CN116214481B - 一种降低行走能量消耗的无源踝关节外骨骼 - Google Patents

Abstract

本发明涉及外骨骼技术领域，且公开了一种降低行走能量消耗的无源踝关节外骨骼，包括足托，足托两端竖直部固定安装有棘轮片，棘轮片外壁上均转动连接有离合器片，离合器片外壁上均转动连接有支撑部，两端支撑部上端固定安装有护腿，两端离合器片上固定安装有护踝，护腿和护踝之间固定安装有牵引弹簧，棘轮片上设有用于降低行走能量消耗的调节组件。本发明通过设计了一种新型的离合装置，使用棘轮棘爪与凸轮机构的组合，解决了传统离合器的噪声和错位卡壳问题，离合器与绑缚结构刚性连接，制动方式由运动角度决定，不再采用滑轮，解决了传统绳索驱动延迟高的问题。

Description

一种降低行走能量消耗的无源踝关节外骨骼

技术领域

本发明涉及外骨骼技术领域，具体为一种降低行走能量消耗的无源踝关节外骨骼。

背景技术

无源外骨骼也即无动力外骨骼，其能量来源于人体自身的代谢能，借助弹性储能机制在下肢运动中的蓄能阶段，将人体在行走产生的部分冗余能量（即部分机械能）化为弹性势能，并在助力阶段将弹性势能转化为机械能反馈给下肢。本发明提出的无源外骨骼将运动过程中本该损耗的机械能（即本该转化为热能的部分机械能）进行回收利用，提高了下肢运动能力，并增加了代谢能量的利用率。

当前外骨骼离合装置如图13所示，图13中13为蓄能弹簧，5和6分别为控制踝和膝关节的棘轮棘爪离合装置，7和8为绳索与离合装置20内的滑轮连接，上述装置在实际使用时，由棘轮棘爪构建的离合装置在运行过程中会出现噪声和错位卡壳等问题，且传统的绳索与滑轮驱动方式与人体匹配方面具有较高的延迟，同时绳索磨损严重，且易被干扰。

发明内容

（一）解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种降低行走能量消耗的无源踝关节外骨骼，具备降低行走能量消耗和行走效果较优等优点，解决了传统离合装置在运行过程中会出现噪声和错位卡壳等问题。

（二）技术方案

为实现上述的目的，本发明提供如下技术方案：一种降低行走能量消耗的无源踝关节外骨骼，包括足托，所述足托两端竖直部固定安装有棘轮片，所述棘轮片外壁上均转动连接有离合器片，所述离合器片外壁上均转动连接有支撑部，两端所述支撑部上端固定安装有护腿，两端离合器片上固定安装有护踝，所述护腿和护踝之间固定安装有牵引弹簧，所述棘轮片上设有用于降低行走能量消耗的调节组件。

优选的，所述调节组件包括转动连接在棘轮片外壁上三角拨片，所述离合器片位于支撑部的旋转轴上套设有第一复位弹簧，所述三角拨片位于棘轮片的旋转轴上套设有第二复位弹簧，所述离合器片外壁上转动连接有棘爪，所述棘爪位于离合器片的旋转轴上套设有第三复位弹簧，所述离合器片上固定安装有棘爪限位片，所述棘爪外壁与棘爪限位片内壁相切，所述棘轮片外壁上固定安装有限位凸起。

优选的，所述护腿内壁固定安装有气垫，所述气垫外壁上固定安装多组固定环，所述固定环内穿插有绳索。

优选的，所述足托内设有空腔，所述空腔底腔上端面固定安装有滑轨，所述滑轨内固定安装有滑杆，所述滑杆外壁上滑动连接有两组滑块，两组所述滑块之间固定安装有压缩弹簧，所述压缩弹簧套设在所述滑杆外壁上，所述滑块上端面设有用于降低足托能量消耗的辅助组件。

优选的，所述辅助组件包括固定安装在滑块上端面的轴座，所述空腔内固定安装有两组支撑板，所述支撑板外壁上转动连接有连杆，所述连杆的旋转轴上固定安装有连接杆，所述连接杆一端相对应的转动连接在轴座上，所述空腔底端设有两组缺口，所述缺口内固定安装有三组限位块，所述连杆外壁上设有滑槽，所述限位块穿出于滑槽，所述连杆一端固定安装有足力支撑件。

（三）有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种降低行走能量消耗的无源踝关节外骨骼，具备以下有益效果：

1、本发明通过设计了一种新型的离合装置，使用棘轮棘爪与凸轮机构的组合，解决了传统离合器的噪声和错位卡壳问题，离合器与绑缚结构刚性连接，制动方式由运动角度决定，不再采用滑轮，解决了传统绳索驱动延迟高的问题，绳索与绑缚机构不再有摩擦，解决了绳索磨损严重的问题。

2、本发明通过设计了一种新型的离合装置，通过将离合器集成到绑缚机构上，降低了外界干扰，提高使用过程中的隐蔽性，牵引弹簧两端的绳索不再连接到离合器片上，避免了额外的能量损失，同时在目前已有绑缚机构的基础上进行了改进，进行刚柔耦合，外骨骼不再需要摩擦来固定，解决了外骨骼对用户体表肌肤摩擦过大的问题。

