CN104605964B - 一种主被动混合驱动的一体化踝关节与假脚结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种主被动混合驱动的一体化踝关节与假脚结构，设置锁扣配合脚体的不同运动相，压缩或释放弹簧驱动脚体前进：当脚跟着地时，后锁扣打开、前锁扣锁紧，弹簧压缩进行储能；脚尖着地时，前锁扣与后锁扣均锁紧，保持弹簧固定；踝关节倾斜角度最小时，后锁扣锁紧，前锁扣打开，释放弹簧。能在行走的不同步态周期表现出不同的特性，其内部的弹性元件可在足跟触地时储存能量，在足尖离地时释放能量，有效提供站立相后期所需的部分能量，并且当被动能量不足时，会主动触发踝关节驱动电机以补充能量，实现与人体类似的动力学性能，改善踝关节与假脚的穿戴舒适性及路况适应能力。

Description

一种主被动混合驱动的一体化踝关节与假脚结构

技术领域

本发明属于康复机械领域，具体涉及一种主被动混合驱动的一体化踝关节与假脚结构。

背景技术

现有假脚踝关节设计中，通常将踝关节设计为被动关节，仅通过弹簧等弹性元件实现减震或储能作用。由于其不具有主动做功能力，行走步态与正常关节相比差别较大，导致两侧步态不对称。而且，通过对人体生物力学分析发现，在行走过程中，人体踝关节主要做正功。因此，被动踝关节不能满足踝关节的主动做功要求。

对于现有假脚，大部分都是将脚底板设计成整个的碳纤维板，使其有一定的弹性缓冲能力。但实际上，在不同的状态相位区间内，人体的脚具有不同的刚度特性，并具有一定的储能作用，而这种单一结构的假脚不能满足要求。美国MIT生物研究所提出一种将脚分为前脚掌、后脚跟等几部分组成，并采用活口锁扣和滑动锁扣来实现两脚掌之间的步态配合，增强了假脚的仿生特性。现有假脚与踝关节的设计中，一般踝关节无主动驱动能力，只能被动吸能和释放，与正常人体踝关节特性相差较大。而且其足部的设计通常为单一弹性结构，并不具有类似人体脚部的在不同的步态周期表现出不同的特性。

于现有技术中，申请号为201010286882.4的发明专利公布了一种仿生踝关节，包括脚板、踝关节座、转动轴、仿生距骨、第一杆端关节、第一屈伸杆、第二杆端关节、第二屈伸杆、电机支座、步进电机、丝杆传动机构、屈伸杆定位连接件、非线性压簧机构、齿轮座、齿轮、角度传感器、数据采集机构和数据控制机构。采用主动控制与被动控制相结合的方式，有利于降低能量损耗，并且能实现接近正常人体踝关节角度变化的运动规律，同时满足人体踝关节运动时具有灵活性和稳定性的要求。然而，上述专利并不具有仿生特性，并且主被动控制结合的方式设置并不明确。

鉴于上述原因，本发明提供一种主被动混合驱动的一体化踝关节与假脚结构。

发明内容

本发明提供一种主被动混合驱动的一体化踝关节与假脚结构，包括电机、脚体、锁扣及弹簧，锁扣包括前锁扣及后锁扣，所述脚体包括脚背、前脚、脚尖、后脚、脚跟、过渡轴、踝关节轴及连接板，其中前脚与脚尖固连；后脚与脚跟固连；脚背、前脚和后脚通过过渡轴连接；踝关节轴与连接板固连，连接板与脚背固连。

其中：脚跟着地状态为足底控制相，后锁扣打开、前锁扣锁紧，弹簧压缩进行储能；脚尖着地为背屈控制相，前锁扣与后锁扣均锁紧，保持弹簧固定；踝关节倾斜角度最小时为足底动力相，后锁扣锁紧，前锁扣打开，释放弹簧。

优选的，所述电机包括踝关节电机及前锁扣电机。

优选的，所述一体化踝关节与假脚结构还包括锥齿轮，踝关节电机驱动所述锥齿轮减速及变向，驱动踝关节轴旋转。

优选的，若释放的弹簧发出能量不足以使脚尖离地，则控制踝关节电机运动，补充所需的能量。

根据本发明提供的主被动混合驱动的一体化踝关节与假脚结构，设置了锁扣配合脚体的不同运动相，压缩或释放弹簧驱动脚体前进：当脚跟着地时，后锁扣打开、前锁扣锁紧，弹簧压缩进行储能；脚尖着地时，前锁扣与后锁扣均锁紧，保持弹簧固定；踝关节倾斜角度最小时，后锁扣锁紧，前锁扣打开，释放弹簧。能在行走的不同步态周期表现出不同的特性，其内部的弹性元件可在足跟触地时储存能量，在足尖离地时释放能量，有效提供站立相后期所需的部分能量，并且当被动能量不足时，会主动触发踝关节驱动电机以补充能量，实现与人体类似的动力学性能，改善踝关节与假脚的穿戴舒适性及路况适应能力。同时一体化的结构降低了系统成本，有利于实现步态控制，增强其步态适应性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明较佳实施例提供的主被动混合驱动的一体化踝关节与假脚结构主视图；

