1.本技术涉及外骨骼技术领域，具体涉及一种足具及外骨骼机器人。
背景技术：2.外骨骼机器人是一种能够为用户所穿戴，以为人体提供助力而实现辅助负载搬运、增强人体机能等功能的机械装置。其中，足具是外骨骼机器人与人足的连接机构。在相关技术中，外骨骼机器人的足具多采用复杂而精度要求较高的关节结构，以匹配人体踝关节的运动自由度，导致足具结构复杂臃肿且昂贵，不利于制造使用且使用性能欠佳。
技术实现要素：3.本技术实施例提供一种足具及外骨骼机器人，可以实现结构简化和性能优化。
4.一方面，本技术实施例提供一种足具，包括：足具本体；连接弹簧，设置于所述足具本体上且具有沿竖直方向依次连续弯折形成的多层弯折结构，所述多层弯折结构包括多个层板部和多个弯折部，所述多个层板部沿竖直方向依次平行间隔设置，相邻的两个层板部通过一所述弯折部连接；腿部连接端，设置于所述连接弹簧上，被配置为和外骨骼腿部连接。
5.在一些实施例中，所述足具本体包括底部支撑件、本体支架、压力管和压力传感器，所述底部支撑件和所述本体支架自下而上依次间隔设置，所述压力管夹设于所述底部支撑件和所述本体支架之间，所述压力传感器被配置为测量所述压力管的压力。
6.在一些实施例中，所述底部支撑件和所述本体支架中的一者上设有延伸槽部，所述延伸槽部朝向所述底部支撑件和所述本体支架中的另一者，所述压力管沿所述延伸槽部的延伸方向延伸设置，所述压力管沿竖直方向的一侧嵌入于所述延伸槽部内、而另一侧突出于所述延伸槽部外。
7.在一些实施例中，所述压力管设有气嘴，所述压力传感器经所述气嘴而延伸至所述压力管内。
8.在一些实施例中，所述足具本体包括本体支架、顶部穿戴件和力传感器，所述本体支架和所述顶部穿戴件自下而上依次间隔设置，所述力传感器夹设于所述本体支架和所述顶部穿戴件之间。
9.在一些实施例中，所述本体支架和所述顶部穿戴件中的一者上设有凹槽部，所述凹槽部朝向所述本体支架和所述顶部穿戴件中的另一者，所述力传感器至少部分地嵌入于所述凹槽部内。
10.在一些实施例中，所述足具本体还包括多个承载垫，所述承载垫夹设于所述本体支架和所述顶部穿戴件中的一者与所述力传感器之间。
11.在一些实施例中，所述连接弹簧设置于所述本体支架上。
12.在一些实施例中，所述足具还包括缓冲垫，所述缓冲垫设置于所述足具本体的底部。
13.另一方面，本技术实施例提供一种外骨骼机器人，包括以上任一实施例提供的足具。
14.本技术实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
15.本技术实施例通过设置足具本体、连接弹簧和腿部连接端，引入连接弹簧作为柔性关节，通过连接弹簧而匹配人体踝关节的真实运动自由度和进行柔性承载，结构简单紧凑而可简化结构和降低造价，并具有承载极限较大、着急平稳性和安全性较佳、复位助力理想的优点，从而实现结构简化和性能优化。
附图说明
16.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例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技术的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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。
17.图1是本技术一些实施例提供的足具的轴测结构图；
18.图2是本技术一些实施例提供的足具的爆炸结构图；
19.图3是本技术一些实施例提供的足具的局部结构图；
20.图4是本技术一些实施例提供的足具的投影结构图。
21.主要元件符号说明：
22.10-足具本体，11-底部支撑件，12-本体支架，121-延伸槽部，122-凹槽部，123-开口部，13-顶部穿戴件，131-底板部，132-侧板部，14-压力管，141-气嘴，15-力传感器，16-承载垫，17-缓冲垫，20-连接弹簧，21-层板部，22-弯折部，30-腿部连接端。
具体实施方式
23.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
