一種用于下肢助力外骨骼的被動(dòng)儲(chǔ)能足部機(jī)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于下肢助力外骨骼的被動(dòng)儲(chǔ)能足部機(jī)構(gòu)，屬于機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]外骨骼機(jī)器人是一種可穿戴的機(jī)械系統(tǒng)，通過穿戴者與外骨骼的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)助力、助行及康復(fù)治療的功能。下肢外骨骼機(jī)器人無論是助力、助行還是輔助醫(yī)療康復(fù)訓(xùn)練功能，足部機(jī)構(gòu)都要有一定的輔助支撐作用及類人自由度。
[0003]依據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，人體踝關(guān)節(jié)可實(shí)現(xiàn)三自由度運(yùn)動(dòng)，即繞運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的背屈/跖屈、外展/內(nèi)收及旋外/旋內(nèi)運(yùn)動(dòng);依據(jù)踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)肌腱功能特征，人體踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)主要依據(jù)韌帶、跟腱等實(shí)現(xiàn)及限制踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng);依據(jù)足部構(gòu)造，人體足弓結(jié)構(gòu)對(duì)身體重力下傳和地面反彈力起著重要的緩沖震蕩的作用;依據(jù)足部功能，人體足部在站立或活動(dòng)時(shí)均起支持作用，且在活動(dòng)時(shí)不同的姿勢(shì)可以構(gòu)成不同形式的杠桿作用。
[0004]下肢助力外骨骼有些足部機(jī)構(gòu)由可支撐穿戴者整個(gè)腳部的剛性板結(jié)合自由度為
1、2或3的機(jī)械踝關(guān)節(jié)組成，為避免自由度不可控帶來的危險(xiǎn)性，機(jī)械踝關(guān)節(jié)各個(gè)自由度通常會(huì)采用電機(jī)、液壓缸等進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，該類足部機(jī)構(gòu)靈活性差、控制難度大、對(duì)控制系統(tǒng)要求極高、成本相對(duì)較高;有些腳底機(jī)構(gòu)采用后腳掌剛性連接踝關(guān)節(jié)，整個(gè)腳部采用彈性材料支撐，或前后腳掌采用分離式結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)動(dòng)副連接彈性前后腳掌，主要滿足人體行走過程中跖趾關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)需求，該類現(xiàn)有足部機(jī)構(gòu)足底尺寸厚、足底連接件多、實(shí)用性差、足尖蹬地時(shí)對(duì)穿戴者支撐及助力功能減弱；也有一些新型足部機(jī)構(gòu)在踝關(guān)節(jié)前后布置一對(duì)彈簧，用于減少穿戴者在矢狀面踝關(guān)節(jié)受力，但彈簧固定端始終固定在足部基座上，在運(yùn)動(dòng)過程中拉伸彈簧或壓縮彈簧的性能不明確，且有雙向彈簧阻力，助力效果未達(dá)到最優(yōu)。
