一种充电式可穿戴潜水助力系统

一种充电式可穿戴潜水助力系统

1、技术领域

本发明涉及一种充电式可穿戴潜水助力系统。

2、技术背景

目前，助力辅助装备兴起，不论是电影银屏上的钢铁侠或者是医疗、军事上的辅助 器械，给了人们很大的启发，有了这些器械不仅能让使用者更加省力的去做某些已经可以 做到的事，还能帮助人们完成更多一般不能做到的事情，这使得人们对这类设备越来越着 迷。随着越来越多的研发公司加入进来，外骨骼已经从最初的仅用于医疗和军事方面拓展 到日常应用场景，比如公司为了增加员工的生产效率，采用的辅助装备等。

由于多家公司的外骨骼研究与设计，使得人类和机器人之间的边界已经变得越来 越模糊，未来机器人与人类将互相协同实现某些特定的运动和功能。尽管陆地上的外骨骼 装备的研制已经风生水起了，但是水下的外骨骼装备却甚少研究。原因是由于水中的环境 状况不同于陆地，水的浮力和阻力作用给人员水下活动带来了新的运动特征，这就使得水 下外骨骼的动力系统跟陆地上的完全不同。此外，在水中还要考虑呼吸系统问题，因此水下 可穿戴外骨骼设备发展缓慢，技术还不成熟，现有的产品也不多。与此同时，能量尤其是电 能的转换利用是一个亘古不变的话题，几乎所有的电池研发工作者在追求电池的高效率的 同时，都在思考如何达到边用边充的效果，已提升电池的供电时间。本发明专利，通过研究 水下运动的各种特征，旨在设计出一种能够辅助潜水人员在水下运动，且能为人员水下运 动时携带的电池充电的充电式水下潜水助力系统，可扩大潜水人员的活动范围，提高潜水 人员的活动能力并节省体力。

已公开关于外骨骼的专利，包括：201610743020.7外骨骼服；201380057411.8手外 骨骼；201580020679.3外骨骼型手套；201510507542.2助力外骨骼；20138006499.9可重新 配置的外骨骼；201010225081.7带有外骨骼的CMM臂；201410705631.3穿戴式外骨骼座椅； 201610334853.8一种可飞行外骨骼；201510850693.8柔性外骨骼机器人；201380026901.1 机动外骨骼单元；201610284409.X助力外骨骼装配体等，目前还没有关于充电式可穿戴潜 水助力系统的相关专利。

3、技术方案

本发明的目的在于设计出一种能够辅助人体在水下活动的助力装置，使用者在水 下活动时可以游动速度更快，节省体力，并且为人体所携带的电池补充电能，从而延长水下 供电时间，更好的完成各种水下活动。

本发明涉及一种充电式可穿戴潜水助力系统，使用时用户可借助推进器的推动在 水下自由活动。本发明整个系统的技术方案均包括助力系统和充电系统，其中助力系统设 计出三种实施例，且使用时可同时配合其他的潜水装备使用，如呼吸系统等。

助力系统指的是本发明中使用的浮力腰带和推进器。浮力腰带包括支撑板和收缩 带，考虑到轻便性以及潜水时可能遇到的种种条件，浮力腰带的支撑板优先选用密度小、强 度大的铝合金材料，支撑板里放置适量的浮力材料以增加人在潜水时的浮力，浮力材料选 用标准型固体浮力材料，由于固体浮力材料具有轻质、高强、吸水率低，性价比高的特点，因 此可较好地满足本专利浮力系统的要求。支撑板里还放置了控制模块，控制模块具有调速、 开关推进器的功能。每个控制模块配有3条USB接线，USB接线与助力系统的推进器和电池包 相连接，可提供电能驱动推进器，接口需做好防水密封工作。浮力腰带的松紧可由其收缩带 调整以适应不同体型的使用者。本发明的助力系统选用的推进器只要满足一定的推力大小 都可适用于本发明，推进器既可依靠夹持装置伸出浮力腰带之外，也可由固定套固定嵌套 在浮力腰带的支撑板内。当推进器被布置在浮力腰带外侧时，可选用合适大小的推进器，并 使用与推进器直径相匹配的夹持装置，使推进器距离人体一段距离以减轻涡流对人体的干 扰，夹持装置选材可为铝合金，使其更加轻便且具有较高的强度。当推进器嵌套在浮力腰带 的支撑板内时，推进器的直径不宜过大，推进器由固定套固定在浮力腰带支撑板内。

