一种具有坡路助行功能的助行装置的制作方法

本发明涉及机器人技术领域，具体是一种具有坡路助行功能的助行装置。

背景技术：

运动对老年人保持健康状态具有重要作用，运动可以增强老年人身体机能，防止与老化有关的身体功能下降，防止渐进残疾，降低发病率和死亡率。步行是老年人运动的重要形式，对步行运动的需求，使助行器得到广泛应用。然而普通助行器许多情况下不能满足使用者在功能、舒适性和安全性等方面的需求，因此智能助行器的研究受到广泛关注。智能助行器通常是在传统助行器的基础上加装动力装置、制动装置、检测系统、控制系统等。按驱动形式不同，可分为主动式智能助行器和被动式智能助行器。

主动式智能助行器通常以伺服电机作为执行元件，应用人机接口感知使用者的意向运动信息，并跟随使用者运动，同时，提供辅助力，防止跌倒。麻省理工学院的研究人员研发的智能助行器为四轮结构，声纳阵列布置前部，两个扶手通过六维力/力矩传感器与底盘连接，采用伺服电机驱动助行器运动。日本科学技术研究所研制的主动式助行机器人jarow(jaistactiveroboticwalker)，可以在室内为老年人提供自然、无约束、全方位的运动。jarow由三个组成部分，底座、顶架和连接杆。底座和顶架均为弧形结构，底座下安装有三个全向轮。底座上安装有两个激光范围探测器，用以检测使用者下肢的位置。连接杆的长度可调，以适用于不用的使用者。使用时，使用者站立于弧形结构内，可以将前臂与手部置于顶架上。应用激光探测器信息实时估测使用者腿部和身体的位置，进而调整jarow跟随使用者运动。台湾大学研制的智能助行器，应用于老年人及帕金森症患者。该机器人由传统四轮助行器改造而来，两个后轮为主动轮，车身前部安装有激光范围探测器，用以避障，后部安装有微型激光探测器，用以感知使用者腿部与机器人的距离，两个扶手处安装有八个力传感器，根据力传感器信息来决定直行还是转向，当检测到突然施加推力时机器人自动停止，防止跌倒。

被动式智能助行器不具备主动运动能力，在使用者的作用力下运动，可为使用者提供导航、避障等功能，应用伺服制动器为使用者提供辅助力，可实现按轨迹运行和防止跌倒等功能。日本山形大学研制的被动式智能助行器名为i-walker，用于助行和进行步态康复训练。i-walker由商用六轮助行器改造而来。助行器每侧有三个轮子，每侧中间的轮子加装了伺服制动器和旋转式编码器，在i-walker前部装有一个摄像机。通过控制两个伺服制动器，可以控制i-walker运动的速度和方向，应用编码器信息可以计算运行的距离和速度，应用摄像机获得的视觉信息，可使i-walker沿着地面上的预定轨迹运动。

