CN112917462A - 一种提线式踝关节助力装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提线式踝关节助力装置，包括：腰部单元，固定在使用者的腰部；左助力鞋体和右助力鞋体，分别穿在使用者的左脚和右脚；左助力机构，设置在所述腰部单元，包括左连接绳和左驱动件，所述左连接绳的一端与所述左助力鞋体相连，另一端与所述左驱动件相连，由所述左驱动件驱动所述左连接绳收紧或放松；右助力机构，设置在所述腰部单元，包括右连接绳和右驱动件，所述右连接绳的一端与所述右助力鞋体相连，另一端与所述右驱动件相连，由所述右驱动件驱动所述右连接绳收紧或放松。

Description

一种提线式踝关节助力装置

技术领域

本申请涉及外骨骼助力技术领域，尤其涉及一种提线式踝关节助力装置。

背景技术

可穿戴机器人是作为人机交互领域的典型机器人出现，通常指根据人们的身体结构及肢体功能设计，可以由人们穿戴并实现一定功能。可穿戴机器人可以将人的智慧、灵活的操作能力与机器人装置的耐力、负载能力等相结合。其中，可穿戴行走助力外骨骼能够为穿戴者行走减轻不必要的身体负担，以达到一定的减负或者康复作用。

目前已有的行走助力外骨骼多作用于人体的踝关节，分为主动式踝关节外骨骼和被动式踝关节外骨骼。其中，被动式踝关节外骨骼是通过储存穿戴者在行走过程中做负功的能量，然后在穿戴者需要做正功时反馈给人体；主动式外踝关节外骨骼一般具有电机、液压或气动等力输出装置，主动提供穿戴者行走时关节所需要的力。但被动式踝关节外骨骼通常难以配合人体具体步态做出应变调整，以及其所提供的能量因人而异，难以有效降低人体关节负载情况。相比较而言主动式踝关节外骨骼具有更大的适应能力和负载能力，因此主动式踝关节外骨骼具有更大的发展前景。

然而，现有的主动式外骨骼多是通过柔性绑带将执行器绑定于小腿肚上，为使执行器能精准有效作动，需要保证固定点牢靠，因此需要将柔性绑带紧紧绑缚在穿戴者的小腿肚上，这样严重影响了穿戴者的腿部肌肉发力，同时增加了摆动腿的负载。

发明内容

本申请实施例的目的是提供一种提线式踝关节助力装置，以解决相关技术中存在的不足。

根据本申请实施例，提供一种提线式踝关节助力装置，包括：腰部单元，固定在使用者的腰部；左助力鞋体和右助力鞋体，分别穿在使用者的左脚和右脚；左助力机构，设置在所述腰部单元，包括左连接绳和左驱动件，所述左连接绳的一端与所述左助力鞋体相连，另一端与所述左驱动件相连，由所述左驱动件驱动所述左连接绳收紧或放松；右助力机构，设置在所述腰部单元，包括右连接绳和右驱动件，所述右连接绳的一端与所述右助力鞋体相连，另一端与所述右驱动件相连，由所述右驱动件驱动所述右连接绳收紧或放松。

进一步地，所述腰部单元包括：腰部基板和连接在所述腰部基板左右两侧的左绑带和右绑带。

进一步地，所述左驱动件包括左舵机和安装在所述左舵机输出轴上的左集线轮，所述左连接绳卷绕在所述左集线轮上。

进一步地，所述右驱动件包括右舵机和安装在所述右舵机输出轴上的右集线轮，所述右连接绳卷绕在所述右集线轮上。

进一步地，所述腰部单元还包括：固定壳体和安装在所述固定壳体上的控制单元。

进一步地，所述左助力鞋体和右助力鞋体上均安装有足型压力传感器模块和处理单元，所述足型压力传感器模块与处理单元电连接，两个处理单元均与所述控制单元电连接。

进一步地，所述左助力鞋体和右助力鞋体，均包括鞋帮、踝部弹簧绑带、鞋面弹簧绑带、鞋底、环钩，所述踝部弹簧绑带与鞋帮固定连接，所述外环钩和内环钩均与所述鞋帮固定接连，鞋帮与鞋底固定连接，所述鞋面弹簧绑带与所述鞋底固定连接。

