一种助力装置

1.本发明涉及人体辅助装置技术领域，特别是涉及一种助力装置。


背景技术：

2.2020年，中国发展基金会发布了《中国发展报告2020：：中国人口老龄化的发展趋势和政策》(下称“报告”)，报告认为，自2000年迈入老龄化社会之后，我国人口老龄化的程度持续加深。到2022年左右，中国65岁以上人口将占到总人口的14％，实现向老龄社会的转变，2050年，中国老龄化将达到峰值，中国65岁以上人口将占到总人口的27.9％。
3.从上述资料不难看出，中国人口老龄化的问题已经迫在眉睫。而随着人的衰老，腰背部肌肉会逐渐流失萎缩而使得腰背部力量减弱，进而导致椎体压力增大，最终使得骨质疏松、腰椎间盘突出、驼背等一系列问题逐渐显现、加重。这极大影响了老年人的生活质量，给老年人造成了很大的困扰。
4.针对老年人起身、提物等动作困难和腰背部力量薄弱的问题，提供一种可以有效辅助原有肌肉，提高椎间盘突出症患者或腰痛患者的生活质量的助力装置是本领域技术人员亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种助力装置，该装置结构简单，安全、有效、可靠且操作简便，能有效辅助使用者的原有肌肉，提高椎间盘突出症患者或腰痛患者的生活质量。
6.基于以上目的，本发明提供的技术方案如下：
7.一种助力装置，包括：穿戴载体、气动部件和控制部件；
8.所述气动部件和所述控制部件均设置在所述穿戴载体上；
9.所述穿戴载体贴合人体上半身；
10.所述控制部件与所述气动部件连接；
11.所述控制部件，用于采集人体位姿和运动数据，并根据所述人体位姿和所述运动数据向所述气动部件发送控制信息；
12.所述气动部件，用于接收所述控制信息，并根据所述控制信息为人体提供辅助动力。
13.优选地，所述控制部件包括：采集单元和控制单元；
14.所述采集单元与所述控制单元连接；
15.所述采集单元与人体背部接触，所述采集单元用于采集人体位姿和运动数据；
16.所述控制单元设置在所述穿戴载体上，所述控制单元用于根据所述人体位姿和所述运动数据向所述气动部件发送控制信息。
17.优选地，所述采集单元包括：陀螺仪、加速计和若干传感器；
18.所述传感器，用于获取人体位姿的变化信息；
19.所述陀螺仪和所述加速计，均用于获取人体背部肌肉的运动数据。
20.优选地，所述控制单元包括：单片机、电磁阀和继电器；
21.所述单片机设置在所述穿戴载体上，位于人体腰侧部；
22.所述单片机一端与所述采集单元连接，另一端分别与所述所述电磁阀和所述继电器连接；
23.所述电磁阀与所述继电器均设置在所述气动部件上，且所述电磁阀与所述继电器连接；
24.所述单片机，用于根据预设算法将所述人体位姿的变化信息和所述人体背部肌肉的运动数据转化为控制信号，并将所述控制信号传输至所述电磁阀；
25.所述电磁阀，用于根据所述控制信号完成开闭动作产生控制电流，并将所述控制电流传输至所述继电器；
26.所述继电器，用于根据所述控制电流控制所述气动部件为人体提供辅助动力。
27.优选地，所述单片机包括：pid控制器；
28.所述pid控制器，用于调整所述人体位姿的变化信息，以获取多个所述控制信号；
29.所述pid控制器，还用于保持所述单片机与所述继电器之间的所述控制信号和所述控制电流的稳定。
30.优选地，所述气动部件包括：气瓶、气管、恒压阀和气动肌肉；
31.所述气瓶设置在所述穿戴载体上，位于人体腰侧部；
32.所述气动肌肉设置在所述穿戴载体上，位于人体背部；
33.所述气管分别与所述气瓶和所述气动肌肉连接；
34.所述恒压阀设置在所述气瓶上，所述恒压阀用于稳定所述电瓶内的气压。
35.优选地，所述穿戴载体为包括：内层和外层；
36.所述助力装置设置在所述内层与所述外层之间。
37.优选地，还包括：检测部件；
38.所述检测部件设置在所述内层与所述外层之间；
39.所述检测部件，用于检测人体体温和心率状态。
40.本发明提供了一种助力装置，用于为使用者提供辅助动力以有效辅助使用者的原有肌肉，提高椎间盘突出症或腰痛使用者的生活质量。该助力装置设置有穿戴载体、气动部件和控制部件，气动部件和控制部件均设置在穿戴载体上，穿戴载体贴合人体上半身，控制部件和气动部件连接。工作过程中，使用者将穿戴载体穿上，以使得穿戴载体贴合使用者上半身；并开启控制装置，通过控制装置采集使用者人体位姿和运动数据，在采集结束后，根据所采集的人体位姿和运动数据获取计算结构，根据计算结果向气动部件发送控制信息，控制信息包括但不限于输出电流、电压；气动部件在接收到控制部件所发送的控制信息后，根据控制信息为使用者提供辅助动力，以辅助使用者的原有肌肉，帮助使用者完成起身、提物等动作更加轻松，，进一步提高了，提高椎间盘突出症患者或腰痛患者的生活质量。
