CN103750848B - 一种用于下肢助力系统的足底力测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械技术领域，为方便穿戴，不妨碍使用者正常行走、奔跑；保护使用者关节不受损伤，本发明提供一种用于下肢助力系统的足底力测量装置，按照人体足部生理结构各关节的自由度与人体足部关节类似，能够贴合人体运动；依据足底受力分布布置压力传感器并配有传力结构；传感器将压力信号转换为电信号并通过电缆传递给信号处理系统，通过计算得出步态信息，并通过总线发送给外界。由此，本发明具有较好的人机适配性，不仅满足了下肢助力系统及类似系统对足底力测力分析和负载承重的需求，而且也可集成步态分析功能，不影响使用者步态动作，保护使用者不受变形动作伤害，测力准确，承重可靠，在类似的助力系统中应用前景广阔。

Description

一种用于下肢助力系统的足底力测量装置

技术领域

本发明属于机械技术领域，具体涉及一种用于下肢助力系统的足底力测量装置。

背景技术

外骨骼、残疾人康复训练装置等设备中需要对使用者的足底受力情况进行监测。现有的足底测量系统缺乏对传感器件和机械结构的优化设计，穿戴舒适性不佳，测力存在损失，缺乏防护；传感装置本身不具备信号分析处理能力与通讯功能。

如图1和图2所示，现有的两种足底力测力装置的特点是均将压力传感器直接裸露在外，使用者直接踩踏，这样导致传感器与使用者鞋底的接触面积过小，造成使用者的舒适度差；使用者鞋底的一部分会与除传感器上表面外的鞋体底板面接触，由此会造成测力的损失，也容易造成力传感器的损坏。

现有的足底力测量装置都分为脚掌前部和中后部两部分，图1所示的足底力测量装置靠柔性材料联接，图2所示的足底力测量装置靠销轴联接，前后两部分可自由旋转，在穿戴者背负重物运动过程中，存在人体足底关节因活动范围大而造成损伤的风险；并且均仅对信号进行了采集与初步的处理，并没有进行步态等信息的分析，没有通讯功能。图2所示的足底力测量装置没有踝关节及测力结构；图1所示的足底力测量装置踝关节力传递结构没有考虑到踝关节的自由度，影响穿戴舒适性。

鉴于上述情况，如何研发出一种能够与下肢助力系统的小腿组件可靠配合，承载助力系统及类似装置踝关节以上部分的载荷；方便穿戴，不妨碍使用者正常行走、奔跑；有关节限位功能，保护使用者关节不受损伤；可以采集足底力并进行分析，并与其它系统通讯的足底力测量装置，对于本领域技术人员来说，是十分迫切需要努力实现的方向和目标。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是提供一种用于下肢助力系统的足底力测量装置，该装置能够与下肢助力系统的小腿组件可靠配合，承载助力系统及类似装置踝关节以上部分的载荷；方便穿戴，不妨碍使用者正常行走、奔跑；有关节限位功能，保护使用者关节不受损伤；测力面积大，测量损失小，足底舒适度好；可以采集足底力并进行分析，并与其它系统通讯。

（二）技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种用于下肢助力系统的足底力测量装置，其特征在于：

前脚掌基板与后脚掌基板通过基板销轴连接；前后导向限位架分别与前后脚掌基板均通过螺栓连接，后脚掌测力浮块、前脚掌前部测力浮块、前脚掌后部测力浮块与压力传感器分别被限制在后脚掌浮块导向限位架和后脚掌基板、前脚掌浮块导向限位架和前脚掌基板之间；踝关节支架和后脚掌基板通过足跟销轴和踝关节支架限位板连接；踝关节支架和踝关节支耳通过踝关节销轴连接，踝关节销轴限位板与踝关节支耳通过螺栓连接，踝关节销轴由踝关节销轴限位板进行径向限位；环形限位板与踝关节支耳通过螺栓连接。

