CN114055435B - 一种适用于外骨骼的离合器及踝关节助力外骨骼 - Google Patents

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Abstract

本发明属于下肢外骨骼相关技术领域，其公开了一种适用于外骨骼的离合器及踝关节助力外骨骼，离合器包括下基板、上基板、滚轮、棘轮圈、扳机、拨爪、拨爪弹簧、扳机扭簧、滚轮扭簧、扳机定位轴及拨爪定位轴；扳机定位轴的两端分别连接于上基板及下基板，扳机及扳机扭簧分别套设在扳机定位轴上，扳机牛黄的两端分别连接下基板及扳机；拨爪定位轴的两端分别连接于下基板及上基板，拨爪弹簧及拨爪分别套设在拨爪定位轴上；滚轮的两端转动地连接于下基板及上基板，滚轮棘轮圈设置在滚轮的一端上；拨爪可分离地连接于滚轮棘轮圈，扳机与拨爪活动连接。本发明降低了人体行走过程中足踏阶段的冲击能量损失及行走代谢消耗。

Description

一种适用于外骨骼的离合器及踝关节助力外骨骼
技术领域
本发明属于下肢外骨骼相关技术领域，更具体地，涉及一种适用于外骨骼的离合器及踝关节助力外骨骼。
背景技术
随着社会发展和科技进步，人类开始追求利用外部设备来辅助人类在日常生活中所遇到的繁重复杂的工作。外骨骼作为一种人体穿戴设备，是将步态分析、机电一体化、生物力学等诸多领域融合而成的新型机器人，可广泛的应用于军事、医疗和助老等领域。在军事领域中可以提高单兵作战能力，增强负重能力，增长徒步距离，在医疗领域可以帮助患者步态健康和残疾人的辅助行走，在助老领域可以辅助由于年老而肢体运动障碍的老年人出行。
行走是人类最常见的日常活动之一，各类交通工具的出现方便了人们的出行，但受到各类地形的限制，人类平均每天仍需要行走一万步左右，行走在人的日常生活中具有不可替代性。在人体各关节中，踝关节是人与地面距离最近的关节，承担着几乎整个人的身体重量，尤其是当人在跳跃、奔跑和身体负重的时候，踝关节承受着巨大的冲击和载荷；此外，在人体行走过程中，下肢各关节做功最多的也为踝关节，占比接近五成。目前主要的踝关节为主动式外骨骼，主动式外骨骼往往***较重，给用户带来较大的额外消耗，且主动式外骨骼还受电量的约束；而被动式外骨骼则相对较轻，且可靠性高，利用人体行走规律将能量巧妙的收集起来以用于助力，提升能量利用率，降低行走能耗，其具有优良的人际协调性。因此，被动式外骨骼受到人们的广泛关注。
人体在行进过程中，在足踏阶段时，足跟会与地面产生冲击导致能量流出，而在蹬离地面时，踝关节的功率最大，对外做功，为人体行进提供主要动力来源。因此采用外骨骼降低行走过程中足踏阶段的冲击能量损失和蹬离相时踝关节提供的能量输出，可以有效提高人体行走效率，降低行走代谢消耗。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于外骨骼的离合器及踝关节助力外骨骼，其可以降低人体行走过程中足踏阶段的冲击能量损失，同时为蹬离相时踝关节提高助力，降低蹬离时的能量输出，有效提高人体行走效率，降低行走代谢消耗。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种适用于外骨骼的离合器，所述离合器包括离合器下基板、离合器上基板、离合器滚轮、离合器滚轮棘轮圈、离合器扳机、离合器拨爪、离合器拨爪弹簧、离合器扳机扭簧、离合器滚轮扭簧、离合器扳机定位轴及离合器拨爪定位轴；所述离合器上基板与所述离合器下基板间隔设置，所述离合器扳机定位轴的两端分别连接于所述离合器上基板及所述离合器下基板，所述离合器扳机及所述离合器扳机扭簧分别套设在所述离合器扳机定位轴上，所述离合器扳机扭簧的两端分别固定连接于所述离合器扳机及所述离合器下基板；所述离合器拨爪定位轴的两端分别连接于所述离合器下基板及所述离合器上基板，所述离合器拨爪弹簧及所述离合器拨爪分别套设在所述离合器拨爪定位轴上，所述离合器拨爪弹簧的两端分别固定连接于所述离合器下基板及所述离合器拨爪；所述离合器滚轮的两端转动地连接于所述离合器下基板及所述离合器上基板，所述离合器滚轮扭簧的两端分别连接于所述离合器下基板及所述离合器滚轮，所述离合器滚轮棘轮圈设置在所述离合器滚轮邻近所述离合器上基板的一端上；
所述离合器拨爪可分离地连接于所述离合器滚轮棘轮圈，所述离合器扳机与所述离合器拨爪活动连接；所述离合器扳机通过转动来带动所述离合器拨爪转动以使所述离合器拨爪抵靠在所述离合器滚轮棘轮圈上或者使所述离合器拨爪与所述离合器滚轮棘轮圈脱离，进而使得所述离合器处于锁定状态或者开启状态；所述离合器处于锁定状态时，所述离合器滚轮能单向转动；所述离合器处于开启状态时，所述离合器能双向转动。