附图说明
41.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以
根据这些附图获得其他的附图。
42.图1为本发明实施例提供的一种助力装置结构示意图；
43.图2为本发明实施例提供的脊椎受力示意图；
44.图3为本发明实施例提供的一种助力装置的具体结构示意图；
45.图4为本发明实施例提供的pid控制器控制框图。
具体实施方式
46.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
47.本发明实施例采用递进的方式撰写。
48.本发明实施例提供了一种助力装置。主要解决现有技术中，使用者起身、提物等动作困难和腰背部力量薄弱的的技术问题。
49.需要说明的是，脊柱为人体的中轴骨骼，是身体的支柱，主要由韧带、关节及椎间盘连接而成，有负重、减震、保护和运动等功能。脊柱的负荷为某段以上的体重、肌肉张力和外在负重的总和，不同部位的脊柱节段承担着不同的负荷。由于腰椎处于脊柱的最低位，椎间盘的负荷相当大，容易造成腰椎间盘突出。我们采用以下模型：将脊柱近似看作一个长度为l的刚体，它的底部绞接在腰骶椎间盘上，把骶棘肌的力学效应简化为一绳索。
50.如图2所示，中的w1为躯干的重量，w2是手臂与头的重量，根据医学解剖，近似有w1＝0.4w，w2＝0.2w，t为背部骶棘肌对脊柱骨的拉力，它与脊柱骨成12
°
，选图中所示的x-y坐标系，脊柱轴线与x轴的正方向的夹角为θ，t与x轴的反方向为θ-12
°
。
51.1.脊柱处于平衡状态时，力的平衡方程：
52.由∑f
x
＝0，得：n
x-tcos(θ-12
°
)＝0
ꢀꢀꢀ
(1)
53.由∑fy＝0，得：n
y-tsin(θ-12
°
)-0.4w-0.2w＝0
ꢀꢀꢀ
(2)
54.以垂直通过脊柱底部的直线为转轴，力矩的平衡方程为
[0055][0056]
由(1)、(2)、(3)，解得：
[0057][0058]
当θ＝30
°
时，得：
[0059]
t＝2.81w n
x
＝2.38w ny＝1.37w
[0060]
则n＝2.74w
[0061]
n与水平方向的夹角
[0062]
2.提0.2w重物时，w2＝0.4w，其它条件不变。
[0063]nx-tcos(θ-12
°
)＝0
ꢀꢀꢀ
(4)
[0064]ny-tsin(θ-12
°
)-0.4w-0.4w＝0
ꢀꢀꢀ
(5)
[0065]
[0066]
解得
[0067][0068]
当θ＝30
°
时，得：
[0069]
t＝3.74w n
x
＝3.56w ny＝1.96w
[0070]
v＝4.07w
[0071][0072]
综上，经发明人研究发现：
[0073]
(1)角度不变时，所提的重物越重骶骨对脊柱的反作用力，即骶骨作用于腰骶椎间盘的作用力越大，也就是说骶椎间盘的作用力随着重物重量的增大而增大。
[0074]
(2)所提重物不变时，脊柱骨与水平方向的夹角越大，，骶骨作用于腰骶椎问盘的作用力越小，也就是说骶椎间盘的作用力随着角度的增大而减少。
[0075]
基于此，本发明公开了一种助力装置，通过提高骶骨对脊柱的反作用力，减少人体原有肌肉所需提供的作用力，从而帮助使用者完成起身、提物等动作更加轻松，进一步提高了，提高椎间盘突出症患者或腰痛患者的生活质量。
[0076]
如图1所示，一种助力装置，包括：穿戴载体1、气动部件2和控制部件3；
[0077]
气动部件2和控制部件3均设置在穿戴载体1上；
[0078]
穿戴载体1贴合人体上半身；
[0079]
控制部件3与气动部件2连接；
[0080]
控制部件3，用于采集人体位姿和运动数据，并根据人体位姿和运动数据向气动部件2发送控制信息；
[0081]
气动部件2，用于接收控制信息，并根据控制信息为人体提供辅助动力。
[0082]
本发明提供了一种助力装置，用于为使用者提供辅助动力以有效辅助使用者的原有肌肉，提高椎间盘突出症或腰痛使用者的生活质量。该助力装置设置有穿戴载体、气动部件和控制部件，气动部件和控制部件均设置在穿戴载体上，穿戴载体贴合人体上半身，控制部件和气动部件连接。工作过程中，使用者将穿戴载体穿上，以使得穿戴载体贴合使用者上半身；并开启控制装置，通过控制装置采集使用者人体位姿和运动数据，在采集结束后，根据所采集的人体位姿和运动数据获取计算结构，根据计算结果向气动部件发送控制信息，控制信息包括但不限于输出电流、电压；气动部件在接收到控制部件所发送的控制信息后，根据控制信息为使用者提供辅助动力，以辅助使用者的原有肌肉，帮助使用者完成起身、提物等动作更加轻松，，进一步提高了，提高椎间盘突出症患者或腰痛患者的生活质量。