日常生活环境中的小区、公园、菜市场、商场等处都修建有坡路，尽管坡路地段行程不长，但是行走费力，是较易发生跌倒等危险的路段。目前的智能助行器多是在室内或室外路面较为平坦的环境中应用，被动式智能助行器虽然可以实现下坡助力，但是无法在上坡时提供辅助力如日本东北大学研制的被动式智能助行器，使用时四个轮子均位于使用者前方，使用者双手扶于扶手上。后面两个轮上均装有伺服制动器。车体上装有两个立体校准摄像机，用以对人体的姿态进行检测，基于获得的姿态，控制器控制伺服制动器处于相应的状态，使机器人对使用者提供辅助力，防止跌倒。部分主动式智能助行器可以实现下坡和上坡助力，但是，尽管生活环境中修建的坡路坡度值变化较小，使用主动式智能助行器提供辅助力时，控制系统仍需要有较高的实时性。日本高知工科大学研制的全向助行器采用了四个全向轮，其前臂支撑结构中安装有四个力传感器，用以感知使用者前臂的压力信息，进而获得使用者的运动方向，每个轮子均由伺服电机驱动，即使在平坦路面行走，电机也需要持续工作，能耗高；哈尔滨工业大学研制的智能助行器，采用前轮驱动方式，两个后轮为舵轮，采用直流伺服电机驱动，可进行紧急制动，装有超声波传感器、红外传感器、倾角传感器和热释电红外传感器。超声波传感器、红外传感器用以避障，倾角传感器用以对车体倾斜角度进行检测，热释电红外传感器用以判断使用者是否在车体后方。其控制按钮布置于两个扶手上，用以对机器人进行控制，既需要感知人机相互作用力，又需要感知坡度信息，控制系统复杂，硬件成本高。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种具有坡路助行功能的助行装置。本助行装置采用主被动混合驱动系统，可以为使用者在坡路行走时提供辅助力，并且下坡和上坡过程中均由阻尼器提供辅助力，不需要人机接口感知人机交互信息，易于进行人机交互力控制。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种具有坡路助行功能的助行装置，其特征在于该助行装置包括躯干、力感知部件、上平台、底盘和驱动系统；所述躯干包括电池、控制器、联杆、前支架、调节钮、调节杆和支板；所述力感知部件包括下固定板、支撑轴、上固定板、力传感器和直线轴承；所述上平台包括上扶杆、扶手和支撑板；所述底盘包括前轮、底板、后轮支架、阻尼器支架和后轮；所述驱动系统包括锥齿轮支架、阻尼器、蜗轮蜗杆减速器、电机、导电滑环、锥齿轮、锥齿轮轴、链条、链轮和驱动轮轴；所述阻尼器包括右端盖支架、右端盖、阻尼器输入轴、油嘴、定子、套筒、左端盖、阻尼器输出轴、永磁密封装置、t形转子、磁流变液、电感线圈、外壳和接线端子；

所述电池和控制器安装在联杆上；所述控制器与电池连接；所述联杆安装在底板上；所述前支架的上端通过调节钮与调节杆连接；前支架的下端与底板连接；所述支板的一端与前支架连接，另一端与底板连接；

所述上固定板的上表面与支撑板连接，下表面具有周向支腿和中部支腿；所述力传感器一端与下固定板的内壁固连，另一端与上固定板的中部支腿固连，力传感器与控制器连通；所述支撑轴穿过下固定板并安装其上；所述直线轴承套于支撑轴上；上固定板的周向支腿安装在直线轴承上；

所述上扶杆和扶手安装在支撑板上；

所述前轮安装于底板上；所述后轮通过后轮支架和驱动轮轴安装于底板上；所述阻尼器支架安装于底板；

所述导电滑环通过其上的接线端子与控制器连接；所述电机的输出端与蜗轮蜗杆减速器连接，蜗轮蜗杆减速器安装在底板上；所述阻尼器安装在阻尼器支架上；所述锥齿轮支架安装于底板上；所述锥齿轮通过锥齿轮轴安装在锥齿轮支架上；所述锥齿轮轴和驱动轮轴上均安装有链轮，链轮之间通过链条连接；所述右端盖支架固定于底板上；所述右端盖与右端盖支架连接；阻尼器输入轴与右端盖的内壁固定连接，阻尼器输入轴与蜗轮蜗杆减速器连接；所述导电滑环的内圈与右端盖的外壁连接，外圈固定在右端盖支架上；所述定子分别与左端盖、右端盖和外壳固定连接；所述外壳上开有油嘴；所述阻尼器输出轴与t形转子固定连接；阻尼器输出轴的输出端穿过左端盖，其上安装有齿轮，与锥齿轮啮合；所述磁流变液分布于t形转子与定子、t形转子与外壳之间的间隙中；所述永磁密封装置通过套筒定位并与阻尼器输出轴连接；所述定子上绕有电感线圈；电感线圈的接线端子与导电滑环连接。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

1、该助行装置能够在下坡时为使用者提供辅助力，辅助力的方向与使用者前进方向相反；在上坡时为使用者提供辅助力，辅助力的方向与使用者前进方向相同。上坡和下坡所需辅助力均由主被动混合驱动系统提供，易于控制辅助力大小，控制方法简单。

