CN112975914A - 一种足底控制式下肢储能助力机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种足底控制式下肢储能助力机构，包括大腿杆、大腿绑带、膝关节储能装置、小腿杆、气弹簧、球接头、底板和弹簧，在使用过程中，通过绑带将大腿杆绑扎在大腿上；本发明根据人体行走步态原理实现人机耦合和多自由度的被动式行走助力，通过卷簧弯曲达到能量的存储需求，配合使用气弹簧实现能量的充分利用，通过使用电磁铁和啮合齿的配合使用，实现工作状态和非工作状态的自由柔顺切换。在日常的行走过程中，本发明可以帮助我们分担膝关节的负载，在支撑相实现承重和能量存储，以辅助在支撑中期的后期做伸展，同时在预摆期为抬起人腿提供足够的动力，并在摆动期使人腿自由摆动而不干涉人体的正常运动的目的。

Description

一种足底控制式下肢储能助力机构

技术领域

本发明专利涉及一种下肢储能助力机构，具体涉及一种足底控制式下肢储能助力机构，其属于外骨骼机器人技木和机电一体化术领域。

背景技术

助力***的研究始于20世纪60年代末期，主要在欧美等一些发达国家展开，最初的目的就是增强人体承受和背负负载的能力。到上世纪90年代末，随着科学技术的提高，与之相联系的传感器技术，驱动技术和能源开发，助力***的研究有快速的发展。助力***在军事领域可以体现出良好的应用前景。助力***可以作为一个子***应用到多种领域，如地震救援***：单兵作战***和极地科考***等。单兵作战时，每个人的体能是有限的，在体能有限的范围内，减少能量不必要的损失对于作战人员来说尤为重要。如果装备上一种助力外骨骼，将会把不必要损失的能量积攒起来，并用以帮助作战人员行走。这样便可以增强士兵的体能，使其能携带更多的武器，提高士兵的单兵作战能力。

申请号为201510574501.5的发明公开了一种气动人工肌肉驱动的仿生柔性下肢外骨骼服，其下肢外骨骼服关联上肢的刚性生悬吊背心，增大外骨骼服重量。此外，气动驱动方式稳定性差，不利于控制。

申请号为201310262919.3的发明公开了一种穿戴式下肢助力外骨骼，每条腿只用一个电机驱动，利用连杆机构配合一个驱动电机，使关节、膝关节和踝关节同时拟合出恰当的转动角度曲线，但对不同的使用者需要针对性的设计连杆的长度，不能进行调节，不具备通用性，且两个电机也加大了外骨骼的重量。

因此，针对上述技术问题，研发一种足底控制式下肢储能助力机构，实现能量自存储并用以帮助人体行走的助力***是非常有意义的。

发明内容

为了克服传统助力装置不能很好适应人体步态并且助力效果不佳，体积笨重和结构夏杂的不足，本发明提出一种足底控制式下肢储能助力机构，该外骨骼不仅可以被动式的跟随人体步志，而且可以实现能量的自存储和工作状态与非工作状志之间的柔顺切换，从而有效的实现助力，减轻人体在行走过程中的负担。

为了达到上述的目的，本发明专利解决其技术问题所采用的技木方案是：一种足底控制式下肢储能助力机构，是由大腿杆、大腿绑带，膝关节储能装置、小腿杆、气弹簧、球接头，底板和弹簧构成，大腿杆通过大腿绑带与大腿固定连接，同时大腿杆与膝关节储能装置固定连接。

所述大腿杆通过大腿绑带与大腿绑扎在一起，其中绑带由尼龙搭扣织物制成，所述膝关节储能装置与小腿杆连接，并且可以相互转动，所述小腿杆与气弹簧固定连接，所述气弹簧通过球接头与底板固定连接，所述底板通过弹簧与脚底接触。

所述气弹簧由气弹簧管和气弹簧杆构成，所述气弹簧管通过扁接头与小腿杆固定连接，所述气弹簧杆通过球接头与底板固定连接。

所述膝关节储能装置包括前盖、中壳、后盖和大腿杆连接件，所述膝关节储能装置通过大腿杆连接件实现与大腿杆的固定连接，所述前盖、后盖和中壳三者固定连接。

所述膝关节储能装置内部包括固定件、铁芯、电磁铁弹簧，线圈，啮合齿两个、卷簧和旋转盘，所述固定件与前盖固定连接，所述线圈镶嵌在固定件中空部位，所述电磁铁弹簧一端与线圈固定连接，一端与铁芯固定连接，所述铁芯与啮合齿一固定连接，所述卷簧中心与啮合齿二固定连接，所述卷簧外圈与旋转盘固定连接。

