CN111000706B - 一种自适应踝关节外骨骼 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人外骨骼技术领域，公开了一种自适应踝关节外骨骼，包括容纳盒；所述容纳盒内设置有相互连接的足下压力机构和足下传动机构，所述容纳盒外侧设置有与所述足下传动机构配合的复位连动机构，所述复位连动机构连接有小腿护套带；穿戴者通过所述小腿护套带对外骨骼进行穿戴连接；所述足下压力机构用于承受穿戴者的足下压力并将其传递给所述足下传动机构；所述足下传动机构在所述足下压力作用下进行运动，并带动所述复位连动机构工作；所述复位连动机构用于储存能量，并在所述足下压力解除时释放能量辅助行走。本发明能够降低行走能耗，并具有结构简单、质量轻且功能可靠等优点。

Description

一种自适应踝关节外骨骼

技术领域

本发明涉及机器人外骨骼技术领域，更具体的说，特别涉及一种自适应踝关节外骨骼。

背景技术

我国已经进入老龄化社会，截至2017年我国60岁以上老年人口超2.4亿。老年人由于本身肌肉力量的衰退，行走能力出现不同程度的下降。而医用辅助设备有助于老年人在肌力衰退阶段不影响独立生活和完成日常生活基本任务的能力。无动力踝关节外骨骼作为一种轻便高效的医用辅助设备，不需要外部能量的输入，仅依靠人体本身重力和肢体运动做功就能实现对老年人的助力行走。相较于驱动型下肢外骨骼依靠复杂沉重的能源、驱动、传感与控制系统来实时适配人体变化步态，纯机械的自适应下肢外骨骼将会有更广阔的市场应用前景。

目前，在无动力踝关节外骨骼研究方面已有一些成果但也存在一些不足，例如：

专利CN109940583A提出了一种能降低行走代谢的自适应踝足外骨骼，但其结构较为复杂，且适配性较低。

专利CN109093596A发明了一种双模式被动踝助力外骨骼，一定程度上解决了穿戴者行走步态不自然的技术问题。但是由于其本身的结构设计，对于踝关节的正常运动有很大影响。

专利CN207722054U提出一种新型的外骨骼踝关节装置，具有结构简单、可缓冲减震的效果，但由于本身考虑缓冲效果的设计和运用了过多的刚性结构会导致踝关节自由运动受限问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的技术问题，提供一种自适应踝关节外骨骼，能够降低行走能耗，并具有结构简单、质量轻且功能可靠等优点。

为了解决以上提出的问题，本发明采用的技术方案为：

一种自适应踝关节外骨骼，包括容纳盒；所述容纳盒内设置有相互连接的足下压力机构和足下传动机构，所述容纳盒外侧设置有与所述足下传动机构配合的复位连动机构，所述复位连动机构连接有小腿护套带；

穿戴者通过所述小腿护套带对外骨骼进行穿戴连接；所述足下压力机构用于承受穿戴者的足下压力并将其传递给所述足下传动机构；所述足下传动机构在所述足下压力作用下进行运动，并带动所述复位连动机构工作；所述复位连动机构用于储存能量，并在所述足下压力解除时释放能量辅助行走。

进一步地，所述足下传动机构包括设置在所述容纳盒内的第一足下传动杆和第二足下传动杆，所述第一足下传动杆固定在所述容纳盒上，所述第二足下传动杆与所述第一足下传动杆之间通过所述足下压力机构活动连接；

所述足下压力机构包括第一足下压力杆和第二足下压力杆，两者分别连接所述第一足下传动杆和第二足下传动杆。

进一步地，所述第一足下传动杆和第二足下传动杆上分别加工有连接通孔；

所述第二足下压力杆上分别加工有与所述第一足下传动杆和第二足下传动杆上连接通孔对应连接的安装孔；所述第一足下压力杆上也加工有与所述第一足下传动杆连接通孔对应连接的安装孔，并加工有与所述第二足下传动杆上连接通孔对应配合的沟槽。

