一種具有坡路助行功能的助行裝置的製作方法

2024-04-02 14:00:05 1

本發明涉及機器人技術領域，具體是一種具有坡路助行功能的助行裝置。

背景技術：

運動對老年人保持健康狀態具有重要作用，運動可以增強老年人身體機能，防止與老化有關的身體功能下降，防止漸進殘疾，降低發病率和死亡率。步行是老年人運動的重要形式，對步行運動的需求，使助行器得到廣泛應用。然而普通助行器許多情況下不能滿足使用者在功能、舒適性和安全性等方面的需求，因此智能助行器的研究受到廣泛關注。智能助行器通常是在傳統助行器的基礎上加裝動力裝置、制動裝置、檢測系統、控制系統等。按驅動形式不同，可分為主動式智能助行器和被動式智能助行器。

主動式智能助行器通常以伺服電機作為執行元件，應用人機接口感知使用者的意向運動信息，並跟隨使用者運動，同時，提供輔助力，防止跌倒。麻省理工學院的研究人員研發的智能助行器為四輪結構，聲納陣列布置前部，兩個扶手通過六維力/力矩傳感器與底盤連接，採用伺服電機驅動助行器運動。日本科學技術研究所研製的主動式助行機器人jarow(jaistactiveroboticwalker)，可以在室內為老年人提供自然、無約束、全方位的運動。jarow由三個組成部分，底座、頂架和連接杆。底座和頂架均為弧形結構，底座下安裝有三個全向輪。底座上安裝有兩個雷射範圍探測器，用以檢測使用者下肢的位置。連接杆的長度可調，以適用於不用的使用者。使用時，使用者站立於弧形結構內，可以將前臂與手部置於頂架上。應用雷射探測器信息實時估測使用者腿部和身體的位置，進而調整jarow跟隨使用者運動。臺灣大學研製的智能助行器，應用於老年人及帕金森症患者。該機器人由傳統四輪助行器改造而來，兩個後輪為主動輪，車身前部安裝有雷射範圍探測器，用以避障，後部安裝有微型雷射探測器，用以感知使用者腿部與機器人的距離，兩個扶手處安裝有八個力傳感器，根據力傳感器信息來決定直行還是轉向，當檢測到突然施加推力時機器人自動停止，防止跌倒。

被動式智能助行器不具備主動運動能力，在使用者的作用力下運動，可為使用者提供導航、避障等功能，應用伺服制動器為使用者提供輔助力，可實現按軌跡運行和防止跌倒等功能。日本山形大學研製的被動式智能助行器名為i-walker，用於助行和進行步態康復訓練。i-walker由商用六輪助行器改造而來。助行器每側有三個輪子，每側中間的輪子加裝了伺服制動器和旋轉式編碼器，在i-walker前部裝有一個攝像機。通過控制兩個伺服制動器，可以控制i-walker運動的速度和方向，應用編碼器信息可以計算運行的距離和速度，應用攝像機獲得的視覺信息，可使i-walker沿著地面上的預定軌跡運動。

日常生活環境中的小區、公園、菜市場、商場等處都修建有坡路，儘管坡路地段行程不長，但是行走費力，是較易發生跌倒等危險的路段。目前的智能助行器多是在室內或室外路面較為平坦的環境中應用，被動式智能助行器雖然可以實現下坡助力，但是無法在上坡時提供輔助力如日本東北大學研製的被動式智能助行器，使用時四個輪子均位於使用者前方，使用者雙手扶於扶手上。後面兩個輪上均裝有伺服制動器。車體上裝有兩個立體校準攝像機，用以對人體的姿態進行檢測，基於獲得的姿態，控制器控制伺服制動器處於相應的狀態，使機器人對使用者提供輔助力，防止跌倒。部分主動式智能助行器可以實現下坡和上坡助力，但是，儘管生活環境中修建的坡路坡度值變化較小，使用主動式智能助行器提供輔助力時，控制系統仍需要有較高的實時性。日本高知工科大學研製的全向助行器採用了四個全向輪，其前臂支撐結構中安裝有四個力傳感器，用以感知使用者前臂的壓力信息，進而獲得使用者的運動方向，每個輪子均由伺服電機驅動，即使在平坦路面行走，電機也需要持續工作，能耗高；哈爾濱工業大學研製的智能助行器，採用前輪驅動方式，兩個後輪為舵輪，採用直流伺服電機驅動，可進行緊急制動，裝有超聲波傳感器、紅外傳感器、傾角傳感器和熱釋電紅外傳感器。超聲波傳感器、紅外傳感器用以避障，傾角傳感器用以對車體傾斜角度進行檢測，熱釋電紅外傳感器用以判斷使用者是否在車體後方。其控制按鈕布置於兩個扶手上，用以對機器人進行控制，既需要感知人機相互作用力，又需要感知坡度信息，控制系統複雜，硬體成本高。