进一步地，所述离合器滚轮及所述离合器扳机分别与外骨骼的储能机构相连接，所述储能机构随着人体行走而转动，并分别带动所述离合器扳机及所述离合器滚轮转动。
进一步地，所述离合器滚轮的一侧开设有扭簧孔，所述扭簧孔的底部均匀开设有扭簧限位通孔，所述离合器滚轮扭簧位于所述扭簧孔内，其一端固定在所述扭簧限位通孔内，另一端固定在所述离合器下基板的扭簧限位孔内；所述离合器滚轮的另一侧形成有弧形齿轮，所述离合器滚轮棘轮圈的内侧形成有弧形齿轮，外侧形成有间隔设置的棘齿；所述离合器滚轮棘轮圈的内侧与所述离合器滚轮相啮合而固定在一起，外侧与所述离合器拨爪可分离的相连接。
进一步地，所述离合器扳机包括椭圆形的连接部及卡爪，所述连接部转动地连接于所述离合器扳机定位轴；所述卡爪连接于所述连接部的一端，其与所述离合器拨爪相配合以调整所述离合器的工作状态；所述连接部远离所述卡爪的一端开设有线孔，所述线孔用于供小腿离合器触发绳穿过，所述小腿离合器触发绳的一端连接于所述连接部，另一端用于连接外骨骼的储能机构。
进一步地，所述离合器拨爪上形成有卡接凸起，所述卡接凸起与所述卡爪相配合以用于调节所述离合器的工作状态。
进一步地，所述离合器还包括离合器扳机限位轴，所述离合器扳机限位轴的两端分别固定在所述离合器下基板及所述离合器上基板上，以用于限定所述离合器扳机复位的位置。
进一步地，所述离合器还包括踝关节助力绳挡块，所述踝关节助力绳挡块为弧形，其两端分别固定在所述离合器下基板及所述离合器上基板的弧形槽内。
进一步地，所述离合器拨爪弹簧的刚度和弹簧线径分别小于所述离合器扳机扭簧的刚度和弹簧线径，所述离合器拨爪弹簧的初始预紧力也小于所述离合器扳机扭簧的初始预紧力。
按照本发明的另一方面，提供了一种踝关节助力外骨骼，所述外骨骼包括第一被动式外骨骼，所述第一被动式外骨骼包括如上所述的离合器、储能机构及踩踏机构，所述储能机构连接于所述踩踏机构，所述离合器连接所述储能机构及所述踩踏机构；所述踩踏机构通过转动变形来收集人体行走时、脚跟着地冲击地面的能量，同时带动所述储能机构进行变形；所述储能机构通过弹性变形将来自所述踩踏机构的能量储存，并用于人体行走蹬离时对踝关节进行助力，同时，所述储能机构带动所述离合器进行转动；所述小腿离合器通过转动来对所述储能机构进行分时调控。
进一步地，所述储能机构分别通过小腿离合器触发绳及踝关节助力绳连接于所述离合器扳机及所述离合器滚轮；所述储能机构包括棘轮轴，所述棘轮轴连接于所述踩踏机构，所述小腿离合器触发绳及所述踝关节助力绳分别间接地连接于所述棘轮轴；所述外骨骼还包括第二被动式外骨骼，使用时，所述第一被动式外骨骼与所述第二被动式外骨骼关于人体矢状面呈镜像关系，两个踩踏机构分别穿戴在左脚及右脚上。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的适用于外骨骼的离合器及踝关节助力外骨骼主要具有以下有益效果：
1.所述离合器拨爪可分离地连接于所述离合器滚轮棘轮圈，所述离合器扳机与所述离合器拨爪活动连接；所述离合器扳机通过转动来带动所述离合器拨爪转动以使所述离合器拨爪抵靠在所述离合器滚轮棘轮圈上或者使所述离合器拨爪与所述离合器滚轮棘轮圈脱离，进而使得所述离合器处于锁定状态或者开启状态，应用于外骨骼后可以很方便的实现对外骨骼的储能机构的分时调控，以便更好的对能量进行收集及释放来助力踝关节蹬离地面。
2.通过弹簧的设置，可以通过弹性变形方便的实现能量的存储以及在弹性作用力下实现变形恢复。
3.所述离合器扳机限位轴的两端分别固定在所述离合器下基板及所述离合器上基板上，以用于限定所述离合器扳机复位的位置，使得所述离合器处于原位时，所述离合器扳机的位置使得所述离合器拨爪刚好脱离所述离合器滚轮棘轮圈，所述小腿离合器处于开启状态，如此也可以增强所述离合器的触发响应速度，所述离合器拨爪通过转动较小的角度就可以使得所述离合器转到锁紧状态，进而所述小腿离合器触发绳移动很小的量就可以触发所述离合器变为锁紧状态，具有较高的响应速度。
4.所述踝关节助力绳挡块为弧形，其两端分别固定在所述离合器下基板及所述离合器上基板的弧形槽内，以用于限制所述踝关节助力绳的位置，防止脱槽。
