CN109940583A - 一种能降低行走代谢的自适应踝足外骨骼 - Google Patents

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王向阳
郭盛
曲海波
陈光荣
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Abstract

本发明要解决的技术问题是采用完全被动的，基于机械式步态判断的助力踝足外骨骼以提高人体行走的能量的利用率，并降低行走的代谢消耗。它无需外部能源，避免了复杂传感和执行元件，而是采用灵巧的纯机械离合器实现了在特定步态阶段的助力功能。通过调整离合器开和闭的状态，从而间接改变储能元件的储能状态，提高能量的利用效率，从而降低人体行走的代谢消耗，在行走的摆动态中也保证了踝关节的自由度，不会对人的运动造成限制。具有较好的穿戴舒适性、可靠性，对于提升人体行走的持续性和长途跋涉能力具有重要意义。

Description

一种能降低行走代谢的自适应踝足外骨骼
技术领域
本发明涉及机构学领域，特别涉及一种能降低行走代谢的自适应踝足外骨骼。
背景技术
我国已步入老龄化社会，降低人体行走代谢和消耗对于增大人的移动距离，提升行走的持续能力具有重要意义。同时，在军事层面，行走能量利用效率的提升有利于提高士兵的长途跋涉的能力。目前的踝足外骨骼多需要外部能量输入，采用含有电池和电机的执行系统实现助力功能；同时，助力功能的实现还依赖于多传感器对行走时各个步态阶段进行准确的检测。庞大的能源、驱动和检测系统降低了踝足外骨骼的穿戴舒适性和实用性，也增加了外骨骼本身的重量。因此采用纯机械方式判断人体步态阶段并结合柔性元件实现行走时能量的存储和释放，将有利于优化行走的能量利用效率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服背景技术存在的不足，基于对人体行走步态数据和肌肉做功阶段的判断，提出了一种完全被动的，采用机械结构自主判断人体步态并执行被动式助力的踝足外骨骼，能提高人体行走能量的利用率，降低行走代谢消耗。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
一种能降低行走代谢的自适应踝足外骨骼，它的整体由离合器组件、鞋边第一侧杆、鞋边第二侧杆、第一扭簧、第二扭簧、鞋底橡胶、塑料支架、尼龙带、足后弹簧、小腿护套以及第一、第二、第三定滑轮组成。
其中，塑料支架两侧与鞋底橡胶两侧通过调节柱铰接，可调节尼龙带改变松紧；鞋边第一侧杆的B孔与鞋底橡胶的固定杆的一端形成转动连接，鞋边第二侧杆的A孔与鞋底橡胶的固定杆的另一侧形成转动连接，鞋边第一侧杆的C螺纹孔与鞋边第二侧杆的B螺纹孔分别与底压杆的两端形成螺纹连接，离合器组件的第二短杆穿过鞋边第一侧杆的A孔后采用螺母固定；离合器组件位于人脚的外侧面，并固定在鞋底橡胶的橡胶基座上，尼龙细绳从离合器组件引出，并依次绕过第一、第二、第三定滑轮，足后弹簧的另一端与小腿护套的A孔通过尼龙绳连接。
离合器组件的组成部件为：壳，一号轴承，中心轴，二号轴承，第一连杆，第二连杆，闸瓦，止动片，止动盘，侧凹定滑轮，尼龙细绳，弯曲弹簧，内管，第一内置弹簧，外六角螺纹柱，第一、第二、第三短杆，法兰，第二内置弹簧，回复弹簧，推拉杆。
