲板。

本實用新型的有益效果在于：通過位于上肢的角位移傳感器采集上肢擺動信號，再交由單片機處理并控制步進驅動器和步進電機，又通過步進電機連接的鋼絲控制關節的轉動角度，實現下肢運動；位于小腿部位的可調行程氣彈簧可以幫助載物行走，并使人體在行走過程中達到平衡。本實用新型結構簡單，安裝和控制方便，穩定性強，載物移動效果好，該裝置具有易攜帶性，載物板具有一定的可調性，適合商業推廣。

附圖說明

圖1是本實用新型仰視結構示意圖；

圖2為本實用新型的主視圖；

圖3為本實用新型的角位移及背帶局部圖；

圖4為本實用新型的控制箱內結構示意圖；

圖5為本實用新型的單片機最小系統引腳圖；

圖6為本實用新型的角位移傳感器的采集電路引腳圖；

圖中：1背帶；2角位移傳感器；3可折疊背板；4大腿伸縮臂；5小腿伸縮臂；6可延展載物板；61載物板本體；62可伸縮甲板；7可調行程氣彈簧；8固定踏板；9控制箱；10鋼絲；11控制單元；111單片機；112電源模塊；113模數轉換器；114步進驅動器；115步進電機；116鋼絲絞盤。

具體實施方式

為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。

圖1至6示出了本實用新型的自動輔助行走裝置，其特征在于：包括背帶1、角位移傳感器2、可折疊背板3、大腿伸縮臂4、小腿伸縮臂5、可延展載物板6、可調行程氣彈簧7、固定踏板8、控制箱9、鋼絲10和控制單元11，所述可折疊背板3上設有背帶1，所述可折疊背板3兩側對稱設有角位移傳感器2，所述可折疊背板3下端通過轉軸連接控制箱9上端邊緣，所述控制箱9水平設置，所述控制箱9上端設有可延展載物板6，所述控制箱9下端邊緣兩側對稱設有大腿伸縮臂4，所述控制箱9旋轉連接大腿伸縮臂4上端，所述大腿伸縮臂4下端旋轉連接小腿伸縮臂5，所述小腿伸縮臂5下端內側設有固定踏板8，所述控制箱9下端和小腿伸縮臂5外側中部之間設有可調行程氣彈簧7，所述控制箱9內設有控制單元11；

所述控制單元11包括單片機111、電源模塊112、模數轉換器113、步進驅動器114、步進電機115和鋼絲絞盤116，所述單片機111連接所述角位移傳感器2，所述單片機111連接模數轉換器113，所述模數轉換器113連接步進驅動器114，所述步進驅動器114連接步進電機115，所述步進電機115輸出端連接鋼絲絞盤116，所述鋼絲絞盤116連接鋼絲10一端，所述鋼絲10另一端連接所述小腿伸縮臂5下端。其中電源模塊112提供動力源，用模數轉換器113及單片機111組成信號處理部分來處理角位移傳感器2傳達的信號，進一步傳遞到步進驅動器114中來有序的驅動步進電機115運動，并帶動鏈接在步進電機115輸出端的鋼絲絞盤116運動，從而實現鋼絲10的伸縮，拉動小腿伸縮臂5最終實現小腿的運動，達到行走的目的。

整個裝置通過上肢和下肢背帶實現人體和此裝置的連接，由可伸縮大小腿伸縮臂、可延展載物板6、固定踏板8三個部位實現支撐，由背帶1和可折疊背板3兩個部位實現固定，角位移傳感器2提供輸入信號，角位移傳感器2是依靠人行走時擺臂，臂膀會觸碰到角位移傳感器2，其將接收到的信號傳到單片機111，由單片機111實現控制的目的，可調行程氣彈簧7與步進電機115連接的鋼絲絞盤116提供動力。自動輔助行走裝置應該具有結實耐用等特點，在使用中，載物板6上負載的重量與其本身的重量都要由機械結構承受，因此，該機械結構的穩定性是最先要保證的。除此之外，該裝置不僅要支撐它本身和后背載物的重量，還要攜帶各種器件來支持機械裝置運行，所以它的材料要選擇輕便結實的，從而使該裝置能夠完善運行。

