本發(fā)明主要涉及可幫助穿戴者搬抬重物、減輕疲勞的助力裝置技術領域，具體是一種可穿戴式腰部助力裝置。

背景技術：

人們長時間從事彎腰的勞動時易患腰肌勞損和各種腰椎疾病，尤其是對于一些長期搬抬重物的人群。由于長期彎腰搬抬重物時，背部肌肉會產生負擔和不適，導致腰背痛發(fā)病率高。目前，還沒有一種可以幫助人減輕彎腰搬取重物壓力和提高腰部抗疲勞能力的可穿戴式腰部助力裝置。

技術實現要素：

為解決目前技術的不足，本發(fā)明結合現有技術，從實際應用出發(fā)，提供一種可穿戴式腰部助力裝置，本助力裝置能夠減輕長時間彎腰工作時背部肌肉的負擔和不適，從而減少腰背痛發(fā)病率，有利于長時間彎腰工作的勞動者。

為實現上述目的，本發(fā)明的技術方案如下：

一種可穿戴式腰部助力裝置，包括腰部支撐架，所述腰部支撐架上設置有腰部綁帶，所述腰部支撐架下方設有與腰部支撐架可相對轉動的大腿連桿，所述大腿連桿上設置有腿部綁帶，腰部支撐架和大腿連桿連接處設置有組合助力驅動裝置，腰部支撐架和大腿連桿上設置有用于檢測身體姿態(tài)的陀螺儀，在腰部支撐架上還設置有控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)用于根據陀螺儀數據使組合助力驅動裝置控制腰部支撐架和大腿連桿之間產生轉動助力。

所述腰部支撐架包括腰支撐板，腰支撐板兩側固定有連接臂，所述連接臂和大腿連桿可轉動連接。

所述組合助力驅動裝置包括舵機，所述舵機固定在連接臂上，舵機的輸出軸連接有扭力軸，所述扭力軸上安裝有卷簧，卷簧外部安裝有與大腿連桿固定連接的卷簧外殼。

所述陀螺儀共三個，分別固定在腰支撐板和兩側的兩個大腿連桿上。

所述腰支撐板的板面為內凹弧形。

所述大腿連桿包括通過螺釘連接的上連桿和下連桿，上連桿和下連桿連接處設有用于調節(jié)大腿連桿長度的長度調節(jié)孔卡。

所述控制系統(tǒng)包括固定在腰部支撐架上的電控箱，電控箱內設置有充電電池，和用于與陀螺儀、組合助力驅動裝置和云服務器通訊的微型電腦。

本發(fā)明的有益效果：

1、本發(fā)明可穿戴式腰部助力裝置十分輕便，成本低廉，且易于與工作環(huán)境結合，可實現自動助力，通過加速計陀螺儀采取人體姿態(tài)信號，通過控制系統(tǒng)使組合助力驅動裝置產生助力幫助人們搬抬重物，能夠減輕人體彎腰時背部豎脊肌及背闊肌的活動，且沒有增加腹直肌的活動，有利于長時間彎腰工作的勞動者。

2、本發(fā)明的組合助力驅動裝置結構簡單，運行穩(wěn)定，且將舵機固定在腰部支撐架上，使腿部負重減輕，便于身體的行走移動。

3、本發(fā)明的組合助力驅動裝置通過設置的卷簧，將動力進行緩沖，使助力更加平滑穩(wěn)定，且由于卷簧具有一定的彈性，腰部支撐架和大腿連桿之間可產生小幅轉動使陀螺儀產生數據，作為啟動信號，使得本發(fā)明使用更為自動化、人性化。

4、本發(fā)明的腰部支撐架和大腿連桿設計結構簡單，穿戴舒適，適用于長時間穿戴使用。

5、本發(fā)明可通過微型電腦上的WIFI將數據上傳至云服務器，云服務器通過接收該設備發(fā)來的數據進行大數據統(tǒng)計和分析，從而根據使用者的身體姿態(tài)習慣來進行優(yōu)化，為用戶定制化的調整工作和行走模型。

附圖說明

附圖1為本發(fā)明總體結構示意圖；

附圖2為本發(fā)明組合助力驅動裝置結構示意圖；

附圖3為本發(fā)明電控箱結構示意圖；

附圖4為本發(fā)明工作流程示意圖。

附圖中所示標號：1、腰部支撐架；2、腰部綁帶；3、大腿連桿；4、腿部綁帶；5、電控箱；6、陀螺儀；7、組合助力驅動裝置；8、腰支撐板；9、綁帶孔；10、活卡扣；11、長度調節(jié)孔卡；12、連接臂；13、舵機；14、聯軸器；15、卷簧；16、扭力軸；17、卷簧外殼；18、軸承；19、微型電腦；20、充電電池。

具體實施方式

結合附圖和具體實施例，對本發(fā)明作進一步說明。應理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內容之后，本領域技術人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所限定的范圍。

如附圖1～3所示，一種可穿戴式腰部助力裝置，包括腰部支撐架1，所述腰部支撐架1上設置有腰部綁帶2，所述腰部支撐架1下方設有與腰部支撐架1可相對轉動的大腿連桿3，所述大腿連桿3上設置有腿部綁帶4，腰部支撐架1和大腿連桿3連接處設置有組合助力驅動裝置7，腰部支撐架1和大腿連桿3上設置有用于檢測身體姿態(tài)的陀螺儀6，在腰部支撐架1上還設置有控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)用于根據陀螺儀6數據使組合助力驅動裝置7控制腰部支撐架1和大腿連桿3之間產生轉動助力。

