CN110125908B - 一种无外部动力输入的省力助步器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无外部动力输入的省力助步器。它包括助步器本体、连接套件、棘轮机构、储能扭簧。该省力助步器可穿戴于使用者双脚，通过安装在其底端的储能扭簧的方式，将人体行走过程中做负功的能量储存，在做正功时释放，实现无外部动力输入式助力。同时，基于优化结构设计，降低了外骨骼自重，提高外骨骼的灵活性以及人的行走效率。而且，运用止逆棘轮机构实现了使用者在行进过程中的任意状态止动，从而使得该助步器在使用者静止时将能量锁定，达到了储能省力的设计目的，大大提高了装置的稳定性和可操控性。该发明所设计的新型外骨骼穿戴方式，增强了该类产品的便携性与实用性。

Description

一种无外部动力输入的省力助步器

技术领域

本发明涉及一种无外部动力输入的省力助步器，属于行走辅助器具领域。

背景技术

目前负重远行的主要方式仍是传统轮式交通工具，该种负重方式对路面环境等要求较高，例如军事、科考、消防营救等领域仍然无法有效使用。在特殊情况下，士兵、科考人员及消防救生人员常需要执行一些如长距离行走、背负过重物体、运送受伤人员、进行野外作业、登山探险等任务，此时无法借助传统的交通工具来完成。

基于以上特殊需求，设计一种机构能为穿戴者提供助力，使其减轻行走时的能量消耗，增强行走能力是十分必要的。传统机械外骨骼装置是一种可穿戴式的移动机器，其可由电动机、气动装置、杠杆、液压装置等相互组合以提供动力，但是能量续航与便携性始终是两个亟待解决的核心问题。

Van L. Phillip的关于假体能量存储和释放装置的专利中，主要是在小腿假肢处安装C型弹性元件，从而使得人体在运动中借助弹性元件的弹力来为使用者助力，但是单独的弹性元件并不能在其静止时锁定能量，并且极易在该状态下发生回弹现象，从而导致装置控制较难、不稳定现象发生。

Keahi Seymour的关于鸵鸟弹簧助力仿生靴的发明中，虽然使用直线弹簧作为运动时的储能元件，但是额外增加的整体装置高度，使得使用者在静止时的控制变得较为困难，并且同样没有能量锁定装置，使得助力系统仍存在不稳定现象。

现今面世的外骨骼助力设备中，普遍皆因机械零部件过多而显得庞大沉重并伴有不可避免的噪音，同时价格也较为昂贵。未来的外骨骼仍需在材质和贴身性上进行改进，并具有高强度、伸缩性佳、轻量、耐磨损等特质。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的不足，提供一种无外部动力输入的省力助步器，该助步器可将人体行走过程做负功的能量储存，在需要做正功时释放出来，从而实现无外部动力输入式的助力。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种无外部动力输入的省力助步器，该装置由包括助步器本体、连接套件、棘轮机构、储能扭簧组成。所述助步器本体包括鞋体前部、鞋体后部、鞋扣、鞋体后底和缓冲胶垫，其中鞋体前部通过安装在其上的前轴采用铰接方式与鞋体后部连接，鞋扣通过固定块与鞋体后部连接，缓冲胶垫通过胶结方式分别粘连在鞋体后底与鞋体前部。助步器本体中除特殊说明外均采用铝制基底，其能够保证承受人体自重，缓冲胶垫的可变性橡胶及鞋垫部分海绵鞋垫可使使用者穿着舒适。

所述连接套件包括固定块、套筒、T型连杆、后轴、中轴、棘轮轴、前轴和E型扣环，其中固定块、套筒与T型连杆长端通过套筒内置轴同心配合连接，T型连杆短端通过后轴采用铰接方式与鞋体后底连接，滑杆、异型棘轮有齿端与鞋体前部通过中轴同心配合连接，异型棘轮无齿端与鞋体后底通过棘轮轴同心配合连接。上述各连接轴在配合连接之后，均需在其两端辅以E型扣环以约束轴向自由度。

