一種具有坡路助行功能的助行裝置的制作方法

本發(fā)明涉及機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種具有坡路助行功能的助行裝置。

背景技術(shù)：

運(yùn)動(dòng)對(duì)老年人保持健康狀態(tài)具有重要作用，運(yùn)動(dòng)可以增強(qiáng)老年人身體機(jī)能，防止與老化有關(guān)的身體功能下降，防止?jié)u進(jìn)殘疾，降低發(fā)病率和死亡率。步行是老年人運(yùn)動(dòng)的重要形式，對(duì)步行運(yùn)動(dòng)的需求，使助行器得到廣泛應(yīng)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(guān)注。智能助行器通常是在傳統(tǒng)助行器的基礎(chǔ)上加裝動(dòng)力裝置、制動(dòng)裝置、檢測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。按驅(qū)動(dòng)形式不同，可分為主動(dòng)式智能助行器和被動(dòng)式智能助行器。

主動(dòng)式智能助行器通常以伺服電機(jī)作為執(zhí)行元件，應(yīng)用人機(jī)接口感知使用者的意向運(yùn)動(dòng)信息，并跟隨使用者運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，提供輔助力，防止跌倒。麻省理工學(xué)院的研究人員研發(fā)的智能助行器為四輪結(jié)構(gòu)，聲納陣列布置前部，兩個(gè)扶手通過(guò)六維力/力矩傳感器與底盤連接，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)助行器運(yùn)動(dòng)。日本科學(xué)技術(shù)研究所研制的主動(dòng)式助行機(jī)器人jarow(jaistactiveroboticwalker)，可以在室內(nèi)為老年人提供自然、無(wú)約束、全方位的運(yùn)動(dòng)。jarow由三個(gè)組成部分，底座、頂架和連接桿。底座和頂架均為弧形結(jié)構(gòu)，底座下安裝有三個(gè)全向輪。底座上安裝有兩個(gè)激光范圍探測(cè)器，用以檢測(cè)使用者下肢的位置。連接桿的長(zhǎng)度可調(diào)，以適用于不用的使用者。使用時(shí)，使用者站立于弧形結(jié)構(gòu)內(nèi)，可以將前臂與手部置于頂架上。應(yīng)用激光探測(cè)器信息實(shí)時(shí)估測(cè)使用者腿部和身體的位置，進(jìn)而調(diào)整jarow跟隨使用者運(yùn)動(dòng)。臺(tái)灣大學(xué)研制的智能助行器，應(yīng)用于老年人及帕金森癥患者。該機(jī)器人由傳統(tǒng)四輪助行器改造而來(lái)，兩個(gè)后輪為主動(dòng)輪，車身前部安裝有激光范圍探測(cè)器，用以避障，后部安裝有微型激光探測(cè)器，用以感知使用者腿部與機(jī)器人的距離，兩個(gè)扶手處安裝有八個(gè)力傳感器，根據(jù)力傳感器信息來(lái)決定直行還是轉(zhuǎn)向，當(dāng)檢測(cè)到突然施加推力時(shí)機(jī)器人自動(dòng)停止，防止跌倒。

被動(dòng)式智能助行器不具備主動(dòng)運(yùn)動(dòng)能力，在使用者的作用力下運(yùn)動(dòng)，可為使用者提供導(dǎo)航、避障等功能，應(yīng)用伺服制動(dòng)器為使用者提供輔助力，可實(shí)現(xiàn)按軌跡運(yùn)行和防止跌倒等功能。日本山形大學(xué)研制的被動(dòng)式智能助行器名為i-walker，用于助行和進(jìn)行步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練。i-walker由商用六輪助行器改造而來(lái)。助行器每側(cè)有三個(gè)輪子，每側(cè)中間的輪子加裝了伺服制動(dòng)器和旋轉(zhuǎn)式編碼器，在i-walker前部裝有一個(gè)攝像機(jī)。通過(guò)控制兩個(gè)伺服制動(dòng)器，可以控制i-walker運(yùn)動(dòng)的速度和方向，應(yīng)用編碼器信息可以計(jì)算運(yùn)行的距離和速度，應(yīng)用攝像機(jī)獲得的視覺(jué)信息，可使i-walker沿著地面上的預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)。

