一种助力机构及助力鞋

技术领域

本申请涉及外骨骼助力技术领域，尤其涉及一种助力机构及助力鞋。

背景技术

可穿戴机器人是作为人机交互领域的典型机器人出现，通常指根据人们的身体结构及肢体功能设计，可以由人们穿戴并实现一定功能。可穿戴机器人可以将人的智慧、灵活的操作能力与机器人装置的耐力、负载能力等相结合。其中，可穿戴行走助力外骨骼能够为穿戴者行走减轻不必要的身体负担，以达到一定的减负或者康复作用。

目前已有的行走助力外骨骼多作用于人体的踝关节，分为主动式踝关节外骨骼和被动式踝关节外骨骼。其中，被动式踝关节外骨骼是通过储存穿戴者在行走过程中做负功的能量，然后在穿戴者需要做正功时反馈给人体；主动式外踝关节外骨骼一般具有电机、液压或气动等力输出装置，主动提供穿戴者行走时关节所需要的力。但主动式踝关节外骨骼通常需要背负较大质量的动力系统，通过电机、液压缸等执行器常需要捆绑于小腿肚作为固定支点，极大影响了人体小腿肌肉的发力，使步行变得不舒适。相比较而言，被动式踝关节外骨骼利用了人体运动过程本身的动态特性并加以利用，利用好人体步态周期内的力和能量，以结构简明和质量较轻的机构使外骨骼更加“自然舒适”地帮助人体运动。

但被动式踝关节外骨骼通常难以配合人体具体步态做出应变调整，以及其所提供的能量因人而异，难以有效降低人体关节负载情况。再者，常见的被动式踝关节外骨骼多采用弹簧作为蓄能机构，但遗憾的是，弹簧何时释能以及弹簧释能速率较难利用电子设备控制，同时，弹簧蓄能为了让弹簧有效行程更长，如同主动式踝关节外骨骼，需要以人体小腿肚为支点固定弹簧一端，影响了人体小腿肌肉发力，行走过程不舒适。

发明内容

本申请实施例的目的是提供一种助力机构及助力鞋，以解决上述相关技术中存在的不足。

根据本申请实施例的第一方面，提供一种助力机构，包括：前脚掌气动肌肉，位于前脚掌部；后脚跟气动肌肉，位于后脚跟部；逆止充气口；两位三通电磁阀，其B口与所述前脚掌气动肌肉相连，A口与所述后脚跟气动肌肉相连，P口与所述逆止充气口相连，并配置为：在预备充气状态，P口与A口相通，B口与A口不相通；在脚跟着地态，P口与A口不相通，B口与A口相通；在脚尖着地状态，P口与A口不相通，B口与A口不相通；在脚跟离地状态，P口与A口不相通，B口与A口相通；在脚尖离地状态，P口与A口不相通，B口与A口不相通。

进一步地，所述前脚掌气动肌肉与后脚跟气动肌肉结构相同，均包括：一片或多片空心硅胶薄片，所述空心硅胶薄片上安装有气动管接头，气体从所述气动管接头进入所述空心硅胶薄片后使所述空心硅胶薄片鼓起形成气囊。

进一步地，当所述空心硅胶薄片具有多片时，多片所述空心硅胶薄片依次堆叠且相邻两片之间设置有实心硅胶薄片。

进一步地，一通孔贯穿多片所述空心硅胶薄片和所述实心硅胶薄片，所述气动管接头安装在所述通孔的一端，另一端封堵，多片所述空心硅胶薄片均与所述通孔相连通。

进一步地，采用堵头对所述通孔的另一端进行封堵。

进一步地，还包括多个压力传感器，用于检测人体步行时脚底各部分与地面的作用力大小和作用时间，从而判断脚掌所处的状态。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种助力鞋，包括：鞋底；助力机构，设置在所述鞋底内，所述助力机构为第一方面所述的助力机构。

