一种应用于外骨骼机器人的足部穿戴装置的制作方法

本发明涉及外骨骼助力机器人，尤其是涉及一种应用于外骨骼机器人的足部穿戴装置。

背景技术：

外骨骼助力机器人是一种供人穿戴的人机一体化机械装置，将人的智力和机器人的“体力”完美地结合在一起，具有广泛的应用前景。其中，足部穿戴装置是外骨骼机器人的重要组成部分，其功能需满足顺应、辅助人体踝关节运动，探测人机之间交互力。足部穿戴装置是实现外骨骼机器人运动感知、柔顺平稳运动的重要保障。

目前，大多数外骨骼机器人的足部穿戴装置针对踝关节矢状面运动没有设置限位保护装置，没有考虑设计蓄力机构来助力人体踝关节运动，没有针对于人体足部跖趾关节设计相应机构顺应人体运动。而现有大多数感知交互力方式是在足底安装三维力传感器，由于需要承受人体重力冲击和感知力的变化这就传感器提出了极高要求，导致成本较高。同时在适应人体足部形大小方面也缺少考虑设计，因此有必要针对上述问题进行外骨骼机器人足部穿戴装置的研究设计。

技术实现要素：

针对背景技术足部穿戴装置的不足，本发明的目的在于提供一种应用于外骨骼机器人的足部穿戴装置，能够测量踝关节矢状面运动角度的同时具有限位和运动助力的作用；穿戴装置鞋底仿人跖趾关节设计，通过侧面安装三维力传感器的设计，使运动时能够采集矢状面交互力信息，绑带位置调节孔对不同脚宽的穿戴者具有良好的适应性。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括：踝关节机构、两块三维力采集模块、足底机构、踝关节角度采集模块和两条绑带；在足底机构的足底板外侧后部的板面上装有踝关节机构，在踝关节机构上部侧面装有踝关节角度采集模块，在踝关节机构下部内侧装有第一绑带连接件，在足底机构（3）的足底板外侧前部的板面上装有第二绑带连接件，与第一绑带连接件和第二绑带连接件相对应的足底板内侧前、后部的板面上分别装有第一块三维力采集模块和第二块三维力采集模块；第二块三维力采集模块内侧的第二个三维力传感器装有第四绑带连接件，第一块三维力采集模块内侧的第一个三维力传感器装有第三绑带连接件；第一绑带连接件和第三绑带连接件间转动连接第一条绑带，第二绑带连接件和第四绑带连接件间转动连接第二条绑带。

所述踝关节机构，包括：踝关节连接件、两片旋转限位片、u形踝关节支座、两片蓄能弹簧片、两个铜套和踝关节旋转轴；踝关节连接件上端与小腿杆连接，踝关节连接件下端两侧面分别装有旋转限位片，两片旋转限位片外侧上部均设有扇形突出块，踝关节连接件下端和两片旋转限位片均嵌入u形踝关节支座上端，踝关节旋转轴一端的d型轴穿过两片旋转限位片d型孔和踝关节连接件下端的踝关节连接件d型孔支撑在两个铜套上，两个铜套分别安装在u形踝关节支座两侧的圆形通孔中，u形踝关节支座底面的踝关节支座安装孔固定在足底板踝关节连接安装孔中，踝关节旋转轴另一端与踝关节角度采集模块连接，两块扇形突出块分别与u形踝关节支座内侧各自扇形槽进行配合限位，旋转限位片下部设有与蓄能弹簧片接触的接触棒，蓄能弹簧片的蓄能弹簧片安装孔与u形踝关节支座的踝关节支座肋条前后面安装孔连接，踝关节支座肋条肋条位于u形踝关节支座间。

所述足底机构，包括：足底上缓震垫、足底板、足底下缓震垫、足尖下缓震垫、足尖板、足尖上缓震垫、两块关节限位块、铰链和足底压力传感器；足底板上、下面分别粘贴有足底上缓震垫和足底下缓震垫，足底板上面和足底上缓震垫之间还粘贴有足底压力传感器，足底板前端面通过铰链与足尖板相连，足尖板上、下面分别粘贴足尖上缓震垫和足尖下缓震垫，在足底板与足尖板的旋转副关节处装有两个关节限位块，足底板设有与u形踝关节支座相连接的足底板踝关节连接安装孔，足底板踝关节连接安装孔的对侧设有两组与运动三维力采集模块相连接的足底板腰形安装孔，足底板前端设有与铰链相连接的安装孔，足尖板末端设有与铰链相连接的足尖板安装孔，足尖板安装孔两侧设有与限位块相连接的足尖限位块安装孔，两个关节限位块分别设有限位诀安装孔，两个关节限位块一端的楔形面与足底板相接触。