所述膝关节储能装置通过旋转盘实现与小腿杆的可相对转动的连接，所述小腿杆设计成从侧面弯曲到小腿后部一侧实现助力。

所述大腿杆和小腿杆由铝合金材质制成，其与人腿接触的一面用柔软的织物进行包裹，进而避免金属与人体的直接接触，从而避免人体皮肤在运动中受到损伤。

本发明的有益效果：本发明的整体结构简单，结构紧凑，整体厚度小、重量轻，穿戴方便并且可以被动式的实现助力效果。本发明可以实现工作状态之间的柔顺切换，在支撑期分担负载，减轻膝关节压力，辅助支撑中后期做伸展，同时在预摆期为抬腿提供足够的动力，而在摆动期可以实现腿部的自由摆动，不干涉人体的正常运动。本发明可以实现能量充分利用的效果，节省人体在行走过程中的能量。

附图说明

图1整体效果图；

图2膝关节储能装置外观图；

图3膝关节储能装置内部结构分解图；

图4足底装置细节图；

图5小腿杆外观图。

其中大腿杆1，大腿绑带2，膝关节储能装置3，小腿杆4，气弹簧5，球接头6，底板7，弹簧8，鞋9，前盖10，中壳11，大腿杆连接件12，后盖13，固定件14，铁芯15，电磁铁弹簧16，线圈17，啮合齿一18，啮合齿二19，卷簧20，旋转盘21，气弹簧管22，气弹簧杆23。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1至图5所示，一种足底控制式下肢储能助力机构是由大腿杆1、大腿绑带2、膝关节储能装置3、小腿杆4、气弹簧5、球接头6、底板7和弹簧8构成。所述大腿杆1通过大腿绑带2与大腿固定连接，所述大腿杆1与膝关节储能装置3固定连接。因此，大腿杆1将会带动膝关节储能装置3跟随人体步态一起摆动。

所述膝关节储能装置3与小腿杆4连接，并且可以相对转动，当小腿摆动时，将带动小腿杆4以膝关节储能装置3为中心转动。所述小腿杆4与气弹簧5固定连接，所述气弹簧5通过球接头6与底板7固定连接，所述底板7通过弹簧8与脚底接触。

所述底板7和弹簧8整体安装在鞋9跟底部，所述弹簧8顶端与脚跟直接接触，所述球接头6可以实现三个自由度的自由转动，所述气弹簧5可在竖直方问自由压缩和伸长，所述气弹簧5由气弹簧管22和气弹簧杆23构成，所述气弹簧管22通过扁接头与小腿杆4固定连接，所述气弹簧杆23通过球接头6与底板7固定连接。当小腿带动小腿杆4向下移动时，由于小腿杆4与气弹簧5固定连接，故将会使气弹簧5压缩，气弹簧管22和气弹簧杆23将会发生相对移动，压缩内部空气实现能量存储，当脚跟将要离开地面时，气弹簧5中的气弹簧管22和气弹簧杆23将会由于压缩空气的作用，恢复到初始状态，释放能量。

所述膝关节储能装置3包括前盖10、中壳11、大腿杆连接件12和后盖13，所述膝关节储能装置3通过大腿杆连接件12实现与大腿杆1的固定连接，所述前盖10、后盖13和中壳11三者固定连接。所述膝关节储能装置3内部包括固定件14、铁芯15、电磁铁弹簧16、线圈17、啮合齿一18、啮合齿二19、卷簧20和旋转盘21，所述固定件14与前盖10固定连接，所述线圈17镶嵌在固定件14中空部位，所述电磁铁弹簧16一端与线圈17固定连接，一端与铁芯15固定连接，所述铁芯15与啮合齿一18固定连接，所述卷簧20中心与啮合齿二19固定连接，所述卷簧20外圈与旋转盘21固定连接。固定件14主要起到防止线圈17发生径向位移的作用，啮合齿一18和啮合齿二19配合铁芯15、电磁铁弹簧16和线圈17的使用起到离合的作用。当线圈17通电，铁芯15被吸合并压缩电磁铁弹簧16，使啮合齿一18与啮合齿二19接触锁死，当旋转盘21带动卷簧20旋转时，由于卷簧20中心与啮合二19固定连接，而啮合齿二19被啮合齿一18锁死，因此卷簧20将会压缩储能；当线圈17断电时，由于电磁铁弹簧16的作用将会使铁芯15复位，带动啮合齿一18脱离啮合齿二19，当旋转盘21带动卷簧20旋转时，由于啮合齿一18与啮合齿二19脱离，因此，卷簧20将会自由转动，不涉及能量存储。

所述膝关节储能装置3通过旋转盘21实现与小腿杆4的可相对转动的连接，所述小腿杆4设计成从侧面弯曲到小腿后部一侧实现助力，该设计的作用是为了更好的推动人腿向前迈出。所述大腿杆1和小腿杆4由铝合金材质制成，其与人腿接触的一面用柔软的织物进行包裹，进而避免金属与人体的直接接触，从而避免人体皮肤在运动中受到损伤。