本发明充电系统指的是脚蹼中的能量转换装置。充电系统由带有能量装换装置的 脚蹼和1条USB接线组成，该USB接线即为能量转换装置所带的USB接线。脚蹼的大小适用于 一般成年人，脚蹼后跟空闲区域设置了能量储备转换装置，该装置可将潜水时腿部产生的 动能转化为电能。能量储备转换装置由上底板、下底板、发电机、USB接线、支承轴、垂直弹 簧、水平弹簧、小齿轮、大齿轮、齿条、滑块和导轨槽组成，其工作原理如下：人体潜水时，腿 部运动产生的位移是一个小的垂直运动，因此，采用滑块对垂直位移进行转化。能量转换装 置共设有两组滑块，其中一组滑块装在上底板上，另一组滑块安装在下底板上，上底板的滑 块可驱动下底板的滑块，下底板的滑块连接到齿条上。当能量收集装置的上底板在一次腿 部摆动过程中被压时，上底板的滑块会驱动下底板的滑块，下底板的滑块会驱动齿条，齿条 在水平方向上呈线性滑动。因此，滑块可以将小的垂直位移转化为齿条的直线运动，即滑块 之间的相互作用显示出潜水时人体腿部的垂直位移。齿条与小齿轮啮合，小齿轮又与大齿 轮啮合，齿条作直线运动时会带动小齿轮转动，小齿轮则会带动大齿轮转动，即齿条的直线 运动可以转换为大齿轮的旋转运动，且由于两个齿轮直径不同，即存在减速比，小齿轮的转 动速度必然比大齿轮快，又因功率一定时齿轮的转速和扭矩成反比，故大齿轮可以提供更 大的扭矩。人类潜水时，腿部摆动频率通常很低，而能量转换装置受到的冲击力则是相当高 的。同时，微型发电机可以由低扭矩驱动有效地产生电能，微型发电机通过螺栓与大齿轮相 连，大齿轮的旋转运动产生的扭矩可使微型发电机有效地产生电能。能量转换器的工作方 式是往复式，因此，竖直弹簧和水平弹簧为滑块和上底板、下底板提供了一种恢复力。发电 机引出1条USB接线，接线口做好密封，该USB接线可与电池包相连接以达到边充边用的功 能。

本发明中的助力系统和充电系统配合潜水时的其他装备，如氧气瓶、电池包等，可 以很好的扩大潜水人员的活动范围，提高潜水人员的活动能力并达到节省体力的目的。

本发明的特点：

(1)发明的助力系统和充电系统符合潜水人员的运动特征和身体结构特征，如人 体腰部位置为人的重心点和浮心点，在该处施加推理潜水人员是最舒适的；并且助力腰带 系统与裤扣连接，在推进器助推时可以通过裤扣将力分布到裤子与穿戴人员接触的各个部 位，符合人体结构特征的需求。

(2)推进器布局可根据需求进行调整，可实现2个、3个、4个或者更多数量水下推进 器布局，在保证具有足够推进力的同时实现人体姿态控制。

(3)所选用的控制板，可实现推进器的调速功能和开关功能。

(4)可实现潜水人员边游边充电的功能；当潜水者富有潜水经验且体能充沛时，也 可关闭推进器享受潜水的乐趣，人员潜水活动可为电池充电；此举可提高电池包的供电时 间。

(6)该充电式可穿戴潜水助力系统不仅为水下工作人员或者潜水爱好者带来极大 的方便，辅助他们在水下的活动，还能节省潜水人员的体力，符合助力装置的概念。

4、附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所使用的附图简单 地介绍。显而易见，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人 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与结构。

