CN111096874B - 一种足部平衡机构及助力支架和轻便助力设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种足部平衡机构及助力支架和轻便助力设备，包括下支架，上支架及鞋底；下支架包括左立板、右立板以及足底板；左立板、右立板均竖立设置于鞋底两侧，并且上端均延伸至穿戴者脚踝附近，下端通过足底板固定连接；足底板设置于鞋底的脚腰处，并且与鞋底固定联接。采用拉索驱动方式为穿戴者下肢提供助力，能够实现重量较大的动力系统转移至穿戴者腰背部，大大减小了下肢重量及惯量，使得穿戴者下肢更加灵活轻便，从而可以支持穿戴者在使用本发明装置时动作更为灵活、敏捷、舒适。采用本发明足部平衡机构穿戴者在背负重物行走时，平衡性好、抓地性能佳，穿戴体验好。

Description

一种足部平衡机构及助力支架和轻便助力设备

技术领域

本发明涉及可穿戴设备及外骨骼，更具体地说是指一种足部平衡机构及助力支架和轻便助力设备。

背景技术

人类在日常工作生活中常常遇到希望增强人体腿部力量的情况，可穿戴外骨骼机器人是满足这一类应用的装置，尤其是带有动力的下肢助力外骨骼机器人；但现有技术中这类装置通常比较笨重，如专利200680006514.1、专利200780027195.7均披露了这类技术，采用该技术的装置用户穿戴体验不佳。

现有技术中，有专门针对膝关节进行助力的装置，这类装置针对上述笨重设备进行大幅度裁剪，从而可以大大减轻设备重量，专利US9532894B2披露了一种膝关节助力的技术，其采用较为轻便的助力设备实现对穿戴者下肢的助力，用户穿戴体验有较大改善；但这类技术也存在较为明显的缺陷：其动力装置放置在膝关节处，动力装置包含的电机、减速机及相关传动机构会带来重量，动力装置的重量增加穿戴者腿部重量和惯量，此类装置髋关节不带有助力，穿戴者在抬腿时或上楼时会感觉不适，造成长时间穿戴体验不佳；此外，此类装置自身重量全部需要穿戴者来承担，长时间穿戴会增加穿戴者负担，体验不好。

现有技术中，足部机构多采用单侧支撑的方式，如专利200680006514.1就披露在外侧支撑外骨骼及其负重的足部机构，这种实现方式在穿戴者运动时难以把握平衡，体验不好；此外，足底压力传感实现方式也是一个难题，现有方案中采用的实现方案不简便、重量较大，影响穿戴体验，如专利200680006514.1采用油压管的方式来实现足底压力检测，这种方式难以覆盖穿戴者全部足底，容易测量不稳定，使得足底结构复杂、重量大，穿戴体验不佳。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种足部平衡机构及助力支架和轻便助力设备。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种足部平衡机构，包括下支架，上支架及鞋底；所述下支架包括左立板、右立板以及足底板；所述左立板、右立板均竖立设置于鞋底两侧，并且上端均延伸至穿戴者脚踝附近，下端通过足底板固定连接；所述足底板设置于鞋底的脚腰处，并且与鞋底固定联接；所述上支架设置于穿戴者脚踝附近，并且一端与左立板旋转联接，另一端与右立板旋转联接。

进一步技术方案：所述左立板与右立板均从穿戴者脚腰向前延伸至穿戴者脚掌前部，并在穿戴者脚掌弯曲处向上翘曲，形成翘曲船头结构，以使穿戴者踮起脚尖时，左立板、右立板与触地接触。

进一步技术方案：所述上支架与下支架的旋转联接处设有旋转限位部；所述下支架于上支架旋转的方向上设有下支架限位块；所述支架限位块用于止抵旋转限位部，以限制上支架的转动。

进一步技术方案：所述旋转限位部包括逆时针限位部和顺时针限位部；所述逆时针限位部和顺时针限位部形成V型结构；所述下支架限位块位于V型结构内。

进一步技术方案：还包括设置于穿戴者鞋底上表面的足底压力传感器；所述足底压力传感器包括气鞋垫及气压传感器；

所述气鞋垫设于鞋底上表面；所述气压传感器设置于气鞋垫内；所述气鞋垫受到穿戴者的足部挤压，其内部气压产生变化，所述气压传感器感知气压变化，进而检测穿戴者足底对鞋底的压力。

进一步技术方案：还包括与气鞋垫相互联通的气囊；所述气囊通过设有的导气管与气鞋垫密封联通。

一种助力支架，包括腰背机构、髋关节机构、膝关节机构、大腿杆、小腿杆及足部机构，所述腰背结构包括背板和腰板，所述背板和腰板固定连接；所述腰板环绕于穿戴者腰部，所述髋关节机构上端与所述腰板固连，下端旋转联接于大腿杆；所述膝关节机构设有膝关节转轮，其与所述大腿杆下端旋转联接；所述小腿杆上端传动联接所述膝关节转轮，下端联接所述足部机构；所述足部机构采用上述的足部平衡机构。

