一种下肢助力外骨骼机器人承载鞋制造技术

一种下肢助力外骨骼机器人承载鞋，包括足跟结构(1)、趾结构(4)、鞋底、弓弹体结构；足跟结构(1)、趾结构(4)分别安装在鞋底上，当脚踩在鞋底上时，足跟结构(1)、趾结构(4)分别位于脚的外侧；弓弹体结构的一端与足跟结构(1)固连，另一端与趾结构(4)铰接，通过弓弹体结构传递外骨骼和负重在行走过程中由于重心变化产生的重力。

【技术实现步骤摘要】
一种下肢助力外骨骼机器人承载鞋
本专利技术属于鞋制造领域，尤其涉及外骨骼机器人实现运动承载的鞋体。
技术介绍
外骨骼机器人穿戴或绑缚于人体，作用于人体与负重之间，帮助人承担需要背负的负重，并按照人的意图，与人携行运动。从而提高人体的负重能力或运动能力。对于外骨骼结构而言，其主要功能在代替人体承受负重载荷，重力会沿着背架、髋部结构、下肢结构的顺序向下传递，并最终通过鞋体传递至地面。因此鞋体是整个外骨骼结构中承载的末端环节，直接与地面接触。外骨骼及负重的重力最终都会集中作用于鞋体，可见鞋体是外骨骼及负重重力承载传递的重要部件之一。与此同时，为了实现人机运动一致，鞋体需要与人的脚部紧紧绑缚在一起，在前后脚掌之间既要有一定的柔韧性和自由度，也要有一定的刚度。柔韧性和自由度是为了配合人体脚掌的运动自由度，外骨骼鞋体与人体运动时不发生干涉问题。刚度是为了承载传递外骨骼及负重的重力。在目前的外骨骼承载鞋的机械结构研究中，多为外骨骼静止站立时的承载鞋结构设计，而在外骨骼与人协同运动过程中，承载鞋的力传递是在由脚跟向脚掌交替变换的。如果不考虑运动时力传递，很难达到外骨骼与人体协同运动。目前对外骨骼鞋体研究中，多为承载式鞋体。其主要功能是将外骨骼的垂向载荷，通过背架、髋部结构、下肢承载结构的顺序向下传递，并最终通过鞋体承载并传递至地面。其研究的承载效果多为静止站立状态的效果，由外骨骼脚跟部结构件承载传力的方式。而在运动时，外骨骼及负重重心是会前后变换的，鞋体承受的重力也会在前脚掌和后脚掌之间交替变化。也就是说，在外骨骼运动过程中，除脚跟需要承载传力以外，脚掌也需要承载传力。如果没有脚掌承载传力结构部分，在某些步态下，外骨骼重力、负重重力、人自身重力，都将通过人体跖、趾骨骼传力至地面，这样不仅会使行走步态失真，还容易造成人体损伤，最终也会影响外骨骼的承载能力和协同运动效果。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：鉴于现有设计的不足本专利技术提供一种下肢助力外骨骼机器人承载鞋。本专利技术的技术解决方案是：一种下肢助力外骨骼机器人承载鞋，包括足跟结构、趾结构、鞋底、弓弹体结构；足跟结构、趾结构分别安装在鞋底上，当脚踩在鞋底上时，足跟结构、趾结构分别位于脚的外侧；弓弹体结构的一端与足跟结构固连，另一端与趾结构铰接，通过弓弹体结构传递外骨骼和负重在行走过程中由于重心变化产生的重力。进一步的，所述的鞋底为至少三层结构，跟脚踏板、掌脚踏板主体作为中间层分别位于鞋底的脚跟和脚掌部位，跟脚踏板、掌脚踏板在鞋底的两侧分别伸出两个支耳；鞋底最上层上安装压力传感器，最上层材料采用发泡弹性材料。进一步的，跟脚踏板、掌脚踏板选用邵氏硬度至少80A的材料。进一步的，所述的压力传感器的分布位置至少包括脚跟、脚掌内侧、脚掌外侧和至少一个脚趾的位置。进一步的，鞋底的底层采用弹性耐磨材料。进一步的，所述的弓弹体结构包括弹性片，跖结构；弹性片的一端固连足跟结构，另一端固连跖结构的一端，跖结构的另一端通过销轴与趾结构连接，销轴的轴线平行于人体的横截面且垂直于人体的失状面。进一步的，所述的弓弹体结构与鞋底平面之间的角度15-45°。进一步的，弹性片具有一定的形变量，承受0-90kg压力。进一步的，所述的足跟结构的上端面A为圆环状，内有中空结构接口，作用是与外骨骼的踝关节连接；下端面B与鞋底连接，朝向鞋尖方向的端面为端面C，端面D与端面C相交一定角度，角度范围为105-135°，且端面D与人体的失状面垂直；端面D用于连接弓弹体结构；端面B与端面C之间设置圆弧面，弓弹体结构为该圆弧面的一条切线，穿过端面A上踝关节轴线且与人体冠状面平行的平面与端面B的交线为该圆弧面的起始位置。进一步的，所述的足跟结构的后端仿人体跗骨后部骨骼形态设计。本专利技术与现有技术相比有益效果为：本专利技术参考人体足部骨骼结构形态和作用，设计了外骨骼承载鞋结构，当外骨骼静止站立时，外骨骼及负重的重力通过外骨骼的踝关节结构传给足跟结构，此时整体重心在足跟结构的端面A圆心并垂直于B面的轴线上，也就是踝关节竖轴的轴线上，1/2重力将通过端面B与鞋底根部传至地面。弓弹体结构、趾结构、鞋底、踝关节竖轴轴线构成三角形，承担另外1/2重力传递，并增强外骨骼站立的稳定性；当外骨骼及负重重心向人体背后方向发生变化时，向下的重力主要由端面B与鞋底根部承接并传至地面；当外骨骼及负重重心向人体胸前方向发生变化时，向下的重力主要由弓弹体结构、趾结构、鞋底、踝关节竖轴轴线构成三角形来承担，直至脚跟离地。当脚跟离地，脚尖着地时，由于弹性片会发生一定量的弯曲变形，鞋底材料也是采用了弹性材料，这时在面对重力传来的同时，会发生一定量的形变，此时构成的三角形变形，主要重力会沿着弓弹体结构传至脚掌鞋底，再通过鞋底传至地面。行走过程中，当外骨骼与负重的重心变换到另一腿上时，弓弹体结构所承受的重力减少，弹性片和鞋底发生形变产生的弹性势能，会通过脚掌蹬地来释放，给外骨骼和负重一个向前的行走的力。这个动作模拟了人体行走过程中，后脚尖蹬地前行的动作。弓弹体在个步态中起到承载传力和被动行走助力的作用。外骨骼与人体协同运动过程中，不能缺少人体运动意图识别。所以在鞋底分布4个压力传感器检测人运动意图。压力传感器的分布位置至少包括脚跟、脚掌内侧、脚掌外侧、至少一个脚趾位置。此分布位置为人体足部踩蹋压力最大的4个点，能够最大程度的采集人体足部的压力信息。通过对传感器压力信息的采集和分析，能够智能判断人体的运动意图，达到外骨骼与人协同行走的目的。附图说明图1为本专利技术结构示意图；图2为本专利技术足跟结构示意图。具体实施方式下面结合附图及实例对本专利技术作详细说明。在目前的外骨骼承载鞋的机械结构研究中，多为外骨骼静止站立时的承载鞋结构设计，而在外骨骼与人协同运动过程中，承载鞋的力传递是在脚跟和脚掌之间交替变换的。如果不考虑运动时力传递，很难达到外骨骼与人体协同运动。外骨骼需要达到与人体协同运动，除合身的结构设计，还需要运动感知判断。在外骨骼承载鞋底内嵌传感器，能够检测人体步态，结合其他部位传感器信息，外骨骼从而判断人体运动意图，才能达到人机协同的目的。根据上述问题阐述，既要达到静态承载，同时也需要运动时力传递和智能检测人体步态的需求。本专利技术参考人体足部骨骼结构形态和其作用，设计了外骨骼承载鞋结构，如附图1，其包括足跟结构1，弓弹体结构，趾结构4，鞋底。足跟结构1，仿人体足部跗骨结构，为承载传力核心部件。所述足跟结构1的上端面A为圆环状，内有中空方形结构接口，作用是与外骨骼的踝关节竖轴连接。下端面B与鞋底连接，作用是将外骨骼及负重的重力传至地面。朝向鞋尖方向的端面为端面C，有端面D与端面C相交一定角度，角度范围为105-135°，且端面D与人体的失状面垂直。端面D用于连接弓弹体结构。端面B与端面C之间设置圆弧面，弓弹体结构为该圆弧面的一条切线，穿过端面A上踝关节竖轴轴线且与人体冠状面平行的平面与端面B的交线为该圆弧面的起始位置，作用是增强行走时前向传力性能。弓弹体结构包括弹性片2，跖结构3，两端分别与足跟结构1和趾结构4相连，形成类似人体足弓形状，主要作用是承载传力和被动行走助力。弹性片2具有一定的形变量，承受0-90kg压力。行走过程中，外骨骼及负重重力会经过弓弹体传至前脚掌，再本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种下肢助力外骨骼机器人承载鞋，其特征在于：包括足跟结构(1)、趾结构(4)、鞋底、弓弹体结构；足跟结构(1)、趾结构(4)分别安装在鞋底上，当脚踩在鞋底上时，足跟结构(1)、趾结构(4)分别位于脚的外侧；弓弹体结构的一端与足跟结构(1)固连，另一端与趾结构(4)铰接，通过弓弹体结构传递外骨骼和负重在行走过程中由于重心变化产生的重力。

