一种穿戴式柔性助力装备的制作方法

本发明涉及穿戴设备技术领域，具体涉及一种穿戴式柔性助力装备。

背景技术：

穿戴式柔性助力装备用于为人体关节动作提供助力，辅助人体动作，以降低人体代谢消耗、延缓身体疲劳。

现有技术的柔性穿戴设备对人体各关节的控制一般都是联动控制，即采用一个动力源带动髋关节、膝关节和踝关节协同动作；为了实现各关节的单独控制，有的现有技术中采用一个动力源匹配一个关节的形式，这不仅导致了动力元件数量偏多，而且多个关节需要联动时，各动力元件的动作匹配性能也不佳、动作僵硬，达不到较理想的助力效果，从而导致较难被接受。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是弥补现有技术的不足，提供一种穿戴式柔性助力装备。

要解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种穿戴式柔性助力装备，包括电机、电池、控制器、提升鲍登线、第一固定带、第二固定带、第四固定带、第五固定带和多个关节分控装置，多个关节分控装置分别为提升髋关节用关节分控装置、提升膝关节用关节分控装置和提升踝关节用关节分控装置；

第一固定带用于固定在人体腰肢上，第二固定带用于固定在人体大腿部，第四固定带用于固定在人体小腿部，第五固定带用于固定在人体脚部；

电机、电池和控制器均固定在第一固定带上，电池用于给电机、控制器和关节分控装置供电；提升髋关节用关节分控装置固定在第二固定带上，提升膝关节用关节分控装置固定在第四固定带上，提升踝关节用关节分控装置固定在第五固定带上；

提升鲍登线的首端缠绕于绕线轮上，绕线轮与电机的输出轴固定连接，提升鲍登线的尾部包括三支分叉线，分别为提升鲍登线髋关节分支、提升鲍登线膝关节分支和提升鲍登线踝关节分支，提升鲍登线髋关节分支的尾端与提升髋关节用关节分控装置的活动端固定连接，提升鲍登线膝关节分支的尾端与提升膝关节用关节分控装置的活动端固定连接，提升鲍登线踝关节分支的尾端与提升踝关节用关节分控装置的活动端固定连接。

进一步地，还包括下拉鲍登线，多个关节分控装置还包括下拉髋关节用关节分控装置、下拉膝关节用关节分控装置和下拉踝关节用关节分控装置；下拉髋关节用关节分控装置固定在第二固定带上，下拉膝关节用关节分控装置固定在第四固定带上，下拉踝关节用关节分控装置固定在第五固定带上；所述绕线轮包括同轴固定串接的绕线轮a和绕线轮b，所述提升鲍登线的首端缠绕于绕线轮a上，下拉鲍登线的首端缠绕于绕线轮b上，提升鲍登线与下拉鲍登线绕向相反；下拉鲍登线的尾部包括三支分叉线，分别为下拉鲍登线髋关节分支、下拉鲍登线膝关节分支和下拉鲍登线踝关节分支，下拉鲍登线髋关节分支的尾端与下拉髋关节用关节分控装置的活动端固定连接，下拉鲍登线膝关节分支的尾端与下拉膝关节用关节分控装置的活动端固定连接，下拉鲍登线踝关节分支的尾端与下拉踝关节用关节分控装置的活动端固定连接。

进一步地，多个关节分控装置分别通过相对应的电流调节电路与控制器相连。

进一步地，所述关节分控装置包括电磁线圈和多个极板，多个极板沿其厚度方向以一定间距平行分布，相邻两极板之间设有磁流变液储囊，磁流变液储囊为高弹材质，磁流变液储囊与其相邻两极板的贴合面均固定连接，磁流变液储囊中填充磁流变液；相邻两极板通过支撑导向结构构成一对移动副；还包括弹性复位结构，弹性复位结构用于使移动后的极板复位还原；电磁线圈用于产生电磁场。

进一步地，所述关节分控装置的弹性复位结构包括多个弹性橡胶片，相邻两极板上沿移动方向的始端通过一个弹性橡胶片相连，相邻两极板上沿移动方向的终端通过一个弹性橡胶片相连，弹性橡胶片的数量与极板的数量相匹配。