进一步技术方案：所述小腿杆主体部分设置于穿戴者小腿前部，其上端为弧形结构，且弧形结构绕过穿戴者小腿以使与膝关节转轮外侧联接。

进一步技术方案：所述上支架与小腿杆之间设有小腿杆联接块；

所述上支架与小腿杆联接块旋转联接，且旋转轴与穿戴者的冠状面垂直；所述小腿杆与小腿杆联接块于竖直方向上旋转联接；

或，所述上支架与小腿杆联接块于竖直方向上旋转联接；所述小腿杆与小腿杆联接块旋转联接，且旋转轴与穿戴者的冠状面垂直。

一种轻便助力设备，包括动力系统及人机连接系统；还包上述助力支架；所述动力系统包括拉索驱动动力装置及设于拉索驱动动力装置动力输出端的拉索；所述拉索驱动动力装置通过拉索与助力支架传动联接。

进一步技术方案：所述人机连接系统包括背部绑带、腰部绑带、大腿绑带、小腿绑带、足部绑带；所述背部绑带、腰部绑带与所述腰背机构固定；所述大腿绑带、小腿绑带、足部绑带分别与所述大腿杆、小腿杆、足部机构固定；所述拉索驱动动力装置固定于所述腰背机构；所述髋关节机构设有髋关节惰轮；所述拉索绕过所述髋关节惰轮，延伸至膝关节转轮并与其固定联接。

进一步技术方案：还包括传感控制系统和能源系统；所述能源系统为电池，其为所述传感控制系统和动力系统供电；所述传感控制系统包括拉索张力传感器和/或膝关节角度传感器和/或髋关节角度传感器、所述的足底压力传感器及主控单元；所述拉索张力传感器设置于所述拉索驱动动力装置或其延伸结构上，用以测量所述拉索的张力大小；所述膝关节角度传感器置于所述膝关节机构，用于测量大腿杆与小腿杆相对角度；所述髋关节角度传感器设置于髋关节机构内，用于测量腰部连接段与大腿杆的相对角度。

进一步技术方案：所述控制单元不断采集所述传感控制系统的数据，根据所述足底压力传感器压力值是否达到设定门限、以及所述惯性传感器相关传感值是否达到设定门限，以判断穿戴者下肢是处于触地支撑状态或是处于摆动状态；

当判断穿戴者下肢处于触地支撑状态，则根据传感控制系统所感知穿戴者姿态并设定给力目标值，驱动所述动力系统收紧拉索以提供扭矩，以使拉索张力传感器测量值达到设定值，从而使穿戴者缓冲关节冲击力或支撑身体重量；当判断穿戴者下肢处于摆动状态时，则根据所述膝关节角度传感器及髋关节角度传感器的测量值计算拉索放出长度设定值，驱动所述动力系统根据放出拉索，使得所述编码器机构测量值达到设定值。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

本发明基于拉索驱动动力装置的动力系统，采用拉索传动的方式输出动力，从而可以将动力装置上移至穿戴者腰背部，减轻腿部重量及惯量，达到提高穿戴灵活性、机动性的目的。本发明足部平衡机构承力平衡稳定，在穿戴者抬起脚跟时仍然可以提供支撑力。其上带有的基于气压鞋垫的足底压力传感器轻薄舒适，穿戴体验好。基于上述足部平衡机构的拉索驱动轻便助力设备，集成传感器多，能同时感知穿戴者运动姿态和动力系统状况，从而可以智能地针对穿戴者运动姿态控制所述动力系统拉紧或放松拉索，拉紧拉索时为穿戴者提供助力支持，放松拉索时允许穿戴者下肢自由摆动，本发明简化助力设备控制、提升穿戴者体验、降低成本并提高系统可靠性。

本发明的拉索驱动轻便助力设备结构轻便、紧凑贴身、集成度高。采用拉索驱动方式为穿戴者下肢提供助力，能够实现重量较大的动力系统转移至穿戴者腰背部，大大减小了下肢重量及惯量，使得穿戴者下肢更加灵活轻便，从而可以支持穿戴者在使用本发明装置时动作更为灵活、敏捷、舒适。采用本发明所述足部平衡机构穿戴者在背负重物行走时，平衡性好、抓地性能佳，穿戴体验好。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

