CN109483522B - 一种辅助负重下肢外骨骼的足部装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种辅助负重下肢外骨骼的足部装置，包括接触板、支撑板、人体足弓机构和弹性阻尼机构；接触板上用于与人体足部完全接触；人体足弓机构设置在接触板和支撑板之间，分别与接触板和支撑板连接，用于模拟人体足弓缓冲受力；所述弹性阻尼机构安装于支撑板的下表面，用于增加足部装置的弹性阻尼。人体足弓机构包括弹性连接板、纵弓单元和横弓单元；弹性连接板位于支撑板上表面的中心位置；纵弓单元纵向连接弹性连接板和支撑板，实现模拟足部纵弓；横弓单元横向连接弹性连接板和支撑板，实现模拟足部横弓。解决了辅助负重下肢外骨骼的足部装置与地面接触产生较大冲击、降低工作效率的问题。

Description

一种辅助负重下肢外骨骼的足部装置

技术领域

本发明涉及机器人外骨骼领域，具体是一种辅助负重下肢外骨骼的足部装置。

背景技术

进入21世纪以来，关于仿人型机器人的科学研究己经成为机器人研究领域的热门研究方向。世界范围内，不同的科研机构研制了种类多样、用途各异的仿人型机器人，并在协助或者代替人类进行生活生产上发挥着举足轻重的作用。然而，在实际使用过程中却伴随着诸多问题。比如，机器人是由之前设定的程序进行操作执行，不会预判，不能够像人类那样遇到突发事件时候能够随机应变，因而很难大面积的量产投入实际使用中。为了克服这个问题，有科学家提出穿戴式机器人，可以倚托于人体肢体和关节，随着人体运动而运动；动作上，能够随同人体的动作同步运动；能量上，能够帮助人体减轻载荷，将相当部分的载荷转移到机器人身上。在此背景下，科学界开始着力研制一款人机交互，优劣互补有效结合的外骨骼装置，这就是下肢动力外骨骼机器人。

现有外骨骼经常在高负重情况下工作，其足部与地面接触时会产生较大的冲击，双脚一定会感到疲惫，降低使用者的舒适性，无法保持速度和耐力，同时会冲击脊柱和大脑，对健康造成损伤，并且这种冲击会降低工作效率。目前，国内外的外骨骼的足部结构仅为一块板，与地面接触会产生较大冲击，均未涉及到足部关节的舒适性研究，对于足部的设计不够完善。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种辅助负重下肢外骨骼的足部装置。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种辅助负重下肢外骨骼的足部装置，其特征在于该足部装置包括接触板、支撑板、人体足弓机构和弹性阻尼机构；所述人体足弓机构设置在接触板和支撑板之间，分别与接触板和支撑板连接；所述弹性阻尼机构安装于支撑板的下表面；

所述人体足弓机构包括弹性连接板、纵弓单元和横弓单元；所述弹性连接板上表面与接触板连接，位于支撑板上表面；所述纵弓单元用于纵向连接弹性连接板和支撑板；所述横弓单元用于横向连接弹性连接板和支撑板。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

(1)人体足弓机构设置在接触板和支撑板之间，既能够模仿人体纵弓与横弓，缓和冲击与振动，在受力时吸收能量，以弹性势能的形式存储起来并提供给下一步运动，减小人体转矩，提高工作效率；又能够将接触板压紧贴合于足底，增大足底接触面积，减小足底压力值，提高舒适性；

弹力板上具有凹槽，用于调整连接处的刚度。

(2)所述弹性阻尼机构安装于支撑板的下表面，用于增加足部装置的弹性阻尼；包括对应于人体脚趾位置的第一弹性阻尼块、对应于人体掌跖前部位置的掌跖前部弹性阻尼块和对应于人体足跟位置的足跟弹性阻尼块；