所述棘轮机构包括滑杆、止逆棘爪、异型棘轮和直线弹簧，其中滑杆滑动端与套筒滑动连接，滑杆内安装有止逆棘爪。其运动过程为：通过滑杆内的直线弹簧伸缩控制止逆棘爪回复原位，棘轮机构控制装置的止动，免让储能装置的回复力破坏装置的平衡性，以使使用者在行进过程中可在任意状态保持静止；若人体保持静止时，止逆棘爪与异型棘轮轮齿啮合，从而阻碍上抬趋势；若解除静止状态继续运动，则脚稍需轻微下压，使止逆棘爪越过滑槽，解除啮合状态；若一直保持运动状态，人在行进中的固有惯性会使止逆棘爪自动越过滑槽。

所述储能扭簧为一个扭簧，其固定安装在棘轮轴周向位置，用于实现踝关节绕轴的旋转运动，即实现踝关节的跖屈/背屈运动自由度。其运动过程为：当人体处于步态支撑相时，止逆棘爪位于异型棘轮轮齿上方，扭簧随装置角度变化压缩以储存能量，直至全脚掌着地；当使用者一直保持运动状态时，人在行进中的固有惯性会使止逆棘爪自动越过滑槽，同时之前被压缩的扭簧释放，从而辅助完成行进过程。

特别地，在止动棘轮装置中，止逆棘爪位于异型棘轮的轮齿上方。当到达全脚掌着地状态时，人体可以选择继续行进或者保持静止。当保持静止时，止逆棘爪与轮齿啮合，从而阻碍鞋垫上抬的趋势，使人体保持静止。当继续运动时，脚需要继续下压，使止逆棘爪越过棘轮齿末的滑槽，从而解除啮合状态，便可以继续行走。若是一直保持运动状态，人在行进中固有的惯性会帮助止逆棘爪越过上述滑槽，无需下压，即可完成行进过程。

与现有技术相比较，本发明具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：

本发明所述的一种无外部动力输入的省力助步器，其通过安装在助步器底端的储能扭簧的方式，将人体行走过程中做负功的能量储存，在做正功时释放，实现无外部动力输入式助力。同时，基于以上结构的设计，降低外骨骼自重，提高外骨骼的灵活性以及人的行走效率，实现人体在大负重情况下仍可自如行走。而且，运用止逆棘轮机构实现了使用者在行进过程中的任意状态止动，从而使得该助步器在使用者静止时将能量锁定，达到了储能省力的设计目的，大大提高了装置的稳定性和可操控性。该发明所设计的新型外骨骼穿戴方式，增强了该类产品的便携性与实用性。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将以明确易懂的方式，结合附图对本发明的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步的说明，其中：

图1：本发明所述的一种无外部动力输入的省力助步器的结构示意图；

图2：本发明所述的锁紧、棘轮及储能结构剖视图；

图3：本发明所述的套筒及其连接组件示意图；

图4：本发明所述的止动棘轮装置结构示意图；

图5：本发明所述的储能扭簧装置结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的优选实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。为使图面简洁，各图只是示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。

实施例一：

参见图1和图2，本无外部动力输入的省力助步器，包括助步器本体(Ⅰ)、连接套件(Ⅱ)、棘轮机构(Ⅲ)和储能扭簧(Ⅳ)，其特征在于：所述助步器本体(Ⅰ)中的鞋体前部(15)、鞋体后部(1)、鞋体后底(6)通过对应的连接轴采用铰接方式同心配合连接；所述连接套件(Ⅱ)中后轴（5）、中轴（9）、棘轮轴(12)、前轴（13）同心配合连接助步器本体(Ⅰ)中的各组成部件；所述棘轮机构(Ⅲ)中的止逆棘爪(10)与异型棘轮(11)在不同行进状态下啮合，以控制装置止动；所述储能扭簧(Ⅳ)中的扭簧(19)固定安装在棘轮轴(12)周向位置，以便存储踝关节绕轴旋转运动时的动能；其运动过程为：人体处于步态支撑相时，止逆棘爪(10)位于异型棘轮(11)轮齿上方，扭簧(19)随装置角度变化压缩以储存能量，直至全脚掌着地；当处于运动状态时，人在行进中的固有惯性会使止逆棘爪(10)自动越过滑槽，同时之前被压缩的扭簧(19)释放，从而辅助完成行进过程。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

