CN114102558A - 一种基于足踝复合体能流动特性的被动式外骨骼 - Google Patents
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Abstract
本发明属于下肢外骨骼相关技术领域，其公开了一种基于足踝复合体能流动特性的被动式外骨骼，所述被动式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能量分配机构、踩踏机构及穿戴固定组件，所述能量分配机构与所述踩踏机构相连接，所述能量分配机构还连接于所述穿戴固定组件；所述能量分配机构包括棘轮轴、以及分别套设在所述棘轮轴上的左侧扭簧、右侧扭簧及中间导轮，所述中间导轮通过踝关节助力绳连接于所述穿戴固定组件；所述棘轮轴连接于所述踩踏机构，所述踩踏机构带动所述棘轮轴转动，所述棘轮轴带动所述左侧扭簧、所述右侧扭簧及所述中间导轮转动。本发明有效地提高了人体行走效率，降低了行走的代谢消耗。
Description
技术领域
本发明属于下肢外骨骼相关技术领域，更具体地，涉及一种基于足踝复合体能流动特性的被动式外骨骼。
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，可以广泛的应用于军事、医疗和助老等领域。在军事领域中可以提高单兵作战能力及正常徒步距离，增强负重能力；在医疗领域可以帮助患者步态康复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。在人体各个关节中，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，下肢各个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，具有优良的人机协调性。因此，被动式外骨骼受到人们的广泛关注。
人体在行走过程中，在足踏阶段时，足跟会与地面产生冲击而导致能量流出，而在蹬离地面时，踝关节的功率最大，对外做功，为人体行走提供了主要动力来源。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所需的能量输出，可以有效提高人体行走效率，降低行走的代谢消耗。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于足踝复合体能流动特性的被动式外骨骼，所述被动式外骨骼可以实现分时调控，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供助力，降低了蹬离时的能量输出，有效地提高了人体行走效率，降低了行走的代谢消耗。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于足踝复合体能流动特性的被动式外骨骼，所述被动式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能量分配机构、踩踏机构及穿戴固定组件，所述能量分配机构与所述踩踏机构相连接，所述能量分配机构还连接于所述穿戴固定组件；
使用时，所述穿戴固定组件固定在人体小腿上，所述踩踏机构固定在人体脚上；所述踩踏机构随着人的行走步态进行变形并采集足踏阶段所产生的负功；所述能量分配机构包括棘轮轴、以及分别套设在所述棘轮轴上的左侧扭簧、右侧扭簧及中间导轮，所述中间导轮通过踝关节助力绳连接于所述穿戴固定组件；所述棘轮轴连接于所述踩踏机构，所述踩踏机构带动所述棘轮轴转动，所述棘轮轴带动所述左侧扭簧、所述右侧扭簧及所述中间导轮转动，所述左侧扭簧及所述右侧扭簧通过弹性变形将所述踩踏机构传递的能量进行存储及通过弹性恢复将存储的能量进行释放以助力踝关节蹬离地面。
