本发明涉及一种下肢外骨骼机器人，尤其涉及一种可穿戴气动滑雪外骨骼助力装置。
背景技术：
滑雪运动是一项可以增强心肺功能、改善神经系统条件、强生健体的趣味运动。由于滑雪过程中需要人类膝关节长时间弯曲并保持一定的角度，同时滑雪运动时会消耗大量体力，所以长时间进行滑雪将会出现肌肉疲劳与膝关节酸痛等问题。而当下的助力行走装置多用于辅助平地行走困难的人群，并不能应用于高速雪地滑行。目前，尚没有能合理解决这些问题的装置。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种可穿戴气动滑雪外骨骼助力装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的可穿戴气动滑雪外骨骼助力装置，包括大腿组件、小腿组件和控制装置，所述大腿组件下端通过转动组件和空气弹簧减震器与小腿组件连接，所述大腿组件上端设有大腿固定垫；
所述空气弹簧减震器上端通过安装板与大腿组件的下端连接，所述空气弹簧减震器的下端与小腿组件固定连接，所述空气弹簧减震器连接有微型气泵，所述微型气泵安装于所述小腿组件上端的圆盘上；
所述控制装置固定在人体腰部背包中。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的可穿戴气动滑雪外骨骼助力装置，该装置结构紧凑、质量轻、功耗低，能够很好的满足滑雪助力装置的应用需求；能够很好的应用于滑雪运动，减小功耗，提高适用性，具有极大的应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例提供的可穿戴气动滑雪外骨骼助力装置的整体结构示意图；
图2为本发明实施例提供的可穿戴气动滑雪外骨骼助力装置的轴测图；
图3为本发明实施例的空气减震器装置示意图；
图4为本发明实施例的旁路电磁阀结构示意图；
图5为本发明实施例的上位机运行机制示意图；
图6为本发明实施例的下位机运行机制示意图；
图7为本发明实施例的基于关节角度误差的机器人运动/助力控制框图；
图8为本发明实施例的空气弹簧减震器在膝关节弯曲时工作原理示意图；
图9为本发明实施例的空气弹簧减震器在膝关节直立时工作原理示意图；
图10为本发明实施例的空气弹簧模型示意图。
图中：
1为大腿固定垫、2为压力传感器、3为空气弹簧减震器、4为小腿加速度计、5为小腿组件、6为小腿陀螺仪、7为微型气泵、8为绝对值编码器、9为转动组件、10为大腿组件、11为大腿加速度计、12为大腿陀螺仪、13为接触力传感器、3-1为空气弹簧、3-2为活塞杆、3-3为导向管、3-4为伸张阀、3-5为压缩阀、3-6为储油缸、3-7为吊环、3-8为补偿阀、3-9为旁路电磁阀、3-10为流通阀、3-11为内筒、3-12为外筒、3-9-1为主阀、3-9-2为恒定节流孔、3-9-3为弹簧元件、3-9-4为先导腔、3-9-5为可变节流孔。
具体实施方式
下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
本发明的可穿戴气动滑雪外骨骼助力装置，其较佳的具体实施方式是：
包括大腿组件、小腿组件和控制装置，所述大腿组件下端通过转动组件和空气弹簧减震器与小腿组件连接，所述大腿组件上端设有大腿固定垫；
所述空气弹簧减震器上端通过安装板与大腿组件的下端连接，所述空气弹簧减震器的下端与小腿组件固定连接，所述空气弹簧减震器连接有微型气泵，所述微型气泵安装于所述小腿组件上端的圆盘上；
所述控制装置固定在人体腰部背包中。
所述大腿组件设有大腿加速度计和大腿陀螺仪，所述的大腿陀螺仪固定于人体膝关节与髋关节之间、人体大腿前侧中间位置。
所述小腿组件设有小腿加速度计和小腿陀螺仪，所述的小腿陀螺仪和小腿加速度计固定于小腿组件上端的圆盘下部。
所述转动组件包括角接触球轴承、轴承端盖和绝对值编码器。
所述空气弹簧减震器包括空气弹簧、活塞杆、导向管、伸张阀、压缩阀、储油缸、吊环、补偿阀、流通阀、内筒、外筒；
所述储油缸的顶部与底部之间连接有旁路电磁阀。
所述旁路电磁阀采用先导式电磁阀，所述先导式电磁阀的节流孔通道设有一个恒定节流孔、一个可变节流孔，两节流孔之间设有先导腔，所述先导式电磁阀的主通道设有主阀和弹簧元件。
