专利名称：一种助力型外骨骼用负重承载效率检测方法
技术领域：
本发明涉及机械结构和载荷测试装置的设计，尤其涉及一种用于助力型外骨骼的负重承载效率检测装置，通过在外骨骼关节处设置载荷传感器用于检测垂向载荷，再通过数据分析计算出外骨骼的承载效率。
背景技术：
人体外骨骼是基于人机耦合系统理论研发的智能化机械装备，该装备已在美国军事领域进行了较为普及的推广和应用。人体外骨骼设计制造的主要目标是有效支撑负重载荷，并将绝大部分的负重量传至地面，而人体自身只需承受极小部分的负重竖直向载荷。同时，人体外骨骼还可帮助登山者和野外活动者提升单人负重能力，并提供支撑、减重、关节保护等功能。为保障人体和外骨骼在运动中没有人机之间的运动障碍，外骨骼严格按照人体骨骼、关节和肌肉系统的结构进行设计，按照人体的躯干骨结构设计背架结构，按照人体的髋关节结构设计外骨骼髋部结构，按照人体的大腿、小腿和踝关节设计外骨骼的下肢承载结构，因此在外骨骼的整体结构中包含了三个重要的关节，即髋关节、膝关节和踝关节。通过这三个关节将外骨骼的背架结构、髋部结构、下肢承载结构和鞋体进行可靠的连接。因此在外骨骼的结构设计中，各个关节处的连接既要能承载垂向载荷，又要能满足人体运动的需要，各个关节需要一定的自由度。在这种相互矛盾的功能下，各个关节能否顺利进行载荷的传递，成为外骨骼研究的关节环节。在以往对人体外骨骼的研究中，研究内容主要集中在控制系统、信号处理系统、机构仿生和结构强度等领域，而忽视了承载效率的研究，使得在外骨骼的研究中，导致对各个关节的受力以及整体结构的受力情况了解模糊，给机械结构的设计和控制系统的建模以及动力系统所需的动力输出的研究造成了困难。
发明内容
鉴于现有技术的以上不足，本发明的目的是提出一种新的用于助力型外骨骼的负重承载效率检测方法，通过在髋关节和踝关节处设置销轴式载荷传感器，既能解决关节连接问题，也为关节受力的研究提供技术支撑；同时通过两只传感器测试数据的比较，判断测试数据是否合理，并将测试数据与负重的数据进行计算，从而计算出外骨骼的负重承载效率。其具体的手段采用:一种助力型外骨骼用负重承载效率检测方法，在外骨骼的髋关节设置销轴式载荷传感器I，在踝关节设置销轴式载荷传感器2 ;髋关节载荷传感器的作用为检测髋关节以上外骨骼的自重和负重的总和，踝关节载荷传感器的作用在于检测踝关节以上外骨骼的自重和负重的总和，两者之差为外骨骼大腿、小腿和液压缸的自重。本发明通过在髋关节处设置销轴式载荷传感器实现髋部结构与大腿的连接，实现关节连接，并能测试传 递至大腿的垂向载荷；在踝关节处设置销轴式载荷传感器，实现小腿与鞋体的连接，并能测试传递至鞋体的垂向载荷；通过两只传感器测试数据的对比，对测试数据的准确性进行判断；将判断正确的踝关节测试数据减去外骨骼踝关节以上部分的自重，再将运算后的数据除以负重，得出外骨骼的承载效率。本发明的工作过程:结合图1可以看到，髋部结构与大腿的连接点为髋关节，在此设置销轴式载荷传感器实现两者的连接，并能测试髋关节承受的垂向载荷；小腿与鞋体的连接点为踝关节，在此设置销轴式载荷传感器，测试踝关节承受的垂向载荷。结合图2可以看到，髋关节销轴式载荷传感器为圆柱型结构，中间圆柱部分设有方形的凸起，尺寸与连接平键的尺寸一致，可以限制传感器相对于下端安装座的旋转自由度，传感器一端为法兰结构，传感器的线缆由此端面连出，传感器另一端设有止口，用于安装轴用挡圈，限制传感器的轴向位移。结合图3可以看到，踝关节处的销轴式载荷传感器原理与使用情况与髋关节一致，只是两只传感器的长度由于所处关节处的安装尺寸不同而不同，踝关节传感器的长度大于髋关节传感器的长度。结合图4可以看到，将髋关节和踝关节处的销轴式传感器的测试数据进行对比，其差值若与外骨骼下肢结构的自重一致，则说明测试数据可信，若两者不一致，则另选一组测试数据进行对比；将踝关节处判断合格的数据减去外骨骼的自重，所得数据除以负重，比值即为外骨骼的承载效率。通过这种应用于助力型外骨骼的负重承载效率检测方法，可以实现外骨骼髋关节和踝关节的连接，并通过测试的比较和计算得出外骨骼的承载效率。