进一步地，所述能量分配机构包括左侧连接板、右侧连接板、左侧足部导轮、右侧足部导轮、棘轮、左侧扭簧挡盘及右侧扭簧挡盘，所述棘轮轴的两端分别穿过所述左侧连接板及所述右侧连接板；所述左侧足部导轮、所述左侧连接板、所述左侧扭簧、所述中间导轮、所述棘轮、所述右侧扭簧挡盘、所述右侧扭簧、所述右侧连接板及所述右侧足部导轮沿所述棘轮轴的轴向依次套设在所述棘轮轴上。
进一步地，所述左侧足部导轮及所述右侧足部导轮分别通过左侧足部储能绳及右侧足部储能绳连接于所述踩踏机构，所述踩踏机构为对称结构。
进一步地，所述踩踏机构包括加固碳管、脚跟连接架、后脚架、滑块连接杆及连接曲柄，两个所述后脚架间隔设置，且分别连接于所述左侧连接板及所述右侧连接板；所述加固碳管的两端分别连接于两个所述后脚架；所述脚跟连接架的两端也分别连接于两个所述后脚架；两个所述连接曲柄的中部转动地连接于两个所述后脚架的中部，其一端分别连接于所述左侧足部储能绳及所述右侧足部储能绳，另一端分别转动地连接于两个所述滑块连接杆的一端，两个所述滑块连接杆的另一端分别转动地连接于两个所述后脚架远离所述加固碳管的一端。
进一步地，所述加固碳管及所述脚跟连接架连接于鞋子。
进一步地，所述能量分配机构还包括棘爪、棘爪限位件、棘爪止动架及棘爪轴，所述棘爪轴的两端分别连接于所述左侧连接板及所述右侧连接板；所述棘爪止动架固定在所述棘爪轴上，所述棘爪转动地设置在所述棘爪轴上，所述棘爪限位件的一端连接于所述棘爪止动架，另一端活动地连接于所述棘爪的一端；所述棘爪的另一端可分离地连接于所述棘轮；所述棘爪通过与所述棘轮相抵靠或者相脱离来使得所述棘轮处于锁定状态或者开启状态，所述棘轮处于锁定状态时，其能单向转动；所述棘轮处于开启状态时，其能双向转动。
进一步地，所述棘爪止动架呈Z字型，其一端固定在所述棘爪轴上，另一端连接于所述棘爪限位件；所述棘爪限位件通过弹性变形来对所述棘爪进行限位。
进一步地，所述棘爪限位件包括棘爪限位件外壳、棘爪限位件顶针及棘爪限位件弹簧，所述棘爪限位件外壳的一端连接于所述棘爪止动架远离所述棘爪轴的一端，所述棘爪限位弹簧的一端连接于所述棘爪限位件外壳，另一端连接于所述棘爪限位件顶针的一端，所述棘爪限位件顶针的另一端凸出于所述棘爪限位件外壳后与所述棘爪活动连接。
进一步地，所述棘爪包括爪体、棘爪复位绳连接体、棘爪外拨曲面体及棘爪限位凸起，所述爪体的一端转动地连接于所述棘爪轴，所述棘爪外拨曲面体设置在所述爪体的另一端，且朝向所述棘轮；所述棘爪限位凸起设置在所述棘爪外拨曲面体上；其中，所述爪体可分离地连接于所述棘轮；所述棘爪复位绳连接体连接于棘爪复位绳的一端，所述棘爪复位绳的另一端连接于所述棘轮。
进一步地，所述棘轮的同一侧间隔设置有棘轮拨爪及棘轮复位绳连接体，所述棘爪复位绳的另一端连接于所述棘轮复位绳连接体，所述棘轮拨爪与所述棘爪外拨曲面体可分离地相连接；所述穿戴固定组件为对称结构，其相背的两侧分别转动地连接于所述左侧连接板及所述右侧连接板。
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，本发明提供的基于足踝复合体能流动特性的被动式外骨骼主要具有以下有益效果：
1.所述踩踏机构随着人的行走步态进行变形并采集足踏阶段所产生的负功，降低了足踏阶段对于人体足跟的冲击；同时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。