进一步地，所述鞋底上开有一足型沉槽，侧面开口方形孔，足型压力传感器模块粘黏于鞋底足型沉槽内，软排线通过鞋底侧方孔连接足型压力传感器模块与处理单元。

进一步地，所述左连接绳包括左长连接线、左连接块和左短连接线，所述左长连接线的一端与左驱动件相连，另一端通过所述左连接块与所述左短连接线相连，所述左短连接线的两端连接在所述左助力鞋体后部两侧。

进一步地，所述右连接绳包括右长连接线、右连接块和右短连接线，所述右长连接线的一端与右驱动件相连，另一端通过所述右连接块与所述右短连接线相连，所述右短连接线的两端连接在所述右助力鞋体后部两侧。

本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

由上述实施例可知，本申请的该助力机构装置将左、右助力机构设置在所述腰部单元，这样减轻了常规设计中捆绑于小腿肚的质量，进而减轻了人体步态周期内摆动腿的负载；左、右助力机构通过左、右连接绳提拉的形式传递至左、右助力鞋体来帮助穿戴者踝关节的运动，在人体腿部没有布置任何的机构和绑带，降低了对人体腿部肌肉群正常发力的影响，使该踝关节助力机构的穿戴更加舒适和“隐形”。本发明实施例提供的助力鞋装置相对于其他主动式踝关节外骨骼系统，结构更加简单，通过调节左、右连接线初始长度可以适配不同身高的穿戴者，更具有适应性。本发明提供的连接线提拉形式使驱动件远离人体腿部，大大提高了人体脚步的自由度，不会出现在坐、蹲等姿势不适用的情况，同时解放人体小腿肚，降低对人体自身肌肉发力的影响。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1是本发明一示例性实施例提供的提线式踝关节助力装置轴测结构简图；

图2是本发明一示例性实施例提供的腰部单元仰视机构简图；

图3是本发明一示例性实施例提供的线缆单元示意图；

图4是本发明一示例性实施例提供的助力鞋体机构简图；

图5是本发明一示例性实施例提供的信息能量流动示意图；

图中，腰部单元1、线缆单元2、左助力鞋体3、右助力鞋体4、腰部基板5、固定壳体6、控制单元7、左集线轮8、左舵机9、左绑带10、右集线轮11、右舵机12、右绑带13、左长连接线14、左电线15、左连接块16、左短连接线17、右长连接线18、右电线19、右连接块20、右短连接线21、鞋帮22、踝部弹簧绑带23、鞋面弹簧绑带24、足型压力传感器模块25、鞋底26、处理单元27、外环钩28、软排线29、内环钩30。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

图1是本发明一示例性实施例提供的提线式踝关节助力装置轴测结构简图，参考图1，本发明实施例提供一种提线式踝关节助力装置可以包括：腰部单元1，固定在使用者的腰部；左助力鞋体3和右助力鞋体4，分别穿在使用者的左脚和右脚；左助力机构，设置在所述腰部单元1，包括左连接绳和左驱动件，所述左连接绳的一端与所述左助力鞋体3相连，另一端与所述左驱动件相连，由所述左驱动件驱动所述左连接绳收紧或放松；右助力机构，设置在所述腰部单元1，包括右连接绳和右驱动件，所述右连接绳的一端与所述右助力鞋体3相连，另一端与所述右驱动件相连，由所述右驱动件驱动所述右连接绳收紧或放松。