【技术特征摘要】
1.一种下肢助力外骨骼机器人承载鞋，其特征在于：包括足跟结构(1)、趾结构(4)、鞋底、弓弹体结构；足跟结构(1)、趾结构(4)分别安装在鞋底上，当脚踩在鞋底上时，足跟结构(1)、趾结构(4)分别位于脚的外侧；弓弹体结构的一端与足跟结构(1)固连，另一端与趾结构(4)铰接，通过弓弹体结构传递外骨骼和负重在行走过程中由于重心变化产生的重力。2.根据权利要求1所述的承载鞋，其特征在于：所述的鞋底为至少三层结构，跟脚踏板(5)、掌脚踏板(6)主体作为中间层分别位于鞋底的脚跟和脚掌部位，跟脚踏板(5)、掌脚踏板(6)在鞋底的两侧分别伸出两个支耳；鞋底最上层上安装压力传感器(7)。3.根据权利要求2所述的承载鞋，其特征在于：跟脚踏板(5)、掌脚踏板(6)选用邵氏硬度至少80A。4.根据权利要求2所述的承载鞋，其特征在于：所述的压力传感器的分布位置至少包括脚跟、脚掌内侧、脚掌外侧和至少一个脚趾的位置。5.根据权利要求2所述的承载鞋，其特征在于：鞋底的底层(8)采用弹性耐磨材料。6.根据权利要求1所述的承载鞋，其特征在于：所述的弓...

【专利技术属性】
技术研发人员：何程函，刘旭亮，朱晓荣，于志远，刘宏伟，
申请(专利权)人：北京精密机电控制设备研究所，中国运载火箭技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11