阅读说明：本技术 一种下肢康复机器人足底多维传感装置 (Plantar multidimensional sensing device of lower limb rehabilitation robot ) 是由 冯永飞 梁冬泰 梁丹 鲁烨超 陈哲铭 徐文浩 杜冰涛 尹东颖 于 2019-02-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种下肢康复机器人足底多维传感装置,其技术方案要点包括脚底板以及用于穿着用的绷带,所述脚底板的下侧设置有连杆上板、连杆下板以及转动连接所述连杆上板和连杆下板的前后两端的相应一侧的连接杆,所述连接杆、连杆上板和连杆下板形成平行四连杆机构,所述连杆上板和连杆下板之间设置有两个分别限制连杆上板相对于连杆下板向前和向后移动的摩擦力测量机构。本发明通过摩擦力测量机构起到限制连杆上板相对于连杆下板向前和向后移动的作用,使得连杆上板和连杆下板之间始终保持平行,且连杆上板和连杆下板的角位移、角速度和角加速度也始终相等,达到稳定地测量人机之间摩擦力的目的,性能稳定且应用简单。(The invention discloses a foot bottom multidimensional sensing device of a lower limb rehabilitation robot, which adopts the technical scheme that the foot bottom multidimensional sensing device comprises a foot bottom plate and a bandage for wearing, wherein a connecting rod upper plate, a connecting rod lower plate and a connecting rod which is rotatably connected with one corresponding side of the front end and the rear end of the connecting rod upper plate and the connecting rod lower plate are arranged on the lower side of the foot bottom plate, the connecting rod upper plate and the connecting rod lower plate form a parallel four-bar mechanism, and two friction force measuring mechanisms which respectively limit the connecting rod upper plate to move forwards and backwards relative to the connecting rod lower plate are arranged between the connecting rod upper plate and the connecting rod lower. The friction force measuring mechanism has the function of limiting the upper connecting rod plate to move forwards and backwards relative to the lower connecting rod plate, so that the upper connecting rod plate and the lower connecting rod plate are always parallel, the angular displacement, the angular velocity and the angular acceleration of the upper connecting rod plate and the lower connecting rod plate are always equal, the purpose of stably measuring the friction force between a human and a machine is achieved, and the friction force measuring mechanism is stable in performance and simple to apply.)

一种下肢康复机器人足底多维传感装置

技术领域

本发明涉及一种医疗康复器械，更具体地说它涉及一种下肢康复机器人足底多维传感装置。

背景技术

康复机器人作为医疗机器人的一个重要分支，它的研究贯穿了康复医学、生物力学、机械学、机械力学、电子学、材料学、计算机科学以及机器人学等诸多领域，已经成为了国际机器人领域的一个研究热点。目前，康复机器人已经广泛地应用到康复护理、假肢和康复治疗等方面，这不仅促进了康复医学的发展，也带动了相关领域的新技术和新理论的发展。

公告号为CN104605868B的中国专利公开了一种下肢康复机器人足底多维传感装置，主要包括足底支撑板、绷带、脚后跟挡块、力矩承压板、传感器、传感器支架、大支撑架、固定架、连接板、中间支撑板、挡板、导轨和滑块，患者的脚捆绑在足底支撑板上，当患者在矢状面内做直线运动、踏车运动时，足底多维传感装置通过七个传感器对应获取患者脚对足底板的力矩、摩擦力及垂直压力。

但是该足底多维传感装置的结构复杂、体积量大，进而影响到其性能的稳定性以及实用性，有待改进。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种下肢康复机器人足底多维传感装置，该下肢康复机器人足底多维传感装置具有体积小、性能稳定以及应用简单的效果。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种下肢康复机器人足底多维传感装置，包括脚底板以及用于穿着用的绷带，所述脚底板的下侧设置有连杆上板、连杆下板以及转动连接所述连杆上板和连杆下板的前后两端的相应一侧的连接杆，所述连接杆、连杆上板和连杆下板形成平行四连杆机构，所述连杆上板和连杆下板之间设置有两个分别限制所述连杆上板相对于所述连杆下板向前和向后移动的摩擦力测量机构。