掌跖前部弹性阻尼块和足跟弹性阻尼块均由两个横向均布的弹性阻尼块组成，使得着地平稳；

弹性阻尼机构的弹力链用于增大支撑面积，来自支撑板的压力由弹性阻尼块和弹力链共同支撑。

(3)接触板在行走过程中充分释放足底的自由度，增加行走舒适度；包括四个弹性受力块，分别模拟人体的脚趾、掌跖前部、足心和足跟的形状，用于与人体足部完全接触。

附图说明

图1为本发明一种实施例的整体结构立体示意图；

图2为本发明一种实施例的整体机构剖视示意图；

图3为本发明一种实施例的接触板的立体示意图；

图4为本发明一种实施例的支撑板与人体足弓机构连接的俯视角立体图；

图5为本发明一种实施例的支撑板与人体足弓机构连接的仰视角立体图；

图6为本发明一种实施例的增弹块的结构示意图；

图7为本发明一种实施例的弹力链的结构示意图；

图8为本发明一种实施例的支撑板与弹性阻尼机构连接的结构示意图。

图中：1-接触板；2-支撑板；3-人体足弓机构；4-弹性阻尼机构；

11-足部柔性机构；12-凹部；13-弹性薄板；14-第一弹性受力块；15-第二弹性受力块；16-第三弹性受力块；17-第四弹性受力块；

31-弹性连接板；32-纵弓单元；33-横弓单元；321-第一纵向弹力板；322- 第二纵向弹力板；323-第一凹槽；324-第二凹槽；325-第三凹槽；326-第四凹槽； 331-第一横向弹力板；332-第二横向弹力板；333-第一连接部；334-第二连接部； 335-第一增弹块；336-第一弹力链；337-第二增弹块；338-第二弹力链；339-第五凹槽；3310-第六凹槽；3311-第七凹槽；3312-第八凹槽；

41-第一弹性阻尼块；42-第二弹性阻尼块；43-第三弹性阻尼块；44-第四弹性阻尼块；45-第五弹性阻尼块；46-第三弹力链；47-第四弹力链；48-橡胶层； 49-摩擦部。

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供了一种辅助负重下肢外骨骼的足部装置(简称足部装置，参见图1-8)，其特征在于该足部装置包括接触板1、支撑板2、人体足弓机构3和弹性阻尼机构4；所述人体足弓机构3设置在接触板1和支撑板2之间，分别与接触板1和支撑板2连接；接触板1用于与人体足部完全接触，在行走过程中充分释放足底的自由度，增加行走舒适度；人体足弓机构3既能够模仿人体纵弓与横弓，缓和冲击与振动，在受力时吸收能量，以弹性势能的形式存储起来并提供给下一步运动，减小人体转矩，提高工作效率；又能够将接触板1压紧贴合于足底，增大足底接触面积，减小足底压力值，提高舒适性；所述弹性阻尼机构4安装于支撑板2的下表面，用于增加足部装置的弹性阻尼。

所述接触板1包括足部柔性机构11与凹部12；所述足部柔性机构11的两端安装于凹部12内部；

所述足部柔性机构11包括弹性薄板13、第一弹性受力块14、第二弹性受力块15、第三弹性受力块16和第四弹性受力块17；所述第一弹性受力块14、第二弹性受力块15、第三弹性受力块16和第四弹性受力块17依次安装于弹性薄板13上，弹性薄板13的两端安装于凹部12内部；所述第一弹性受力块14 对应于人体脚趾位置，根据脚趾的形状设置第一弹性受力块14的形状；所述第二弹性受力块15对应于人体掌跖前部位置，根据掌跖前部的形状设置第二弹性受力块15的形状；所述第三弹性受力块16对应于人体足心位置，根据足心的形状设置第三弹性受力块16的形状；所述第四弹性受力块17对应于人体足跟位置，根据足跟的形状设置第四弹性受力块17的形状；所述弹性薄板13用于改变相邻弹性受力块之间的刚度。

所述人体足弓机构3包括弹性连接板31、纵弓单元32和横弓单元33；所述弹性连接板31位于支撑板2上表面的中心位置，上表面与接触板1的凹部12 胶接或螺纹连接；所述纵弓单元32沿弹性连接板31纵向布置，用于纵向连接弹性连接板31和支撑板2，实现模拟足部纵弓；所述横弓单元33沿弹性连接板 31横向布置，用于横向连接弹性连接板31和支撑板2，实现模拟足部横弓；

