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CN105904439A - 一种感知步态且刚度自调整的柔性足部装置 - Google Patents

一种感知步态且刚度自调整的柔性足部装置 Download PDF

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CN105904439A CN201610334906.6A CN201610334906A CN105904439A CN 105904439 A CN105904439 A CN 105904439A CN 201610334906 A CN201610334906 A CN 201610334906A CN 105904439 A CN105904439 A CN 105904439A
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唐鹏
张向刚
严尧
周丰
秦开宇
邓程心
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Abstract

本发明公开了一种感知步态且刚度自调整的柔性足部装置，包括脚掌机构、踝关节运动机构、刚度调整机构以及电控系统机构；踝关节运动机构和电控系统机构均设置于脚掌机构；刚度调整机构包括对称分布于踝关节运动机构两侧的前刚度调整组件和后刚度调整组件，前刚度调整组件和后刚度调整组件的两端均分别连接于脚掌机构和踝关节运动机构；电控系统机构用于根据脚掌机构采集的步态信息控制前刚度调整组件的运动。本发明提供的柔性足部装置，可根据步态信息实现对刚度自调整，穿戴舒适性更好，具有很好的实用性和适用性，值得在业内推广。

Description

一种感知步态且刚度自调整的柔性足部装置
技术领域
本发明属于外骨骼机器人技术领域，具体涉及一种感知步态且刚度自调整的柔性足部装置。
背景技术
近年来，国内外许多高校及科研机构都争先开发穿戴式外骨骼机器人，其在负重助力、医疗康复等领域的应用得到了快速的发展。同时，研究人员发现开发与人体协调耦合的机器人结构成为该技术领域的重难点，因而一批仿人体骨骼、肌肉运动机理的装置得到了发明，这些结构装置在一定程度上满足人机交互需求，但也存在结构被动、过于简化、柔性差、穿戴舒适性低等问题。例如浙江大学的专利《可穿戴式准被动踝关节外骨骼康复装置》(专利申请号：2015101172029)采用伸缩弹簧机构与扭转弹簧机构组合的形式，模仿人体踝关节屈伸运动时转矩的变化。但事实上，人体的足部具有多个自由度，并非简单的屈伸运动，同时人在行走过程中，踝关节转矩并非为定值，而是随着脚步而不断变化，也就是说对整个足部而言，其刚度在一个步态周期内随时在做调整。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，提供一种舒适性更高、跟随性更好的感知步态且刚度自调整的柔性足部装置。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种感知步态且刚度自调整的柔性足部装置，包括脚掌机构、踝关节运动机构、刚度调整机构以及电控系统机构，其中，
所述脚掌机构内设置有压力传感器，所述压力传感器用于采集步态信息；
所述踝关节运动机构包括由下至上依次设置的圆柱支撑件、圆弧套筒件、中间支撑件、小腿连接件，所述圆柱支撑件下端固定连接于脚掌机构上，所述圆柱支撑件上端套入圆弧套筒件内并转动连接，所述中间支撑件下端采用圆弧结构且连接于圆弧套筒件上端，所述小腿连接件下端连接于中间支撑件上端。
所述刚度调整机构包括对称分布于踝关节运动机构两侧的前刚度调整组件和后刚度调整组件，所述前刚度调整组件和后刚度调整组件的两端均分别连接于脚掌机构和踝关节运动机构；
所述电控系统机构设置于脚掌机构内，用于根据脚掌机构采集的步态信息控制前刚度调整组件的运动。
