一种人体脚部仿生外骨骼系统的制作方法

本发明属于人体仿生技术领域，特别涉及一种人体脚部仿生外骨骼系统。

背景技术：

随着科学技术、机器人技术和智能技术的发展，为了改善人民的生活质量，尤其是老年人与残疾人，自上世纪60年代起，各大机构展开了对人类步态以及外骨骼的研究。外骨骼主要被用于辅助步行或者进行康复训练，因此在医疗行业与日常生活中都有广泛的应用背景。

外骨骼与内骨骼相对应。内骨骼为人体骨骼，在人体内部与肌肉共同支撑人体。外骨骼作为可穿戴机械设备，借助物理机械在人体外部支撑人体，可以协助人，增强人体能力。已有的外骨骼可以辅助人完成超越人体机能限制的动作，如举起超越人体承受极限的重物、进行高速奔跑、远距离跳跃等，也有用于医疗途径的外骨骼设备，可以帮助残疾人运动，弥补其丧失的行动能力。

人体脚部仿生外骨骼系统作为整套外骨骼的一个独立部分，应用于外骨骼之中。其在外骨骼中担任的角色，相当于人体的脚部。同类型的发明还有腿部仿生外骨骼、各处关节仿生外骨骼等。

目前，已投入市场的外骨骼的脚部仿生系统多需要特制的鞋与其适配，或者对普通商品鞋进行改造，使用不够便利，且提高了成本。此外，这些设备要么不支持上下楼梯，要么只能通过人的手动控制，一次按钮只能走一级台阶，无法自动识别平地和台阶，因此无法进行流畅的步态转换。

技术实现要素：

本发明旨在克服已有技术的不足之处，提出一种人体脚部仿生外骨骼系统，能够实现与普通商品鞋的适配，并实现对平地和台阶的自动识别。

本发明提出的一种人体脚部仿生外骨骼系统，其特征在于，该外骨骼系统包括限位装置和测距装置；所述限位装置与人体腿部仿生外骨骼相接，该限位装置包裹于人体脚部及普通鞋外部，用于限制人体脚部及普通鞋与该人体脚部仿生外骨骼系统之间的相对运动；所述测距装置固定于限位装置一侧，用于测量该人体脚部仿生外骨骼系统与前方、下方障碍物的距离，并与外部的控制系统进行信号传输。

所述限位装置包括踝部护板和位于其下侧的脚蹬，两者之间为转动连接，分别实现对人体脚部的前后/左右限位和上下限位，通过踝部护板与脚蹬的相对转动实现人体踝关节的伸展自由度。

本发明的特点及有益效果：

本发明作为人体仿生外骨骼的一部分，也是人体仿生外骨骼的支撑点，其设计对人体仿生外骨骼的性能影响很大。本发明所应用的人体仿生外骨骼可应用于康复医疗，能辅助丧失行动能力的人完成直立、行走、上下楼梯等动作。

根据本发明的人体脚部仿生外骨骼系统，能够利用踝部护板与脚蹬之间的转动实现人体脚部外骨骼的踝关节伸展自由度的随动运动，且通过限位装置与普通鞋适配，同时可通过测距装置进行路面信息采集，对平地和台阶进行识别，进而为实现连续的上下台阶模式奠基。该系统设计简单，易于实现，且适配性强，体验舒适度高。