附图说明

图1为本发明一种足部平衡机构实施例主视示意图；

图2为本发明一种足部平衡机构的足底板与鞋底固定联接示意图；

图3为本发明一种足部平衡机构实施例去掉气鞋垫后俯视示意图；

图4为本发明一种足部平衡机构实施例后视示意图；

图5为本发明一种足部平衡机构实施例下支架后视示意图；

图6为本发明一种足部平衡机构的足底压力传感器实施例1示意图；

图7为本发明一种足部平衡机构的足底压力传感器实施例2示意图；

图8为采用本发明所述的足部平衡机构拉索驱动轻便助力设备穿戴使用示意图；

图9为本发明动力系统实施例示意图；

图10为本发明动力系统B-B剖面示意图；

图11为本发明髋关节机构示意图；

图12为本发明膝关节机构示意图。

附图标记如下：

1—动力系统；1A—电机；1A1—定子外壳；1A11—定子环状凸起；1A111—定子中心通孔；1A12—定子凹腔；1A2—转子；1A21—转子环状凸起；1A211—转子中心通孔；1A3—定子线圈；1A4—电机轴承；1B—减速机构；1B1—钢轮；1B11—钢轮连接板；1B2—旋转轮；1B21—旋转轮连接板；1B3—减速发生器；1C—拉索驱动机构；1C1—承力轴承；1C2—拉索驱动轮；1C21—拉索驱动轮凹槽；1D—编码器机构；1D1—中心梁；1D11—中心梁锁紧螺丝；1D2—第一磁体；1D3—第一磁场感应电路；1E—拉索；1E1—拉索固定端；1E2—第一拉索套管；1E3—第一拉索套管上端固定端；

2—助力骨架；2A—腰背机构；2A1—主腰板；2A14—腰后延伸板；2A2—活动腰板；2A21—第二轴线；2A3—背板；2B—髋关节机构；2B1—髋腰连接段；2B2—髋腿连接段；2B3—髋关节轴；2B4—主惰轮；2B5—行星惰轮；2B6—髋第一拉索套管固定头；2B7—髋第二拉索套管固定头；2C—膝关节机构；2C1—膝关节转轮；2C2—膝关节轴；2D—大腿杆；2D1—第二拉索套管；2D2—大腿杆下端拉索套管固定头；2E—小腿杆；2E1—小腿膝转接板；2E2—小腿前杆；2F—足部机构；2F1—下支架；2F11L—左立板；2F11L1—左立板翘曲船头；2F11R—右立板；2F11R1—右立板翘曲船头；2F12—足底板；2F13—矢状面垂直轴线；2F14L—左立板旋转轴；2F14R—右立板旋转轴；2F15—下支架限位块；2F2—上支架；2F21—冠状面垂直轴线；2F22—逆时针限位部；2F23—顺时针限位部；2F3—小腿杆联接块；2F31—竖直轴线；

3—人机连接系统；3A—背部绑带；3B—腰部绑带；3C—大腿绑带；3C1—大腿上绑带；3C2—大腿下绑带；3D—小腿绑带；3D1—小腿上绑带；3D2—小腿护壳；3E—足部绑带；3F—鞋底；3F1—足弓空腔；

4—传感控制系统；4A—拉索张力传感器；4A1—力感应梁；4A2—力感应片；4A3—施力惰轮；4B—膝关节角度传感器；4B1—第二磁体；4B2—第二磁场感应电路；4C—髋关节角度传感器；4C1—第三磁体；4C2—第三磁场感应电路；4D—大腿惯性传感器；4E—小腿惯性传感器；4F—足底压力传感器；4F1—气鞋垫；4F2—导气管；4F3—气囊；4F4—气压传感器；4F5—传感器导线；4G—足底惯性传感器；4H—主控单元；

5—能源系统。

具体实施方式

为了更充分理解本发明的技术内容，下面结合具体实施例对本发明的技术方案进一步介绍和说明，但不局限于此。

图1至图5为一种足部平衡机构实施例：

一种足部平衡机构，如图1和2所示，包括下支架2F1和上支架2F2，所述下支架2F1如图5所示，包括左立板2F11L、右立板2F11R以及足底板2F12组成。所述左立板2F11L、右立板2F11R均竖立设置于鞋底两侧，其上端延伸至穿戴者脚踝附近且分别带有左立板旋转轴2F14L和右立板旋转轴2F14R，其下端通过足底板2F12联接。如图2所示，足底板2F12设置于穿戴者鞋底3F的脚腰处，容纳于穿戴者鞋底3F凹起的足弓空腔3F1与地面之间，并且与穿戴者鞋底3F的脚腰部分固定联接。上支架2F2两端分别通过所述左立板旋转轴2F14L和右立板旋转轴2F14R与所述左立板2F11L和右立板2F11R旋转联接，所述旋转联接基于垂直于矢状面的轴线2F13旋转。

优选的，上支架2F2为U型结构或其它的弧形结构，用于环绕在穿戴者的脚踝处。

图2、图3所示为所述鞋底3F与所述足底板2F12联接示意，所述足底板2F12设置于所述鞋底3F下面脚腰凹起的足弓空腔3F1内，通过铆钉或线与所述鞋底3F紧密固定。

如图1、图3、图4、图5所示，所述左立板2F11L和右立板2F11R从穿戴者鞋底3F脚腰附近向前延伸至穿戴者脚掌前部，并在穿戴者脚掌弯曲处开始向上翘曲，形成左侧翘曲船头结构2F11L1和右侧翘曲船头结构2F11R1，以使得所述足部机构2F在穿戴者踮起脚尖时，左立板2F11L和右立板2F11R仍能触地并支撑其承载的负重。