所述空气弹簧的橡胶气囊是由帘布和橡胶硫化而成，所述空气弹簧内部安装有压力传感器，所述微型气泵与空气弹簧的排气口连接。
所述大腿固定垫通过外加织布绑带与人体大腿的固定，所述大腿固定垫内侧安装有接触力传感器。
所述控制装置是一种包括上位机和下位机的嵌入式控制系统，所述上位机与下位机通过wifi通讯连接，所述上位机为客户端，所述下位机为服务器端。
所述上位机包括手机。
本发明的可穿戴气动滑雪外骨骼助力装置，该装置结构紧凑、质量轻、功耗低，能够很好的满足滑雪助力装置的应用需求；装置的大腿模块装有固定装置，能够很好的固定大腿并起到安全保护的作用；该装置设计融入变刚度变阻尼的空气弹簧减震器，通过空气弹簧的伸缩运动与可变阻尼器的共同作用，减少滑雪运动中对膝盖的冲击影响；同时，多个电磁阀的协同运作能为膝关节提供辅助力，避免运动中肌肉疲劳；设计利用基于arm板与pc机的嵌入式控制系统，更好的实现人机交互与对机器人的实时控制；利用加速度计与陀螺仪获取的人体运动参数，检测使用者的意图，并且通过空气弹簧和织物自动调整膝盖部位的辅助扭矩。经检验，可穿戴气动滑雪外骨骼装置能够很好的应用于滑雪运动，减小功耗，提高适用性，具有极大的应用价值。
本发明的优点与积极效果为：
1、本发明具有变刚度变阻尼的空气弹簧减震器，利用空气弹簧的弹性与阻尼器中油液流经阀门时产生阻力的作用，来吸收在滑雪过程中地面对膝关节的冲击影响，避免膝关节受损。
2、本发明通过陀螺仪模块测得人体与垂直方向夹角，控制装置将其与期望夹角计算，进行力矩补偿控制。利用加速度计与陀螺仪实时获取人体运动参数，检测使用者的意图，从而调整辅助力矩大小。
3、本发明通过膝关节角度反馈，及时利用微型气泵对空气弹簧充气量进行调整，为穿戴者提供最佳的辅助力矩，可以长时间保持一定膝关节转角进进行滑雪运动。
4、本发明通过外加织布绑带与大腿固定垫将大腿固定，使装备穿戴更服帖、安全。设计通过接触力传感器模块测得的接触力反馈人体穿戴感受，提高装备穿戴舒适性。
5、本发明的控制装置是一种基于arm板与pc机的嵌入式控制系统，上位机为客户端，下位机为服务器端。该控制系统耗能低、可靠性高、功能强大、实时性强、占用空间小。
具体实施例，如图1至图10所示：
如图1、图2所示，包括大腿固定垫1、压力传感器2、空气弹簧减震器3、小腿加速度计4、小腿组件5、小腿陀螺仪6、微型气泵7、绝对值编码器8、转动组件9、大腿组件10、大腿加速度计11、大腿陀螺仪12、接触力传感器13。大腿固定垫1通过螺栓连接于大腿组件10上端，大腿组件10下端通过安装转动组件9与小腿组件5连接并可以发生相对转动。空气弹簧减震器3上端空气弹簧3-1通过安装板与大腿组件10下端连接，其下端与小腿组件5固定连接。微型气泵7通过螺栓连接安装于小腿组件5上。控制装置固定在人体腰部背包中。
如图1，大腿组件10包括了大腿加速度计11与大腿陀螺仪12。所述的大腿陀螺仪12固定于人体膝关节与髋关节之间、人体大腿前侧中间位置。利用加速度传感器和陀螺仪实时获取人体运动信息，考虑人体运动意图，作为关节角度的补偿量。穿戴者在滑雪过程中感到疲劳时，腿部会因重力作用向下弯曲，接触力传感器13测得的人机交互力会增加大，利用阻抗模型得到接触点的位移改变，由于装置的结构设计，位移与关节角度有固定的余弦定理映射关系，将补偿关节角度与阻抗模型所得的关节角度综合得到输入量期望关节角度。与绝对值编码器8测得的实际关节角度求取误差送入arm板中，判断当前状况下需对空气弹簧3-1进行充气还是放气。输出高低电平信号从而控制电磁阀的开与关实现对空气弹簧3-1的充放气。从而通过改变空气弹簧3-1内部的压力反馈补偿接触点会发生的位移，实现为穿戴者提供助力功能。装置在运行过程中下位机arm板与上位机手机时刻保持wifi连接，并将人体运动信息、辅助力等参数实时传输到手机上显示。
如图1，小腿组件5包括了小腿加速度计4与小腿陀螺仪6。所述的小腿陀螺仪6与小腿加速度计4固定于小腿组件5的圆盘上。
如图1，转动组件9包括角接触球轴承、轴承端盖与绝对值编码器8，保证大腿组件10与小腿杆件5发生转动的同时不发生相对移动。利用绝对值编码器8，测得关节角度，用于反馈控制。轴承端盖既可以保证角接触球轴承不在转动时脱落，又可以防止灰尘进入膝关节转动副。
