脚踝机构、鞋子组件及外骨骼机器人的制作方法

本申请涉及可穿戴设备技术领域，特别是涉及一种脚踝机构、鞋子组件及外骨骼机器人。

背景技术：

在具有正常的肢体行动的正常人在工作的时候，经常会需要搬动很重的东西进行作业，此时非常需要外力的配合减轻体力的负担。或在医疗康复领域，患者需要外力辅助进行康复训练。现行常采用外骨骼机器人解决上述问题。

而外骨骼机器人中脚踝机构的结构复杂，致使人体穿戴困难，且对人体脚踝的保护效果差。

技术实现要素：

本申请提供一种脚踝机构、鞋子组件及外骨骼机器人，解决脚踝机构结构复杂、对人体脚踝保护效果差的问题。

为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是：提供一种脚踝机构。该脚踝机构包括脚踝件和脚踝块，脚踝件与脚踝块转动连接，且脚踝块内设有两个弹性件，两个弹性件各自抵接于脚踝件的相对的一端，弹性件用于缓冲脚踝件相对脚踝块转动时的压力。

为解决上述技术问题，本申请采用的另一个技术方案是：提供一种鞋子组件。该鞋子组件包括如上所述的脚踝机构及鞋底板。

为解决上述技术问题，本申请采用的另一个技术方案是：提供一种外骨骼机器人。该外骨骼机器人包括如上所述的鞋子组件。

本申请的有益效果是：区别于现有技术的情况，本申请公开了一种外骨骼机器人。通过将脚踝机构设置成脚踝件和脚踝块，且脚踝件与脚踝块转动连接，结构简单且使得脚踝机构可直接设置人体脚踝的一侧，进而穿戴方便，且还在脚踝块内设置弹性件，以减缓脚踝件对脚踝块的转动速率，进而缓冲人体脚踝所受的压力，降低人体脚踝的损伤风险。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，其中

图1是本申请提供的外骨骼机器人一实施例的结构示意图；

图2是图1中下肢机构的结构示意图；

图3是图1中上肢机构的结构示意图；

图4是图1中背包组件的结构示意图；

图5是图4中万向关节的结构示意图；

图6是图5中万向关节的爆炸结构示意图；

图7是图5万向关节中活动件的另一结构示意图；

图8是图2中脚踝机构的爆炸结构示意图；

图9是图8中脚踝机构的另一视角局部结构示意图；

图10是图2中鞋底板的结构示意图；

图11是图2中传动关节的爆炸结构示意图；

图12是图11传动关节中夹紧件的结构示意图；

图13是图11传动关节中插接件的结构示意图；

图14是图2中第二大腿件、传动关节及小腿件的爆炸结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例中的术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

参阅图1，图1是本申请提供的外骨骼机器人一实施例的结构示意图。

外骨骼机器人100可用于辅助人体搬运重物和行走，减少体力的负担。或者，外骨骼机器人100还可用于残障人士行走、搬运物体等动作，或辅助患者康复。

外骨骼机器人100包括下肢机构10、上肢机构20和背包组件30，下肢机构10与上肢机构20均与背包组件30连接。

下肢机构10的数量可以为一个，以对应人体的左腿或右腿，辅助人体有缺陷的左腿或右腿行走。或者，下肢机构10的数量为两个，对应于人体的左腿和右腿，进而可辅助人体有缺陷的左腿和右腿行走，或者在人体搬运重物时辅助人体行走，以节省体力。

上肢机构20的数量可以为一个，以对应人体的左手臂或右手臂，辅助人体有缺陷的左手臂或右手臂运动。或者，上肢机构20的数量为两个，对应于人体的左手臂和右手臂，进而可辅助人体有缺陷的左手臂和右手臂运动，例如辅助人体搬运重物。

本申请以上肢机构20和下肢机构10的数量均为两个为例进行描述。

参阅图2，下肢机构10包括大腿组件11、小腿件13和传动关节15，大腿组件11和小腿件13通过传动关节15转动连接。

参阅图3，上肢机构20包括上臂21、小臂23和传动关节15，上臂21和小臂23通过传动关节15转动连接。

参阅图4，背包组件30包括背包板31和多个驱动机构33，大腿组件11还与背包板31连接，上臂21通过活动组件22与背包板31连接，多个驱动机构33设置于背包板31上，且驱动机构33通过传动绳34带动对应的传动关节15转动，以驱动对应的上肢机构20或下肢机构10运动。