5.本发明从人体行走过程中的足踝关节能量流动情况进行分析，分别找到人体足踝关节做正功和做负功的动作区间，通过踩踏机构对足踏阶段产生的负功进行收集并锁存，这一过程同时降低了足踏阶段对于人体足跟的冲击；然后通过踝关节助力绳继续对踝关节背屈时产生的负功进行收集，实现了对人体行走全过程中足踝复合体的主要负功区段能量的收集；然后通过人体行走时踝关节角度周期性的变换，及时触发能量分配机构释放锁存的能量，在人体足部蹬离地面时，给人体踝关节提供助力，降低人体踝关节所作正功；本发明相比于现有技术，从人体行走过程中的全区间进行能量分析，通过能量分配实现了对人体行走能量的优化，提高了人体行走效率。
附图说明
图1是本发明提供的适用于外骨骼的离合器的***示意图；
图2是图1中的离合器的二维平面示意图；
图3是图1中的离合器的局部示意图；
图4是本发明提供的踝关节外骨骼的立体示意图；
图5是图4中的踝关节外骨骼的储能机构的***示意图；
图6是图4中的踝关节外骨骼的踩踏机构及局部储能机构的***示意图；
图7是图4中的踝关节外骨骼处于使用状态的示意图；
图8中的(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分别是图4中的踝关节外骨骼处于不同步态周期的状态图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：I-离合器，II-储能机构，III-踩踏机构，3-棘爪，4-棘爪限位件，5-棘爪止动架，6-棘轮，7-棘轮轴，8-右侧扭簧挡盘，9-棘爪轴，10-离合器紧定螺栓，11-离合器定位螺钉，12-左侧扭簧挡盘，13-左侧扭簧，14-左侧足部导轮，15-棘爪复位绳铝套，16-离合器连接板，17-中间导轮卡盘，18-踝关节助力绳铝套，19-右侧扭簧，20-右侧足部导轮，21-小腿离合器触发绳导轮，22-脚跟连接杆，23-踩踏机构防松螺母，24-滑块连接杆，25-后脚架，26-连接曲柄，27-足部储能绳铝套，28-鞋子，29-小腿离合器触发绳导向螺母，30-棘爪轴限位卡簧，31-小腿连接板，32-小腿固定架，33-小腿连接板固定件，34-小腿固定魔术贴，35-小腿离合器触发绳，36-踝关节助力绳，37-足部储能绳，38-棘爪复位绳，39-足部导轮卡盘，40-足部导轮卡盘连接件，41-棘轮轴轴承，42-中间导轮，43-离合器触发绳导览卡盘，44-离合器触发绳卡盘连接件，45-棘爪轴卡簧，46-棘爪止动架固定螺栓，47-加固碳管，48-踝关节推力轴承，49-第一踩踏机构推力轴承，50-第二踩踏机构推力轴承，51-第一踩踏机构法兰边轴承，52-滑块连接杆定位套筒，53-第二踩踏机构法兰边轴承，54-离合器下基板，55-踝关节助力绳挡块，56-离合器扳机定位轴，57-离合器扳机限位轴，58-离合器触发线导向轴，59-踝关节助力绳固定件，60-离合器滚轮，61-离合器滚轮棘轮圈，62-离合器滚轮轴承，63-离合器上基板，64-离合器扳机，65-离合器拨爪，66-离合器扳机轴承，67-离合器拨爪轴承，68-离合器拨爪定位轴，69-离合器拨爪弹簧，70-离合器扳机扭簧，71-离合器滚轮扭簧，72-离合器滚轮轴承，73-离合器固定螺母，401-棘爪限位件顶针，402-棘爪限位件弹簧，403-棘爪限位件外壳，6001-离合器滚轮扭簧孔，6002-离合器滚轮固定件孔。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1、图2及图3，本发明提供的适用于外骨骼的离合器，所述离合器包括小腿离合器触发绳导轮21、小腿离合器触发绳35、踝关节助力绳36、离合器下基板54、踝关节助力绳挡块55、离合器扳机定位轴56、离合器扳机限位轴57、离合器触发线导向轴58、踝关节助力绳固定件59、离合器滚轮60、离合器滚轮棘轮圈61、第一离合器滚轮轴承62、离合器上基板63、离合器扳机64、离合器拨爪65、离合器扳机轴承66、离合器拨爪轴承67、离合器拨爪定位轴68、离合器拨爪弹簧69、离合器扳机扭簧70、离合器滚轮扭簧71、第二离合器滚轮轴承72及离合器固定螺母73。
其中，所述离合器工作时，其通过离合器紧定螺栓10及离合器定位螺钉11固定在外骨骼的踩踏机构上。所述离合器下基板54为不规则形状，其开设有多个轴孔、扭簧限位孔及轴承孔；所述离合器下基板54与所述离合器上基板63相连且两者间隔设置。所述离合器扳机定位轴56的两端、所述离合器扳机限位轴57的两端、所述离合器触发线导向轴58的两端、所述离合器拨爪定位轴68的两端分别穿过所述离合器下基板54及所述离合器上基板63的轴孔，且分别连接有离合器固定螺母73，限定了所述离合器上基板63及所述离合器下基板54之间的相对距离。