通过采用上述技术方案，摩擦力测量机构起到限制连杆上板相对于连杆下板向前和向后移动的作用，当脚部踩踏脚底板时将给予连杆上板以与连接杆连接处为轴产生运动的趋势，该趋势将对摩擦力测量机构提供作用力，进而实现利用平行四连杆机构与两个摩擦力测量机构达到测量摩擦力功能的目的，由于连杆上板和连杆下板之间始终保持平行，且连杆上板和连杆下板的角位移、角速度和角加速度也始终相等，可以很稳定地测量人机之间的摩擦力，性能稳定且应用简单。

本发明进一步设置为：两个所述摩擦力测量机构分别包括位于所述装置后端的后微型压力传感器组以及位于所述装置前端的前微型压力传感器组；所述后微型压力传感器组包括与连杆下板固定连接的后微型压力传感器以及位于所述后微型压力传感器前侧并与连杆上板固定连接的后微型压力传感器挡板；所述前微型压力传感器组包括设置在所述连杆下板前端的前微型压力传感器挡板以及位于所述前微型压力传感器挡板后侧并与连杆上板连接的前微型压力传感器。

通过采用上述技术方案，相互抵接的后微型压力传感器和后微型压力传感器挡板以及相互抵接的前微型压力传感器和前微型压力传感器挡板相互配合，起到限制连杆上板相对于连杆下板向前和向后移动的作用，进而当连接杆绕连杆下板具备转动的趋势时，连杆上板具有垂直连接杆切线运动趋势，进而使得两个摩擦力测量机构均受到挤压力的作用，实现利用平行四连杆机构与两个摩擦力测量机构达到测量摩擦力的功能，结构简单且性能稳定。

本发明进一步设置为：所述前微型压力传感器挡板和后微型压力传感器挡板内均螺纹连接有向相应的所述前微型压力传感器和后微型压力传感器提供预紧力的螺栓。

通过采用上述技术方案，螺栓用于调节前微型压力传感器和后微型压力传感器与相应的前微型压力传感器挡板和后微型压力传感器挡板之间的预紧力的作用，从而达到降低该多维传感装置的应用难度的目的。

本发明进一步设置为：所述脚底板的下侧设置有穿过连杆上板的扭矩承压板，所述扭矩承压板的下侧一端设置有与连杆上板连接的转动铰链，另一端下侧连接有拉压力传感器，所述连杆上板的下侧设置有U型的拉压力传感器固定架，所述拉压力传感器的下端与拉压力传感器固定架的底部螺纹连接。

通过采用上述技术方案，当脚部对脚底板施加作用力后，扭矩承压板通过连接其与连杆上板的转动铰链形成转动趋势，进而使得扭矩承压板形成一段转动幅，并在结合拉压力传感器的同时达到测量扭矩的目的，该结构简单、性能稳定，显著提升该多维传感装置的实用性。

本发明进一步设置为：所述扭矩承压板设置有上侧与脚底板连接的限位部，所述限位部的下侧与所述连杆上板的上侧匹配并对所述扭矩承压板的转动幅度进行限定。

通过采用上述技术方案，在脚部对脚底板施加作用力并使得扭矩承压板形成一段转动幅后，使得与连杆上板的上侧匹配的限位部起到限定扭矩承压板的转动幅度的作用，避免扭矩承压板过度受力而损坏。

本发明进一步设置为：所述连杆下板上设置有压力测量机构，所述压力测量机构包括呈倒U型且与连杆下板固定连接的称重传感器固定架、贯穿所述连杆下板中心处的固定支撑架以及上下两端分别与称重传感器固定架和固定支撑架螺纹连接的称重传感器，所述固定支撑架的两端均插接有位于所述连杆上板上侧并与外接固定设备固定的固定架支撑轴。