2.所述左侧扭簧及所述右侧扭簧通过弹性变形将所述踩踏机构传递的能量进行存储及通过弹性恢复将存储的能量进行释放以助力踝关节蹬离地面，通过能量分配机构实现了对于人体行走能量的优化，降低了人体踝关节所作正功，且提高了人体行走效率。
3.所述棘爪通过与所述棘轮相抵靠或者相脱离来使得所述棘轮处于锁定状态或者开启状态，所述棘轮处于锁定状态时，其能单向转动；所述棘轮处于开启状态时，其能双向转动，如此能够方便的实现工作状态调整，以便能量分配机构对能量进行实时分配。
4.所述被动式外骨骼的结构简单，易于制造，有利于推广应用。
附图说明
图1是本发明提供的人体行走时的能量流动图；
图2是本发明提供的基于足踝复合体能流动特性的被动式外骨骼的立体示意图；
图3中的(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分别是不同步态周期的状态图；
图4是图2中的基于足踝复合体能流动特性的被动式外骨骼的能量分配机构的一个局部示意图；
图5是图2中的基于足踝复合体能流动特性的被动式外骨骼的能量分配机构的另一个局部示意图；
图6是图2中的基于足踝复合体能流动特性的被动式外骨骼的能量分配机构的锁止组件的示意图；
图7是图6中的锁止组件的棘爪止动架的示意图；
图8是图6中的锁止组件的棘爪限位件的示意图；
图9是图2中的基于足踝复合体能流动特性的被动式外骨骼的踩踏机构的一个局部示意图；
图10是图2中的基于足踝复合体能流动特性的被动式外骨骼的踩踏机构的另一个局部示意图。
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-能量分配机构，II-踩踏机构，1-小腿固定架螺栓，2-小腿固定架，3-棘爪，4-棘爪限位件，5-棘爪止动架，6-棘轮，7-棘轮轴，8-左侧扭簧挡盘，9-棘爪轴，10-踝关节助力绳，11-棘爪定位卡簧，12-左侧足部储能绳，13-左侧连接板，14-左侧足部导轮，15-挡盘，16-左侧扭簧，17-中间导轮，18-踝关节助力绳铝套，19-右侧足部储能绳铝套，20-棘爪复位绳，21-棘爪复位绳铝套，22-右侧扭簧，23-右侧连接板，24-加固碳管，25-塞打螺丝，26-鞋子，27-滑块连接杆，28-脚跟连接架，29-后脚架，30-连接曲柄，31-右侧足部储能绳，32-踝关节塞打螺钉，33-挡盘螺钉，34-右侧足部导轮，35-棘爪轴定位卡簧，36-小腿连接板，37-小腿固定架，38-小腿固定魔术贴，39-棘轮轴轴承，40-踩踏机构推力轴承，41-滑块连接杆定位套筒，42-后脚架法兰边轴承，43-踝关节推力轴承，44-右侧扭簧挡盘，601-棘轮拨爪，602-棘轮复位绳连接体，701-矩形花键，702-棘轮轴U型槽，301-棘爪复位绳连接体，302-棘爪外拨曲面体，303-棘爪限位凸起，801-扭簧限位轴端，802-扭簧固定孔，803-扭簧挡盘定位轴阶，401-棘爪限位件顶针，402-棘爪限位件外壳，403-棘爪限位件弹簧，901-棘爪轴D型轴阶，902-棘卡簧定位轴阶，501-棘爪限位件定位孔，502-棘爪止动架固定孔。
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，本发明提供的一种基于足部复合体能流动特性的被动式外骨骼，所述被动式外骨骼包括第一被动式外骨骼及第二被动式外骨骼；使用时，所述第一被动式外骨骼及所述第二被动式外骨骼分别穿戴在人体的左脚及右脚上，并通过小腿固定魔术贴与人体小腿相连接，且所述第一被动式外骨骼与所述第二被动式外骨骼互为镜像关系。
所述第一被动式外骨骼包括能量分配机构I、踩踏机构II及穿戴固定组件，所述能量分配机构I连接于所述踩踏机构II，所述穿戴固定组件连接于所述踩踏机构II，所述穿戴固定组件用于将所述第一被动式外骨骼固定在人体小腿上。