进一步地，所述第一足下压力杆和第二足下压力杆两者呈“7”字型结构，即两者都包括长杆和短杆，其短杆的端部加工有与所述第一足下压力杆连接的安装孔，长杆的中部加工有与所述第二足下传动杆配合连接的所述沟槽或安装孔。

进一步地，所述复位连动机构包括复位棘轮、棘轮支架和连动棘爪；

所述棘轮支架固定在所述容纳盒的尾端，并安装有所述复位棘轮；所述连动棘爪活动安装在所述第一足下传动杆和第二足下传动杆之间，并能够与所述复位棘轮啮合或分离；所述复位棘轮与所述小腿护套带之间设置有小腿后侧弹簧，所述连动棘爪与所述容纳盒之间设置有足下弹簧。

进一步地，所述连动棘爪呈“丁”字型结构，即所述连动棘爪分为连接部和勾部，所述连接部的两端分别活动连接所述第一足下传动杆和第二足下传动杆的尾部，所述勾部与所述复位棘轮配合连接。

进一步地，所述连动棘爪与所述第二足下传动杆连接的端部还设置有突触a，所述容纳盒的内壁并位于所述第一足下传动杆和第二足下传动杆之间也设置有突触b，所述突触a和突触b之间通过足下弹簧相连。

进一步地，所述复位棘轮包括棘轮、连接筒体和支柱，所述棘轮的端面上同轴设置有连接筒体，两者通过支柱安装在所述棘轮支架上；所述连接筒体内侧设置有内置卷簧，所述内置卷簧的两端分别连接所述支柱和所述棘轮。

进一步地，所述棘轮的端面上并位于所述连接筒体内侧形成有突触d，所述内置卷簧的两端分别连接所述支柱和突触d。

进一步地，所述连接筒体的外表面设置有突触c，所述内置卷簧的两端分别连接所述小腿护套带和突触c。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明通过在容纳盒内设置相互连接配合的足下压力机构和足下传动机构，外侧设置与足下传动机构配合连接的复位连动机构，并采用小腿护套带将外骨骼连接小腿，在承受足下压力时储能并在足下压力解除时辅助行走，整个外骨骼的结构简单、质量轻，不限制踝关节运动，可适应人体变化步态并可以最大限度减轻人体能耗，含有主要机构的容纳盒在使用时位于足下，可方便穿着在日常服装下，因此，本发明能够广泛应用于医用助力器械、医疗保健等领域。

附图说明

图1为本发明自适应踝关节外骨骼的结构示意图。

图2为本发明自适应踝关节外骨骼的主视图。

图3为本发明自适应踝关节外骨骼的局部结构示意图。

图4为本发明图3中去除容纳盒的结构示意图。

图5为本发明设置在容纳盒内的部分机构示意图。

图6为本发明中连动棘爪的结构示意图。

图7为本发明中复位棘轮和容纳盒的结构示意图。

图8为本发明中复位棘轮的局部结构示意图。

图9为本发明中一个步态周期的示意图。

图10a和图10b为本发明中小腿后侧弹簧初始状态和拉伸至最大位置的示意图。

附图说明如下：1－鞋底、2－小腿护套带、3－小腿后侧弹簧、4－复位棘轮、5－棘轮支架、6－连动棘爪、7－第一足下压力杆、8－第二足下压力杆、9－容纳盒、10－足下弹簧、11－第一足下传动杆、12－第二足下传动杆、13－内置卷簧、41－棘轮、42－连接筒体、43－支柱、61－连接部、62－勾部。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

参阅图1～图3所示，本发明还提供一种自适应踝关节外骨骼，包括小腿护套带2、足下压力机构、足下传动机构、复位连动机构和容纳盒9；所述容纳盒9内设置相互连接的足下压力机构和足下传动机构，所述容纳盒9外侧设置与所述足下传动机构配合的复位连动机构，所述复位连动机构连接小腿护套带2。