所述助步器本体(Ⅰ)包括鞋体前部(15)、鞋体后部(1)、鞋扣(17)、鞋体后底(6)和缓冲胶垫(7、14)，其中鞋体前部(15)通过安装在其上的前轴（13）采用铰接方式与鞋体后部(1)连接，鞋扣(17)通过固定块(2)与鞋体后部(1)连接，缓冲胶垫(7、14)通过胶结方式分别粘连在鞋体后底(6)与鞋体前部(15)；助步器本体(Ⅰ)中除特殊说明外均采用铝制基底，能够保证承受人体自重，缓冲胶垫的可变性橡胶及鞋垫部分海绵鞋垫可使使用者穿着舒适。

所述连接套件(Ⅱ)包括固定块(2)、套筒(3)、T型连杆(4)、后轴（5）、中轴（9）、棘轮轴(12)、前轴（13）和E型扣环(16)，其中固定块(2)、套筒(3)与T型连杆(4)长端通过套筒（3）内置轴同心配合连接，T型连杆(4)短端通过后轴（5）采用铰接方式与鞋体后底(6)连接，滑杆(8)、异型棘轮(11)有齿端与鞋体前部(15)通过中轴（9）同心配合连接，异型棘轮(11)无齿端与鞋体后底(6)通过棘轮轴(12)同心配合连接；上述各连接轴在配合连接之后，均需在其两端辅以E型扣环(16)以约束轴向自由度。

所述棘轮机构(Ⅲ)包括滑杆(8)、止逆棘爪(10)、异型棘轮(11)和直线弹簧(18)，其中滑杆(8)滑动端与套筒(3)滑动连接，滑杆(8)内安装有止逆棘爪(10)；其运动过程为：通过滑杆(8)内的直线弹簧(18)伸缩控制止逆棘爪(10)回复原位，棘轮机构控制装置的止动，免让储能装置的回复力破坏装置的平衡性，以使使用者在行进过程中可在任意状态保持静止；若人体保持静止时，止逆棘爪(10)与异型棘轮(11)轮齿啮合，从而阻碍上抬趋势；若解除静止状态继续运动，则脚稍需轻微下压，使止逆棘爪(10)越过滑槽，解除啮合状态；若一直保持运动状态，人在行进中的固有惯性会使止逆棘爪(10)自动越过滑槽。

所述储能扭簧(Ⅳ)为一个扭簧(19)，其固定安装在棘轮轴(12)周向位置，用于实现踝关节绕轴的旋转运动，即实现踝关节的跖屈/背屈运动自由度；其运动过程为：当人体处于步态支撑相时，止逆棘爪(10)位于异型棘轮(11)轮齿上方，扭簧(19)随装置角度变化压缩以储存能量，直至全脚掌着地；当使用者一直保持运动状态时，人在行进中的固有惯性会使止逆棘爪(10)自动越过滑槽，同时之前被压缩的扭簧(19)释放，从而辅助完成行进过程。

实施例三：

如图1、2所示，本无外部动力输入的省力助步器，包括助步器本体Ⅰ、连接套件Ⅱ、棘轮机构Ⅲ、储能扭簧Ⅳ，其特征在于：所述助步器本体(Ⅰ)包括鞋体前部(15)、鞋体后部(1)、鞋扣(17)、鞋体后底(6)和缓冲胶垫(7、14)，其中鞋体前部(15)通过安装在其上的前轴（13）采用铰接方式与鞋体后部(1)连接，鞋扣(17)通过固定块(2)与鞋体后部(1)连接，缓冲胶垫(7、14)通过胶结方式分别粘连在鞋体后底(6)与鞋体前部(15)。