所述踝关节角度采集模块，包括：光电编码器、光电编码器连接件和光电编码器旋转轴；光电编码器与u形踝关节支座通过光电编码器连接件相连，编码器旋转轴插入踝关节旋转轴中心孔中。

所述三维力采集模块是三维力传感器，两个l形连接件底面分别与足底板连接，l形连接件侧面与三维力传感器连接，三维力传感器和绑带之间用法兰支座和法兰螺母连接。

所述足底板腰形安装孔能够调整l形连接件横向安装位置，改变足底机构宽度。

本发明具有的有益效果是：

1)在穿戴过程中踝关节通过机械装置实现助力和限位功能无需额外进行控制；

2)提出侧面安装三维力传感器方式，能直观对运动面人机交互力信息的提取，同时降低了对传感器量程和精度的要求，进而降低了成本；

3)足底仿人足的跖趾关节设计，顺应了人体实际运动规律，增加了穿戴舒适感，同时设置限位机构防止机器意外对人体造成伤害；

4)捆绑装置设置尺寸调节机构，能够适应一定范围脚宽穿戴者。

附图说明

图1是足部穿戴装置整体示意图。

图2是本发明的踝关节机构整体示意图。

图3是本发明的踝关节机构爆炸图。

图4是本发明的足底机构爆炸图。

图5是本发明踝关节支座零件图。

图6是本发明跖趾关节运动至限定位置示意图。

图7是图6的局部放大图。

图8是本发明三维力传感器模块示意图。

图9是本发踝关节角度采集模块示意图。

图中：1、踝关节机构，2、两块运动三维力采集模块，3、足底机构，4、踝关节角度采集模块，5、两条绑带，11、踝关节连接件，12、旋转限位片，13、踝关节支座，14、蓄能弹簧片，15、铜套，16、踝关节旋转轴，21、l形连接件，22、法兰螺母，23、法兰支座，24、两个三维力传感器，31、足底上缓震垫，32、足底板，33、足底下缓震垫，34、足尖下缓震垫，35、足尖板，36、足尖上缓震垫，37、两块关节限位块，38、铰链，39、足底压力传感器，41、光电编码器，42、光电编码器连接件，43、光电编码器旋转轴，111、踝关节连接件d型孔，121、接触棒，122、旋转限位片d型孔，123、扇形突出块，131、圆形通孔，132、扇形槽，133、踝关节支座肋条，134、踝关节支座安装孔，141、蓄能弹簧片安装孔，161、d型轴，162、d型孔，321、足底板腰形安装孔，322、足底板踝关节连接安装孔，323、足底板铰链安装孔，352、铰链安装孔，352、足尖限位块安装孔，371、限位块安装孔，372、楔形面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图8所示，包括：踝关节机构1、两块三维力采集模块2、足底机构3、踝关节角度采集模块4和两条绑带5；在足底机构3的足底板32外侧后部的板面上装有踝关节机构1，在踝关节机构1上部侧面装有踝关节角度采集模块4，在踝关节机构1下部内侧装有第一绑带连接件，在足底机构3的足底板32外侧前部的板面上装有第二绑带连接件，与第一绑带连接件和第二绑带连接件相对应的足底板32内侧前、后部的板面上分别装有第一块三维力采集模块2和第二块三维力采集模块2；第二块三维力采集模块2内侧的第二个三维力传感器24装有第四绑带连接件，第一块三维力采集模块2内侧的第一个三维力传感器24装有第三绑带连接件；第一绑带连接件和第三绑带连接件间转动连接第一条绑带5，第二绑带连接件和第四绑带连接件间转动连接第二条绑带5。

