自动辅助行走装置的制作方法

本实用新型属于智能穿戴硬件技术领域，尤其是涉及一种自动辅助行走装置。

背景技术：

近年来，随着人们生活方式的多元化和电子商务的快速发展，网上购物已经日渐成为人们主流的消费方式。但是与之配套的快递物流业寄送投递效率低，导致大量货物积压，同时为满足顾客送货上楼的服务要求，使得快递员的劳动强度加重，劳动时间延长。因此，设计一种可以提高快递公司的服务效率，降低快递员的工作压力的辅助行走装置的要求越来越迫切。

美国国防部高级研究局(DARPA)在2000年投资五千万美元，研究开发出一种能增强人体技能的外骨骼，准备研制一种使士兵能够单兵作战的机械外骨骼。在军事领域，士兵穿上该外骨骼之后能够做长距离的背负沉重的武器装备至少四小时而不感觉到疲倦，而且它提供能源装置，能够保证连续运行4小时。除此之外它还集成了通讯设备和武器装备大大的使士兵的单兵作战能力提高了。此项目资助了多家研究结构，分别为橡树岭国家实验室(ORNL)、加利福尼亚大学的实验室、SARCOS公司还有千年喷气机公司。加利福尼亚大学的人体工程实验室已研制出伯克利下肢外骨骼。

2002年，由日本筑波大学的Cybernics Lab开发的HAL系列穿戴型下肢外骨骼用于助力及帮助老年人和下肢残疾者完成行走。该外骨骼是HAL-5，它是由筑波Cyberdyne公司研发的人体外骨骼产品，其可以使下肢残疾者和老年人便捷安全的进行日常行动。该产品拥有自动控制系统，神经信号可以被肌肉通过神经元来获取，从而进行达到移动的目的。皮肤上的微弱信号都可以被它检测到。从而使驱动装置控制运动。它是一款可穿戴外骨骼，利用可充电电池来进行驱动，拥有将近三小时的持久力。混合控制也是HAL-5的特点之一，比如身体的状态控制，生物学反馈还有预测前馈。该产品是助力外骨骼的成功范例。

ReWalk是由以色列的ReWalkRobotic设计制造的一款外骨骼，主要是帮助不能够正常行走的人员像正常人一样站立起来行走。它还是一款可穿戴的外骨骼系统并且是由电池供电的。在它的关节处有步进电机和传感器，通过电脑来控制膝盖和髋关节运动。ReWalk控制运动的方法是通过检测到身体的前倾，从而开始一步又一步的向前运动，它是可以满足人的自然行走状态和速度的。因为这套外骨骼可以支撑身体的装量，所以用户不必消耗太多多余的体力来支撑身体。正常人的上下楼以及坐立行走都是rewalk允许用户完成的。

近些年我国也有很多科研人员开始从事这项研究，而且很多科研单位都有很不错的成绩。

南京军区南京总医院研究的第一部单兵外骨骼系统在2013年正式公布，该系统是根据昆虫外骨骼的仿生学原理研制而成的，在将来的战场上，士兵的携带的武器装备会越发沉重，但是人体的负荷能力是有限的。研究的这款外骨骼，能够使士兵减少最少50％的负重，但是该系统仍然处于研发状态。

此外，中科院常州先进制造技术研究所研制的认知外骨骼机器人1号在2014年进行最后的调试。该机器人有六个电机，每个电机对对应的关节施以助力，并且它还配有二十多个传感器，对照南京军区的单兵负重外骨骼该机器人也可以帮助穿戴者减轻负重，然而它的外形太大，不容易穿戴。

当前的自动辅助行走装置多用于军事、医疗等领域，多辅助人力在平坦路面行走，且结构较为复杂，不适合在日常生活中进行广泛的运用。而在日常生活中，我们又需要一种成本相对较低且适用于快递员工作，既能满足平坦路面行走又能上下楼梯的助力行走装置为我们服务。因此本设计要以低成本为前提，最大限度的简化机构，同时又能满足降低快递员工作压力这一基本功能的实现。

本设计致力于改善快递员等负重工作人员的工作方式，主要通过人的智能动作控制整体机构的运动，把人的主动性与拥有强大力量的机电系统结合在一起，使人的负重行走更加轻松，大大降低了他们的体能消耗，从而将快递员从繁重的劳动强度中解放出来，提高了其工作效率和服务质量，最终促进了电商行业的发展。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种自动辅助行走装置，旨在解决现有的辅助行走设备结构复杂，不适于快递员直接使用的问题。

本实用新型是这样实现的：

自动辅助行走装置，其特征在于：包括背带、角位移传感器、可折叠背板、大腿伸缩臂、小腿伸缩臂、可延展载物板、可调行程气弹簧、固定踏板、控制箱、钢丝和控制单元，所述可折叠背板上设有背带，所述可折叠背板两侧对称设有角位移传感器，所述可折叠背板下端通过转轴连接控制箱上端边缘，所述控制箱水平设置，所述控制箱上端设有可延展载物板，所述控制箱下端边缘两侧对称设有大腿伸缩臂，所述控制箱旋转连接大腿伸缩臂上端，所述大腿伸缩臂下端旋转连接小腿伸缩臂，所述小腿伸缩臂下端内侧设有固定踏板，所述控制箱下端和小腿伸缩臂外侧中部之间设有可调行程气弹簧，所述控制箱内设有控制单元；

