本發(fā)明涉及一種丘陵地區(qū)林果作業(yè)助力器，屬于農(nóng)林機(jī)械加工領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

林果業(yè)(包括樹林、園林、果木、花卉等)是農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，森林覆蓋率與林果種植面積越來越大，且具有極大的發(fā)展?jié)摿?。然而，我國林果樹種植大都集中于丘陵山地，農(nóng)業(yè)機(jī)械較難入地作業(yè)，肥料、果實、農(nóng)機(jī)器具等農(nóng)業(yè)貨物的挪移搬運(yùn)給林果農(nóng)造成很大的體力消耗與身體負(fù)擔(dān)，隨著農(nóng)村新城鎮(zhèn)化建設(shè)的發(fā)展，農(nóng)村“老齡化、空心化”現(xiàn)象嚴(yán)重，從事林果業(yè)生產(chǎn)的人員中老年人、女性的比例日益遞增，此種人群在丘陵山地攜帶貨物上溝爬崖實施高強(qiáng)度作業(yè)極易受到損傷。通常人們采用手杖助力，但是，手杖有較大的使用局限性，使用時需手持且須隨時配合各種路況，不能有效地滿足人們對省力和減負(fù)的要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為克服上述缺陷，本發(fā)明提供了一種丘陵地區(qū)林果作業(yè)助力器，是一種工作平穩(wěn)、勞動強(qiáng)度低、穿戴可靠、操作簡便安全的新型林果作業(yè)人機(jī)交互助力裝備。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是：

一種丘陵地區(qū)林果作業(yè)助力器，包括固定結(jié)構(gòu)、測試系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)和電源部分；

所述的固定結(jié)構(gòu)包括鋁合金框架、腿部固定帶、腳部固定帶，鋁合金框架上端與腿部固定帶連接，下端與腳部固定帶連接；所述鋁合金框架可活動套在小腿上，腿部固定帶固定在膝關(guān)節(jié)下部，腳部固定帶固定在踝關(guān)節(jié)上部。所述腿部固定帶與腳部固定帶之間豎立均勻連接有八條彈性布條；鋁合金框架根據(jù)人體小腿的長度制作，框架長度可調(diào)。

所述的測試系統(tǒng)包括傾斜開關(guān)和角加速度傳感器；所述的傾斜開關(guān)、角加速度傳感器及單片機(jī)固定于腳踝部位；所述角加速度傳感器為L3G4200角加速度傳感器。

所述的動力系統(tǒng)包括舵機(jī)和柔索；所述舵機(jī)固定在鋁合金框架上部；柔索上端與舵機(jī)連接且纏繞在舵機(jī)上，下端與腳部固定帶連接，起到助力器工作時牽引小腿的作用。所述舵機(jī)為YYDJ-018舵機(jī)。

所述的控制系統(tǒng)為單片機(jī)，單片機(jī)分別和傾斜開關(guān)、角加速度傳感器、舵機(jī)連接。所述單片機(jī)為89C52單片機(jī)。

所述的電源部分包括12V鎳氫電池和12伏轉(zhuǎn)5伏轉(zhuǎn)壓模塊；12V鎳氫電池用于為舵機(jī)供電；12伏轉(zhuǎn)5伏轉(zhuǎn)壓模塊用于為單片機(jī)及其他模塊供電。

本發(fā)明還涉及一種步態(tài)控制方法，其步驟如下：

1、單片機(jī)中存儲控制步態(tài)(控制步態(tài)可根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)編程)；所述控制步態(tài)具體為：右腳兩次抬起之間為一個步態(tài)周期，每個周期分為四個單程：①右腿彎曲抬起，②右腳伸直落地，③左腿彎曲抬起，④左腿伸直落地。在①、③過程中，右腳、左腳腳底分別與地面成負(fù)角度；②、④過程右腳、左腳分別與地面成正角度(設(shè)平踩地面時角度為零度，從左往右看，腳底繞腳踝逆時針轉(zhuǎn)動為正角度，順時針轉(zhuǎn)動為負(fù)角度)。

2、利用角加速度傳感器測試人體的運(yùn)動狀態(tài)并向單片機(jī)輸出數(shù)字量，傾斜開關(guān)在正角度時向單片機(jī)的p3.0口輸入高電平，在負(fù)角度時向單片機(jī)的p3.0口輸入低電平；