穿戴者通过所述小腿护套带2对外骨骼进行穿戴连接；所述足下压力机构用于承受穿戴者的足下压力并将其传递给所述足下传动机构；所述足下传动机构在所述足下压力作用下进行运动；所述复位连动机构用于储存能量，并在所述足下压力解除时释放能量辅助行走。

本发明中，所述容纳盒9的外形与穿戴者的脚型匹配，不影响使用时能尽量减小体积和重量，其表面开槽即留有所述足下压力机构和足下传动机构的安装空间，保证整个外骨骼正常工作。使用时所述容纳盒9内嵌于穿戴者的鞋底1(图1中所示)，并通过所述小腿护套带2将整个外骨骼与穿戴者的小腿进行连接，方便连接且简单可靠。

本发明中，参阅图4～5所示，所述足下传动机构包括第一足下传动杆11和第二足下传动杆12，两者平行设置在所述容纳盒9内，所述第一足下传动杆11在所述容纳盒9内部靠近其一侧并固定在顶部，所述第二足下传动杆12与所述第一足下传动杆11之间通过所述足下压力机构活动连接。

本实施例中，以穿戴时对应脚趾头、脚心和脚后跟的位置记为所述足下传动机构的前部、中部和后部，即所述第一足下传动杆11和第二足下传动杆12的前部、中部和后部分别加工有连接通孔。

本发明中，所述足下压力机构包括第一足下压力杆7和第二足下压力杆8，两者分别连接所述第一足下传动杆11和第二足下传动杆12，即分别连接所述第一足下传动杆11和第二足下传动杆12的中部和前部，即上述四者构成一个四边形，也就是为一个四边形连杆，这样可以保证连接的稳定性及工作的可靠性。

进一步地，所述第二足下压力杆8的端部和中部分别加工有与所述第一足下传动杆11和第二足下传动杆12两者前部的连接通孔对应连接的安装孔。所述第一足下压力杆7的端部也加工有与所述第一足下传动杆11中部的连接通孔对应连接的安装孔，其中部加工有与所述第二足下传动杆12上连接通孔对应配合贯穿的沟槽。通过所述沟槽可以保证整个装置的正常联动，以及在装置工作过程中留有一定的缓冲空间，以达到更好的辅助效果。

进一步地，所述第一足下压力杆7和第二足下压力杆8两者呈“7”字型结构，即两者都包括长杆和短杆，其短杆的端部加工有与所述第一足下压力杆连接的安装孔，长杆的中部加工有与所述第二足下传动杆配合连接的所述沟槽或安装孔，长杆的自由端部伸出所述容纳盒9外。本实施例中，通过采用“7”字型结构，使所述第一足下压力杆7和第二足下压力杆8两者的长杆在不受外力影响放置时与行走垂直线向前倾斜10－20°，这样在承受所述足下压力时，能更方便地收进所述容纳盒9内，长杆的自由端部伸出所述容纳盒9外，可以方便进行手动调节和安装连接，从而保证整个外骨骼工作的可靠性。

本实施例中，所述第二足下压力杆8连接所述第一足下传动杆11和第二足下传动杆12两者的前部，所述第一足下压力杆7连接两者的中部，且所述第一足下压力杆7和所述第二足下压力杆8的端部与所述第一足下传动杆11连接，中部与所述第二足下传动杆12配合连接，这样可以保证所述足下压力机构和足下传动机构连接的可靠性和稳定性，并可以使所述第一足下压力杆7和所述第二足下压力杆8受力均匀，保证整个外骨骼工作的可靠性。

上述中，所述第一足下传动杆11和第二足下传动杆12上连接通孔根据人体步态行走规律可加工3－5个，即两者上连接通孔的数量可根据实际需要进行增加或减少，这样可根据不同的穿戴者情况(即可以根据不同穿戴者脚的大小或者走路习惯)来调整所述第一足下压力杆8和第二足下压力杆7的连接位置。同样的，所述第一足下压力杆8和第二足下压力杆7上安装孔的数量也可以根据实际需要进行增加或减少，这样可以根据不同受试者的要求，来调节两者与行走垂直线向前倾斜的角度，提高外骨骼的适用性并保证其工作可靠。