24.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”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”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0025]“a和/或b”，包括以下三种组合：仅a，仅b，及a和b的组合。
[0026]
本技术中“适用于”或“被配置为”的使用意味着开放和包容性的语言，其不排除适用于或被配置为执行额外任务或步骤的设备。另外，“基于”的使用意味着开放和包容性，因为“基于”一个或多个所述条件或值的过程、步骤、计算或其他动作在实践中可以基于额外
条件或超出所述的值。
[0027]
在本技术中，“示例性”一词用来表示“用作例子、例证或说明”。本技术中被描述为“示例性”的任何实施例不一定被解释为比其它实施例更优选或更具优势。为了使本领域任何技术人员能够实现和使用本技术，给出了以下描述。在以下描述中，为了解释的目的而列出了细节。应当明白的是，本领域普通技术人员可以认识到，在不使用这些特定细节的情况下也可以实现本技术。在其它实例中，不会对公知的结构和过程进行详细阐述，以避免不必要的细节使本技术的描述变得晦涩。因此，本技术并非旨在限于所示的实施例，而是与符合本技术所公开的原理和特征的最广范围相一致。
[0028]
如图1所示，本技术实施例提供一种足具，该足具包括足具本体10、连接弹簧20和腿部连接端30，可以实现结构简化和性能优化。
[0029]
足具本体10具有适于用户的足部进行穿戴的结构，可供用户进行穿戴。在行进过程中，足具本体10的底部可以和地面进行接触，以对外骨骼机器人和用户进行结构支撑。
[0030]
连接弹簧20设置于足具本体10上，其具有沿竖直方向依次连续弯折形成的多层弯折结构。多层弯折结构包括多个层板部21和多个弯折部22，该多个层板部21沿竖直方向依次平行间隔设置、形成彼此间隔的层叠设置构造；层板部21具有平面板结构、弯折部22具有弯折板结构，而相邻的两个层板部21分别通过一弯折部22连接。连接弹簧20的制作材料和成型工艺可以根据实际需要确定，本技术实施例对此不作限定。在一些实施例中，连接弹簧20可以由诸如65mn、60si2mn等具有较高弹性的弹簧钢板连续折弯而成，具有较佳的弹簧性能。
[0031]
腿部连接端30设置于连接弹簧20上，其被配置为和外骨骼腿部连接。这样，连接弹簧20设置于足具本体10上、并通过腿部连接端30而和外骨骼腿部进行连接，使连接弹簧20柔性地连接外骨骼腿部和足具本体10、从而起到踝关节的作用。
[0032]
由于任意相邻的两个层板部21之间间隔设置、仅通过弯折部22进行连接，使得任意相邻的两个层板部21之间具有变形运动空间；相应地，相邻的两个层板部21之间既可以绕竖直轴而于弯折部22进行扭转、以匹配人体踝关节的旋内/旋外运动，也可以绕第一水平轴而于远离弯折部22的一端进行上下张合、以匹配人体踝关节的背屈/跖屈运动，还可以绕第二水平轴进行左右翻转、以匹配人体踝关节的内翻/外翻运动，使得连接弹簧20具有和人体踝关节的真实运动自由度匹配一致的三个转动自由度；这里，第一水平轴和弯折部22的长度方向平行，第二水平轴和第一水平轴垂直。这样，在足具本体10随人体踝关节做背屈/跖屈、旋内/旋外、内翻/外翻等运动时，连接弹簧20可以同步地进行柔性转动变形，保证足具本体10的随动灵活性。
[0033]
而由于多个层板部21沿竖直方向依次平行间隔设置，多个层板部21可以逐层叠加而对外载荷进行共同承载；又由于每个层板部21和弯折部22因应板状结构而具有较大的弹性变形范围和承载极限，一方面可以通过多层叠加而增加连接弹簧20的整体弹性变形范围，适应人体关节运动范围，另一方面可以通过设置单层的长度、宽度、厚度尺寸，调整连接弹簧20在不同运动方向的柔性系数和承载能力，同时可以通过层板部21和弯折部22的变形吸收着地冲击，增强穿戴舒适性和柔顺性，进而保证着地时的支撑平稳性和安全性。
[0034]
