一种用于穿戴式外骨骼助力机器人的足底压力测量装置的制作方法

本发明属于机器人的足底压力测量技术领域，涉及机器人的足底压力传感器布置及数据采集处理，尤其是一种用于穿戴式外骨骼助力机器人的足底压力测量装置。

背景技术：

目前，在山地、高寒及丛林等机动化车辆无法到达的区域，单兵需要背负物资、武器装备进行侦查、巡逻、救援及作战任务，但在上述恶劣条件下单兵背负物资、武器装备能力有限，行军侦查的地域范围较小。通过可穿戴式外骨骼助力机器人，可大幅提高单兵在物资搬运、救援救护、机动侦查和武器作战方面的能力，而足底是穿戴式外骨骼助力机器人唯一与地面接触的地方，通过检测足底压力可以为控制系统提供数据判定外骨骼助力机器人的运动状态，根据此时的运动状态系统预测穿戴者的下一步行为动作，进而实现助力的提供，因此足底压力的精确及时测量是实现控制的基础。

现有足底压力测量装置多用于医疗及保健，适用于裸足测量，且采样频率低、装置体积大，不适宜实验穿戴式外骨骼助力机器人野外场景。因此如何研究出一种适合于穿戴式外骨骼助力机器人野外场景的足底压力测量装置是本领域技术人员待于解决的技术难题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种设计合理、快速测量且测量结果准确可靠的用于穿戴式外骨骼助力机器人的足底压力测量装置。

本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：

一种用于穿戴式外骨骼助力机器人的足底压力测量装置，由下至上依次为底部橡胶层、底部金属层、中间装置和顶部金属层的四层结构；

所述底部金属层的足底足跟区域的一侧固装有球形铰链，并通过该球形铰链与小腿相连接，用于承担穿戴式外骨骼助力机器人及穿戴者的重量，并将负重通过底部橡胶层传至地面。

所述中间装置层包括三个异形气囊和分别与该三个异形气囊相连接的三个气体传感器，所述三组异形气囊分别布置在足底三处主要受力区域；所述三个气体传感器排列在足底中央，用于实时采集气囊压力变化；所述足底三处主要受力区域分别为足底第一、二跖骨区域；第三、四、五跖骨区域和足底足跟区域；

所述顶部金属层直接与穿戴者鞋底接触，并且被划分为三个柔性连接在一起的金属板，每个金属板分别位于足底三处主要受力区域。

而且，三个金属板分别覆盖在对应位置的三个异型气囊上，每个金属板之间采用间隙分布的多个弹簧钢片柔性连接在一起。

本发明的优点和有益效果：

本发明适用于使用者穿鞋后穿着，提高穿着舒适性，更适应野外复杂坏境；采用异形气囊采集足底三个关键区域的压力，对使用者足形及大小要求低，拓展了测量装置的使用人群范围；本发明体积小，内置于鞋底中，采样频率高，满足穿戴式外骨骼助力机器人的控制要求。

附图说明

图1是本发明的整体结构侧视图；

图2是本发明的底部金属层的结构示意图；

图3是本发明的中间装置层的结构示意图；

图4是本发明的顶部金属层的结构示意图。

附图标记说明：

1-底部橡胶层；2-底部金属层；3-中间装置层；4-顶部金属层；5-球形铰链；6-异形气囊(位于足底足跟区域)9-异形气囊(位于足底第一、二跖骨区域)；10-异形气囊(位于第三、四、五跖骨区域)；7、8、11-三个气体传感器；12、13、14-三块铝合金金属板；15-弹簧钢片；

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：

一种用于穿戴式外骨骼助力机器人的足底压力测量装置，如图1所示，由下至上依次为底部橡胶层1、底部金属层2、中间装置层3和顶部金属层4的四层结构；

其中，底部橡胶层由耐磨橡胶制成，直接与地面接触，起到缓冲减震及增大摩擦力的作用。

其中，底部金属层如图2所示，采用铝合金材料制成，在足底足跟区域的一侧固装有球形铰链5，并通过该球形铰链5与小腿相连接，在三个旋转自由度上留有一定活动量，用于承担穿戴式外骨骼助力机器人及穿戴者的重量，并将负重通过底部橡胶层传至地面。

其中，中间装置层如图3所示，包括三个异形气囊和分别与该三个异形气囊相连接的三个气体传感器，所述三组异形气囊分别布置在足底三处主要受力区域；所述三个气体传感器排列在足底中央，用于通过气体传感器实时采集气囊压力变化，进而获得穿戴者在行走过程中足底压力变化；所述足底三处主要受力区域分别为足底第一、二跖骨区域；第三、四、五跖骨区域和足底足跟区域。

在本实施例中，中间装置层的气囊及传感器布置如图3所示，其中6、9、10为3个异型气囊，7、8、11是与之对应的3个气体传感器，气体传感器实时采集气体压强，频率不低于100hz，并将数据传输至控制系统进行解算。

由于采用大面积异型气囊，可以保证不同穿戴者穿戴时，虽然脚的大小发生变化，但是足底主要受力点还在对应的气囊之上，在保证测量准确性的前提下，扩展了装备的适用人群。

穿戴者穿上穿戴式外骨骼助力机器人后需在双腿直立站立的情况下进行多次数据采集，记录此时压力分布用于后续解算。

其中，顶部金属层如图4所示，直接与穿戴者鞋底接触，并且被划分为三个柔性连接在一起的金属板，每个金属板分别位于足底三处主要受力区域；

其中，三个金属板分别覆盖在对应位置的三个异型气囊上，每个金属板之间采用间隙分布的多个弹簧钢片柔性连接在一起；

在本实施例中，顶部金属层，即与穿戴者鞋底接触的平面被划分为三部分，且三部分间采用弹簧钢片相连接，用于减小各金属片间的相互影响，可实现穿戴者穿鞋使用穿戴式外骨骼助力机器人时仍能较为准确的测定所需足底压力分布。

在本实施例中，顶部金属层主要由3块铝合金金属板及弹簧钢片组成，12、13、14是三块铝合金金属板，15是弹簧钢片，12对应足底足跟，13对应足底第一、二跖骨区，14对应第三、四、五跖骨区。

三块金属板覆盖在三个异型气囊之上，通过弹簧钢片连接，实现3块铝合金金属板的柔性连接，减小相互间影响，弹簧钢片与铝合金金属板采用螺栓连接。当穿戴着鞋底对顶部金属层产生压力时，压力主要由下面异形气囊承受，可以保证气体传感器采集到较为精准数据用于控制解算。

需要强调的是，本发明所述实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种用于穿戴式外骨骼助力机器人的足底压力测量装置，其特征在于：由下至上依次为底部橡胶层、底部金属层、中间装置和顶部金属层的四层结构；所述底部金属层的足底足跟区域的一侧固装有球形铰链，并通过该球形铰链与小腿相连接；所述中间装置层包括三个异形气囊和分别与该三个异形气囊相连接的三个气体传感器，被划分为三个柔性连接在一起的金属板，每个金属板分别位于足底三处主要受力区域。本发明能够快速准确测量穿戴式外骨骼助力机器人的足底压力。

技术研发人员：刁彦飞;韩瑞雪;李彬;高志宇;金琛
受保护的技术使用者：中国船舶重工集团公司第七0七研究所
技术研发日：2018.09.30
技术公布日：2019.01.01