通过采用上述技术方案，固定架支撑轴与外接固定设备固定，使得连接杆在受到垂直向下的压力后，由于位于连杆上板与连杆下板之间的连接杆处于无法转动的状态，进而使得压力从连杆上板依次通过连接杆、连杆下板以及固定支撑架后，被传送至称重传感器上，从而实现称重传感器测量垂直压力的功能。

综上所述，本发明具有以下有益效果：由多个一维力传感器来获取人机之间相互作用力，用四根连接杆连接连杆上板以及连杆下板，形成一个平行四连杆机构，进而利用平行四连杆机构垂直连接杆切线的运动趋势，并搭配前微型压力传感器和后微型压力传感器测量摩擦力；利用连接杆与连杆上板、连杆下板之间垂直连接且相对静止的特性，搭配称重传感器以测量足底压力；利用与连杆上板转动连接的扭矩承压板与称重传感器测量力矩，组合使用一维力传感器获取人机之间的接触力，避免在人体矢状面内使用昂贵的空间六维力传感器，其性能稳定、体积小、应用简单。

附图说明

图1是本实施例的左视结构示意图；

图2是本实施例的主视结构示意图；

图3是图2中沿A-A方向的剖面结构示意图。

附图标记说明：1、脚底板；11、绷带；2、扭矩承压板；21、转动铰链；3、连杆上板；4、连杆下板；41、前微型压力传感器挡板；5、连接杆；51、轴承；52、连杆轴；6、固定支撑架；61、固定架支撑轴；7、后微型压力传感器；71、后微型压力传感器挡板；72、后微型压力传感器固定板；8、称重传感器；81、称重传感器固定架；9、拉压力传感器；91、拉压力传感器固定架；10、前微型压力传感器；101、前微型压力传感器固定板。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，一种下肢康复机器人足底多维传感装置，包括脚底板1以及用于穿着用的绷带11。在脚底板1的下侧依次设置有连杆上板3、连杆下板4以及转动连接连杆上板3和连杆下板4的前后两端相应一侧的连接杆5。位于前端的两根连接杆5以及后端的两根连接杆5的端部分别通过一根连杆轴52穿过后再穿过相应的连杆上板3和连杆下板4，并通过连杆轴52两端的轴承51使得四根连接杆5以及连杆上板3和连杆下板4之间形成稳定的平行四连杆机构。需要提及的是，连杆上板3和连杆下板4之间设置有两个分别限制连杆上板3相对于连杆下板4向前和向后移动的摩擦力测量机构，进而在摩擦力测量机构起到限制连杆上板3相对于连杆下板4向前和向后移动的作用时，脚部踩踏脚底板1将给予连杆上板3以与连接杆5连接处为轴产生运动的趋势，该趋势将对摩擦力测量机构提供作用力，进而实现利用平行四连杆机构与两个摩擦力测量机构达到测量摩擦力功能的目的，由于连杆上板3和连杆下板4之间始终保持平行，且连杆上板3和连杆下板4的角位移、角速度和角加速度也始终相等，可以稳定地测量人机之间的摩擦力，性能稳定且应用简单。

在此，需要对两个摩擦力测量机构分别进行结构与效果的说明：两个摩擦力测量机构分别包括位于该多维传感装置后端的后微型压力传感器组以及位于该多维传感装置前端的前微型压力传感器10组；且后微型压力传感器组包括与连杆下板4固定连接的后微型压力传感器固定板72、固定在后微型压力传感器固定板72上的后微型压力传感器7以及位于后微型压力传感器7前侧并与连杆上板3固定连接的后微型压力传感器挡板71；前微型压力传感器组包括设置在连杆下板4前端的前微型压力传感器挡板41、位于前微型压力传感器挡板41后侧并与连杆上板3连接的前微型压力传感器固定板101以及固定在前微型压力传感器固定架101上的前微型压力传感器10，进而使得相互抵接的后微型压力传感器7和后微型压力传感器挡板71以及相互抵接的前微型压力传感器10和前微型压力传感器挡板41相互配合，在起到限制连杆上板3相对于连杆下板4向前和向后移动作用的同时，当连接杆5绕连杆下板4具备转动的趋势时，连杆上板3具有垂直连接杆5切线运动趋势，进而使得两个摩擦力测量机构均受到挤压力的作用，实现利用平行四连杆机构与两个摩擦力测量机构达到测量摩擦力的功能，结构简单且性能稳定。