如图1所示，所述的左立板2F11L和右立板2F11R在旋转联接处带有下支架限位块2F15。旋转限位部包括逆时针限位部2F22和顺时针限位部2F23，且二者形成V型结构，且下支架限位块2F15位于V型结构内，以使得上支架2F2往两侧转动一定的角度后，逆时针限位部2F22和顺时针限位部2F23触碰到下支架限位块2F15。所述上支架2F2两端均带有逆时针限位部2F22和顺时针限位部2F23，当上支架2F2相对下支架2F1逆时针旋转一定角度时，所述逆时针限位部2F22与下支架限位块2F15接触并被其阻止继续旋转，当上支架2F2相对下支架2F1顺时针旋转一定角度时，所述顺时针限位部2F23与下支架限位块2F15接触并被其阻止继续旋转。下支架限位块2F15限制所述上支架2F2相对下支架2F1旋转范围以保护穿戴者且在踝关节处传递力矩。

所述下支架限位块2F15带有弹性缓冲材料以缓解接触冲击，所述弹性缓冲材料包括橡胶、聚氨酯、尼龙。

所述上支架2F2顶端位于穿戴者足背上方，且与所述小腿杆联接块2F3基于冠状面垂直轴线2F21旋转联接，所述小腿杆联接块2F3基于竖直轴线2F31与所述小腿前杆2E2(如图7)旋转联接。具体的，上支架2F2与小腿杆联接块2F3于水平方向上(垂直于冠状面方向)旋转联接，小腿杆2E2与小腿杆联接块2F3于垂直方向上旋转联接，以使得小腿杆2E2相对于上支架2F2能在两个自由度相对转动。

于其他实施例中，所述上支架2F2与小腿杆联接块2F3于垂直方向上旋转联接。小腿杆2E2与小腿杆联接块2F3于水平方向(垂直于冠状面方向)上旋转联接。

如图1、图2、图4、图6、图7所示，所述足部机构2F带有足底压力传感器4F，所述足底压力传感器4F设置于所述鞋底3F(优选的，鞋底3F为橡胶鞋底)之上，穿戴者足部之下。足底压力传感器4F构成如图6所示，所述足底压力传感器4F包括气鞋垫4F1、导气管4F2、气囊4F3、气压传感器4F4以及传感器导线4F5。

气鞋垫4F1、导气管4F2、气囊4F3相互联通且密封在一起，所述气压传感器4F4设置于所述气囊4F3内，传感器导线4F5与气压传感器4F4电连接。所述传感器导线4F5穿过气囊4F3内壁与所述主控单元4G电连接。所述传感器导线4F5与气囊4F3壁填充胶以保持密封。气鞋垫4F1较薄且柔软，难以容纳所述气压传感器4F4，采用导气管引出到气囊4F3的方式解决上述问题、简便易行，所述气囊4F3设置于所述左立板2F11L或右立板2F11R上。

图7为足底压力传感器4F另一实施例，与图6不同，所述气压传感器4F4直接放置于所述气鞋垫4F1的脚腰内，所述传感器导线4F5电连接所述气压传感器4F4，其与所述气鞋垫4F1壁填充胶以保持密封。此实施例适用于所述气压传感器4F4比较轻薄的情况。

当穿戴者足部踩在所述气鞋垫4F1之上时，所述气鞋垫4F1内部气压增加，与其连通的所述气囊4F3内部气压也增加，则设置在气鞋垫4F1或气囊4F3内的气压传感器4F4则可以感知气压的变化，从而可以感知穿戴者足底与地面之间压力的大小。

采用所述平衡足底机构2F的助力骨架实施例如图8所示。

所述助力骨架2包括腰背机构2A、髋关节机构2B、膝关节机构2C、大腿杆2D、小腿杆2E和足部机构2F。所述腰背机构2A包括背板2A3、主腰板2A1和活动腰板2A2。所述背板2A3和主腰板2A1活动联接，所述背板2A3设置于穿戴者背部。所述主腰板2A1与所述活动腰板2A2旋转联接，其环绕于穿戴者腰部。

如图11所示，髋关节机构2B包括髋腰连接段2B1、髋腿连接段2B2以及髋关节轴2B3。所述髋腰连接段2B1上端与所述活动腰板2A2固联，其下端通过所述髋关节轴2B3与所述髋腿连接段2B2上端旋转连接。所述髋腿连接段2B2下端传动联接于所述大腿杆2D。