3、本发明通过在足托内设置辅助组件，当脚落地时，两组足力支撑件相继受力，被压入足托内，带动连杆上的连接杆在支撑板和轴座上转动，使得滑杆外壁上的滑块做相向运动，此时压缩弹簧开始蓄能，蓄能结束后，小腿肌肉收缩，脚后跟抬起，压缩弹簧开始释放能量，协助小腿发力，产生一定的助力效果。

附图说明

图1为本发明提出的一种降低行走能量消耗的无源踝关节外骨骼结构示意图；

图2为本发明提出的一种降低行走能量消耗的无源踝关节外骨骼中调节组件结构示意图；

图3为本发明提出的一种降低行走能量消耗的无源踝关节外骨骼中调节组件爆炸图；

图4为本发明提出的一种降低行走能量消耗的无源踝关节外骨骼中准备阶段示意图；

图5（a）-图5（d）为本发明提出的一种降低行走能量消耗的无源踝关节外骨骼中蓄能-放能阶段的示意图；

图6为本发明提出的一种降低行走能量消耗的无源踝关节外骨骼中储能完成阶段结构示意图；

图7为本发明提出的一种降低行走能量消耗的无源踝关节外骨骼中能量释放结构示意图；

图8为本发明提出的一种降低行走能量消耗的无源踝关节外骨骼中主视图；

图9为本发明提出的一种降低行走能量消耗的无源踝关节外骨骼中左视图；

图10为本发明提出的一种降低行走能量消耗的无源踝关节外骨骼中后视图；

图11为本发明提出的一种降低行走能量消耗的无源踝关节外骨骼中足托剖视示意图；

图12为本发明提出的一种降低行走能量消耗的无源踝关节外骨骼中a处放大示意图；

图13为现有技术的外骨骼棘轮棘爪离合装置状态示意图。

图中：1、足托；2、棘轮片；3、离合器片；4、支撑部；5、护腿；6、护踝；7、牵引弹簧；8、三角拨片；9、第一复位弹簧；10、第二复位弹簧；11、棘爪；12、第三复位弹簧；13、棘爪限位片；14、限位凸起；15、气垫；16、固定环；17、空腔；18、滑轨；19、滑杆；20、滑块；21、压缩弹簧；22、轴座；23、支撑板；24、连杆；25、连接杆；26、缺口；27、限位块；28、滑槽；29、足力支撑件；100、调节组件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

参照附图1-10,一种降低行走能量消耗的无源踝关节外骨骼，包括足托1，足托1两端竖直部固定安装有棘轮片2，棘轮片2外壁上均转动连接有离合器片3，离合器片3外壁上均转动连接有支撑部4，两端支撑部4上端固定安装有护腿5，两端离合器片3上固定安装有护踝6，护腿5和护踝6之间固定安装有牵引弹簧7，棘轮片2上设有用于降低行走能量消耗的调节组件100；

棘爪11和三角拨片8相当于凸轮结构，通过棘轮棘爪与凸轮机构的组合，解决了传统离合器的噪声和错位卡壳问题；

调节组件100包括转动连接在棘轮片2外壁上三角拨片8，离合器片3位于支撑部4的旋转轴上套设有第一复位弹簧9，三角拨片8位于棘轮片2的旋转轴上套设有第二复位弹簧10，离合器片3外壁上转动连接有棘爪11，棘爪11位于离合器片3的旋转轴上套设有第三复位弹簧12，离合器片3上固定安装有棘爪限位片13，棘爪11外壁与棘爪限位片13内壁相切，棘轮片2外壁上固定安装有限位凸起14；

离合器片3和棘爪限位片13通过螺栓固定连接，棘爪11和离合器片3铰接，可以相对旋转，第三复位弹簧12使得棘爪11始终受到一个顺时针方向的力，相对于离合器片3旋转；支撑部4和离合器片3铰接，可以相对旋转，第一复位弹簧9使得离合器片3始终受到一个逆时针方向的力；三角拨片8和棘轮片2铰接，三角拨片8和棘轮片2之间安装有刚度较大的第二复位弹簧10，使三角拨片8始终受到一个顺时针方向的力，棘轮片2上有限位凸起14，限制三角拨片8的旋转，棘爪11在第三复位弹簧12的作用下，和三角拨片8始终保持相切关系；

护腿5内壁固定安装有气垫15，气垫15外壁上固定安装多组固定环16，固定环16内穿插有绳索；

气垫15与小腿直接接触，气垫15与护腿5通过螺栓连接，避免护腿5与小腿刚性接触，气垫15前端有六个固定环16，便于穿进绳索，用于扎紧气垫15，使其更加贴合小腿曲线，工作时受力更加均匀，支撑部4主要承担牵引弹簧7伸长时较大的竖直分力，不再靠绑缚机构与皮肤之间的摩擦来提供力，依据杠杆原理小腿只需要承担一部分水平分力，在气垫15缓冲下，极大的提高了穿戴者的舒适性。