所述连接套件(Ⅱ)包括固定块(2)、套筒(3)、T型连杆(4)、后轴（5）、中轴（9）、棘轮轴(12)、前轴（13）和E型扣环(16)，其中固定块(2)、套筒(3)与T型连杆(4)长端通过套筒（3）内置轴同心配合连接，T型连杆(4)短端通过后轴（5）采用铰接方式与鞋体后底(6)连接，滑杆(8)、异型棘轮(11)有齿端与鞋体前部(15)通过中轴（9）同心配合连接，异型棘轮(11)无齿端与鞋体后底(6)通过棘轮轴(12)同心配合连接。上述各连接轴在配合连接之后，均需在其两端辅以E型扣环(16)以约束轴向自由度。

所述棘轮机构(Ⅲ)包括滑杆(8)、止逆棘爪(10)、异型棘轮(11)和直线弹簧(18)，其中滑杆(8)滑动端与套筒(3)滑动连接，滑杆(8)内安装有止逆棘爪(10)。所述储能扭簧(Ⅳ)包括扭簧(19)，其固定安装在棘轮轴(12)周向位置，用于实现踝关节绕轴的旋转运动，即实现踝关节的跖屈/背屈运动自由度。

上述一种无外部动力输入的省力助步器，其辅助行走的实现方式是：所述助步器本体穿戴于使用者的双脚后，当其跨步落地时，储能扭簧(13)被压缩后将人体行走时的负功储存，此时止逆棘爪(12)到达异型棘轮(5)齿末端解除啮合状态，继续抬脚时，异型棘轮正向转动且不会受到阻碍；当其抬脚行进时，储存在储能扭簧种负功能量释放，减轻使用者抬脚行进时的施力，从而达到辅助使用者行走的目的。同时，对大量行人进行步态分析之后，发现踝关节在整个步态周期中最大的偏转角平均值为15度，即异型棘轮有齿范围为15度，当使用者处于直立状态时，止逆棘爪与异型棘轮相啮合，整个装置固定，使用者保持静止装态。

进一步，当使用者保持静止状态时，止逆棘爪(12)与异型棘轮(5)的轮齿啮合，阻碍鞋垫后部(1)上抬的趋势，使人体保持静止。当继续运动时，脚需要继续下压，使止逆棘爪(12)越过齿末的滑槽，解除啮合状态，便可以继续行走。若是一直保持运动状态，人在行进中固有的惯性会帮助止逆棘爪(12)越过上述滑槽，无需下压，即可完成行进过程。

以上实施例所述的一种无外部动力输入的省力助步器，其通过安装在助步器底端的储能扭簧的方式，将人体行走过程中做负功的能量储存，在做正功时释放，实现无外部动力输入式助力。同时，基于以上结构的设计，降低外骨骼自重，提高外骨骼的灵活性以及人的行走效率，实现人体在大负重情况下仍可自如行走。而且，运用止逆棘轮机构实现了使用者在行进过程中的任意状态止动，从而使得该助步器在使用者静止时将能量锁定，达到了储能省力的设计目的，大大提高了装置的稳定性和可操控性。该发明所设计的新型外骨骼穿戴方式，增强了该类产品的便携性与实用性。

Claims (4)