技術實現要素：

針對現有技術的不足，本發明擬解決的技術問題是，提供一種具有坡路助行功能的助行裝置。本助行裝置採用主被動混合驅動系統，可以為使用者在坡路行走時提供輔助力，並且下坡和上坡過程中均由阻尼器提供輔助力，不需要人機接口感知人機互動信息，易於進行人機互動力控制。

本發明解決所述技術問題的技術方案是，提供一種具有坡路助行功能的助行裝置，其特徵在於該助行裝置包括軀幹、力感知部件、上平臺、底盤和驅動系統；所述軀幹包括電池、控制器、聯杆、前支架、調節鈕、調節杆和支板；所述力感知部件包括下固定板、支撐軸、上固定板、力傳感器和直線軸承；所述上平臺包括上扶杆、扶手和支撐板；所述底盤包括前輪、底板、後輪支架、阻尼器支架和後輪；所述驅動系統包括錐齒輪支架、阻尼器、蝸輪蝸杆減速器、電機、導電滑環、錐齒輪、錐齒輪軸、鏈條、鏈輪和驅動輪軸；所述阻尼器包括右端蓋支架、右端蓋、阻尼器輸入軸、油嘴、定子、套筒、左端蓋、阻尼器輸出軸、永磁密封裝置、t形轉子、磁流變液、電感線圈、外殼和接線端子；

所述電池和控制器安裝在聯杆上；所述控制器與電池連接；所述聯杆安裝在底板上；所述前支架的上端通過調節鈕與調節杆連接；前支架的下端與底板連接；所述支板的一端與前支架連接，另一端與底板連接；

所述上固定板的上表面與支撐板連接，下表面具有周向支腿和中部支腿；所述力傳感器一端與下固定板的內壁固連，另一端與上固定板的中部支腿固連，力傳感器與控制器連通；所述支撐軸穿過下固定板並安裝其上；所述直線軸承套於支撐軸上；上固定板的周向支腿安裝在直線軸承上；

所述上扶杆和扶手安裝在支撐板上；

所述前輪安裝於底板上；所述後輪通過後輪支架和驅動輪軸安裝於底板上；所述阻尼器支架安裝於底板；

所述導電滑環通過其上的接線端子與控制器連接；所述電機的輸出端與蝸輪蝸杆減速器連接，蝸輪蝸杆減速器安裝在底板上；所述阻尼器安裝在阻尼器支架上；所述錐齒輪支架安裝於底板上；所述錐齒輪通過錐齒輪軸安裝在錐齒輪支架上；所述錐齒輪軸和驅動輪軸上均安裝有鏈輪，鏈輪之間通過鏈條連接；所述右端蓋支架固定於底板上；所述右端蓋與右端蓋支架連接；阻尼器輸入軸與右端蓋的內壁固定連接，阻尼器輸入軸與蝸輪蝸杆減速器連接；所述導電滑環的內圈與右端蓋的外壁連接，外圈固定在右端蓋支架上；所述定子分別與左端蓋、右端蓋和外殼固定連接；所述外殼上開有油嘴；所述阻尼器輸出軸與t形轉子固定連接；阻尼器輸出軸的輸出端穿過左端蓋，其上安裝有齒輪，與錐齒輪嚙合；所述磁流變液分布於t形轉子與定子、t形轉子與外殼之間的間隙中；所述永磁密封裝置通過套筒定位並與阻尼器輸出軸連接；所述定子上繞有電感線圈；電感線圈的接線端子與導電滑環連接。

與現有技術相比，本發明有益效果在於：

1、該助行裝置能夠在下坡時為使用者提供輔助力，輔助力的方向與使用者前進方向相反；在上坡時為使用者提供輔助力，輔助力的方向與使用者前進方向相同。上坡和下坡所需輔助力均由主被動混合驅動系統提供，易於控制輔助力大小，控制方法簡單。