即一个驱动机构33对应驱动一个上肢机构20或一个下肢机构10。

例如，人体行走时，两个驱动机构33交替驱动两个下肢机构10对人体腿部助力；若同时搬运重物，另外的两个驱动机构33还驱动对应的两个上肢机构20对人体手臂助力以搬运重物。

参阅图4至图6，活动组件22包括多个依次连接的万向关节220，万向关节220包括第一连接件221、第二连接件223和活动件225，第一连接件221与第二连接件223连接，活动件225的一端被限制于第一连接件221内，活动件225的另一端可被限制于第二连接件223内，进而相邻的万向关节220可相对移动和偏转。

具体地，第一连接件221设有第一限位槽2210，第一限位槽2210底壁上开设有第一通孔，活动件225的第一端穿过第一通孔止挡于第一限位槽2210的底壁上且可在第一限位槽2210内移动和偏转；第二连接件223设有第二限位槽2230，第二限位槽2230底壁上开设有第二通孔；活动件225的第二端穿过第二通孔止挡于第二限位槽2230的底壁上且可在第二限位槽2230内移动和偏转。

在一实施方式中，活动件225包括连接柱2250、第一连接球2251和第二连接球2252，第一连接球2251和第二连接球2252分别连接于连接柱2250的两端。

其中，连接柱2250的尺寸小于第一通孔和第二通孔的尺寸，第一连接球2251的尺寸大于第一通孔的尺寸，第二连接球2252的尺寸大于第二通孔的尺寸，进而连接柱2250可穿过第一通孔和第二通孔，第一连接球2251可止挡于第一限位槽2210的底壁上，第二连接球2252可止挡于第二限位槽2230的底壁上。

第一连接球2251可在第一限位槽2210内移动，第二连接球2252可在第二限位槽2230内移动，且连接柱2250可相对第一连接件221和第二连接件223偏转和转动，进而活动件225可相对第一连接件221、第二连接件223移动和偏转。

参阅图7，在另一实施方式中，活动件225包括止挡盘2254、过渡件2255和倒钩件2256，过渡件2255包括一体结构的过渡杆2257和过渡盘2258，过渡杆2257穿过第一通孔与止挡盘2254连接，止挡盘2254的直径大于第一通孔的直径，进而止挡盘2254可止挡于第一限位槽2210的底壁上，倒钩件2256穿过第二通孔与过渡盘2258连接，倒钩件2256包括钩扣台2259，钩扣台2259可止挡于第二限位槽2230的底壁上。

第一连接件221包括第一连接板2212，第二连接件223包括第二连接板2232，第一连接板2212和第二连接板2232上对应设有连接孔，第一连接板2212和第二连接板2232通过连接孔对位连接。

两相邻万向关节220上的第一连接件221与第二连接件223连接，从而形成活动组件22，使得活动组件22具有良好的灵活性，上肢组件20穿戴在手臂上后，上肢机构20可随人体肩部向任意方向挥动。

再次参阅图3、图4，小臂23上设有第一拉压力检测传感器24，上臂21上设有肘关节角度传感器25，肘关节角度传感器25用于检测小臂23与上臂21间的转动角度，背包板31上还设置有控制器35，控制器35根据肘关节角度传感器25所检测的数据信息获取上肢的运动状态，以及根据第一拉压力传感器24所检测的数据信息获取上肢的运动意图，并据此控制驱动机构33驱动对应的传动关节15转动，以助力上肢运动。

上臂21可对应穿戴在人体上手臂，小臂23可被对应穿戴到人体的小臂上，上臂21与小臂23的转动连接处对应手臂的肘关节。例如采用上臂21、小臂23上连接有粘接带，粘接带可将上臂21、小臂23与人体对应的手臂段固定。

在小臂23相对上臂21转动时，肘关节角度传感器25时刻检测并反馈小臂23相对上臂21的转动数据，从而控制器35可获人体上肢的运动状态，即小臂23与上臂21的相对位置关系。小臂23向上臂21转动靠近时，触发第一拉压力检测传感器24，第一拉压力检测传感器24检测到压力，控制器35据此判断出小臂23有相对上臂21收缩的意图，对应的驱动机构33驱动肘关节处的传动关节15转动，以使得小臂23相对上臂21收缩。且控制器35还可根据检测到的压力大小控制小臂23相对上臂21的收缩速率，例如第一拉压力检测传感器24检测到的压力在减小，控制器35控制小臂23的收缩速率减小；当检测到的压力为零时，控制器35控制驱动机构33停止驱动。