优选地，所述脚掌机构包括设置有凹槽的脚掌件，以及设置于脚掌件外侧的承重台，所述脚掌件的凹槽内设置有填充层和所述压力传感器，所述脚掌上侧安装有脚掌鞋垫，所述承重台用于为踝关节运动机构、刚度调整机构以及电控系统机构提供安装位置。
优选地，所述脚掌件包括转动连接且均设有凹槽的前脚掌件和后脚掌件，所述填充层包括分别设置于所述前脚掌件和后脚掌件凹槽内的前脚掌填充层和后脚掌填充层，所述脚掌鞋垫包括分别设置于前脚掌件和后脚掌件上侧的前脚掌鞋垫和后脚掌鞋垫，所述承重台设置于后脚掌件的外侧。
优选地，所述压力传感器的数量为三枚，分别位于所述脚掌件的大母趾和小趾末端处，以及脚后跟处。
优选地，所述填充层和脚掌鞋垫均采用软质材料。
优选地，所述后刚度调整组件包括万向球套筒一和弹簧一，所述弹簧一两端分别设有固定端子一和固定端子二，所述万向球套筒一连接于脚掌机构，所述固定端子一插入万向球弹筒内并与其滑动连接，所述固定端子二固定连接于踝关节运动机构。
优选地，所述前刚度调整组件包括依次连接的万向球套筒二、直流电机、滚珠丝杆，还包括依次连接螺母、弹簧二以及固定端子三，所述螺母套设于滚珠丝杆上所述固定端子三固定连接于踝关节运动机构，所述万向球套筒二连接于脚掌机构。
优选地，所述电控系统机构包括电源和控制电路板。
本发明的有益效果是：本发明提供的柔性足部装置，脚掌机构内安装的压力传感器能够准确感知人体行走姿态，为电控系统机构提供步态信息。在脚掌机构上设置了刚度调整机构，通过电控系统机构根据压力传感器采集的步态信息即可控制刚度调整机构的运动，随时改变踝关节运动机构刚度，从而实现刚度自调整。踝关节运动机构共具有三个自由度，符合足部运动机理，增加了穿戴舒适性。当脚掌件采用转动连接的前后脚掌件时，整个装置将具有四个自由度，装置穿戴舒适性更好。整体而言，该装置具有很好的实用性和适用性，值得在业内推广。
附图说明
图1是本发明脚掌机构的内部示意图；
图2是本发明脚掌机构的侧视示意图；
图3是本发明踝关节运动结构示意图；
图4是本发明刚度调整机构示意图；
图5是本发明感知步态且刚度可调的柔性足部装置结构示意图。
附图标记说明：1、前脚掌件；2、压力传感器；3、后脚掌件；4、前脚掌填充层；5、后脚掌填充层；6、前脚掌鞋垫；7、后脚掌鞋垫；8、销轴一；9、安装槽一；10、承重台；11、安装槽二；12、圆槽；13、万向球套筒；14、固定端子一；15、弹簧一；16、固定端子二；17、直流电机；18、螺母；19；滚珠丝杆；20、固定端子三；21、限位销；22、圆柱支撑件；23、圆弧套筒件；24、中间支撑件；25、小腿连接件；26、绑带固定槽；27、螺纹孔；28、弹簧二。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：
如图1-5所示，本发明感知步态且刚度可调的柔性足部装置结构示意图，包括脚掌机构、踝关节运动机构、刚度调整机构以及电控系统机构；踝关节运动机构固定连接于脚掌机构；刚度调整机构包括对称分布于踝关节运动机构两侧的前刚度调整组件和后刚度调整组件，前刚度调整组件和后刚度调整组件的两端均分别连接于脚掌机构和踝关节运动机构；电控系统机构设置于脚掌机构内，用于根据脚掌机构采集的步态信息控制前刚度调整组件的运动。
如图1-2所示，脚掌机构的结构示意图，脚掌机构包括设置有凹槽的脚掌件，以及设置于脚掌件外侧的承重台10。脚掌件的凹槽内设置有压力传感器2和填充层，脚掌上侧安装有脚掌鞋垫。在本实施例中，脚掌件包括转动连接且均设有凹槽的前脚掌件1和后脚掌件3。填充层包括分别设置于前脚掌件1和后脚掌件3凹槽内的前脚掌填充层4和后脚掌填充层5。脚掌鞋垫包括分别设置于前脚掌件1和后脚掌件3上侧的前脚掌鞋垫6和后脚掌鞋垫7。承重台10设置于后脚掌件的外侧。承重台10用于承受足部以上的重量，同时为踝关节运动机构、刚度调整机构以及电控系统机构提供安装位置。具体的，前脚掌1和后脚掌3通过销轴8连接，可相对转动。后脚掌3与承重台10一体成型。承重台10上设置有安装槽一9、安装槽二11、两个圆槽12。安装槽一9用于安装电控系统机构。安装槽二11内设置有螺纹孔27，用于安装踝关节运动机构。