当刚开始走路时，脚后跟先着地，足托1受到脚掌的压力，在一定的时间内，足托1、棘轮片2、三角拨片8相对于地面保持静止，此后小腿相对于地面做顺时针转动，带动护腿5，支撑部4顺时针转动，同时牵引弹簧7、护踝6、拉动离合器片3，使其顺时针转动（离合器片3、棘爪限位片13同轴转动）；棘爪11和三角拨片8始终相切，在三角拨片8固定的情况下，棘爪11开始接近棘轮片2；

当离合器片3转过一定角度时，棘爪11和棘轮片2啮合，此时离合器锁死，在人体重力的作用下，足托1、棘轮片2、三角拨片8、离合器片3、棘爪11、棘爪限位片13相对于地面保持静止，此后小腿相对于地面继续转动，支撑部4转动，拉伸牵引弹簧7，牵引弹簧7开始蓄能；

蓄能结束后，小腿肌肉收缩，脚后跟抬起，此时足部不再压着足托1，在牵引弹簧7的拉力下，足托1和护踝6开始协助踝关节旋转，牵引弹簧7收缩，开始释放能量，协助小腿发力，产生助力效果；

足托1、棘轮片2、三角拨片8、离合器片3、棘爪11、棘爪限位片13对于支撑部4顺时针转动，当能量释放完毕，牵引弹簧7回收结束，此时足部继续顺时针转动，足托1、棘轮片2、三角拨片8相对于离合器片3顺时针转动，三角拨片8将棘爪11弹开，离合器片3松开，在第一复位弹簧9的作用下，离合器片3相对于支撑部4逆时针转动，复位。

实施例2：基于实施例1有所不同的是；

参照附图10-12,足托1内设有空腔17，空腔17底腔上端面固定安装有滑轨18，滑轨18内固定安装有滑杆19，滑杆19外壁上滑动连接有两组滑块20，两组滑块20之间固定安装有压缩弹簧21，压缩弹簧21位碳素弹簧，碳素弹簧强度高，便于日常工作中的使用，压缩弹簧21套设在滑杆19外壁上，滑块20上端面设有用于降低足托1能量消耗的辅助组件；

辅助组件包括固定安装在滑块20上端面的轴座22，空腔17内固定安装有两组支撑板23，支撑板23外壁上转动连接有连杆24，连杆24的旋转轴上固定安装有连接杆25，连接杆25一端相对应的转动连接在轴座22上，空腔17底端设有两组缺口26，缺口26内固定安装有三组限位块27，连杆24外壁上设有滑槽28，限位块27穿出于滑槽28，连杆24一端固定安装有足力支撑件29。

本发明通过设置辅助组件，当脚落地时，两组足力支撑件29相继受力，被压入足托1内，带动连杆24上的连接杆25在支撑板23和轴座22上转动，使得滑杆19外壁上的滑块20做相向运动，此时压缩弹簧21开始蓄能，蓄能结束后，小腿肌肉收缩，脚后跟抬起，压缩弹簧21开始释放能量，协助小腿发力，产生一定的助力效果。

需要说明的是，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种降低行走能量消耗的无源踝关节外骨骼，包括足托（1），其特征在于：所述足托（1）两端竖直部固定安装有棘轮片（2），所述棘轮片（2）外壁上均转动连接有离合器片（3），所述离合器片（3）外壁上均转动连接有支撑部（4），两端所述支撑部（4）上端固定安装有护腿（5），两端离合器片（3）上固定安装有护踝（6），所述护腿（5）和护踝（6）之间固定安装有牵引弹簧（7），所述棘轮片（2）上设有用于降低行走能量消耗的调节组件（100）；

所述调节组件（100）包括转动连接在棘轮片（2）外壁上三角拨片（8），所述离合器片（3）位于支撑部（4）的旋转轴上套设有第一复位弹簧（9），所述三角拨片（8）位于棘轮片（2）的旋转轴上套设有第二复位弹簧（10），所述离合器片（3）外壁上转动连接有棘爪（11），所述棘爪（11）位于离合器片（3）的旋转轴上套设有第三复位弹簧（12），所述离合器片（3）上固定安装有棘爪限位片（13），所述棘爪（11）外壁与棘爪限位片（13）内壁相切，所述棘轮片（2）外壁上固定安装有限位凸起（14）。

2.根据权利要求1所述的一种降低行走能量消耗的无源踝关节外骨骼，其特征在于：所述护腿（5）内壁固定安装有气垫（15），所述气垫（15）外壁上固定安装固定环（16），所述固定环（16）内穿插有绳索。

3.根据权利要求1所述的一种降低行走能量消耗的无源踝关节外骨骼，其特征在于：所述足托（1）内设有空腔（17），所述空腔（17）底腔上端面固定安装有滑轨（18），所述滑轨（18）内固定安装有滑杆（19），所述滑杆（19）外壁上滑动连接有两组滑块（20），两组所述滑块（20）之间固定安装有压缩弹簧（21），所述压缩弹簧（21）套设在所述滑杆（19）外壁上，所述滑块（20）上端面设有用于降低足托（1）能量消耗的辅助组件。