本发明涉及一种外骨骼机器人，特别涉及一种智能传感靴以及含其的下肢外骨骼机器人。
背景技术：
在整个下肢外骨骼机器人系统中，智能传感靴是直接与地面接触的装置。智能靴要和踝关节刚性连接，外骨骼机器人系统(包括自身负载和人体本身的重量)的重量要通过智能靴传递到地面，智能靴需要把受到的压力转换为电压信号反馈到控制系统，以感知外界路况来做步态调整。
压力传感器是智能靴系统的核心部件，其性能将影响整个外骨骼机器人系统的稳定性。踝关节的灵活度也反应着外骨骼系统的灵活性。通常的下肢外骨骼系统，传感靴要么笨重穿脱不便，要么信号采集不灵敏，而且具有防水能力差、路况适应能力差等缺点；而踝关节往往只有单个或两个自由度，而且多自由的装置体积大结构笨重。
因此，亟待需要设计开发出结构和性能都可靠的智能靴系统，以便使人穿戴舒适、操作灵活，最大限度的满足脚和踝的自由度。
技术实现要素：
针对上述问题，本发明的目的是提供一种智能传感靴以及含其的下肢外骨骼机器人。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，一种智能传感靴，其特征在于，包括：
脚掌承载部，用于承载并固定脚部；在所述脚掌承载部内且与前脚掌以及后脚掌的中心对应的位置处分别粘接压力传感器；
踝关节部，分布于脚部的踝关节的外侧，并固定连接在所述脚掌承载部上，能够提供所述脚掌承载部在跖屈/背伸、内翻/外翻、内旋/外旋三个方向的自由度。
进一步地，所述脚掌承载部包括：
鞋底；
自下而上依次粘接的前脚掌下板、前脚掌中板以及前脚掌上板，所述前脚掌下板的底面粘接在所述鞋底的前脚掌面上；
自下而上依次粘接的后脚掌下板后脚掌中板以及后脚掌上板，所述后脚掌下板的底面粘接在所述鞋底的后脚掌面上；
固定连接在所述后脚掌下板上的脚跟固定环；
以及位于所述脚掌承载部的最上层并与所述前脚掌上板、后脚掌上板和鞋底粘接的鞋封；
在所述前脚掌中板和前脚掌上板之间的中心位置处粘接有压力传感器，在所述后脚掌中板和后脚掌上板之间的中心位置处粘接有压力传感器；
其中，所述前脚掌下板和后脚掌下板均采用合金钢材料；所述前脚掌中板、前脚掌上板、后脚掌中板和后脚掌上板均采用工程塑料，所述鞋底和鞋封均采用pu复合材料；所述鞋底的底部设计有防滑结构。
进一步地，在所述鞋底上开设前脚掌凹槽和后脚掌凹槽，所述前脚掌下板、前脚掌中板以及前脚掌上板自下而上依次粘接并分布于所述前脚掌凹槽内，所述前脚掌下板的底面粘接在所述前脚掌凹槽的底部，所述前脚掌上板的顶面与所述前脚掌凹槽的顶面相平；所述后脚掌下板、后脚掌中板以及后脚掌上板自下而上依次粘接并分布于所述后脚掌凹槽内，所述后脚掌下板的底面粘接在所述后脚掌凹槽的底部，后脚掌上板的顶面与所述后脚掌凹槽的顶面相平。
进一步地，在所述脚跟固定环上对称地固定设置两限位挡块，在两所述限位挡块之间连接有松紧可调的绑带结构，在所述前脚掌下板的两侧对称设置有安装座，两所述安装座之间连接有松紧可调的绑带结构。
进一步地，所述脚跟固定环和限位挡块均采用合金钢材料，所述限位挡块焊接在所述脚跟固定环上，所述脚跟固定环焊接在所述后脚掌下板上。
进一步地，在所述压力传感器的顶面和底面均粘接有传感器护垫。