所述控制单元包括单片机、电源模块、模数转换器、步进驱动器、步进电机和钢丝绞盘，所述单片机连接所述角位移传感器，所述单片机连接模数转换器，所述模数转换器连接步进驱动器，所述步进驱动器连接步进电机，所述步进电机输出端连接钢丝绞盘，所述钢丝绞盘连接钢丝一端，所述钢丝另一端连接所述小腿伸缩臂下端。

优选的，所述单片机型号为STC89C52RC。

优选的，所述角位移传感器型号为WDD35D4A。

优选的，所述模数转换器型号为PCF8591。

优选的，所述步进驱动器型号为GJ2HB404。

优选的，所述可延展载物板包括载物板本体和可伸缩甲板，所述载物板本体设于所述控制箱顶端，所述载物板本体两侧设有可伸缩甲板。

本实用新型的有益效果在于：通过位于上肢的角位移传感器采集上肢摆动信号，再交由单片机处理并控制步进驱动器和步进电机，又通过步进电机连接的钢丝控制关节的转动角度，实现下肢运动；位于小腿部位的可调行程气弹簧可以帮助载物行走，并使人体在行走过程中达到平衡。本实用新型结构简单，安装和控制方便，稳定性强，载物移动效果好，该装置具有易携带性，载物板具有一定的可调性，适合商业推广。

附图说明

图1是本实用新型仰视结构示意图；

图2为本实用新型的主视图；

图3为本实用新型的角位移及背带局部图；

图4为本实用新型的控制箱内结构示意图；

图5为本实用新型的单片机最小系统引脚图；

图6为本实用新型的角位移传感器的采集电路引脚图；

图中：1背带；2角位移传感器；3可折叠背板；4大腿伸缩臂；5小腿伸缩臂；6可延展载物板；61载物板本体；62可伸缩甲板；7可调行程气弹簧；8固定踏板；9控制箱；10钢丝；11控制单元；111单片机；112电源模块；113模数转换器；114步进驱动器；115步进电机；116钢丝绞盘。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

图1至6示出了本实用新型的自动辅助行走装置，其特征在于：包括背带1、角位移传感器2、可折叠背板3、大腿伸缩臂4、小腿伸缩臂5、可延展载物板6、可调行程气弹簧7、固定踏板8、控制箱9、钢丝10和控制单元11，所述可折叠背板3上设有背带1，所述可折叠背板3两侧对称设有角位移传感器2，所述可折叠背板3下端通过转轴连接控制箱9上端边缘，所述控制箱9水平设置，所述控制箱9上端设有可延展载物板6，所述控制箱9下端边缘两侧对称设有大腿伸缩臂4，所述控制箱9旋转连接大腿伸缩臂4上端，所述大腿伸缩臂4下端旋转连接小腿伸缩臂5，所述小腿伸缩臂5下端内侧设有固定踏板8，所述控制箱9下端和小腿伸缩臂5外侧中部之间设有可调行程气弹簧7，所述控制箱9内设有控制单元11；

所述控制单元11包括单片机111、电源模块112、模数转换器113、步进驱动器114、步进电机115和钢丝绞盘116，所述单片机111连接所述角位移传感器2，所述单片机111连接模数转换器113，所述模数转换器113连接步进驱动器114，所述步进驱动器114连接步进电机115，所述步进电机115输出端连接钢丝绞盘116，所述钢丝绞盘116连接钢丝10一端，所述钢丝10另一端连接所述小腿伸缩臂5下端。其中电源模块112提供动力源，用模数转换器113及单片机111组成信号处理部分来处理角位移传感器2传达的信号，进一步传递到步进驱动器114中来有序的驱动步进电机115运动，并带动链接在步进电机115输出端的钢丝绞盘116运动，从而实现钢丝10的伸缩，拉动小腿伸缩臂5最终实现小腿的运动，达到行走的目的。

整个装置通过上肢和下肢背带实现人体和此装置的连接，由可伸缩大小腿伸缩臂、可延展载物板6、固定踏板8三个部位实现支撑，由背带1和可折叠背板3两个部位实现固定，角位移传感器2提供输入信号，角位移传感器2是依靠人行走时摆臂，臂膀会触碰到角位移传感器2，其将接收到的信号传到单片机111，由单片机111实现控制的目的，可调行程气弹簧7与步进电机115连接的钢丝绞盘116提供动力。自动辅助行走装置应该具有结实耐用等特点，在使用中，载物板6上负载的重量与其本身的重量都要由机械结构承受，因此，该机械结构的稳定性是最先要保证的。除此之外，该装置不仅要支撑它本身和后背载物的重量，还要携带各种器件来支持机械装置运行，所以它的材料要选择轻便结实的，从而使该装置能够完善运行。