图2是本发明较佳实施例提供的主被动混合驱动的一体化踝关节与假脚结构侧视图。

具体实施方式

下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

图1是本发明较佳实施例提供的主被动混合驱动的一体化踝关节与假脚结构主视图；图2是本发明较佳实施例提供的主被动混合驱动的一体化踝关节与假脚结构侧视图。如图1及图2所示，本发明较佳实施例提供的主被动混合驱动的一体化踝关节与假脚结构包括电机、脚体、锁扣及弹簧10，所述锁扣配合脚体的不同运动相，压缩或释放弹簧10驱动脚体前进。

其中，所述锁扣包括前锁扣11及后锁扣12；所述电机包括踝关节电机1及前锁扣电机3；所述脚体包括脚背4、前脚5、脚尖6、后脚8、脚跟9、过渡轴7、踝关节轴2及连接板14，其中前脚5与脚尖6固连；后脚8与脚跟9固连；脚背4、前脚5和后脚8通过过渡轴7连接，且三者可相对旋转；踝关节轴2与连接板14固连，连接板14与脚背4固连。脚背4与前脚5之间由前锁扣11控制相对旋转角度；脚背4和脚跟9之间由后锁扣12控制相对旋转角度。

于此，所述踝关节与假脚结构还包括锥齿轮13，其中，踝关节电机1驱动所述锥齿轮13减速及变向，驱动踝关节轴2旋转。

本发明提供的一体化踝关节与假脚结构工作过程如下：正常行走时，脚跟着地，进入足底控制相，控制后锁扣打开、前锁扣锁紧，弹簧压缩进行储能；小腿在惯性作用下向前摆动，使踝关节角度缓慢减小，脚尖缓慢着地，进入背屈控制相，前锁扣与后锁扣均锁紧，保持弹簧固定；当踝关节角度减小至最小时，进入足底动力相，后锁扣锁紧，前锁扣打开，释放弹簧中储存的能量。于此，若释放的弹簧发出能量不足以使脚尖离地，则控制踝关节电机运动，补充所需的能量，实现主被动混合控制。然后，脚尖离地，进行摆动相，前后锁扣均复位，至脚跟再次触地时进入下一个步态周期。

综上所述，根据本发明提供的主被动混合驱动的一体化踝关节与假脚结构，设置了锁扣配合脚体的不同运动相，压缩或释放弹簧驱动脚体前进：当脚跟着地时，后锁扣打开、前锁扣锁紧，弹簧压缩进行储能；脚尖着地时，前锁扣与后锁扣均锁紧，保持弹簧固定；踝关节倾斜角度最小时，后锁扣锁紧，前锁扣打开，释放弹簧。如此，被动驱动保证了系统的低能耗，主动驱动保证了关节的出力特性和做功能力，既能完成正常的行走运动，又有较低的能耗，而且与人体踝关节与脚具有相近的力学特性，实现了类似人脚的减震、储能与释放的作用。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种主被动混合驱动的一体化踝关节与假脚结构，其特征在于，包括电机、脚体、锁扣及弹簧，锁扣包括前锁扣及后锁扣，所述脚体包括脚背、前脚、脚尖、后脚、脚跟、过渡轴、踝关节轴及连接板，其中前脚与脚尖固连；后脚与脚跟固连；脚背、前脚和后脚通过过渡轴连接；踝关节轴与连接板固连，连接板与脚背固连；脚背与前脚之间由前锁扣控制相对旋转角度；脚背和脚跟之间由后锁扣控制相对旋转角度；

其中，脚跟着地状态为足底控制相，后锁扣打开、前锁扣锁紧，弹簧压缩进行储能；

脚尖着地为背屈控制相，前锁扣与后锁扣均锁紧，保持弹簧固定；

踝关节倾斜角度最小时为足底动力相，后锁扣锁紧，前锁扣打开，释放弹簧。

2.根据权利要求1所述的一体化踝关节与假脚结构，其特征在于，所述电机包括踝关节电机及前锁扣电机。

3.根据权利要求1或2所述的一体化踝关节与假脚结构，其特征在于，还包括锥齿轮，踝关节电机驱动所述锥齿轮减速及变向，驱动踝关节轴旋转。

4.根据权利要求1或2所述的一体化踝关节与假脚结构，其特征在于，若释放的弹簧发出能量不足以使脚尖离地，则控制踝关节电机运动，补充所需的能量。