在第一拉压力检测传感器24检测到拉力时，控制器35据此判断出小臂23有相对上臂21伸展的意图，对应的驱动机构33驱动肘关节处的传动关节15反向转动，以使得小臂23相对上臂21伸展。且控制器35还可根据检测到的拉力大小控制小臂23相对上臂21的伸展速率，例如第一拉压力检测传感器24检测到的拉力在减小，控制器35控制小臂23的伸展速率减小；当检测到的拉力为零时，控制器35控制驱动机构33停止驱动。

同时控制器35结合检测到的小臂23与上臂21的运动状态，通过调控驱动机构33限制小臂23相对上臂21的转动范围，进而可避免小臂23相对上臂21的转动范围过大而伤害人体手臂。

在另一实施方式中，第一拉压力检测传感器24检测的压力对应小臂23有相对上臂21伸展的意图，第一拉压力检测传感器24检测的拉力对应小臂23有相对上臂21收缩的意图。

在另一实施方式中，下肢机构10采用与上肢机构20相同的检测控制手段，调控小腿件13相对大腿组件11转动，以助力人体腿部运动。

再次参阅图2，本实施例中，下肢机构10还包括鞋子组件17，鞋子组件17包括鞋底板170和脚踝机构172，脚踝机构172连接于鞋底板170与小腿件13之间，使得鞋底板170可相对小腿件13转动，以适应人体在行走时，脚部相对人体小腿的角度变化。

参阅图8、图9，具体地，脚踝机构172包括脚踝块173和脚踝件174，脚踝块173与鞋底板170固定连接，脚踝件174与小腿件13连接，脚踝块173与脚踝件174连接且可相对脚踝件174转动。

脚踝块173内设有两个弹性件176，两个弹性件176各自抵接于脚踝件174的相对的一端，弹性件176用于减缓脚踝件174相对脚踝块173转动的速率，进而缓冲人体脚踝所受的压力，降低人体脚踝的损伤风险。

脚踝件174包括插接部175，脚踝块173上设有插接槽1730，插接部175插入插接槽1730，且插接部175可在插接槽1730内摆动，两个弹性件176各自抵接于插接部175相对的一端。

脚踝机构172还包括固定件1732，固定件1732用于将插接部175限制在插接槽1730内，使得插接部175绕固定件1732在插接槽1730内摆动。固定件1732例如为螺钉、销钉等。

脚踝块173内设有与弹性件176相匹配的装配孔1733，装配孔1733与插接槽1730的一端相通，装配孔1733的底端还设有抵挡件1734，抵挡件1734用于将弹性件176限制在装配孔1733内。

可选地，弹性件176为压簧。

参阅图2、图10，鞋底板170上设有压力检测传感器177，大腿组件11上设有膝关节角度传感器113，膝关节角度传感器113用于检测小腿件13与大腿组件11间的转动角度，小腿件13上设有第二拉压力检测传感器130，背包板31上还设置有控制器35，控制器35根据膝关节角度传感器113及压力检测传感器177所检测的数据信息获取下肢的运动状态，以及根据第二拉压力传感器130所检测的数据信息获取下肢的运动意图，并据此控制驱动机构33驱动传动关节15转动，以助力下肢运动。

具体地，参阅图10，鞋底板170的脚尖处1701、脚跟处1702及两脚侧处1703均设有压力检测传感器177，控制器35根据压力检测传感器177所检测的数据判断行走的不同时期。站立时，脚跟处1702及两脚侧处1703承受人体的大部分重量，进而这几处的压力检测传感器177检测的压力数值大于脚尖处1701的压力检测传感器177所检测的压力数值。行走时，脚尖处1701及两脚侧处1703主要承受人体的大部分重量，且两侧的鞋底板170交叉受力。进而，控制器35可根据鞋底板170上的压力检测数值判断人体下肢的状态，例如行走或站立等。