所述纵弓单元32包括第一纵向弹力板321和第二纵向弹力板322；所述第一纵向弹力板321沿弹性连接板31纵向倾斜，一端与弹性连接板31的一端连接，另一端与支撑板2的上表面连接；所述第二纵向弹力板322沿弹性连接板 31纵向倾斜，一端与弹性连接板31的另一端连接，另一端与支撑板2的上表面连接；

所述第一纵向弹力板321上设置有第一凹槽323和第二凹槽324；所述第二纵向弹力板322上设置有第三凹槽325和第四凹槽326；所述第一凹槽323设置在第一纵向弹力板321与弹性连接板31连接处，第二凹槽324设置在第一纵向弹力板321与支撑板2连接处，第三凹槽325设置在第二纵向弹力板322与弹性连接板31连接处，第四凹槽326连接在第二纵向弹力板322与支撑板2连接处，用于调整第一纵向弹力板321和第二纵向弹力板322的连接处的刚度。

所述横弓单元33包括第一横向弹力板331、第二横向弹力板332、第一连接部333和第二连接部334；所述第一横向弹力板331沿弹性连接板31横向倾斜，一端与弹性连接板31的一端连接，另一端通过第一连接部333与支撑板2 的侧壁连接；所述第二横向弹力板332沿弹性连接板31横向倾斜，一端与弹性连接板31的另一端连接，另一端通过第二连接部334与支撑板2的侧壁连接；

所述第一连接部333包括第一增弹块335和第一弹力链336；所述第一增弹块335一端与第一横向弹力板331一端连接，另一端与第一弹力链336一端连接，第一弹力链336另一端与支撑板2的侧壁连接；所述第二连接部334包括第二增弹块337和第二弹力链338；所述第二增弹块337一端与第二横向弹力板 332一端连接，另一端与第二弹力链338一端连接，所述第二弹力链338另一端与支撑板2的侧壁连接。

所述第一横向弹力板331上设置有第五凹槽339和第六凹槽3310；所述第二横向弹力板332上设置有第七凹槽3311和第八凹槽3312；所述第五凹槽339 设置在第一横向弹力板331与弹性连接板31连接处，第六凹槽3310设置在第一横向弹力板331与第一连接部333连接处，第七凹槽3311设置在第二横向弹力板332与弹性连接板31连接处，第八凹槽3312设置在第二横向弹力板332 与第二连接部334连接处，用于调整第一横向弹力板331和第二横向弹力板332 的连接处的刚度。

所述弹性阻尼机构4包括第一弹性阻尼块41、掌跖前部弹性阻尼块和足跟弹性阻尼块；所述第一弹性阻尼块41、掌跖前部弹性阻尼块和足跟弹性阻尼块依次安装于支撑板2的下表面；所述第一弹性阻尼块41对应于人体脚趾位置；所述掌跖前部弹性阻尼块对应于人体掌跖前部位置；所述足跟弹性阻尼块对应于人体足跟位置；

优选地，掌跖前部弹性阻尼块由第二弹性阻尼块42和第三弹性阻尼块43 组成，沿人体掌跖前部横向均布；足跟弹性阻尼块由第四弹性阻尼块44和第五弹性阻尼块45组成，沿人体足跟横向均布；人体行走过程中足跟先着地受力，由于地面的不平以及用力的习惯，使得内外侧的受力不均匀，将足跟弹性阻尼块设置成两个弹性阻尼块，使得着地平稳；随着压力的前移，掌跖前部开始受力，足部内外侧不对称，受力不均匀，所以将掌跖前部弹性阻尼块设置成两个弹性阻尼块，便于调整步态；压力继续前移，大拇脚指受力，因此设置第一弹性阻尼块41。