所述离合器扳机轴承66及所述离合器扳机扭簧70分别套设在所述离合器扳机定位轴56上，所述离合器扳机扭簧70的旋向为左旋，其一端固定在所述离合器下基板54的扭簧限位孔内，另一端固定在所述离合器扳机64的扭簧限位孔内。所述离合器扳机轴承66设置在所述离合器扳机64的轴承孔内，所述离合器扳机定位轴56的一端穿过所述离合器扳机轴承66后连接于所述离合器下基板54。其中，所述离合器扳机轴承66为法兰边轴承。
本实施方式中，所述离合器扳机定位轴56的两端形成有螺纹，以与所述离合器固定螺母73形成螺纹连接，其中部形成有多处轴阶；其中，位于中部的第一轴阶结构与所述离合器扳机轴承66相配合以限制所述离合器扳机64沿所述离合器扳机定位轴56的移动，位于所述第一轴阶结构两侧的第二轴阶结构及第三轴阶结构，分别用于限定所述离合器扳机定位轴56与所述离合器下基板54之间的相对位置、以及所述离合器扳机定位轴56与所述离合器上基板63之间的相对位置。
所述离合器扳机64包括椭圆形的连接部及卡爪，所述轴承孔开设在所述连接部上，所述卡爪连接于所述连接部的一端，其与所述离合器拨爪65相配合以调整所述离合器的工作状态。其中，所述连接部远离所述卡爪的一端开设有线孔，所述线孔用于供小腿离合器触发绳35穿过，所述小腿离合器触发绳35的一端连接于所述连接部，另一端穿过所述小腿离合器触发绳导向螺母29后连接于所述小腿离合器触发绳导轮21。
所述离合器拨爪定位轴68的两端分别形成有螺纹，中间形成有多处轴阶，所述离合器拨爪定位轴68分别通过轴阶来限定其与所述离合器下基板54及所述离合器上基板63之间的相对位置，所述离合器拨爪轴承67套设在所述离合器拨爪定位轴68上，其通过所述离合器拨爪定位轴68上的轴阶来限定其向所述离合器下基板54方向的运动，同时通过所述离合器拨爪65的法兰边来限制向所述离合器上基板63的运动。
所述离合器拨爪弹簧69套设在所述离合器拨爪定位轴68上，所述离合器拨爪弹簧69的旋向为右旋，其一端固定在所述离合器下基板54的扭簧限位孔内，另一端固定在所述离合器拨爪65的扭簧限位孔内。所述离合器拨爪轴承67为法兰边轴承，其固定在所述离合器拨爪65的轴承孔内。本实施方式中，所述离合器拨爪65上形成有卡接凸起，所述卡接凸起与所述卡爪相配合以用于调节所述离合器的工作状态。
所述离合器滚轮60相背的两侧分别通过所述第二离合器滚轮轴承72及所述第一离合器滚轮轴承62与所述离合器上基板63及所述离合器下基板54相连接。所述第二离合器滚轮轴承72为法兰边轴承，其内嵌于所述离合器下基板54及所述离合器上基板63的轴承孔内。本实施方式中，所述离合器滚轮60上设置有连接轴，所述连接轴的两端分别设置在所述第二离合器滚轮轴承72及所述第一离合器滚轮轴承62内。
所述离合器滚轮60的一侧开设有扭簧孔，所述扭簧孔的底部均匀开设有离合器滚轮扭簧孔6001，所述离合器滚轮扭簧71位于述扭簧孔内，其一端固定在所述离合器滚轮扭簧孔6001内，另一端固定在所述离合器下基板54的扭簧限位孔内。其中，所述离合器滚轮扭簧71的旋向为左旋。
所述离合器滚轮60的另一侧形成有弧形齿轮，所述离合器滚轮棘轮圈61的内侧形成有弧形齿轮，外侧形成有间隔设置的棘齿。所述离合器滚轮棘轮圈61的内侧与所述离合器滚轮60相啮合而固定在一起，外侧与所述离合器拨爪65可分离的相连接，以用于在所述离合器处于锁紧状态时使得所述离合器滚轮60只能单向旋转；在非锁紧状态时，所述离合器滚轮60可以双向旋转。
本实施方式中，所述离合器滚轮60的材料为质量和强度较低的镁合金；所述离合器滚轮棘轮圈61的材料为质量和强度较高的钢材；所述离合器滚轮60的外周还开设有绳槽，所述绳槽用于***述踝关节助力绳36。所述离合器滚轮60开设有四个均匀分布的离合器滚轮固定件孔6002，所述离合器滚轮固定件孔6002贯穿所述绳槽相对的槽壁，所述绳槽绕所述离合器滚轮60的周向设置。四个所述踝关节助力绳固定件59分别固定在四个所述离合器滚轮固定件孔6002内，以用于固定所述踝关节助力绳36的一端，并防止所述踝关节助力绳36自所述离合器滚轮60脱离。
所述离合器扳机限位轴57的两端分别固定在所述离合器下基板54及所述离合器上基板63上，以用于限定所述离合器扳机64复位的位置，使得所述离合器处于原位时，所述离合器扳机64的位置使得所述离合器拨爪65刚好脱离所述离合器滚轮棘轮圈61，所述小腿离合器处于开启状态，如此也可以增强所述离合器的触发响应速度，所述离合器拨爪65通过转动较小的角度就可以使得所述离合器转到锁紧状态，进而所述小腿离合器触发绳35移动很小的量就可以触发所述离合器变为锁紧状态，具有较高的响应速度。