2、所述主被动混合驱动系统将磁流变阻尼器与电机结合，上坡时电机通过蜗轮蜗杆减速器带动磁流变阻尼器外壳转动，依据倾角传感器实时检测到的坡度信息，控制器输出控制信号，控制阻尼器输出的阻尼器力矩，从而提供与使用者前进方向相同的辅助力，力传感器测得的力信息反馈到控制器并与阻尼器输出的辅助力信息进行比较，进一步对辅助力进行调节，以获得准确的辅助力。下坡时，电机不通电，利用蜗轮蜗杆减速器的自锁功能，使阻尼器外壳不转动，控制器依据倾角传感器的控制信号输出控制信号，控制阻尼器输出阻尼器力矩，提供与使用者前进方向相反的辅助力，保证慢速安全下坡。平坦路面行走时，阻尼器输出轴处于自由转动状态，无需供电，能耗低。

3、采用永磁密封装置使得阻尼器内的磁流变液的密封效果更好。

附图说明

图1为本发明具有坡路助行功能的助行装置一种实施例的整体结构使用原理图；

图2为本发明具有坡路助行功能的助行装置一种实施例的整体结构示意图；

图3为本发明具有坡路助行功能的助行装置图2的局部放大示意图；

图4为本发明具有坡路助行功能的助行装置图3中的阻尼器的剖视结构示意图；

图5为本发明具有坡路助行功能的助行装置一种实施例的力感知部件整体结构示意图；

图6为本发明具有坡路助行功能的助行装置一种实施例的力感知部件内部结构示意图；(图中：1、躯干；2、力感知部件；3、上平台；4、底盘；5、驱动系统；11、电池；12、控制器；13、联杆；14、前支架；15、调节钮；16、调节杆；17、支板；21、下固定板；22、支撑轴；23、上固定板；24、力传感器；25、直线轴承；31、上扶杆；32、扶手；33、支撑板；41、前轮；42、底板；43、后轮支架；44、阻尼器支架；45、后轮；50、锥齿轮支架；51、阻尼器；52、蜗轮蜗杆减速器；53、电机；54、导电滑环；55、锥齿轮；56、锥齿轮轴；57、链条；58、链轮；59、驱动轮轴；5101、右端盖支架；5102、定位螺钉；5103、右端盖；5104、阻尼器输入轴；5105、轴承；5106、油嘴；5107、定子；5108、套筒；5109、左端盖；5110、阻尼器输出轴；5111、永磁密封装置；5112、t形转子；5113、磁流变液；5114、电感线圈；5115、外壳；5116、阻尼器接线端子；5401、接线端子)

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供了一种具有坡路助行功能的助行装置(参见图1-6，简称助行装置)，其特征在于该助行装置包括躯干1、力感知部件2、上平台3、底盘4和驱动系统5；所述躯干1包括电池11、控制器12、联杆13、前支架14、调节钮15、调节杆16和支板17；所述力感知部件2包括下固定板21、支撑轴22、上固定板23、力传感器24和直线轴承25；所述上平台3包括上扶杆31、扶手32和支撑板33；所述底盘4包括前轮41、底板42、后轮支架43、阻尼器支架44和后轮45；所述驱动系统5包括锥齿轮支架50、阻尼器51、蜗轮蜗杆减速器52、电机53、导电滑环54、锥齿轮55、锥齿轮轴56、链条57、链轮58和驱动轮轴59；所述阻尼器51包括右端盖支架5101、定位螺钉5102、右端盖5103、阻尼器输入轴5104、轴承5105、油嘴5106、定子5107、套筒5108、左端盖5109、阻尼器输出轴5110、永磁密封装置5111、t形转子5112、磁流变液5113、电感线圈5114、外壳5115和接线端子5116；

所述电池11和控制器12安装在联杆13上；所述控制器12与电池11连接；所述联杆13安装在底板42上；所述前支架14的上端通过调节钮15与调节杆16连接，通过调节钮15改变调节杆16的高度以适应不同身高的使用者；前支架14的下端与底板42连接，组成助行装置的整体构造；所述支板17的一端与前支架14连接，另一端与底板42连接，用于支撑前支架14，保证助行装置整体的稳定性、安全性和可靠性；