再次参阅图2、图8和图10，小腿件13上连接有护腿板14，护腿板14上连接有第二拉压力检测传感器130，使得小腿在运动时触碰第二拉压力检测传感器130。即小腿件13相对大腿组件11收缩时，第二拉压力检测传感器130检测到人体小腿对其产生的拉力；小腿件13相对大腿组件11伸展时，第二拉压力检测传感器130检测到人体小腿对其产生的压力。从而在人体小腿将要收缩或伸展时，通过反馈给第二拉压力检测传感器130的拉力或压力数据，控制器35可获知人体下肢的运动意图，进而控制驱动机构33驱动对应的传动关节15正转或反转，以助力人体下肢运动。

大腿组件11包括第一大腿件110和第二大腿件112，第一大腿件110和第二大腿件112转动连接，第一大腿件110与背包板31固定连接。本实施例中，第一大腿件110与背包板31垂直连接，以形成供人体穿戴的空间。

进一步地，脚踝机构172上设有踝关节角度传感器178，踝关节角度传感器178用于检测鞋底板170与小腿件13间的转动角度。第一大腿件110上设有髋关节角度传感器111，髋关节角度传感器111用于检测第二大腿件112与第一大腿件110间的转动角度。控制器35根据踝关节角度传感器178和髋关节角度传感器111所检测的数据进一步地确定下肢的运动状态。

进而髋关节角度传感器111、膝关节角度传感器113、踝关节角度传感器178及压力检测传感器177所检测的数据出传递给控制器35，控制器35进而可据此得到人体下肢的运动状态，例如行走时小腿收缩、行走时小腿伸展或站立等状态，以及根据第二拉压力传感器130对拉压力的获取确定人体下肢的运动意图，进而控制驱动机构33驱动对应的传动关节15，以助力人体下肢运动。

参阅图11至图13，传动关节15包括两个相互连接的夹紧件150，两个夹紧件150相对的一侧设有走线槽151，夹紧件150的外周面设有绕线槽152，夹紧件150的外周面上设有开口159，开口159连通走线槽151与绕线槽152，两个夹紧件150上可分别连接传动绳34，两个夹紧件150之间还设有垫片153，以隔离两个传动绳34，传动绳34经走线槽151缠绕在绕线槽152上，两传动绳34在对应的夹紧件150上的绕向相反，驱动机构33正转或反转带动对应的夹紧件150转动，进而驱动传动关节15正转或反转。

一个传动关节15对应连接有两条传动绳34，分别驱动传动关节15正转和反转。两传动绳34沿对应的走线槽151的走向也相反，传动绳34固定在夹紧件150上，沿走线槽151出离夹紧件150并沿绕线槽152缠绕于夹紧件150上。

走线槽151为过渡曲线状，其包括依次连接的多段线槽1510，其中至少一对相邻的线槽形成S状，以便于传动绳34在走线槽151中变向。走线槽151的路劲经过多个弧度跳变，绕夹紧件150的边沿离开夹紧件150，走线槽151的槽宽与传动绳34的直径相同，从而增大传动绳34与走线槽151之间的摩擦力，防止传动绳34脱落。

两个夹紧件150连接时，两个夹紧件150上的开口159相互错开，进而可通过其错开的距离限制传动关节15的转动范围，以避免传动关节15的转动范围过大而对人体造成伤害。

传动关节15还包括插接件156，两个夹紧件150相互连接以将插接件156限位，插接件156用于固定传动绳34。

具体地，两个夹紧件150连接以将两个插接件156限位，进而传动绳34的一端被插接件156固定在传动关节15内。插接件156的数量为二个，对应固定两条传动绳34。

夹紧件150设有第一插槽154和第二插槽155，其中一个夹紧件150上的第一插槽154和另一个夹紧件150上的第二插槽155对位设置，插接件156的两端对应插接于第一插槽154和第二插槽155内。

插接件156包括插接主体1560，插接主体1560上设有第一通孔1561，插接主体1560的一端设有凹槽1562，凹槽1562的走向与第一通孔1561的走向相同，两插接件156相对的两端分别插接于一夹紧件150上的第一插槽151和第二插槽155，使得凹槽1562与第一通孔1561对准。插接主体1560例如为圆柱体，第一通孔1561位于圆柱体的中部且沿其径向设置。或者，插接主体1560为棱柱体，第一通孔1561沿棱柱体上两平行侧面的垂向设置。

