专利名称：应用于人工下肢外骨骼的磁耦合谐振无线充电装置的制作方法
技术领域：
本实用新型专利涉及一种对人工下肢外骨骼中的电池实现磁耦合谐振无线充电的技术。
背景技术：
人工外骨骼是一种可穿戴的、具有人工智能的仿生设备，由一系列传感器、传动装置以及控制器构成。最初主要为军事用途而研发，但现阶段在医学及康复领域，人工外骨骼作用日益凸显。人工下肢外骨骼是人工外骨骼的一种，其技术最为成熟，相应的设备已经得到广泛的推广应用。对于不幸发生意外的腿部截肢病人来说，人工下肢外骨骼可以作为智能义肢，帮助截肢病人像正常人一样行走，具有高度的仿生特性；对于腿部瘫痪病人来说，可以 使用人工下肢外骨骼进行康复训练，加快病人的复原；对于小儿麻痹症患者来说，穿戴人工下肢外骨骼可以矫正步态，有助于治疗；同时，人工下肢外骨骼可以作为老年人的助力装置，为老年人的日常生活带来巨大方便。但是作为时时刻刻穿戴在患者身上的日常移动设备，对于人工下肢外骨骼来说，能量的供应显得尤为重要。能否安全、方便、快捷地获取电能直接决定着人工下肢外骨骼能否进一步推广应用，关系到患者的安全和使用体验。现阶段人工下肢外骨骼采用大容量锂电池有线充电，这种充电方式充电时，装置依靠充电连接线直接和高压市电相连，而人工下肢外骨骼直接穿戴在身体上，若有不测很容易发生触电事故，为使用者的安全带来隐患，同时充电时装置处于接线状态，此时使用者活动受限，给使用者带来了极大的不方便。采用有线充电方式还会破坏人工下肢外骨骼的仿生特性，不利于使用者隐私的保护。人工下肢外骨骼装置对能量的消耗较大，若采用增加电池容量的方法增加装置的续航能力，由于锂电池自重较大，又会给使用者人体带来不少的负担。磁耦合谐振无线输电技术利用电路中电感电容谐振原理无线传输电能，在发射线圈与接收线圈同时处于谐振的状态下实现无线输电，与传统的电磁感应无线输电方式相t匕，输电距离更远，效率更高。若将磁耦合谐振技术应用于人工下肢外骨骼，使装置在中长距离内(2m)实现无线充电，将弥补人工下肢外骨骼有线充电的种种不足，可保证使用者的安全，可同时满足仿生需求和保护患者隐私的需求，且操作方便，使患者在充电时可自由行走，不受束缚。因此，对人工下肢外骨骼无线充电是一种发展趋势，有巨大应用价值。
发明内容为了避免患者在使用人工下肢外骨骼的过程中发生触电事故，使患者在充电时可以自由行走，同时达到充电方便、保护患者隐私和满足仿生要求，本实用新型提供一种对人工下肢外骨骼无线充电的装置。通过磁耦合谐振技术将能量从发射装置发送到接收装置，对人工下肢外骨骼进行无线充电。本实用新型专利解决其技术问题所采用的技术方案是在无线充电的过程中利用磁耦合谐振原理，以使无线输电的距离和效率大大提高；在患者房间设置的无线充电发射部分，它由正弦信号发生器、功率放大器和发射装置组成；在人工下肢外骨骼内置接收部分，由接收装置、整流滤波模块、直流充电模块组成。本实用新型的有益效果是，患者在对人工下肢外骨骼的电池进行充电时，安全性大大提高，同时使用 者可以在室内自由行走，不受到充电接线的束缚，同时可以保护其隐私，达到仿生要求。
图I是应用人工下肢外骨骼无线充电装置的工作示意图。图2是组成无线输电系统的各个模块。图3是由DDS芯片及外围电路组成的信号发生电路。图4是由集成宽带高性能运放芯片和外围电路构成的功放电路。图5是设计的以555定时器为核心的直流充电电路。
具体实施方式
以下结合附图和实施方式对本实用新型做进一步说明，但不是用来限制本实用新型的保护范围。参照图I，应用于人工下肢外骨骼的磁耦合谐振无线充电装置使用时，能量发射端I从普通市电获取电能并将获取的电能转化，发射高频电磁能。内置于人工下肢外骨骼3中的能量接收端2与外部能量发射端I发生磁耦合谐振，高效长距离的接收电磁能，对人工下肢外骨骼3中的锂电池进行充电。最终可以实现对穿戴于人身的人工下肢外骨骼进行中距离(2m)移动无线充电。大大提高了人工下肢外骨骼的安全性和使用便捷性。参照图I和图2，能量发射端主要由正弦信号发生器4，功率放大器5和发射装置6组成；能量接收端主要由接收装置7，整流滤波模块8和直流充电模块9组成。参照图2，在使用者的房间设置一种数控正弦信号发生器4，该信号发生器以DDS芯片作为核心元件，以单片机为主控器件，使正弦信号发生器4产生预设谐振频率的稳定高频正弦信号。