图1实施例1穿戴效果示意图；

图2实施例1浮力腰带结构示意图；

图3实施例1推进器结构示意图；

图4实施例1夹持装置结构示意图；

图5实施例1控制模块结构示意图；

图6能量装换装置结构示意图；

图7滑块结构示意图；

图8齿轮和齿条配合示意图；

图9充能脚蹼示意图；

图10电池包结构示意图；

图11实施例2穿戴效果示意图；

图12实施例2浮力腰带结构示意图；

图13实施例2、3控制模块结构示意图；

图14实施例2、3推进器结构示意图；

图15实施例3穿戴效果示意图；

图16实施例3浮力腰带结构示意图。

5、具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但在本发明以上权力陈述的基础上 并不限于以下实施例，使用者可以根据自己的需求调整助力系统腰带的结构布局。

实施例1：

本实施例的效果图如图1所示，由浮力腰带1、推进器2、夹持装置3、充能脚蹼4、电 池包5组成。

本实施例中，助力系统的推进器使用夹持装置对称固定在浮力腰带支撑板外两 侧。浮力腰带的主体结构如图2所示，由支撑板1和收缩带2组成，支撑板1厚度可为20mm，收 缩带2穿过裤扣系于后腰部，收缩带2可调节腰带的松紧程度，支撑板1内布置适量的浮力材 料和控制模块。该方案选用的推进器如图3所示，该推进器的直径可为88mm，考虑到装配选 用直径为91mm的夹持装置，夹持装置的结构如图4所示。如图5所示，控制模块由面板1和3个 USB接线2组成，面板1的规格可为50×40×5mm，控制板伸出的USB接线与推进器、电池包的 接线相连接，以达到提供电能的目的。浮力腰带和每个夹持装置可用2个螺栓进行固定，夹 持装置与推进器可采用6个螺栓进行固定。

实施例1中，充电装置所包含的能量转换器如图6所示，它由上底板1、下底板2、竖 直弹簧3、支承轴4、滑块5、导轨槽6、发电机7、小齿轮8、大齿轮9、齿条10、USB接线11和水平 弹簧12组成。整个转换器的尺寸可为50×25×30mm，上底板1和下底板2之间由8个支撑轴4 配合螺栓连接，竖直弹簧3嵌套在最外侧4个支撑轴上。上底板1和下底板2均装配一组滑块 5，水平弹簧12固定在下底板2的滑块的最左边和最右边。单个滑块的结构如图7所示，两组 滑块使用时沿着导轨槽6方向运动，导轨槽6宽度比滑块5略宽。下底板2装有一个微型发电 机7，微型发电机7自带一个齿轮与下底板2上的大齿轮8连接，从而可以凭借一个较大的扭 矩来发电，引出的USB接线11直接连接至电池包。