其中，所述前脚掌基板和后脚掌基板配合处设置有限位结构。

其中，所述前脚掌基板正面后部有限位面A，后脚掌基板前部有限位面B，A与B组成所述限位结构，限制前脚掌基板相对后脚掌基板逆时针方向只能转动30度；前脚掌基板底面后部有限位凸椽C，后脚掌基板背面前部有限位凹槽D，C与D组成所述限位结构，使前脚掌基板相对后脚掌基板顺时针方向不能转动。

其中，所述踝关节支架限位板和踝关节支架配合处设置有限位结构。

其中，所述踝关节支架限位板有限位面E与F，它们与踝关节支架底部侧面形成所述限位结构，使踝关节支架只能绕足跟销轴在从左25度至右30度的范围内转动。

其中，所述踝关节支耳和踝关节支架配合处设置有限位结构。

其中，所述踝关节支架两侧有限位凸椽，限位凸缘有限位面G和H，踝关节支耳环形结构下端有限位凹槽，限位凹槽有限位面I和J。G、H与I、J组成所述限位结构，使踝关节支耳相对踝关节支架向前只能转动60度，向后只能转动30度。

其中，所述前脚掌前部测力浮块、前脚掌后部测力浮块与后脚掌测力浮块的底面均设置有圆柱形突起，圆柱形凸起的顶部有圆形凹槽，该凹槽底面与压力传感器的上端圆柱构成测力配合K将测力浮块受到的足底力传递给压力传感器。

其中，所述后脚掌测力浮块上表面距后脚掌浮块导向限位架上表面，前脚掌前部测力浮块、前脚掌后部测力浮块上表面距前脚掌浮块导向限位架上表面均为2mm。

（三）有益效果

与现有技术相比较，本发明具备如下有益效果：

本发明提供的足底测量装置具有较好的人机适配性，不仅满足了下肢助力系统及类似系统对足底力测力分析和负载承重的需求，而且也可集成步态分析功能，不影响使用者步态动作，保护使用者不受变形动作伤害，测力准确，承重可靠，在类似的助力系统中应用前景广阔。

附图说明

图1为现有的足底力测量装置的结构示意图；

图2为现有的足底力测量装置的结构示意图；

图3为本发明提供的用于下肢助力系统的足底力测量装置的系统总图；

图4为本发明提供的用于下肢助力系统的足底力测量装置中限位结构示意图；

图5为本发明提供的用于下肢助力系统的足底力测量装置中脚掌基板、压力传感器、测力浮块以及浮块导向限位架的配合示意图；

图6为本发明提供的用于下肢助力系统的足底力测量装置中测力区示意图；

图7为本发明提供的用于下肢助力系统的足底力测量装置中踝关节传力结构示意图；

图8为本发明提供的用于下肢助力系统的足底力测量装置中压力传感器和电路板容置槽和走线槽示意图；

图9为本发明提供的用于下肢助力系统的足底力测量装置中足底测力系统的信息交互示意图；

图10为本发明提供的用于下肢助力系统的足底力测量装置的结构示意图。

图中：1为后脚掌浮块导向限位架，2为电路板盖板，3为后脚掌测力浮块，4为后脚掌基板，5为压力传感器，6为踝关节支架限位板，7为踝关节销轴限位板，8为环形限位板，9为小腿部件测力连接器，10为踝关节支耳，11为踝关节销轴，12为踝关节支架，13为足跟销轴，14为电路板，15为基板销轴，16为前脚掌基板，17为前脚掌后部测力浮块，18为前脚掌前部测力浮块，19为前脚掌浮块导向限位架。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

如图3所示，本发明的技术原理如下：按照人体足部生理结构分为若干部分，各部分之间通过机械关节相连接；关节的自由度与人体足部关节类似，在穿戴使用时能够贴合人体运动；按照人体足底受力分布，布置压力传感器并配有传力结构；传感器将压力信号转换为电信号并通过电缆传递给信号处理系统；信号处理系统通过计算得出步态信息，并通过总线发送给外界。