传动绳34为钢丝绳，传动绳34的一端置于凹槽1562和第一通孔1561内，之后传动绳34弯折进入走线槽151，且经走线槽151多次弯折后从开口159伸出，以利用钢丝绳自身的韧性，弯折后与走线槽151之间的摩擦力增大，进而自锁于插接件156与走线槽151内。

进一步地，插接主体1560的另一端沿轴向设有沉孔1563，沉孔1563连通第一通孔1561，夹紧件150上对应第一插槽154的位置设有第二通孔1540，传动关节15上还设有紧固件，紧固件与第二通孔1540配合以通过沉孔1563抵接于传动绳34上，以进一步固定传动绳34。例如，紧固件为定位销。

下面以第二大腿件112、传动关节15和小腿件13组成的关节组件为例，详细介绍它们的连接结构。

参阅图11、图14，两夹紧件150相互背离的侧面上设有定位柱157，小腿件13的端部两侧均连接有第一安装板132，定位柱157插接于第一安装板132上的第一安装孔内，进而传动关节15相对小腿件13固定，传动关节15能够带动小腿件13转动。第二大腿件112的端部对应两侧连接有第二安装板114，第二安装板114对应设有第二安装孔，且定位柱157还伸入到第二安装孔内。

定位柱157例如为半圆形柱、带缺口的圆形柱或菱形柱，第一安装孔的形状与定位柱157的形状相同，第二安装孔为于圆孔，其直径与定位柱157的最大截面尺寸相同，进而保证小腿件13相对第二大腿件112转动而不会滑动。

本实施例中，传动关节15还包括端帽158，端帽158插接于定位柱157上并可容置于第二安装孔内，以避免定位柱157与第二安装板114摩擦接触。

进一步地，第一安装板132上设有弧形限位槽133，第二安装板114上连接有限位柱116，第一安装板132与第二安装板114对位安装时，限位柱116插入限位槽133内，进而从结构上限制小腿件13相对第二大腿件112的转动范围，防止小腿件13转动过量伤害肢体。

第二大腿件112上设置有多个限位扣115，传动绳34穿过多个限位扣115与传动关节15连接。进一步地，传动绳34外侧还套设有鞘管，以减少传送绳34与限位扣115、第二大腿件112的摩擦，以及对传动绳34的传动路径提供支撑。

可选地，膝关节角度传感器113为磁性角度传感器，其中一个端帽158上还安装有磁体，进而膝关节角度传感器113连接于第二安装板114的对应位置上，以检测磁体相对膝关节角度传感器113的磁场变化状况，进而测得小腿件13相对第二大腿件112的转动角度。另一侧的的端帽158还被连接于第二安装板114上的端盖117所遮挡。

上述第二大腿件112、传动关节15和小腿件13的连接结构同样适用于上臂21、小臂23和传动关节15的连接结构。

可选地，第一大腿件110与第二大腿件112之间设置有传动关节15，进而可对人体大腿进行助力运动。

可选地，脚踝块和脚踝件之间设置传动关节15，以对人体脚踝进行助力。

可选地，控制器35包括信息采集板和上位机，信息采集板获取各传感器的原始数据并对原始数据进行处理得到角度信息、压力信息等，并将角度信息、压力信息传递给上位机，进而上位机获取人体上肢、下肢的运动状态、运动意图，在向驱动机构33发送指令，以对人体的相应肢体动作进行助力。

可选地，控制器35还可以是计算机，其拥有数据处理能力和逻辑判断能力，可完成上述控制器完成的动作。

可选地，驱动机构33包括盘丝电机和减速机，传动绳34与减速机连接，盘丝电机动力经减速机输出，并由传动绳34传递到传动关节15。

可选地，驱动机构33为伺服电机。

区别于现有技术的情况，本申请公开了一种外骨骼机器人。通过将脚踝机构设置成脚踝件和脚踝块，且脚踝件与脚踝块转动连接，结构简单且使得脚踝机构可直接设置人体脚踝的一侧，进而穿戴方便，且还在脚踝块内设置弹性件，以减缓脚踝件对脚踝块的转动速率，进而缓冲人体脚踝所受的压力，降低人体脚踝的损伤风险。

以上所述仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。