由上述实施例可知，本申请的该助力机构装置将左、右助力机构设置在所述腰部单元，这样减轻了常规设计中捆绑于小腿肚的质量，进而减轻了人体步态周期内摆动腿的负载；左、右助力机构通过左、右连接绳提拉的形式传递至左、右助力鞋体来帮助穿戴者踝关节的运动，在人体腿部没有布置任何的机构和绑带，降低了对人体腿部肌肉群正常发力的影响，使该踝关节助力机构的穿戴更加舒适和“隐形”。本发明实施例提供的助力鞋装置相对于其他主动式踝关节外骨骼系统，结构更加简单，通过调节左、右连接线初始长度可以适配不同身高的穿戴者，更具有适应性。本发明提供的连接线提拉形式使驱动件远离人体腿部，大大提高了人体脚步的自由度，不会出现在坐、蹲等姿势不适用的情况，同时解放人体小腿肚，降低对人体自身肌肉发力的影响。

本发明实施例中，所述腰部单元1包括：腰部基板5和连接在所述腰部基板5左右两侧的左绑带10和右绑带13。具体地，所述腰部基板5左右两侧开连接孔，所述左绑带10和右绑带13通过连接孔与腰部基板5连接。左绑带10和右绑带13可以为通用的魔术贴材料，可以相互粘连，通过两个绑带，可以将腰部单元1固定在人体腰部。

进一步的技术方案是，所述腰部单元1还可包括：固定壳体6和安装在所述固定壳体6上的控制单元7，所述控制单元主要是用于控制左、右驱动件实现位置控制。本实例的所述控制单元7可以采用STC15W408S的产品，但不限于此。

本发明实施例中，所述左驱动件包括左舵机9和安装在所述左舵机9输出轴上的左集线轮8，所述左连接绳卷绕在所述左集线轮8上；所述右驱动件包括右舵机12和安装在所述右舵机12输出轴上的右集线轮11，所述右连接绳卷绕在所述右集线轮11上。所述左舵机9和右舵机12均与所述控制单元7电连接，受控于控制单元7。穿戴者第一次穿戴时，可以通过释放和回卷集线轮来调整连接绳初始长度，以此来适应不同身高的穿戴者人体下肢的长度。

进一步的技术方案是，所述左助力鞋体3和右助力鞋体4上均安装有足型压力传感器模块25和处理单元27，所述左助力鞋体3的处理单元27通过左电线15与控制单元7电连接；所述右助力鞋体4的处理单元27通过右电线19与控制单元7电连接。本实例的所述处理单元27可以采用STC15W408S的产品，但不限于此。

所述的足型压力传感器模块25用于检测人体脚掌与地面作用力，可以计算人体重心在支撑面内的投影位置，重心投影位置在步态周期内随时间的变化可以理解为步态信息。如，当后脚跟着地时，后脚跟处压力较大，前脚掌处压力较小，人体重心靠近后脚跟；后脚跟着地到前脚掌着地过程中，重心向前脚掌移动；当前脚掌着地时，前脚掌处压力较大，后脚跟处压力较小，人体重心靠近前脚掌。通过足型压力传感器模块25的测量得到人体重心位置的变化曲线以揭示人体正在处于何种步态。该步态信息通过软排线29传达至处理单元27进行简单的滤波和放大，保证传输过程信号的质量。

这里的足型压力传感器模块25类型为多感应点式压阻式柔性薄膜传感器，其阻值随作用力大小变化而变化，处理单元27按预定采样频率读取足型压力传感器模块25各感应点阻值进行检测转化为电压值，并通过模数转化模块得到数字量，再计算人体重心位置并添加时间戳，进而得到人体重心位置随时间的变化曲线，从而以揭示人体正在处于何种步态。

利用足型压力传感器模块25检测人体运动步态信息，能够通过计算分析，实现以单传感器模块映射人体运动步态信息，最大程度地降低了踝关节助力装置的成本和加工难度，同时全脚掌的检测方式又保留较为全面的人体步态信息。