优选地，弹性阻尼机构4还包括弹力链；所述弹力链的两端分别倾斜连接在掌跖前部弹性阻尼块和支撑板2上；弹力链包括第三弹力链46和第四弹力链 47；所述第三弹力链46的两端分别倾斜连接在第二弹性阻尼块42和支撑板2 上，第四弹力链47的两端分别倾斜连接在第三弹性阻尼块43和支撑板2上。弹力链用于增大支撑面积，来自支撑板2的压力由弹性阻尼块和弹力链共同支撑；

优选地，第一弹性阻尼块41、掌跖前部弹性阻尼块和足跟弹性阻尼块的下端面均设置有橡胶层48，橡胶层48设置有摩擦部49，用于增大弹性阻尼机构4 与地面接触的摩擦力；优选地，摩擦部49为凸起块。

本发明的工作原理和工作流程是：

人体足部放置于接触板1上，在人体行走过程中，左脚足跟先着地这时右脚还未完全离地，足部压力的一部分通过横弓单元33的柔性移动副第一连接部 333和第二连接部334传导至支撑板2，足部压力的另一部分通过纵弓单元32 的柔性移动副第一纵向弹力板321和第二纵向弹力板322传导至支撑板2，支撑板2受力，进而第四弹性阻尼块44和第五弹性阻尼块45压缩，承受左脚的压力。

随着前行，右脚逐渐离地，左脚受到压力越来越大，第二弹性阻尼块42、第三弹性阻尼块43、第四弹性阻尼块44和第五弹性阻尼块45同时受压缩，因为足跟弹性阻尼块先被压缩，而掌跖前部弹性阻尼块还未被压缩，直接落地时会使得掌跖前部弹性阻尼块与地面接触面较小，使得落地不平稳；足部压力的一部分通过横弓单元33的柔性移动副第一连接部333和第二连接部334传导至支撑板2，足部压力的另一部分通过纵弓单元32的柔性移动副第一纵向弹力板 321和第二纵向弹力板322传导至支撑板2，支撑板2受力，横弓单元33使得支撑板2发生一定的弯曲，通过第三弹力链46和第四弹力链47推动第四弹性阻尼块44和第五弹性阻尼块45向前运动，使得第四弹性阻尼块44和第五弹性阻尼块45更能适应步态，贴合地面，着陆平稳。

继续前行，第二弹性阻尼块42和第三弹性阻尼块43受压缩，第四弹性阻尼块44和第五弹性阻尼块45将储存的弹性势能逐步释放，第一弹性阻尼块41 逐渐受压缩。

最后，第四弹性阻尼块44和第五弹性阻尼块45恢复，第二弹性阻尼块42 和第三弹性阻尼块43将储存的弹性势能逐步释放而渐渐恢复，最终完全恢复；第一弹性阻尼块41逐渐恢复，直至左脚完全脱离地面。

使用者继续前行，左右脚重复上述步骤。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (9)

1.一种辅助负重下肢外骨骼的足部装置，其特征在于该足部装置包括接触板、支撑板、人体足弓机构和弹性阻尼机构；所述人体足弓机构设置在接触板和支撑板之间，分别与接触板和支撑板连接；所述弹性阻尼机构安装于支撑板的下表面；

所述人体足弓机构包括弹性连接板、纵弓单元和横弓单元；所述弹性连接板上表面与接触板连接，位于支撑板上表面；所述纵弓单元用于纵向连接弹性连接板和支撑板；所述横弓单元用于横向连接弹性连接板和支撑板；

所述纵弓单元包括第一纵向弹力板和第二纵向弹力板；所述第一纵向弹力板一端与弹性连接板的一端连接，另一端与支撑板的上表面连接；所述第二纵向弹力板一端与弹性连接板的另一端连接，另一端与支撑板的上表面连接。

2.根据权利要求1所述的辅助负重下肢外骨骼的足部装置，其特征在于所述第一纵向弹力板上设置有第一凹槽和第二凹槽；所述第二纵向弹力板上设置有第三凹槽和第四凹槽；所述第一凹槽设置在第一纵向弹力板与弹性连接板连接处，第二凹槽设置在第一纵向弹力板与支撑板连接处，第三凹槽设置在第二纵向弹力板与弹性连接板连接处，第四凹槽连接在第二纵向弹力板与支撑板连接处。