进一步地，所述关节分控装置的极板的数量为3个，自下而上依次为第一极板、第二极板和第三极板；第二极板的两侧面对称固定设有固定块、第一导向板和第二导向板，第一极板的两侧面对称固定设有第一导向块，第一导向块为第一导向板提供移动用导向槽及限位槽，第三极板的两侧面对称固定设有第二导向块，第二导向块为第二导向板提供移动用导向槽及限位槽；固定块、第一导向板和第一导向块共同构成第一极板与第二极板之间的支撑导向结构；固定块、第二导向板和第二导向块共同构成第二极板与第三极板之间的支撑导向结构。

进一步地，所述关节分控装置的第一导向块和第二导向块上的导向槽的导向路径为折线路径。

进一步地，所述关节分控装置的电磁线圈的数量为多个，多个电磁线圈在所述第一极板、第二极板和第三极板上均有分布。

进一步地，所述关节分控装置的电磁线圈的数量为1个，密封固定在线圈盒内部，线圈盒固定在所述第二极板上。

进一步地，所述关节分控装置的线圈盒上设有溢流孔，溢流孔为磁流变液的流动通道，但不破坏对所述电磁线圈的密封效果。

本发明可以达到的有益效果为：

1）穿戴式柔性助力装备仅用一个电机作为动力源，既大大降低了人体负重，又大大提高了携带便捷性，且多个关节分控装置匹配性能佳，从而使助力动作流畅、助力效果好；

2）将关节分控装置与人体相对固定，将鲍登线与关节分控装置的活动端极板相连接，可以在一定程度上实现拉力传递的离与合，基本颠覆了传统离合器的概念；

3）关节分控装置的磁流变液从液体状态转变为类固体状态所需的时间为毫秒级，相应速度非常快，且连续可逆；仅采用一个电机控制便可实现两种助力方式：对多个关节联动助力，对多个关节分别单独助力。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图；

图2是本发明实施例2的结构示意图；

图3是本发明实施例2区别于实施例1的示意图；

图4是本发明实施例1中第一种关节分控装置的立体结构图；

图5是本发明实施例1中第一种关节分控装置的主视图；

图6是本发明实施例1中第一种关节分控装置的左视图；

图7是图5的剖视图a-a；

图8是图6的剖视图b-b；

图9是本发明实施例1中第二种关节分控装置的立体结构图；

图10是本发明实施例1中第二种关节分控装置的主视图；

图11是本发明实施例1中第二种关节分控装置的左视图；

图12是图10的剖视图c-c；

图13是图11的剖视图d-d；

图14是本发明实施例1中第二种关节分控装置在隐藏磁流变液储囊状态的立体结构图；

图15是本发明实施例1中第二种关节分控装置中第二极板、线圈盒和电磁线圈的结构布置立体图；

图中：1-第一导向块，2-第一磁流变液储囊，3-固定块，4-第一导向板，5-弹性橡胶片，6-第二导向块，7-第二磁流变液储囊，8-第二导向板，9-电磁线圈，10-密封板，11-磁流变液，12-第一极板，13-第二极板，14-第三极板，15-线圈盒，1501-溢流孔；

80-下拉踝关节用关节分控装置，81-电机，82-第一固定带，83-提升鲍登线髋关节分支，84-第二固定带，85-提升髋关节用关节分控装置，86-第三固定带，87-第四固定带，88-提升鲍登线踝关节分支，89-提升踝关节用关节分控装置，90-第五固定带，91-提升膝关节用关节分控装置，92-提升鲍登线膝关节分支，93-提升鲍登线，94-下拉鲍登线，95-下拉鲍登线髋关节分支，96-下拉髋关节用关节分控装置，97-下拉鲍登线膝关节分支，98-下拉膝关节用关节分控装置，99-下拉鲍登线踝关节分支。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

如图1所示，一种穿戴式柔性助力装备，包括电机81、电池、控制器、提升鲍登线93、第一固定带82、第二固定带84、第三固定带86、第四固定带87、第五固定带90和3个关节分控装置，3个关节分控装置分别为提升髋关节用关节分控装置85、提升膝关节用关节分控装置91和提升踝关节用关节分控装置89。