如图2、图3所示，前微型压力传感器挡板41和后微型压力传感器挡板71内均螺纹连接有向相应的前微型压力传感器10和后微型压力传感器7提供预紧力的螺栓，通过螺栓起到调节前微型压力传感器10和后微型压力传感器7与相应的前微型压力传感器挡板41和后微型压力传感器挡板71之间的预紧力的作用，从而达到降低该多维传感装置的应用难度的目的。为了达到测量扭矩的目的，进而在脚底板1的下侧设置穿过连杆上板3的扭矩承压板2。与此同时，在扭矩承压板2的下侧一端设置有与连杆上板3连接的转动铰链21，另一端下侧连接有拉压力传感器9，且连杆上板3的下侧设置有U型的拉压力传感器固定架91，拉压力传感器9的下端与拉压力传感器固定架91的底部螺纹连接，进而当脚部对脚底板1施加作用力后，扭矩承压板2通过连接其与连杆上板3的转动铰链21形成转动趋势，进而使得扭矩承压板2形成一段转动幅，并在结合拉压力传感器9的同时达到测量扭矩的目的，该结构简单、性能稳定，显著提升该多维传感装置的实用性。需要提及的是，扭矩承压板2设置有上侧与脚底板1连接的限位部，且限位部的下侧与连杆上板3的上侧匹配并对扭矩承压板2的转动幅度进行限定，进而在脚部对脚底板1施加作用力并使得扭矩承压板2形成一段转动幅后，使得与连杆上板3的上侧匹配的限位部起到限定扭矩承压板2的转动幅度的作用，避免扭矩承压板2过度受力而损坏。

如图3所示，连杆下板4上设置有实现测量垂直压力功能的压力测量机构。压力测量机构包括呈倒U型且与连杆下板4固定连接的称重传感器固定架81、贯穿连杆下板4中心处的固定支撑架6以及上下两端分别与称重传感器固定架81和固定支撑架6螺纹连接的称重传感器8。固定支撑架6的两端均插接有位于连杆上板3上侧并与外接固定设备固定的固定架支撑轴61，进而在固定架支撑轴61与外接固定设备固定，使得连接杆5受到垂直向下的压力后，由于位于连杆上板3与连杆下板4之间的连接杆5处于无法转动的状态，进而使得压力从连杆上板3依次通过连接杆5、连杆下板4以及固定支撑架6后，被传送至称重传感器8上，从而实现称重传感器8测量垂直压力的功能。

该多维传感装置在使用时，用四根连接杆5连接连杆上板3以及连杆下板4，形成一个平行四连杆机构，进而利用平行四连杆机构垂直连接杆5切线的运动趋势，并搭配前微型压力传感器10和后微型压力传感器7测量摩擦力；利用连接杆5与连杆上板3、连杆下板4之间垂直连接且相对静止的特性，搭配称重传感器8以测量足底压力；利用与连杆上板3转动连接的扭矩承压板2与称重传感器8测量力矩，组合使用一维力传感器获取人机之间的接触力，避免在人体矢状面内使用昂贵的空间六维力传感器，其性能稳定、体积小、应用简单。

以上所述仅为本发明的优选实施例，本发明的保护范围并不仅仅局限于上述实施例，但凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干修改和润饰，这些修改和润饰也应视为本发明的保护范围。