CN103099690B - 一种助力型外骨骼用复合式承载鞋 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于外骨骼的复合式承载鞋，通过硫化工艺将金属骨架和填充橡胶硫化为整体，外形与人体脚掌形状一致；金属骨架为镂空结构，具备足够的强度和刚度，人体自重和外骨骼的载荷主要作用于金属骨架，既能减轻鞋体的自重，又能实现外骨骼载荷的传递；鞋体其余部分为填充橡胶，使鞋体具备一定的柔韧性，能够满足人体脚掌运动的需求。

Description

一种助力型外骨骼用复合式承载鞋

技术领域

本发明涉及鞋，尤其涉及一种用于与助力型外骨骼联接的实现承载的鞋体。

背景技术

将外骨骼穿戴于人体，组成助力型外骨骼携行系统，可代替人体承受垂向载荷，提高人体运动的负重能力，增强运动的耐力。为达到这一目标，需要使外骨骼的结构能与人体的骨骼、关节和肌肉系统相适应，即运动自由度应与人体一致，能在人机之间能够实现协调运动的同时，达到可靠承载的目标。

对于人机携行系统中的外骨骼结构而言，其主要功能在代替人体承受垂向载荷，即载荷沿着背架、髋部结构、下肢承载结构的顺序向下传递，并最终通过鞋体传递至地面。因此鞋体是整个外骨骼结构中承载的末端环节，直接与地面接触，外骨骼所有的负重以及人机携行运动过程中产生的冲击载荷都会集中作用于鞋体，可见鞋的承载能力是决定外骨骼承载效率的关键部件之一。与此同时，为了实现人机运动一致，鞋体需要与人的脚部紧紧束缚在一起，而人体的脚掌有关节存在，因此为了配合人体脚掌的运动自由度，外骨骼鞋体不能为刚体，在前后脚掌之间需要一定的柔韧性，才能避免人机间的运动障碍。而且由于鞋体自身的重量需要人体克服，因此鞋体的重量不能过大，否则会导致人体的负担过重。

在目前的外骨骼机械结构的研究中，重点集中在外骨骼整体结构的设计和强度、刚度分析等方面，力的传递过程的研究也往往止步于踝关节，而忽略了外骨骼结构中的末端环节，即承载鞋。从公布的外骨骼研究成果来看，复合式外骨骼鞋的结构设计和分析还没有涉及，通常将鞋作为刚体进行模拟，导致鞋体的刚度和重量过大，严重影响人机间的运动协调；还有或是将鞋整体作为橡胶件，结果是鞋的强度达不到承载要求，鞋体的使用寿命很短。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明的目的是提供一种外套在采用外骨骼机械机构负重行走的承载鞋，以解决现有技术的如上缺点。

本发明所采用的技术方案是：一种助力型外骨骼用复合式承载鞋，用于外骨骼下肢结构的末端承载，承载鞋包括金属鞋骨架和填充层，所述金属鞋骨架由上板1和与之用连接销3相连接的底板2构成；底板2具有的延伸外缘；延伸外缘上设置有用于与踝关节支撑座的连接的螺栓孔4。

本发明所采用的技术方案应用于外骨骼的复合式承载鞋，为保证鞋体的强度和刚度，通过金属材料构建镂空的金属骨架，可减轻自重，并通过连接销将骨架的上板和下板进行可靠连接，人体的重量通过上板和连接销传递给下板，下板的后部边缘外伸，通过螺栓与踝关节支撑座连接，外骨骼的负重和运动中的冲击载荷通过踝关节作用于下板，最终传递至地面；为使鞋体具备一定的柔韧性能与人体脚掌的运动匹配，金属骨架的长度与脚掌的中后部长度一致，骨架的前部为填充橡胶，是整个鞋体具备人体矢状面内的弯曲自由度；通过硫化工艺将金属骨架的镂空部分填满，并使得整个鞋体的形状与人体脚掌一致，既能减轻鞋体的自重，又能保证人机运动的协调；填充橡胶将金属骨架的下板完全包含在内部，使得直接与地面接触的是橡胶层，通过在橡胶表面设置纹路，使得鞋体能够适应多种使用环境。通过镶嵌在橡胶内部的金属骨架承受外骨骼的负重和运动中的冲击载荷，以及为人体自身的重量提供支撑，实现外骨骼的稳定承载；且通过橡胶填充的方式可减小鞋体的重量，减少人体的负担；通过橡胶与金属骨架复合的方式可保证鞋体具有一定的柔韧性，满足人机运动协调的要求。