进一步地，所述踝关节部包括踝支撑轴、踝护罩、腿踝连接杆、关节轴承和阻尼环；所述踝支撑轴分布于脚部的踝关节的外侧，并固定连接在所述脚掌承载部上，所述踝护罩套置在所述踝支撑轴的外部，所述踝护罩的底部粘接在所述脚掌承载部的顶面上，所述踝护罩的顶部敞口与所述踝支撑轴之间紧配合；所述关节轴承的下端活动配合在所述踝关节轴的顶端的内部，所述阻尼环套置在所述关节轴承)上，所述关节轴承的上端活动配合在所述脚踝连接杆的下端的内部；所述关节轴承能够相对于所述踝支撑轴、脚踝连接杆进行360度旋转以及前后、左右的摆动，所述关节轴承、踝支撑轴以及脚踝连接杆)之间构成单杆球铰，能够提供所述脚掌承载部在跖屈/背伸、内翻/外翻、内旋/外旋三个方向的自由度；
所述阻尼环采用弹性材料制成。
本发明还提供了一种下肢外骨骼机器人，其特征在于：
包括小腿支撑部和上述任一项所述的智能传感靴，所述小腿支撑部固定连接在所述踝关节部上。
进一步地，所述小腿支撑部包括小腿管，所述小腿管位置可调地套置在所述踝关节部的所述脚踝连接杆的外部，所述脚踝连接杆的外壁上沿其长度方向上标有刻度线。
进一步地，在所述小腿管的下端的侧壁开设缝隙，在所述缝隙两侧的所述小腿管的侧壁上分别固定一连接片，两所述连接片之间通过紧固件连接。
本发明采用以上技术方案，其具有如下优点：
1、本发明在脚掌承载部内且与前脚掌以及后脚掌的中心对应的位置处分别粘接压力传感器，无论前脚掌着地受力还是后脚掌着地受力，均能快速采集压力信息，大大提高传感靴信号采集的灵敏度，提高智能传感靴的路况适应能力；在脚掌承载部上固定踝关节部，能够提供脚掌承载部在跖屈/背伸、内翻/外翻、内旋/外旋三个方向的自由度，使得本发明的智能传感靴具有穿戴舒适、操作灵活等特点，能够最大限度的满足脚和踝的自由度。
2、本发明的脚掌承载部采用分层设计，将合金钢材料、工程塑料以及pu复合材料结合，减小智能传感靴的重量和厚度，既保证传感靴的强度，也使传感靴具有一定的弹性和韧性，提高智能传感靴在结构、性能上的可靠性以及穿戴的舒适性。
3、本发明的踝关节部的关节轴承、踝支撑轴以及脚踝连接杆之间构成特殊单杆球铰，结构简单、自重小，使得智能传感靴既能够满足人体踝关节的柘背屈、内外翻和内外旋的自由度，同时结构轻型化，使人穿戴舒适。
附图说明
图1是本发明的爆炸结构示意图；
图2是本发明的俯视结构示意图；
图3是本发明的仰视结构示意图；
图4是本发明的剖面结构示意图；
图5是图4的局部结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。
如图1、图2所示，本发明提供的一种智能传感靴，包括
脚掌承载部10，用于承载并固定脚部；在脚掌承载部10内且与前脚掌以及后脚掌的中心对应的位置处分别粘接压力传感器40；
踝关节部20，分布于脚部的踝关节的外侧，并固定连接在脚掌承载部10上，能够提供脚掌承载部10在跖屈/背伸、内翻/外翻、内旋/外旋三个方向的自由度。
在一个优选实施例中，如图1～3所示，脚掌承载部10包括鞋底101；自下而上依次粘接的前脚掌下板102、前脚掌中板103以及前脚掌上板104，前脚掌下板102的底面粘接在鞋底101的前脚掌面上；自下而上依次粘接的后脚掌下板105、后脚掌中板106以及后脚掌上板107，后脚掌下板105的底面粘接在鞋底101的后脚掌面上；固定连接在后脚掌下板105上的脚跟固定环108；以及位于脚掌承载部10的最上层并与前脚掌上板104、后脚掌上板107和鞋底101粘接的鞋封109；在前脚掌中板103和前脚掌上板104之间的中心位置处粘接有压力传感器40，在后脚掌中板106和后脚掌上板107之间的中心位置处粘接有压力传感器40；其中，前脚掌下板102和后脚掌下板105均采用合金钢材料，通过计算得出一个合适的厚