本發(fā)明屬于人體仿生技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種人體腳部仿生外骨骼系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著科學(xué)技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)和智能技術(shù)的發(fā)展，為了改善人民的生活質(zhì)量，尤其是老年人與殘疾人，自上世紀(jì)60年代起，各大機(jī)構(gòu)展開了對(duì)人類步態(tài)以及外骨骼的研究。外骨骼主要被用于輔助步行或者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，因此在醫(yī)療行業(yè)與日常生活中都有廣泛的應(yīng)用背景。

外骨骼與內(nèi)骨骼相對(duì)應(yīng)。內(nèi)骨骼為人體骨骼，在人體內(nèi)部與肌肉共同支撐人體。外骨骼作為可穿戴機(jī)械設(shè)備，借助物理機(jī)械在人體外部支撐人體，可以協(xié)助人，增強(qiáng)人體能力。已有的外骨骼可以輔助人完成超越人體機(jī)能限制的動(dòng)作，如舉起超越人體承受極限的重物、進(jìn)行高速奔跑、遠(yuǎn)距離跳躍等，也有用于醫(yī)療途徑的外骨骼設(shè)備，可以幫助殘疾人運(yùn)動(dòng)，彌補(bǔ)其喪失的行動(dòng)能力。

人體腳部仿生外骨骼系統(tǒng)作為整套外骨骼的一個(gè)獨(dú)立部分，應(yīng)用于外骨骼之中。其在外骨骼中擔(dān)任的角色，相當(dāng)于人體的腳部。同類型的發(fā)明還有腿部仿生外骨骼、各處關(guān)節(jié)仿生外骨骼等。

目前，已投入市場(chǎng)的外骨骼的腳部仿生系統(tǒng)多需要特制的鞋與其適配，或者對(duì)普通商品鞋進(jìn)行改造，使用不夠便利，且提高了成本。此外，這些設(shè)備要么不支持上下樓梯，要么只能通過人的手動(dòng)控制，一次按鈕只能走一級(jí)臺(tái)階，無法自動(dòng)識(shí)別平地和臺(tái)階，因此無法進(jìn)行流暢的步態(tài)轉(zhuǎn)換。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種人體腳部仿生外骨骼系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)與普通商品鞋的適配，并實(shí)現(xiàn)對(duì)平地和臺(tái)階的自動(dòng)識(shí)別。

本發(fā)明提出的一種人體腳部仿生外骨骼系統(tǒng)，其特征在于，該外骨骼系統(tǒng)包括限位裝置和測(cè)距裝置；所述限位裝置與人體腿部仿生外骨骼相接，該限位裝置包裹于人體腳部及普通鞋外部，用于限制人體腳部及普通鞋與該人體腳部仿生外骨骼系統(tǒng)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；所述測(cè)距裝置固定于限位裝置一側(cè)，用于測(cè)量該人體腳部仿生外骨骼系統(tǒng)與前方、下方障礙物的距離，并與外部的控制系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)傳輸。

所述限位裝置包括踝部護(hù)板和位于其下側(cè)的腳蹬，兩者之間為轉(zhuǎn)動(dòng)連接，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)人體腳部的前后/左右限位和上下限位，通過踝部護(hù)板與腳蹬的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)人體踝關(guān)節(jié)的伸展自由度。

本發(fā)明的特點(diǎn)及有益效果：

本發(fā)明作為人體仿生外骨骼的一部分，也是人體仿生外骨骼的支撐點(diǎn)，其設(shè)計(jì)對(duì)人體仿生外骨骼的性能影響很大。本發(fā)明所應(yīng)用的人體仿生外骨骼可應(yīng)用于康復(fù)醫(yī)療，能輔助喪失行動(dòng)能力的人完成直立、行走、上下樓梯等動(dòng)作。