如图12所示，膝关节机构2C包括膝关节转轮2C1及膝关节轴2C2。所述膝关节转轮2C1与所述大腿杆2D下端通过膝关节轴2C2旋转联接。小腿杆2E包括小腿膝关节转接板2E1及小腿前杆2E2。所述小腿膝关节转接板2E1带有弧形旋转弯曲，其上端与位于穿戴者膝关节外侧的膝关节转轮2C1传动联接，其下端旋转弯曲至穿戴者小腿前方，与设置于穿戴者小腿前方的所述小腿前杆2E2传动联接。小腿前杆2E2下端旋转联接所述足部平衡机构2F，所述足部平衡机构2F下端支撑到地面。

具体的，小腿杆主体部分(即小腿膝关节转接板2E1)设置于穿戴者小腿前部，其上端为弧形结构，且弧形结构绕过穿戴者小腿以使与膝关节转轮2C1外侧联接。

所述髋腰连接段2B1上端与所述活动腰板2A2固联，其联接固定位可以沿着活动腰板2A2调整，以适应不同腰围穿戴者。

当助力骨架2腰背机构2A上带有负载时，所述负载可以沿着腰背机构2A、髋关节机构2B、大腿杆2D、膝关节机构2C、小腿杆2E以及足部机构2F直接将载荷重量泄放到地面，以使负载不通过穿戴者人体，从而可以减轻穿戴者背负重物的负担。采用所述足部平衡机构2F，所述负载及所述助力骨架2重量通过所述上支架2F2分散至左立板2F11L及右立板2F11R再泄放到地面，支撑力从脚中心线分散到左右侧，左右平衡、稳定性好。

采用所述助力骨架2的本发明轻便助力设备实施例如图8所示。

所述轻便助力设备包括动力系统1、助力骨架2、人机连接系统3、传感控制系统4以及能源系统5，所述动力系统1及能源系统5固定在所述腰背机构2A上，所述人机连接系统3联接穿戴者和助力骨架2，所述传感控制系统4感知与穿戴者动作并控制所述动力系统1施加力矩。

图9、图10所示为所述动力系统1实施例。图9所示为所述动力系统1正视示意图，图10所示为图9所示动力系统B-B剖面示意。所述动力系统1包括电机1A、联接电机动力输出端的减速机构1B、联接减速机构输出端的拉索驱动机构1C、编码器机构1D以及拉索1E。所述电机1A的动力通过减速机构1B减速后，再通过拉索驱动机构1C驱动与其联接的拉索1E伸出或收回。

其中，所述电机1A包括定子外壳1A1、转子1A2、定子线圈1A3和电机轴承1A4。所述定子外壳1A1为薄壁凹型结构，带有定子凹腔1A12，其中心带有定子环状凸起1A11，所述定子环状凸起1A11内带有定子中心通孔1A111。所述定子线圈1A3为环状结构，固定在所述定子凹腔1A12内。所述转子1A2亦为薄壁凹型结构，其中心亦带有转子环状凸起1A21，所述转子环状凸起1A21中心带有转子中心通孔1A211。电机轴承1A4内圈与所述定子环状凸起1A11外缘配合，外圈与转子中心通孔1A211联接。转子1A2为动力件1A的动力输出端，旋转于定子线圈1A3外侧。转子环状凸起1A21旋转联接于定子环状凸起1A11的外侧。

所述减速机构1B为谐波减速机，包括钢轮1B1，与钢轮1B1旋转联接的旋转轮1B2，及与旋转轮1B2传动联接的减速发生器1B3。钢轮1B1为圆环结构，所述减速发生器1B3和旋转轮1B2在钢轮1B1内侧旋转运动。所述旋转轮1B2为凹腔结构，其凹腔端口设置于减速发生器1B3的外侧与钢轮1B1内壁之间。所述减速发生器1B3为减速机构1B动力输入端，其旋转会带动旋转轮1B2减速旋转。电机转子1A2传动联接所述减速发生器1B3，所述电机定子外壳1A1通过钢轮连接板1B11联接钢轮1B1。旋转轮1B2通过设有的旋转轮连接板1B21与拉索驱动机构3传动联接。旋转轮1B2在钢轮1B1内腔旋转运动，其中，旋转轮1B2的外表面与钢轮1B1的内壁通过齿啮合传动联接。钢轮1B1通过螺栓固定在设有的钢轮连接板1B11上，且钢轮连接板1B11通过螺栓与定子外壳1A1固定联接。钢轮连接板1B11向外伸出，所述拉索张力传感器4A和所述第一拉索套管固定端1E3设置于其上。

所述拉索驱动机构1C包括承力轴承1C1和拉索驱动轮1C2，所述承力轴承1C1内圈与钢轮连接板1B11联接，外圈与拉索驱动轮1C2联接。所述拉索驱动轮1C2与旋转轮连接板1B21联接，所述旋转轮连接板1B21与旋转轮1B2联接。旋转轮1B2的动力通过旋转轮连接板1B21传递至拉索驱动轮1C2，以使拉索驱动轮1C2相对于钢轮1B1转动。