所述上固定板23的上表面与支撑板33连接，下表面具有周向支腿和中部支腿；所述力传感器24一端与下固定板21的内壁固连，另一端与上固定板23的中部支腿固连，力传感器24通过线缆与控制器12连通，实现人体对上平台3的压力检测，反馈给控制器12，与控制器12检测控制的输出力进行对比，完善控制；所述支撑轴22穿过下固定板21并安装其上；所述直线轴承25套于支撑轴22上，可沿支撑轴22移动；上固定板23的周向支腿安装在直线轴承25上；

所述上扶杆31和扶手32安装在支撑板33上；使用者在使用时手臂放于支撑板33上，双手握于扶手32或者上扶杆31；使用者手臂作用于支撑板33前后方向的力和双手作用于扶手32或者上扶杆31前后方向的力通过上固定板23传递给力传感器24，通过上固定板23在直线轴承25上的前后运动带动力传感器24一端的运动，从而实现力传感器对人体作用力的感知；

所述前轮41安装于底板42上，采用万向轮方便按照使用者意图前行；所述后轮45通过后轮支架43和驱动轮轴59安装于底板42上；所述阻尼器支架44安装于底板42，选用l板用于安装阻尼器51；

所述导电滑环54通过其上的接线端子5401与控制器12连接；所述电机53的输出端与蜗轮蜗杆减速器52连接，蜗轮蜗杆减速器52通过l板安装在底板42上；所述阻尼器51安装在阻尼器支架44上；所述锥齿轮支架50安装于底板42上；所述锥齿轮55通过锥齿轮轴56安装在锥齿轮支架50上；所述锥齿轮轴56和驱动轮轴59上均安装有链轮58，链轮58之间通过链条57连接并传递动力；所述右端盖支架5101固定于底板42上；所述右端盖5103通过轴承5105与右端盖支架5101连接；阻尼器输入轴5104通过键与右端盖5103的内壁固定连接，阻尼器输入轴5104与蜗轮蜗杆减速器52连接并传递动力；所述导电滑环54的内圈与右端盖5103的外壁连接，外圈通过定位螺钉5102固定在右端盖支架5101上；所述定子5107通过螺钉分别与左端盖5109、右端盖5103和外壳5115固定连接；所述外壳5115上开有油嘴5106，用于磁流变液5113的导入；所述阻尼器输出轴5110通过键与t形转子5112固定连接；阻尼器输出轴5110的输出端穿过左端盖5109，其上安装有齿轮，与锥齿轮55啮合配合传递动力；所述磁流变液5113分布于t形转子5112与定子5107、t形转子5112与外壳5115之间的间隙中；所述永磁密封装置5111通过套筒5108定位并与阻尼器输出轴5110连接，用于防止磁流变液5113流出；所述定子5107上绕有电感线圈5114，用于通电后产生磁感线；电感线圈5114的接线端子5116与导电滑环54连接，实现实时控制。

本发明具有坡路助行功能的助行装置的工作原理和工作流程是：在使用时使用者的手臂放于支撑板33上，双手握于扶手32或者上扶杆31上。躯干1可根据使用者的身高调整助行装置的高度。力感知部件2用于测量使用者与助行装置之间前后方向的相互作用力，将测得的结果传送到控制器12，通过使用者施加于助行装置上的力的大小，结合控制器12中的倾角传感器测得数据所对应的力的大小进行比较，如果对比两者数据超出某个范围，则此时控制器12需进行适当调整，从而实现整体控制。上坡时，电机53在控制器12控制下通电，由电机53将动能通过蜗轮蜗杆减速器52输出到阻尼器51，控制器12中的倾角传感器检测坡度信息并将数据传送到控制器12，由控制器12控制输出电压大小，并输出到阻尼器51，从而控制阻尼器51输出辅助力大小，进行助力。下坡时，电机53输出轴(即：阻尼器输入轴)不转动，控制器12通过倾角传感器的数据对阻尼器51施加的电压进行控制，从而控制阻尼器输出轴5110输出动力，锥齿轮55输出由阻尼器51传递的动力，并通过链条57传递到链轮58，从而控制驱动轮轴59上的后轮45的转动。

本发明未述及之处适用于现有技术。