进一步地，所述鞋底上表面铺设有压感鞋垫，所述压力传感器布置在所述压感鞋垫中。

进一步地，所述压力传感器具有多个，均匀分布在所述压感鞋垫上。

进一步地，所述逆止充气口的充气口端裸露于空气中，管接头端至于鞋底内。

本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

由上述实施例可知，本申请的助力机构通过前脚掌和后脚跟的两个气动肌肉，形成闭式气动回路，根据人体运动步态，在对其中一个气动肌肉的推压的同时，通过回路实现对另一个气动肌肉的充顶，通过气动闭式回路回收人体步态周期过程中踝关节所作的负功作为动力源，降低助力机构对高复杂性和大质量的动力系统的依赖。利用两位三通电磁阀的控制闭式气动回路流向的方式，对人体踝关节在人体步态周期内实现缓冲、助力，用气动肌肉的使用回避了弹簧等储能件的难以控制的问题。相对电机方案而言，气动肌肉作为一种新型的气动元件，具有结构简单、柔顺性好、价格低、功率/重量比高、安装简易等优点，本申请使用气动元件气动肌肉，结构简单小巧、柔顺性好、价格低、功率/重量比高、安装简易等优点，同时鞋底的设计方案也大大降低对穿戴者腿部肌肉发力的影响。该助力鞋将主要结构安置在鞋底内，摈弃了以小腿肚为固定支点的设计方案，解决了踝关节助力机构造成人体自由运动受限的问题。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1是本发明一示例性实施例提供的助力机构的结构简图；

图2是本发明一示例性实施例提供的助力鞋的结构简图；

图3是本发明一示例性实施例提供的气动肌肉结构简图，其中(a)为气动肌肉泄气压扁后的立体示意图，(b)为气动肌肉充气膨胀后的立体示意图，(c)为气动肌肉泄气压扁后的截面剖视图，(d)为气动肌肉充气膨胀后的截面剖视图；

图4是本发明一示例性实施例提供的预备充气状态气流示意图；

图5是本发明一示例性实施例提供的着地状态气流示意图；

图6是本发明一示例性实施例提供的离地状态气流示意图；

图中，鞋帮1、压感鞋垫2、前脚掌气动肌肉3、逆止充气口4、两位三通电磁阀5、后脚跟气动肌肉6、鞋底7、控制器单元8、压力传感器9、空心硅胶薄片10、实心硅胶薄片11、气动管接头12、堵头13、气囊14、通孔15。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

图1是本发明一示例性实施例提供的助力机构的结构简图，参考图1，本发明实施例提供一种助力机构，该机构可以包括：前脚掌气动肌肉3，位于前脚掌部；后脚跟气动肌肉6，位于后脚跟部；逆止充气口4；两位三通电磁阀5，其B口与所述前脚掌气动肌肉3相连，A口与所述后脚跟气动肌肉6相连，P口与所述逆止充气口4相连，并配置为：在预备充气状态，P口与A口相通，B口与A口不相通；在脚跟着地态，P口与A口不相通，B口与A口相通；在脚尖着地状态，P口与A口不相通，B口与A口不相通；在脚跟离地状态，P口与A口不相通，B口与A口相通；在脚尖离地状态，P口与A口不相通，B口与A口不相通。

由上述实施例可知，本申请的助力机构通过前脚掌和后脚跟的两个气动肌肉，形成闭式气动回路，根据人体运动步态，在对其中一个气动肌肉的推压的同时，通过回路实现对另一个气动肌肉的充顶，通过气动闭式回路回收人体步态周期过程中踝关节所作的负功作为动力源，降低助力机构对高复杂性和大质量的动力系统的依赖。利用两位三通电磁阀的控制闭式气动回路流向的方式，对人体踝关节在人体步态周期内实现缓冲、助力，用气动肌肉的使用回避了弹簧等储能件的难以控制的问题。相对电机方案而言，气动肌肉作为一种新型的气动元件，具有结构简单、柔顺性好、价格低、功率/重量比高、安装简易等优点，本申请使用气动元件气动肌肉，结构简单小巧、柔顺性好、价格低、功率/重量比高、安装简易等优点，同时鞋底的设计方案也大大降低对穿戴者腿部肌肉发力的影响。