所述拉索1E一端带有圆柱状拉索固定端1E1，其固定在所述拉索驱动轮1C2上，所述拉索驱动轮1C2的转动会带动所述拉索1E1伸出或收回。拉索1E1另一端通过所述第一拉索套管1E2与所述助力骨架传动联接，所述第一拉索套管上端固定端1E3固定在所述钢轮连接板1B11上。

所述动力系统1工作过程如下：所述电机转子1A2在电力驱动下相对定子外壳1A1转动，即相对钢轮1B1转动，从而带动减速发生器1B3相对钢轮1B1转动，进而带动旋转轮1B2相对钢轮1B1减速转动，再带动旋转轮连接板1B21、拉索驱动轮1C2转动。拉索1E固定在拉索驱动轮1C2的拉索驱动轮凹槽1C21内，其在拉索驱动轮1C2的转动下伸展或收缩。

所述编码器机构1D包括中心梁1D1、第一磁体1D2和第一磁场感应电路1D3。所述中心梁1D1靠近电机1A的一端与所述定子中心通孔1A111配合，且穿过所述减速发生器1B3设有的内孔，并延伸至旋转轮1B2内腔，由中心梁锁紧螺丝1D11与电机定子外壳1A1联接，中心梁1D1远离电机1A的一端带有第一磁场感应电路1D3。所述第一磁体1D2联接在所述减速发生器1B3远离电机1A的一侧，与所述第一磁场感应电路1D3靠近。

所述编码器机构1D的工作过程如下：

当所述转子1A2相对定子外壳1A1、定子线圈1A3转动，带动减速发生器1B3相对定子外壳1A1转动，即带动减速发生器1B3、第一磁体1D2相对中心梁1D1转动，进而带动第一磁体1D2相对第一磁场感应电路1D3旋转，所述第一磁场感应电路1D3通过感应第一磁体1D2的相对转动角度从而测量电机转子1A2相对电机定子线圈1A3的旋转角度。

图11所示为所述髋关节机构2B实施例，所述髋关节机构2B包括髋腰连接段2B1、髋腿连接段2B2及髋关节轴2B3(图中虚线圆圈所示)，所述髋腰连接段2B1与髋腿连接段2B2通过所述髋关节轴2B3旋转联接。髋腰连接段2B1带有髋第一拉索套管固定头2B6和主惰轮2B4，所述髋腿连接段2B2带有髋第二拉索套管固定头2B7和行星惰轮2B5，所述第一拉索套管1E2下端固定在髋第一拉索套管固定头2B6内，所述第二拉索套管2D1上端固定在髋第二拉索套管固定头2B7内，所述拉索1E自所述第一拉索套管1D1下端引出，绕过所述主惰轮2B4和行星惰轮2B5，穿入所述第二拉索套管1D2上端，连接所述膝关节机构2C。

图12所示为所述膝关节机构2C实施例，所述膝关节机构2C包括膝关节转轮2C1和膝关节轴2C2，所述大腿杆2D和膝关节转轮2C1通过所述膝关节轴2C2旋转连接，所述小腿杆2E和所述膝关节转轮2C1固连。大腿杆2D下端带有大腿杆下端拉索套管固定头2B7，所述拉索1E自所述第二拉索套管2D1下端引出，绕于所述膝关节转轮2C1，并固定在所述膝关节转轮2C1上；当拉索1E处于松弛状态，所述大腿杆2D和膝关节转轮2C1及小腿杆2E可以相对自由转动，当拉索1E张紧时，所述大腿杆2D和所述膝关节转轮2C1及小腿杆2E相对伸展，直至机械限位阻止其继续伸展。

所述拉索1E源自所述动力系统1，穿过第一拉索套管1E2后分别绕过髋关节机构2B1内主惰轮2B4和行星惰轮2B5，再穿过第二拉索套管2D1，之后绕于膝关节转轮2C1之上，其下端固定在所述膝关节转轮2C1之上。

动力系统通过拉索1E和第一拉索套管1E2和第二拉索套管2D1驱动所述助力骨架：当拉索1E处于松弛状态时，所述髋关节机构2B和膝关节机构2C均处于自由转动状态；当拉索1E处于张紧状态时，所述髋关节机构2B和膝关节机构2C均产生扭矩，所述扭矩的大小和方向分别与髋关节机构2B内部结构以及膝关节转轮2C1设置的大小有关。

如图8所示，所述人机连接系统3包括背部绑带3A、腰部绑带3B、大腿上绑带3C、小腿上绑带3D以及足部绑带3E，所述背部绑带3A及腰部绑带3B将所述腰背机构2A及动力系统1固定在穿戴者腰背，所述大腿绑带3C与大腿杆2D联接，其包括大腿上绑带3D1和/或大腿下绑带3D2，所述小腿绑带3D与小腿杆2E联接，其包括小腿上绑带3D1和小腿护壳3D2，所述小腿护壳3D2与所述小腿前杆2E2联接，贴近穿戴者小腿，以分散所述小腿前杆2E2对穿戴者小腿施加的压力，所述足部绑带3E与足部机构2F联接；在穿戴使用时，大腿绑带3C、小腿绑带3D、足部绑带3E分别与人体大腿、小腿及足部相对位置固定，从而将所述助力骨架2固定于穿戴者下肢上。