[0083]
优选地，控制部件3包括：采集单元和控制单元；
[0084]
采集单元与控制单元连接；
[0085]
采集单元与人体背部接触，采集单元用于采集人体位姿和运动数据；
[0086]
控制单元设置在穿戴载体1上，控制单元用于根据人体位姿和运动数据向气动部件2发送控制信息。
[0087]
实际运用过程中，控制部件设有采集单元和控制单元；采集单元和控制单元连接，其中，采集单元与人体背部接触，控制单元设置在穿戴载体上；工作过程中，通过与人体背
部接触的采集单元，采集使用者的人体位姿和运动数据，并将人体位姿和运动数据发送至控制单元，由控制单元根据预设算法，结合已接收的人体位姿和运动数据，计算得出控制信息，并将控制信息发送至气动单元。在本实施例中，控制信息为输出电流，即控制单元根据预设算法、人体位姿和运动数据，输出相应的电流给气动部件。
[0088]
如图3所示，优选地，采集单元包括：陀螺仪31、加速计32和若干传感器33；
[0089]
传感器33，用于获取人体位姿的变化信息；
[0090]
陀螺仪31和加速计32，均用于获取人体背部肌肉的运动数据。
[0091]
实际运用过程中，采集单元设置有陀螺仪、加速计和若干传感器；传感器，用于采集并获取人体位姿的变化信息；陀螺仪和加速计相配合，用于采集并获取人体背部肌肉的运动数据。其中，运动数据包括：角速度信息、加速度信息和速度信息。
[0092]
在本实施例中，陀螺仪是用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置。绕一个支点高速转动的刚体称为陀螺(top)。通常所说的陀螺是特指对称陀螺，它是一个质量均匀分布的、具有轴对称形状的刚体，其几何对称轴就是它的自转轴。与苍蝇退化的后翅(平衡棒)原理类似。在一定的初始条件和一定的外在力矩作用下，陀螺会在不停自转的同时，环绕着另一个固定的转轴不停地旋转，这就是陀螺的旋进(precession)，又称为回转效应(gyroscopic effect)。陀螺旋进是日常生活中常见的现象，许多人小时候都玩过的陀螺就是一例。们利用陀螺的力学性质所制成的各种功能的陀螺装置称为陀螺仪(gyroscope)，它在科学、技术、军事等各个领域有着广泛的应用。
[0093]
加速度计，是测量运载体线加速度的仪表。加速度测量是工程技术提出的重要课题。当物体具有很大的加速度时，物体及其所载的仪器设备和其他无相对加速度的物体均受到能产生同样大的加速度的力，即受到动载荷。欲知动载荷就要测出加速度。其次，要知道各瞬时飞机、火箭和舰艇所在的空间位置，可通过惯性导航(见陀螺平台惯性导航系统)连续地测出其加速度，然后经过积分运算得到速度分量，再次积分得到一个方向的位置坐标信号，而三个坐标方向的仪器测量结果就综合出运动曲线并给出每瞬时航行器所在的空间位置。再如某些控制系统中，常需要加速度信号作为产生控制作用所需的信息的一部分，这里也出现连续地测量加速度的问题。能连续地给出加速度信号的装置称为加速度传感器。
[0094]
如图3所示，优选地，控制单元包括：单片机34、电磁阀35和继电器；
[0095]
单片机34设置在穿戴载体1上，位于人体腰侧部；
[0096]
单片机34一端与采集单元连接，另一端分别与电磁阀35和继电器连接；
[0097]
电磁阀35与继电器均设置在气动部件2上，且电磁阀35与继电器连接；
[0098]
单片机34，用于根据预设算法将人体位姿的变化信息和人体背部肌肉的运动数据转化为控制信号，并将控制信号传输至电磁阀35；
[0099]
电磁阀35，用于根据控制信号完成开闭动作产生控制电流，并将控制电流传输至继电器；
[0100]
继电器，用于根据控制电流控制气动部件2为人体提供辅助动力。
[0101]
实际运用过程中，控制单元设置有单片机、电磁阀和继电器，其中，单片机设置在人体腰侧部位置的穿戴载体上；单片机一端与采集单元连接，另一端与电磁阀和继电器连
接；电磁阀和继电器设置在气动部件上，且电磁阀与继电器连接；单片机接收由采集单元传输来的人体位姿的变化信息和人体背部肌肉的运动数据，并根据预设算法将其转化为控制信号，并将控制信号传输至电磁阀；电磁阀通过控制信号完成开闭动作，开启时产生控制电流，并将控制电流传输至继电器中；继电器根据控制电流控制启动部件为人体提供辅助动力(即电能转化为动能)。
