一种足底压力检测装置及安装该装置的运动助力装置的制作方法

本发明涉及压力检测装置，尤其是一种足底压力检测装置及安装有该足底压力检测装置的运动助力装置。

背景技术：

可穿戴式外骨骼装置中需要准确实时测量穿戴者足底和/或机械结构底座承受的压力，以感知穿戴者当前运动状况，从而实施相关驱动控制，以实现运动助力功能。双足型机器人也需要实时测量机器人足部压力，以协助判断机器人状态。

现有的足底测量装置对于传感器和机械结构的设计不够优化，存在测量不够准确，足底测量装置不够牢固，结构过于复杂，成本高、可靠性不高等问题。

专利CN2006800006514.1及中国科技大学2010年硕士论文《一种用于步态检测的柔性双足助力机器人感知系统的研究》均披露了一种足底压力检测装置，采用柔性油压管来感应足底压力，这种装置带来的问题是油压管接触承压面积难以准确测量，从而导致测量不准确。专利CN201410036599.4披露了一种足底压力检测装置，采用几个测力浮块来测量足底压力，其存在的问题是结构复杂，成本高，且当压力加载到装置边缘时会导致测量结果严重失真。专利CN201410491074.X披露了足端力检测装置，该装置结构复杂，成本高，还存在压力加载到装置边缘时会导致测量结果不准确的情况，且该装置仅单点承力，结构不牢固，长期使用容易损坏。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种测量准确且结构简单、牢固，性能可靠，成本低的足底压力检测装置，本发明还公开了一种安装有该足底压力检测装置的运动助力装置。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种足底压力检测装置，其特征在于，包括第一刚性薄板，该第一刚性薄板上设置有若干个第一镂空形变悬臂，在该第一镂空形变悬臂上都安装有用于监测该第一镂空形变悬臂形变的第一传感器，所述第一刚性薄板上方设置有第二刚性薄板，在第一刚性薄板和第二刚性薄板之间通过若干个第一承压体连接，所述第一承压体的下端安装在所述第一镂空形变悬臂上。

本发明的有益效果是：第一、第二刚性薄板之间采用柱状承压体直接将所有压力加载到镂空形变悬臂上，使得被测力没有测量损失，第一镂空形变悬臂在受到压力后产生弯曲形变，第一传感器能够感知该形变，测量足部压力信号准确。刚性薄板承力能力强，可以方便地直接连接其他机械结构，容易安装固定，该足底压力检测装置结构简单、牢固，性能可靠，大大降低了成本。

进一步，在所述第一刚性薄板上进行镂空，镂空处设置所述第一镂空形变悬臂，该第一镂空形变悬臂的一端与所述第一刚性薄板连接，该第一镂空形变悬臂的一端为近端，另一端为远端。

采用上述进一步方案的有益效果是：刚性薄板上镂空悬臂受力形变较大，能够便于传感器检测形变。

进一步，所述第一镂空形变悬臂与所述第一刚性薄板为一体结构。

采用上述进一步方案的有益效果是：第一镂空形变悬臂与所述第一刚性薄板为一体结构，结构牢固可靠。

进一步，所述第一传感器安装在所述第一刚性薄板的表面，该第一传感 器在所述第一镂空形变悬臂的近端安装，所述第一传感器的高度小于所述第一承压体的高度，所述第一承压体在所述第一镂空形变悬臂的远端安装。

采用上述进一步方案的有益效果是：根据杠杆的原理，第一承压体的下端远离第一镂空形变悬臂与第一刚性薄板的连接处安装，此时的第一承压体受力后使得第一镂空形变悬臂形变较大，便于所述第一传感器测量，所述第一传感器靠近所述第一镂空形变悬臂与第一刚性薄板的连接处附近安装，能够灵敏感知到压力信号的变化，灵敏度高，测量准确。

进一步，所述第一刚性薄板上还镂空设置有若干个第二镂空形变悬臂，该第二镂空形变悬臂上都分别安装有用于监测该第二镂空形变悬臂形变的第二传感器，所述第一刚性薄板的下方设置有第三刚性薄板，该第三刚性薄板与所述第一刚性薄板通过若干个第二承压体连接，所述第二承压体的上端安装在所述第二镂空形变悬臂上。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过采用三层刚性薄板，可以分别同时测量第三、第一薄板之间，以及第二、第一薄板之间的压力，以有利于安装在可穿戴外骨骼，同时检测人体足底的压力和外骨骼机械底座的压力。

进一步，所述第一刚性薄板上进行镂空，镂空处设置所述第二镂空形变悬臂，该第二镂空形变悬臂的一端与所述第一刚性薄板连接，该第二镂空形变悬臂的一端为近端，另一端为远端；所述第二镂空形变悬臂与所述第一刚性薄板为一体结构。

