本實(shí)用新型屬于智能穿戴硬件技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種自動(dòng)輔助行走裝置。

背景技術(shù)：

近年來，隨著人們生活方式的多元化和電子商務(wù)的快速發(fā)展，網(wǎng)上購物已經(jīng)日漸成為人們主流的消費(fèi)方式。但是與之配套的快遞物流業(yè)寄送投遞效率低，導(dǎo)致大量貨物積壓，同時(shí)為滿足顧客送貨上樓的服務(wù)要求，使得快遞員的勞動(dòng)強(qiáng)度加重，勞動(dòng)時(shí)間延長。因此，設(shè)計(jì)一種可以提高快遞公司的服務(wù)效率，降低快遞員的工作壓力的輔助行走裝置的要求越來越迫切。

美國國防部高級(jí)研究局(DARPA)在2000年投資五千萬美元，研究開發(fā)出一種能增強(qiáng)人體技能的外骨骼，準(zhǔn)備研制一種使士兵能夠單兵作戰(zhàn)的機(jī)械外骨骼。在軍事領(lǐng)域，士兵穿上該外骨骼之后能夠做長距離的背負(fù)沉重的武器裝備至少四小時(shí)而不感覺到疲倦，而且它提供能源裝置，能夠保證連續(xù)運(yùn)行4小時(shí)。除此之外它還集成了通訊設(shè)備和武器裝備大大的使士兵的單兵作戰(zhàn)能力提高了。此項(xiàng)目資助了多家研究結(jié)構(gòu)，分別為橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)、加利福尼亞大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室、SARCOS公司還有千年噴氣機(jī)公司。加利福尼亞大學(xué)的人體工程實(shí)驗(yàn)室已研制出伯克利下肢外骨骼。

2002年，由日本筑波大學(xué)的Cybernics Lab開發(fā)的HAL系列穿戴型下肢外骨骼用于助力及幫助老年人和下肢殘疾者完成行走。該外骨骼是HAL-5，它是由筑波Cyberdyne公司研發(fā)的人體外骨骼產(chǎn)品，其可以使下肢殘疾者和老年人便捷安全的進(jìn)行日常行動(dòng)。該產(chǎn)品擁有自動(dòng)控制系統(tǒng)，神經(jīng)信號(hào)可以被肌肉通過神經(jīng)元來獲取，從而進(jìn)行達(dá)到移動(dòng)的目的。皮膚上的微弱信號(hào)都可以被它檢測到。從而使驅(qū)動(dòng)裝置控制運(yùn)動(dòng)。它是一款可穿戴外骨骼，利用可充電電池來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，擁有將近三小時(shí)的持久力?；旌峡刂埔彩荋AL-5的特點(diǎn)之一，比如身體的狀態(tài)控制，生物學(xué)反饋還有預(yù)測前饋。該產(chǎn)品是助力外骨骼的成功范例。

ReWalk是由以色列的ReWalkRobotic設(shè)計(jì)制造的一款外骨骼，主要是幫助不能夠正常行走的人員像正常人一樣站立起來行走。它還是一款可穿戴的外骨骼系統(tǒng)并且是由電池供電的。在它的關(guān)節(jié)處有步進(jìn)電機(jī)和傳感器，通過電腦來控制膝蓋和髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。ReWalk控制運(yùn)動(dòng)的方法是通過檢測到身體的前傾，從而開始一步又一步的向前運(yùn)動(dòng)，它是可以滿足人的自然行走狀態(tài)和速度的。因?yàn)檫@套外骨骼可以支撐身體的裝量，所以用戶不必消耗太多多余的體力來支撐身體。正常人的上下樓以及坐立行走都是rewalk允許用戶完成的。

近些年我國也有很多科研人員開始從事這項(xiàng)研究，而且很多科研單位都有很不錯(cuò)的成績。

南京軍區(qū)南京總醫(yī)院研究的第一部單兵外骨骼系統(tǒng)在2013年正式公布，該系統(tǒng)是根據(jù)昆蟲外骨骼的仿生學(xué)原理研制而成的，在將來的戰(zhàn)場上，士兵的攜帶的武器裝備會(huì)越發(fā)沉重，但是人體的負(fù)荷能力是有限的。研究的這款外骨骼，能夠使士兵減少最少50％的負(fù)重，但是該系統(tǒng)仍然處于研發(fā)狀態(tài)。

