CN109077897B - 一种液压驱动的踝关节助力装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液压驱动的踝关节助力装置，属于踝关节助力装置技术领域，解决了现有踝关节助力装置结构复杂、人体能量消耗大、长时间使用有疲劳感、助力效果差的问题。该助力装置，包括鞋底、踝支架、小腿靠板和储能结构，储能结构设置在小腿靠板上并与踝支架通过钢丝绳连接，储能结构包括活塞筒和内置于活塞筒内的活塞，活塞的下端连接有弹簧，弹簧的另一端抵住活塞筒底部；活塞筒密封连接有接头，接头与两位两通电磁阀通过油管连接，接头与P油源油管连接形成主油路，接头与T油箱油管连接形成回油路，通过控制活塞筒容腔内油压以完成储能结构的能量储存与释放。实现了简化助力装置结构、提升了助力效果。

Description

一种液压驱动的踝关节助力装置

技术领域

本发明涉及踝关节助力装置技术领域，尤其涉及一种液压驱动的踝关节助力装置。

背景技术

踝关节是人体运动中一个十分重要的关节，在行走过程中踝关节输出扭矩可达250Nm，功率可达200W，因此在外骨骼、康复医疗、助残器械领域，踝关节助力装置已成为研究热点。

当前踝关节助力装置主要分为主动式和被动式两种，主动式采用电机或液压缸为执行器，直接驱动踝关节，在行走蹬地时为踝关节助力，这种助力形式有良好的可控性，通过控制电机扭矩及液压缸压力可直接控制助力装置的助力大小，但存在着助力时机难以把握，电机及液压***响应不及时的问题；被动式采用弹簧储能的形式，通过固定在小腿和脚底的弹簧，依靠人体行走踝关节角度的变化，在脚着地时拉伸弹簧储能，在蹬地时弹簧释放能量为踝关节助力，这种助力形式简单，弹簧的响应时间快，但弹簧拉伸所需的能量由人体提供，会消耗人体相当一部分能量，助力效果相对差，长时间穿戴疲劳感显著。

目前，已有国内学者综合主动式和被动式助力装置的优势和特点，研发出了准被动式踝关节助力装置，此类助力装置采用驱动电机或气压压缩弹簧储能，助力效果较主动式和被动式有一定提升，但是此类型助力装置结构复杂，体积大且笨重，给穿戴者增加了负担，而且助力效果不稳定，同一台助力装置型号尺寸固定，不能满足不同腿长人群的需求。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种液压驱动的踝关节助力装置，用以解决现有踝关节助力装置结构复杂、人体能量消耗大、长时间使用有疲劳感、助力效果差的技术问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种液压驱动的踝关节助力装置，包括脚支撑板、踝支架、小腿靠板和储能结构，脚支撑板用于支撑和承载穿戴者足部力量；踝支架设置于脚支撑板的后端部，并通过转动关节与小腿靠板连接；储能结构设置于小腿靠板上并与踝支架通过钢丝绳连接，其特征在于，储能结构包括活塞筒和内置于活塞筒的活塞，活塞的下端连接有弹簧，弹簧的另一端抵靠于活塞筒底部；活塞筒密封连接有接头，接头与两位两通电磁阀的两个接通口通过油管连接，接头与P油源连接形成主油路，接头与T油箱连接形成回油路；两位两通电磁阀包括主油路电磁铁和回油路电磁铁，主油路电磁铁和回油路电磁铁控制主油路与回油路的开闭，进而控制活塞筒容腔内的油压，以完成储能结构的能量储存与释放。

本发明有益效果如下：

a)本发明的液压驱动的踝关节助力装置，采用液压力代***发力压缩弹簧储能，设置两位两通电磁阀，通过油路切换，完成储能结构的能量储存和释放，以实现踝关节的助力，能够减少行走中人体的能量消耗，降低疲劳感。活塞与弹簧直接连接的结构，设计巧妙，结构简单，减少材料的使用，降低助力装置的重量，减轻穿戴者的负担，并降低了生产成本，同时液压储能释能过程更加平稳，提升了助力装置的稳定性和助力效果。

b)本发明的液压驱动的踝关节助力装置，钢丝绳通过转轴与踝支架连接，在运动过程中钢丝绳与小腿的夹角可随着人的步伐动态调整至最佳角度，能够以最省力的方式进行力的传递，力的传递效率大幅提升，助力效果更好，并且提高了能量利用率。

c)本发明的液压驱动的踝关节助力装置，储能结构在小腿靠板的位置可调，同时钢丝绳与活塞和踝支架均为可拆卸连接结构，便于维护和更换不同长度的钢丝绳，能够满足不同腿长的人群，克服了传统助力装置不能满足不同腿长人群需求的缺陷，本发明的踝关节助力装置应用广泛，市场前景广阔。