日常生活環(huán)境中的小區(qū)、公園、菜市場(chǎng)、商場(chǎng)等處都修建有坡路，盡管坡路地段行程不長(zhǎng)，但是行走費(fèi)力，是較易發(fā)生跌倒等危險(xiǎn)的路段。目前的智能助行器多是在室內(nèi)或室外路面較為平坦的環(huán)境中應(yīng)用，被動(dòng)式智能助行器雖然可以實(shí)現(xiàn)下坡助力，但是無(wú)法在上坡時(shí)提供輔助力如日本東北大學(xué)研制的被動(dòng)式智能助行器，使用時(shí)四個(gè)輪子均位于使用者前方，使用者雙手扶于扶手上。后面兩個(gè)輪上均裝有伺服制動(dòng)器。車體上裝有兩個(gè)立體校準(zhǔn)攝像機(jī)，用以對(duì)人體的姿態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，基于獲得的姿態(tài)，控制器控制伺服制動(dòng)器處于相應(yīng)的狀態(tài)，使機(jī)器人對(duì)使用者提供輔助力，防止跌倒。部分主動(dòng)式智能助行器可以實(shí)現(xiàn)下坡和上坡助力，但是，盡管生活環(huán)境中修建的坡路坡度值變化較小，使用主動(dòng)式智能助行器提供輔助力時(shí)，控制系統(tǒng)仍需要有較高的實(shí)時(shí)性。日本高知工科大學(xué)研制的全向助行器采用了四個(gè)全向輪，其前臂支撐結(jié)構(gòu)中安裝有四個(gè)力傳感器，用以感知使用者前臂的壓力信息，進(jìn)而獲得使用者的運(yùn)動(dòng)方向，每個(gè)輪子均由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，即使在平坦路面行走，電機(jī)也需要持續(xù)工作，能耗高；哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的智能助行器，采用前輪驅(qū)動(dòng)方式，兩個(gè)后輪為舵輪，采用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可進(jìn)行緊急制動(dòng)，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(duì)車體傾斜角度進(jìn)行檢測(cè)，熱釋電紅外傳感器用以判斷使用者是否在車體后方。其控制按鈕布置于兩個(gè)扶手上，用以對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制，既需要感知人機(jī)相互作用力，又需要感知坡度信息，控制系統(tǒng)復(fù)雜，硬件成本高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明擬解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種具有坡路助行功能的助行裝置。本助行裝置采用主被動(dòng)混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可以為使用者在坡路行走時(shí)提供輔助力，并且下坡和上坡過(guò)程中均由阻尼器提供輔助力，不需要人機(jī)接口感知人機(jī)交互信息，易于進(jìn)行人機(jī)交互力控制。

本發(fā)明解決所述技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案是，提供一種具有坡路助行功能的助行裝置，其特征在于該助行裝置包括軀干、力感知部件、上平臺(tái)、底盤和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；所述軀干包括電池、控制器、聯(lián)桿、前支架、調(diào)節(jié)鈕、調(diào)節(jié)桿和支板；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(tái)包括上扶桿、扶手和支撐板；所述底盤包括前輪、底板、后輪支架、阻尼器支架和后輪；所述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括錐齒輪支架、阻尼器、蝸輪蝸桿減速器、電機(jī)、導(dǎo)電滑環(huán)、錐齒輪、錐齒輪軸、鏈條、鏈輪和驅(qū)動(dòng)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(zhuǎn)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(lián)桿上；所述控制器與電池連接；所述聯(lián)桿安裝在底板上；所述前支架的上端通過(guò)調(diào)節(jié)鈕與調(diào)節(jié)桿連接；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(nèi)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(guò)下固定板并安裝其上；所述直線軸承套于支撐軸上；上固定板的周向支腿安裝在直線軸承上；

所述上扶桿和扶手安裝在支撐板上；

所述前輪安裝于底板上；所述后輪通過(guò)后輪支架和驅(qū)動(dòng)輪軸安裝于底板上；所述阻尼器支架安裝于底板；

所述導(dǎo)電滑環(huán)通過(guò)其上的接線端子與控制器連接；所述電機(jī)的輸出端與蝸輪蝸桿減速器連接，蝸輪蝸桿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于底板上；所述錐齒輪通過(guò)錐齒輪軸安裝在錐齒輪支架上；所述錐齒輪軸和驅(qū)動(dòng)輪軸上均安裝有鏈輪，鏈輪之間通過(guò)鏈條連接；所述右端蓋支架固定于底板上；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(nèi)壁固定連接，阻尼器輸入軸與蝸輪蝸桿減速器連接；所述導(dǎo)電滑環(huán)的內(nèi)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(zhuǎn)子固定連接；阻尼器輸出軸的輸出端穿過(guò)左端蓋，其上安裝有齒輪，與錐齒輪嚙合；所述磁流變液分布于t形轉(zhuǎn)子與定子、t形轉(zhuǎn)子與外殼之間的間隙中；所述永磁密封裝置通過(guò)套筒定位并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(dǎo)電滑環(huán)連接。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果在于：