所述踝关节助力绳挡块55为弧形，其两端分别固定在所述离合器下基板54及所述离合器上基板63的弧形槽内，以用于限制所述踝关节助力绳36的位置，防止脱槽。其中，所述踝关节助力绳36逆时针绕在所述离合器滚轮60上。
所述离合器触发线导向轴58的两端分别形成有外螺纹，且其中部形成有轴阶以用于限制所述离合器下基板54和所述离合器上基板63之间的相对距离，所述离合器下基板54与所述离合器上基板63之间形成有一个导向孔，所述导向孔的两侧形成有倒圆角，所述导向孔用于供所述小腿离合器触发绳35穿过，以起到导向作用。
本实施方式中，所述离合器拨爪弹簧69的刚度和弹簧线径小于所述离合器扳机扭簧70，所述离合器拨爪弹簧69的初始预紧力也小于所述离合器扳机扭簧70的初始预紧力，在未触发状态下，因为所述离合器扳机扭簧70的预紧力大于所述离合器拨爪弹簧69的预紧力，因此所述离合器扳机64可以在所述离合器拨爪弹簧69的作用下使得所述离合器拨爪65处于拨开状态，此时所述离合器处于非锁紧状态，所述离合器滚轮60可以双向转动。当所述离合器扳机64在所述小腿离合器触发绳35的作用下与所述离合器拨爪65分离时，所述离合器拨爪65在所述离合器拨爪弹簧69的作用下回弹，所述离合器拨爪65抵住所述离合器滚轮棘齿圈61，此时所述离合器处于锁紧状态，所述离合器滚轮仅能单向转动。
所述离合器拨爪弹簧69和所述离合器扳机扭簧70旋转180°后的内径分别大于所述离合器扳机定位轴56和所述离合器拨爪定位轴68，防止了扭簧旋转小角度就抱死。此外，所述离合器滚轮扭簧71在初始位置时存在一定预紧力，可以使得踝关节助力绳36在所述离合器滚轮扭簧71的作用下复位。
请参阅图4、图5、图6、图7及图8，本发明还提供了一种踝关节助力外骨骼，所述外骨骼包括左侧被动式外骨骼及右侧被动式外骨骼，所述左侧被动式外骨骼及所述右侧被动式外骨骼在使用时分别固定在人体的左脚及右脚。人体行走时，左侧被动式外骨骼及右侧被动式外骨骼伴随着人体左右脚的运动交替工作，静止状态下，左侧被动式外骨骼及右侧被动式外骨骼相对于人体矢状面为镜像关系。
所述右侧被动式外骨骼包括离合器I、储能机构II及踩踏机构III，所述储能机构II连接于所述踩踏机构III，所述离合器I连接所述储能机构II及所述踩踏机构III。其中，所述离合器I即为如上所述的离合器。
所述踩踏机构III通过转动变形来收集人体行走时、脚跟着地冲击地面的能量，同时带动所述储能机构II进行变形。所述储能机构II通过弹性变形将来自所述踩踏机构III的能量收集起来，并用于人体行走蹬离时对踝关节进行助力，同时，所述储能机构II带动所述离合器进行转动。所述小腿离合器通过转动来对所述储能机构II进行分时调控。
所述储能机构包括棘轮轴7、两个间隔设置的离合器连接板16、足部导轮卡盘连接件40、足部导轮卡盘39、左侧足部导轮14、右侧足部导轮20、棘轮轴轴承41、左侧扭簧13、左侧扭簧挡盘12、棘轮6、中间导轮卡盘17、中间导轮42、小腿离合器触发绳导轮卡盘43、棘爪轴9、棘爪止动架5、棘爪限位件4、棘爪3、足部储能绳37、右侧扭簧挡盘8及右侧扭簧19。
所述中间导轮42、所述棘轮6、所述左侧扭簧挡盘12、所述右侧扭簧挡盘8、左侧扭簧13、所述右侧扭簧19、棘轮轴轴承41、所述左侧足部导轮14及所述右侧足部导轮20分别套设在所述棘轮轴7上。所述棘轮轴7的中部形成有矩形花键，所述中间导轮42、所述棘轮6、所述左侧扭簧挡盘12、所述右侧扭簧挡盘8分别通过自身所形成的矩形花键槽与所述棘轮轴7上的矩形花键相紧固而连接在一起。所述中间导轮卡盘17设置在所述中间导轮42上，所述踝关节助力绳36通过所述踝关节助力绳铝套18固定在所述中间导轮卡盘17上。所述棘轮6与所述中间导轮42邻近设置，且两者位于所述左侧扭簧挡盘12与右侧扭簧挡盘8之间，所述左侧扭簧挡盘12及所述右侧扭簧挡盘8的矩形花键槽的深度可以限定其在所述棘轮轴7上的位置。所述左侧扭簧13固定在所述左侧扭簧挡盘12上，所述右侧扭簧19固定于所述右侧扭簧挡盘8上。所述左侧扭簧13的两端分别固定在一个所述离合器连接板16及所述左侧扭簧挡盘12的限位孔内，所述右侧扭簧19的两端分别固定于另一个所述离合器连接板16及所述右侧扭簧挡盘8的限位孔内。两个所述棘轮轴轴承41分别设置在两个所述离合器连接板16上，所述棘轮轴7的两端分别穿过两个所述棘轮轴轴承41。所述棘轮轴轴承41用于降低所述储能机构旋转时的摩擦力，并对所述棘轮轴7进行限位。