如图4所示，所述前脚掌基板16正面后部有限位面A，后脚掌基板4前部有限位面B，A与B组成所述限位结构，限制前脚掌基板16相对后脚掌基板逆时针方向只能转动30度；前脚掌基板底面后部有限位凸椽C，后脚掌基板4背面前部有限位凹槽D，C与D组成所述限位结构，使前脚掌基板16相对后脚掌基板4顺时针方向不能转动。

所述踝关节支架限位板6有限位面E与F，它们与踝关节支架12底部侧面形成所述限位结构，使踝关节支架12只能绕足跟销轴13在从左25度至右30度的范围内转动。

所述踝关节支架12两侧有限位凸椽，限位凸缘有限位面G和H，踝关节支耳10环形结构下端有限位凹槽，限位凹槽有限位面I和J。G、H与I、J组成所述限位结构，使踝关节支耳10相对踝关节支架12向前只能转动60度，向后只能转动30度。

图4所示结构能够满足穿戴者正常行走奔跑时足部及踝部活动不受限制，不会因足部测力装置造成步态变形。同时，限位结构能够保护穿戴者不会因过度动作受伤。

如图5所示，所述前脚掌前部测力浮块18、前脚掌后部测力浮块17与后脚掌测力浮块3的底面均设置有圆柱形突起，圆柱形凸起的顶部有圆形凹槽，该凹槽底面与压力传感器5的上端圆柱构成测力配合K将测力浮块受到的足底力传递给压力传感器5。

测力浮块侧面与浮块导向限位架内侧面形成导向配合L，防止测力浮块在受到足底力时发生偏斜。测力浮块有台阶结构，与浮块导向限位架内侧台阶形成配合M，防止测力浮块滑落出浮块导向限位架。

所述后脚掌测力浮块3上表面距后脚掌浮块导向限位架1上表面、前脚掌前部测力浮块18、前脚掌后部测力浮块17上表面距前脚掌浮块导向限位架19上表面均为2mm，增强了浮块导向限位架对测力浮块的导向作用，并使足底力完全通过测力浮块传递给力传感器，防止了浮块导向限位架上表面与足底发生接触造成测量误差。

图5所示结构能够保证足底受力完全通过测力浮块传递至压力传感器，力损失小。导向限位结构能够保证测力浮块处于正确的位置。

如图6和图7所示，测力浮块共有3块，前脚掌基板16布置有2块（前脚掌前部测力浮块、前脚掌后部测力浮块），后脚掌基板4布置1块（后脚掌测力浮块），该布置方式能较好的反映足底受力情况，满足步态分析的要求，可以测量足底主要承力区（脚趾、跖骨、脚跟）的受力情况。受力面大，减小了测量误差。为了监测下肢助力系统小腿及以上装置和背负物的载荷变化情况，踝关节支耳10空心圆柱体底部布置有压力传感器5。压力传感器5圆柱形突起与小腿部件测力连接器9接触底部环形凹槽配合形成传力结构。环形限位板8限制了小腿部件测力连接器9的轴向自由度，但不限制其周向自由度。

如图8所示，压力传感器5布置在前后脚掌基板的圆柱形容置槽内。电路板14布置在后脚掌基板4前部容置槽内，并有密封条和电路板盖板2对其进行防护。前脚掌基板16和后脚掌基板4上留有走线槽，走线槽联通压力传感器5容置槽和电路板14容置槽，一路走线槽延伸至足根部用于引出供电和总线通讯电缆。容置槽和走线槽的布置解决了压力传感器、电路板和导线可靠固定与保护的问题。

如图9所示，电路板14为集成信号处理、分析和通讯功能的嵌入式系统，是足底测力装置的核心。左右两足底力测力装置构成足底力测力系统，两者通过总线进行信息交互，根据压力传感器采集数值进行步态与重心分析，并将分析的结果通过总线传递给其它系统。

