集成式智能鞋及外骨骼机器人的制作方法

1.本发明涉及外骨骼机器人技术领域，尤其涉及一种集成式智能鞋及具有其的外骨骼机器人。


背景技术：

2.机械外骨骼是一种穿戴在人体上,将人体和机械并联在一起的人机一体化机电智能装备，它将人的智慧和机械的力量相结合，由人来引导机械动作，同时用机械的力量来扩展人的能力。
3.其中，针对负重行走的下肢助力机械外骨骼是机械外骨骼研究中最重要的研究方向之一，主要目的是为了在人体负重行走过程中为人体提供助力。下肢机械外骨骼是通过将人的下肢与两足步行的机械腿并联在一起,并利用人体自身的平衡调节及步态控制来实现对机械腿步态的控制与调节,从而很好地解决了普通两足机器人研究中常见的步态规划及其稳定性的问题，同时机械腿又为人体步行提供了助力，大大提高了人体步行中的负载能力，缓解了人体在负重行走状态下的疲劳感。
4.现有的有源下肢外骨骼机器人通常是传感器进行人体运动意图感知，运行相应的固定步态进行电机控制。对正常人而言，此方式可满足大部分情况下的外骨骼控制需求，通过自身对环境的认知，控制腿部动作来达到控制外骨骼完成不同的动作。
5.然而，但对于大部分行动有障碍的人员来说，仅仅进行人体运动意图感知是远远不够的，残障人士对环境的认知并不能通过对自身肢体的控制很好的反应到外骨骼的控制上来。因此，针对上述问题，有必要提出进一步的解决方案。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种集成式智能鞋及具有其的外骨骼机器人，以克服现有技术中存在的不足。
7.为实现上述发明目的，本发明提供一种集成式智能鞋，其包括：本体、通讯模块、主控模块、旋转模块、角度测量模块以及测距模块；所述通讯模块、主控模块集成于所述本体上，所述主控模块接收来自所述角度测量模块以及测距模块的数据，并通过所述通讯模块数据传输；所述本体包括：小腿部和足部，所述小腿部通过所述旋转模块与所述足部相连接，所述角度测量模块集成于所述旋转模块上，并采集所述足部相对所述小腿部的旋转角度；所述测距模块集成于所述足部上，并采集足部与底面和/或障碍物之间的距离。
8.作为本发明集成式智能鞋的改进，所述通讯模块、主控模块集成于所述小腿部上。
9.作为本发明集成式智能鞋的改进，所述小腿部下端开槽，所述旋转模块设置于下端槽结构中并与所述小腿部相连，所述旋转模块以所述槽结构左右两侧壁作为限位面，进行踝关节运动范围的限制。
10.作为本发明集成式智能鞋的改进，所述角度测量模块为角度测量传感器。
11.作为本发明集成式智能鞋的改进，所述足部包括足底支撑结构，所述足底支撑结构与人体足部形状相对应，且所述足底支撑结构通过一连杆与所述旋转模块相连接。
12.作为本发明集成式智能鞋的改进，所述测距模块包括：下向测距传感器和/或前向测距传感器。
13.作为本发明集成式智能鞋的改进，所述下向测距传感器集成于自所述连杆一侧向后延伸的凸起上，所述前向测距传感器集成于自所述连杆上。
14.为实现上述发明目的，本发明提供一种外骨骼机器人，其包括：左下肢和右下肢，所述左下肢和右下肢上至少一个设置有如上所述的集成式智能鞋。
15.作为本发明外骨骼机器人的改进，所述外骨骼机器人还包括总控电路，所述主控模块通过所述通讯模块与所述总控电路进行数据传输。
16.作为本发明外骨骼机器人的改进，所述外骨骼机器人的电源为所述集成式智能鞋及其它用电设备进行统一供电。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的智能鞋具有集成设置的多个功能模块，其可替代外骨骼机器人中的踝关节及脚底，实现外骨骼对地面环境的感知的同时，进行足底姿态的采集，为外骨骼的运动控制提供必要的参数。同时，本发明的智能鞋的旋转模块通过机械结构进行限位，锁死自由度，将足部运动范围限定在正常运动范围之内，通过角度测量模块进行旋转角度测量，进而得到人体足部运动姿态。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明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发明中记载的一些实施例，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。
19.图1为本发明集成式智能鞋一实施例的平面示意图。
具体实施方式
20.下面结合各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
