CN111671624B - 一种穿戴式跖趾关节步行助力装置 - Google Patents

一种穿戴式跖趾关节步行助力装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种穿戴式跖趾关节步行助力装置，包括前脚掌板、支撑件、电机、连动装置；连动装置设置两个，分别对称设置在助力装置的两侧，连动装置包括主动钢丝绳轮、钢丝绳、从动钢丝绳轮、连杆、主动摇杆、中间连杆、从动摇杆，主动钢丝绳轮与电机连接，从动钢丝绳轮位于支撑板的下端，主动钢丝绳轮与从动钢丝绳轮通过钢丝绳连接，从动钢丝绳轮与连杆的一端连接，主动摇杆的底端与后脚掌板的后端活动连接，主动摇杆的上端与连杆的一端接触连接，中间连杆的一端与主动摇杆活动连接，另一端与从动摇杆活动连接，从动摇杆与前脚掌板固定连接。能够进行主动与被动运动切换，对跖趾关节进行助力训练。

Description

一种穿戴式跖趾关节步行助力装置
技术领域
本发明属于外骨骼机器人技术领域，具体涉及一种穿戴式跖趾关节步行助力装置。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
跖趾关节是足趾中由跖骨小头与趾骨底构成的关节，是足部除踝关节之外最大的关节，主要运动为屈(跖屈)伸(背屈)，并可作轻微的收展运动。跖趾关节对于足部运动具有不容忽视的作用，其屈伸运动能够对人体跑、跳等动作，特别是支撑后期的蹬离效果产生重要影响。对于脊椎损伤、中风等患者，其下肢运动功能通常受到影响，跖趾关节无法像健康人群一样运动。目前，无论是用于负重作业、单兵作战还是下肢康复的下肢外骨骼助力机器人通常只考虑了髋关节、膝关节、踝关节等关节，而没有考虑跖趾关节。例如，现有的助力装置只能对踝关节进行辅助矫形与康复训练，虽然可以穿戴其步行，但是步行过程中只能进行矫形，无法利用牵引装置进行康复训练；有的助力装置可以对跖趾关节进行康复训练，但是无法在步行时穿戴使用。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种穿戴式跖趾关节步行助力装置。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
一种穿戴式跖趾关节步行助力装置，包括前脚掌板、后脚掌板、小腿支撑板、电机、连动装置；
前脚掌板对应脚趾部位，后脚掌板对应人的后脚掌部位，小腿支撑板对应人的小腿部位，前脚掌板的后端侧面和后脚掌板的前端侧面对合，对合区域对应跖趾关节部位；后脚掌板的后端与小腿支撑板的下端转动连接，连接区域对应踝关节部位；
电机固定在小腿支撑板的背面的上端；
连动装置包括主动钢丝绳轮、钢丝绳、从动钢丝绳轮、连杆、主动摇杆、中间连杆、从动摇杆，主动钢丝绳轮与电机连接，从动钢丝绳轮位于支撑板侧面的下端，主动钢丝绳轮与从动钢丝绳轮通过钢丝绳连接，从动钢丝绳轮与连杆的一端连接，主动摇杆的底端与后脚掌板的后端活动连接，主动摇杆的上端与连杆的另一端接触连接，中间连杆的一端与主动摇杆活动连接，从动摇杆与前脚掌板固定连接，另一端与从动摇杆活动连接。
本发明解决现有跖趾关节康复装置无法在步行时穿戴使用，而穿戴式外骨骼装置无法对跖趾关节提供助力。现有的助力装置不能与频繁的关节运动相适应、助力装置提供动力的能量利用效率较低的问题。
本发明的有益效果：
本发明的助力装置采用轻量化设计以减轻助力装置的重量，从而减少运动时人体腿部的负担；
在步行的一个步态周期内，为跖趾关节的背屈运动提供助力，跖屈运动可以在人体关节的自身作用下完成，因此本发明的助力装置的关节能够进行主动与被动运动切换；