3、單片機(jī)通過角加速度傳感器輸入的信號判斷人體的運(yùn)動狀態(tài)，若輸入1，則為正角度，處于①或③步態(tài)，若輸入0，則為負(fù)角度，處于②或④步態(tài)；

4、處于①或③步態(tài)即彎腿時，舵機(jī)處于位置控制模式，能輸出較大扭矩并精確控制轉(zhuǎn)動角度。單片機(jī)經(jīng)過運(yùn)算，向舵機(jī)輸出周期20ms占空比10％的矩形波，控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動，使舵機(jī)轉(zhuǎn)動到120°；

5、舵機(jī)的轉(zhuǎn)動經(jīng)過動力系統(tǒng)，一部分轉(zhuǎn)化成牽引力，使小腿抬起，減輕人體抬腿的負(fù)擔(dān)；另一部分轉(zhuǎn)化成彈性布條的彈性勢能儲存起來，通過彈性布條將抬腳力增大，而落腳力減小；

6、伸腿時，單片機(jī)向舵機(jī)輸出周期20ms，占空比5％的矩形波，舵機(jī)倒轉(zhuǎn)至-120°(舵機(jī)外部負(fù)載小，能夠較快復(fù))。同時彈性布條將儲存的彈性勢能釋放，促進(jìn)完成伸腿動作。

在本發(fā)明中，人體運(yùn)動時，角加速度傳感器(L3G4200)與傾斜開關(guān)測量人體的運(yùn)動狀態(tài)，判斷出人體將要進(jìn)行的是抬腿還是落腿動作，而后在彎腿時，單片機(jī)(89C52)根據(jù)所判斷的運(yùn)動狀態(tài)控制舵機(jī)；傳遞不同占空比的矩形波信號(根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)編程設(shè)定舵機(jī)啟動提前量)，以控制舵機(jī)(YYDJ-018)的轉(zhuǎn)動，舵機(jī)牽引柔索，柔索帶動腿部使行走動作更加輕松、靈活。同時，抬腿時彈性機(jī)構(gòu)儲存能量，在下一個運(yùn)動狀態(tài)時釋放儲存的彈性勢能促進(jìn)伸腿。通過舵機(jī)牽引與彈性機(jī)構(gòu)勢能釋放給人體行走、爬坡時的邁步動作完成助力。

本發(fā)明采用單片機(jī)控制舵機(jī)，舵機(jī)牽引人體腿部以及彈性機(jī)構(gòu)能夠儲存釋放彈性勢能的方式和特點，提高了丘陵山區(qū)林果作業(yè)人工效率與作業(yè)安全，且整機(jī)具有設(shè)計重量輕、操作簡單、運(yùn)動靈活的特點，彈性機(jī)構(gòu)的設(shè)置與應(yīng)用，節(jié)約了該裝備的能耗，同時也提高了裝備的續(xù)航能力，是一種有效的輔助人體行走、作業(yè)裝備。

附圖說明

圖1：人機(jī)交互助力器結(jié)構(gòu)主視圖

圖2：人體行走步態(tài)分析圖

圖3：單片機(jī)引腳圖

圖4：傳感器脈沖信號圖

圖5：人機(jī)交互助力器的工作原理圖

圖中：1腿部固定帶,2鋁合金框架,3彈性布條,4腳部固定帶,5單片機(jī),6傾斜開關(guān),7角加速度傳感器,8柔索,9舵機(jī)。

具體實施方式

現(xiàn)結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述，本發(fā)明中所使用部件，如無特殊說明，均為可市購件或采用現(xiàn)有技術(shù)實現(xiàn)。如圖1所示，包括固定結(jié)構(gòu)、測試系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)和電源部分；

所述的固定結(jié)構(gòu)包括鋁合金框架2、腿部固定帶1、腳部固定帶4，鋁合金框架2上端與腿部固定帶1連接，下端與腳部固定帶4連接；所述鋁合金框架2可活動套在小腿上，腿部固定帶1固定在膝關(guān)節(jié)下部，腳部固定帶4固定在踝關(guān)節(jié)上部。所述腿部固定帶1與腳部固定帶4之間豎立均勻連接有八條彈性布條3；鋁合金框架2根據(jù)人體小腿的長度制作，鋁合金框架2長度可調(diào)。

所述的測試系統(tǒng)包括傾斜開關(guān)6和角加速度傳感器(L3G4200)7；所述的傾斜開關(guān)、角加速度傳感器7及單片機(jī)(89C52)5固定于腳踝部位；

