CN106821684B - 一种用于下肢助力外骨骼的被动储能踝关节及足部机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于下肢助力外骨骼的被动储能踝关节及足部机构，包括踝关节单元、足侧面板单元以及脚垫单元；踝关节单元包括小腿杆以及设置在小腿杆内的压缩弹簧和踝关节导杆；足侧面板单元包括足侧面板、脚垫以及波浪弹簧体，所述足侧面板包括侧板及底板，所述脚垫和波浪弹簧体设置在所述底板下端，在侧板上设置有弧形面；所述小腿杆下端铰接在所述侧板上，所述踝关节导杆的下端在所述压缩弹簧的作用下与所述弧形面接触并沿所述弧形顶面移动。本发明充分利用人体足部构造、人体及外骨骼质量以及惯性作用，实现在行走过程中踝关节被动储能、弓字形足底触底储能，穿戴舒适，能耗低，实用性强。

Description

一种用于下肢助力外骨骼的被动储能踝关节及足部机构

技术领域

本发明涉及一种用于下肢助力外骨骼的被动储能踝关节及足部机构，属于机器人应用领域。

背景技术

外骨骼康复助力机器人将机器人技术、自动化技术和临床康复医学技术相结合而产生的一种辅助或替代康复理疗师完成关节康复训练的机器人自动化装置。

人体有众多的关节，如髋关节、膝关节、踝关节和腕关节等，其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，人体踝关节运动主要依据韧带、跟腱等实现及限制踝关节运动；依据足部构造，人体足弓结构对身体重力下传和地面反弹力起着重要的缓冲震荡的作用；依据足部功能，人体足部在站立或活动时均起支持作用，且在活动时不同的姿势可以构成不同形式的杠杆作用。

下肢助力外骨骼踝关节及足部机构由可支撑穿戴者整个脚部的刚性板结合自由度为1、2或3的机械踝关节组成，机械踝关节各个自由度通常采用电机、液压缸、气缸等进行驱动，该类足部机构灵活性差、控制难度大、对控制系统要求极高、成本相对较高；一些新型踝关节机构前后布置一对弹簧用于减少穿戴者在矢状面踝关节受力，但弹簧固定端始终固定在足部基座上，在运动过程中拉伸弹簧或压缩弹簧的性能不明确，且有双向弹簧阻力，助力效果未能达到最优。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于下肢助力外骨骼的被动储能踝关节及足部机构，该踝关节机构利用一个压缩弹簧实现实现踝关节被动储能及支撑能力，其足部机构利用人体弓形足部构造、运动性能、人体及外骨骼重量及惯性作用结合波浪弹簧的使用，实现行走过程中起到缓冲、能量的存储和释放功能，结构简单，舒适感强，穿戴方便，能耗低。

技术方案：为了解决上述问题，本发明采用的技术方案是：

一种用于下肢助力外骨骼的被动储能踝关节及足部机构，其特征在于，该机构包括踝关节单元、足侧面板单元以及脚垫单元；所述踝关节单元包括小腿杆以及设置在小腿杆内的压缩弹簧和关节导杆；所述足侧面板单元包括足侧面板、脚垫以及波浪弹簧体，所述足侧面板包括侧板及底板，所述脚垫和波浪弹簧体设置在所述底板下端，在所述侧板上设置有弧形面；所述小腿杆下端铰接在所述侧板上，所述关节导杆的下端在所述压缩弹簧的作用下与所述弧形面接触并沿所述弧形顶面移动；所述脚垫单元包括鞋底，所述底板设置在所述鞋底内，在所述鞋底还设置有用于放置所述波浪弹簧体的腔体；趾屈运动时，关节导杆下端在脚底板的弧形面最低点向一侧运动，踝关节导杆上端在小腿杆内孔内向上运动而压缩压缩弹簧，从而完成趾屈被动储能；背屈运动时，踝关节导杆上端在脚底板的弧形面最低点向另一侧运动，踝关节导杆的上端在小腿杆内孔内向上运动而压缩压缩弹簧，从而完成背屈被动储能。

在所述关节导杆的下端设置有一滑轮，该轮滑与所述弧形顶面接触。

所述踝关节单元包括踝关节止推固定杆以及踝关节止推杆；所述踝关节止推固定杆固定在在所述小腿杆上端，所述压缩弹簧位于踝关节止推杆和关节导杆之间。

所述压缩弹簧下端面与踝关节导杆上端面凸台连接，踝关节止推杆下端面凸台与压缩弹簧上端面内孔同轴心配合连接；踝关节止推杆与小腿杆内侧圆形孔同轴心配合连接，踝关节止推固定杆上外螺纹与小腿杆上端内螺纹连接固定。