所述能源系统5为动力电池组，其为所述传感控制系统4、动力系统1供电。传感控制系统4包括拉索张力传感器4A、膝关节角度传感器4B、髋关节角度传感器4C、大腿惯性传感器4D和小腿惯性传感器4E、足底压力传感器4F及主控单元4G。拉索张力传感器4A如图9、图10所示，其置于固定在所述动力系统1延伸结构钢轮连接板1B11上，当拉索1E张紧时会向施力惰轮4A3其施加一个力F，其内力感应片4A2能够感测此力大小。膝关节角度传感器4B和髋关节角度传感器4C分别置于所述膝关节机构2B和髋关节机构2C，分别可以测量大腿杆2D与小腿杆2E相对角度以及所述活动腰板2A2与大腿杆2D的相对角度。大腿惯性传感器4D和小腿惯性传感器4E分别设置于大腿杆2D及小腿杆2E上，感测所述大腿杆2D及小腿杆2E对地运动的角速度及加速度。足底压力传感器4F设置于穿戴者足底，用以感测穿戴者是否触地，当穿戴者触地时，其感受到压力，从而可以判断穿戴者是否触地。

所述主控单元4H包括处理器、存储器及通信接口，其电连接动力系统1以及各个传感器4A-4G，对采集到的穿戴者运动姿态信息进行计算分析处理，并控制所述动力系统1内电机转动，收回或放出拉索1E，通过所述助力骨架2给穿戴者施加助力扭矩。

所述主控单元4H设置于与主腰板2A1固联的腰后延伸板2A14上，在动力系统1附近，以减少动力电缆的长度，节省空间和重量。

所述轻便助力设备工作原理如下：所述控制单元4H不断采集所述传感器4A-4G的数据，根据所述足底压力传感器4F压力值是否达到设定门限、以及所述惯性传感器4E和/或4G相关传感值是否达到设定门限，来判断穿戴者下肢是处于触地支撑状态还是处于摆动状态；当判断穿戴者下肢处于触地状态，则根据传感器4A-4G所感知穿戴者姿态设定给力目标值，驱动所述动力系统1收紧拉索1E以提供扭矩，使拉索张力传感器4A测量值达到设定值，从而帮助穿戴者缓冲关节冲击力或支撑身体重量；当判断穿戴者下肢处于摆动状态时，则根据所述膝关节角度传感器4B及髋关节角度传感器4C的测量值计算拉索放出长度设定值，驱动所述动力系统1根据放出拉索1E，使得所述编码器机构1D测量值达到设定值。

本发明所述轻便助力设备可以单腿使用，也可以双腿使用，两侧腿的结构类似，不再赘述。

本发明针对上述问题，本发明采用精简的动力系统，且将动力系统设置于腰背部，从而简化装置下肢的设计，大大减轻其重量的同时也使得其更加贴身。采用了从腰部到下肢到足底刚性结构，将设备自重乃至其负担的载荷全部直接泄放到地面，不额外增加穿戴者背负设备的负担。足部机构采用力平衡设计，使得穿戴者运动稳定性好，足底压力传感器采用轻薄的气垫感应，简单、轻且穿戴体验好。本发明设备结构十分轻便，负重自重比高，穿戴者可以自然灵活运动，长时间穿戴体验好。

本实施例的拉索驱动轻便助力设备结构轻便、紧凑贴身、集成度高，采用拉索驱动方式为穿戴者下肢提供助力能够实现重量较大的动力系统转移至穿戴者腰背部，大大减小了下肢重量及惯量，使得穿戴者下肢更加灵活轻便，从而可以支持穿戴者在使用本发明装置时动作更为灵活、敏捷、舒适。采用本发明所述足部平衡机构穿戴者在背负重物行走时，平衡性好、抓地性能佳，穿戴体验好。

上述仅以实施例来进一步说明本发明的技术内容，以便于读者更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (8)

1.一种足部平衡机构，包括下支架，上支架及鞋底；其特征在于，所述下支架包括左立板、右立板以及足底板；所述左立板、右立板均竖立设置于鞋底两侧，并且上端均延伸至穿戴者脚踝附近，下端通过足底板固定连接；所述足底板设置于鞋底的脚腰处，并且与鞋底固定联接；所述上支架设置于穿戴者脚踝附近，并且一端与左立板旋转联接，另一端与右立板旋转联接；