此外，连接弹簧20在随动地进行柔性转动变形时可以积蓄弹性势能，在人体踝关节需要进行复位时可以将弹性势能释放而对足具本体10提供复位力矩，使足具本体10可以
自行地进行复位、以减少用户的运动负担。得益于连接弹簧20的逐级弹性变形和形变量逐级衰减的特性，连接弹簧20可以平稳地释放弹性势能而避免对足具本体10及人体踝关节造成冲击伤害。
[0035]
另外，通过对层板部21和弯折部22进行调节，在连接弹簧20受压时可以逐级进行弹性变形、减少同时发生弹性变形的层板部21和弯折部22的数量以及使形变量逐级衰减，使得连接弹簧20在受到外载荷时不会瞬时过度变形、且多个层板部21和弯折部22逐级吸能缓冲而减少冲击载荷。
[0036]
和相关技术相比，本技术实施例提供的足具直接引入连接弹簧20作为柔性关节，通过连接弹簧20而匹配人体踝关节的真实运动自由度和进行柔性承载，结构简单紧凑而可简化结构和降低造价，并具有承载极限较大、着地平稳性和安全性较佳、复位助力理想的优点，从而实现结构简化和性能优化。
[0037]
足具本体10的具体构造可以根据实际需要确定，本技术实施例对此不作限定。如图1～4所示，在一些实施例中，足具本体10可以包括底部支撑件11、本体支架12、压力管14和压力传感器。这里，底部支撑件11和本体支架12自下而上依次间隔设置，使底部支撑件11和本体支架12不直接进行接触连接；压力管14夹设于底部支撑件11和本体支架12之间，使压力管14的底侧可以和底部支撑件11接触连接、而压力管14的顶侧可以和本体支架12接触连接。压力管14内可以充满气体，在压力管14受到外部压力时，压力管14的管内压力同步地发生变化；压力传感器和压力管14进行连接，可以测量压力管14的管内压力。
[0038]
在用户穿戴足具及其所在的外骨骼而进行行走移动时，足具本体10可以和地面进行接触而受到来自地面的作用力。该作用力通过底部支撑件11而传递至压力管14，使压力管14的管内压力发生变化，进而由压力传感器所测量确定。这样，一方面可以利用压力管14和压力传感器，准确地监测足具本体10及其所在的外骨骼的着地力，以反馈控制外骨骼对用户的助动力；另一方面可以利用压力管14在底部支撑件11和本体支架12之间进行缓冲连接，减少着地时地面对用户足部的冲击伤害、增加用户使用时的安全性和舒适性。
[0039]
在一些示例中，底部支撑件11和本体支架12中的一者上可以设有延伸槽部121，延伸槽部121朝向底部支撑件11和本体支架12中的另一者。示例性的，底部支撑件11上可以设有延伸槽部121，延伸槽部121设置于底部支撑件11上朝向本体支架12的一侧、例如底部支撑件11的顶侧，使延伸槽部121可以向上朝向本体支架12；又示例性的，本体支架12上可以设有延伸槽部121，延伸槽部121设置于本体支架12上朝向底部支撑件11的一侧、例如本体支架12的底侧，使延伸槽部121可以向下朝向底部支撑件11。其中，延伸槽部121可以由底部支撑件11或本体支架12的表面沿竖直方向凹陷形成。
[0040]
这里，压力管14可以沿延伸槽部121的延伸方向延伸设置、以延伸至延伸槽部121的各个区域。压力管14上沿竖直方向的一侧可以嵌入于延伸槽部121内，而其沿竖直方向的另一侧突出于延伸槽部121外。示例性的，延伸槽部121可以沿水平方向延伸设置；相应地，压力管14也可以沿水平方向延伸设置于延伸槽部121处。在延伸槽部121设置于底部支撑件11上时，压力管14的上侧区域可以嵌入于延伸槽部121内，而压力管14的下侧区域突出于延伸槽部121外；在延伸槽部121设置于本体支架12上时，压力管14的下侧区域可以嵌入于延伸槽部121内，而压力管14的上侧区域突出于延伸槽部121外。
[0041]
通过上述延伸槽部121的结构设置，可以使压力管14能够可靠地夹设于底部支撑
件11和本体支架12之间，使得底部支撑件11和本体支架12之间需要通过压力管14而进行间接连接和力的传递，进而使得压力管14可以在底部支撑件11和本体支架12之间进行缓冲连接以及着地力感测，增加足具在穿戴行走时的安全性和舒适性。
[0042]