[0102]
需要说明的是，电磁阀(solenoid valve)是用电磁控制的工业设备，是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器，并不限于液压、气动。用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够保证。
[0103]
继电器(英文名称：relay)是一种电控制器件，是当输入量(激励量)的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。它具有控制系统(又称输入回路)和被控制系统(又称输出回路)之间的互动关系。
[0104]
如图4所示，优选地，单片机34包括：pid控制器；
[0105]
pid控制器，用于调整人体位姿的变化信息，以获取多个控制信号；
[0106]
pid控制器，还用于保持单片机34与继电器之间的控制信号和控制电流的稳定。
[0107]
实际运用过程中，单片机还设置有pid控制器，通过pid控制器调整人体位姿的变化信息，获取多个控制信号；同时，pid控制器还可以保持单片机与继电器之间的控制信号和控制电流的稳定。
[0108]
需要说明的是，pid控制器(proportion integration diifferentiation，比例-积分-微分控制器)，由比例单元p、积分单元i和微分单元d组成。通过kp，ki和kd三个参数的设定。pid控制器主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统。
[0109]
pid控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件。这个控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。和其他简单的控制运算不同，pid控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。可以通过数学的方法证明，在其他控制方法导致系统有稳定误差或过程反复的情况下，一个pid反馈回路却可以保持系统的稳定。
[0110]
在本实施例中，单片机通过采用两个维度的pid控制，通过调节pid参数实现对气动部件的柔性控制；同时根据使用者的实际需求，区分不同需求的类似动作，再根据不同情况做出不同响应。
[0111]
如图3所示，优选地，气动部件2包括：气瓶、气管、恒压阀和气动肌肉21；
[0112]
气瓶设置在穿戴载体1上，位于人体腰侧部；
[0113]
气动肌肉21设置在穿戴载体1上，位于人体背部；
[0114]
气管分别与气瓶和气动肌肉21连接；
[0115]
恒压阀设置在气瓶上，恒压阀用于稳定电瓶内的气压。
[0116]
实际运用过程中，气动部件设置有气瓶、气管、恒压阀和气动肌肉；其中，气瓶与气动肌肉均设置在穿戴载体上，气瓶位于人体腰侧部，气动肌肉位于人体背部(具体位于背阔肌和竖脊肌)；气管分别与气瓶和气动肌肉连接；恒压阀设置在气瓶上，恒压阀用于为气瓶提供气压。工作过程中，在接收到控制信号后，悬挂在使用者的腰部的气瓶通过气管向气动
肌肉供气；通过设置在气瓶口的恒压阀稳定气瓶内的气压；气管通过快插接头与气动肌肉相连，中间通过电磁阀控制气路通断。
[0117]
在本实施例中，气动肌肉设置有四根，相互之间联合响应，由控制单元触发控制使其助力。向每个气动肌肉内充气可使其轴向收缩、径向膨胀，并提供500n左右的收缩力。四根气动肌肉的具体布置为：脊柱处两根串联提供主要的力和行程，左右两边分别放置一根在对应肌肉处用于辅助，在使用者侧向弯腰的时候提供力的作用，在使用者上身正直的时候起助力辅助作用。
[0118]
优选地，穿戴载体1为包括：内层和外层；
[0119]
助力装置设置在内层与外层之间。
[0120]
实际运用过程中，穿戴载体设置有内层和外层，助力装置设置在内层和外层之间。需要说明的是，内层模仿现有较为成熟的战术背心的材质和样式，不仅抗拉防割，还能极佳贴合人体，确保穿戴舒适感；外层则贴合正常衣物，避免因系统繁冗暴露在外而使使用者产生心理负担。
[0121]
优选地，还包括：检测部件；
[0122]
检测部件设置在内层与外层之间；
[0123]