两个所述离合器连接板16的外侧分别设置有左侧足部导轮14及所述右侧足部导轮20，所述左侧足部导轮14及所述右侧足部导轮20分别通过矩形键和所述棘轮轴7上的键槽相配合而固定。所述小腿离合器触发绳导轮21设置在所述右侧足部导轮20远离所述中间导轮42的一侧，所述小腿离合器触发绳导轮21在所述棘轮轴7上的固定方式与所述左侧足部导轮14及所述右侧足部导轮20相同。
两个所述足部导轮卡盘39分别通过所述足部导轮卡盘连接件40固定在所述左侧足部导轮14及所述右侧足部导轮20上，所述小腿离合器触发绳导轮卡盘43通过所述足部导轮卡盘连接件40固定在所述小腿离合器触发绳导轮21上。所述左侧足部导轮14及所述右侧足部导轮20分别通过所述足部导轮卡盘39将所述足部储能绳37进行固定。所述小腿离合器触发绳导轮21通过所述离合器触发绳导轮卡盘43将所述小腿离合器触发绳35固定。
所述棘爪3及所述棘爪止动架5分别连接于所述棘爪轴9上，所述棘爪限位件4的一端连接于所述棘爪止动架5，其与所述棘爪3相配合以用于将所述棘爪3限定在锁紧状态或者开启状态。所述棘爪轴9的两端分别通过棘爪轴卡簧45与两个所述离合器连接板16相固定。
本实施方式中，所述棘爪限位件4包括棘爪限位件顶针401、棘爪限位件弹簧402及棘爪限位件外壳403，所述棘爪限位件弹簧402收容在所述棘爪限位件外壳403内，其一端固定在所述棘爪限位件外壳403上，另一端连接于所述棘爪限位件顶针401；所述棘爪限位件弹簧402通过弹性变形来改变所述棘爪限位件顶针401相对于所述棘爪3的位置，进而改变所述棘爪3与所述棘轮6的连接状态；所述棘爪止动架5基本呈Z字型，其一端通过棘爪止动架固定螺栓46固定在所述棘爪轴9上，另一端连接于所述棘爪限位件外壳403。
所述踩踏机构包括脚跟连接杆22、踩踏机构防松螺母23、滑块连接杆24、后脚架25、连接曲柄26、足部储能绳铝套27、鞋子28、踩踏连接板、加固碳管47、踝关节推力轴承48、第一踩踏机构推力轴承49、第二踩踏机构推力轴承50、第一踩踏机构法兰边轴承51、滑块连接杆定位套筒52及第二踩踏机构法兰边轴承53。在一个实施方式中，所述踩踏连接板可以与所述离合器连接板16一体成型，即为一体结构。
所述踩踏连接板基本呈三角形，两个所述踩踏连接板的一边分别连接于两个所述离合器连接板16，邻近所述离合器连接板16的角部分别设置有小腿离合器触发绳导向螺母29，所述小腿离合器触发绳导向螺母29用于供所述小腿离合器触发绳35穿过，以连接于所述小腿离合器触发绳导轮21。两个所述踩踏连接板间隔设置，两个所述脚跟连接杆22间隔设置，所述加固碳管47邻近一个所述脚跟连接杆22设置。所述脚跟连接杆22的两端及所述加固碳管47的两端分别通过两个所述后脚架25连接于两个所述踩踏连接板的一边，且所述加固碳管47与所述离合器连接板16分别连接于所述踩踏连接板不同的边。所述鞋子28固定在所述脚跟连接板22及所述加固碳管47上。
两个所述滑块连接杆24及两个所述连接曲柄26分别通过踩踏机构防松螺母23连接在所述后脚架25上。所述连接曲柄26的一端通过所述足部储能绳铝套27连接于所述足部储能绳37，中部转动地连接于所述后脚架25，另一端转动地连接于所述滑块连接杆24的一端，所述滑块连接杆24的另一端转动地连接于所述后脚架25的一端。
所述滑块连接杆24与所述连接曲柄26间通过所述第二踩踏机构推力轴承50相间隔以减小摩擦力；所述连接曲柄26与所述后脚架25间通过所述第一踩踏机构推力轴承49相间隔以降低摩擦力。所述滑块连接杆24与所述后脚架25间通过所述第一踩踏机构法兰边轴承51、滑块连接杆定位套筒52及所述第二踩踏机构法兰边轴承53相连接。
两个所述小腿离合器触发绳导向螺母29还分别连接于两个小腿连接板31的一端，两个所述小腿连接板31的另一端分别连接于小腿固定架31的两端。所述小腿固定架31的两端分别通过小腿连接板固定件33与小腿固定魔术贴34及所述小腿连接板31固定连接。其中，所述小腿离合器通过所述离合器紧定螺栓10及所述离合器定位螺钉11固定在所述小腿固定架32上。
所述踩踏机构通过所述足部储能绳37与所述储能机构的左侧足部导轮14及所述右侧足部导轮20相连接，当人体脚跟着地时，所述踩踏机构运动以带动所述储能机构的所述左侧足部导轮及所述右侧足部导轮旋转，并通过所述左侧扭簧13及所述右侧扭簧19进行储能，所述中间导轮42通过踝关节助力绳36与所述小腿离合器的离合器滚轮相连接，在人体踝关节需要发力时助力所述踝关节进行运动。所述小腿离合器触发绳导轮21通过所述小腿离合器触发绳35与所述离合器扳机64相连接，以用于改变所述小腿离合器的锁紧状态及开启状态。其中，所述小腿离合器通过所述小腿固定架32、所述小腿固定魔术贴34及所述小腿连接板31固定在人体膝关节处。