更進一步的，所述單片機111型號為STC89C52RC。

本設計控制電機的微控制單元采用宏晶科技的增強型51單片機(具體型號為STC89C52RC)。

該單片機111的編程指令及引腳與8051完全兼容，可直接使用8051頭文件，此單片機屬于8051增強型，對于時鐘/機器周期的分頻可選擇為6或者12分頻。具有較寬的工作電壓，外部晶振可選擇0～40MHz，應用程序空間有8KB供用戶使用，擁有32個通用I/O口，集成了片內512KB的RAM，還有三個定時計數器，具有看門狗和EEPROM功能。51單片機的最小系統由復位電路、晶振電路和單片機組成，它是單片機正常運行的關鍵部分，一旦缺少了這部分電路，那么單片機就像是人失去了心臟一般不可以運行。單片機的基準時序的提供者是晶振電路。時序的基礎是時鐘，時鐘的產生有兩種方式，即外部和內部方式。該設計采用的是外部方式。51系列單片機的振蕩頻率有效值為1.2-24MHz，時常選擇11.0592MHz。在本設計當中C1、C2的數值選為22pF，一般為30pF。該設計選用上電復位作為單片機的復位方式，R取值1kΩ。如圖5所示為最小系統。

如下表為單片機引腳說明：

更進一步的，所述角位移傳感器2型號為WDD35D4A。

角位移傳感器2要具備體積小、重量小、準確度高和安裝簡易的特點，經過比較，本設計最終采用了歐姆特爾公司生產的角位移傳感器WDD35D4A，該系列產品外殼的材料為硬質鋁合金，電阻材料選用的是導電塑料，經過模壓和激光修整工藝，安裝高速不銹鋼軸承，貴金屬刷機裝置等精密部件，以確保產品的品質與性能更具有可靠性，達到長機械壽命，動態噪聲小，旋轉平穩，分辨率高的優良特性。其技術參數如下：

1.免接觸式，適應多種環境不良環境；

2.機械轉角：360°連續；

3.線性：0.25～0.5；

4.多種范圍、直流輸出；

5.分辨率：無限；

6.溫度范圍：-55℃～125℃。

圖6為自動輔助行走裝置的角位移采集電路，這里只繪制了其中一路采集線路，實際電路板中應包含兩路相同的線路。具體連接方法是兩個角位移傳感器分別將模擬信號由AIN2和AIN3口輸入到AD轉換器中，然后由SDA口傳到單片機。

更進一步的，所述模數轉換器113型號為PCF8591。

這里的模數轉換器113將采用PCF8591，該模數轉換器113是由一個芯片集成，它需要獨立供電，功耗低，是一個8位CMOS的數據獲取器件。讀寫接口為串行I²C接口，集成了4個AD輸入接口與1個DA輸出接口。硬件地址編程地址引腳為A0，A1和A2。在無外加硬件的情況下，可在一個I2C總線上接入8個PCF8591器件，控制和數據信號、輸入輸出的地址以串行雙線雙向I2C總線通訊。如下表所示為其引腳的說明：

更進一步的，所述步進驅動器114型號為GJ2HB404。

更進一步的，所述可延展載物板6包括載物板本體61和可伸縮甲板62，所述載物板本體61設于所述控制箱9頂端，所述載物板本體61兩側設有可伸縮甲板62。通過在載物板本體61的側端加裝可伸縮甲板62，以適應各種尺寸的貨物的固定裝載，大大提高裝置的適應力。

本實用新型的工作原理如下：

在使用過程中，通過背帶1等固定結構使此裝置的可折疊背板3背負在人體后背上，腳踏在固定踏板8上，調整大腿伸縮臂4和小腿伸縮臂5的高度，使其適應使用者的身高要求；將貨物設置在可延展載物板6上，通過擺臂使一側的手臂觸碰到角位移傳感器2，通過角位移傳感器2將信號傳送給單片機111和模數轉換器113，并通過單片機111發出控制信號到步進驅動器114，驅動相對側的步進電機115進行動作，使鋼絲絞盤116上的鋼絲10拉緊收縮，使相對側的小腿伸縮臂5實現彎曲，帶動固定踏板8向上運動，當一側的手臂與角位移傳感器2相分離后，驅動相對側的步進電機115進行動作，使鋼絲絞盤116上的鋼絲10松開伸長，相對側的可調行程氣彈簧7則伸長，使小腿伸縮臂5向前運動，當另一側的手臂觸碰到角位移傳感器2后，則運動模式如上所述，從而實現了行走和上樓過程。

本實用新型的有益效果在于：通過位于上肢的角位移傳感器采集上肢擺動信號，再交由單片機處理并控制步進驅動器和步進電機，又通過步進電機連接的鋼絲控制關節的轉動角度，實現下肢運動；位于小腿部位的可調行程氣彈簧可以幫助載物行走，并使人體在行走過程中達到平衡。本實用新型結構簡單，安裝和控制方便，穩定性強，載物移動效果好，適合商業推廣。

上述雖然結合附圖對本實用新型的具體實施方式進行了描述，但并非對本實用新型保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本實用新型的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性的勞動即可做出的各種修改或變形仍在本實用新型的保護范圍之內。