2、所述主被動混合驅動系統將磁流變阻尼器與電機結合，上坡時電機通過蝸輪蝸杆減速器帶動磁流變阻尼器外殼轉動，依據傾角傳感器實時檢測到的坡度信息，控制器輸出控制信號，控制阻尼器輸出的阻尼器力矩，從而提供與使用者前進方向相同的輔助力，力傳感器測得的力信息反饋到控制器並與阻尼器輸出的輔助力信息進行比較，進一步對輔助力進行調節，以獲得準確的輔助力。下坡時，電機不通電，利用蝸輪蝸杆減速器的自鎖功能，使阻尼器外殼不轉動，控制器依據傾角傳感器的控制信號輸出控制信號，控制阻尼器輸出阻尼器力矩，提供與使用者前進方向相反的輔助力，保證慢速安全下坡。平坦路面行走時，阻尼器輸出軸處於自由轉動狀態，無需供電，能耗低。

3、採用永磁密封裝置使得阻尼器內的磁流變液的密封效果更好。

附圖說明

圖1為本發明具有坡路助行功能的助行裝置一種實施例的整體結構使用原理圖；

圖2為本發明具有坡路助行功能的助行裝置一種實施例的整體結構示意圖；

圖3為本發明具有坡路助行功能的助行裝置圖2的局部放大示意圖；

圖4為本發明具有坡路助行功能的助行裝置圖3中的阻尼器的剖視結構示意圖；

圖5為本發明具有坡路助行功能的助行裝置一種實施例的力感知部件整體結構示意圖；

圖6為本發明具有坡路助行功能的助行裝置一種實施例的力感知部件內部結構示意圖；(圖中：1、軀幹；2、力感知部件；3、上平臺；4、底盤；5、驅動系統；11、電池；12、控制器；13、聯杆；14、前支架；15、調節鈕；16、調節杆；17、支板；21、下固定板；22、支撐軸；23、上固定板；24、力傳感器；25、直線軸承；31、上扶杆；32、扶手；33、支撐板；41、前輪；42、底板；43、後輪支架；44、阻尼器支架；45、後輪；50、錐齒輪支架；51、阻尼器；52、蝸輪蝸杆減速器；53、電機；54、導電滑環；55、錐齒輪；56、錐齒輪軸；57、鏈條；58、鏈輪；59、驅動輪軸；5101、右端蓋支架；5102、定位螺釘；5103、右端蓋；5104、阻尼器輸入軸；5105、軸承；5106、油嘴；5107、定子；5108、套筒；5109、左端蓋；5110、阻尼器輸出軸；5111、永磁密封裝置；5112、t形轉子；5113、磁流變液；5114、電感線圈；5115、外殼；5116、阻尼器接線端子；5401、接線端子)

具體實施方式

下面給出本發明的具體實施例。具體實施例僅用於進一步詳細說明本發明，不限制本申請權利要求的保護範圍。

本發明提供了一種具有坡路助行功能的助行裝置(參見圖1-6，簡稱助行裝置)，其特徵在於該助行裝置包括軀幹1、力感知部件2、上平臺3、底盤4和驅動系統5；所述軀幹1包括電池11、控制器12、聯杆13、前支架14、調節鈕15、調節杆16和支板17；所述力感知部件2包括下固定板21、支撐軸22、上固定板23、力傳感器24和直線軸承25；所述上平臺3包括上扶杆31、扶手32和支撐板33；所述底盤4包括前輪41、底板42、後輪支架43、阻尼器支架44和後輪45；所述驅動系統5包括錐齒輪支架50、阻尼器51、蝸輪蝸杆減速器52、電機53、導電滑環54、錐齒輪55、錐齒輪軸56、鏈條57、鏈輪58和驅動輪軸59；所述阻尼器51包括右端蓋支架5101、定位螺釘5102、右端蓋5103、阻尼器輸入軸5104、軸承5105、油嘴5106、定子5107、套筒5108、左端蓋5109、阻尼器輸出軸5110、永磁密封裝置5111、t形轉子5112、磁流變液5113、電感線圈5114、外殼5115和接線端子5116；

所述電池11和控制器12安裝在聯杆13上；所述控制器12與電池11連接；所述聯杆13安裝在底板42上；所述前支架14的上端通過調節鈕15與調節杆16連接，通過調節鈕15改變調節杆16的高度以適應不同身高的使用者；前支架14的下端與底板42連接，組成助行裝置的整體構造；所述支板17的一端與前支架14連接，另一端與底板42連接，用於支撐前支架14，保證助行裝置整體的穩定性、安全性和可靠性；