本发明中，继续参阅图4所示，所述复位连动机构包括小腿后侧弹簧3、复位棘轮4、棘轮支架5、连动棘爪6和足下弹簧10。

所述棘轮支架5固定在所述容纳盒9的尾端，并安装有所述复位棘轮4。所述连动棘爪6活动安装在所述第一足下传动杆11和第二足下传动杆12的尾部，并能够与所述复位棘轮4啮合或分离。所述复位棘轮4与所述小腿护套带2之间设置有小腿后侧弹簧3，所述连动棘爪6与所述容纳盒9之间设置有足下弹簧10。

本发明中，所述连动棘爪6呈“丁”字型结构(参阅图6所示)，即所述连动棘爪6可分为连接部61和勾部62，所述连接部61的两端分别活动连接所述第一足下传动杆11和第二足下传动杆12的尾部，所述勾部62与所述复位棘轮4配合连接。

进一步地，所述连动棘爪6与所述第二足下传动杆12连接的端部还设置有突触a，所述容纳盒9的内壁并位于所述第一足下传动杆11和第二足下传动杆12之间也设置有突触b，所述突触a和突触b之间通过足下弹簧10相连，使所述连动棘爪6与复位棘轮4能够更好的啮合与分离。

上述中，通过设置所述足下弹簧10使所述第二足下传动杆12能够在所述容纳盒9内进行往复运动，可分离处于啮合状态下的连动棘爪6和复位棘轮4，还具有在装置悬空阶段防止所述连动棘爪6和复位棘轮4重新啮合的作用，保证装置能高效稳定的运行。此外，在行走中当第二足下压力杆8或第一足下压力杆7悬空时，在足下弹簧10的作用下，第二足下传动杆12的前部会恰好与所述容纳盒9靠近脚趾的内壁接触但并不产生多余的挤压，从而尽可能降低对行走体验的影响。

进一步地，参阅图7～8所示，所述复位棘轮4包括棘轮41、连接筒体42和支柱43，所述棘轮41的端面上同轴设置有连接筒体42，两者通过支柱43安装在所述棘轮支架5上即所述支柱43为固定不动；所述连接筒体42内侧设置有内置卷簧13，所述内置卷簧13的两端分别连接所述支柱43和所述棘轮41。

上述中，所述复位棘轮4通过设置一个棘轮41和内置卷簧13，在所述内置卷簧13的作用下，使得复位棘轮4能够在作用后返回到正确的起始位置，等待下一次的激活。进一步地，所述棘轮41的端面上并位于所述连接筒体42内侧还形成有突触d，所述内置卷簧13的两端分别连接所述支柱43和突触d，通过设置突触d方便所述内置卷簧13进行连接安装，保证其工作的可靠性。

上述中，所述连接筒体12与小腿护套带2之间通过设置小腿后侧弹簧3，在小腿后侧弹簧3的作用，可以起到一个类肌肉的能量存储和释放作用。进一步地，所述连接筒体12的外表面设置有突触c，作用是连接小腿后侧弹簧3，即所述小腿后侧弹簧3两端分别连接所述小腿护套带2和突触c，设置所述突触c方便所述内置卷簧13进行连接安装，并能保证其工作的可靠性。进一步地，所述小腿后侧弹簧3两端还设置有连接线，通过所述连接线分别连接所述小腿护套带2和突触c。

本发明中，所述复位连动机构中能量的储存主要借助所述棘轮41和连动棘爪6啮合，即在步态周期的特定阶段通过两者啮合，使所述小腿后侧弹簧3拉伸储存能量，所述足下弹簧10的作用仅在小腿摆动，足下压力解除时(即所述棘轮41和连动棘爪6即将分离时)，此时足下弹簧10会将储存的能量释放，回拉连动棘爪6上的突触a，让第一足下压力杆7和第二足下压力杆8重新伸出容纳盒9外。