关节分控装置的具体结构可以是下述两种关节分控器的机构：

第一种关节分控装置的结构如下：

如图4-图8所示，关节分控装置包括电磁线圈9和3个极板，3个极板沿其厚度方向以一定间距平行分布，自下而上依次为第一极板12、第二极板13和第三极板14，相邻两极板之间设有磁流变液储囊，磁流变液储囊为高弹材质，如硅胶等；具体地，第一极板12与第二极板13之间的磁流变液储囊为第一磁流变液储囊2，第二极板13与第三极板14之间的磁流变液储囊为第二磁流变液储囊7；磁流变液储囊与其相邻两极板的贴合面均胶结固定，磁流变液储囊中填充磁流变液11；相邻两极板通过支撑导向结构构成一对移动副，具体地，第二极板13的两侧面对称固定设有固定块3、第一导向板4和第二导向板8，第一极板12的两侧面对称固定设有第一导向块1，第一导向块1为第一导向板4提供移动用导向槽及限位槽，第三极板14的两侧面对称固定设有第二导向块6，第二导向块6为第二导向板8提供移动用导向槽及限位槽；固定块3、第一导向板4和第一导向块1共同构成第一极板12与第二极板13之间的支撑导向结构；固定块3、第二导向板8和第二导向块6共同构成第二极板13与第三极板14之间的支撑导向结构；还包括弹性复位结构，弹性复位结构用于使移动后的极板复位还原，本实施例选用的弹性复位结构包括2对弹性橡胶片5，相邻两极板上沿移动方向的始端通过一个弹性橡胶片5相连，相邻两极板上沿移动方向的终端通过一个弹性橡胶片5相连；电磁线圈9用于产生电磁场，电磁线圈9的数量为多个，多个电磁线圈9在第一极板12、第二极板13和第三极板14上均有分布，采用密封板10将电磁线圈9密封固定于极板中。

第二种关节分控器的结构如下：

如图9-图15所示，关节分控装置包括电磁线圈9和3个极板，3个极板沿其厚度方向以一定间距平行分布，自下而上依次为第一极板12、第二极板13和第三极板14，相邻两极板之间设有磁流变液储囊，磁流变液储囊为高弹材质，如硅胶等；具体地，第一极板12与第二极板13之间的磁流变液储囊为第一磁流变液储囊2，第二极板13与第三极板14之间的磁流变液储囊为第二磁流变液储囊7；磁流变液储囊与其相邻两极板的贴合面均胶结固定，磁流变液储囊中填充磁流变液11；相邻两极板通过支撑导向结构构成一对移动副，具体地，第二极板13的两侧面对称固定设有固定块3、第一导向板4和第二导向板8，第一极板12的两侧面对称固定设有第一导向块1，第一导向块1为第一导向板4提供移动用导向槽及限位槽，第三极板14的两侧面对称固定设有第二导向块6，第二导向块6为第二导向板8提供移动用导向槽及限位槽；固定块3、第一导向板4和第一导向块1共同构成第一极板12与第二极板13之间的支撑导向结构；固定块3、第二导向板8和第二导向块6共同构成第二极板13与第三极板14之间的支撑导向结构；第一导向块1和第二导向块6上的导向槽的导向路径为折线路径，折线式导向路径的设置使关节分控装置本身具备一定的柔性；还包括弹性复位结构，弹性复位结构用于使移动后的极板复位还原，本实施例选用的弹性复位结构包括2对弹性橡胶片5，相邻两极板上沿移动方向的始端通过一个弹性橡胶片5相连，相邻两极板上沿移动方向的终端通过一个弹性橡胶片5相连；电磁线圈9用于产生电磁场，电磁线圈9的数量为1个，密封固定在线圈盒15内部，线圈盒15固定在第二极板13上；线圈盒15上设有溢流孔1501，溢流孔1501为磁流变液11的流动通道，但不破坏对电磁线圈9的密封效果，本领域技术人员可以根据实际技术参数设计溢流孔的大小，附图中的溢流孔1501的位置及大小比例仅为示例性的。