请参阅图4、图5及图6，所述能量分配机构I包括储能组件、导轮组件、固定组件及锁止组件。其中，所述导轮组件包括挡盘15、中间导轮17、左侧足部导轮14、右侧足部导轮34及挡盘螺钉33，其用于将足踏阶段的线性位移传递至能量分配机构I并变为转动角度。所述储能组件包括左侧扭簧16、左侧扭簧挡盘8、右侧扭簧22及右侧扭簧挡盘44，其用于将人体足踏阶段产生的能量进行存储。所述固定组件包括左侧连接板13、右侧连接板23、棘轮轴承39及棘轮轴7，其用于将能量分配机构I固定在鞋子26后上方。所述锁止组件包括棘轮6、棘爪3、棘爪限位件4、棘爪止动架5及棘爪轴9，其用于对存储的能量进行锁紧。
所述棘轮轴7相背的两端分别穿过所述左侧连接板13及所述右侧连接板23，所述左侧连接板13及所述右侧连接板23分别设置有轴承孔，两个棘轮轴轴承39分别设置在所述左侧连接板13及所述右侧连接板23的轴承孔内，所述棘轮轴7的两端分别穿过两个所述棘轮轴轴承39。其中，所述棘轮轴轴承39与对应的轴承孔之间为过盈配合。
其中，所述棘轮轴7的中部形成有矩形花键701，其两端分别形成有棘轮轴U型槽702。所述中间导轮17通过矩形花键槽固定在所述矩形花键701上。所述挡盘15通过挡盘螺钉33分别固定在所述中间导轮17、所述左侧足部导轮14及所述右侧足部导轮34上。所述中间导轮17、所述左侧足部导轮14及所述右侧足部导轮34的外周均开设有宽度大于绳子直径的绳槽，踝关节助力绳10的一端绕在所述中间导轮17的绳槽上，并穿过对应的所述挡盘15，将所述踝关节助力绳10固定在所述挡盘15的一侧。两个足部储能绳31的一端分别缠绕在所述左侧足部导轮14及所述右侧足部导轮34的绳槽内，并穿过对应的挡盘15，以将足部储能绳31的一端固定在所述挡盘15的一侧。所述左侧足部导轮14及所述右侧足部导轮34分分别固定在两个所述棘轮轴U型槽702内，进而固定在所述棘轮轴7上，以将自身所受的力传递给所述棘轮轴7。
所述左侧扭簧挡盘8及所述右侧扭簧挡盘44分别通过矩形花键槽与所述矩型花键701相配合，以固定在所述棘轮轴7上，并通过所述矩形花键槽的深度来实现所述左侧扭簧挡盘8及所述右侧扭簧挡盘44在所述棘轮轴7的轴向上的固定。所述左侧扭簧挡盘8朝向所述左侧足部导轮14的一端形成有扭簧限位轴端801，所述右侧扭簧挡盘44朝向所述右侧连接板23的一侧形成有扭簧限位轴端801，所述左侧扭簧16及所述右侧扭簧22的一端分别设置在所述扭簧限位轴端801上。所述左侧扭簧挡盘8开设有均匀布置的扭簧固定孔802，所述左侧扭簧16的一端固定在所述扭簧固定孔802中，另一端固定在所述左侧连接板13上的扭簧固定孔中。本实施方式中，所述左侧扭簧16及所述右侧扭簧22的旋向相反，刚度相同，呈镜像分布；相邻两个所述扭簧固定孔802之间的间隔角度为30°；所述右侧扭簧22的两端分别固定在所述右侧扭簧挡盘44的扭簧固定孔及所述右侧连接板23的扭簧固定孔中。
所述棘轮6通过矩形花键槽与所述矩形花键701相配合以固定在所述棘轮轴7上。其中，所述左侧足部导轮14、所述左侧连接板13、所述左侧扭簧16、所述左侧扭簧挡盘8、所述中间导轮17、所述棘轮6、所述右侧扭簧挡盘44、所述右侧扭簧22、所述右侧连接板23及所述右侧足部导轮34依次沿所述棘轮轴7的轴向设置。