21.如图1所示，本发明一实施例提供一种集成式智能鞋包括：本体10、通讯模块20、主控模块30、旋转模块40、角度测量模块50以及测距模块60。
22.本体10形成本实施例集成式智能鞋的主体结构，其包括：小腿部11和足部12。其中，小腿部11通过旋转模块40与足部12相连接。如此，足部12可相对于小腿部11进行枢转运动，从而便于在穿戴时足部12跟随人体进行运动。上述枢转模块可采用现有的可实现两部件枢转连接的结构。
23.进一步地，足部12包括足底支撑结构121，穿戴时人体脚部踩在上述足底支撑结构121上。相应的，足底支撑结构121与人体脚部形状相对应。同时，足底支撑结构121通过一连杆122与旋转模块40相连接。
24.此外，小腿部11下端开槽，旋转模块40设置于下端槽结构中并与小腿部11相连，旋
转模块40以槽结构左右两侧壁作为限位面，进行踝关节运动范围的限制。如此，通过采用槽结构进行限位，锁死自由度，将足部12运动范围限定在正常运动范围之内，通过角度测量模块50进行旋转角度测量，进而得到人体足部的运动姿态。
25.通讯模块20、主控模块30集成于本体10上。其中，主控模块30能够接收来自角度测量模块50以及测距模块60的数据，并通过通讯模块20数据传输。从而，采集的相关数据可通过通讯模块20上传给外骨骼机器人的总控电路，为外骨骼的运动控制提供必要的参数。一个实施方式中，通讯模块20、主控模块30集成于小腿部11上。上述通讯模块20、主控模块30可选择现有的通讯芯片以及主控芯片，本领域技术人员可根据实际情况选择相应型号的芯片，并结合应用于本实施例的技术方案中。
26.角度测量模块50用于测量足部12相对于小腿部11的的旋转角度，并将数据传递至主控模块30。具体地，角度测量模块50集成于旋转模块40上，并采集足部12相对小腿部11的旋转角度。结合该结构将踝关节自由度锁死的情况，通过旋转角度即可进行人体足部姿态的判断，进而进行更为精确的外骨骼运动控制。一个实施方式中，角度测量模块50为角度测量传感器。
27.测距模块60用于进行障碍物检测，辅助外骨骼进行上楼、下楼、越障等复杂操作。具体地，测距模块60集成于足部12上，并采集足部12与底面和/或障碍物之间的距离。一个实施方式中，测距模块60包括：下向测距传感器61和/或前向测距传感器62。此时，下向测距传感器61集成于自连杆122一侧向后延伸的凸起上，前向测距传感器62集成于自连杆122上。
28.如此，前向测距传感器62用于测量距前方障碍物距离，用于判断前方是否有障碍物阻挡外骨骼运动，如台阶、杂物等。下向测距传感器61用于测量足底至地面距离，用于判断当前足部12是否腾空。两组数据协同进行外骨骼运动修正，实现上楼、下楼、跨越障碍等复杂操作。从而，在实现外骨骼对地面环境的感知的同时，可进行足底姿态的采集，为外骨骼的运动控制提供必要的参数。
29.基于相同的技术构思，本发明另一实施例还提供一种外骨骼机器人。
30.本实施例的外骨骼机器人包括：左下肢和右下肢。其中，左下肢和右下肢上至少一个设置有如上所述的集成式智能鞋。如此，集成式智能鞋可替代外骨骼机器人中的踝关节及脚底，实现足底姿态的采集，为外骨骼的运动控制提供必要的参数。
31.进一步地，外骨骼机器人还包括总控电路，主控模块通过通讯模块与总控电路进行数据传输。如此，主控模块处理、保存来自角度测量模块、前向测距传感器、下向测距传感器的数据；同时接收、处理总控电路的总线上的控制指令，对应向外骨骼总控电路发送相关数据，实现地面环境信息、足部姿态数据的上传。外骨骼机器人的电源为集成式智能鞋及其它用电设备进行统一供电。
32.综上所述，本发明的智能鞋具有集成设置的多个功能模块，其可替代外骨骼机器人中的踝关节及脚底，实现外骨骼对地面环境的感知的同时，进行足底姿态的采集，为外骨骼的运动控制提供必要的参数。同时，本发明的智能鞋的旋转模块通过机械结构进行限位，锁死自由度，将足部运动范围限定在正常运动范围之内，通过角度测量模块进行旋转角度测量，进而得到人体足部运动姿态。
33.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在
不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
34.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。