此外，中科院常州先進(jìn)制造技術(shù)研究所研制的認(rèn)知外骨骼機(jī)器人1號(hào)在2014年進(jìn)行最后的調(diào)試。該機(jī)器人有六個(gè)電機(jī)，每個(gè)電機(jī)對對應(yīng)的關(guān)節(jié)施以助力，并且它還配有二十多個(gè)傳感器，對照南京軍區(qū)的單兵負(fù)重外骨骼該機(jī)器人也可以幫助穿戴者減輕負(fù)重，然而它的外形太大，不容易穿戴。

當(dāng)前的自動(dòng)輔助行走裝置多用于軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域，多輔助人力在平坦路面行走，且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不適合在日常生活中進(jìn)行廣泛的運(yùn)用。而在日常生活中，我們又需要一種成本相對較低且適用于快遞員工作，既能滿足平坦路面行走又能上下樓梯的助力行走裝置為我們服務(wù)。因此本設(shè)計(jì)要以低成本為前提，最大限度的簡化機(jī)構(gòu)，同時(shí)又能滿足降低快遞員工作壓力這一基本功能的實(shí)現(xiàn)。

本設(shè)計(jì)致力于改善快遞員等負(fù)重工作人員的工作方式，主要通過人的智能動(dòng)作控制整體機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，把人的主動(dòng)性與擁有強(qiáng)大力量的機(jī)電系統(tǒng)結(jié)合在一起，使人的負(fù)重行走更加輕松，大大降低了他們的體能消耗，從而將快遞員從繁重的勞動(dòng)強(qiáng)度中解放出來，提高了其工作效率和服務(wù)質(zhì)量，最終促進(jìn)了電商行業(yè)的發(fā)展。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于提供一種自動(dòng)輔助行走裝置，旨在解決現(xiàn)有的輔助行走設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不適于快遞員直接使用的問題。

本實(shí)用新型是這樣實(shí)現(xiàn)的：

自動(dòng)輔助行走裝置，其特征在于：包括背帶、角位移傳感器、可折疊背板、大腿伸縮臂、小腿伸縮臂、可延展載物板、可調(diào)行程氣彈簧、固定踏板、控制箱、鋼絲和控制單元，所述可折疊背板上設(shè)有背帶，所述可折疊背板兩側(cè)對稱設(shè)有角位移傳感器，所述可折疊背板下端通過轉(zhuǎn)軸連接控制箱上端邊緣，所述控制箱水平設(shè)置，所述控制箱上端設(shè)有可延展載物板，所述控制箱下端邊緣兩側(cè)對稱設(shè)有大腿伸縮臂，所述控制箱旋轉(zhuǎn)連接大腿伸縮臂上端，所述大腿伸縮臂下端旋轉(zhuǎn)連接小腿伸縮臂，所述小腿伸縮臂下端內(nèi)側(cè)設(shè)有固定踏板，所述控制箱下端和小腿伸縮臂外側(cè)中部之間設(shè)有可調(diào)行程氣彈簧，所述控制箱內(nèi)設(shè)有控制單元；

所述控制單元包括單片機(jī)、電源模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)和鋼絲絞盤，所述單片機(jī)連接所述角位移傳感器，所述單片機(jī)連接模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，所述步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器連接步進(jìn)電機(jī)，所述步進(jìn)電機(jī)輸出端連接鋼絲絞盤，所述鋼絲絞盤連接鋼絲一端，所述鋼絲另一端連接所述小腿伸縮臂下端。