附图说明

图1为根据本发明一个实施例的人体脚部仿生外骨骼系统的结构示意图；

图2为根据本发明一个实施例的踝部护板的结构示意图；

图3为根据本发明一个实施例的脚蹬的结构示意图；

图4为根据本发明一个实施例的，一种可以替代脚蹬上的柔性绑带的鞋勾示意图；

图5为根据本发明一个实施例的测距装置的装配示意图；

图6为根据本发明一个实施例的测距仪固定器的结构示意图。

具体实施方式

本发明提出的一种人体脚部仿生外骨骼系统，下面结合附图和具体实施例详细说明如下：

本发明提出的一种人体脚部仿生外骨骼系统，其结构如图1所示，包括：

限位装置：包括踝部护板1，脚蹬2；

测距装置3；其中，

所述限位装置与人体腿部仿生外骨骼(所述人体腿部仿生外骨骼不属于本发明内容)相接，该限位装置包裹于人体脚部及普通商品鞋外部，用于限制人体脚部及普通商品鞋与该人体脚部仿生外骨骼系统之间的相对运动；所述测距装置固定于限位装置一侧，用于测量该人体脚部仿生外骨骼系统与前方、下方障碍物的距离，并与外部的控制系统进行信号传输。

所述限位装置包括踝部护板1和位于其下侧的脚蹬2，两者之间通过转动副连接，分别实现对人体脚部的前后/左右限位和上下限位，通过踝部护板1与脚蹬2的相对转动实现人体踝关节的伸展自由度。

所述踝部护板1的结构如图2所示，为一由踝部护板主体11及脚蹬连接支架12一体成型的对称结构；其中，踝部护板主体11为U型壳体结构，其圆弧段内表面与人体足腕贴合，起保护踝关节的作用，U型圆弧部分约为周长15cm的半圆弧；在踝部护板主体11的两平直侧壁端部对称设置人体腿部仿生外骨骼接口13用于连接人体腿部仿生外骨骼，该接口根据人体腿部仿生外骨骼的结构确定，本实施例此接口为四个通孔，通孔成2*2的阵列排布，可以通过与螺钉配合完成与腿部外骨骼的衔接；所述脚蹬连接支架12对称固定在踝部护板主体11的两平直侧壁端部下侧，两脚蹬连接支架12端部设有脚蹬接口14，该脚蹬接口包含一较脚蹬连接支架12内表面下沉约2mm的圆槽及与该圆槽同心设置且凸出于脚蹬连接支架12内表面的短轴。

所述脚蹬2位于踝部护板1的下侧，如图3所示，脚蹬2为正视呈U型、侧视呈倒置Y型的对称壳体结构，脚蹬2一体成型，其尺寸根据普通商品鞋尺寸均码确定，而对于稍大或稍小的鞋码也能适应安装，中部空置，用于容纳人体脚部及普通商品鞋；脚蹬2两侧壁顶部对称设有踝部护板接口21，该接口的尺寸与踝部护板脚蹬接口14的尺寸相适应，踝部护板1与脚蹬2之间通过其内的脚蹬接口13、踝部护板接口21实现相对转动实现人体踝关节的伸展自由度，以模拟人体脚部的运动；脚蹬2两侧壁中部各设有两长孔，分别为脚跟绑带束带孔22与脚背绑带束带孔23，脚跟绑带孔22略长于脚背绑带孔23，脚跟绑带束带孔22长度约为倒Y型侧壁Λ形部分一条分支长度的2/3，脚背绑带束带孔23为其所在分支长度的1/2，位于侧壁上的束带孔均用于固定绑带，绑带捆绑脚背和脚跟后将人体脚部及普通商品鞋固定在脚蹬2上；脚蹬2底部为可与普通商品鞋适配的足弓座24和足跟接口25，将普通商品鞋的足弓位置支撑于足弓座24上，足跟接口25大致位于人体脚部足跟处；人体足弓处一般略高于足底平面，与地面有一间隙，足弓座24底端的横梁可以填补普通鞋在足弓处的离地空隙，既能固定住鞋子，又不会影响人体行走舒适度；足跟接口25的端部夹持住鞋子足跟处的宽大部分，进一步实现脚蹬与足部、鞋子的固定；在踝部护板接口21下方、Y型两侧壁中心处还设有一测距装置接口26，该接口由两水平排列的通孔组成，用于固定测距装置3。本发明实施例中的绑带为自粘魔术贴，穿过束带孔进行自粘即可实现固定人体足部，使用完毕后直接撕下即可分离足部与脚蹬。