所述控制单元7根据人体重心位置来控制驱动舵机运动。人体重心位置信号及对应的作用时间戳信号经过放大驱动后传递至控制单元7，最后控制单元7根据当前步态的类型来控制左舵机9和右舵机12，辅助人体踝关节运动，实现助力效果。如，在正常的人体步态周期内，当人体重心位置靠近脚后跟时，认为该脚处在脚跟着地阶段，此时控制舵机做负功缓冲人体踝关节运动。当人体重心位置靠近脚尖时，人体该脚处在脚尖离地阶段，此时控制舵机做正功助力人体踝关节运动。

控制单元7通过分析计算人体步态，进而控制舵机，相对于传统的踝关节外骨骼更加精准、高效和舒适，同时有效提高了续航时间。

本发明实施例中，所述左助力鞋体3和右助力鞋体4，均包括鞋帮22、踝部弹簧绑带23、鞋面弹簧绑带24、鞋底26、环钩(可分为外环钩28、内环钩30)，所述踝部弹簧绑带23与鞋帮22固定连接，所述外环钩28和内环钩30均与所述鞋帮22固定接连，鞋帮22与鞋底26固定连接，所述鞋面弹簧绑带24与所述鞋底26固定连接。鞋帮22、鞋面弹簧绑带24和鞋底26的组合基本实现了鞋的基本功能，是左助力鞋体3和右助力鞋体4与穿戴者的双足保持相对固定。而外环钩28和内环钩30为提线驱动提供连接接口。

进一步的技术方案是，所述鞋底26上开有一足型沉槽，侧面开口方形孔，足型压力传感器模块25粘黏于鞋底26足型沉槽内，软排线29通过鞋底侧方孔连接足型压力传感器模块25与处理单元27。

本发明实施例中，所述左连接绳包括左长连接线14、左连接块16和左短连接线17，所述左长连接线14的一端与左驱动件相连，另一端通过所述左连接块16与所述左短连接线17相连，所述左短连接线17的两端连接分布在所述左助力鞋体3后部两侧对称布置的外环钩28、内环钩30。左连接绳实现了力的传递，所述腰部单元1中左舵机9产生的驱动力通过带动的左集线轮8、左长连接线14及左短连接线17传递至左助力鞋体3。左短连接线17两端连接左助力鞋3的内外环钩，使力的合力作用点尽可能在足底正中，使鞋体更加平衡，从而提高穿戴舒适度。

所述右连接绳包括右长连接线18、右连接块20和右短连接线21，所述右长连接线18的一端与右驱动件相连，另一端通过所述右连接块20与所述右短连接线21相连，所述右短连接线21的两端连接分布在所述右助力鞋体4后部两侧对称布置的外环钩、内环钩。右连接绳实现了力的传递，所述腰部单元1中右舵机12产生的驱动力通过带动的右集线轮11、右长连接线18及右短连接线21传递至右助力鞋体4。右短连接线21两端连接右助力鞋4的内外环钩，使力的合力作用点尽可能在足底正中，使鞋体更加平衡，从而提高穿戴舒适度。

需要说明的是，为了保证相对轻巧、隐形和大强度，这里的左长连接线14、左短连接线17、右长连接线18和右短连接线21可以采用迪卡侬03号的鱼线，但不限于此，相对而言，鱼线能够简单获取，具有柔软有韧性又不易变形，纤细难以察觉，同时能够承受高强拉力等特点，能够降低设备成本，提高可靠性。

结合图5对本发明如何实现助力功能进一步阐述。人体穿着该设备行走时，人体足部与地面作用力表征于左、右助力鞋体(3、4)的足型压力传感器模块25是其各感应点阻值发生变化，处理单元27按预定采样频率通过软排线29读取足型压力传感器模块25各感应点阻值进行检测转化为电压值，并通过模数转化模块得到数字量，再计算人体重心位置并添加时间戳，进而得到人体重心位置随时间的变化曲线，从而以揭示人体正在处于何种步态。人体重心位置信号及对应的作用时间戳信号通过左、右电线(15、19)传送至腰部单元1的控制单元7，经过数据分析计算得到该穿戴者需求补足的力大小和作用时间点，控制左、右舵机(9、12)在确定时间以确定力转动，该转动通过左、右长连接线(14、18)、左、右连接块(16、20)、左、右短连接线(17、21)以提拉的形式传递至左、右助力鞋体(3、4)，左、右助力鞋体(3、4)支撑人体足部运动，实现对人体踝关节的助力。该过程随着人体周期性步态的发生而循环往复。