優(yōu)選的，所述單片機(jī)型號(hào)為STC89C52RC。

優(yōu)選的，所述角位移傳感器型號(hào)為WDD35D4A。

優(yōu)選的，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器型號(hào)為PCF8591。

優(yōu)選的，所述步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為GJ2HB404。

優(yōu)選的，所述可延展載物板包括載物板本體和可伸縮甲板，所述載物板本體設(shè)于所述控制箱頂端，所述載物板本體兩側(cè)設(shè)有可伸縮甲板。

本實(shí)用新型的有益效果在于：通過位于上肢的角位移傳感器采集上肢擺動(dòng)信號(hào)，再交由單片機(jī)處理并控制步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)，又通過步進(jìn)電機(jī)連接的鋼絲控制關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，實(shí)現(xiàn)下肢運(yùn)動(dòng)；位于小腿部位的可調(diào)行程氣彈簧可以幫助載物行走，并使人體在行走過程中達(dá)到平衡。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單，安裝和控制方便，穩(wěn)定性強(qiáng)，載物移動(dòng)效果好，該裝置具有易攜帶性，載物板具有一定的可調(diào)性，適合商業(yè)推廣。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型仰視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實(shí)用新型的主視圖；

圖3為本實(shí)用新型的角位移及背帶局部圖；

圖4為本實(shí)用新型的控制箱內(nèi)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本實(shí)用新型的單片機(jī)最小系統(tǒng)引腳圖；

圖6為本實(shí)用新型的角位移傳感器的采集電路引腳圖；

圖中：1背帶；2角位移傳感器；3可折疊背板；4大腿伸縮臂；5小腿伸縮臂；6可延展載物板；61載物板本體；62可伸縮甲板；7可調(diào)行程氣彈簧；8固定踏板；9控制箱；10鋼絲；11控制單元；111單片機(jī)；112電源模塊；113模數(shù)轉(zhuǎn)換器；114步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器；115步進(jìn)電機(jī)；116鋼絲絞盤。

具體實(shí)施方式

為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。

圖1至6示出了本實(shí)用新型的自動(dòng)輔助行走裝置，其特征在于：包括背帶1、角位移傳感器2、可折疊背板3、大腿伸縮臂4、小腿伸縮臂5、可延展載物板6、可調(diào)行程氣彈簧7、固定踏板8、控制箱9、鋼絲10和控制單元11，所述可折疊背板3上設(shè)有背帶1，所述可折疊背板3兩側(cè)對稱設(shè)有角位移傳感器2，所述可折疊背板3下端通過轉(zhuǎn)軸連接控制箱9上端邊緣，所述控制箱9水平設(shè)置，所述控制箱9上端設(shè)有可延展載物板6，所述控制箱9下端邊緣兩側(cè)對稱設(shè)有大腿伸縮臂4，所述控制箱9旋轉(zhuǎn)連接大腿伸縮臂4上端，所述大腿伸縮臂4下端旋轉(zhuǎn)連接小腿伸縮臂5，所述小腿伸縮臂5下端內(nèi)側(cè)設(shè)有固定踏板8，所述控制箱9下端和小腿伸縮臂5外側(cè)中部之間設(shè)有可調(diào)行程氣彈簧7，所述控制箱9內(nèi)設(shè)有控制單元11；

所述控制單元11包括單片機(jī)111、電源模塊112、模數(shù)轉(zhuǎn)換器113、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器114、步進(jìn)電機(jī)115和鋼絲絞盤116，所述單片機(jī)111連接所述角位移傳感器2，所述單片機(jī)111連接模數(shù)轉(zhuǎn)換器113，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器113連接步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器114，所述步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器114連接步進(jìn)電機(jī)115，所述步進(jìn)電機(jī)115輸出端連接鋼絲絞盤116，所述鋼絲絞盤116連接鋼絲10一端，所述鋼絲10另一端連接所述小腿伸縮臂5下端。其中電源模塊112提供動(dòng)力源，用模數(shù)轉(zhuǎn)換器113及單片機(jī)111組成信號(hào)處理部分來處理角位移傳感器2傳達(dá)的信號(hào)，進(jìn)一步傳遞到步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器114中來有序的驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)115運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)鏈接在步進(jìn)電機(jī)115輸出端的鋼絲絞盤116運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)鋼絲10的伸縮，拉動(dòng)小腿伸縮臂5最終實(shí)現(xiàn)小腿的運(yùn)動(dòng)，達(dá)到行走的目的。