上述两种关节分控器采用的均为3个极板的结构，本领域技术人员可以在本实施例的指导下，根据实际应用的行程大小和磁流变液储囊的形变性能合理地设置极板的数量。

第一固定带82用于固定在人体腰肢上，第二固定带84用于固定在人体大腿部，第三固定带86用于固定在人体小腿上半部，第四固定带用于固定在人体小腿下半部，第五固定带90用于固定在人体脚部；

电机81、电池和控制器均固定在第一固定带82上，电池用于给电机、控制器和关节分控装置供电；提升髋关节用关节分控装置85的第一端部极板固定在第二固定带84上，提升膝关节用关节分控装置91的第一端部极板固定在第四固定带87上，提升踝关节用关节分控装置89的第一端部极板固定在第五固定带90上；

提升鲍登线93的首端缠绕于绕线轮上，绕线轮与电机81的输出轴固定连接，提升鲍登线93的尾部包括三支分叉线，分别为提升鲍登线髋关节分支83、提升鲍登线膝关节分支92和提升鲍登线踝关节分支88，提升鲍登线髋关节分支83的尾端与提升髋关节用关节分控装置85的第二端部极板固定连接，提升鲍登线膝关节分支92的尾端与提升膝关节用关节分控装置91的第二端部极板固定连接，提升鲍登线踝关节分支88的尾端与提升踝关节用关节分控装置89的第二端部极板固定连接；提升鲍登线膝关节分支92在第二固定带84上设有锚固点，提升鲍登线踝关节分支88在第三固定带86上设有锚固点；使用时，提升髋关节用关节分控装置85固定在人体大腿的正面，提升膝关节用关节分控装置91固定在人体小腿的背面，提升踝关节用关节分控装置89固定在脚部靠近脚掌；

3个关节分控装置分别通过相对应的电流调节电路与控制器相连。

实施例2

如图2和图3所示，一种穿戴式柔性助力装备，包括电机81、电池、控制器、提升鲍登线93、下拉鲍登线94、第一固定带82、第二固定带84、第三固定带86、第四固定带87、第五固定带90和6个关节分控装置，6个关节分控装置分别为提升髋关节用关节分控装置85、提升膝关节用关节分控装置91、提升踝关节用关节分控装置89、下拉髋关节用关节分控装置96、下拉膝关节用关节分控装置98和下拉踝关节用关节分控装置80。

关节分控装置的具体结构与实施例1中的两种关节分控装置相同。

第一固定带82用于固定在人体腰肢上，第二固定带84用于固定在人体大腿部，第三固定带86用于固定在人体小腿上半部，第四固定带用于固定在人体小腿下半部，第五固定带90用于固定在人体脚部；

电机81、电池和控制器均固定在第一固定带82上，电池用于给电机、控制器和关节分控装置供电；提升髋关节用关节分控装置85的第一端部极板固定在第二固定带84上，提升膝关节用关节分控装置91的第一端部极板固定在第四固定带87上，提升踝关节用关节分控装置89的第一端部极板固定在第五固定带90上；

提升鲍登线93的首端缠绕于绕线轮上，绕线轮与电机81的输出轴固定连接，提升鲍登线93的尾部包括三支分叉线，分别为提升鲍登线髋关节分支83、提升鲍登线膝关节分支92和提升鲍登线踝关节分支88，提升鲍登线髋关节分支83的尾端与提升髋关节用关节分控装置85的第二端部极板固定连接，提升鲍登线膝关节分支92的尾端与提升膝关节用关节分控装置91的第二端部极板固定连接，提升鲍登线踝关节分支88的尾端与提升踝关节用关节分控装置89的第二端部极板固定连接；提升鲍登线膝关节分支92在第二固定带84上设有锚固点，提升鲍登线踝关节分支88在第三固定带86上设有锚固点；使用时，提升髋关节用关节分控装置85固定在人体大腿的正面，提升膝关节用关节分控装置91固定在人体小腿的背面，提升踝关节用关节分控装置89固定在脚部靠近脚掌；