本发明的工作原理及过程：

请参阅图1至图5所示，本发明提供的一种足底控制式下肢储能助力机构在整体装配完成以后，根据被动式行走原理，在人体的不同步态期实现不同的功能，在支撑初期，膝关节为完全伸展状态，此时脚跟与地面初始接触，使线圈17通电，铁芯15被吸合并压缩电磁铁弹簧16，使啮合齿一18与啮合齿二19接触锁死；从脚跟初始着地到膝关节屈曲到最大角度的过程中，小腿杆4将一直跟随小腿以膝关节储能装置3为中心进行转动，由于小腿杆4与旋转盘21固定连接，因此该运动将会带动旋转盘21转动，由于卷簧20外圈端部与旋转盘21固定连接，中心与啮合齿二19固定连接，而啮合齿二19在该过程中又与啮合齿一18接触锁死，故啦合齿二19将不能转动，即卷簧20中心将被固定，外圈跟随旋转盘21旋转，进而实现卷簧20的旋转储能；当膝关节屈曲到最大角度之后，将会实现伸展运动，此时，线圈17仍为通电状态，啮合齿二19与啮合齿一18接触锁死，当膝关节有伸展的趋势时，卷簧20存储的能量将会反转释能，通过旋转盘21带动小腿杆4摆动，以辅助小腿做伸展；当膝关节完全伸展时，卷簧20存储的能量也将完全耗尽，此时线圈17断电，使啮合齿二19脱离啮合齿一18，在随后的摆动期内，小腿带动小腿杆4摆动，由于啮合齿二19不再受啮合齿一18的作用而可以自由转动，所以小腿杆4通过旋转盘21带动卷簧20和啮合齿二19自由转动。

本发明另一种助力方式为：当脚跟与地面初始接触时，由于脚跟与弹簧8直接接触，所以将会压缩弹簧8，因此人腿相对于初始位置在重力方向将会发生一小段位移，而整个下肢外骨骼通过在大腿杆1处使用大腿绑带2与人体固定在一起，人腿发生的这一段位移将会通过大腿杆1最终传递到小腿杆4的底端。由于小腿杆4通过扁接头与气弹簧管22固定连接，气弹簧杆23通过球接头6与底板7连接，因此气弹簧管22将会与气弹簧杆23发生相对位移，用以补偿在脚跟处发生的位移，而在气弹簧5发生位移的同时，将会压缩内部的空气以实现能量的存储。从脚跟初始着地到膝关节完全伸展这一过程中，弹簧8和气弹簧5一直处于压缩状态，当进入预摆期时，脚跟将会有离开地面的趋势，此时存储在气弹簧5中的能量将会反作用于小腿杆4，由于此时小腿相对于地面约呈60°夹角，因此作用在小腿杆4上的能量一部分可用于在抬腿时克服重力做功，一部分用于为抬腿提供向前的动力。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种足底控制式下肢储能助力机构，其特征在于：包括大腿杆、大腿绑带、膝关节储能装置、小腿杆、气弹簧、球接头、底板和弹簧；所述大腿杆通过大腿绑带与大腿固定连接，所述大腿杆与膝关节储能装置固定连接；

所述膝关节储能装置与小腿杆连接，所述小腿杆与气弹簧固定连接，所述气弹簧通过球接头与底板固定连接，所述底板通过弹簧与脚底接触；

所述底板和弹簧整体安装在鞋跟底部，所述弹簧顶端与脚跟直接接触，所述球接头能够实现三个自由度的自由转动，所述气弹簧在竖直方向自由压缩和伸长。

2.根据权利要求1所述的一种足底控制式下肢储能助力机构，其特征在于：所述气弹簧由气弹簧管和气弹簧杆构成，所述气弹簧管通过扁接头与小腿杆固定连接，所述气弹簧杆通过球接头与底板固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种足底控制式下肢储能助力机构，其特征在于，所述膝关节储能装置包括前盖、中壳、后盖和大腿杆连接件，所述膝关节储能装置通过大腿杆连接件实现与大腿杆的固定连接，所述前盖、后盖和中壳三者固定连接。

4.根据权利要求1所述的一种足底控制式下肢储能助力机构，其特征在于：所述膝关节储能装置内部包括固定件、铁芯、电磁铁弹簧、线圈、啦合齿一、啦合齿二、卷簧和旋转盘；所述固定件与前盖固定连接，所述线圈镶嵌在固定件中空部位，所述电磁铁弹簧一端与线圈固定连接，一端与铁芯固定连接，所述铁芯与啮合齿一固定连按，所述卷簧中心与啮合齿二固定连接，所述卷簧外圈与旋转盘固定连接。

5.根据权利要求1或4所述的一种足底控制式下肢储能助力机构，其特征在于：所述膝关节储能装置通过旋转盘实现与小腿杆的相对转动的连接，所述小腿杆设计成从侧面弯曲到小腿后部一侧实现助力。

6.根据权利要求1所述的一种足底控制式下肢储能助力机构，其特征在于：所述大腿杆和小腿杆由铝合金材质制成，其与人腿接触的一面用柔软的织物进行包裹。

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