整個(gè)裝置通過上肢和下肢背帶實(shí)現(xiàn)人體和此裝置的連接，由可伸縮大小腿伸縮臂、可延展載物板6、固定踏板8三個(gè)部位實(shí)現(xiàn)支撐，由背帶1和可折疊背板3兩個(gè)部位實(shí)現(xiàn)固定，角位移傳感器2提供輸入信號(hào)，角位移傳感器2是依靠人行走時(shí)擺臂，臂膀會(huì)觸碰到角位移傳感器2，其將接收到的信號(hào)傳到單片機(jī)111，由單片機(jī)111實(shí)現(xiàn)控制的目的，可調(diào)行程氣彈簧7與步進(jìn)電機(jī)115連接的鋼絲絞盤116提供動(dòng)力。自動(dòng)輔助行走裝置應(yīng)該具有結(jié)實(shí)耐用等特點(diǎn)，在使用中，載物板6上負(fù)載的重量與其本身的重量都要由機(jī)械結(jié)構(gòu)承受，因此，該機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是最先要保證的。除此之外，該裝置不僅要支撐它本身和后背載物的重量，還要攜帶各種器件來支持機(jī)械裝置運(yùn)行，所以它的材料要選擇輕便結(jié)實(shí)的，從而使該裝置能夠完善運(yùn)行。

更進(jìn)一步的，所述單片機(jī)111型號(hào)為STC89C52RC。

本設(shè)計(jì)控制電機(jī)的微控制單元采用宏晶科技的增強(qiáng)型51單片機(jī)(具體型號(hào)為STC89C52RC)。

該單片機(jī)111的編程指令及引腳與8051完全兼容，可直接使用8051頭文件，此單片機(jī)屬于8051增強(qiáng)型，對于時(shí)鐘/機(jī)器周期的分頻可選擇為6或者12分頻。具有較寬的工作電壓，外部晶振可選擇0～40MHz，應(yīng)用程序空間有8KB供用戶使用，擁有32個(gè)通用I/O口，集成了片內(nèi)512KB的RAM，還有三個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器，具有看門狗和EEPROM功能。51單片機(jī)的最小系統(tǒng)由復(fù)位電路、晶振電路和單片機(jī)組成，它是單片機(jī)正常運(yùn)行的關(guān)鍵部分，一旦缺少了這部分電路，那么單片機(jī)就像是人失去了心臟一般不可以運(yùn)行。單片機(jī)的基準(zhǔn)時(shí)序的提供者是晶振電路。時(shí)序的基礎(chǔ)是時(shí)鐘，時(shí)鐘的產(chǎn)生有兩種方式，即外部和內(nèi)部方式。該設(shè)計(jì)采用的是外部方式。51系列單片機(jī)的振蕩頻率有效值為1.2-24MHz，時(shí)常選擇11.0592MHz。在本設(shè)計(jì)當(dāng)中C1、C2的數(shù)值選為22pF，一般為30pF。該設(shè)計(jì)選用上電復(fù)位作為單片機(jī)的復(fù)位方式，R取值1kΩ。如圖5所示為最小系統(tǒng)。

如下表為單片機(jī)引腳說明：

更進(jìn)一步的，所述角位移傳感器2型號(hào)為WDD35D4A。

角位移傳感器2要具備體積小、重量小、準(zhǔn)確度高和安裝簡易的特點(diǎn)，經(jīng)過比較，本設(shè)計(jì)最終采用了歐姆特爾公司生產(chǎn)的角位移傳感器WDD35D4A，該系列產(chǎn)品外殼的材料為硬質(zhì)鋁合金，電阻材料選用的是導(dǎo)電塑料，經(jīng)過模壓和激光修整工藝，安裝高速不銹鋼軸承，貴金屬刷機(jī)裝置等精密部件，以確保產(chǎn)品的品質(zhì)與性能更具有可靠性，達(dá)到長機(jī)械壽命，動(dòng)態(tài)噪聲小，旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)，分辨率高的優(yōu)良特性。其技術(shù)參數(shù)如下：