DDS芯片相对带宽较宽、频率转换时间短、频率分辨率高、输出相位连续，可产生宽带正交信号及其它多种调制信号，有全数字化、控制灵活方便的优点。采用液晶显示模块作为显示器，以及阵列键盘作为控制按键。正弦信号发生器产生IMHz(预设的谐振频率)的高频信号，输出稳定正弦波。功率放大器5以集成览带闻性能运放芯片为核心，集成览带闻性能运放芯片可在预设的谐振频率下正常工作，满足装置的频率要求。并通过配套的外围电路将正弦信号发生器4的发射功率放大到80W左右。放大后的功率信号从发射装置6发射，发射装置6主要由发射线圈和外围电路构成。接收装置7主要由接收线圈和外围电路构成，通过磁耦合谐振接收功率信号。且发射装置6和接收装置7的固有频率相同。发射线圈与接收线圈均由直径为O. 15毫米的圆形漆包线绕制而成，线圈直径为4厘米，在绕制和使用过程中可以有效绝缘。可以通过调整线圈或外围电路的参数来调整发射装置6和接收装置7的固有频率，使发射装置6和接收装置7的固有频率与预设的谐振频率(IMHz)相同，这样在功率信号的接收和发射过程中，接收装置6和发射装置7始终处于磁耦合谐振状态下，可实现能量的中长距离、高效率无线传输。 正弦功率信号由接收装置7接收后，通过后级整流滤波模块8整流滤波为直流功率信号。直流功率信号通过直流充电模块9对安装在人工下肢外骨骼中的锂电池进行充电。直流充电模块以555定时器为核心，可以方便高效的实现直流充电功能。
权利要求1.应用于人工下肢外骨骼的磁耦合谐振无线充电装置，其特征在于在无线充电的过程中利用磁耦合谐振原理，以使无线输电的距离和效率大大提高；在患者房间设置的无线充电发射部分，它由正弦信号发生器、功率放大器和发射装置组成；在人工下肢外骨骼内置接收部分，由接收装置、整流滤波模块、直流充电模块组成。
2.根据权利要求I所述的应用于人工下肢外骨骼的磁耦合谐振无线充电装置，其特征在于所述正弦信号发生器(4)以DDS芯片作为核心元件，以单片机为主控器件，使正弦信号发生器(4)产生预设谐振频率的稳定高频正弦信号。
3.根据权利要求I所述的应用于人工下肢外骨骼的磁耦合谐振无线充电装置，其特征在于所述功率放大器(5)以集成宽带高性能运放芯片为核心，集成宽带高性能运放芯片可在预设的谐振频率下正常工作，满足装置的频率要求。
4.根据权利要求I所述的应用于人工下肢外骨骼的磁耦合谐振无线充电装置，其特征在于所述发射装置(6)和接收装置(7)的固有频率相同，发射装置(6)主要由发射线圈和外围电路构成，接收装置(7)主要由接收线圈和外围电路构成，可以通过调整线圈或外围电路的参数来调整发射装置(6)和接收装置(7)的固有频率，使发射装置(6)和接收装置(7)的固有频率与预设的谐振频率(IMHz)相同。
5.根据权利要求4所述的应用于人工下肢外骨骼的磁耦合谐振无线充电装置，其特征在于所述发射线圈、接收线圈采用漆包线，在绕制和使用过程中可以有效绝缘。
6.根据权利要求I所述的应用于人工下肢外骨骼的磁耦合谐振无线充电装置，其特征在于所述直流充电模块以555定时器为核心，可以方便高效的实现直流充电功能。
专利摘要应用于人工下肢外骨骼的磁耦合谐振无线充电装置，包括正弦信号发生器、功率放大器、发射装置、接收装置、整流滤波模块和直流充电模块等。正弦信号发生器产生高频正弦电磁信号，通过功率放大器放大，由发射装置发射出去，人工下肢外骨骼中的接收装置通过磁耦合谐振接收该信号，并通过整流滤波模块将高频正弦功率信号转换成直流信号，通过直流充电模块对人工下肢外骨骼中的电池进行充电。本实用新型无线充电装置能够避免常规有线充电装置充电时直接带电对使用者造成的安全威胁，提高充电安全性。并且充电时患者可以在室内自由行走，不受连接线的束缚，可以保护其隐私，达到仿生要求，为使用者的人身安全、隐私保护提供了保证。
文档编号H02J17/00GK202679044SQ20122021472
公开日2013年1月16日 申请日期2012年5月14日 优先权日2012年4月13日
发明者郭一恒, 白展, 晏阳, 于岳川, 冯欣 申请人:郭一恒, 白展, 晏阳, 于岳川, 冯欣, 陈厚桂