1、該助行裝置能夠在下坡時(shí)為使用者提供輔助力，輔助力的方向與使用者前進(jìn)方向相反；在上坡時(shí)為使用者提供輔助力，輔助力的方向與使用者前進(jìn)方向相同。上坡和下坡所需輔助力均由主被動(dòng)混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供，易于控制輔助力大小，控制方法簡(jiǎn)單。

2、所述主被動(dòng)混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將磁流變阻尼器與電機(jī)結(jié)合，上坡時(shí)電機(jī)通過(guò)蝸輪蝸桿減速器帶動(dòng)磁流變阻尼器外殼轉(zhuǎn)動(dòng)，依據(jù)傾角傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)到的坡度信息，控制器輸出控制信號(hào)，控制阻尼器輸出的阻尼器力矩，從而提供與使用者前進(jìn)方向相同的輔助力，力傳感器測(cè)得的力信息反饋到控制器并與阻尼器輸出的輔助力信息進(jìn)行比較，進(jìn)一步對(duì)輔助力進(jìn)行調(diào)節(jié)，以獲得準(zhǔn)確的輔助力。下坡時(shí)，電機(jī)不通電，利用蝸輪蝸桿減速器的自鎖功能，使阻尼器外殼不轉(zhuǎn)動(dòng)，控制器依據(jù)傾角傳感器的控制信號(hào)輸出控制信號(hào)，控制阻尼器輸出阻尼器力矩，提供與使用者前進(jìn)方向相反的輔助力，保證慢速安全下坡。平坦路面行走時(shí)，阻尼器輸出軸處于自由轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，無(wú)需供電，能耗低。

3、采用永磁密封裝置使得阻尼器內(nèi)的磁流變液的密封效果更好。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明具有坡路助行功能的助行裝置一種實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)使用原理圖；

圖2為本發(fā)明具有坡路助行功能的助行裝置一種實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)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(fā)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(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明具有坡路助行功能的助行裝置一種實(shí)施例的力感知部件整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明具有坡路助行功能的助行裝置一種實(shí)施例的力感知部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；(圖中：1、軀干；2、力感知部件；3、上平臺(tái)；4、底盤；5、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；11、電池；12、控制器；13、聯(lián)桿；14、前支架；15、調(diào)節(jié)鈕；16、調(diào)節(jié)桿；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、上扶桿；32、扶手；33、支撐板；41、前輪；42、底板；43、后輪支架；44、阻尼器支架；45、后輪；50、錐齒輪支架；51、阻尼器；52、蝸輪蝸桿減速器；53、電機(jī)；54、導(dǎo)電滑環(huán)；55、錐齒輪；56、錐齒輪軸；57、鏈條；58、鏈輪；59、驅(qū)動(dòng)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(zhuǎn)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(shí)施方式

下面給出本發(fā)明的具體實(shí)施例。具體實(shí)施例僅用于進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明，不限制本申請(qǐng)權(quán)利要求的保護(hù)范圍。

本發(fā)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(jiǎn)稱助行裝置)，其特征在于該助行裝置包括軀干1、力感知部件2、上平臺(tái)3、底盤4和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)5；所述軀干1包括電池11、控制器12、聯(lián)桿13、前支架14、調(diào)節(jié)鈕15、調(diào)節(jié)桿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(tái)3包括上扶桿31、扶手32和支撐板33；所述底盤4包括前輪41、底板42、后輪支架43、阻尼器支架44和后輪45；所述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)5包括錐齒輪支架50、阻尼器51、蝸輪蝸桿減速器52、電機(jī)53、導(dǎo)電滑環(huán)54、錐齒輪55、錐齒輪軸56、鏈條57、鏈輪58和驅(qū)動(dòng)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(zhuǎn)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(lián)桿13上；所述控制器12與電池11連接；所述聯(lián)桿13安裝在底板42上；所述前支架14的上端通過(guò)調(diào)節(jié)鈕15與調(diào)節(jié)桿16連接，通過(guò)調(diào)節(jié)鈕15改變調(diào)節(jié)桿16的高度以適應(yīng)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(gòu)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，用于支撐前支架14，保證助行裝置整體的穩(wěn)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(nèi)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(guò)線纜與控制器12連通，實(shí)現(xiàn)人體對(duì)上平臺(tái)3的壓力檢測(cè)，反饋給控制器12，與控制器12檢測(cè)控制的輸出力進(jìn)行對(duì)比，完善控制；所述支撐軸22穿過(guò)下固定板21并安裝其上；所述直線軸承25套于支撐軸22上，可沿支撐軸22移動(dòng)；上固定板23的周向支腿安裝在直線軸承25上；