所述的動力系統(tǒng)包括舵機(jī)9、柔索8；所述舵機(jī)(YYDJ-018)9固定在鋁合金框架2上；膠繩(柔索)8上端與舵機(jī)9相連，下端與腳部固定帶4連接，起到助力器工作時牽引小腿的作用。所述的柔索可采用膠繩、軟繩等柔軟材質(zhì)且有一定強(qiáng)度的繩子。

所述的控制系統(tǒng)為單片機(jī)5，單片機(jī)5分別和傾斜開關(guān)6、角加速度傳感器7、舵機(jī)9連接。

所述的電源部分包括12V鎳氫電池和12伏轉(zhuǎn)5伏轉(zhuǎn)壓模塊；12V鎳氫電池用于為舵機(jī)供電；12伏轉(zhuǎn)5伏轉(zhuǎn)壓模塊用于為單片機(jī)5及其他模塊供電。

本發(fā)明以鋁合金材質(zhì)制作鋁合金框架2，鋁合金框架2輕便可穿脫，用于減輕人體爬坡或攜帶重物時小腿部肌肉的負(fù)擔(dān)。鋁合金框架上固定有舵機(jī)9，在人體各關(guān)節(jié)處設(shè)置多種傳感器。人體運(yùn)動時，利用角加速度傳感器7與傾斜開關(guān)6測量人體的運(yùn)動狀態(tài)，判斷出人體將要進(jìn)行的是抬腿還是落腿動作，而后在彎腿時，單片機(jī)5根據(jù)所判斷的運(yùn)動狀態(tài)向舵機(jī)9傳遞不同占空比的矩形波信號，以控制舵機(jī)9的轉(zhuǎn)動，舵機(jī)9牽引柔索8，柔索8帶動腿部使行走動作更加輕松、靈活。同時，抬腿時彈性布條3儲存能量，在下一個運(yùn)動狀態(tài)時釋放儲存的彈性勢能促進(jìn)伸腿。

使用時，本發(fā)明具體的步態(tài)控制方法，步驟如下：

(1)利用傳感器測試人體的運(yùn)動狀態(tài)并向單片機(jī)最小系統(tǒng)輸出數(shù)字量，傾斜開關(guān)在正角度時向單片機(jī)的p3.0口輸入高電平，在負(fù)角度時向單片機(jī)的p3.0口輸入低電平(圖3)；

(2)單片機(jī)通過傳感器輸入的信號判斷人體的運(yùn)動狀態(tài)，若輸入1，則為正角度，處于①或③步態(tài)，若輸入0，則為負(fù)角度，處于②或④步態(tài)(圖2)；

(3)處于①或③步態(tài)即彎腿時，舵機(jī)處于位置控制模式，能輸出較大扭矩并精確控制轉(zhuǎn)動角度。單片機(jī)經(jīng)過運(yùn)算，向舵機(jī)輸出周期20ms占空比10％的矩形波(圖4)，控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動，使舵機(jī)轉(zhuǎn)動到120°；

(4)舵機(jī)的轉(zhuǎn)動經(jīng)過傳動機(jī)構(gòu)，一部分轉(zhuǎn)化成牽引力，使小腿抬起，減輕人體抬腿的負(fù)擔(dān)，另一部分轉(zhuǎn)化成彈性元件的彈性勢能儲存起來，例如，通過使用彈性布條，將抬腳力可增大到100N，而落腳力減小至50N；

(5)伸腿時，單片機(jī)向舵機(jī)輸出周期20ms，占空比5％的矩形波，舵機(jī)倒轉(zhuǎn)至-120°(舵機(jī)外部負(fù)載小，能夠較快復(fù))。同時彈性元件將儲存的彈性勢能釋放，促進(jìn)完成伸腿動作。工作原理如圖5所示。

本發(fā)明采取單片機(jī)控制舵機(jī)，舵機(jī)牽引人體腿部的運(yùn)動方式，在人體行走或攜帶重物作業(yè)時起到腿部助力的作業(yè)，同時使人體運(yùn)動、作業(yè)時的安全也得到了有效保障。

本發(fā)明使用性能優(yōu)勢顯著，具體體現(xiàn)為：1、該裝置采取自動控制的方式，結(jié)構(gòu)設(shè)計簡便、靈活、重量輕。2、工作過程平穩(wěn)。3、有效協(xié)助人體運(yùn)動或負(fù)荷重物作業(yè)。4、操作簡便、安全、可靠。