所述左立板与右立板均从穿戴者脚腰向前延伸至脚掌前部，并于穿戴者脚掌弯曲处向上翘曲，形成翘曲船头结构，以使穿戴者踮起脚尖时，左立板、右立板与触地接触；

所述足底板容纳于穿戴者鞋底凹起的足弓空腔与地面之间，并且与穿戴者鞋底的脚腰部分固定联接；

所述上支架与下支架的旋转联接处设有旋转限位部；所述下支架于上支架旋转的方向上设有下支架限位块；所述下支架限位块用于止抵旋转限位部，以限制上支架的转动；

所述旋转限位部包括逆时针限位部和顺时针限位部；所述逆时针限位部和顺时针限位部形成V型结构；所述下支架限位块位于V型结构内；

还包括设置于穿戴者鞋底上表面的足底压力传感器；所述足底压力传感器包括气鞋垫及气压传感器；所述气鞋垫设于鞋底上表面；所述气压传感器设置于气鞋垫内；所述气鞋垫受到穿戴者的足部挤压，其内部气压产生变化，所述气压传感器感知气压变化，进而检测穿戴者足底对鞋底的压力；

还包括与气鞋垫相互联通的气囊；所述气囊通过设有的导气管与气鞋垫密封联通。

2.一种助力支架，包括腰背机构、髋关节机构、膝关节机构、大腿杆、小腿杆及足部机构，其特征在于，所述腰背机构包括背板和腰板，所述背板和腰板固定联接；所述腰板环绕于穿戴者腰部；所述髋关节机构上端与所述腰板固定联接，下端旋转联接于大腿杆；所述膝关节机构设有膝关节转轮，且与所述大腿杆下端旋转联接；所述小腿杆上端传动联接于所述膝关节转轮，下端联接于所述足部机构；所述足部机构采用如权利要求1所述的足部平衡机构。

3.根据权利要求2所述的助力支架，其特征在于，所述小腿杆设置于穿戴者小腿前侧，其上端为弧形结构，且弧形结构绕过穿戴者小腿，以使与膝关节转轮于穿戴者膝盖的外侧联接。

4.根据权利要求2所述的助力支架，其特征在于，所述上支架与小腿杆之间设有小腿杆联接块；所述上支架与小腿杆联接块旋转联接，且旋转轴与穿戴者的冠状面垂直；所述小腿杆与小腿杆联接块于竖直方向上旋转联接；或，所述上支架与小腿杆联接块于竖直方向上旋转联接；所述小腿杆与小腿杆联接块旋转联接，且旋转轴与穿戴者的冠状面垂直。

5.一种轻便助力设备，包括动力系统及人机连接系统；其特征在于，还包括权利要求2-4任一项所述助力支架；所述动力系统包括拉索驱动动力装置及设于拉索驱动动力装置动力输出端的拉索；所述拉索驱动动力装置通过拉索与助力支架传动联接；

所述动力系统还包括电机、联接电机动力输出端的减速机构以及编码器机构，且所述减速机构的输出端与所述拉索驱动机构联接，所述电机的动力通过减速机构减速后，再通过拉索驱动机构驱动与其联接的拉索伸出或收回。

6.根据权利要求5所述轻便助力设备，其特征在于，所述人机连接系统包括背部绑带、腰部绑带、大腿绑带、小腿绑带、足部绑带；所述背部绑带、腰部绑带与所述腰背机构固定；所述大腿绑带、小腿绑带、足部绑带分别与所述大腿杆、小腿杆、足部机构固定；

所述拉索驱动动力装置固定于所述腰背机构；所述髋关节机构设有髋关节惰轮；所述拉索绕过所述髋关节惰轮，延伸至膝关节转轮并与其固定联接。

7.根据权利要求6所述的轻便助力设备，还包括传感控制系统和能源系统，其特征在于，所述能源系统为电池，其为所述传感控制系统和动力系统供电；所述传感控制系统包括拉索张力传感器和/或膝关节角度传感器和/或髋关节角度传感器、所述的足底压力传感器及主控单元；所述拉索张力传感器设置于所述拉索驱动动力装置或其延伸结构上，用以测量所述拉索的张力大小；所述膝关节角度传感器设置于所述膝关节机构，用于测量大腿杆与小腿杆相对角度；所述髋关节角度传感器设置于髋关节机构内，用于测量腰部连接段与大腿杆的相对角度。

8.根据权利要求7所述轻便助力设备，其特征在于，控制单元不断采集所述传感控制系统的数据，根据所述足底压力传感器压力值是否达到设定门限、以及惯性传感器相关传感值是否达到设定门限，以判断穿戴者下肢是处于触地支撑状态或是处于摆动状态；当判断穿戴者下肢处于触地支撑状态，则根据传感控制系统所感知穿戴者姿态并设定给力目标值，驱动所述动力系统收紧拉索以提供扭矩，以使拉索张力传感器测量值达到设定值，从而使穿戴者缓冲关节冲击力或支撑身体重量；当判断穿戴者下肢处于摆动状态时，则根据所述膝关节角度传感器及髋关节角度传感器的测量值计算拉索放出长度设定值，驱动所述动力系统根据放出拉索，使得所述编码器机构测量值达到设定值。

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