其中，壳的B、C、D孔通过螺栓螺母固定在橡胶基座上，一号轴承的卷边位于壳的外侧，轴承嵌入在壳的A孔内；中心轴的M端穿过一号轴承，轴肩A与轴承的内圈接触，M端有外螺纹，采用螺母与其配合进行固定；中心轴的N端依次穿过二号轴承、第一连杆、止动盘、侧凹定滑轮，并从壳穿出，末端安装轴用挡圈；二号轴承嵌入在第一连杆的沉头孔A内，其内圈与中心轴的轴肩C接触；第一连杆与闸瓦之间采用轴套保持固定距离，止动盘的A、B孔分别和侧凹定滑轮的A、B孔通过螺栓螺母连接；弯曲弹簧嵌入在侧凹定滑轮一侧的凹槽内，其一端系在侧凹定滑轮上固定，另一端固定在壳上；第一短杆依次穿过第一连杆的B孔与第二连杆的一端通孔，末端拧上螺母，形成转动连接；第二连杆的另一端通孔与闸瓦的A孔通过螺栓螺母形成转动连接；止动片安装在闸瓦的方形凹槽内，用螺钉穿过闸瓦的D孔固定；闸瓦的B孔与壳的E孔采用螺栓螺母形成活动连接；第三短杆的圆柱表面攻有螺纹，旋入闸瓦的C螺纹孔中。
第一内置弹簧放入外六角螺纹柱的中部滑道内，内管的一端与内置弹簧接触，并可在外六角螺纹柱的滑道内滑动，形成移动副；内管的另一端有外螺纹，穿过第一短杆的通孔并在另一端用螺母固定；外六角螺纹柱的圆柱端穿过第二短杆的孔并在另一侧用螺母固定，第二短杆的圆柱端有外螺纹，其穿过第一侧杆的A孔并用螺母从另一侧固定。
第二内置弹簧位于推拉杆的A孔内，回复弹簧套在推拉杆的有孔端圆柱体外；推拉杆无孔端圆柱体穿过橡胶基座，有孔端圆柱体穿过法兰的中心通孔，法兰通过螺钉穿过孔A、B、C、D固定在橡胶基座上。
本发明和已有技术相比所具有的有益效果：
本发明提出的自适应踝足外骨骼采用纯机械结构判断人体行走所处的步态阶段，调整离合器开和闭的状态，以间接改变储能元件的储能状态，提高能量的利用效率，从而降低人体行走的代谢消耗。
附图说明
图1踝足外骨骼穿戴示意图；
图2外骨骼等轴侧示意图；
图3外骨骼侧视图；
图4离合器组件正视图；
图5离合器组件爆炸示意图；
图6鞋边第一侧杆示意图；
图7鞋边第二侧杆示意图；
图8底压杆示意图；
图9鞋底橡胶示意图；
图10小腿护套示意图；
图11壳示意图；
图12中心轴示意图；
图13第一连杆示意图；
图14第二连杆示意图；
图15闸瓦示意图；
图16第一、第二、第三短杆示意图；
图17外六角螺纹柱示意图；
图18推拉杆示意图；
图19法兰示意图；
图20止动盘示意图；
图21侧凹定滑轮示意图
图22工作原理示意图
图中：离合器组件(1)，鞋边第一、第二侧杆(2-1、2-2)，第一、第二扭簧(3-1、3-2)，鞋底橡胶(4)，塑料支架(5)，尼龙带(6)，足后弹簧(7)，第一、第二、第三定滑轮(8-1、8-2、8-3)，小腿护套(9)，壳(10)，一号轴承(11)，中心轴(12)，二号轴承(13)，第一连杆(14)，第二连杆(15)，闸瓦(16)，止动片(17)，止动盘(18)，侧凹定滑轮(19)，尼龙细绳(20)，弯曲弹簧(21)，内管(22)，第一内置弹簧(23)，外六角螺纹柱(24)，第一、第二、第三短杆(25-1、25-2、25-3)，法兰(26)，第二内置弹簧(27)，回复弹簧(28)，推拉杆(29)，橡胶基座(30)，底压杆(31),调节柱(32)，固定杆(33)。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的方案做进一步说明。
一种能降低行走代谢的自适应踝足外骨骼，它的整体穿戴示意图如图1所示。其由离合器组件(1)、鞋边第一侧杆(2-1)、鞋边第二侧杆(2-2)、第一扭簧(3-1)、第二扭簧(3-2)、鞋底橡胶(4)、塑料支架(5)、尼龙带(6)、足后弹簧(7)、小腿护套(9)以及第一、第二、第三定滑轮(8-1、8-2、8-3)组成。