度值，在保证强度的同时还兼顾传感靴的整体刚性，使穿戴者更舒适；前脚掌中板103、前脚掌上板104、后脚掌中板106和后脚掌上板107均采用综合力学性能高的工程塑料，进一步保证传感靴的整体韧性；鞋底101和鞋封109均采用特殊工艺处理的pu复合材料，既保留传感靴的弹性和韧性，使得足弓处具有较好的弹性，也保证耐磨和防水性能；鞋底101的底部设计有防滑结构；整个脚掌承载部10采用分层设计，将合金钢材料、工程塑料以及pu复合材料结合，既保证传感靴的强度，也使传感靴具有一定的弹性和韧性，使穿戴者穿着传感靴行走时具有“脚跟着地-前脚掌着地-脚跟离地-脚尖离地”的步态，增加穿戴者的安全感，提高传感靴的舒适性，利用位于前脚掌以及后脚掌中心位置处的两传感器，保证脚掌承载部10能够适应各种路况的传感采集需求。
在一个优选实施例中，在鞋底101上开设前脚掌凹槽1011和后脚掌凹槽1012，前脚掌下板102、前脚掌中板103以及前脚掌上板104自下而上依次粘接并分布于前脚掌凹槽1011内，前脚掌下板102的底面粘接在前脚掌凹槽1011的底部，前脚掌上板104的顶面与前脚掌凹槽1011的顶面相平；后脚掌下板105、后脚掌中板106以及后脚掌上板107自下而上依次粘接并分布于后脚掌凹槽1012内，后脚掌下板105的底面粘接在后脚掌凹槽1012的底部，后脚掌上板107的顶面与后脚掌凹槽1012的顶面相平；这样，可大大降低脚掌承载部10的厚度。另外，鞋底101采用pu复合材料制成，具有一定的弹性，在鞋底101上开设有前脚掌凹槽1011和后脚掌凹槽1012，这样，鞋底101的中部较厚，鞋底101的中部弹性最大，能够保证足弓处具有很好的弹性。
在一个优选实施例中，在脚跟固定环108上对称地固定设置两限位挡块110，在两限位挡块110之间连接有松紧可调的绑带结构，在前脚掌下板102的两侧对称设置有安装座111，两安装座111之间连接有松紧可调的绑带结构(图中未示出)。例如，绑带结构与滑雪单板固定器上的绑带结构工作原理相同。利用绑带结构将患者的脚部固定在脚掌承载部10上，采用松紧可调地绑带结构，能够方便不同患者、不同大小脚部的固定，同时方便患者穿戴或脱掉智能传感靴。
在一个优选实施例中，脚跟固定环108和限位挡块110均采用合金钢材料，限位挡块110焊接在脚跟固定环108上，脚跟固定环108焊接在后脚掌下板105上。
在一个优选实施例中，如图1、图5所示，为保护压力传感器40，在压力传感器40的顶面和底面均粘接有传感器护垫50。
在一个优选实施例中，粘接的具体方式为采用胶水进行粘接，胶水可采用高黏性密封胶，既保证脚掌承载部10的整体强度，也达到ip68的防水性能。
在一个优选实施例中，如图4所示，踝关节部20包括踝支撑轴201、踝护罩202、腿踝连接杆203、关节轴承204和阻尼环205；踝支撑轴201分布于脚部的踝关节的外侧，并固定连接在脚掌承载部10上，踝护罩202套置在踝支撑轴201的外部，踝护罩202的底部粘接在脚掌承载部10的顶面上，踝护罩202的顶部敞口与踝支撑轴201之间紧配合；关节轴承204的下端活动配合在踝关节轴201的顶端的内部，阻尼环205套置在关节轴承204上，关节轴承204的上端活动配合在脚踝连接杆203的下端的内部；关节轴承204能够相对于踝支撑轴201、脚踝连接杆203进行360度旋转、前后左右的摆动，使得关节轴承204、踝支撑轴201以及脚踝连接杆203之间构成特殊单杆球铰，能够满足人体踝关节的柘背屈、内外翻和内外旋的自由度需求，即能够提供脚掌承载部10在跖屈/背伸、内翻/外翻、内旋/外旋三个方向的自由度。