在所述侧板上设置有第一安装孔，在所述小腿杆下端设置有第二安装孔，所述小腿杆与侧板之间通过穿设在第一安装孔和第二安装孔内的踝关节轴连接，在踝关节轴上设置有第一尼龙垫片、铜套以及第二尼龙垫片。

所述鞋底包括上鞋底和下鞋底，所述上鞋底与所述底板上端面粘连在一起，所述下鞋底与所述底板下端面粘连在一起。

在所述底板上设置有凹槽，所述波浪弹簧体位于底板凹槽的一侧并与底板下端面焊接。

下鞋底与脚底板下端面粘连在一起，底板通过位于底板上的凹槽连接在下鞋底的凹槽。

一种用于下肢助力外骨骼的被动储能踝关节及足部机构，该被动储能踝关节及足部机构包括踝关节单元、足侧面板单元、脚垫单元。，踝关节单元包括小腿杆、踝关节止推固定杆、踝关节止推杆、压缩弹簧、踝关节导杆、滑轮、滑轮轴，踝关节单元通过足侧面板单元与脚底板单元连接，滑轮与踝关节导杆下端凹槽处通过滑轮轴同轴心配合连接，滑轮轴末端外螺纹与踝关节导杆下端内螺纹孔连接，踝关节导杆和滑轮以及滑轮轴与小腿杆内侧圆形孔同轴心配合连接，压缩弹簧与小腿杆内侧圆形孔连接，压缩弹簧下端面与踝关节导杆上端面凸台连接，踝关节止推杆与小腿杆内侧圆形孔连接，踝关节止推杆下端面凸台与压缩弹簧上端面内孔同轴心配合连接，踝关节止推固定杆上外螺纹与小腿杆上端内螺纹连接固定；趾屈运动时，滑轮轴在脚底板上端弧形面最低点向后运动，从而踝关节导杆在小腿杆内孔内向上运动而压缩压缩弹簧，从而完成趾屈被动储能；背屈运动时，滑轮轴在脚底板上端弧形面最低点向前运动时，从而踝关节导杆在小腿杆内孔内向上运动而压缩压缩弹簧，从而完成背屈被动储能，整个过程中通过一根压缩弹簧作用，巧妙利用脚底板弧形面与滑轮使弹簧储能，来分别实现背屈被动储能和趾屈被动储能，并在储能完成后释放能量实现外骨骼助力功能。

本发明的优选方案中，足侧面板单元包括踝关节轴、尼龙垫片、铜套、脚底板、天然橡胶脚垫、波浪弹簧体，踝关节轴通过小腿杆上通孔、尼龙垫片、铜套、脚底板、尼龙垫片同心配合连接， 踝关节轴末端外螺纹与小腿杆上内螺纹孔连接，一对天然橡胶脚垫末端轴穿过脚底板上通孔并用螺母连接固定，天然橡胶脚垫能很好地保持脚底平衡与稳定，并有缓冲减震的作用。波浪弹簧体左侧面与脚底板凹槽内壁重合，波浪弹簧体上端面与脚底板下端面焊接，在脚底触地时很好缓冲减震且储能，并在足尖蹬地过程中波浪弹簧体弹性势能释放，辅助足尖蹬地动作的实现。

本发明的优选方案中，脚垫单元包括上鞋底和下鞋底，下鞋底与脚底板下端面粘连在一起，脚底板连接在下鞋底凹槽内，脚底板底部焊接的波浪弹簧体连接在下鞋底另一凹槽内，下底鞋上表面与上底鞋下表面用胶水连接固定，下鞋底采用天然橡胶材料，有缓冲减震的作用；波浪弹簧设计根据人体脚底足弓结构，变形量小，与压缩弹簧相比波浪弹簧与脚底板接触面积相对较大，缓冲减震储能效果比一般压缩弹簧效果好。波浪弹簧体两端自由，在脚掌及脚后跟着地过程中利用人体重量使波浪弹簧体伸长被动储能，且很好地起到缓冲效果，当脚后跟离地，足尖蹬地过程中波浪弹簧体能量释放达到一定助力效果。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