所述棘爪3开设有直径大于所述棘爪轴9的轴径的通孔，所述棘爪轴9穿过所述通孔。所述棘爪3通过棘爪定位卡簧11来限制所述棘爪3在所述棘爪轴9上的轴向移动，所述棘爪3可以绕所述棘爪轴9进行转动。所述棘爪止动架5设置在所述棘爪轴9上，且其邻近所述棘爪3设置。所述棘爪止动架5朝向所述棘爪轴9的一侧设置有所述棘爪限位件4，所述棘爪限位件4与所述棘爪3相接触。其中，所述棘爪止动架5用于限定所述棘爪限位件4的施力方向，所述棘爪限位件4用于使所述棘爪3处于拨开状态或者锁紧状态的固定位置，以用于控制能量分配机构I的锁紧状态及拨开状态；所述棘爪轴9的两端分别穿过所述左侧连接板13及所述右侧连接板23，且分别设置有棘爪轴定位卡簧35。
所述棘轮轴9的两端分别形成有棘爪轴D型轴阶901，其邻近所述棘爪轴D型轴阶901的位置形成有棘卡簧定位轴阶902，两个所述棘爪轴D型轴阶901分别与所述左侧连接板13及所述右侧连接板23上的D型孔相配合，使得所述左侧连接板13及所述右侧连接板23固定在所述棘轮轴9的两端。所述棘爪轴定位卡簧35设置在所述棘卡簧定位轴阶902内，以用于限定所述棘爪轴9的轴向移动。
所述棘爪3包括爪体、棘爪复位绳连接体301、棘爪外拨曲面体302及棘爪限位凸起303，所述爪体的一端转动地连接于所述棘爪轴9，所述棘爪外拨曲面体302设置在所述爪体的另一端，且朝向所述棘轮6。所述棘爪限位凸起303设置在所述棘爪外拨曲面体302上。其中，所述爪体可分离地连接于所述棘轮6；所述棘爪复位绳连接体301连接于棘爪复位绳20的一端，所述棘爪复位绳20的另一端连接于所述棘轮6。所述棘轮6的同一侧间隔设置有棘轮拨爪601及棘轮复位绳连接体602，所述棘爪复位绳20的另一端连接于所述棘轮复位绳连接体602，所述棘轮拨爪601与所述棘爪外拨曲面体302可分离地相连接。
在足踏这一步态初始阶段时，所述棘爪限位凸起303远离鞋后跟的一侧与所述棘爪限位件4相接触，所述棘爪3在所述棘爪限位件4的接触力作用下，使得所述棘爪3与所述棘轮6始终保持接触，此时所述棘轮6处于单向锁紧状态，仅可顺时针旋转，所述棘爪复位绳20处于松弛状态。
当人体继续行走到踝关节最大背屈状态下时，所述棘轮拨爪601转动到与所述棘爪外拨曲面体302相接触的位置，将所述棘爪3向外拨开，此时所述棘爪限位凸起303靠近鞋后跟的一侧与所述棘爪限位件4相接触，所述棘爪3在所述棘爪限位件4的接触力的作用下，使得所述棘爪3与所述棘轮6始终保持分离状态，此时能量分配机构I所存储的能量被释放，带动所述踝关节助力绳10进行转动，给踝关节做功提供助力。
其中，所述棘爪复位绳连接体301与所述棘轮复位绳连接体602通过棘爪复位绳20相连接，所述棘爪复位绳20的两端通过所述棘爪复位绳铝套21进行限位。当所述能量分配机构I释放能量后，所述棘轮6转回到原位，在回到原位时所述棘爪复位绳20被绷紧，所述棘爪3重新被拨回到与所述棘轮6接触的状态，此时所述棘轮6再次处于单向锁紧状态，进入下一个工作循环。
请参阅图7，所述棘爪止动架5基本呈Z字型，其两端分别开设有棘爪限位件定位孔501及棘爪止动架固定孔502，且所述棘爪限位件定位孔501的中心轴、所述棘爪止动架固定孔502的中心轴与所述棘爪止动架5的长度方向平行。所述棘爪止动架5通过所述棘爪止动架固定孔502固定在所述棘爪轴9上，所述棘爪限位件4通过所述棘爪限位件定位孔501固定在所述棘爪止动架5上。
请参阅图8，所述棘爪限位件4包括棘爪限位件顶针401、棘爪限位件外壳402及棘爪限位件弹簧403，所述棘爪限位件外壳402的一端开设有开口，所述棘爪限位件弹簧403的一端固定在所述棘爪限位件外壳402的另一端，另一端连接于所述棘爪限位件顶针401的一端，所述棘爪限位件顶针401的另一端与所述棘爪限位凸起303相接触。所述棘爪限位件弹簧403收容在所述棘爪限位件外壳402内。其中，所述棘爪限位件顶针401在所述棘爪限位件弹簧403的作用下有一个向外的预紧力，所述棘爪3受到所述棘爪限位件4的一个预紧力，使得所述棘爪3只能处于锁紧状态或者拨开状态。