在一些示例中，压力管14可以设有气嘴141。通过设置气嘴141，可以根据实际受力需要对压力管14进行气体填充或气体释放，以调节压力管14的承载能力。这里，压力传感器可以经由气嘴141而延伸至压力管14内，以准确地对压力管14内的压力变化进行测量；示例性的，压力传感器的传感元件可以嵌入于压力管14内，而压力传感器的输出线可以穿过气嘴141而和外骨骼机器人的控制系统进行电连接，以将测量结果进行对外传输。示例性的，本体支架12可以设有和延伸槽部121连通的开口部123，气嘴141可以穿过开口部123而延伸至本体支架12的外部。
[0043]
在一些实施例中，足具本体10可以包括本体支架12、顶部穿戴件13和力传感器15。这里，本体支架12和顶部穿戴件13自下而上依次间隔设置，使本体支架12和顶部穿戴件13不直接进行接触连接；力传感器15夹设于本体支架12和顶部穿戴件13之间，使力传感器15的底侧可以和本体支架12接触连接、而力传感器15的顶侧可以和顶部穿戴件13接触连接。
[0044]
在用户穿戴足具及其所在的外骨骼而进行行走移动时，顶部穿戴件13可以和用户的人体足部进行接触而产生作用力。该作用力通过顶部穿戴件13而传递于力传感器15，由力传感器15对之进行测量。这样，可以对用户足部和足具本体10之间的作用力进行实时监测，以便对外骨骼机器人的助力和姿态进行反馈调节控制。
[0045]
在一些示例中，本体支架12和顶部穿戴件13中的一者可以上设有凹槽部122，凹槽部122朝向本体支架12和顶部穿戴件13中的另一者。示例性的，本体支架12上可以设有凹槽部122，凹槽部122设置于本体支架12上朝向顶部穿戴件13的一侧、例如本体支架12的顶侧，使凹槽部122可以向上朝向顶部穿戴件13；又示例性的，顶部穿戴件13上可以设有凹槽部122，凹槽部122设置于顶部穿戴件13上朝向本体支架12的一侧、例如顶部穿戴件13的底侧，使凹槽部122可以向下朝向本体支架12。其中，凹槽部122可以由本体支架12或顶部穿戴件13的表面沿竖直方向凹陷形成。
[0046]
这里，力传感器15可以至少部分地嵌入于凹槽部122内，使得足具本体10的结构比较紧凑。示例性的，力传感器15仅部分地嵌入于凹槽部122内。在凹槽部122设置于底部支撑件11上时，力传感器15的上侧区域可以嵌入于凹槽部122内，而力传感器15的下侧区域突出于凹槽部122外；在凹槽部122设置于本体支架12上时，力传感器15的下侧区域可以嵌入于凹槽部122内，而力传感器15的上侧区域突出于凹槽部122外。
[0047]
又示例性的，力传感器15可以全部地嵌入于凹槽部122内。这里，足具本体10还可以包括多个承载垫16，多个承载垫16夹设于本体支架12和顶部穿戴件13中的一者与力传感器15之间。例如，多个承载垫16可以夹设于本体支架12和力传感器15之间；又如，多个承载垫16可以夹设于顶部穿戴件13和力传感器15之间。一方面，通过多个承载垫16的过渡连接，可以避免本体支架12和顶部穿戴件13直接挤压力传感器，降低压力传感器的受损风险；另一方面，通过多个承载垫16的分布式承载，可以避免应力集中及由此对力传感器15造成的结构损伤和测量干扰。示例性的，多个承载垫16可以在力传感器15上均匀分布，以均匀地进行分布式承载。示例性的，承载垫16可以具有环形构造，诸如紧固螺钉、紧固销等紧固件可以依次穿过顶部穿戴件13和承载垫16后紧固于力传感器15上，以将顶部穿戴件13、承载垫
16和力传感器15依次锁紧。示例性的，承载垫16可以采用诸如橡胶、塑胶等材料制成，具有较佳的弹性。
[0048]
在一些示例中，足具本体10可以包括自下而上依次设置的底部支撑件11、压力管14、本体支架12、力传感器15和顶部穿戴件13。本体支架12的顶侧设有延伸槽部121、而底侧设有凹槽部122，压力管14设置于延伸槽部121内、而力传感器15设置于凹槽部122内，使得足具本体10的整体结构紧凑而功能丰富。
[0049]
顶部穿戴件13的构造可以根据实际需要确定，本技术实施例对此不作限定。在一些示例中，顶部穿戴件13可以包括底板部131和设置于底板部131上的多个侧板部132，多个侧板部132依次间隔地设置于底板部131的前侧、左侧和右侧，以对用户的足部进行限位。
[0050]