根據(jù)本發(fā)明的人體腳部仿生外骨骼系統(tǒng)，能夠利用踝部護(hù)板與腳蹬之間的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)人體腳部外骨骼的踝關(guān)節(jié)伸展自由度的隨動(dòng)運(yùn)動(dòng)，且通過限位裝置與普通鞋適配，同時(shí)可通過測(cè)距裝置進(jìn)行路面信息采集，對(duì)平地和臺(tái)階進(jìn)行識(shí)別，進(jìn)而為實(shí)現(xiàn)連續(xù)的上下臺(tái)階模式奠基。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，且適配性強(qiáng)，體驗(yàn)舒適度高。

附圖說明

圖1為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的人體腳部仿生外骨骼系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的踝部護(hù)板的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的腳蹬的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的，一種可以替代腳蹬上的柔性綁帶的鞋勾示意圖；

圖5為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的測(cè)距裝置的裝配示意圖；

圖6為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的測(cè)距儀固定器的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提出的一種人體腳部仿生外骨骼系統(tǒng)，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例詳細(xì)說明如下：

本發(fā)明提出的一種人體腳部仿生外骨骼系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括：

限位裝置：包括踝部護(hù)板1，腳蹬2；

測(cè)距裝置3；其中，

所述限位裝置與人體腿部仿生外骨骼(所述人體腿部仿生外骨骼不屬于本發(fā)明內(nèi)容)相接，該限位裝置包裹于人體腳部及普通商品鞋外部，用于限制人體腳部及普通商品鞋與該人體腳部仿生外骨骼系統(tǒng)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；所述測(cè)距裝置固定于限位裝置一側(cè)，用于測(cè)量該人體腳部仿生外骨骼系統(tǒng)與前方、下方障礙物的距離，并與外部的控制系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)傳輸。

所述限位裝置包括踝部護(hù)板1和位于其下側(cè)的腳蹬2，兩者之間通過轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)人體腳部的前后/左右限位和上下限位，通過踝部護(hù)板1與腳蹬2的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)人體踝關(guān)節(jié)的伸展自由度。

所述踝部護(hù)板1的結(jié)構(gòu)如圖2所示，為一由踝部護(hù)板主體11及腳蹬連接支架12一體成型的對(duì)稱結(jié)構(gòu)；其中，踝部護(hù)板主體11為U型殼體結(jié)構(gòu)，其圓弧段內(nèi)表面與人體足腕貼合，起保護(hù)踝關(guān)節(jié)的作用，U型圓弧部分約為周長15cm的半圓弧；在踝部護(hù)板主體11的兩平直側(cè)壁端部對(duì)稱設(shè)置人體腿部仿生外骨骼接口13用于連接人體腿部仿生外骨骼，該接口根據(jù)人體腿部仿生外骨骼的結(jié)構(gòu)確定，本實(shí)施例此接口為四個(gè)通孔，通孔成2*2的陣列排布，可以通過與螺釘配合完成與腿部外骨骼的銜接；所述腳蹬連接支架12對(duì)稱固定在踝部護(hù)板主體11的兩平直側(cè)壁端部下側(cè)，兩腳蹬連接支架12端部設(shè)有腳蹬接口14，該腳蹬接口包含一較腳蹬連接支架12內(nèi)表面下沉約2mm的圓槽及與該圓槽同心設(shè)置且凸出于腳蹬連接支架12內(nèi)表面的短軸。