请参阅图9及图10，所述踩踏机构II包括加固碳管24、塞打螺丝25、滑块连接杆27、脚跟连接架28、后脚架29、连接曲柄30、踩踏机构推力轴承40、滑块连接杆定位套筒41、后脚架法兰边轴承42及踝关节推力轴承43。
所述加固碳管24及所述脚跟连接架28间隔设置，且所述加固碳管24的两端分别连接于两个所述后脚架29，所述脚跟连接架28的两端也分别连接于两个所述后脚架29。所述加固碳管24及所述脚跟连接架28固定连接于所述鞋子26的底部。所述左侧连接板13及所述右侧连接板23分别通过螺栓固定在两个所述后脚架29上。
所述连接曲柄30的中部通过所述塞打螺丝25连接于所述后脚架29，其可以绕所述塞打螺丝25的中心轴旋转。所述连接曲柄30的一端通过所述塞打螺丝25连接于所述滑块连接杆27的一端，所述滑块连接杆27的另一端通过所述塞打螺丝25连接于所述后脚架29的滑槽，对应的所述塞打螺丝25与滑槽之间设置有后脚架法兰边轴承42，以降低所述塞打螺丝25在滑槽内移动的摩擦力。所述滑块连接杆27与所述后脚架29之间设置有滑块连接杆定位套筒41，以限制所述滑块连接杆27与所述后脚架29之间的位置。所述滑块连接杆27与所述连接曲柄30间设置有所述踩踏机构推力轴承40，以降低摩擦力。两个所述连接曲柄30的另一端分别通过右侧足部储能绳31及左侧足部储能绳12连接于所述右侧足部导轮34及所述左侧足部导轮14，所述左侧足储能绳12及所述右侧足部储能绳31分别通过左侧足部储能绳铝套及右侧足部储能绳铝套19连接于对应的连接曲柄30。所述踝关节助力绳10通过踝关节助力绳铝套18连接于所述穿戴固定组件。
所述穿戴固定组件包括两个小腿连接板36、小腿固定架37及小腿固定魔术贴38，所述左侧连接板13及所述右侧连接板23分别通过踝关节塞打螺钉32连接于两个所述小腿连接板36的一端，两个所述小腿连接板36的另一端分别连接于所述小腿固定架37的两端。所述小腿固定架37呈弧形，所述踝关节助力绳10连接于所述小腿固定架37。其中，所述小腿连接板36与所述左侧连接板13之间设置有踝关节推力轴承43，对应的所述小腿连接板36与所述右侧连接板23之间也设置有踝关节推力轴承43，以降低摩擦力。位于两侧的所述小腿连接板36通过小腿固定螺栓1与所述小腿固定架37相连接。所述小腿固定架37的两端分别与小腿固定魔术贴38相连接，整个被动式外骨骼通过小腿固定魔术贴38与人体小腿相连接。
所述踝关节助力绳10的一端穿过所述小腿固定架2中部的孔，然后通过所述踝关节助力绳铝套18将所述踝关节助力绳10固定。所述踝关节助力绳10的另一端穿过所述中间导轮17的挡盘15并固定在所述挡盘15的一侧，随着所述中间导轮17的转动来带动所述踝关节助力绳10进行运动。
所述左侧足部储能绳12及所述右侧足部储能绳31的一端分别穿过两个所述连接曲柄30上的通孔后，然后通过所述足部储能绳铝套19进行固定，另一端分别穿过所述左侧足部导轮14及所述右侧足部导轮34的挡盘15，并固定在所述挡盘15的一侧，随着所述连接曲柄30的运动来带动左右两侧足部导轮进行转动。本实施方式中，所述踝关节助力绳10是足部储能绳承载能力的两倍。
第一被动式外骨骼使用时，人体在行走过程中，以一个脚的第一次足踏到下一次足踏为一个步态周期，以其中一只脚为例，从其能量流动可以看出，在0～12％的步态周期时，足跟底做负功，在36％～45％的步态周期内，踝关节做负功，而在45％～61％的步态周期时，踝关节做正功。在61％～100％步态周期时，这一只脚不做功，为改善人体行走效率，降低足踏阶段的能量耗散和站立相中后期的踝关节做功，通过将人足踏阶段的能量收集并锁紧，直至站立相中后期时将锁紧的能量进行释放，对踝关节进行助力，降低踝关节所作的正功，降低人体行走时的代谢消耗，提高了人体行走效率。