在上述方案的基础上，本发明还做了如下改进：

进一步地，小腿靠板后侧固定设置有L形限位件，L形限位件设有供钢丝绳通过的通孔，L形限位件与小腿靠板形成容纳储能结构的限位槽。

进一步地，L形限位件与小腿靠板一体成型或L形限位件与小腿靠板可拆卸连接。

进一步地，踝支架设置有连接件，钢丝绳通过转轴与连接件连接。

进一步地，钢丝绳分别与活塞和连接件可拆卸连接。

进一步地，接头与活塞筒通过螺纹连接。

进一步地，活塞设置有环槽，环槽内安装有格莱圈和导向带。

进一步地，弹簧的直径小于活塞筒内径，弹簧的自由长度与活塞的高度之和不小于活塞筒的长度。

进一步地，脚支撑板包括前支撑板和后支撑板，前支撑板与后支撑板可转动连接。

进一步地，脚支撑板的下表面设置有防滑凸起。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例中的液压驱动的踝关节助力装置结构示意图；

图2为本发明实施例中的脚跟着地时助力装置工作状态图；

图3为本发明实施例中的脚蹬地前助力装置工作状态图；

图4为本发明实施例中的脚蹬地时助力装置工作状态图。

附图标记：

1、脚支撑板；2、踝支架；21、连接件；3、小腿靠板；4、储能结构；5、活塞筒；6、两位两通电磁阀；61、主油路电磁铁；62、回油路电磁铁；7、活塞；71、格莱圈；72、导向带；8、弹簧；9、接头；10、钢丝绳。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明的一个具体实施例，如图1至图4所示，公开了一种液压驱动的踝关节助力装置，包括脚支撑板1、踝支架2、小腿靠板3和储能结构4，脚支撑板1用于支撑和承载穿戴者足部力量；踝支架2设置于脚支撑板1的后端部，并通过转动关节与小腿靠板3连接，小腿靠板3由硬质轻质材料制成，优选铝合金材料，该材质的密度小、比强度高、耐蚀性好，降低助力装置的重量，降低生产成本，延长使用寿命；储能结构4设置于小腿靠板3上并与踝支架2通过钢丝绳10连接，储能结构4包括活塞筒5和内置于活塞筒5的活塞7，活塞7的下端连接有弹簧8，弹簧8的另一端抵靠于活塞筒5底部，此储能结构4的结构紧凑，占用体积小，减少了材料的使用量，从而降低了助力装置的整体体积和重量；活塞筒5密封连接有接头9，接头9与两位两通电磁阀6的两个接通口通过油管连接，接头9与P油源连接形成主油路，接头9与T油箱连接形成回油路；两位两通电磁阀6包括主油路电磁铁61和回油路电磁铁62，电磁铁61、62是两位两通电磁阀的控制部分，通过控制主油路电磁铁61和回油路电磁铁62的通电或断电可以控制两位两通电磁阀6的通断，即控制主油路与回油路的开闭，进而控制活塞筒容腔内的油压，以完成储能结构4的能量储存与释放。该助力装置还可以包括其他辅助元件如脚底压力传感器、踝关节角度编码器和控制器，脚底压力传感器、踝关节角度编码器用以采集穿戴者脚底压力信息、检测人体运动姿态，当脚底压力传感器、踝关节角度编码器采集的信息传输至控制器，控制器能够判断穿戴者的步态，进而控制油路的开闭。具体的，当穿戴者行走步态处于小腿前摆至脚蹬地过程时，通过其他辅助元件如脚底压力传感器、踝关节角度编码器等检测人体运动姿态，再由控制器控制主油路电磁铁61通电，回油路电磁铁62断电，活塞筒容腔与P油源接通，压力油经油管进入活塞筒容腔，压力油作用在活塞7上，进而活塞7压缩弹簧8，储能结构4储存能量；当穿戴者行走步态处于脚蹬地离地过程时，辅助检测元件检测人体运动姿态，再由控制器控制主油路电磁铁61断电，回油路电磁铁62通电时，活塞筒容腔与T油箱接通，压力油经油管流入T油箱，储能结构4能释放能量，弹簧8伸长拉伸作用在脚支撑板1的钢丝绳10，为踝关节提供蹬地力，实现对踝关节的助力。

与现有技术相比，本实施例提供的液压驱动的踝关节助力装置，采用液压力压缩弹簧8为弹簧8储能，通过油路切换，完成弹簧8能量的储存和释放以实现踝关节的助力，代***发力压缩弹簧8，能够减少人体的能量消耗，降低疲劳感，活塞7与弹簧8直接连接的设计巧妙，结构简单，储能结构4体积小，重量轻，直接降低了踝关节助力装置的整体重量，减少了穿戴者的负担，并且减少了材料使用量，降低了生产成本，同时液压储能释能过程更加平稳，提升了助力装置的稳定性和助力效果。