检测部件，用于检测人体体温和心率状态。
[0124]
实际运用过程中，在内层和外层之间还可设置有检测部件，通过检测部件可以检测使用者如体温、心率等身体健康数据。
[0125]
应当理解，本技术中如若使用了“系统”、“装置”、“单元”和/或“模块”，仅是用于区分不同级别的不同组件、元件、部件、部分或装配的一种方法。然而，如果其他词语可实现相同的目的，则可通过其他表达来替换该词语。
[0126]
如本技术和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其它的步骤或元素。由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0127]
以下，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
[0128]
以上对本发明所提供的一种助力装置进行了详细介绍。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种助力装置，其特征在于，包括：穿戴载体、气动部件和控制部件；所述气动部件和所述控制部件均设置在所述穿戴载体上；所述穿戴载体贴合人体上半身；所述控制部件与所述气动部件连接；所述控制部件，用于采集人体位姿和运动数据，并根据所述人体位姿和所述运动数据向所述气动部件发送控制信息；所述气动部件，用于接收所述控制信息，并根据所述控制信息为人体提供辅助动力。2.如权利要求1所述的助力装置，其特征在于，所述控制部件包括：采集单元和控制单元；所述采集单元与所述控制单元连接；所述采集单元与人体背部接触，所述采集单元用于采集人体位姿和运动数据；所述控制单元设置在所述穿戴载体上，所述控制单元用于根据所述人体位姿和所述运动数据向所述气动部件发送控制信息。3.如权利要求2所述的助力装置，其特征在于，所述采集单元包括：陀螺仪、加速计和若干传感器；所述传感器，用于获取人体位姿的变化信息；所述陀螺仪和所述加速计，均用于获取人体背部肌肉的运动数据。4.如权利要求3所述的助力装置，其特征在于，所述控制单元包括：单片机、电磁阀和继电器；所述单片机设置在所述穿戴载体上，位于人体腰侧部；所述单片机一端与所述采集单元连接，另一端分别与所述所述电磁阀和所述继电器连接；所述电磁阀与所述继电器均设置在所述气动部件上，且所述电磁阀与所述继电器连接；所述单片机，用于根据预设算法将所述人体位姿的变化信息和所述人体背部肌肉的运动数据转化为控制信号，并将所述控制信号传输至所述电磁阀；所述电磁阀，用于根据所述控制信号完成开闭动作产生控制电流，并将所述控制电流传输至所述继电器；所述继电器，用于根据所述控制电流控制所述气动部件为人体提供辅助动力。5.如权利要求4所述的助力装置，其特征在于，所述单片机包括：pid控制器；所述pid控制器，用于调整所述人体位姿的变化信息，，以获取多个所述控制信号；所述pid控制器，还用于保持所述单片机与所述继电器之间的所述控制信号和所述控制电流的稳定。6.如权利要求4所述的助力装置，其特征在于，所述气动部件包括：气瓶、气管、恒压阀和气动肌肉；所述气瓶设置在所述穿戴载体上，位于人体腰侧部；所述气动肌肉设置在所述穿戴载体上，位于人体背部；所述气管分别与所述气瓶和所述气动肌肉连接；所述恒压阀设置在所述气瓶上，所述恒压阀用于稳定所述电瓶内的气压。
7.如权利要求1所述的助力装置，其特征在于，所述穿戴载体为包括：内层和外层；所述助力装置设置在所述内层与所述外层之间。8.如权利要求7所述的助力装置，其特征在于，还包括：检测部件；所述检测部件设置在所述内层与所述外层之间；所述检测部件，用于检测人体体温和心率状态。

技术总结
本发明提供了一种助力装置，包括：穿戴载体、气动部件和控制部件；所述气动部件和所述控制部件均设置在所述穿戴载体上；所述穿戴载体贴合人体上半身；所述控制部件与所述气动部件连接；所述控制部件，用于采集人体位姿和运动数据，并根据所述人体位姿和所述运动数据向所述气动部件发送控制信息；所述气动部件，用于接收所述控制信息，并根据所述控制信息为人体提供辅助动力。该装置结构简单，安全、有效、可靠且操作简便，能有效辅助使用者的原有肌肉，提高椎间盘突出症患者或腰痛患者的生活质量。量。量。


技术研发人员：张笑宇 蒋涛 张楚钖 陈俊毅 敖小童 刘鹏 尚建忠 吴小梅
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：2023.04.20
技术公布日：2023/7/25