需要说明的是，本设备需要的动力源可以采用锂电池，锂电池可以放置在固定壳体6上，锂电池为控制单元7、左舵机9、右舵机12供电，同时通过左，右电线(15，19)为处理单元27供电。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种提线式踝关节助力装置，其特征在于，包括：

腰部单元，固定在使用者的腰部；

左助力鞋体和右助力鞋体，分别穿在使用者的左脚和右脚；

左助力机构，设置在所述腰部单元，包括左连接绳和左驱动件，所述左连接绳的一端与所述左助力鞋体相连，另一端与所述左驱动件相连，由所述左驱动件驱动所述左连接绳收紧或放松；

右助力机构，设置在所述腰部单元，包括右连接绳和右驱动件，所述右连接绳的一端与所述右助力鞋体相连，另一端与所述右驱动件相连，由所述右驱动件驱动所述右连接绳收紧或放松。

2.根据权利要求1所述的一种提线式踝关节助力装置，其特征在于，所述腰部单元包括：腰部基板和连接在所述腰部基板左右两侧的左绑带和右绑带。

3.根据权利要求1所述的一种提线式踝关节助力装置，其特征在于，所述左驱动件包括左舵机和安装在所述左舵机输出轴上的左集线轮，所述左连接绳卷绕在所述左集线轮上。

4.根据权利要求1或3所述的一种提线式踝关节助力装置，其特征在于，所述右驱动件包括右舵机和安装在所述右舵机输出轴上的右集线轮，所述右连接绳卷绕在所述右集线轮上。

5.根据权利要求1所述的一种提线式踝关节助力装置，其特征在于，所述腰部单元还包括：固定壳体和安装在所述固定壳体上的控制单元。

6.根据权利要求5所述的一种提线式踝关节助力装置，其特征在于，所述左助力鞋体和右助力鞋体上均安装有足型压力传感器模块和处理单元，所述足型压力传感器模块与处理单元电连接，两个处理单元均与所述控制单元电连接。

7.根据权利要求1所述的一种提线式踝关节助力装置，其特征在于，所述左助力鞋体和右助力鞋体，均包括鞋帮、踝部弹簧绑带、鞋面弹簧绑带、鞋底、环钩，所述踝部弹簧绑带与鞋帮固定连接，所述外环钩和内环钩均与所述鞋帮固定接连，鞋帮与鞋底固定连接，所述鞋面弹簧绑带与所述鞋底固定连接。

8.根据权利要求7所述的一种提线式踝关节助力装置，其特征在于，所述鞋底上开有一足型沉槽，侧面开口方形孔，足型压力传感器模块粘黏于鞋底足型沉槽内，软排线通过鞋底侧方孔连接足型压力传感器模块与处理单元。

9.根据权利要求1所述的一种提线式踝关节助力装置，其特征在于，所述左连接绳包括左长连接线、左连接块和左短连接线，所述左长连接线的一端与左驱动件相连，另一端通过所述左连接块与所述左短连接线相连，所述左短连接线的两端连接在所述左助力鞋体后部两侧。

10.根据权利要求1或9所述的一种提线式踝关节助力装置，其特征在于，所述右连接绳包括右长连接线、右连接块和右短连接线，所述右长连接线的一端与右驱动件相连，另一端通过所述右连接块与所述右短连接线相连，所述右短连接线的两端连接在所述右助力鞋体后部两侧。

Images