两个圆槽12对称分布于安装槽二11的两侧，分别用于安装前刚度调整组件和后刚度调整组件。压力传感器2用于采集步态信息，数量为3枚，分别位于前脚掌件1凹槽内的大母趾和小趾末端处，以及后脚掌件3凹槽内靠近脚后跟处。为更好的安放压力传感器2，前脚掌1和后脚掌3的凹槽内均设置有圆柱形凸起，该圆柱形凸起为中空结构，压力传感器2放置于圆柱形凸起中。此外，在前脚掌件1和后脚掌件3的凹槽内还设置有走线槽，走线槽用于放置并保护压力传感器2所必需的电源线与信号线。为适应相应安装部件的结构形状，安装槽一9采用矩形结构，安装槽二11采用圆形结构，显然安装槽的结构形状不限于此。进一步的，前脚掌1和后脚掌3的外侧壁均设置于绑带固定槽26，以便固定人体足部。前脚掌填充层4、后脚掌填充层5、前脚掌鞋垫6和后脚掌鞋垫7均采用软质材料，可减少整体装置的质量，同时增加柔性。
如图3所示，本发明踝关节运动机构示意图，踝关节运动机构包括由下至上依次设置的圆柱支撑件22、圆弧套筒件23、中间支撑件24、小腿连接件25，圆柱支撑件22下端固定连接于脚掌机构上，圆柱支撑件22上端套入圆弧套筒件23内并转动连接，中间支撑件24下端采用圆弧结构且连接于圆弧套筒件23上端，小腿连接件25下端连接于中间支撑件24上端。该踝关节运动机构具有三自由度运动特性，可实现踝关节的屈伸、内旋/外旋以及内翻/外翻动作。具体的，圆柱支撑件22下端通过螺纹孔27与承重台10固定连接。圆弧套筒件23中间位置设有限位孔，圆柱支撑件22套入到圆弧套筒内，限位销21通过限位孔穿设过圆柱支撑件21的中部，使圆柱支撑件22和圆弧套筒件23转动连接，由此脚掌机构连同圆柱支撑件22可相对圆弧套筒件23在水平面转动，同时限位孔和限位销21起到限制转动角度的作用。值得说明的是，圆柱支撑件22和圆弧套筒件23的转动连接并不限于前述一种方式。中间支撑件24与圆弧套筒件23上端通过圆弧凸凹槽耦合、销轴连接。中间支撑件24下端具有与圆弧套筒件相同的圆弧特征，通过销轴连接后，可相对转动，实现踝关节的内外翻转运动。小腿支撑件25下端连接中间支撑件24，可在一定角度内相对转动，实现踝关节的屈伸运动，其上端通过螺纹与小腿杆件连接。
如图4所示，本发明刚度调整机构示意图，刚度调整机构包括前刚度调整组件和后刚度调整组件。后刚度调整组件包括万向球套筒一13和弹簧一15，弹簧一15两端分别设有固定端子一14和固定端子二16。万向球套筒一13连接于脚掌机构。固定端子一13插入万向球弹筒内并与其滑动连接。弹簧一15在踝关节屈伸运动时只受到压力，不受拉力。固定端子二16固定连接于踝关节运动机构。前刚度调整组件包括依次连接的万向球套筒二、直流电机17、滚珠丝杆19，还包括依次连接螺母18、弹簧二28以及固定端子三20。螺母18套设于滚珠丝杆19上固定端子三固定连接于踝关节运动机构，万向球套筒二连接于脚掌机构。具体的，直流电机17的外壳与万向球套筒二固定连接，直流电机17的输出端通过联轴器与滚珠丝杆19连接。直流电机17用于驱动滚珠丝杆19，带动螺母18做往复直线运动，从而使弹簧二28随着伸缩起到主动调节整个柔性足部装置刚度的作用。万向球套筒一13和万向球套筒二分别与两个圆槽12形成球副，可相当于转动。固定端子一和固定端子二分别通过弹簧销与踝关节运动机构的小腿连接件25固定连接。
电控系统机构包括电源和控制电路板(图中未示出)。控制电路板以微控制单元(MCU)为核心，集成了传感器信号采集电路和直流电机驱动电路。电源采用锂电池。电控系统机构与压力传感器2以及直流电机17电连接。
值得说明的是，基于本发明给出的硬件架构结合本文的各种说明性的模块，本领域技术人员能够以常规手段设计出电控系统机构的软件部分，同时，关于电连接的方式也为本领域的公知常识，这里不再赘述。
以下通过应用实例对本发明进行进一步的说明，以进一步展示本发明的原理和优点：