（1）在穿戴下肢助力外骨骼的被动储能踝关节及足部机构的整个行走过程中，通过滑轮结合导杆、压缩弹簧，止推杆、止推固定杆，内置于小腿杆内侧，通过矢状面内的趾屈和背屈运动，滑轮在足侧面板单元上脚底板弧形面上滑动使滑轮相对小腿杆内侧位置上升或下降，从而达到趾屈运动和背屈运动中能量的存储和释放，即仅通过一根弹簧作用，巧妙利用脚底板弧形面与滑轮使弹簧储能，来分别实现背屈被动储能和趾屈被动储能，两过程互不干扰，不重叠，且很好地与人体行走过程中运动趋势协调一致，机构重量减轻，体积减小，结构紧凑，能很好降低对人体踝关节的影响并起到降低驱动下肢外骨骼机构的能量损耗，行走能耗低，且初始状态的压缩弹簧弹性势能使脚底维持在直立支撑状态。

（2）足侧面板单元上一对天然橡胶脚垫末端轴穿过脚底板上通孔并用螺母连接固定，天然橡胶脚垫能很好地保持脚底平衡与稳定，并在整个行走过程中与下鞋底结合达到缓冲减震作用，使穿戴者行走过程中舒适感更强。

（3）焊接在脚底板下端面脚掌端处的波浪弹簧体内置在下鞋底凹槽处，波浪弹簧体与人体脚底足弓结构一致，极大利用脚底足弓结构在脚底触底时缓冲减震且存储部分能量，下鞋底采用弹性橡胶材料，有缓冲减震的作用；波浪弹簧体两端在下鞋底凹槽内自由，能左右伸长，在脚掌及脚后跟着地过程中利用人体重量以及足弓曲率变小使波浪弹簧体伸长被动储能，且很好地起到缓冲效果，当脚后跟离地，足尖蹬地过程中波浪弹簧体能量释放达到一定助力效果从而在行走过程中舒适柔顺，缓冲减震，能耗低。

（4）本发明结构简单，重量轻，体积精巧且安装方便，可移植性强，可与任意下肢康复助力外骨骼配合使用，无驱动单元及控制单元，生产成本低。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的踝关节单元分解图。

图3是本发明中的踝关节单元全剖主视图。

图4是本发明中的足侧面板单元分解图。

图5是本发明中的足侧面板单元整体结构示意图。

图6是本发明中的脚垫单元分解图。

图中有：1、踝关节单元；11、小腿杆；12、止推固定杆；13、踝关节止推杆；14、压缩弹簧；15、踝关节导杆；16、导杆滑轮；17、滑轮轴；2、足侧面板单元；201、踝关节轴；202、尼龙垫片；203、铜套；204、足侧面板；2046、侧板；2047、底板；205、尼龙垫片；206、螺母；207、天然橡胶脚垫；208、螺母；209、天然橡胶脚垫；210、波浪弹簧体；3、脚垫单元；31、上鞋底；32、下鞋底；321、凸槽；322、凹槽。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图，详细说明本发明的技术方案。

如图1整体结构图所示，一种用于下肢助力外骨骼的被动储能踝关节机构，包括踝关节单元1、足侧面板单元2和脚垫单元3。其中踝关节单元1内部实现矢状面内一个自由度运动，与足侧面板单元2有连接；足侧面板单元2和脚垫单元3有连接。

如图2踝关节单元分解图和图3踝关节单元全剖主视图，踝关节单元1包括小腿杆11、踝关节止推固定杆12、踝关节止推杆13、压缩弹簧14、踝关节导杆15、滑轮16以及滑轮轴17；小腿杆11上端内螺纹111与踝关节止推固定杆12上外螺纹连接，踝关节止推固定杆12下端凸台与踝关节止推杆13上端面连接，踝关节止推杆13下端面凸台与压缩弹簧14上端面内孔同轴心配合连接，压缩弹簧14下端面与踝关节导杆15上端面凸台连接，踝关节导杆15下端凹槽处与导杆滑轮16通过滑轮轴17同轴心配合连接，踝关节导杆15和导杆滑轮16以及滑轮轴17与小腿杆11内侧圆形孔同轴心配合连接。