如图3，空气弹簧减震器3由空气弹簧3-1、活塞杆3-2、导向管3-3、伸张阀3-4、压缩阀3-5、储油缸3-6、吊环3-7、补偿阀3-8、旁路电磁阀3-9、流通阀3-10、内筒3-11、外筒3-12组成。利用空气弹簧3-1的弹性与阻尼器中油液流经阀门时产生阻力的作用来缓冲减震。当膝关节弯曲时，大腿组件10压缩空气弹簧3-1，可以吸收冲击能量，同时推动内部的活塞杆3-2向下压缩运动，工作缸底部的油液经由活塞上的伸张阀3-4穿过旁路电磁阀3-9和压缩阀3-5流入储油缸3-6内，如图8所示。当膝关节直立时，空气弹簧3-1恢复形变，活塞杆3-2向上运动，工作缸上部的油液穿过补偿阀3-8、旁路电磁阀3-9和流通阀3-10流入储油缸3-6内，如图9所示。
如图3，通过孔径调节的阻尼连续可变减振器，由电磁阀控制节流孔的面积。电磁阀控制减振器采用旁路阀方式，增加一个旁路电磁阀3-9作为先导式泄压阀，通过调节电磁阀内可变节流孔3-9-5面积，实现阻尼的连续可调。
如图4，旁路电磁阀3-9采用先导式电磁阀，工作缸上端的油液经过节流孔通道和主通道流入储油缸3-6，节流孔通道由一个恒定节流孔3-9-2、一个可变节流孔3-9-5和两孔之间的先导腔3-9-4组成，主通道由主阀3-9-1和弹簧元件3-9-3组成，当油压低于预定值时，弹簧元件3-9-3可以阻止主阀3-9-1打开。先导腔3-9-4油压受可变节流孔3-9-5尺寸限制，作为主阀3-9-1的反压，而主阀3-9-1在高油压下随着先导腔3-9-4压力的增加而打开。减振器在伸张行程和压缩行程产生的阻尼力就可以通过改变旁路电磁阀3-9的可变节流孔3-9-5面积进行调整。
如图3、图10，空气弹簧3-1的橡胶气囊是由帘布和橡胶硫化而成的复杂结构体，具有较强的非线性特性。空气弹簧3-1内部安有压力传感器2，用来获取内部的气压。如下为空气弹簧3-1的刚度可变原理：
假设空气弹簧3-1上受到垂直载荷f，气囊充气后内部绝对气压为p，则有：
f＝(p-pa)ac(1)
式中：pa——外界大气压力，通常取0.1mpa；
ac——气囊的有效面积，随着气囊的高度变化而变化。
当气囊外加垂直载荷发生变化，并引起气囊的高度发生变化时(即空气弹簧3-1被压缩或拉伸),气囊内的容积和压力也发生变化,其变化规律可由气体状态方程确定：
式中：p、v——气囊处于任意位置时，内部气体的绝对压力和容积；
p0、v0——气囊处于静平衡位置时，内部气体的绝对压力和容积；
k——多变指数,决定于气体变化过程的流动速度，缓慢运动时，k＝1；剧烈运动时，k＝1.4。
将(2)式代入(1)式中，得到：
将垂直载荷f对垂直位移f求导，即可求得空气弹簧3-1的垂直刚度k。
因为空气弹簧3-1压缩时容积缩小，故
式中：ac0——空气弹簧3-1在静平衡位置时的有效面积。
由此可见，气囊变形时有效面积变化率
如图3，利用微型气泵7实现对空气弹簧3-1的排放气，将旁路电磁阀3-9、伸张阀3-4、压缩阀3-5电控关闭，使大腿组件10与小腿组件5保持一定的转角不变，为滑雪过程中的人体提供辅助力矩，减少能量消耗。通过膝关节角度反馈，及时调整空气弹簧3-1充气量，为穿戴者提供最佳的辅助力矩。
如图1，大腿固定垫1通过外加织布绑带，将人体大腿的固定，使装备与大腿更舒适服帖，也有安全保护的作用。大腿固定垫1上安装了接触力传感器13，其与控制装置电连接，使用时位于人体大腿与大腿固定垫1之间。设计通过接触力传感器13测得的接触力反馈人体穿戴感受，提高装备穿戴舒适性。
如图5、图6，控制装置是一种包括上位机和下位机的嵌入式控制系统，上位机(手机)与下位机(arm板)通过wifi进行通讯，在通讯时，上位机为客户端，下位机为服务器端。操作者通过上位机发送目标指令给下位机，下位机则根据上位机所发过来的信息来对机器人进行实时控制，并将机器人所传回来的相关状态发给上位机，最终展示给操纵者。同时，上位机还可以显示当前机器人系统的实时运行状态和各项信息(位置、速度等)，当出现错误的时候也可以实时发出警报。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。