图1是外骨骼单侧结构髋关节和踝关节处的销轴式传感器的安装图和A — A、B -B剖视图。图2是图1的A-A剖视图。图3是图1的B-B剖视图。图4是髋关节销轴式载荷传感器的主视图。图5是图4的侧视图。图6是踝关节销轴式载荷传感器的主视图侧视图。图7是图6的侧视图。 图8是外骨骼承载效率计算框图。
具体实施例方式实施例一图1-图3示出，本发明的一种实施例为:助力型外骨骼的负重承载效率的检测主要依据髋关节和踝关节处的销轴式载荷传感器的测试数据而计算；髋关节处设置销轴式载荷传感器实现关节连接，能测试关节处承受的垂向载荷；踝关节处也设置销轴式 载荷传感器实现关节连接，并能测试关节处承受的垂向载荷。
图4-图5示出髋关节销轴式载荷传感器采用圆柱型结构，用于连接髋部结构和大腿；传感器中间圆柱部分设有方形的凸起3，尺寸与连接平键的尺寸一致，可以限制传感器相对于下端安装座的旋转自由度；传感器一端为法兰结构，传感器的线缆由此端面连出，传感器另一端设有止口，用于安装轴用挡圈，限制传感器的轴向位移。图6-图7示出踝关节销轴式载荷传感器采用圆柱型结构，用于连接小腿和鞋体；传感器中间圆柱部分设有方形的凸起4，尺寸与连接平键的尺寸一致，可以限制传感器相对于下端安装座的旋转自由度；传感器一端为法兰结构，传感器的线缆由此端面连出，传感器另一端设有止口，用于安装轴用挡圈，限制传感器的轴向位移。图8示出是外骨骼承载效率计算框图:两只销轴式载荷传感器分别测得髋关节和踝关节处的垂向载荷，将两只传感器的测试数据进行对比，其差值若与外骨骼下肢结构中的大腿、小腿和液压缸的自重总和一致，则说明测试数据可信，若两者不一致，则另选一组测试数据进行对比分析；将踝关节处判断合格的数据减去外骨骼踝关节以上部分的自重，所得数据除以负重，其比值即为外骨骼的承载效 率。
权利要求
1.一种助力型外骨骼用负重承载效率检测方法，其特征在于，在外骨骼的髋关节设置销轴式载荷传感器(1)，在踝关节设置销轴式载荷传感器(2);髋关节载荷传感器的作用为检测髋关节以上外骨骼的自重和负重的总和，踝关节载荷传感器的作用在于检测踝关节以上外骨骼的自重和负重的总和，两者之差为外骨骼大腿、小腿和液压缸的自重。
2.根据权利要求1所述的助力型外骨骼用负重承载效率检测方法，其特征在于，在检测时，将髋关节载荷传感器的检测数据与踝关节载荷传感器的检测数据进行对比，若两者之差为外骨骼大腿、小腿和液压缸的自重，则说明两组测试数据较为准确，可作为判断外骨骼承载效率的数据；将对比后的踝关节测试数据减去外骨骼踝关节以上部位的自重，即为负重传递至踝关节的载荷；再将其除以负重，所得的百分比数据即为外骨骼的承载效率，如下式所示:
3.根据权利要求1所述的助力型外骨骼用负重承载效率检测方法，其特征在于，髋关节和踝关节处的销轴式载荷传感器既能作为关节连接销轴使用，也能作为传感器用于测试传递至该关节的垂向载荷；传感器中部设置凸起的方形台阶，尺寸与平键一致，用于限制传感器的旋转，使得传感器相对于下方的安装座不能转动，从而得以测试垂向载荷。
全文摘要
本发明公开了一种助力型外骨骼用负重承载效率检测方法，通过在外骨骼髋关节和踝关节处设置销轴式载荷传感器，既能实现两个关节处的连接，又能通过传感器测得关节处的垂向载荷；将两只传感器的测试数据之差与外骨骼下肢结构的自重进行对比，判断测试数据是否准确；将判断合格的踝关节测试数据减去外骨骼踝关节以上部位的自重，所得值除以负重，其比值即为外骨骼的承载效率。
文档编号A61F2/76GK103239307SQ20131014337
公开日2013年8月14日 申请日期2013年4月24日 优先权日2013年4月24日
发明者刘放, 程文明, 周宏 , 张则强, 朱家元, 吴晓 申请人:西南交通大学