3.根据权利要求1所述的辅助负重下肢外骨骼的足部装置，其特征在于所述横弓单元包括第一横向弹力板、第二横向弹力板、第一连接部和第二连接部；所述第一横向弹力板一端与弹性连接板的一端连接，另一端通过第一连接部与支撑板的侧壁连接；所述第二横向弹力板一端与弹性连接板的另一端连接，另一端通过第二连接部与支撑板的侧壁连接。

4.根据权利要求3所述的辅助负重下肢外骨骼的足部装置，其特征在于所述第一连接部包括第一增弹块和第一弹力链；所述第一增弹块一端与第一横向弹力板一端连接，另一端与第一弹力链一端连接，第一弹力链另一端与支撑板的侧壁连接；所述第二连接部包括第二增弹块和第二弹力链；所述第二增弹块一端与第二横向弹力板一端连接，另一端与第二弹力链一端连接，所述第二弹力链另一端与支撑板的侧壁连接。

5.根据权利要求3所述的辅助负重下肢外骨骼的足部装置，其特征在于所述第一横向弹力板上设置有第五凹槽和第六凹槽；所述第二横向弹力板上设置有第七凹槽和第八凹槽；所述第五凹槽设置在第一横向弹力板与弹性连接板连接处，第六凹槽设置在第一横向弹力板与第一连接部连接处，第七凹槽设置在第二横向弹力板与弹性连接板连接处，第八凹槽设置在第二横向弹力板与第二连接部连接处。

6.根据权利要求1所述的辅助负重下肢外骨骼的足部装置，其特征在于所述接触板包括足部柔性机构与凹部；所述足部柔性机构的两端安装于凹部内部；

所述足部柔性机构包括弹性薄板、第一弹性受力块、第二弹性受力块、第三弹性受力块和第四弹性受力块；所述第一弹性受力块、第二弹性受力块、第三弹性受力块和第四弹性受力块依次安装于弹性薄板上，弹性薄板的两端安装于凹部内部；所述第一弹性受力块对应于人体脚趾位置，根据脚趾的形状设置第一弹性受力块的形状；所述第二弹性受力块对应于人体掌跖前部位置，根据掌跖前部的形状设置第二弹性受力块的形状；所述第三弹性受力块对应于人体足心位置，根据足心的形状设置第三弹性受力块的形状；所述第四弹性受力块对应于人体足跟位置，根据足跟的形状设置第四弹性受力块的形状；所述弹性薄板用于改变相邻弹性受力块之间的刚度。

7.根据权利要求1所述的辅助负重下肢外骨骼的足部装置，其特征在于所述弹性阻尼机构包括第一弹性阻尼块、掌跖前部弹性阻尼块和足跟弹性阻尼块；所述第一弹性阻尼块、掌跖前部弹性阻尼块和足跟弹性阻尼块依次安装于支撑板的下表面；所述第一弹性阻尼块对应于人体脚趾位置；所述掌跖前部弹性阻尼块对应于人体掌跖前部位置；所述足跟弹性阻尼块对应于人体足跟位置。

8.根据权利要求7所述的辅助负重下肢外骨骼的足部装置，其特征在于掌跖前部弹性阻尼块由第二弹性阻尼块和第三弹性阻尼块组成，沿人体掌跖前部横向均布；足跟弹性阻尼块由第四弹性阻尼块和第五弹性阻尼块组成，沿人体足跟横向均布；

弹力链的两端分别倾斜连接在掌跖前部弹性阻尼块和支撑板上；弹力链包括第三弹力链和第四弹力链；所述第三弹力链的两端分别倾斜连接在第二弹性阻尼块和支撑板上，第四弹力链的两端分别倾斜连接在第三弹性阻尼块和支撑板上。

9.根据权利要求7所述的辅助负重下肢外骨骼的足部装置，其特征在于第一弹性阻尼块、掌跖前部弹性阻尼块和足跟弹性阻尼块的下端面均设置有橡胶层，橡胶层设置有摩擦部。

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