附图说明

图1是外骨骼复合式承载鞋的外观图。

图2是外骨骼复合式承载鞋金属骨架外视图。

具体实施方式

结合图1和图2可以看到，承载鞋包括金属鞋骨架和填充层，所述金属鞋骨架由上板1和与之用连接销3相连接的底板2构成。底板2具有的延伸外缘，延伸外缘上设置有用于与踝关节支撑座的连接的螺栓孔4。金属骨架为嵌入式结构，周围为填充橡胶，可有效减轻鞋体自重；骨架上板的下表面与填充橡胶的上表面齐平，使得人体的重量主要作用于金属骨架，并能传递至地面；填充层5覆盖在底板2的上下，骨架的下板完全嵌入填充橡胶内部，并不直接与地面接触，与地面接触的是填充橡胶的下表面，起到防滑和保护金属骨架的作用；金属骨架的长度与人体脚掌的中后部长度一致，位于填充橡胶的中后部，鞋体的前部为填充橡胶，使得鞋体能够弯曲一定角度且具备柔韧性，能够与脚掌的运动匹配；在填充橡胶的内部可设置沉孔，用于安装鞋体内置的传感器。

结合图2可以看到，金属骨架分为上板和下板两层镂空结构，两层之间通过连接销进行可靠连接，既能保证鞋体的强度和刚度，使得鞋体能够可靠承载，又能减轻鞋体的自重；人体自重作用于上板，通过连接销和下板传递至地面；下板尺寸宽于上板，侧外缘超出上板之外的部分用于与踝关节支撑座的连接，因此外骨骼的载荷作用于下板，并传递至地面。

通过这种应用于助力型外骨骼的复合式承载鞋，可以降低鞋体的自重和人体的负担，并能与人体脚掌的运动相适应，达到人机运动协调的目的；通过在鞋体中设置金属骨架，使鞋体具备足够的强度和刚度，能够满足外骨骼的承载要求；鞋体与地面接触的部分为填充橡胶，使外骨骼能够适应多种运用环境。

实施例一

采用图1和图2的方案，在外骨骼承载鞋的金属骨架的周围通过硫化工艺填充聚氨酯橡胶，人体的自重和外骨骼的载荷主要由金属骨架承受，并传递至地面；金属骨架位于鞋体的中后部，鞋体的前端为填充橡胶，两者间可实现一定程度的弯曲，保证鞋体具备一定的柔韧性；填充橡胶的下表面完全包裹住骨架下板，使得与地面接触的为橡胶，可起到保护金属骨架、防滑等作用。

Claims (4)

1.一种助力型外骨骼用复合式承载鞋，用于外骨骼下肢结构的末端承载，其特征在于，承载鞋包括金属鞋骨架和填充层，所述金属鞋骨架由上板(1)和与之用连接销(3)相连接的底板(2)构成；底板(2)具有的延伸外缘；延伸外缘上设置有用于与踝关节支撑座的连接的螺栓孔(4)。

2.根据权利要求1所述的助力型外骨骼用复合式承载鞋，其特征在于，所述填充层(5)覆盖在底板(2)的上下。

3.根据权利要求1或2所述的助力型外骨骼用复合式承载鞋，其特征在于，所述填充层为聚氨酯橡胶。

4.根据权利要求1或2或3所述的助力型外骨骼用复合式承载鞋，其特征在于，所述填充层内部设置有用于安装鞋体内置的传感器沉孔。