1.一种无外部动力输入的省力助步器，包括助步器本体(Ⅰ)、连接套件(Ⅱ)、棘轮机构(Ⅲ)和储能扭簧(Ⅳ)，其特征在于：所述助步器本体(Ⅰ)中的鞋体前部(15)、鞋体后部(1)、鞋体后底(6)通过对应的连接轴采用铰接方式同心配合连接；所述连接套件(Ⅱ)中后轴(5)、中轴(9)、棘轮轴(12)、前轴(13)同心配合连接助步器本体(Ⅰ)中的各组成部件；所述棘轮机构(Ⅲ)中的止逆棘爪(10)与异型棘轮(11)在不同行进状态下啮合，以控制装置止动；所述储能扭簧(Ⅳ)中的扭簧(19)固定安装在棘轮轴(12)周向位置，以便存储踝关节绕轴旋转运动时的动能；其运动过程为：人体处于步态支撑相时，止逆棘爪(10)位于异型棘轮(11)轮齿上方，扭簧(19)随装置角度变化压缩以储存能量，直至全脚掌着地；当处于运动状态时，人在行进中的固有惯性会使止逆棘爪(10)自动越过滑槽，同时之前被压缩的扭簧(19)释放，从而辅助完成行进过程；

所述连接套件(Ⅱ)包括固定块(2)、套筒(3)、T型连杆(4)、后轴(5)、中轴(9)、棘轮轴(12)、前轴(13)和E型扣环(16)，其中固定块(2)、套筒(3)与T型连杆(4)长端通过套筒(3)内置轴同心配合连接，T型连杆(4)短端通过后轴(5)采用铰接方式与鞋体后底(6)连接，滑杆(8)、异型棘轮(11)有齿端与鞋体前部(15)通过中轴(9)同心配合连接，异型棘轮(11)无齿端与鞋体后底(6)通过棘轮轴(12)同心配合连接；上述各连接轴在配合连接之后，均需在其两端辅以E型扣环(16)以约束轴向自由度。

2.根据权利要求1所述的无外部动力输入的省力助步器，其特征在于：所述助步器本体(Ⅰ)包括鞋体前部(15)、鞋体后部(1)、鞋扣(17)、鞋体后底(6)和缓冲胶垫(7、14)，其中鞋体前部(15)通过安装在其上的前轴(13)采用铰接方式与鞋体后部(1)连接，鞋扣(17)通过固定块(2)与鞋体后部(1)连接，缓冲胶垫(7、14)通过胶结方式分别粘连在鞋体后底(6)与鞋体前部(15)；助步器本体(Ⅰ)中除特殊说明外均采用铝制基底，能够保证承受人体自重，缓冲胶垫的可变性橡胶及鞋垫部分海绵鞋垫可使使用者穿着舒适。

3.根据权利要求1所述的无外部动力输入的省力助步器，其特征在于：所述棘轮机构(Ⅲ)包括滑杆(8)、止逆棘爪(10)、异型棘轮(11)和直线弹簧(18)，其中滑杆(8)滑动端与套筒(3)滑动连接，滑杆(8)内安装有止逆棘爪(10)；其运动过程为：通过滑杆(8)内的直线弹簧(18)伸缩控制止逆棘爪(10)回复原位，棘轮机构控制装置的止动，免让储能装置的回复力破坏装置的平衡性，以使使用者在行进过程中可在任意状态保持静止；若人体保持静止时，止逆棘爪(10)与异型棘轮(11)轮齿啮合，从而阻碍上抬趋势；若解除静止状态继续运动，则脚稍需轻微下压，使止逆棘爪(10)越过滑槽，解除啮合状态；若一直保持运动状态，人在行进中的固有惯性会使止逆棘爪(10)自动越过滑槽。

4.根据权利要求1所述的无外部动力输入的省力助步器，其特征在于：所述储能扭簧(Ⅳ)为一个扭簧(19)，其固定安装在棘轮轴(12)周向位置，用于实现踝关节绕轴的旋转运动，即实现踝关节的跖屈/背屈运动自由度；其运动过程为：当人体处于步态支撑相时，止逆棘爪(10)位于异型棘轮(11)轮齿上方，扭簧(19)随装置角度变化压缩以储存能量，直至全脚掌着地；当使用者一直保持运动状态时，人在行进中的固有惯性会使止逆棘爪(10)自动越过滑槽，同时之前被压缩的扭簧(19)释放，从而辅助完成行进过程。

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