实施时，穿戴者先将踝关节助力装置的储能结构4与小腿靠板3固定，然后将小腿靠板3与穿戴者小腿固定，如采用松紧带粘合捆绑固定，直接用松紧带将穿戴者小腿和小腿靠板3捆绑固定，优选采用环架锁扣固定，环架锁扣由第一半圆环和第二半圆环拼接而成，环架扣呈环状并由硬质材料制成，两个半圆环的一端均通过转轴固定连接在小腿靠板3上，两个半圆环可以绕转轴打开和闭合；其中，第一半圆环的自由端部设置锁销，第二半圆环的自由端部设置与锁销配合的锁扣，锁销与锁扣配合将小腿靠板3和小腿固定，此结构的助力装置便于穿戴者穿着，固定效果更好，安全性更高，提升了穿戴者的舒适感。

为了防止活塞筒5漏油，接头9与活塞筒5通过螺纹连接，采用螺纹连接方式，安装方便，密封性好；活塞7设置有环槽，环槽内安装有格莱圈71和导向带72，能够防止漏油，增加了活塞筒5的密封性能，保证了液压压力的稳定性，从而提高了助力效果和助力稳定性。

考虑到弹簧8的长度影响储能效果，弹簧8的直径小于活塞筒5的内径，弹簧8的自由长度与活塞7的高度之和不小于活塞筒5的长度，在释放时能够充分释放弹性势能，提供足够大的助力，进一步提升了助力效果。

为了固定储能结构4，小腿靠板3的后侧固定设置有限位件，小腿靠板3与限位件一体成型，或者限位件焊接在小腿靠板3上，限位件设有供钢丝绳10通过的通孔，储能结构4焊接或者可拆卸的固定设置在限位件上。优选地，限位件为L形限位件，L形限位件底部设有供钢丝绳10通过的通孔，L形限位件与小腿靠板3形成容纳储能结构4的限位槽，储能结构4安装在限位槽内，限位槽内壁可以设置弹性泡沫层，安装在限位槽内的储能结构4能够与限位槽内壁紧密接触，避免储能结构4晃动，提升了储能结构4的稳定性。考虑到穿戴助力装置人群的身高及腿长度，限位件与小腿靠板3可拆卸连接，限位件与小腿靠板3接触位置设置有螺杆，小腿靠板3背侧在纵向上不同位置设置多个与螺杆对应的通孔，螺杆配合螺丝将限位件与小腿靠板3固定，钢丝绳10分别与活塞7和连接件21可拆卸连接，此结构的助力装置可调整限位件在小腿靠板3上的位置，并选择适合长度的钢丝绳10，以满足不同腿长的人群需求，应用更为广泛。此外，可拆卸连接结构的助力装置维修、配件更换更加方便。

由于小腿在走路过程中，钢丝绳10与小腿夹角存在一定变化，会影响力的传递效率，在脚支撑板1上固定设置有踝支架2，踝支架2的高度高于脚踝的高度，踝支架2上设置连接件21，钢丝绳10通过转轴与连接件21连接，钢丝绳10可以随小腿的摆动自动调整最佳角度，能够以最省力的方式进行力传递，提升了力的传递效率，进而提高了能源利用率，穿戴者长时间穿戴不易疲劳，舒适度明显增强，助力效果更好。此外，钢丝随小腿摆动，还克服了现有钢丝绳10直接固定在踝支架2上容易疲劳断裂的缺陷。

考虑到人在走路过程中脚掌会自然弯曲，脚支撑板1包括前支撑板和后支撑板，前支撑板与后支撑板可转动连接，前支撑板和后支撑板的上表面可以设置与脚底形状类似的软层，优选泡沫层，此结构的脚支撑板1符合人体动力学结构，消除了助力装置给穿戴者的脚带来的不适感。为了适应脚踝的形状，进一步提升穿戴者的舒适性，踝支架2为固定在脚跟上部的U形挡板，U形挡板焊接在脚支撑板1上，U形挡板开口的宽度宽于脚掌宽度。

为了增加落地时的稳定性，脚支撑板1的下表面设置有防滑凸起，能够增大鞋底与地面的摩擦力，避免打滑，还可以在脚支撑板1的下表面设置具有减震效果的橡胶层或牛津层，橡胶层或牛津层设置有防滑凸起，增加了落地时的稳定性和安全性。