下面结合穿戴者穿戴好外骨骼后的行走状态进一步说明本发明中设置内置卷簧13的作用，如图9所示，其中cluthed是所述棘轮41与连动棘爪6啮合状态(即图中白色区域)，两者啮合后所述小腿后侧弹簧3拉伸。

uncluthed是所述棘轮41与连动棘爪6分离阶段(即图中灰色区域)，图中可以看到这时若小腿后侧弹簧3若没有预留一定连接线的话，小腿后侧弹簧3还是会由于腿的摆动而产生不必要的拉伸。本发明由于设置了内置卷簧13，可以防止小腿后侧弹簧3在不必要的时候拉伸储能，使得小腿后侧弹簧3在uncluthed阶段与其的连接线会有预留的长度。

本发明提供的自适应踝关节外骨骼，其具体工作模式如下(若无特别说明均为同侧脚)：

穿戴者将外骨骼穿戴好后，当脚落地时，所述第一足下压力杆7和第二足下压力杆8两者相继受力即承受足下压力，被压入所述容纳盒9内，带动第二足下传动杆12向与行走方向相反的方向运动，并带动所述连动棘爪6与所述复位棘轮4相啮合。这时，所述足下弹簧10在所述连动棘爪6的作用下处于拉伸状态，在脚趾离地之前，所述小腿后侧弹簧3处于拉伸状态，从而储蓄能量。

当穿戴者的脚趾离地时，整个外骨骼处于悬空状态。此时，由于第二足下压力杆8和第一足下压力杆7处于悬空状态不再受力即足下压力解除，所述足下弹簧10会因为之前的受力拉伸而回缩，带动所述连动棘爪6与复位棘轮4分离，此刻储存在小腿后侧弹簧3的能量会释放，从而辅助外骨骼穿戴者的行走。因此，根据两个足下压力杆受力的变化，使得所述连动棘爪6能够有规律的啮合或者分离所述复位棘轮4。

当外骨骼穿戴者的脚趾离地之后，脚跟落地之前，整个外骨骼都处于悬空状态。这时，所述复位棘轮4中的内置卷簧13将发挥作用，由于本阶段初始能量的释放和后续下肢的摆动，会导致整个外骨骼在外力情况下任意摆动和在不必要的阶段存储能量，因此通过设置内置卷簧13实现复位缓冲，减少能量损失从而提高本发明的有效性。图10a为小腿后侧弹簧3的初始状态，图10b为小腿后侧弹簧3拉伸的最大位置，当一侧的腿处于摆动(悬空)状态时，为了防止腿的摆动造成小腿后侧弹簧3在不必要的时候拉伸，所述内置卷簧13则会替换小腿后侧弹簧3拉伸，即为图10b中的状态，当脚跟着地(hee lstrike)之后，则图10b中的状态会慢慢恢复到图10a中的状态。

此时一个步态周期结束。

本发明提供的自适应踝关节外骨骼，其主要结构集中在足部即将所述足下压力机构和足下传动机构都设置在使用时位于足下的容纳盒9内，并采用结构简单的小腿护套带2将外骨骼连接小腿，没有外突的踝关节和小腿支撑架的外骨骼，可以大大减轻外骨骼的重量和体积，并集成于足底的结构使得装置可以轻易的穿戴在日常服装中，避免了穿戴者在公共场合使用类似装置时的尴尬。此外，本发明符合人体步态规律，即在承受足下压力时储能并在足下压力解除时释放能量辅助行走，可以最大限度减轻人体能耗，也可以适应不同的行走速度，体现了外骨骼自适应的功能。

本发明有很强的适配性，主要结构可以手动调节来改变结构的受力点，即所述足下压力机构和足下传动机构两者之间，通过调节不同连接通孔和安装孔的位置来改变其受力位置或受力点，可以适配多种脚长的用户，避免了只能“私人定制”的缺点，整体结构简单稳定，避免了类似装置维护、维修复杂等缺点，其成本低廉，有广泛的应用前景。