下拉髋关节用关节分控装置96的第一端部极板固定在第二固定带84上，下拉膝关节用关节分控装置98的第一端部极板固定在第四固定带87上，下拉踝关节用关节分控装置80的第一端部极板固定在第五固定带90上；所述绕线轮包括同轴固定串接的绕线轮a和绕线轮b，所述提升鲍登线93的首端缠绕于绕线轮a上，下拉鲍登线94的首端缠绕于绕线轮b上，提升鲍登线93与下拉鲍登线94绕向相反；下拉鲍登线94的尾部包括三支分叉线，分别为下拉鲍登线髋关节分支95、下拉鲍登线膝关节分支97和下拉鲍登线踝关节分支99，下拉鲍登线髋关节分支95的尾端与下拉髋关节用关节分控装置96的第二端部极板固定连接，下拉鲍登线膝关节分支97的尾端与下拉膝关节用关节分控装置98的第二端部极板固定连接，下拉鲍登线踝关节分支99的尾端与下拉踝关节用关节分控装置80的第二端部极板；下拉鲍登线膝关节分支97在第二固定带84上设有锚固点，下拉鲍登线踝关节分支99在第四固定带87上设有锚固点；使用时，下拉髋关节用关节分控装置96固定在人体大腿的背面，下拉膝关节用关节分控装置98固定在人体小腿的正面，下拉踝关节用关节分控装置80固定在脚部靠近脚后跟处；

6个关节分控装置分别通过相对应的电流调节电路与控制器相连。

上述实施例的原理：

1）磁流变液是由高磁导率、低磁滞性的微小软磁性颗粒和非导磁性液体混合而成的悬浮体；这种悬浮体在零磁场情况下，磁流变液表现为流动性能良好的液体，其表观粘度很小；在强磁场作用下可在短时间(毫秒级)内表观粘度增加两个数量级以上，并呈现类固体特性;而且这种变化是连续的、可逆的，即去掉磁场后又恢复到原来的状态；

2）通过控制器和各电流调节电路调控各关节分控装置的通断电及通电电流强弱，使各关节分控装置中的磁流变液11呈不同的状态：低粘度液体状态、高粘度液体状态和类固体状态；

当磁流变液呈低粘度液体状态时，牵引与其相连的鲍登线，关节分控装置会因牵引力而发生动作，且其发生动作所需的牵引力较小；当磁流变液呈高粘度液体状态时，牵引与其相连的鲍登线，关节分控装置会因牵引力而发生动作，但其发生动作所需的牵引力较大；当磁流变液呈类固体状态时，牵引与其相连的鲍登线，关节分控装置基本不会因牵引力而发生动作；撤销鲍登线的牵引力之后，关节分控装置通过其弹性复位结构回复原状；

以控制膝关节的提升动作助力为例进行解释：

当提升膝关节用关节分控装置91中的磁流变液11呈低粘度液体状态时，提升鲍登线93的缠绕会牵引提升膝关节用关节分控装置91的第二端部极板，提升膝关节用关节分控装置91动作，导致其不会对人体膝关节进行弯曲动作有任何帮助；

当提升膝关节用关节分控装置91中的磁流变液11呈类固体状态时，提升鲍登线93的缠绕会牵引提升膝关节用关节分控装置91的第二端部极板，提升膝关节用关节分控装置91不动作，则发挥对人体膝关节进行弯曲动作的助力作用；

因而，可以通过调控各关节分控装置的通断电及通电电流强弱，实现通过一个电机81控制两路鲍登线总线进而对各关节的动作分别进行助力强度控制。

3）电机81正转，提升鲍登线93在绕线轮a上缠绕，下拉鲍登线94在绕线轮b上解缠绕；电机反转，提升鲍登线93在绕线轮a上解缠绕，下拉鲍登线94在绕线轮b上缠绕。

上述实施例的优点：

1）实现了一个电机控制对多个关节的助力；

2）通过控制各关节分控装置的状态，实现了对多个关节的助力既可联动、又可分别动作；

3）仅用一个电机，既大大降低了人体负重，又大大提高了携带便捷性。

在本发明的描述中，“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”等指示方位或位置关系的词语，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述仅是本发明的其中一种实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明思路的前提下所做出的若干改进和润饰均为本发明的保护范围。