CN105030486A - 一种助行外骨骼无动力机械足 - Google Patents
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Abstract
一种助行外骨骼无动力机械足，它的传感鞋底的橡胶鞋底固定在金属底板上，在橡胶鞋底前端设有圆弧形鞋头罩，在橡胶鞋底前后分别设有2个微型压力传感器，在金属底板上设有通过转动铰链连接的长槽连接板与鞋底连接座，长槽连接板通过螺栓与金属底板上的凸块螺纹连接，机械踝关节中的轴座与金属底板固连，关节轴承固定在耳座的中心通孔内，设在轴座上的轴穿过关节轴承的中心；外连接板与上述耳座固连，外连接板与金属底板之间设有两个拉压弹簧。本发明结构简单、穿戴方便，能够保证外骨骼都能对人体提供支撑力。
Description
技术领域
本发明涉及一种无动力机械足。
背景技术
目前国内外大多数外骨骼可以分为两类，一类是用于辅助残疾人或下肢瘫痪病人站立或行走，一类用于增强士兵或重体力劳动者负重能力。根据用途不同，外骨骼机械足也存在一定的差异，用于辅助残疾人或下肢瘫痪病人行走外骨骼中的机械足通常由可支撑整个脚掌的刚性板结合自由度为1或者2的机械踝关节组成，刚性板和人体脚掌始终处于接触状态，确保刚性板对人体脚掌的支撑，由于该类机械外骨骼主要是带动人体进行稳定的被动运动，为避免自由度不可控带来的运动危险性，机械踝关节通常会通过电机、液压缸等进行驱动。该类机械足灵活性较差、控制难度大、成本相对较高。用于增强穿戴者负重能力外骨骼需要具有极高的灵活度以适应活动需求，如军事上增强单兵负重、或医院中提高护士搬运病人能力的外骨骼。该类外骨骼中有些机械足也采用前述机械足的结构形式且每个运动副都有驱动，由于要求高的响应速度而对控制系统要求极高，成本也较高；另外也有一些由支撑后脚掌的刚性板件结合自由度为3的机械踝关节组成的机械足，对于前脚掌有些采用弹性材料进行支撑，有些则采用转动副连接刚性板，主要满足人体行走过程中跖趾关节的运动需求。由于该类外骨骼的穿戴者具有很好的运动及对外骨骼被动自由度的控制能力，在其抬脚过程中不需要外骨骼对抬脚侧肢体进行支撑，机械踝关节通常不设驱动，只有一定的阻尼，不过也有一些新兴外骨骼机械足在其踝关节前后布置一对弹簧，用于减少穿戴者在矢状面踝关节受力，而对其余自由度的受力并不考虑。虽然该类机械足结构较为简单，但不能实现外骨骼穿戴者抬脚后跟时依然对人体进行支撑的功能。
具有运动能力但存在下肢关节疾病的人群需要一种可减轻其自身重量对下肢关节影响的外骨骼，即可以在人体行走腿部支撑阶段都对穿戴者提供支撑力的外骨骼，该类外骨骼属于一种新的类型，上述两类外骨骼的机械足结构不能够满足需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、易于制造与维护、方便穿戴、能够保证在人体行走腿部支撑阶段外骨骼都能对人体提供支撑力的助行外骨骼无动力机械足。
本发明主要包括传感鞋底、机械踝关节、外连接板和拉压弹簧。
所述传感鞋底包括金属底板、橡胶鞋底、4个微型压力传感器、鞋底连接座和长槽连接板，其中，金属底板为L形轻质金属底板，保证强度的前提下尽量减少自重。橡胶鞋底固定在金属底板的纵向底板上，在橡胶鞋底前端设有圆弧形鞋头罩，或在橡胶鞋底前脚掌位置的两侧设捆绑带，在橡胶鞋底前脚掌和后脚掌的位置分别设有平行布置2个沉孔，4个微型压力传感器分别设在上述2个沉孔中，并与金属底板固连；在金属底板前脚掌位置的两侧分别设有对称的凸块，凸块上均设有2-3个螺纹孔，长槽连接板与鞋底连接座均为U形结构，在长槽连接板两侧的板端设有带槽孔的连接板，通过螺栓将连接板的槽孔和上述凸块上的螺纹孔连接，使长槽连接板能够相对鞋底金属板实现沿长槽移动和绕螺栓轴线转动，所述鞋底连接座设在橡胶鞋底的后脚掌位置，长槽连接板靠后脚掌的一边与鞋底连接座底部靠前脚掌的一侧通过转动铰链连接，在鞋底连接座两端的板面上分别设有2-3个螺栓，用以固定外骨骼穿戴者的鞋底，当外骨骼穿戴者的鞋底和鞋面分别被鞋底连接座和橡胶鞋体前端的鞋头罩或捆绑带固定后，可确保穿戴者足部跖趾关节的运动。