以人体其中一个脚的足踏为步态周期的开始，在0％步态周期时，踩踏机构Ⅱ的连接曲柄30在人体重力作用下绕中间塞打螺丝25进行转动，连接曲柄30通过右侧足部储能绳31带动能量分配机构Ⅰ进行转动，此时踝关节助力绳10处于松弛状态，右侧足部储能绳31处于蓄力绷紧状态。在12％～36％步态周期时，人体踝关节进行转动，踝关节助力绳10逐渐绷紧。在36％～45％步态周期时，踝关节继续进行转动，此时踝关节助力绳10带动能量分配机构Ⅰ再次转动，此时足部储能绳处于松弛状态。当踝关节转动到处于最大背屈状态时，棘轮6上的棘轮拨爪601将棘爪3拨开，能量分配机构Ⅰ在扭簧的带动下回转，将能量分配机构Ⅰ和踩踏机构Ⅱ复位，并给踝关节提供助力，此时足部储能绳和踝关节助力绳10均处于绷紧状态。
所述踩踏机构Ⅱ的下部固定在鞋子26的底部，上部通过小腿连接板36、小腿固定架37和小腿固定魔术贴38固定在人体小腿上；所述能量分配机构Ⅰ位于鞋子26的脚后跟上方，能量分配机构Ⅰ与踩踏机构Ⅱ相连接。
本发明提供的被动式外骨骼为左右两个结构，使用者需首先将外骨骼的鞋子26分别穿戴于人体的左脚及右脚上，并通过所述小腿固定魔术贴38将两个外骨骼的上部分分别固定在人体的左右小腿上，将助力外骨骼固定在人体身上后，人体可按正常行走步态行走，人体两只脚在摆动相和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％，当人体继续行走到12％步态周期时，鞋底逐渐与地面平齐，所述踩踏机构Ⅲ在人体的重力作用下动作，降低了人体行走时脚跟着地的冲击，并通过足部储能绳将能量传递给能量分配机构Ⅰ以存储于所述左侧扭簧13和所述右侧扭簧19中；当人体继续行走到45％步态周期时，踝关节助力绳10先开始慢慢绷紧，然后继续收集踝关节所作负功，带动能量分配机构Ⅰ继续转动，当行走至45％步态周期时，踝关节到达最大背屈状态，此时棘轮6的棘轮拨爪601会拨开棘爪3，能量分配机构Ⅰ将存储的能量进行释放，为脚的蹬离相提供踝关节助力。当人体脚的蹬离相结束时，离开地面开始过渡到摆动相，此时脚踝关节不再做功。人体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)
1.一种基于足踝复合体能流动特性的被动式外骨骼，其特征在于：
所述被动式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能量分配机构、踩踏机构及穿戴固定组件，所述能量分配机构与所述踩踏机构相连接，所述能量分配机构还连接于所述穿戴固定组件；
使用时，所述穿戴固定组件固定在人体小腿上，所述踩踏机构固定在人体脚上；所述踩踏机构随着人的行走步态进行变形并采集足踏阶段所产生的负功；所述能量分配机构包括棘轮轴、以及分别套设在所述棘轮轴上的左侧扭簧、右侧扭簧及中间导轮，所述中间导轮通过踝关节助力绳连接于所述穿戴固定组件；所述棘轮轴连接于所述踩踏机构，所述踩踏机构带动所述棘轮轴转动，所述棘轮轴带动所述左侧扭簧、所述右侧扭簧及所述中间导轮转动，所述左侧扭簧及所述右侧扭簧通过弹性变形将所述踩踏机构传递的能量进行存储及通过弹性恢复将存储的能量进行释放以助力踝关节蹬离地面。