简化电机控制，助力装置的关节运动需要频繁进行启停、换向、主动被动特性切换等，因此简化电机控制可以减轻助力装置的重量，而且实现助力装置的频繁使用，提高使用价值；
本发明的助力装置采用便携式电池供电，利用弹簧储能辅助关节跖屈运动，提高能量利用效率，增加续航时间。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的穿戴式跖趾关节助力装置的结构图；
图2为本发明的助力装置的初始状态的结构图；
图3为本发明的助力装置的转动状态的结构图；
图4为本发明的助力装置的正面的结构图；
其中，1、前脚掌板，2、后脚掌板，3、支撑板，4、电机，5、钢丝绳，6、主动钢丝绳轮，7、从动钢丝绳轮，8、电机安装座，9、连杆，10、滚轮，11、主动摇杆，12、悬臂销，13、第一挂钩，14、第一销轴，15、第二挂钩，16、第二销轴，17、弹簧安装座，18、中间连杆，19、拉伸弹簧，20、从动摇杆，21、第一魔术贴，22、第二魔术贴，23、第三魔术贴。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1所示，本发明涉及一种助力装置，助力装置的整体分为前脚掌板1和支撑件，前脚掌板对应脚趾部分，其可以为平板或凹型板，主要是提供脚趾部位的支撑；支撑件对应脚部和膝盖下方的部位，包括后脚掌板2和支撑板3，其可以为凹型板，起到支撑的作用，同时起到固定连动装置和电机的作用。本发明的助力装置是一种穿戴式装置，采用轻量化设计，1.采用钢丝绳传动，重量轻，允许将驱动电机布置在远离足部的位置，甚至可以将电机安装在大腿、腰部等部位；2.传动部件采用高性能非金属材料，减轻重量。有利于减少运动时人体腿部的负担。
本发明包括电机4，为直流电机，直流电机提供一个方向的转动动力。
本发明的连动装置，设置为一个或两个，如果设置为两个，对称设置在助力装置的两侧，通过连动装置带动前脚掌板1相对于后脚掌板2的转动，实现跖趾关节的主动与被动运动的切换，可以通过电机的带动下，实现前脚掌板1的向上和向下转动，可以同时实现跖趾关节的主动与被动运动的切换，相比于采用复杂的电机控制，本发明的连动装置与电机的配合，简单的结构实现了复杂动作的进行。
基于以上内容可知，对于实现跖趾关节训练和助力的基本结构如下：
主动钢丝绳轮6 与电机4连接，从动钢丝绳轮7位于支撑板3的下端，主动钢丝绳轮6与从动钢丝绳轮7通过钢丝绳5连接，从动钢丝绳轮7与连杆9的一端连接，主动摇杆11的底端与后脚掌板2的后端活动连接，主动摇杆11的上端与连杆9的一端接触连接，中间连杆18的一端与主动摇杆11活动连接，另一端与从动摇杆20活动连接，从动摇杆20与前脚掌板2固定连接。
首先，电机4带动主动钢丝绳轮11实现一个方向的固定的转动，如图1和图2、图3中所示，为逆时针方向的转动，这样主动钢丝绳轮11带动从动钢丝绳轮进行逆时针方向的转动；
然后，从动钢丝绳轮7带动连杆9实现360度的旋转；
然后，当连杆9转动到与主动摇杆11接触时，推动主动摇杆11沿着远离后脚掌板2的方向转动，因为主动摇杆11的下端与后脚掌板2活动连接，所以主动摇杆11 的上端以下端为轴进行一定旋转；
然后，中间连杆18与主动摇杆11活动连接，所以主动摇杆11带动中间连杆18 与主动摇杆11一个方向的移动；
然后，从动摇杆20与中间连杆18活动连接，所以中间连杆18带动从动摇杆20 进行一定角度的转动；
然后前脚掌板1被带动进行一定角度的转动，背屈时，电机通过传动机构带动关节运动。助力装置助力跖趾关节主动运动。
当连杆9与主动摇杆11的接触断开，主动摇杆11恢复到原来的状态，这个过程为中间连杆18、从动摇杆20恢复原来状态的过程，跖屈时，依靠人体关节自身作用和弹簧储能辅助，电机不参与，助力装置助力跖趾关节被动运动。