本发明还可以通过鞋勾的方式来固定其自身与人体足部。鞋勾方式即以鞋勾代替绑带。如图4为一个鞋勾实施例的结构示意图。鞋勾整体呈T字型，大小根据使用者所用商品鞋的不同而有所不同，其上部长度与商品鞋上部侧沿配合，T型下端与所述脚蹬2固定；该鞋勾上端设有弯勾41勾在商品鞋上部侧沿；该鞋勾下端设有鞋勾定位螺孔42，可以与脚蹬2的脚背绑带束带孔23衔接，并固定在脚蹬2内侧。

所述测距装置3的结构如图5所示，包括测距仪固定器31，以及分别位于该测距仪固定器31两侧壁上的超声测距仪32、超声测距仪33；测距仪固定装置31呈L型，其结构如图6所示，两侧壁间以圆弧过度，尺寸根据所选购的超声测距仪(为常规产品)的大小不同而有所不同；测距仪固定器31上设有固定器接口311，该接口由两个水平排列的通孔组成，与脚蹬2中的测距装置接口26配合，用于固定该测距装置，固定后的测距装置贴合于脚蹬2的侧面，测距装置底端距地面约1cm；测距仪固定器两侧壁上还设有超声测距仪槽位312，该槽位为圆角矩形，尺寸略大于两个互相垂直的超声测距仪，具体尺寸根据所选购的超声测距仪大小不同而有所不同，装配超声测距仪时，超声测距仪沉入所述槽位中，槽位外侧四角处各有一通孔，螺钉通过该通孔固定超声测距仪。测距仪固定器31为直角型结构，因此超声测距仪32与超声测距仪33的位置为垂直关系，其中，超声测距仪32测量与前方障碍物的距离，超声测距仪33测量与下方障碍物的距离，然后将其转换为电信号，传输到外部控制系统。

所述外部控制系统不属于本发明保护内容，为人体仿生外骨骼的机械控制中枢，一般由单片机组成，具有简单的数据处理能力，通常位于整套人体仿生外骨骼的背部，与人体仿生外骨骼其他部分通过电路通信，支配其他部分完成动作任务。

本发明实施例的工作过程或工作原理说明如下：

使用者可穿着普通鞋(如普通运动鞋)使用本发明实施例，利用足弓座24托起足弓部分，足跟接口25则与运动鞋足跟部分适配；两条限位绑带分别穿过束带孔22、23后自粘，分别实现对足跟、足背的加压，以加强人体脚部与本发明实施例之间的固定；

当人体行走时，本实施例受到带动抬起或者放下，踝关节处伸展自由度为随动状态，踝部护板1和脚蹬2在重力及其他外力的作用下可做不大于90度的相对转动；

人体行走时如果遇到上行台阶，超声测距仪32检测到的前方障碍距离将减小，控制系统由测距仪32的数据触发，驱动外骨骼关节抬起足部；抬足后，超声测距仪32将检测下一级台阶与人体足部的水平距离，前方障碍距离数值突然增大，控制系统由此触发，驱动外骨骼关节将已抬起的足向前平移，直到超声测距仪33检测到下方障碍物的距离将突然减小，此时人体脚部已到达台阶上方，外部控制系统在收到测距仪发来的信号后即可控制并驱动本脚部仿生外骨骼系统将脚放下；

人体行走时如果遇到下行台阶，向前方伸脚时超声测距仪33检测到的距离将突然增大，此时人体脚部已到达下一级台阶上方，外部控制系统在收到超声测距仪发来的信号后即可控制并驱动本脚部仿生外骨骼系统将脚放下。

根据本发明实施例的人体脚部仿生外骨骼系统，能够利用踝部护板与脚蹬之间的相对转动实现人体脚部仿生外骨骼的踝关节伸展自由度的随动运动，且通过限位装置与普通商品鞋适配，同时可通过测距装置进行路面信息采集，对平地和台阶进行识别，进而为实现连续的上下台阶模式奠基。该系统设计简单，易于实现，且适配性强，体验舒适度高。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。