其中，如图2和图3所示，塑料支架(5)两侧与鞋底橡胶(4)两侧通过调节柱(32)铰接，可调节尼龙带(6)改变松紧；鞋边第一侧杆(2-1)的B孔与鞋底橡胶(4)的固定杆(33)的一端形成转动连接，鞋边第二侧杆(2-2)的A孔与鞋底橡胶(4)的固定杆(33)的另一侧形成转动连接，鞋边第一侧杆(2-1)的C螺纹孔与鞋边第二侧杆(2-2)的B螺纹孔分别与底压杆(31)的两端形成螺纹连接，离合器组件(1)的第二短杆(25-2)穿过鞋边第一侧杆(2-1)的A孔后采用螺母固定；离合器组件(1)位于人脚的外侧面，并固定在鞋底橡胶(4)的橡胶基座(30)上，尼龙细绳(20)从离合器组件(1)引出，并依次绕过第一、第二、第三定滑轮(8-1、8-2、8-3)，足后弹簧(7)的另一端与小腿护套(9)的A孔通过尼龙绳连接。
离合器组件(1)的组成如图4和图5所示所示：壳(10)，一号轴承(11)，中心轴(12)，二号轴承(13)，第一连杆(14)，第二连杆(15)，闸瓦(16)，止动片(17)，止动盘(18)，侧凹定滑轮(19)，尼龙细绳(20)，弯曲弹簧(21)，内管(22)，第一内置弹簧(23)，外六角螺纹柱(24)，第一、第二、第三短杆(25-1、25-2、25-3)，法兰(26)，第二内置弹簧(27)，回复弹簧(28)，推拉杆(29)。
壳(10)的B、C、D孔通过螺栓螺母固定在橡胶基座(30)上，一号轴承(11)的卷边位于壳(10)的外侧，轴承嵌入在壳(10)的A孔内；中心轴(12)的M端穿过一号轴承(11)，轴肩A与轴承的内圈接触，M端有外螺纹，采用螺母与其配合进行固定；中心轴(12)的N端依次穿过二号轴承(13)、第一连杆(14)、止动盘(18)、侧凹定滑轮(19)，并从壳(10)穿出，末端安装轴用挡圈；二号轴承(13)嵌入在第一连杆(14)的沉头孔A内，其内圈与中心轴(12)的轴肩C接触；第一连杆(14)与闸瓦(16)之间采用轴套保持固定距离，止动盘(18)的A、B孔分别和侧凹定滑轮(19)的A、B孔通过螺栓螺母连接；弯曲弹簧(21)嵌入在侧凹定滑轮(19)一侧的凹槽内，其一端系在侧凹定滑轮(19)上固定，另一端固定在壳(10)上；第一短杆(25-1)依次穿过第一连杆(14)的B孔与第二连杆(15)的一端通孔，末端拧上螺母，形成转动连接；第二连杆(15)的另一端通孔与闸瓦(16)的A孔通过螺栓螺母形成转动连接；止动片(17)安装在闸瓦(16)的方形凹槽内，用螺钉穿过闸瓦(16)的D孔固定；闸瓦(16)的B孔与壳(10)的E孔采用螺栓螺母形成活动连接；第三短杆(25-3)的圆柱表面攻有螺纹，旋入闸瓦(16)的C螺纹孔中。
第一内置弹簧(23)放入外六角螺纹柱(24)的中部滑道内，内管(22)的一端与内置弹簧(23)接触，并可在外六角螺纹柱(24)的滑道内滑动，形成移动副；内管(22)的另一端有外螺纹，穿过第一短杆(25-1)的通孔并在另一端用螺母固定；外六角螺纹柱(24)的圆柱端穿过第二短杆(25-2)的孔并在另一侧用螺母固定，第二短杆(25-2)的圆柱端有外螺纹，其穿过第一侧杆(2-1)的A孔并用螺母从另一侧固定。
第二内置弹簧(27)位于推拉杆(29)的A孔内，回复弹簧(28)套在推拉杆(29)的有孔端圆柱体外；推拉杆(29)无孔端圆柱体穿过橡胶基座(30)，有孔端圆柱体穿过法兰(26)的中心通孔，法兰(26)通过螺钉穿过孔A、B、C、D固定在橡胶基座(30)上。
如图22所示为踝足外骨骼的工作原理示意图。人可以穿鞋踩在鞋底橡胶(4)上，通过尼龙带(6)固定鞋底橡胶与鞋子。侧凹定滑轮(19)引出的尼龙细绳(20)依次经过第一、第二和第三定滑轮(8-1、8-2、8-3)走线到脚跟后部，与足后弹簧(7)一端相连。弹簧另一端与固定在小腿部分的小腿护套(9)相连。