能量装置的工作原理如下：人员潜水时，腿部运动产生的一个小的垂直运动，因 此，采用滑块5将小的垂直位移转化。滑块5的形状为梯形，共设有两组，其中一组滑块装在 上底板1上，另一组滑块安装在下底板2上，上底板的滑块可驱动下底板的滑块，下底板2的 滑块连接到齿条10上。当能量收集装置的上底板1在一次腿部摆动过程中被压时，上底板1 的滑块会驱动下底板2的滑块，从而可驱动齿条10，齿条10在水平方向上呈线性滑动。因此， 滑块5可以将小的垂直位移转化为齿条10的直线运动，即滑块之间的相互作用可以显示出 潜水时人员腿部的垂直位移。齿条和齿轮的配合示意图如图8所示，1为大齿轮，2为小齿轮， 3为齿条。齿条3与小齿轮2啮合，小齿轮2又与大齿轮1啮合，齿条3作直线运动时会带动小齿 轮2转动，小齿轮2则会带动大齿轮1转动，即齿条3的直线运动可以转换为大齿轮1的旋转运 动，且由于两个齿轮直径不同，即存在减速比，小齿轮2的转动速度必然比大齿轮1快，又因 功率一定时齿轮的转速和扭矩成反比，故大齿轮1可以提供更大的扭矩。人员潜水时，腿部 摆动频率通常很低，而能量转换装置受到的冲击力则是相当高的。微型发电机7可以由低扭 矩驱动有效地产生电能，微型发电机7通过M2.5螺栓与小齿轮8相连，小齿轮8的旋转运动产 生的扭矩可使微型发电机7有效地产生电能。能量转换器的工作方式是往复式，因此，竖直 弹簧3和水平弹簧12为滑块5和上底板1、下底板2提供了一种恢复力。如图9所示的充能脚 蹼，由脚蹼1和USB接线2组成，潜水脚蹼的USB接线2即为图6中能量转换装置的USB接线11。 能量转换装置固定于脚蹼后跟处的空闲区域，不会影响穿戴时的舒适性，同时也能感应到 比较大的腿部位移，且使用者若正确调节USB接线11的位置不会影响潜水时腿部移动。

潜水的其他设备，即电池包和侧挂的氧气瓶通过潜水背心自备的收缩带固定在潜 水者的后背和两侧。图10所示的电池包的尺寸可为200×240×100mm，1为蓄电池包，电池的 规格可为12V4AH；2和3为USB接线，其中USB接线2仅有一个接口，故与浮力腰带的控制模块 相连接，USB接线3有2个接口，故与两只充能脚蹼连接；4为固定带，电池包依靠固定带4连接 可牢固依附在人体后背上；5为挂扣，固定带4缠绕在挂扣5上，可起到调节、固定电池包松紧 度的作用。

实施例2：

本实施例的效果图如图11所示，与实施例1类似，实施例2由浮力腰带1、推进器2、 充能脚蹼3和电池包4组成。

本实施例的助力系统采用的布局方案为推进器对称嵌套在浮力腰带支撑板内侧， 浮力腰带的主体结构如图12所示，它由支撑板1、收缩带2和2个固定套3组成，左右两侧放置 推进器的固定套3和支撑板1均用4个螺栓进行固定，收缩带2可与实施例1一样穿过裤扣系 于后腰部分。图13所示为浮力腰带控制模块示意图，其中控制模块由面板1和3条USB接线2 组成，面板1的形状可由实施例1中的长方体变为扇形体以便更好安装于浮力腰带的支撑板 内。正如前面所述，为了提高舒适性和减小阻力，实施例2可采用直径较小的推进器，可选用 直径为46mm的推进器。考虑到装配问题，浮力腰带固定套3直径选用为48mm，固定套3和推进 器之间使用6个螺栓进行固定。该实施例采用的推进器如图14所示。

本实施例其他的系统装置和布局方式与实施例1相同。

实施例3：

本实施例的效果图如图15所示，与实施例1、2类似，实施例3由浮力腰带1、推进器 2、充能脚蹼3和电池包4组成。

本实施例的浮力腰带主体结构如图16所示，因该实施例采用4个推进器前后左右 对称嵌套在腰带支撑板内侧，故浮力腰带由2块支撑板1和2条收缩带2以及4个固定套3组 成。潜水者使用时可将收缩带穿过裤扣系于腰的两侧。推进器可选用与实施例2相同的尺 寸，即推进器的直径为46mm，固定套3的直径为48mm。由于推进器数量的增加导致控制模块 的数量增加一片，实施例3的电池包结构应略有变化，其USB接线2较图10多出一个接口来连 接多出的一片控制模块，USB接线3的两个接口均连接充能脚蹼的USB接线。

本实施例其它的系统装置和布局方式与实施例1、2相同。