所述机械踝关节设在金属底板的横向底板上，该机械踝关节包括轴座、关节轴承、轴和耳座，其中，轴座与金属底板固连，耳座设有中心通孔，关节轴承固定在中心通孔内，设在轴座上的轴穿过关节轴承的中心。
所述外连接板的一侧与上述耳座上端固连，外连接板另一侧与金属底板之间即关节轴承后方设有两个距离均等的拉压弹簧，拉压弹簧两端分别与外连接板和金属底板固连，这两个弹簧不影响关节轴承的自由度，但对其运动产生约束，使其在不受力的情况下处于平衡位置，即当该机械足离开地面后使脚掌恢复与小腿的垂直位姿的同时对脚掌提供一定支撑力。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、在穿戴助行外骨骼行走的整个步态周期中，无论人体是全脚掌着地还是前脚掌着地，能够保证外骨骼都能对人体提供可测量的支撑力，满足可减轻穿戴者自身重量对下肢关节影响外骨骼的功能需求。
2、方便穿戴，只需通过旋紧螺栓即可实现鞋的固定，并可适应不同尺码。
3、通过一对平行压簧的设计将踝关节三个自由度全部转化为弹性副，一方面可以提高系统稳定性，同时也可以起到一定的跖屈助力作用。
4、结构简单，零件制作安装方便，易于制造与维护，由于没有驱动及相应控制可大大降低生产成本。
附图说明
图1为本发明的立体结构主视简图。
图2为本发明的立体结构后视简图。
图3为本发明金属底板简图。
具体实施方式
在图1和图2的助行外骨骼无动力机械足示意图中，传感鞋底的金属底板1为L形底板，橡胶鞋底2固定在金属底板的纵向底板上，在橡胶鞋底前端设有圆弧形鞋头罩5，在橡胶鞋底前脚掌和后脚掌的位置分别设有的2个沉孔，4个微型压力传感器4分别设在上述2个沉孔中，并与金属底板固连；在金属底板前脚掌位置的两侧分别设有对称的凸块，凸块上均设有2-3个螺纹孔(如图3所示)，长槽连接板6与鞋底连接座7均为U形结构，在长槽连接板两侧的板端设有带槽孔的连接板，通过螺栓3将连接板的槽孔和上述凸块上的螺纹孔连接，所述鞋底连接座设在橡胶鞋底的后脚掌位置，长槽连接板靠后脚掌的一边与鞋底连接座底部靠前脚掌的一侧通过转动铰链连接，在鞋底连接座两端的板面上分别设有2-3个螺栓8，机械踝关节中的轴座14与金属底板固连，耳座11设有中心通孔，关节轴承13固定在中心通孔内，设在轴座上的轴12穿过关节轴承的中心，外连接板9的一侧与上述耳座上端固连，外连接板另一侧与金属底板之间即关节轴承后方设有两个距离均等的拉压弹簧10，拉压弹簧两端分别通过螺钉及大垫片与外连接板和金属底板固连。
Claims (1)
1.一种助行外骨骼无动力机械足，它主要包括传感鞋底、机械踝关节、外连接板和拉压弹簧，所述机械踝关节设在金属底板的横向底板上，该机械踝关节包括轴座、关节轴承、轴和耳座，其中，轴座与金属底板固连，耳座设有中心通孔，关节轴承固定在中心通孔内，设在轴座上的轴穿过关节轴承的中心，其特征在于：所述传感鞋底包括金属底板、橡胶鞋底、4个微型压力传感器、鞋底连接座和长槽连接板，其中，金属底板为L形底板，橡胶鞋底固定在金属底板的纵向底板上，在橡胶鞋底前端设有圆弧形鞋头罩，或在橡胶鞋底前脚掌位置的两侧设捆绑带，在橡胶鞋底前脚掌和后脚掌的位置分别设有平行布置的2个沉孔，4个微型压力传感器分别设在上述沉孔中，并与金属底板固连；在金属底板前脚掌位置的两侧分别设有对称的凸块，凸块上均设有2-3个螺纹孔，长槽连接板与鞋底连接座均为U形结构，在长槽连接板两侧的板端设有槽孔，通过螺栓将长槽连接板的槽孔和上述凸块上的螺纹孔连接，使长槽连接板能够相对鞋底金属板进行沿长槽移动和绕螺栓轴线转动，所述鞋底连接座设在橡胶鞋底的后脚掌位置，长槽连接板靠后脚掌的一边与鞋底连接座底部靠前脚掌的一侧通过转动铰链连接，在鞋底连接座两端的板面上分别设有2-3个螺栓；所述外连接板的一侧与上述机械踝关节的耳座上端固连，外连接板另一侧与金属底板之间即上述关节轴承后方设有两个距离均等的拉压弹簧，拉压弹簧两端分别与外连接板和金属底板固连。
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