鞋底橡胶(4)侧边为离合器组件(1)，它有开和闭两种状态。开的状态下它允许侧凹定滑轮(19)双向绕轴转动，闭的状态下，它只允许侧凹定滑轮(19)单向转动。控制开闭状态的输入为两个，分别为鞋底橡胶(4)前脚掌部分下的底压杆(31)和位于脚跟底部的推拉杆(29)。
离合器组件开闭状态与脚掌触地状态的关系为：
脚跟触地(阶段①)：在未接触地面时，底压杆(31)和推拉杆(29)均不受地面反作用力。随着脚跟触地，地面反作用力作用下推拉杆(29)被抬升至鞋底橡胶(4)内，第二内置弹簧(27)推动第三短杆(25-3)移动，导致闸瓦(16)上的止动片(17)顶住止动盘(18)外延，止动盘(18)在机构限制下顺时针的转动被限制住了，逆时针方向由于第二内置弹簧(27)的弹性，止动盘(18)仍可以在弯曲弹簧(21)的回复力作用下克服第二内置弹簧(27)推力引起的摩擦力而继续转动，摩擦力大小取决于第二内置弹簧(27)的刚度。这个阶段由于前脚掌没有着地，底压杆(31)未受到地面反作用力，因此鞋边第一侧杆(2-1)不发生移动。
全脚掌触地(阶段②)：推拉杆(29)与底压杆(31)均受地面反作用力。这个阶段由于前后脚掌均接触到了地面，推拉杆(29)和底压杆(31)均被抬移，其中底压杆(31)的移动转变为鞋边第一侧杆(2-1)的移动，进而导致第一内置弹簧(23)压缩而推动第一短杆(25-1)移动，通过四杆机构将该运动形式转化为闸瓦(16)的移动，间接导致止动片(17)顶住止动盘(18)外延，同时，第二内置弹簧(27)推动第三短杆(25-3)移动，也导致闸瓦(16)上的止动片(17)顶住止动盘(18)外延。在它们的共同作用下，止动盘(18)和侧凹定滑轮(19)顺时针的转动被限制住了，逆时针方向由于第一内置弹簧(23)和第二内置弹簧(27)的弹性，止动盘(18)侧凹定滑轮(19)仍可以在弯曲弹簧(21)的回复力下克服两个弹簧推力引起的摩擦力继续转动，摩擦力大小取决于两个弹簧的刚度。
后脚掌提升(阶段③)：这个阶段只有前脚掌着地。推拉杆(29)不受地面反作用力，而在回复弹簧(28)作用下恢复原位置，底压杆(29)和鞋边第一侧杆(2-1)仍然在推动后位置。离合器组件(1)处于闭的状态，仍然只允许止动盘(18)和侧凹定滑轮(19)的逆时针方向的单向转动。摩擦力取决于第一内置弹簧(23)的刚度。
侧凹定滑轮(19)槽内的弯曲弹簧(21)的作用是始终施加一个逆时针方向的扭矩，以克服侧凹定滑轮(19)和止动盘(18)逆时针方向转动的摩擦阻力，保证与足后弹簧(7)相连的尼龙细绳(20)始终处于绷直状态。离合器组件(1)在闭的状态下，顺时针方向转动受到限制，这意味着尼龙细绳(20)只能被收回进侧凹定滑轮(19)，而无法被拽出。
从阶段①到阶段③，离合器组件(1)始终处于闭的状态，由于尼龙细绳(20)无法被拽出，因此足后弹簧(7)被拉伸,肌肉所做的负功转化为足后弹簧(7)中的弹性势能。在脚跟抬升阶段将储存能量释放出来提供推力，以降低肌力大小。当脚离开地面处于摆动状态时，离合器处于开的状态，其转动不受任何限制，因此踝关节的活动自由度得到了保证，而不会对人的运动造成限制。
本发明和已有技术相比所具有的有益效果：
本发明提出的自适应踝足外骨骼采用纯机械结构判断人体行走所处的步态阶段，通过调整离合器开和闭的状态，从而间接改变储能元件的储能状态，提高能量的利用效率，从而降低人体行走的代谢消耗，在摆动态也保证了踝关节的自由度，不会对人的运动造成限制。

Claims (2)

1.一种能降低行走代谢的自适应踝足外骨骼，它的整体由离合器组件(1)、鞋边第一侧杆(2-1)、鞋边第二侧杆(2-2)、第一扭簧(3-1)、第二扭簧(3-2)、鞋底橡胶(4)、塑料支架(5)、尼龙带(6)、足后弹簧(7)、小腿护套(9)以及第一、第二、第三定滑轮(8-1、8-2、8-3)组成；