采用上述进一步方案的有益效果是：第二镂空形变悬臂与所述第一刚性薄板为一体结构，结合牢固可靠。

进一步，所述第二传感器安装在所述第二镂空形变悬臂的表面，该第二传感器在所述第二镂空形变悬臂的近端安装，所述第二传感器的高度小于所述第二承压体的高度，所述第二承压体的上端远离所述第二镂空形变悬臂的一端安装。

采用上述进一步方案的有益效果是：第二传感器安装在第二镂空形变悬臂形变较大的位置，便于实现检测的灵敏度。

进一步，所述第一承压体(34)和第二承压体(34a)一端分别固定在所述第一刚性薄板(31)上的第一镂空形变悬臂(33)和第二镂空形变悬臂(33a)上，另一端分别固定在第二刚性薄板(32)和第三刚性薄板(36)上；所述第一承压体(34)和第二承压体(34a)的两端采用螺丝、铆钉、焊接或粘帖方式实现固定。

采用上述进一步方案的有益效果是：所述第一承压体和第二承压体两端固定可以增强本发明装置的机械强度和可靠性。

进一步，所述第一刚性薄板一侧向外侧延伸，该延伸部向上弯折形成安装部。

采用上述进一步方案的有益效果是：足底压力检测装置刚性薄板侧面带有弯折形成折起，所述侧面折起可以通过螺丝、铆钉、焊接或粘帖等方式与应用本发明装置的辅助运动的外骨骼紧密固定；折起还可以用来安装足部绑带，以使得本发明装置牢固耦合人体足部。

采用刚性薄板侧面折起的方式，使得本发明装置可以方便地与应用设备或穿戴者足部固定在一起，使用便捷、可靠性高。

进一步，所述第一传感器、第二传感器为应变片传感器。

采用上述进一步方案的有益效果是：应变片传感器结构小巧轻薄，便于安装。

进一步，所述第一镂空形变悬臂和第二镂空形变悬臂(33a)为矩形、螺旋形、T字形、圆形或椭圆形。

采用上述进一步方案的有益效果是：第一镂空形变悬臂和第二镂空形变悬臂(33a)的形状可以根据实际需求灵活选择。

一种运动助力装置，包括动力系统、控制系统和执行机构，所述执行机 构包括与人体下肢配合承重的连杆结构，其特征在于，所述连杆结构包括机械底座，该机械底座安装有如权利要求1至7任一项所述足底压力检测装置，所述第一刚性薄板安装在机械底座上。

所述第一刚性薄板一侧向外侧延伸，该延伸部向上弯折，在该延伸部上设置有安装孔，所述机械底座上设置有与所述安装孔贯通的螺纹孔，螺钉穿过所述安装孔，并螺纹配合安装到所述螺纹孔中。

进一步，本发明所述足底压力检测装置下方、上方或周围还覆盖有柔性材料，所述柔性材料为橡胶、塑料、纤维织物、动物皮革等。

采用上述进一步方案的有益效果是：外围覆盖柔性材料可以防滑，且可以增加穿戴者舒适度。

进一步，覆盖所述足底压力检测装置的柔性材料为一个封闭密封体，将所述足底压力测量装置包覆。

采用上述进一步方案的有益效果是：采用封闭的柔性密封体覆盖所述测量装置外围，可以防水，增加所述测量装置的适用范围和可靠性。

附图说明

图1为本发明装置应用的可穿戴外骨骼实施例的结构示意图；

图2为本发明人体足底压力检测装置实施例1的主视图；

图3为实施例1去掉第二刚性薄板后的俯视图；

图4为本发明人体足底压力检测装置实施例2的主视图；

图5为实施例2去掉第二刚性薄板之后的俯视图；

图6为本发明人体足底压力检测装置实施例3的主视图；

图7为实施例3安装结构示意图；

图8为实施例3去掉第二刚性薄板之后的俯视图。

附图中，各标号所代表的部件名称如下：

10、固定装置；11、延长段；201、传动轴；202、第一连杆；203、第一连接轴；204、第二连杆；205、第二连接轴；206、动力轴；207、大腿连接段；208、膝关节轴；209、小腿连接段；210、踝关节轴；211、机械底座；31、第一刚性薄板；32、第二刚性薄板；33、一镂空形变悬臂；34、第一承压体；35、第一传感器；33a、第二镂空形变悬臂；34a、第二承压体；35a、二传感器；36、刚性薄板；37、螺钉。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1：

本发明的足底压力检测装置应用于运动助力装置。如图1所示，所述运动助力装置包括动力系统、控制系统和执行机构，所述动力系统和控制系统均安装固定在人体腰部的固定装置10内，固定装置10下端设置有至髋关节的延长段11，该延长段11的下端安装所述执行机构。