本发明实施例中，还包括多个压力传感器9，用于检测人体步行时脚底各部分与地面的作用力大小，从而判断脚掌所处的状态。人体运动过程周期性步态过程可以有全脚掌各部位压力变化检测，通过均匀分布在脚底的压力传感器9测得脚掌与地面作用力，可以计算人体重心位置。如，当后脚跟着地时，后脚跟处压力较大，前脚掌处压力较小，人体重心靠近后脚跟；后脚跟着地到前脚掌着地过程中，重心向前脚掌移动；当前脚掌着地时，前脚掌处压力较大，后脚跟处压力较小，人体重心靠近前脚掌。通过多个压力传感器9的实时测量得到人体重心位置的变化。

本发明实施例中，还包括控制器单元8，多个压力传感器9和两位三通电磁阀5均与控制器单元8相连，控制器单元8按预定采样频率读取压力传感器9的数据，计算人体重心位置并添加时间戳，进而得到人体重心位置随时间的变化曲线，从而以揭示人体正在处于何种步态，最后控制器单元8根据步态的类型来控制两位三通电磁阀5。所述控制器单元8可以采用STM32F407ZG型号的产品，但不限于此。

参考图2-图6，本发明实施例还提供一种助力鞋，该主力鞋可以包括：鞋底7；助力机构，设置在所述鞋底7内，所述助力机构为上述的助力机构。

根据以上技术方案，本发明实施例该助力鞋将主要结构安置在鞋底内，摈弃了以小腿肚为固定支点的设计方案，解决了踝关节助力机构造成人体自由运动受限的问题。

本发明实施例中，所述鞋帮1与鞋底7固定连接，压感鞋垫2罩于鞋帮内，平铺在鞋底上7表面上，所述控制器单元8与鞋底7固定连接。

本发明实施例中，所述鞋底7上表面铺设有压感鞋垫2，所述压感鞋垫2上具有压力传感器9，优选地，所述压力传感器9具有多个，均匀分布在所述压感鞋垫2上。压力传感器9可检测人体脚掌与地面的相对作用力，均匀分布在压感鞋垫2上的传感器阵列可以满足检测人体全步态周期内全脚掌各部位的压力值，综合计算得到人体重心位置，为后续控制提供数据。

本发明实施例中，所述鞋底7上连接有鞋帮1。鞋帮1与鞋底7组成了可穿戴鞋的基本形态，便于使用者进行穿戴并实现助力鞋与人体足的相对固定。

本发明实施例中，所述压感鞋垫2检测得到的作用力数据，由控制单元8接收并计算得到人体重心处在脚掌何处，以反映人体正处在步态周期内的哪个阶段，进而控制两位三通电磁阀。

本发明实施例中，所述前脚掌气动肌肉3与鞋底7固定连接，位于助力鞋的前脚掌部，两位三通电磁阀5与鞋底7固定连接，位于助力鞋的脚掌中部，后脚跟气动肌肉6于鞋底7固定连接，位于助力鞋的后脚跟部，逆止充气口4与鞋底7固定连接，位于助力鞋的脚掌中部，所述逆止充气口4的充气口端裸露于空气中，管接头端至于鞋底7内。前脚掌气动肌肉3管接头与两位三通电磁阀5的B口用气管连接，后脚跟气动肌肉6管接头与两位三通电磁阀5的A口用气管连接，逆止充气口4的管接头与两位三通电磁阀的P口用气管连接。

参见图3，本发明实施例中，所述前脚掌气动肌肉3与后脚跟气动肌肉6结构相同，均包括：一片或多片空心硅胶薄片10，所述空心硅胶薄片10上安装有气动管接头12，气体从所述气动管接头12进入所述空心硅胶薄片10后使所述空心硅胶薄片10鼓起形成气囊14。利用空心硅胶薄片10易于变形的特性，通过充气可以使空心腔内气压升高，而使硅胶薄片鼓胀，对外由支撑作用，依此实现基本的气动肌肉功能，同时，硅胶薄片可以通过硅胶浇筑而成，便于形状的设计和生产加工。