其中，塑料支架(5)两侧与鞋底橡胶(4)两侧通过调节柱(32)铰接，可调节尼龙带(6)改变松紧；鞋边第一侧杆(2-1)的B孔与鞋底橡胶(4)的固定杆(33)的一端形成转动连接，鞋边第二侧杆(2-2)的A孔与鞋底橡胶(4)的固定杆(33)的另一侧形成转动连接，鞋边第一侧杆(2-1)的C螺纹孔与鞋边第二侧杆(2-2)的B螺纹孔分别与底压杆(31)的两端形成螺纹连接，离合器组件(1)的第二短杆(25-2)穿过鞋边第一侧杆(2-1)的A孔后采用螺母固定；离合器组件(1)位于人脚的外侧面，并固定在鞋底橡胶(4)的橡胶基座(30)上，尼龙细绳(20)从离合器组件(1)引出，并依次绕过第一、第二、第三定滑轮(8-1、8-2、8-3)，足后弹簧(7)的另一端与小腿护套(9)的A孔通过尼龙绳连接。
2.一种能降低行走代谢的自适应踝足外骨骼，其特征在于，离合器组件(1)的组成部件为：壳(10)，一号轴承(11)，中心轴(12)，二号轴承(13)，第一连杆(14)，第二连杆(15)，闸瓦(16)，止动片(17)，止动盘(18)，侧凹定滑轮(19)，尼龙细绳(20)，弯曲弹簧(21)，内管(22)，第一内置弹簧(23)，外六角螺纹柱(24)，第一、第二、第三短杆(25-1、25-2、25-3)，法兰(26)，第二内置弹簧(27)，回复弹簧(28)，推拉杆(29)；
其中，壳(10)的B、C、D孔通过螺栓螺母固定在橡胶基座(30)上，一号轴承(11)的卷边位于壳(10)的外侧，轴承嵌入在壳(10)的A孔内；中心轴(12)的M端穿过一号轴承(11)，轴肩A与轴承的内圈接触，M端有外螺纹，采用螺母与其配合进行固定；中心轴(12)的N端依次穿过二号轴承(13)、第一连杆(14)、止动盘(18)、侧凹定滑轮(19)，并从壳(10)穿出，末端安装轴用挡圈；二号轴承(13)嵌入在第一连杆(14)的沉头孔A内，其内圈与中心轴(12)的轴肩C接触；第一连杆(14)与闸瓦(16)之间采用轴套保持固定距离，止动盘(18)的A、B孔分别和侧凹定滑轮(19)的A、B孔通过螺栓螺母连接；弯曲弹簧(21)嵌入在侧凹定滑轮(19)一侧的凹槽内，其一端系在侧凹定滑轮(19)上固定，另一端固定在壳(10)上；第一短杆(25-1)依次穿过第一连杆(14)的B孔与第二连杆(15)的一端通孔，末端拧上螺母，形成转动连接；第二连杆(15)的另一端通孔与闸瓦(16)的A孔通过螺栓螺母形成转动连接；止动片(17)安装在闸瓦(16)的方形凹槽内，用螺钉穿过闸瓦(16)的D孔固定；闸瓦(16)的B孔与壳(10)的E孔采用螺栓螺母形成活动连接；第三短杆(25-3)的圆柱表面攻有螺纹，旋入闸瓦(16)的C螺纹孔中；
第一内置弹簧(23)放入外六角螺纹柱(24)的中部滑道内，内管(22)的一端与内置弹簧(23)接触，并可在外六角螺纹柱(24)的滑道内滑动，形成移动副；内管(22)的另一端有外螺纹，穿过第一短杆(25-1)的通孔并在另一端用螺母固定；外六角螺纹柱(24)的圆柱端穿过第二短杆(25-2)的孔并在另一侧用螺母固定，第二短杆(25-2)的圆柱端有外螺纹，其穿过第一侧杆(2-1)的A孔并用螺母从另一侧固定；
第二内置弹簧(27)位于推拉杆(29)的A孔内，回复弹簧(28)套在推拉杆(29)的有孔端圆柱体外；推拉杆(29)无孔端圆柱体穿过橡胶基座(30)，有孔端圆柱体穿过法兰(26)的中心通孔，法兰(26)通过螺钉穿过孔A、B、C、D固定在橡胶基座(30)上。
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