穿戴式助力外骨骼数据采集设备的制作方法

本申请涉及人机交互、工业人体运动数据采集与穿戴式外骨骼装备，具体而言，涉及一种穿戴式助力外骨骼数据采集设备。

背景技术：

1、在工业人机协作、机器人仿真训练、人体工效学分析场景中，需要长时间采集人体真实作业状态下的运动视觉画面与肢体姿态传感数据。现有技术分为两类，一类为助力外骨骼，其主要通过无源或有源助力方式降低使用者在作业过程中的身体负荷，现有此类外骨骼的设计及应用通常以人体助力为主要目的，数据采集并非其主要功能；另一类是穿戴式数据采集外骨骼，仅搭载图像、姿态采集传感器，设备自重、关节机械阻尼会显著增加穿戴者手臂、躯干运动负荷。

2、传统数据采集设备仅适用于实验室短时间静态采集，穿戴者负重感强，无法长时间穿戴在真实工业作业场景下开展连续数据采集；同时现有设备缺少一体化背负贴合结构，穿戴繁琐、重量集中压迫人体局部，长期穿戴舒适性差；采集相机、姿态传感器无统一时序同步机制，图像与姿态数据存在时间偏移，数据匹配精度低；且无自适应预紧助力调节结构，无法适配不同体型、不同作业负重场景的助力需求，难以获取无运动干扰、高还原度的人体作业原始运动数据。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的缺陷，本申请提供一种穿戴式助力外骨骼数据采集设备，解决现有采集设备无法兼顾长期自然穿戴、真实工业作业场景连续数据采集，以及设备自重与机械阻尼增大人体运动负荷的技术问题，实现助力机构、多源同步数据采集、人体贴合背负结构一体化集成，降低穿戴运动负担，保证长时间作业下人体运动数据采集真实性与完整性。

2、根据本申请的第一方面，本申请的至少一个实施例提供了一种穿戴式助力外骨骼数据采集设备，包括：数据采集组件，用于采集视觉画面与运动姿态传感数据；背部支撑件，与用户的背部贴合，用于提供背部支撑，还用于承载所述数据采集组件；腰部支撑件，连接于所述背部支撑件的底部，用于提供腰部承托；两组助力机构，对称设置于所述背部支撑件的左右两侧，用于输出助力，以补偿外骨骼自重及机械阻力，并提供上肢助力，降低抬臂持物时的肌肉负担，其中，所述背部支撑件、所述腰部支撑件和所述助力机构通过背带连接，用于贴合用户躯干，均匀分摊所述穿戴式助力外骨骼数据采集设备的自重；供电组件，设置于所述背部支撑件，与所述数据采集组件连接，用于为所述数据采集组件供电。

3、例如，在本申请的一些实施例中，所述数据采集组件包括：数据采集相机，设置于所述背部支撑件的左右肩部位置，用于在无遮挡的情况下，采集视觉画面；imu传感器，设置于所述背部支撑件和所述助力机构，用于采集用户多个部位的运动姿态传感数据。

4、例如，在本申请的一些实施例中，所述数据采集组件还包括：数据采集主控制器，所述数据采集主控制器内置同步触发源，所述同步触发源用于同步输出时序信号至所述数据采集相机与所述imu传感器，使所述数据采集相机与所述imu传感器同步采集所述视觉画面和所述运动姿态传感数据。

5、例如，在本申请的一些实施例中，所述数据采集主控制器包括至少一路数据通道，所述数据通道包括本地存储卡存储通道、usb传输通道、can通信通道、rs485通信通道、wifi无线传输通道和以太网传输通道中的至少一种，所述数据采集主控制器通过本地缓存或至少一路所述数据通道将所述视觉画面和所述运动姿态传感数据传输至外设上位机。

6、例如，在本申请的一些实施例中，所述腰部支撑件包括：至少两个腰部延展机构，分别与两个所述助力机构的下端连接，用于调节所述腰部支撑件的纵向长度；腰部支撑板，与至少两个所述腰部延展机构连接，用于贴合用户腰部，以提供所述穿戴式助力外骨骼数据采集设备整机的下部承托限位。

7、例如，在本申请的一些实施例中，每组所述助力机构均包括：臂支撑组件，用于贴合用户上臂，并跟随手臂动作摆动；助力盒体，包括助力盒底和助力盒盖，所述助力盒底和所述助力盒盖扣合形成导向容纳腔；弹性元件，收容于所述导向容纳腔内部，用于产生助力；uhmwpe绳，两端分别连接所述臂支撑组件和所述弹性元件，用于随着所述臂支撑组件的摆动，拉伸或释放所述弹性元件，以输出助力；预紧调节机构，设置于所述臂支撑组件的上端，用于调节所述弹性元件的预紧拉力，以改变助力的输出大小。