1.免接觸式，適應(yīng)多種環(huán)境不良環(huán)境；

2.機(jī)械轉(zhuǎn)角：360°連續(xù)；

3.線性：0.25～0.5；

4.多種范圍、直流輸出；

5.分辨率：無限；

6.溫度范圍：-55℃～125℃。

圖6為自動(dòng)輔助行走裝置的角位移采集電路，這里只繪制了其中一路采集線路，實(shí)際電路板中應(yīng)包含兩路相同的線路。具體連接方法是兩個(gè)角位移傳感器分別將模擬信號(hào)由AIN2和AIN3口輸入到AD轉(zhuǎn)換器中，然后由SDA口傳到單片機(jī)。

更進(jìn)一步的，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器113型號(hào)為PCF8591。

這里的模數(shù)轉(zhuǎn)換器113將采用PCF8591，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器113是由一個(gè)芯片集成，它需要獨(dú)立供電，功耗低，是一個(gè)8位CMOS的數(shù)據(jù)獲取器件。讀寫接口為串行I²C接口，集成了4個(gè)AD輸入接口與1個(gè)DA輸出接口。硬件地址編程地址引腳為A0，A1和A2。在無外加硬件的情況下，可在一個(gè)I2C總線上接入8個(gè)PCF8591器件，控制和數(shù)據(jù)信號(hào)、輸入輸出的地址以串行雙線雙向I2C總線通訊。如下表所示為其引腳的說明：

更進(jìn)一步的，所述步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器114型號(hào)為GJ2HB404。

更進(jìn)一步的，所述可延展載物板6包括載物板本體61和可伸縮甲板62，所述載物板本體61設(shè)于所述控制箱9頂端，所述載物板本體61兩側(cè)設(shè)有可伸縮甲板62。通過在載物板本體61的側(cè)端加裝可伸縮甲板62，以適應(yīng)各種尺寸的貨物的固定裝載，大大提高裝置的適應(yīng)力。

本實(shí)用新型的工作原理如下：

在使用過程中，通過背帶1等固定結(jié)構(gòu)使此裝置的可折疊背板3背負(fù)在人體后背上，腳踏在固定踏板8上，調(diào)整大腿伸縮臂4和小腿伸縮臂5的高度，使其適應(yīng)使用者的身高要求；將貨物設(shè)置在可延展載物板6上，通過擺臂使一側(cè)的手臂觸碰到角位移傳感器2，通過角位移傳感器2將信號(hào)傳送給單片機(jī)111和模數(shù)轉(zhuǎn)換器113，并通過單片機(jī)111發(fā)出控制信號(hào)到步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器114，驅(qū)動(dòng)相對側(cè)的步進(jìn)電機(jī)115進(jìn)行動(dòng)作，使鋼絲絞盤116上的鋼絲10拉緊收縮，使相對側(cè)的小腿伸縮臂5實(shí)現(xiàn)彎曲，帶動(dòng)固定踏板8向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)一側(cè)的手臂與角位移傳感器2相分離后，驅(qū)動(dòng)相對側(cè)的步進(jìn)電機(jī)115進(jìn)行動(dòng)作，使鋼絲絞盤116上的鋼絲10松開伸長，相對側(cè)的可調(diào)行程氣彈簧7則伸長，使小腿伸縮臂5向前運(yùn)動(dòng)，當(dāng)另一側(cè)的手臂觸碰到角位移傳感器2后，則運(yùn)動(dòng)模式如上所述，從而實(shí)現(xiàn)了行走和上樓過程。

本實(shí)用新型的有益效果在于：通過位于上肢的角位移傳感器采集上肢擺動(dòng)信號(hào)，再交由單片機(jī)處理并控制步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)，又通過步進(jìn)電機(jī)連接的鋼絲控制關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，實(shí)現(xiàn)下肢運(yùn)動(dòng)；位于小腿部位的可調(diào)行程氣彈簧可以幫助載物行走，并使人體在行走過程中達(dá)到平衡。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單，安裝和控制方便，穩(wěn)定性強(qiáng)，載物移動(dòng)效果好，適合商業(yè)推廣。

上述雖然結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對本實(shí)用新型保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本實(shí)用新型的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性的勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。