在本发明的一些实施方式中，后脚掌板与小腿支撑板之间活动连接，活动转轴与从动钢丝绳轮转轴重合，且与人体踝关节俯仰运动的转动中心重合。
如图4所示，本发明涉及一种可穿戴式的助力装置，后脚掌板和支撑板活动连接，即可以分开，然后再对合，在行走的过程中，后脚掌板和支撑板对合的脚踝部位实现弯曲一定角度。
在本发明的一些实施方式中，还包括拉伸弹簧19，拉伸弹簧19倾斜设置，拉伸弹簧19的上端与主动摇杆11固定连接，拉伸弹簧19的下端与后脚掌板2固定连接，拉伸弹簧19下端位于拉伸弹簧19上端靠近前脚掌板的一侧。
拉伸弹簧19和主动摇杆11连接，当主动摇杆11主动转动时，会带动拉伸弹簧 19进行拉伸，积攒了一定的弹性势能，连杆9与主动摇杆11接触断开后，主动摇杆 11在拉伸弹簧19的带动下，利用弹簧储能辅助实现跖趾关节的被动运动，所以本发明实现了跖趾关节主动运动和被动运动的切换，而且，如果频繁切换，不需要较复杂的电机控制。
在本发明的一些实施方式中，还包括弹簧固定装置，分别位于后脚掌板2和主动摇杆11上，弹簧固定装置包括弹簧安装座17、销轴、挂钩，弹簧安装座与后脚掌板或主动摇杆固定连接，销轴与弹簧安装座固定连接，挂钩与销轴活动连接，弹簧的两端分别与挂钩可拆卸连接。
如图1或图2、图3所示，拉伸弹簧的两端分别与第一挂钩13、第二挂钩15连接，第一挂钩13与第一销轴14连接，第二挂钩15与第二销轴16连接。
弹簧固定装置实现了弹簧的可拆卸连接，而且实现了弹簧的固定，使弹簧处于倾斜状态，只有处于倾斜状态的弹簧才能具有使前脚掌板沿着原来的路线进行恢复状态的弹力，如果拉伸弹簧水平设置，就是一个水平力，但是由于前脚掌板是转动并不是水平移动，所以拉伸弹簧水平设置并不十分适合。
在本发明的一些实施方式中，还包括电机安装座8，电机通过电机安装座8固定在支撑件的上端，电机安装座8为凹型板，凹型板的底板与支撑件固定连接，电机的转轴穿过侧板与主动钢丝绳轮连接。如果设置两个连动装置，电机的转轴穿过两个侧板分别与两个主动钢丝绳轮连接。
凹型板分为三个板，底板的两端分别连接两个侧板，底板与支撑件固定连接后，电机的转轴两端分别穿过两个侧板，从而实现电机的固定。
主动钢丝绳轮与电机的转轴通过平键连接。
在本发明的一些实施方式中，还包括滚轮10，连杆9的一端与从动钢丝绳轮7 固定连接，另一端为自由端，自由端与滚轮10固定连接。
如图2和图3所示的过程，本发明中连杆和主动摇杆的接触连接实现了带动运动的作用，滚轮位于连杆的下端，通过滚轮，连杆和主动摇杆之间通过滚动滑动连接，使连接的位置处比较平滑，避免连接的过程中出现杂音。
在本发明的一些实施方式中，自由端与滚轮10通过连接轴连接，连接轴的两端分别与连杆、滚轮固定连接，滚轮可以相对于连接轴转动。
在本发明的一些实施方式中，主动摇杆11的顶点位置位于后脚掌板2上表面的下方。
连杆带动主动摇杆转动，主动摇杆带动中间连杆、从动摇杆运动，连杆的下端与主动摇杆接触，如果主动摇杆的顶点位于后脚掌板上表面的上方，则连杆和主动摇杆的接触时间就会过长，过长导致前脚掌板弯曲的角度过大，不利于跖趾的锻炼和恢复。
在本发明的一些实施方式中，主动摇杆的下端通过悬臂销12与后脚掌板固定连接，悬臂销的一端与后脚掌板之间固定连接，主动摇杆与悬臂销12之间活动连接。
悬臂销起到连接主动摇杆和后脚掌板的作用，这样悬臂销与后脚掌板之间固定不动，主动摇杆可以绕着悬臂销进行转动。
在本发明的一些实施方式中，从动摇杆20为L型杆，包括相互垂直的竖直杆和水平杆，竖直杆的上端与中间连杆连接，水平杆与前脚掌板固定连接。