使用所述外骨骼时，使用者首先将两个所述鞋子28分别穿戴在人体的左右脚，并通过所述小腿固定魔术贴34将所述左侧被动式外骨骼及所述右侧被动式外骨骼固定在人体的左右小腿上，穿戴完成后，人体按照正常行走步态行走，人体的两只脚在摆动相与站立相之间相互交替运动，以其中一只脚的外骨骼踩踏机构刚接触地面为工作初始位置，将此时定义为步态周期的0％。
以人体脚跟接触地面人体步态周期的开始，当人体处于0％的步态周期时，此时踩踏机构Ⅲ刚接触地面，在人体重力作用下，踩踏机构Ⅲ的滑块连接杆24向下进行运动，因所述足部储能绳37分别顺时针绕在左侧足部导轮14和右侧足部导轮20上，所以在0％步态周期到12％步态周期时，足部储能绳37带动储能机构Ⅱ顺时针旋转；所述的小腿离合器触发绳35逆时针绕在储能机构Ⅱ的小腿离合器触发绳导轮21上，因此在0％步态周期到12％步态周期时，储能机构Ⅱ顺时针旋转会带动小腿离合器触发绳35下拉，触发小腿离合器Ⅰ的离合器扳机64向下运动，导致此时小腿离合器Ⅰ处于单向锁紧状态，只能逆时针旋转(从小腿后往前看)；另外在0％步态周期到12％步态周期时，储能机构Ⅱ顺时针旋转会带动中间导轮42顺时针转动，踝关节助力绳36松弛，离合器滚轮60因被单向锁紧，在离合器滚轮扭簧71的作用下逆时针转动，收紧踝关节助力绳36。
当人体行走从12％步态周期到36％步态周期状态时，人体小腿前倾，小腿与足底张角变小，因所述踝关节助力绳36一侧固定于离合器滚轮60，另外一侧固定于储能机构Ⅱ的中间导轮42上，此时小腿离合器Ⅰ仍处于单向锁紧状态，无法顺时针转动(从小腿后往前看)，此时踝关节助力绳36的长度无法改变。因此当小腿与足底张角变小时，储能机构Ⅱ在小腿的带动下继续顺时针转动，直至储能机构Ⅱ拨开棘爪3，此时足部储能绳37处于松弛状态。
当人体行走从36％步态周期到45％步态周期时，此时储能机构Ⅱ的棘爪3已经拨开，储能机构Ⅱ在左侧扭簧13和右侧扭簧19的作用下逆时针旋转，通过足部储能绳37带动踩踏机构运动复原，给人体脚部蹬离提供助力。
当人体行走从45％步态周期到61％步态周期时，足部储能绳37继续带动踩踏机构运动以给人体脚部蹬离地面提供助力，直至踩踏机构Ⅱ完全复原，当踩踏机构Ⅱ完全复原时，此时小腿离合器Ⅰ仍处于单向锁紧状态，踝关节助力绳36仍处于最短状态不变，储能机构Ⅱ继续逆时针旋转，带动踝关节助力绳36运动，给踝关节转动继续提供助力；助力结束后，储能机构将近恢复初始位置，小腿离合器触发绳导轮21逆时针旋转，小腿离合器触发绳35和离合器扳机64逐渐恢复原位，小腿离合器Ⅰ处于开启状态，可双向***转动；储能机构Ⅱ的棘爪3也在棘爪复位绳38的作用下复原，储能机构Ⅱ恢复至初始位置，只可单向运动。
当人体行走从61％步态周期到100％步态周期时，脚处于悬空摆动状态，外骨骼状态不变。两只脚分别穿着外骨骼，两只脚交替处于悬空摆动状态，两脚上的外骨骼也交替工作。
本发明提供的外骨骼，当鞋底逐渐与地面平齐，所述的踩踏机构Ⅲ在人体的重力作用下动作，降低人体行走时脚跟着地的冲击，并通过所述的足部储能绳37将能量传递给储能机构Ⅱ，存储于所述的左侧扭簧13和右侧扭簧19中；此时储能机构Ⅱ已转过120°，小腿离合器触发绳35在小腿离合器触发绳导轮21的转动下回收，触发小腿离合器Ⅰ进行锁定，此时，小腿离合器Ⅰ只能单向转动，踝关节助力绳36在离合器滚轮扭簧的作用下回收。当人体继续行进时，在12％～45％的步态周期时，踝关节进行转动，因为小腿离合器Ⅰ处于锁紧状态，踝关节助力绳36处于固定长度，储能机构Ⅱ在踝关节助力绳36下继续转动，直至踝关节转动到处于最大背屈状态时，棘轮6上的棘轮拨爪将棘爪3拨开，拨开后，在45％～66％的步态周期时，储能机构Ⅱ进行回转，通过中间导轮42带动踝关节助力绳36，在脚蹬离地面时给踝关节提供助力；踩踏机构Ⅲ也在足部储能绳回转的带动下复原。在66％～100％步态周期时，脚在空中处于摆动相，踝关节不消耗能量。如此两只脚的助力外骨骼相互交替重复以上动作，可以降低足踏阶段对于足底的冲击，并在脚蹬离时给踝关节提供助力，提高了人体行走效率。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于外骨骼的离合器，其特征在于：