2.如权利要求1所述的基于足踝复合体能流动特性的被动式外骨骼，其特征在于：所述能量分配机构包括左侧连接板、右侧连接板、左侧足部导轮、右侧足部导轮、棘轮、左侧扭簧挡盘及右侧扭簧挡盘，所述棘轮轴的两端分别穿过所述左侧连接板及所述右侧连接板；所述左侧足部导轮、所述左侧连接板、所述左侧扭簧、所述中间导轮、所述棘轮、所述右侧扭簧挡盘、所述右侧扭簧、所述右侧连接板及所述右侧足部导轮沿所述棘轮轴的轴向依次套设在所述棘轮轴上。
3.如权利要求2所述的基于足踝复合体能流动特性的被动式外骨骼，其特征在于：所述左侧足部导轮及所述右侧足部导轮分别通过左侧足部储能绳及右侧足部储能绳连接于所述踩踏机构，所述踩踏机构为对称结构。
4.如权利要求3所述的基于足踝复合体能流动特性的被动式外骨骼，其特征在于：所述踩踏机构包括加固碳管、脚跟连接架、后脚架、滑块连接杆及连接曲柄，两个所述后脚架间隔设置，且分别连接于所述左侧连接板及所述右侧连接板；所述加固碳管的两端分别连接于两个所述后脚架；所述脚跟连接架的两端也分别连接于两个所述后脚架；两个所述连接曲柄的中部转动地连接于两个所述后脚架的中部，其一端分别连接于所述左侧足部储能绳及所述右侧足部储能绳，另一端分别转动地连接于两个所述滑块连接杆的一端，两个所述滑块连接杆的另一端分别转动地连接于两个所述后脚架远离所述加固碳管的一端。
5.如权利要求4所述的基于足踝复合体能流动特性的被动式外骨骼，其特征在于：所述加固碳管及所述脚跟连接架连接于鞋子。
6.如权利要求2所述的基于足踝复合体能流动特性的被动式外骨骼，其特征在于：所述能量分配机构还包括棘爪、棘爪限位件、棘爪止动架及棘爪轴，所述棘爪轴的两端分别连接于所述左侧连接板及所述右侧连接板；所述棘爪止动架固定在所述棘爪轴上，所述棘爪转动地设置在所述棘爪轴上，所述棘爪限位件的一端连接于所述棘爪止动架，另一端活动地连接于所述棘爪的一端；所述棘爪的另一端可分离地连接于所述棘轮；所述棘爪通过与所述棘轮相抵靠或者相脱离来使得所述棘轮处于锁定状态或者开启状态，所述棘轮处于锁定状态时，其能单向转动；所述棘轮处于开启状态时，其能双向转动。
7.如权利要求6所述的基于足踝复合体能流动特性的被动式外骨骼，其特征在于：所述棘爪止动架呈Z字型，其一端固定在所述棘爪轴上，另一端连接于所述棘爪限位件；所述棘爪限位件通过弹性变形来对所述棘爪进行限位。
8.如权利要求7所述的基于足踝复合体能流动特性的被动式外骨骼，其特征在于：所述棘爪限位件包括棘爪限位件外壳、棘爪限位件顶针及棘爪限位件弹簧，所述棘爪限位件外壳的一端连接于所述棘爪止动架远离所述棘爪轴的一端，所述棘爪限位弹簧的一端连接于所述棘爪限位件外壳，另一端连接于所述棘爪限位件顶针的一端，所述棘爪限位件顶针的另一端凸出于所述棘爪限位件外壳后与所述棘爪活动连接。
9.如权利要求8所述的基于足踝复合体能流动特性的被动式外骨骼，其特征在于：所述棘爪包括爪体、棘爪复位绳连接体、棘爪外拨曲面体及棘爪限位凸起，所述爪体的一端转动地连接于所述棘爪轴，所述棘爪外拨曲面体设置在所述爪体的另一端，且朝向所述棘轮；所述棘爪限位凸起设置在所述棘爪外拨曲面体上；其中，所述爪体可分离地连接于所述棘轮；所述棘爪复位绳连接体连接于棘爪复位绳的一端，所述棘爪复位绳的另一端连接于所述棘轮。
10.如权利要求9所述的基于足踝复合体能流动特性的被动式外骨骼，其特征在于：所述棘轮的同一侧间隔设置有棘轮拨爪及棘轮复位绳连接体，所述棘爪复位绳的另一端连接于所述棘轮复位绳连接体，所述棘轮拨爪与所述棘爪外拨曲面体可分离地相连接；所述穿戴固定组件为对称结构，其相背的两侧分别转动地连接于所述左侧连接板及所述右侧连接板。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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