本发明的工作过程:穿戴者行走过程中的步态周期划分为以下三个阶段：

第一阶段：脚跟落地至脚掌着地阶段。

当穿戴者行走步态处于脚跟落地至脚掌着地时，如图2所示，通过其他辅助元件如脚底压力传感器、踝关节角度编码器等检测人体运动姿态，再由控制器控制主油路电磁铁61断电，回油路电磁铁62通电，活塞筒容腔与T油箱接通，弹簧8不受压力，处于自由状态的弹簧8将活塞7支撑顶靠在接头9的底部，此时的活塞筒容腔内无压力油。

第二阶段：小腿前摆至脚蹬地阶段。

当穿戴者行走步态处于小腿前摆至脚蹬地过程时，如图3所示，通过其他辅助元件如脚底压力传感器、踝关节角度编码器等检测人体运动姿态，再由控制器控制主油路电磁铁61通电，回油路电磁铁62断电，活塞筒容腔与P油源接通，压力油经油管进入活塞筒容腔，压力油作用在活塞7上，进而活塞7压缩弹簧8，转化为弹簧8的弹性势能并储存在储能结构4中。

第三阶段：脚蹬地离地阶段。

当穿戴者行走步态处于脚蹬地离地过程时，如图4所示，辅助检测元件检测人体运动姿态，再由控制器控制主油路电磁铁61断电，回油路电磁铁62通电，活塞筒容腔与T油箱接通，压力油经油管流入T油箱，作用在弹簧8上的油压随之降低，直至活塞筒容腔内压力油全部流入T油箱，油压将至零，储能结构4将在上一阶段储存的弹性势能释放，弹簧8伸长拉伸作用在脚支撑板1的钢丝绳10，为踝关节提供蹬地力，实现对踝关节的助力。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种液压驱动的踝关节助力装置，其特征在于，由脚支撑板、踝支架、小腿靠板、储能结构、P油源、T油箱、脚底压力传感器、踝关节角度编码器和控制器组成，所述脚支撑板用于支撑和承载穿戴者的足部力量；所述踝支架设置于脚支撑板的后端部，并通过转动关节与小腿靠板连接；所述储能结构设置于小腿靠板上并与踝支架通过钢丝绳连接，所述储能结构包括活塞筒和内置于活塞筒的活塞，所述活塞的下端连接有弹簧，所述弹簧的另一端抵靠于活塞筒底部；

所述活塞筒密封连接有接头，所述接头与两位两通电磁阀的两个接通口通过油管连接，所述接头与P油源连接形成主油路，所述接头与T油箱连接形成回油路；

所述两位两通电磁阀包括主油路电磁铁和回油路电磁铁，所述主油路电磁铁和回油路电磁铁分别控制主油路与回油路的开闭，进而控制活塞筒容腔内的油压，以完成储能结构的能量储存与释放；

所述小腿靠板后侧固定设置有L形限位件，所述L形限位件设有供所述钢丝绳通过的通孔，所述L形限位件与小腿靠板形成容纳所述储能结构的限位槽；

所述L形限位件与小腿靠板一体成型或所述L形限位件与小腿靠板可拆卸连接；

所述踝支架设置有连接件，所述钢丝绳通过转轴与所述连接件连接；

所述钢丝绳分别与所述活塞和连接件可拆卸连接；

所述接头与活塞筒通过螺纹连接；

当穿戴者行走步态处于小腿前摆至脚蹬地过程时，通过脚底压力传感器、踝关节角度编码器检测人体运动姿态，再由控制器控制主油路电磁铁通电，回油路电磁铁断电，活塞筒容腔与P油源接通，压力油经油管进入活塞筒容腔，压力油作用在活塞上，进而活塞压缩弹簧，储能结构储存能量；

当穿戴者行走步态处于脚蹬地离地过程时，通过脚底压力传感器、踝关节角度编码器检测人体运动姿态，再由控制器控制主油路电磁铁断电，回油路电磁铁通电，活塞筒容腔与T油箱接通，压力油经油管流入T油箱，储能结构能释放能量，弹簧伸长进而拉动所述钢丝绳，为踝关节提供蹬地力。

2.根据权利要求1所述的液压驱动的踝关节助力装置，其特征在于，所述活塞设置有环槽，所述环槽内安装有格莱圈和导向带。

3.根据权利要求1所述的液压驱动的踝关节助力装置，其特征在于，所述弹簧的直径小于活塞筒内径，所述弹簧的自由长度与所述活塞的高度之和不小于所述活塞筒的长度。

4.根据权利要求1-3任一项所述的液压驱动的踝关节助力装置，其特征在于，所述脚支撑板包括前支撑板和后支撑板，所述前支撑板与后支撑板可转动连接。

5.根据权利要求1-3任一项所述的液压驱动的踝关节助力装置，其特征在于，所述脚支撑板的下表面设置有防滑凸起。

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