所述上扶桿31和扶手32安裝在支撐板33上；使用者在使用時(shí)手臂放于支撐板33上，雙手握于扶手32或者上扶桿31；使用者手臂作用于支撐板33前后方向的力和雙手作用于扶手32或者上扶桿31前后方向的力通過(guò)上固定板23傳遞給力傳感器24，通過(guò)上固定板23在直線軸承25上的前后運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)力傳感器24一端的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)力傳感器對(duì)人體作用力的感知；

所述前輪41安裝于底板42上，采用萬(wàn)向輪方便按照使用者意圖前行；所述后輪45通過(guò)后輪支架43和驅(qū)動(dòng)輪軸59安裝于底板42上；所述阻尼器支架44安裝于底板42，選用l板用于安裝阻尼器51；

所述導(dǎo)電滑環(huán)54通過(guò)其上的接線端子5401與控制器12連接；所述電機(jī)53的輸出端與蝸輪蝸桿減速器52連接，蝸輪蝸桿減速器52通過(guò)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安裝于底板42上；所述錐齒輪55通過(guò)錐齒輪軸56安裝在錐齒輪支架50上；所述錐齒輪軸56和驅(qū)動(dòng)輪軸59上均安裝有鏈輪58，鏈輪58之間通過(guò)鏈條57連接并傳遞動(dòng)力；所述右端蓋支架5101固定于底板42上；所述右端蓋5103通過(guò)軸承5105與右端蓋支架5101連接；阻尼器輸入軸5104通過(guò)鍵與右端蓋5103的內(nèi)壁固定連接，阻尼器輸入軸5104與蝸輪蝸桿減速器52連接并傳遞動(dòng)力；所述導(dǎo)電滑環(huán)54的內(nèi)圈與右端蓋5103的外壁連接，外圈通過(guò)定位螺釘5102固定在右端蓋支架5101上；所述定子5107通過(guò)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，用于磁流變液5113的導(dǎo)入；所述阻尼器輸出軸5110通過(guò)鍵與t形轉(zhuǎn)子5112固定連接；阻尼器輸出軸5110的輸出端穿過(guò)左端蓋5109，其上安裝有齒輪，與錐齒輪55嚙合配合傳遞動(dòng)力；所述磁流變液5113分布于t形轉(zhuǎn)子5112與定子5107、t形轉(zhuǎn)子5112與外殼5115之間的間隙中；所述永磁密封裝置5111通過(guò)套筒5108定位并與阻尼器輸出軸5110連接，用于防止磁流變液5113流出；所述定子5107上繞有電感線圈5114，用于通電后產(chǎn)生磁感線；電感線圈5114的接線端子5116與導(dǎo)電滑環(huán)54連接，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。

本發(fā)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(shí)使用者的手臂放于支撐板33上，雙手握于扶手32或者上扶桿31上。軀干1可根據(jù)使用者的身高調(diào)整助行裝置的高度。力感知部件2用于測(cè)量使用者與助行裝置之間前后方向的相互作用力，將測(cè)得的結(jié)果傳送到控制器12，通過(guò)使用者施加于助行裝置上的力的大小，結(jié)合控制器12中的傾角傳感器測(cè)得數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的力的大小進(jìn)行比較，如果對(duì)比兩者數(shù)據(jù)超出某個(gè)范圍，則此時(shí)控制器12需進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)整體控制。上坡時(shí)，電機(jī)53在控制器12控制下通電，由電機(jī)53將動(dòng)能通過(guò)蝸輪蝸桿減速器52輸出到阻尼器51，控制器12中的傾角傳感器檢測(cè)坡度信息并將數(shù)據(jù)傳送到控制器12，由控制器12控制輸出電壓大小，并輸出到阻尼器51，從而控制阻尼器51輸出輔助力大小，進(jìn)行助力。下坡時(shí)，電機(jī)53輸出軸(即：阻尼器輸入軸)不轉(zhuǎn)動(dòng)，控制器12通過(guò)傾角傳感器的數(shù)據(jù)對(duì)阻尼器51施加的電壓進(jìn)行控制，從而控制阻尼器輸出軸5110輸出動(dòng)力，錐齒輪55輸出由阻尼器51傳遞的動(dòng)力，并通過(guò)鏈條57傳遞到鏈輪58，從而控制驅(qū)動(dòng)輪軸59上的后輪45的轉(zhuǎn)動(dòng)。

本發(fā)明未述及之處適用于現(xiàn)有技術(shù)。