如图1、图2、图3、图5所示，所述踝关节机构1，包括：踝关节连接件11、两片旋转限位片12、u形踝关节支座13、两片蓄能弹簧片14、两个铜套15和踝关节旋转轴16；踝关节连接件11上端与小腿杆连接，踝关节连接件11下端两侧面分别装有旋转限位片12，两片旋转限位片12外侧上部均设有扇形突出块123，踝关节连接件11下端和两片旋转限位片12均嵌入u形踝关节支座13上端，踝关节旋转轴16一端的d型轴161穿过两片旋转限位片d型孔122和踝关节连接件11下端的踝关节连接件d型孔111支撑在两个铜套15上，两个铜套15分别安装在u形踝关节支座13两侧的圆形通孔131中，u形踝关节支座13底面的踝关节支座安装孔134固定在足底板踝关节连接安装孔322中，踝关节旋转轴16另一端与踝关节角度采集模块4连接，两块扇形突出块123分别与u形踝关节支座13内侧各自扇形槽132进行配合限位，旋转限位片12下部设有与蓄能弹簧片14接触的接触棒121，蓄能弹簧片14的蓄能弹簧片安装孔141与u形踝关节支座13的踝关节支座肋条133前后面安装孔连接，踝关节支座肋条肋条133位于u形踝关节支座13间。

如图1、图2、图4、图6、图7所示，所述足底机构3，包括：足底上缓震垫31、足底板32、足底下缓震垫33、足尖下缓震垫34、足尖板35、足尖上缓震垫36、两块关节限位块37、铰链38和足底压力传感器38；足底板32上、下面分别粘贴有足底上缓震垫31和足底下缓震垫33，足底板32上面和足底上缓震垫31之间还粘贴有足底压力传感器39，足底板32前端面通过铰链38与足尖板35相连，足尖板35上、下面分别粘贴足尖上缓震垫36和足尖下缓震垫34，在足底板32与足尖板35的旋转副关节处装有两个关节限位块37，足底板32设有与u形踝关节支座13相连接的足底板踝关节连接安装孔322，足底板踝关节连接安装孔322的对侧设有两组与运动三维力采集模块相连接的足底板腰形安装孔321，足底板32前端设有与铰链相连接的安装孔323，足尖板35末端设有与铰链相连接的足尖板安装孔351，足尖板安装孔351两侧设有与限位块相连接的足尖限位块安装孔352，两个关节限位块37分别设有限位诀安装孔371，两个关节限位块37一端的楔形面372与足底板32相接触。

如图1、图9所示，所述踝关节角度采集模块4，包括：光电编码器41、光电编码器连接件42和光电编码器旋转轴43；光电编码器41与u形踝关节支座13通过光电编码器连接件42相连，编码器旋转轴43插入踝关节旋转轴16中心孔中。

如图1、图8所示，所述三维力采集模块2是三维力传感器24，两个l形连接件21底面分别与足底板32连接，l形连接件21侧面与三维力传感器24连接，三维力传感器24和绑带5之间用法兰支座23和法兰螺母22连接。

如图1、图8所示，所述足底板腰形安装孔321能够调整l形连接件21横向安装位置，改变足底机构1宽度。

本发明的工作原理：

1)踝关节矢状面运动具有蓄能和限位功能，是用叹下方式实现：

所述踝关节连接件11与u形踝关节支座13发生相对运动时，当相对角度小于10°时限位片接触棒121能够在两片蓄能弹簧片14之间的空间自由运动，当相对角度大于10°时，限位片接触棒121与两片蓄能弹簧片14发生挤压，两片蓄能弹簧片受压变形蓄能，当相对运动角度继续增加至限定角度40°时，扇形突出块123与扇形槽132侧面相接触从而限制关节进一步运动。

2)采集人—机器人之间矢状面运动交互力信息，是用以下方式实现：

两个三维力传感器24通过各自l形连接件21安装在矢状面上，人足与装置发生相对运动时，捆绑在足上两条绑带5将交互力通过法兰支座23传递给三维力，两条绑带5与法兰支座23可以相对转动，保证力的方向改变时，两条绑带5与各自法兰支座23相对转动。

3)足底机构装置适应人体脚掌跖趾关节伸屈功能，是用以下方式实现：

足底机构3由足底板32和足尖板35通过铰链38组成，铰链35位置与人体跖趾关节相吻合，使足底关节能够伴随人体跖趾关节运动，在足尖限位块安装孔352安装关节限位块37，当足尖板35与足底板32相对转动达到限定位置时，关节限位块37的楔形面372与足底板32接触限制转动，防止受伤。

4)当踝关节小幅运动时，如行走，踝关节机构1能自由活动，当踝关节运动幅度较大如起蹲、攀登，踝关节机构1能够蓄能，在关节复位的时候进行助力，当运动超出人体运动范围时，旋转限位片12与u踝关节支座13进行运动限位。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。