所述离合器包括离合器下基板、离合器上基板、离合器滚轮、离合器滚轮棘轮圈、离合器扳机、离合器拨爪、离合器拨爪弹簧、离合器扳机扭簧、离合器滚轮扭簧、离合器扳机定位轴及离合器拨爪定位轴；所述离合器上基板与所述离合器下基板间隔设置，所述离合器扳机定位轴的两端分别连接于所述离合器上基板及所述离合器下基板，所述离合器扳机及所述离合器扳机扭簧分别套设在所述离合器扳机定位轴上，所述离合器扳机扭簧的两端分别固定连接于所述离合器扳机及所述离合器下基板；所述离合器拨爪定位轴的两端分别连接于所述离合器下基板及所述离合器上基板，所述离合器拨爪弹簧及所述离合器拨爪分别套设在所述离合器拨爪定位轴上，所述离合器拨爪弹簧的两端分别固定连接于所述离合器下基板及所述离合器拨爪；所述离合器滚轮的两端转动地连接于所述离合器下基板及所述离合器上基板，所述离合器滚轮扭簧的两端分别连接于所述离合器下基板及所述离合器滚轮，所述离合器滚轮棘轮圈设置在所述离合器滚轮邻近所述离合器上基板的一端上；
所述离合器拨爪可分离地连接于所述离合器滚轮棘轮圈，所述离合器扳机与所述离合器拨爪活动连接；所述离合器扳机通过转动来带动所述离合器拨爪转动以使所述离合器拨爪抵靠在所述离合器滚轮棘轮圈上或者使所述离合器拨爪与所述离合器滚轮棘轮圈脱离，进而使得所述离合器处于锁定状态或者开启状态；所述离合器处于锁定状态时，所述离合器滚轮能单向转动；所述离合器处于开启状态时，所述离合器的离合器滚轮能双向转动。
2.如权利要求1所述的适用于外骨骼的离合器，其特征在于：所述离合器滚轮及所述离合器扳机分别与外骨骼的储能机构相连接，所述储能机构随着人体行走而转动，并分别带动所述离合器扳机及所述离合器滚轮转动。
3.如权利要求1所述的适用于外骨骼的离合器，其特征在于：所述离合器滚轮的一侧开设有扭簧孔，所述扭簧孔的底部均匀开设有扭簧限位通孔，所述离合器滚轮扭簧位于所述扭簧孔内，其一端固定在所述扭簧限位通孔内，另一端固定在所述离合器下基板的扭簧限位孔内；所述离合器滚轮的另一侧形成有弧形齿轮，所述离合器滚轮棘轮圈的内侧形成有弧形齿轮，外侧形成有间隔设置的棘齿；所述离合器滚轮棘轮圈的内侧与所述离合器滚轮相啮合而固定在一起，外侧与所述离合器拨爪可分离的相连接。
4.如权利要求1所述的适用于外骨骼的离合器，其特征在于：所述离合器扳机包括椭圆形的连接部及卡爪，所述连接部转动地连接于所述离合器扳机定位轴；所述卡爪连接于所述连接部的一端，其与所述离合器拨爪相配合以调整所述离合器的工作状态；所述连接部远离所述卡爪的一端开设有线孔，所述线孔用于供小腿离合器触发绳穿过，所述小腿离合器触发绳的一端连接于所述连接部，另一端用于连接外骨骼的储能机构。
5.如权利要求4所述的适用于外骨骼的离合器，其特征在于：所述离合器拨爪上形成有卡接凸起，所述卡接凸起与所述卡爪相配合以用于调节所述离合器的工作状态。
6.如权利要求1-5任一项所述的适用于外骨骼的离合器，其特征在于：所述离合器还包括离合器扳机限位轴，所述离合器扳机限位轴的两端分别固定在所述离合器下基板及所述离合器上基板上，以用于限定所述离合器扳机复位的位置。
7.如权利要求1-5任一项所述的适用于外骨骼的离合器，其特征在于：所述离合器还包括踝关节助力绳挡块，所述踝关节助力绳挡块为弧形，其两端分别固定在所述离合器下基板及所述离合器上基板的弧形槽内。
8.如权利要求1-5任一项所述的适用于外骨骼的离合器，其特征在于：所述离合器拨爪弹簧的刚度和弹簧线径分别小于所述离合器扳机扭簧的刚度和弹簧线径，所述离合器拨爪弹簧的初始预紧力也小于所述离合器扳机扭簧的初始预紧力。
9.一种踝关节助力外骨骼，其特征在于：所述外骨骼包括第一被动式外骨骼，所述第一被动式外骨骼包括储能机构、踩踏机构及权利要求1-8任一项所述的离合器，所述储能机构连接于所述踩踏机构，所述离合器连接所述储能机构及所述踩踏机构；所述踩踏机构通过转动变形来收集人体行走时、脚跟着地冲击地面的能量，同时带动所述储能机构进行变形；所述储能机构通过弹性变形将来自所述踩踏机构的能量储存，并用于人体行走蹬离时对踝关节进行助力，同时，所述储能机构带动所述离合器进行转动；所述离合器通过转动来对所述储能机构进行分时调控。
10.如权利要求9所述的踝关节助力外骨骼，其特征在于：所述储能机构分别通过小腿离合器触发绳及踝关节助力绳连接于所述离合器扳机及所述离合器滚轮；所述储能机构包括棘轮轴，所述棘轮轴连接于所述踩踏机构，所述小腿离合器触发绳及所述踝关节助力绳分别间接地连接于所述棘轮轴；所述外骨骼还包括第二被动式外骨骼，使用时，所述第一被动式外骨骼与所述第二被动式外骨骼关于人体矢状面呈镜像关系，两个踩踏机构分别穿戴在左脚及右脚上。
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