所述上固定板23的上表面與支撐板33連接，下表面具有周向支腿和中部支腿；所述力傳感器24一端與下固定板21的內壁固連，另一端與上固定板23的中部支腿固連，力傳感器24通過線纜與控制器12連通，實現人體對上平臺3的壓力檢測，反饋給控制器12，與控制器12檢測控制的輸出力進行對比，完善控制；所述支撐軸22穿過下固定板21並安裝其上；所述直線軸承25套於支撐軸22上，可沿支撐軸22移動；上固定板23的周向支腿安裝在直線軸承25上；

所述上扶杆31和扶手32安裝在支撐板33上；使用者在使用時手臂放於支撐板33上，雙手握於扶手32或者上扶杆31；使用者手臂作用於支撐板33前後方向的力和雙手作用於扶手32或者上扶杆31前後方向的力通過上固定板23傳遞給力傳感器24，通過上固定板23在直線軸承25上的前後運動帶動力傳感器24一端的運動，從而實現力傳感器對人體作用力的感知；

所述前輪41安裝於底板42上，採用萬向輪方便按照使用者意圖前行；所述後輪45通過後輪支架43和驅動輪軸59安裝於底板42上；所述阻尼器支架44安裝於底板42，選用l板用於安裝阻尼器51；

所述導電滑環54通過其上的接線端子5401與控制器12連接；所述電機53的輸出端與蝸輪蝸杆減速器52連接，蝸輪蝸杆減速器52通過l板安裝在底板42上；所述阻尼器51安裝在阻尼器支架44上；所述錐齒輪支架50安裝於底板42上；所述錐齒輪55通過錐齒輪軸56安裝在錐齒輪支架50上；所述錐齒輪軸56和驅動輪軸59上均安裝有鏈輪58，鏈輪58之間通過鏈條57連接並傳遞動力；所述右端蓋支架5101固定於底板42上；所述右端蓋5103通過軸承5105與右端蓋支架5101連接；阻尼器輸入軸5104通過鍵與右端蓋5103的內壁固定連接，阻尼器輸入軸5104與蝸輪蝸杆減速器52連接並傳遞動力；所述導電滑環54的內圈與右端蓋5103的外壁連接，外圈通過定位螺釘5102固定在右端蓋支架5101上；所述定子5107通過螺釘分別與左端蓋5109、右端蓋5103和外殼5115固定連接；所述外殼5115上開有油嘴5106，用於磁流變液5113的導入；所述阻尼器輸出軸5110通過鍵與t形轉子5112固定連接；阻尼器輸出軸5110的輸出端穿過左端蓋5109，其上安裝有齒輪，與錐齒輪55嚙合配合傳遞動力；所述磁流變液5113分布於t形轉子5112與定子5107、t形轉子5112與外殼5115之間的間隙中；所述永磁密封裝置5111通過套筒5108定位並與阻尼器輸出軸5110連接，用於防止磁流變液5113流出；所述定子5107上繞有電感線圈5114，用於通電後產生磁感線；電感線圈5114的接線端子5116與導電滑環54連接，實現實時控制。

本發明具有坡路助行功能的助行裝置的工作原理和工作流程是：在使用時使用者的手臂放於支撐板33上，雙手握於扶手32或者上扶杆31上。軀幹1可根據使用者的身高調整助行裝置的高度。力感知部件2用於測量使用者與助行裝置之間前後方向的相互作用力，將測得的結果傳送到控制器12，通過使用者施加於助行裝置上的力的大小，結合控制器12中的傾角傳感器測得數據所對應的力的大小進行比較，如果對比兩者數據超出某個範圍，則此時控制器12需進行適當調整，從而實現整體控制。上坡時，電機53在控制器12控制下通電，由電機53將動能通過蝸輪蝸杆減速器52輸出到阻尼器51，控制器12中的傾角傳感器檢測坡度信息並將數據傳送到控制器12，由控制器12控制輸出電壓大小，並輸出到阻尼器51，從而控制阻尼器51輸出輔助力大小，進行助力。下坡時，電機53輸出軸(即：阻尼器輸入軸)不轉動，控制器12通過傾角傳感器的數據對阻尼器51施加的電壓進行控制，從而控制阻尼器輸出軸5110輸出動力，錐齒輪55輸出由阻尼器51傳遞的動力，並通過鏈條57傳遞到鏈輪58，從而控制驅動輪軸59上的後輪45的轉動。

本發明未述及之處適用於現有技術。