所述腳蹬2位于踝部護(hù)板1的下側(cè)，如圖3所示，腳蹬2為正視呈U型、側(cè)視呈倒置Y型的對(duì)稱殼體結(jié)構(gòu)，腳蹬2一體成型，其尺寸根據(jù)普通商品鞋尺寸均碼確定，而對(duì)于稍大或稍小的鞋碼也能適應(yīng)安裝，中部空置，用于容納人體腳部及普通商品鞋；腳蹬2兩側(cè)壁頂部對(duì)稱設(shè)有踝部護(hù)板接口21，該接口的尺寸與踝部護(hù)板腳蹬接口14的尺寸相適應(yīng)，踝部護(hù)板1與腳蹬2之間通過其內(nèi)的腳蹬接口13、踝部護(hù)板接口21實(shí)現(xiàn)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)人體踝關(guān)節(jié)的伸展自由度，以模擬人體腳部的運(yùn)動(dòng)；腳蹬2兩側(cè)壁中部各設(shè)有兩長孔，分別為腳跟綁帶束帶孔22與腳背綁帶束帶孔23，腳跟綁帶孔22略長于腳背綁帶孔23，腳跟綁帶束帶孔22長度約為倒Y型側(cè)壁Λ形部分一條分支長度的2/3，腳背綁帶束帶孔23為其所在分支長度的1/2，位于側(cè)壁上的束帶孔均用于固定綁帶，綁帶捆綁腳背和腳跟后將人體腳部及普通商品鞋固定在腳蹬2上；腳蹬2底部為可與普通商品鞋適配的足弓座24和足跟接口25，將普通商品鞋的足弓位置支撐于足弓座24上，足跟接口25大致位于人體腳部足跟處；人體足弓處一般略高于足底平面，與地面有一間隙，足弓座24底端的橫梁可以填補(bǔ)普通鞋在足弓處的離地空隙，既能固定住鞋子，又不會(huì)影響人體行走舒適度；足跟接口25的端部夾持住鞋子足跟處的寬大部分，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)腳蹬與足部、鞋子的固定；在踝部護(hù)板接口21下方、Y型兩側(cè)壁中心處還設(shè)有一測(cè)距裝置接口26，該接口由兩水平排列的通孔組成，用于固定測(cè)距裝置3。本發(fā)明實(shí)施例中的綁帶為自粘魔術(shù)貼，穿過束帶孔進(jìn)行自粘即可實(shí)現(xiàn)固定人體足部，使用完畢后直接撕下即可分離足部與腳蹬。

本發(fā)明還可以通過鞋勾的方式來固定其自身與人體足部。鞋勾方式即以鞋勾代替綁帶。如圖4為一個(gè)鞋勾實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。鞋勾整體呈T字型，大小根據(jù)使用者所用商品鞋的不同而有所不同，其上部長度與商品鞋上部側(cè)沿配合，T型下端與所述腳蹬2固定；該鞋勾上端設(shè)有彎勾41勾在商品鞋上部側(cè)沿；該鞋勾下端設(shè)有鞋勾定位螺孔42，可以與腳蹬2的腳背綁帶束帶孔23銜接，并固定在腳蹬2內(nèi)側(cè)。

所述測(cè)距裝置3的結(jié)構(gòu)如圖5所示，包括測(cè)距儀固定器31，以及分別位于該測(cè)距儀固定器31兩側(cè)壁上的超聲測(cè)距儀32、超聲測(cè)距儀33；測(cè)距儀固定裝置31呈L型，其結(jié)構(gòu)如圖6所示，兩側(cè)壁間以圓弧過度，尺寸根據(jù)所選購的超聲測(cè)距儀(為常規(guī)產(chǎn)品)的大小不同而有所不同；測(cè)距儀固定器31上設(shè)有固定器接口311，該接口由兩個(gè)水平排列的通孔組成，與腳蹬2中的測(cè)距裝置接口26配合，用于固定該測(cè)距裝置，固定后的測(cè)距裝置貼合于腳蹬2的側(cè)面，測(cè)距裝置底端距地面約1cm；測(cè)距儀固定器兩側(cè)壁上還設(shè)有超聲測(cè)距儀槽位312，該槽位為圓角矩形，尺寸略大于兩個(gè)互相垂直的超聲測(cè)距儀，具體尺寸根據(jù)所選購的超聲測(cè)距儀大小不同而有所不同，裝配超聲測(cè)距儀時(shí)，超聲測(cè)距儀沉入所述槽位中，槽位外側(cè)四角處各有一通孔，螺釘通過該通孔固定超聲測(cè)距儀。測(cè)距儀固定器31為直角型結(jié)構(gòu)，因此超聲測(cè)距儀32與超聲測(cè)距儀33的位置為垂直關(guān)系，其中，超聲測(cè)距儀32測(cè)量與前方障礙物的距離，超聲測(cè)距儀33測(cè)量與下方障礙物的距離，然后將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，傳輸?shù)酵獠靠刂葡到y(tǒng)。