如图10所示，本发明提供的用于下肢助力系统的足底力测量装置，前脚掌基板16与后脚掌基板4通过基板销轴15连接；前后导向限位架分别与前后脚掌基板均通过螺栓连接，后脚掌测力浮块3、前脚掌前部测力浮块18和前脚掌后部测力浮块17与压力传感器5分别被限制在后脚掌浮块导向限位架1和后脚掌基板4、前脚掌浮块导向限位架19和前脚掌基板16之间；踝关节支架12和后脚掌基板4通过足跟销轴13和踝关节支架限位板6连接；踝关节支架12和踝关节支耳10通过踝关节销轴11连接，踝关节销轴限位板7与踝关节支耳10通过螺栓连接，踝关节销轴11由踝关节销轴限位板7进行径向限位；环形限位板8与踝关节支耳10通过螺栓连接。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以进行若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种用于下肢助力系统的足底力测量装置，其特征在于：前脚掌基板(16)与后脚掌基板(4)通过基板销轴(15)连接；前后导向限位架分别与前后脚掌基板均通过螺栓连接，后脚掌测力浮块(3)、前脚掌前部测力浮块(18)、前脚掌后部测力浮块(17)与压力传感器(5)分别被限制在后脚掌浮块导向限位架(1)和后脚掌基板(4)、前脚掌浮块导向限位架(19)和前脚掌基板(16)之间；踝关节支架(12)和后脚掌基板(4)通过足跟销轴(13)和踝关节支架限位板(6)连接；踝关节支架(12)和踝关节支耳(10)通过踝关节销轴(11)连接，踝关节销轴限位板(7)与踝关节支耳(10)通过螺栓连接，踝关节销轴(11)由踝关节销轴限位板(7)进行径向限位；环形限位板(8)与踝关节支耳(10)通过螺栓连接；

所述前脚掌基板(16)和后脚掌基板(4)配合处设置有限位结构；所述前脚掌基板(16)正面后部有限位面A，后脚掌基板(4)前部有限位面B，A与B组成所述限位结构，限制前脚掌基板(16)相对后脚掌基板逆时针方向只能转动30度；前脚掌基板(16)底面后部有限位凸椽C，后脚掌基板(4)背面前部有限位凹槽D，C与D组成所述限位结构，使前脚掌基板(16)相对后脚掌基板(4)顺时针方向不能转动；

所述踝关节支架限位板(6)和踝关节支架(12)配合处设置有限位结构；所述踝关节支架限位板(6)有限位面E与F，它们与踝关节支架(12)底部侧面形成所述限位结构，使踝关节支架(12)只能绕足跟销轴(13)在从左25度至右30度的范围内转动；

所述踝关节支耳(10)和踝关节支架(12)配合处设置有限位结构；所述踝关节支架(12)两侧有限位凸椽，限位凸缘有限位面G和H，踝关节支耳(10)环形结构下端有限位凹槽，限位凹槽有限位面I和J，G、H与I、J组成所述限位结构，使踝关节支耳(10)相对踝关节支架(12)向前只能转动60度，向后只能转动30度。

2.如权利要求1所述的用于下肢助力系统的足底力测量装置，其特征在于：所述前脚掌前部测力浮块(18)、前脚掌后部测力浮块(17)与后脚掌测力浮块(3)的底面均设置有圆柱形突起，圆柱形凸起的顶部有圆形凹槽，该凹槽底面与压力传感器(5)的上端圆柱构成测力配合K将测力浮块受到的足底力传递给压力传感器(5)。

3.如权利要求1所述的用于下肢助力系统的足底力测量装置，其特征在于：所述后脚掌测力浮块(3)上表面距后脚掌浮块导向限位架(1)上表面，前脚掌前部测力浮块(18)、前脚掌后部测力浮块(17)上表面距前脚掌浮块导向限位架(19)上表面均为2mm。