本发明为无动力踝关节外骨骼，可以广泛用于拥有正常步态下的老年人、足底肌肉损伤病患和娱乐休闲用户，可以减少拥有正常步态穿戴者的步态行走能耗，并提供行走助力。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种自适应踝关节外骨骼，其特征在于：包括容纳盒；所述容纳盒内设置有相互连接的足下压力机构和足下传动机构，所述容纳盒外侧设置有与所述足下传动机构配合的复位连动机构，所述复位连动机构连接有小腿护套带；

穿戴者通过所述小腿护套带对外骨骼进行穿戴连接；所述足下压力机构用于承受穿戴者的足下压力并将其传递给所述足下传动机构；所述足下传动机构在所述足下压力作用下进行运动，并带动所述复位连动机构工作；所述复位连动机构用于储存能量，并在所述足下压力解除时释放能量辅助行走;

所述足下传动机构包括设置在所述容纳盒内的第一足下传动杆和第二足下传动杆，所述第一足下传动杆固定在所述容纳盒上，所述第二足下传动杆与所述第一足下传动杆之间通过所述足下压力机构活动连接；

所述足下压力机构包括第一足下压力杆和第二足下压力杆，所述第一足下压力杆分别连接所述第一足下传动杆和第二足下传动杆;所述第二足下压力杆分别连接所述第一足下传动杆和第二足下传动杆；

所述复位连动机构包括复位棘轮、棘轮支架和连动棘爪；

所述棘轮支架固定在所述容纳盒的尾端，并安装有所述复位棘轮；所述连动棘爪活动安装在所述第一足下传动杆和第二足下传动杆的尾部，并能够与所述复位棘轮啮合或分离；所述复位棘轮与所述小腿护套带之间设置有小腿后侧弹簧，所述连动棘爪与所述容纳盒之间设置有足下弹簧;

所述复位棘轮包括棘轮、连接筒体和支柱，所述棘轮的端面上同轴设置有连接筒体，两者通过支柱安装在所述棘轮支架上；所述连接筒体内侧设置有内置卷簧，所述内置卷簧的两端分别连接所述支柱和所述棘轮。

2.根据权利要求1所述的自适应踝关节外骨骼，其特征在于：所述第一足下传动杆和第二足下传动杆上分别加工有连接通孔；

所述第二足下压力杆上分别加工有与所述第一足下传动杆和第二足下传动杆上连接通孔对应连接的安装孔；所述第一足下压力杆上也加工有与所述第一足下传动杆连接通孔对应连接的安装孔，并加工有与所述第二足下传动杆上连接通孔对应配合的沟槽。

3.根据权利要求2所述的自适应踝关节外骨骼，其特征在于：所述第一足下压力杆和第二足下压力杆两者呈“7”字型结构，即两者都包括长杆和短杆，其短杆的端部加工有与所述第一足下压力杆连接的安装孔，长杆的中部加工有与所述第二足下传动杆配合连接的所述沟槽或安装孔。

4.根据权利要求3所述的自适应踝关节外骨骼，其特征在于：所述连动棘爪呈“丁”字型结构，即所述连动棘爪分为连接部和勾部，所述连接部的两端分别活动连接所述第一足下传动杆和第二足下传动杆的尾部，所述勾部与所述复位棘轮配合连接。

5.根据权利要求4所述的自适应踝关节外骨骼，其特征在于：所述连动棘爪与所述第二足下传动杆连接的端部还设置有突触a，所述容纳盒的内壁并位于所述第一足下传动杆和第二足下传动杆之间也设置有突触b，所述突触a和突触b之间通过足下弹簧相连。

6.根据权利要求5所述的自适应踝关节外骨骼，其特征在于：所述棘轮的端面上并位于所述连接筒体内侧形成有突触d，所述内置卷簧的两端分别连接所述支柱和突触d。

7.根据权利要求6所述的自适应踝关节外骨骼，其特征在于：所述连接筒体的外表面设置有突触c，所述小腿后侧弹簧的两端分别连接所述小腿护套带和突触c。

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