执行机构包括与人体下肢配合承重的连杆结构，所述连杆结构包括大腿连接段207、小腿连接段209、第一连杆202、第二连杆204以及足部结构211。所述大腿连接段209上端通过传动轴201固定在所述腰部延长段11下端，其下端通过膝关节轴208连接小腿连接段209的上端，所述小腿连接段209的下端通过踝关节轴210连接足部结构211。所述大腿连接段207上设置还有动力轴206，该动力轴206通过皮带与传动轴201传动连接，所述动力轴206与第一连杆202的一端连接，第一连杆202的另一端通过第一连接轴203与第二连杆204的一端连接，该第二连杆204的另一端通过第二连接轴205安装在小腿连接段209的上部。所述传动轴201由腰部固定装置10内的动力系统通过皮带进行动力传递。

如图2和图3所示，小腿连接段209的下端通过踝关节轴208连接有机械底座211，所述机械底座211安装足底压力检测装置，该足底压力检测装置包括第一刚性薄板31，该第一刚性薄板31上设置有六个第一镂空形变悬臂33，第一镂空形变悬臂33为在所述第一刚性薄板31上镂空形成的，该第一镂空形变悬臂33与所述第一刚性薄板31为一体结构，在该第一镂空形变悬臂33上都安装有用于监测该第一镂空形变悬臂33形变的第一传感器35，第一传感器35安装在所述第一刚性薄板31的上表面并与控制系统连接。该第一传感器35靠近所述第一镂空形变悬臂33与第一刚性薄板31的连接处安装。所述第一刚性薄板31上方设置有第二刚性薄板32，在第一刚性薄板31和第二刚性薄板32之间通过六个第一承压体34连接，所述第一承压体34的下端安装在所述第一镂空形变悬臂33上，第一承压体34的下端远离所述第一镂空形变悬臂33与第一刚性薄板31的连接处安装。

采用所述人体足底压力检测装置进行压力测量时，人体足部踩在所述装置的第二刚性薄板32上，此时人体足部压力通过多个柱状承压体34全部加载到第一刚性薄板31上的多个镂空形变悬臂33上，镂空形变悬臂33会发生形变，附在其上的所述应变片传感器35能够感应到形变量，从而所述可穿戴外骨骼装置可以根据形变量计算出对应的压力值，控制运动。

实施例2：

该实施例2的结构与实施例1类似，不同的是足底压力检测装置的结构有所不同。

如图4和图5所示，实施例2中，足底压力检测装置平行设置有三块刚性薄板，其中第一刚性薄板31上镂空设置有四个第一镂空形变悬臂33，此外还设置有四个第二镂空形变悬臂33a，该第二镂空形变悬臂33a上都分别安装有用于监测该第二镂空形变悬臂33a形变的第二传感器35a，第二传感器35a安装在所述第二镂空形变悬臂33a的下表面，该第二传感器35a靠近 所述第二镂空形变悬臂33a与第一刚性薄板31的连接处安装。所述第一刚性薄板31的下方设置有第三刚性薄板36，该第三刚性薄板36与所述第一刚性薄板31通过四个第二承压体34a连接，所述第二承压体34a的上端安装在所述第二镂空形变悬臂33a上，所述第二承压体34a的上端远离所述第二镂空形变悬臂33a与第一刚性薄板31的连接处安装。

采用实施例2所述人体足底压力检测装置进行压力测量，人体足部踩在所述装置的第二刚性薄板32上时，人体足部压力通过第一承压体34全部加载到第一刚性薄板31上的第一镂空形变悬臂33上，第一传感器35会感应到形变；同时，压力会继续通过第一刚性薄板31加载到第二承压体34a上，第二承压体34a所对应的第二镂空形变悬臂33a也会发生形变，附在其上的所述第二传感器35a能够感应到形变量。此时，如果可穿戴外骨骼装置再通过机械结构再将机械压力直接加载到第一刚性薄板31上，则附在第二镂空形变悬臂33a上的第二传感器35a能够感应到更大的形变，其测量到的压力值为人体足底压力与外骨骼装置机械压力之和。

实施例3：

该实施例3的结构与实施例2类似，不同的是足底压力检测装置的结构有所不同。

如图6、图7和图8所示，第一刚性薄板31左侧向外侧延伸，该延伸部向上弯折，该弯折部与机械底座211通过多个螺钉37固定在一起这样，本发明装置就与可穿戴外骨骼装置牢固地固定在一起。采用本实施例装置，可以同时测量人体足底压力和外骨骼机械压力。

踝关节轴210下端连接机械底座211，所述机械底座211用来承载外骨骼机械压力，第一刚性薄板31左侧折弯，与所述机械底座211通过多个螺钉37固定在一起。这样，本发明装置就与可穿戴外骨骼装置牢固地固定在一起。采用本实施例装置可以同时测量人体足部施加的压力和外骨骼机械压 力，结构简洁、牢固耐用、测量准确，可靠性高。

上述三个实施例中，第一传感器35、第二传感器35a都为结构小巧的应变片传感器。第一镂空形变悬臂33和第二镂空形变悬臂33a可以为矩形、螺旋形、T字形、圆形、椭圆形等，根据实际需求灵活变换形状即可，在此不再穷举。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。