中间连杆带动从动摇杆旋转，从动摇杆实现围绕水平板和竖直板的连接点位置转动，设置为L型板，可以实现跖趾关节的锻炼，跖趾关节连接着趾关节和跖关节，趾关节和跖关节不动，跖趾关节运动，实现助力训练的作用。
在本发明的一些实施方式中，还包括第一魔术贴21和第二魔术贴22、第三魔术贴，第一魔术贴21的两端分别与前脚掌板1的两个侧端固定连接，所述侧端为分别与从动摇杆连接的一端，第二魔术贴22的两端分别与支撑板3的顶端的侧边缘固定连接，第三魔术贴23的两端分别与后脚掌板的两个侧端固定连接。
如图4所示，第一魔术贴21和第二魔术贴22、第三魔术贴分别实现固定脚部和腿部的作用。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种穿戴式跖趾关节步行助力装置，其特征在于：包括前脚掌板、支撑件、电机、连动装置；
前脚掌板对应脚趾部位，支撑件对应脚部及膝盖的下方部位，支撑件为凹型板，支撑件包括水平的后脚掌板和竖向的支撑板，前脚掌板的后端侧面和后脚掌板的前端侧面对合，对合区域对应跖趾关节部位；
电机固定在竖直部分的背面的上端；
连动装置包括主动钢丝绳轮、钢丝绳、从动钢丝绳轮、连杆、主动摇杆、中间连杆、从动摇杆，主动钢丝绳轮与电机连接，从动钢丝绳轮位于支撑板侧面的下端，主动钢丝绳轮与从动钢丝绳轮通过钢丝绳连接，从动钢丝绳轮与连杆的一端连接，主动摇杆的底端与后脚掌板的后端活动连接，主动摇杆的上端与连杆的另一端接触连接，中间连杆的一端与主动摇杆活动连接，从动摇杆与前脚掌板固定连接，另一端与从动摇杆活动连接；
还包括拉伸弹簧，拉伸弹簧倾斜设置，拉伸弹簧的上端与主动摇杆固定连接，拉伸弹簧的下端与后脚掌板固定连接，拉伸弹簧下端位于拉伸弹簧上端靠近前脚掌板的一侧。
2.如权利要求1所述的穿戴式跖趾关节步行助力装置，其特征在于：后脚掌板与小腿支撑板之间活动连接，活动转轴与从动钢丝绳轮转轴重合，且与人体踝关节俯仰运动的转动中心重合。
3.如权利要求1所述的穿戴式跖趾关节步行助力装置，其特征在于：还包括弹簧固定装置，分别位于后脚掌板和主动摇杆上，弹簧固定装置包括弹簧安装座、销轴、挂钩，弹簧安装座与后脚掌板或主动摇杆固定连接，销轴与弹簧安装座固定连接，挂钩与销轴活动连接，弹簧的两端分别与挂钩可拆卸连接。
4.如权利要求1所述的穿戴式跖趾关节步行助力装置，其特征在于：还包括电机安装座，电机通过电机安装座固定在支撑件的上端，电机安装座为凹型板，凹型板的底板与支撑件固定连接，电机的转轴穿过两个侧板分别与两个主动钢丝绳轮连接。
5.如权利要求1所述的穿戴式跖趾关节步行助力装置，其特征在于：还包括滚轮，连杆的一端与从动钢丝绳轮固定连接，另一端为自由端，自由端与滚轮固定连接。
6.如权利要求1所述的穿戴式跖趾关节步行助力装置，其特征在于：主动摇杆的顶点位置位于后脚掌板上表面的下方。
7.如权利要求1所述的穿戴式跖趾关节步行助力装置，其特征在于：主动摇杆的下端通过悬臂销与后脚掌板固定连接，悬臂销的一端与后脚掌板之间固定连接，主动摇杆与悬臂销之间活动连接。
8.如权利要求1所述的穿戴式跖趾关节步行助力装置，其特征在于：从动摇杆为L型杆，包括相互垂直的竖直杆和水平杆，竖直杆的上端与中间连杆连接，水平杆与前脚掌板固定连接。
9.如权利要求1所述的穿戴式跖趾关节步行助力装置，其特征在于：还包括第一魔术贴和第二魔术贴、第三魔术贴，第一魔术贴的两端分别与前脚掌板的两个侧端固定连接，所述侧端为分别与从动摇杆连接的一端，第二魔术贴的两端分别与支撑板的顶端的侧边缘固定连接，第三魔术贴的两端分别与后脚掌板的两个侧端固定连接。
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