更进一步的，所述单片机111型号为STC89C52RC。

本设计控制电机的微控制单元采用宏晶科技的增强型51单片机(具体型号为STC89C52RC)。

该单片机111的编程指令及引脚与8051完全兼容，可直接使用8051头文件，此单片机属于8051增强型，对于时钟/机器周期的分频可选择为6或者12分频。具有较宽的工作电压，外部晶振可选择0～40MHz，应用程序空间有8KB供用户使用，拥有32个通用I/O口，集成了片内512KB的RAM，还有三个定时计数器，具有看门狗和EEPROM功能。51单片机的最小系统由复位电路、晶振电路和单片机组成，它是单片机正常运行的关键部分，一旦缺少了这部分电路，那么单片机就像是人失去了心脏一般不可以运行。单片机的基准时序的提供者是晶振电路。时序的基础是时钟，时钟的产生有两种方式，即外部和内部方式。该设计采用的是外部方式。51系列单片机的振荡频率有效值为1.2-24MHz，时常选择11.0592MHz。在本设计当中C1、C2的数值选为22pF，一般为30pF。该设计选用上电复位作为单片机的复位方式，R取值1kΩ。如图5所示为最小系统。

如下表为单片机引脚说明：

更进一步的，所述角位移传感器2型号为WDD35D4A。

角位移传感器2要具备体积小、重量小、准确度高和安装简易的特点，经过比较，本设计最终采用了欧姆特尔公司生产的角位移传感器WDD35D4A，该系列产品外壳的材料为硬质铝合金，电阻材料选用的是导电塑料，经过模压和激光修整工艺，安装高速不锈钢轴承，贵金属刷机装置等精密部件，以确保产品的品质与性能更具有可靠性，达到长机械寿命，动态噪声小，旋转平稳，分辨率高的优良特性。其技术参数如下：

1.免接触式，适应多种环境不良环境；

2.机械转角：360°连续；

3.线性：0.25～0.5；

4.多种范围、直流输出；

5.分辨率：无限；

6.温度范围：-55℃～125℃。

图6为自动辅助行走装置的角位移采集电路，这里只绘制了其中一路采集线路，实际电路板中应包含两路相同的线路。具体连接方法是两个角位移传感器分别将模拟信号由AIN2和AIN3口输入到AD转换器中，然后由SDA口传到单片机。

更进一步的，所述模数转换器113型号为PCF8591。

这里的模数转换器113将采用PCF8591，该模数转换器113是由一个芯片集成，它需要独立供电，功耗低，是一个8位CMOS的数据获取器件。读写接口为串行I²C接口，集成了4个AD输入接口与1个DA输出接口。硬件地址编程地址引脚为A0，A1和A2。在无外加硬件的情况下，可在一个I2C总线上接入8个PCF8591器件，控制和数据信号、输入输出的地址以串行双线双向I2C总线通讯。如下表所示为其引脚的说明：

更进一步的，所述步进驱动器114型号为GJ2HB404。

更进一步的，所述可延展载物板6包括载物板本体61和可伸缩甲板62，所述载物板本体61设于所述控制箱9顶端，所述载物板本体61两侧设有可伸缩甲板62。通过在载物板本体61的侧端加装可伸缩甲板62，以适应各种尺寸的货物的固定装载，大大提高装置的适应力。

本实用新型的工作原理如下：

在使用过程中，通过背带1等固定结构使此装置的可折叠背板3背负在人体后背上，脚踏在固定踏板8上，调整大腿伸缩臂4和小腿伸缩臂5的高度，使其适应使用者的身高要求；将货物设置在可延展载物板6上，通过摆臂使一侧的手臂触碰到角位移传感器2，通过角位移传感器2将信号传送给单片机111和模数转换器113，并通过单片机111发出控制信号到步进驱动器114，驱动相对侧的步进电机115进行动作，使钢丝绞盘116上的钢丝10拉紧收缩，使相对侧的小腿伸缩臂5实现弯曲，带动固定踏板8向上运动，当一侧的手臂与角位移传感器2相分离后，驱动相对侧的步进电机115进行动作，使钢丝绞盘116上的钢丝10松开伸长，相对侧的可调行程气弹簧7则伸长，使小腿伸缩臂5向前运动，当另一侧的手臂触碰到角位移传感器2后，则运动模式如上所述，从而实现了行走和上楼过程。

本实用新型的有益效果在于：通过位于上肢的角位移传感器采集上肢摆动信号，再交由单片机处理并控制步进驱动器和步进电机，又通过步进电机连接的钢丝控制关节的转动角度，实现下肢运动；位于小腿部位的可调行程气弹簧可以帮助载物行走，并使人体在行走过程中达到平衡。本实用新型结构简单，安装和控制方便，稳定性强，载物移动效果好，适合商业推广。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性的劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围之内。