连接弹簧20在足具本体10上的设置位置可以根据实际需要确定，本技术实施例对此不作限定。在一些示例中，连接弹簧20可以设置于本体支架12上，以进行可靠连接和结构避让。示例性的，连接弹簧20的层板部21可以和本体支架12进行连接固定。
[0051]
在一些实施例中，足具还可以包括缓冲垫17，缓冲垫17设置于足具本体10的底部、以于着地时在足具本体10和地面之间进行缓冲。在一些示例中，足具本体10可以包括底部支撑件11和本体支架12，则缓冲垫17可以设置于底部支撑件11远离本体支架12的一侧。缓冲垫17的类型可以根据实际需要确定，可以采用诸如橡胶垫、弹性塑胶垫等类型，本技术实施例对此不作限定。
[0052]
另一方面，本技术实施例提供一种外骨骼机器人，该外骨骼机器人包括以上任一实施例提供的足具。该外骨骼机器人具有上述足具，可以实现结构简化和性能优化。
[0053]
以上对本技术实施例所提供的足具及外骨骼机器人进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本技术的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本技术的限制。尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本技术实施例的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本技术的权利要求范围当中。
技术特征：1.一种足具，其特征在于，包括：足具本体；连接弹簧，设置于所述足具本体上且具有沿竖直方向依次连续弯折形成的多层弯折结构，所述多层弯折结构包括多个层板部和多个弯折部，所述多个层板部沿竖直方向依次平行间隔设置，相邻的两个层板部通过一所述弯折部连接；腿部连接端，设置于所述连接弹簧上，被配置为和外骨骼腿部连接。2.根据权利要求1所述的足具，其特征在于，所述足具本体包括底部支撑件、本体支架、压力管和压力传感器，所述底部支撑件和所述本体支架自下而上依次间隔设置，所述压力管夹设于所述底部支撑件和所述本体支架之间，所述压力传感器被配置为测量所述压力管的压力。3.根据权利要求2所述的足具，其特征在于，所述底部支撑件和所述本体支架中的一者上设有延伸槽部，所述延伸槽部朝向所述底部支撑件和所述本体支架中的另一者，所述压力管沿所述延伸槽部的延伸方向延伸设置，所述压力管沿竖直方向的一侧嵌入于所述延伸槽部内、而另一侧突出于所述延伸槽部外。4.根据权利要求2所述的足具，其特征在于，所述压力管设有气嘴，所述压力传感器经所述气嘴而延伸至所述压力管内。5.根据权利要求1所述的足具，其特征在于，所述足具本体包括本体支架、顶部穿戴件和力传感器，所述本体支架和所述顶部穿戴件自下而上依次间隔设置，所述力传感器夹设于所述本体支架和所述顶部穿戴件之间。6.根据权利要求5所述的足具，其特征在于，所述本体支架和所述顶部穿戴件中的一者上设有凹槽部，所述凹槽部朝向所述本体支架和所述顶部穿戴件中的另一者，所述力传感器至少部分地嵌入于所述凹槽部内。7.根据权利要求6所述的足具，其特征在于，所述足具本体还包括多个承载垫，所述承载垫夹设于所述本体支架和所述顶部穿戴件中的一者与所述力传感器之间。8.根据权利要求2或5所述的足具，其特征在于，所述连接弹簧设置于所述本体支架上。9.根据权利要求1所述的足具，其特征在于，所述足具还包括缓冲垫，所述缓冲垫设置于所述足具本体的底部。10.一种外骨骼机器人，其特征在于，包括权利要求1-9中任一项所述的足具。
技术总结本申请实施例提供一种足具及外骨骼机器人，所述足具包括：足具本体；连接弹簧，设置于所述足具本体上且具有沿竖直方向依次连续弯折形成的多层弯折结构，所述多层弯折结构包括多个层板部和多个弯折部，所述多个层板部沿竖直方向依次平行间隔设置，相邻的两个层板部通过一所述弯折部连接；腿部连接端，设置于所述连接弹簧上，被配置为和外骨骼腿部连接。被配置为和外骨骼腿部连接。被配置为和外骨骼腿部连接。
技术研发人员：邓静 李满天 王鹏飞 查富生
受保护的技术使用者：深圳航天龙海特智能装备有限公司
技术研发日：2022.07.26
技术公布日：2022/11/1