所述外部控制系統(tǒng)不屬于本發(fā)明保護(hù)內(nèi)容，為人體仿生外骨骼的機(jī)械控制中樞，一般由單片機(jī)組成，具有簡單的數(shù)據(jù)處理能力，通常位于整套人體仿生外骨骼的背部，與人體仿生外骨骼其他部分通過電路通信，支配其他部分完成動(dòng)作任務(wù)。

本發(fā)明實(shí)施例的工作過程或工作原理說明如下：

使用者可穿著普通鞋(如普通運(yùn)動(dòng)鞋)使用本發(fā)明實(shí)施例，利用足弓座24托起足弓部分，足跟接口25則與運(yùn)動(dòng)鞋足跟部分適配；兩條限位綁帶分別穿過束帶孔22、23后自粘，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)足跟、足背的加壓，以加強(qiáng)人體腳部與本發(fā)明實(shí)施例之間的固定；

當(dāng)人體行走時(shí)，本實(shí)施例受到帶動(dòng)抬起或者放下，踝關(guān)節(jié)處伸展自由度為隨動(dòng)狀態(tài)，踝部護(hù)板1和腳蹬2在重力及其他外力的作用下可做不大于90度的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)；

人體行走時(shí)如果遇到上行臺(tái)階，超聲測(cè)距儀32檢測(cè)到的前方障礙距離將減小，控制系統(tǒng)由測(cè)距儀32的數(shù)據(jù)觸發(fā)，驅(qū)動(dòng)外骨骼關(guān)節(jié)抬起足部；抬足后，超聲測(cè)距儀32將檢測(cè)下一級(jí)臺(tái)階與人體足部的水平距離，前方障礙距離數(shù)值突然增大，控制系統(tǒng)由此觸發(fā)，驅(qū)動(dòng)外骨骼關(guān)節(jié)將已抬起的足向前平移，直到超聲測(cè)距儀33檢測(cè)到下方障礙物的距離將突然減小，此時(shí)人體腳部已到達(dá)臺(tái)階上方，外部控制系統(tǒng)在收到測(cè)距儀發(fā)來的信號(hào)后即可控制并驅(qū)動(dòng)本腳部仿生外骨骼系統(tǒng)將腳放下；

人體行走時(shí)如果遇到下行臺(tái)階，向前方伸腳時(shí)超聲測(cè)距儀33檢測(cè)到的距離將突然增大，此時(shí)人體腳部已到達(dá)下一級(jí)臺(tái)階上方，外部控制系統(tǒng)在收到超聲測(cè)距儀發(fā)來的信號(hào)后即可控制并驅(qū)動(dòng)本腳部仿生外骨骼系統(tǒng)將腳放下。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的人體腳部仿生外骨骼系統(tǒng)，能夠利用踝部護(hù)板與腳蹬之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)人體腳部仿生外骨骼的踝關(guān)節(jié)伸展自由度的隨動(dòng)運(yùn)動(dòng)，且通過限位裝置與普通商品鞋適配，同時(shí)可通過測(cè)距裝置進(jìn)行路面信息采集，對(duì)平地和臺(tái)階進(jìn)行識(shí)別，進(jìn)而為實(shí)現(xiàn)連續(xù)的上下臺(tái)階模式奠基。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，且適配性強(qiáng)，體驗(yàn)舒適度高。

盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，可以理解的是，上述實(shí)施例是示例性的，不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行變化、修改、替換和變型。