在一个优选实施例中，阻尼环25采用弹性材料制成，利用阻尼环205增加在脚掌承载部10在柘背屈、内外翻运动时阻力，使得智能传感靴在柘背屈、内外翻运动情况下不至于太过于灵活，同时，利用阻尼环25的弹性回弹作用，增强踝关节的自回位能力。
在一个优选实施例中，脚踝连接杆203的外壁上沿其长度方向上标有刻度线。
本发明提供一种下肢外骨骼机器人，其包括小腿支撑部30和上述任意实施例中的智能传感靴，小腿支撑部30固定连接在踝关节部20上。
在一个优选实施例中，小腿支撑部30包括小腿管301，小腿管301位置可调地套置在踝关节部20的脚踝连接杆203的外部，通过调节小腿管301在脚踝连接杆203的位置来补偿小腿支撑部30的长度，实现小腿支撑部30的长度调节。
在一个优选实施例中，在小腿管301的下端的侧壁开设缝隙302，在缝隙302两侧的小腿管301的侧壁上分别固定一连接片303，两连接片303之间通过紧固件(如紧固螺栓)连接；在小腿管301的下端的侧壁上开设缝隙302，可使得小腿管301的下端的敞口大小可调，能够方便小腿管301套置在脚踝连接杆203的外部，两连接片303之间通过紧固件连接，能够收紧小腿管301上的缝隙，使得小腿管301紧配在脚踝连接杆203的外部，需调节小腿管301在脚踝连接杆203上的位置时，松开紧固件即可。
本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的。在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进或等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。
1.一种智能传感靴，其特征在于，包括：
脚掌承载部(10)，用于承载并固定脚部；在所述脚掌承载部(10)内且与前脚掌以及后脚掌的中心对应的位置处分别粘接压力传感器(40)；
踝关节部(20)，分布于脚部的踝关节的外侧，并固定连接在所述脚掌承载部(10)上，能够提供所述脚掌承载部(10)在跖屈/背伸、内翻/外翻、内旋/外旋三个方向的自由度。
2.如权利要求1所述的一种智能传感靴，其特征在于，所述脚掌承载部(10)包括：
鞋底(101)；
自下而上依次粘接的前脚掌下板(102)、前脚掌中板(103)以及前脚掌上板(104)，所述前脚掌下板(102)的底面粘接在所述鞋底(101)的前脚掌面上；
自下而上依次粘接的后脚掌下板(105)、后脚掌中板(106)以及后脚掌上板(107)，所述后脚掌下板(105)的底面粘接在所述鞋底(101)的后脚掌面上；
固定连接在所述后脚掌下板(105)上的脚跟固定环(108)；
以及位于所述脚掌承载部(10)的最上层并与所述前脚掌上板(104)、后脚掌上板(107)和鞋底(101)粘接的鞋封(109)；
在所述前脚掌中板(103)和前脚掌上板(104)之间的中心位置处粘接有压力传感器(40)，在所述后脚掌中板(106)和后脚掌上板(107)之间的中心位置处粘接有压力传感器(40)；
其中，所述前脚掌下板(102)和后脚掌下板(105)均采用合金钢材料；所述前脚掌中板(103)、前脚掌上板(104)、后脚掌中板(106)和后脚掌上板(107)均采用工程塑料，所述鞋底(101)和鞋封(109)均采用pu复合材料；所述鞋底(101)的底部设计有防滑结构。