如图4足侧面板单元分解图所示，足侧面板单元2包括踝关节轴201、尼龙垫片202、铜套203、足侧面板204、尼龙垫片205、螺母206、天然橡胶脚垫207、螺母208、天然橡胶脚垫209以及波浪弹簧体210；足侧面板204包括侧板2046和底板2047。踝关节轴201依次通过小腿杆11上通孔113、尼龙垫片202、铜套203、侧板2046以及尼龙垫片205，踝关节轴201末端外螺纹与小腿杆11上内螺纹孔112连接，天然橡胶脚垫207末端轴穿过底板2047上通孔2043并用螺母206连接，天然橡胶脚垫209末端轴穿过底板2047上通孔2044并用螺母206连接，波浪弹簧体210左侧面与底板2047凹槽内壁2045重合，波浪弹簧体210上端面与底板2047下端面焊接连接。

如图5脚垫单元分解图所示，脚垫单元3包括上鞋底31和下鞋底32；底板2047连接在下鞋底32凸槽321内，底板2047底部焊接的波浪弹簧体210连接在下鞋底32凹槽322内，下底鞋32上表面与上底鞋31下表面连接。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于下肢助力外骨骼的被动储能踝关节及足部机构，其特征在于，该机构包括踝关节单元（1）、足侧面板单元（2）以及脚垫单元（3）；所述踝关节单元（1）包括小腿杆（11）以及设置在小腿杆（11）内的压缩弹簧（14）和踝关节导杆（15）；所述足侧面板单元（2）包括足侧面板（204）、脚垫以及波浪弹簧体（210），所述足侧面板（204）包括侧板（2046）及底板（2047），所述脚垫和波浪弹簧体（210）设置在所述底板下端，在所述侧板上设置有弧形面；所述小腿杆（11）下端铰接在所述侧板上，所述踝关节导杆（15）的下端在所述压缩弹簧的作用下与所述弧形面接触并沿所述弧形面移动；所述脚垫单元（3）包括鞋底，所述底板设置在所述鞋底内，在所述鞋底还设置有用于放置所述波浪弹簧体（210）的腔体（322）；趾屈运动时，踝关节导杆（15）下端在侧板的弧形面（2014）最低点向一侧运动，踝关节导杆（15）上端在小腿杆（11）内孔内向上运动而压缩压缩弹簧（14），从而完成趾屈被动储能；背屈运动时，踝关节导杆（15）下端在侧板的弧形面（2014）最低点向另一侧运动，踝关节导杆（15）的上端在小腿杆（11）内孔内向上运动而压缩压缩弹簧（14），从而完成背屈被动储能；在所述踝关节导杆（15）的下端设置有一导杆滑轮（16），该导杆滑轮（16）与所述弧形面接触；所述踝关节单元（1）还包括踝关节止推固定杆（12）以及踝关节止推杆（13）；所述踝关节止推固定杆（12）固定在在所述小腿杆（11）上端，所述压缩弹簧（14）位于踝关节止推杆（13）和踝关节导杆（15）之间。

2.按照权利要求1所述的被动储能踝关节及足部机构，其特征在于，所述压缩弹簧（14）下端面与踝关节导杆（15）上端面凸台连接，踝关节止推杆（13）下端面凸台与压缩弹簧（14）上端面内孔同轴心配合连接；踝关节止推杆（13）与小腿杆（11）内孔同轴心配合连接，踝关节止推固定杆（12）上外螺纹与小腿杆（11）上端内螺纹连接固定。

3.根据权利要求1-2任一所述的被动储能踝关节及足部机构，其特征在于，在所述侧板上设置有第一安装孔，在所述小腿杆（11）下端设置有第二安装孔，所述小腿杆（11）与侧板之间通过穿设在第一安装孔和第二安装孔内的踝关节轴（201）连接，在踝关节轴（201）上设置有第一尼龙垫片、铜套（203）以及第二尼龙垫片。

4.根据权利要求3所述的被动储能踝关节及足部机构，其特征在于，所述鞋底包括上鞋底（31）和下鞋底（32），所述上鞋底（31）与所述底板上端面粘连在一起，所述下鞋底（32）与所述底板下端面粘连在一起。

5.根据权利要求4所述的被动储能踝关节及足部机构，其特征在于，在所述底板上设置有凹槽，所述波浪弹簧体（210）位于底板凹槽的一侧并与底板下端面焊接。

6.根据权利要求5所述的被动储能踝关节及足部机构，其特征在于，下鞋底（32）与底板（2047）下端面粘连在一起，底板通过位于底板上的凹槽连接在下鞋底（32）的凸槽（321）内。