当人体足部通过绑带与本发明提供的柔性足部装置固定后，在行走过程中，首先脚后跟触地，此时后刚度调节组件的弹簧一15受到压缩，起到蓄能缓冲重力的作用，之后整个脚掌触地，踝关节作屈曲运动，由于固定端子一14相对万向球套筒13滑动连接，故不会阻碍踝关节向前转动。同时此过程中，通过压力传感器2采集步态信息，经电控系统机构对提前存储好的“位置-刚度”函数比对后，控制直接电极17驱动滚珠丝杆19带动螺母18做往复直线运动，而弹簧二随着伸缩，便起到了自动调节装置刚度的作用此外，在形成过程中，脚掌可以相对圆弧支撑件23做内旋/外旋运动，相对中间支撑件24作内翻/外翻运动，增加了行走的敏捷性。
本发明提供的柔性足部装置，压力传感器安装的位置恰当，数量少却能准确感知人体行走姿态。在电控系统机构中建立了人体步态于踝关节刚度间的函数关系，电控系统根据压力传感器采集步态信息，通过直流电机、滚珠丝杆和螺母驱动弹簧二伸缩，可随时改变踝关节刚度，从而实现刚度自调整。该装置整体具有四自由度，在前后脚掌件之间配置了一个转动自由度，踝关节配置三个自由度，更符合人体足部运动机理，增加穿戴的舒适性。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种感知步态且刚度自调整的柔性足部装置，其特征在于：包括脚掌机构、踝关节运动机构、刚度调整机构以及电控系统机构，其中，
所述脚掌机构内设置有压力传感器(2)，所述压力传感器(2)用于采集步态信息；
所述踝关节运动机构包括由下至上依次设置的圆柱支撑件(22)、圆弧套筒件(23)、中间支撑件(24)、小腿连接件(25)，所述圆柱支撑件(22)下端固定连接于脚掌机构上，所述圆柱支撑件(22)上端套入圆弧套筒件(23)内并转动连接，所述中间支撑件(24)下端采用圆弧结构且连接于圆弧套筒件(23)上端，所述小腿连接件(25)下端连接于中间支撑件(24)上端；
所述刚度调整机构包括对称分布于踝关节运动机构两侧的前刚度调整组件和后刚度调整组件，所述前刚度调整组件和后刚度调整组件的两端均分别连接于脚掌机构和踝关节运动机构；
所述电控系统机构设置于脚掌机构内，用于根据压力传感器采集的步态信息控制刚度调整机构的运动。
2.根据权利要求1所述的柔性足部装置，其特征在于：所述脚掌机构包括设置有凹槽的脚掌件，以及设置于脚掌件外侧的承重台(10)，所述脚掌件的凹槽内设置有填充层和所述压力传感器(2)，所述脚掌上侧安装有脚掌鞋垫，所述承重台(10)用于为踝关节运动机构、刚度调整机构以及电控系统机构提供安装位置。
3.根据权利要求2所述的柔性足部装置，其特征在于：所述脚掌件包括转动连接且均设有凹槽的前脚掌件(1)和后脚掌件(3)，所述填充层包括分别设置于所述前脚掌件(1)和后脚掌件(3)凹槽内的前脚掌填充层(4)和后脚掌填充层(5)，所述脚掌鞋垫包括分别设置于前脚掌件(1)和后脚掌件(3)上侧的前脚掌鞋垫(6)和后脚掌鞋垫(7)，所述承重台(10)设置于后脚掌件的外侧。
4.根据权利要求2或3所述的柔性足部装置，其特征在于：所述压力传感器(2)的数量为三枚，分别位于所述脚掌件的大母趾和小趾末端处，以及脚后跟处。
5.根据权利要求2或3所述的柔性足部装置，其特征在于：所述填充层和脚掌鞋垫均采用软质材料。
6.根据权利要求1-3任一所述的柔性足部装置，其特征在于：所述后刚度调整组件包括万向球套筒一(13)和弹簧一(15)，所述弹簧一(15)两端分别设有固定端子一(14)和固定端子二(16)，所述万向球套筒一(13)连接于脚掌机构，所述固定端子一(13)插入万向球弹筒内并与其滑动连接，所述固定端子二(16)固定连接于踝关节运动机构。
7.根据权利要求1-3任一所述的柔性足部装置，其特征在于：所述前刚度调整组件包括依次连接的万向球套筒二、直流电机(17)、滚珠丝杆(19)，还包括依次连接螺母(18)、弹簧二(28)以及固定端子三(20)，所述螺母(18)套设于滚珠丝杆(19)上所述固定端子三固定连接于踝关节运动机构，所述万向球套筒二连接于脚掌机构。
8.根据权利要求1-3任一所述的柔性足部装置，其特征在于：所述电控系统机构包括电源和控制电路板。
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