8、例如，在本申请的一些实施例中，所述预紧调节机构包括：操作手轮；蜗轮蜗杆，与所述操作手轮同轴联动，用于调节助力的输出大小；束线器，设置于所述蜗轮蜗杆的前端，用于缠绕收纳所述uhmwpe绳；导向轮，用于约束所述uhmwpe绳的运动轨迹。

9、例如，在本申请的一些实施例中，所述弹性元件包括：拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧、片簧、恒力弹簧、气弹簧、弹性绳和弹性体中的至少一种；所述弹性绳为具有弹性恢复能力的柔性绳索，包括：tpu弹力绳、乳胶弹力绳和/或天然橡胶弹力绳。

10、例如，在本申请的一些实施例中，所述背带与用户接触的区域设置有缓冲软包，用于分散所述背带对用户造成的局部压力。

11、例如，在本申请的一些实施例中，所述供电组件包括：电池；电量管理部件，与所述数据采集主控制器通信，用于实时采集所述电池的剩余电量，并上报至所述数据采集主控制器。

12、通过上述实施例，本申请提供的穿戴式助力外骨骼数据采集设备，具有以下有益效果的至少一个：

13、1.依靠助力机构抵消穿戴式助力外骨骼数据采集设备的自重及摩擦阻力带来的附加载荷，穿戴者无额外运动负担，并在过顶作业、手臂抬升及工具持握过程中提供持续助力，抵消部分由上肢重力及工具重量产生的关节负荷，从而降低肩部肌肉负担，提高长时间作业的舒适性和耐久性，可长期穿戴于真实工业作业场景，获取无负荷干扰、高还原度的连续人体作业运动数据，突破传统设备仅适用于实验室短时采集的局限。

14、2.背部支撑件、腰部支撑件、助力机构通过带缓冲软包的背带整体连接，重量均匀分散于人体背部、腰部、上臂，局部压迫小，穿戴舒适且穿脱操作简单；腰部延展机构可适配不同体型使用者，设备通用性更强。

15、3.数据采集主控制器内置统一同步触发源，肩部的相机、背部及助力机构搭载的imu传感器共用同一时间戳，视觉图像与肢体姿态数据时序完全对齐，数据匹配精度高，提升人体运动建模、工效分析数据质量；设备配备本地存储、usb、can通信、rs485通信、wifi、以太网多路数据传输通道，数据导出方式灵活。

16、4.助力机构配备蜗轮蜗杆式预紧调节机构，大速比传动实现助力精细无级调节，适配不同负重、不同作业动作的助力需求；弹性元件具备多种替换方案，可根据使用场景灵活更换，降低生产、维护成本。

17、5.供电组件实时监测电池电量，可及时提醒使用者充电，保障长时间连续数据采集作业不间断。

18、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本申请。

1.一种穿戴式助力外骨骼数据采集设备，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的穿戴式助力外骨骼数据采集设备，其特征在于，所述数据采集组件包括：

3.如权利要求2所述的穿戴式助力外骨骼数据采集设备，其特征在于，所述数据采集组件还包括：

4.如权利要求3所述的穿戴式助力外骨骼数据采集设备，其特征在于，所述数据采集主控制器包括至少一路数据通道，所述数据通道包括本地存储卡存储通道、usb传输通道、can通信通道、rs485通信通道、wifi无线传输通道和以太网传输通道中的至少一种，所述数据采集主控制器通过本地缓存或至少一路所述数据通道将所述视觉画面和所述运动姿态传感数据传输至外设上位机。

5.如权利要求1所述的穿戴式助力外骨骼数据采集设备，其特征在于，所述腰部支撑件包括：

6.如权利要求1所述的穿戴式助力外骨骼数据采集设备，其特征在于，每组所述助力机构均包括：

7.如权利要求6所述的穿戴式助力外骨骼数据采集设备，其特征在于，所述预紧调节机构包括：

8.如权利要求6所述的穿戴式助力外骨骼数据采集设备，其特征在于，

9.如权利要求1所述的穿戴式助力外骨骼数据采集设备，其特征在于，所述背带与用户接触的区域设置有缓冲软包，用于分散所述背带对用户造成的局部压力。

10.如权利要求3所述的穿戴式助力外骨骼数据采集设备，其特征在于，所述供电组件包括：