本發(fā)明的腰部綁帶2為兩個，使用時穿戴于腰部位置，腿部綁帶4使用時穿戴于腿部，在腿部綁帶4和腰部綁帶2上均設有綁帶孔9和活卡扣10，方便穿戴使用。腰部支撐架1的腰支撐板8設置為內凹弧形，可提高穿戴時的舒適性。大腿連桿3通過長度調節(jié)孔卡11可進行長度調節(jié)，適用性強。為提高助力裝置穿戴時的舒適度，本發(fā)明的腰部綁帶2和腿部綁帶4均采用37mm的布帶。

陀螺儀6共3個，其中1個設置在腰部支撐架1的腰支撐板8上，另外2個設置在兩個大腿連桿3上，通過3個陀螺儀6可測量人體上身和兩個腿的傾斜角來計算身體姿態(tài)。本發(fā)明穿戴后，組合助力驅動裝置7位于腰部關節(jié)和股關節(jié)部位周邊。

組合助力驅動裝置7結構如附圖2所示，組合助力驅動裝置7包括舵機13，舵機13固定在連接臂12上，舵機13的輸出軸連接有扭力軸16，扭力軸16上安裝有卷簧15，卷簧15外部安裝有與大腿連桿3固定連接的卷簧外殼17。附圖2中圖示只表示出了部分連接臂12結構，扭力軸16通過聯軸器14和舵機13的輸出軸連接，連接臂12用于固定舵機13，在扭力軸16上設置有軸承18，舵機13啟動時，其輸出軸產生扭力并將扭力傳遞至扭力軸16，扭力軸16通過卷簧15和卷簧外殼17將扭力傳遞至大腿連桿3，使用時，由于大腿連桿3綁在大腿上不會產生轉動，因此該扭力又會反作用于舵機13上，使舵機13帶動連接臂12轉動，實現將舵機13產生的動力轉換為關節(jié)的伸展力，由此，進行腰部周邊的腰關節(jié)及股關節(jié)的運動輔助。采用本結構將舵機13安裝在腰部支撐架1上，可減輕大腿連桿3的重量，便于穿戴后行走移動，且通過卷簧15和卷簧外殼17可先將扭力吸收后再釋放，使得助力更為平滑，使用更為人性化。由于卷簧15具有一定的彈性，因此，在組合助力驅動裝置7沒有啟動時，使用者也可使腰部支撐架1和大腿連桿3上的陀螺儀6產生數據，用于控制舵機13的啟動。

本發(fā)明的控制系統(tǒng)包括微型電腦19，微型電腦19用于接收組合助力裝置7和陀螺儀6的數據，保存所有數據，并通過微型電腦19上的WIFI將數據上傳至云服務器。云服務器通過接收該設備發(fā)來的數據進行大數據統(tǒng)計和分析，從而根據使用者的身體姿態(tài)習慣來進行優(yōu)化，為用戶定制化的調整工作和行走模型。

本發(fā)明舵機采用可輸出大轉矩的舵機，額定轉矩為380kgf.cm(7.4V),尺寸：95.1*60.2*92mm，質量：500g，額定電壓：12V-24V/DC，空載電流：<500mA限流值：5A，控制方式：RC模式1ms脈沖模式：1ms～2ms(脈寬)/50Hz(頻率)，適用于無線遙控器方式控制；2ms脈沖模式：0.5ms～2.5ms(脈寬)/50Hz(頻率)，適用于多路舵機控制器方式控制；模擬電壓模式0V～5V輸入電壓(0.22V對應0°，4.78V對應300°)，材質：齒輪與軸合金鋼；齒輪箱體鑄鋁。伺服舵機采用了標準伺服舵機接口，即PPM信號口、電源和GND。使用時，本發(fā)明的具體工作流程如附圖4所示，主要包括以下步驟：

S1：裝置上電，等待電壓穩(wěn)定后開始工作；

S2：初始化階段：對腰部的陀螺儀采樣一定次數，求得陀螺儀的零偏值，在之后的行走過程中，消去陀螺儀的零偏值；

S3：數據采集：在一個循環(huán)中，對陀螺儀分別采樣n次，通過互補濾波分別求得陀螺儀的均值，然后通過卡爾曼濾波求得在搬運過程中，外骨骼大腿和腰部的俯仰、橫滾和偏航角，通過對搬運過程中大腿和腰部的俯仰、橫滾、偏航角的分析，能夠得知外骨骼的姿態(tài)信息；

S4：數據分析：根據姿態(tài)信息，判定腰部助力裝置是否處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，通過分析數據調節(jié)輔以穿戴者最合適的動力抬舉搬運重物。

本發(fā)明的使用方法：將兩個腿部綁帶4，綁在穿戴者大腿部，腰部支撐架1通過腰部綁帶2固定在使用者腰部，調節(jié)大腿連桿3上的長度調節(jié)卡11到彎腰的合適位置即可。本發(fā)明可在人彎腰時起反向拉伸作用，使人彎腰時腰部用力減輕，并對人腰部具有向前的支撐作用，長期使用可提高人腰部的抗疲勞能力，既可預防各種腰病的發(fā)生，還可減輕腰病患者的病痛。