当所述空心硅胶薄片10具有多片时，多片所述空心硅胶薄片10依次堆叠且相邻两片之间设置有实心硅胶薄片11。附图3中示出了三片所述空心硅胶薄片10，三片空心硅胶薄片10与两片实心硅胶薄片11间隔固定粘结，并以通孔15相连三片空心硅胶薄片10内的气囊，通孔15开口一端与气动管接头12固定连接，通孔15开口另一端与堵头13固定连接。

如图3所示，气动肌肉的两种状态所示。放松状态：气囊14松弛收缩。膨胀状态：当注入高压气体时，气囊14受压膨胀带动空心硅胶薄片10膨胀，形成形变位移。

进一步地方案是，一通孔贯穿多片所述空心硅胶薄片10和所述实心硅胶薄片11，所述气动管接头12安装在所述通孔的一端，另一端封堵，多片所述空心硅胶薄片10均与所述通孔相连通。多片空心硅胶薄片10的组合设计可以让该方案气动肌肉设计更具组合性，以单片空心硅胶薄片10为单一模块加工生产测试，以适应不同的鞋底高度或形状、不同的体重的穿戴者等等。

进一步地的方案是，采用堵头13对所述通孔的另一端进行封堵。

下面结合图4-6对本发明实施例如何实现助力功能进一步阐述。

约定两位三通电磁阀5状态为“开”时，两位三通电磁阀5的B口与A口相通，P口与A口不相通；两位三通电磁阀5状态为“关”时，两位三通电磁阀5的P口与A口相通，B口与A口不相通；

参见图4，状态一，预备充气状态。两位三通电磁阀5状态为“关”，两位三通电磁阀5的P口与A口相通，B口与A口不相通，此时可借助外部高压气源为后脚跟气动肌肉6充气，停止充气后，逆止充气头4阻止高压气体流出，后脚跟气动肌肉6保持膨胀状态。

参见图5，状态二，着地状态。人体行走过程，单脚存在着地状态，此状态按时间顺序又分为脚跟着地和脚尖着地两状态。脚跟着地时，保持膨胀状态的后脚跟气动肌肉6受力压缩，内部气体压力进一步升高，实现缓冲蓄力，根据压感鞋垫2得到的足底与地的作用力大小，控制两位三通电磁阀5状态由“关”变“开”，高压气体从后脚跟气动肌肉6流经两位三通电磁阀5的A口、B口，流入前脚掌气动肌肉3内，后脚跟气动肌肉6泄气放松，前脚掌气动肌肉3充气膨胀。脚尖着地时，控制两位三通电磁阀5状态由“开”变“关”，前脚掌气动肌肉3保持膨胀状态，并受力压缩，实现缓冲蓄力。

参见图6，状态三，离地状态。人体行走过程，单脚存在离地状态，此状态按时间顺序又分为脚跟离地和脚尖离地两状态。脚跟离地时，保持膨胀状态的前脚掌气动肌肉3进一步受力压缩，内部气体压力进一步升高，实现缓冲蓄力，根据压感鞋垫2得到的足底与地的作用力大小，控制两位三通电磁阀5状态由“关”变“开”，高压气体从前脚掌气动肌肉3流经两位三通电磁阀5的B口、A口，流入后脚跟气动肌肉6内，前脚掌气动肌肉3泄气放松，后脚跟气动肌肉6充气膨胀，帮助脚跟离地，实现助力。脚尖着地时，控制两位三通电磁阀5状态由“开”变“关”，后脚跟气动肌肉6保持膨胀状态。

实际穿戴过程中，本发明提供的助力鞋将在上述状态二着地状态与状态三离地状态之间相互转换，此过程中，气流在前脚掌气动肌肉3和后脚跟气动肌肉6之间按控制流动，形成闭式回路，最终实现助力。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。