3.如权利要求2所述的一种智能传感靴，其特征在于：
在所述鞋底(101)上开设前脚掌凹槽(1011)和后脚掌凹槽(1012)，所述前脚掌下板(102)、前脚掌中板(103)以及前脚掌上板(104)自下而上依次粘接并分布于所述前脚掌凹槽(1011)内，所述前脚掌下板(102)的底面粘接在所述前脚掌凹槽(1011)的底部，所述前脚掌上板(104)的顶面与所述前脚掌凹槽(1011)的顶面相平；所述后脚掌下板(105)、后脚掌中板(106)以及后脚掌上板(107)自下而上依次粘接并分布于所述后脚掌凹槽(1012)内，所述后脚掌下板(105)的底面粘接在所述后脚掌凹槽(1012)的底部，后脚掌上板(107)的顶面与所述后脚掌凹槽(1012)的顶面相平。
4.如权利要求2所述的一种智能传感靴，其特征在于：
在所述脚跟固定环(108)上对称地固定设置两限位挡块(110)，在两所述限位挡块(110)之间连接有松紧可调的绑带结构，在所述前脚掌下板(102)的两侧对称设置有安装座(111)，两所述安装座(111)之间连接有松紧可调的绑带结构。
5.如权利要求4所述的一种智能传感靴，其特征在于：
所述脚跟固定环(108)和限位挡块(110)均采用合金钢材料，所述限位挡块(110)焊接在所述脚跟固定环(108)上，所述脚跟固定环(108)焊接在所述后脚掌下板(105)上。
6.如权利要求1所述的一种智能传感靴，其特征在于：
在所述压力传感器(40)的顶面和底面均粘接有传感器护垫(50)。
7.如权利要求1所述的一种智能传感靴，其特征在于：
所述踝关节部(20)包括踝支撑轴(201)、踝护罩(202)、腿踝连接杆(203)、关节轴承(204)和阻尼环(205)；所述踝支撑轴(201)分布于脚部的踝关节的外侧，并固定连接在所述脚掌承载部(10)上，所述踝护罩(202)套置在所述踝支撑轴(201)的外部，所述踝护罩(202)的底部粘接在所述脚掌承载部(10)的顶面上，所述踝护罩(202)的顶部敞口与所述踝支撑轴(201)之间紧配合；所述关节轴承(204)的下端活动配合在所述踝关节轴(201)的顶端的内部，所述阻尼环(205)套置在所述关节轴承(204)上，所述关节轴承(204)的上端活动配合在所述脚踝连接杆(203)的下端的内部；所述关节轴承(204)能够相对于所述踝支撑轴(201)、脚踝连接杆(203)进行360度旋转以及前后、左右的摆动，所述关节轴承(204)、踝支撑轴(201)以及脚踝连接杆(203)之间构成单杆球铰，能够提供所述脚掌承载部(10)在跖屈/背伸、内翻/外翻、内旋/外旋三个方向的自由度；
所述阻尼环(25)采用弹性材料制成。
8.一种下肢外骨骼机器人，其特征在于：
包括小腿支撑部(30)和权利要求1至7任一项所述的智能传感靴，所述小腿支撑部(30)固定连接在所述踝关节部(20)上。
9.如权利要求8所述的一种下肢外骨骼机器人，其特征在于：
所述小腿支撑部(30)包括小腿管(301)，所述小腿管(301)位置可调地套置在所述踝关节部(20)的所述脚踝连接杆(203)的外部，所述脚踝连接杆(203)的外壁上沿其长度方向上标有刻度线。
10.如权利要求9所述的一种下肢外骨骼机器人，其特征在于：
在所述小腿管(301)的下端的侧壁开设缝隙(302)，在所述缝隙(302)两侧的所述小腿管(301)的侧壁上分别固定一连接片(303)，两所述连接片(303)之间通过紧固件连接。
技术总结