[0005]具有運(yùn)動(dòng)能力、負(fù)重需求的人群需要一種可降低負(fù)重率及其自身重量對(duì)踝關(guān)節(jié)影響的下肢助力外骨骼，即可以在腿支撐階段對(duì)穿戴者踝關(guān)節(jié)提供支撐力的外骨骼，并在整個(gè)步態(tài)周期內(nèi)利用被動(dòng)儲(chǔ)存的能量輔助完成行走行為，對(duì)控制系統(tǒng)及傳感器依賴性低，能耗低，該類外骨骼屬于一種新型半被動(dòng)外骨骼，現(xiàn)有外骨骼足部機(jī)構(gòu)均不能夠滿足此需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]技術(shù)問題:本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:提供一種用于下肢助力外骨骼的被動(dòng)儲(chǔ)能足部機(jī)構(gòu)，該足部機(jī)構(gòu)充分利用人體足部構(gòu)造、運(yùn)動(dòng)性能、人體及外骨骼質(zhì)量及慣性作用，實(shí)現(xiàn)踝關(guān)節(jié)被動(dòng)儲(chǔ)能及支撐能力、足尖蹬地動(dòng)作實(shí)現(xiàn)及狀態(tài)自動(dòng)恢復(fù)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穿戴方便，可移植性高，實(shí)現(xiàn)低能耗行走。
[0007]技術(shù)方案:為了解決上述問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0008]—種用于下肢助力外骨骼的被動(dòng)儲(chǔ)能足部機(jī)構(gòu)，包括:
[0009]踝關(guān)節(jié)單元，其包括桿端關(guān)節(jié)軸承、關(guān)節(jié)支撐座以及依次穿過桿端關(guān)節(jié)軸承的下端和關(guān)節(jié)支撐座的上端的關(guān)節(jié)支撐軸；
[0010]足側(cè)面板，其下端與關(guān)節(jié)支撐座的下端相連接，所述關(guān)節(jié)支撐軸依次穿過足側(cè)面板的上端、桿端關(guān)節(jié)軸承的下端和關(guān)節(jié)支撐座的上端開設(shè)的孔；
[0011]腳底板單元，其包括剛性后腳跟、設(shè)置在剛性后腳跟前端的剛性前腳掌、安裝在剛性后腳跟內(nèi)側(cè)的前端的第一固定件、安裝在剛性前腳掌的內(nèi)側(cè)的后端的第二固定件、第一內(nèi)側(cè)板簧、第二內(nèi)側(cè)板簧、第一外側(cè)板簧、第二外側(cè)板簧、安裝在剛性前腳掌的外側(cè)的后端的第三固定件和第四固定件，其中，所述第一內(nèi)側(cè)板簧和第二內(nèi)側(cè)板簧相互疊加組合，通過第一固定件與剛性后腳跟連接，并通過第二固定件與剛性前腳掌連接，所述第一外側(cè)板簧和第二外側(cè)板簧相互疊加組合，通過第三固定件及第四固定件與剛性前腳掌連接，所述足側(cè)面板設(shè)置在剛性后腳跟和關(guān)節(jié)支撐座之間，并且所述關(guān)節(jié)支撐座、足側(cè)面板和剛性后腳跟依次相互連接；
[0012]捆綁單元，其包括前捆綁單元和后捆綁單元，所述前捆綁單元的兩側(cè)分別安裝在所述剛性前腳掌的兩側(cè)，所述后捆綁單元的兩側(cè)分別安裝在所述剛性后腳跟的內(nèi)側(cè)邊和足側(cè)面板的頂部；
[0013]彈簧支撐單元，其包括第一支撐件、第二支撐件、依次穿過第一支撐件和第二支撐件的第一彈簧連接桿以及第二彈簧連接桿，所述桿端關(guān)節(jié)軸承的頂部安裝在第一支撐件和第二支撐件之間；
[0014]背屈被動(dòng)彈簧儲(chǔ)能單元，其包括第一拉伸彈簧、第一彈簧限位件、第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸、分別安裝在第一彈簧限位件后部?jī)蓚?cè)的第一軸承和第二軸承、第二轉(zhuǎn)動(dòng)軸、第一轉(zhuǎn)動(dòng)件和第二轉(zhuǎn)動(dòng)件，所述第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸依次穿過第一軸承、第一轉(zhuǎn)動(dòng)件的前端、第二軸承和第二轉(zhuǎn)動(dòng)件的前端，所述第二轉(zhuǎn)動(dòng)軸依次穿過第一轉(zhuǎn)動(dòng)件的后端和第二轉(zhuǎn)動(dòng)件的后端，所述第一拉伸彈簧的一端連接在第二彈簧連接桿上，另一端連接在第二轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，所述第一彈簧限位件安裝在足側(cè)面板的后端；
[0015]跖屈被動(dòng)彈簧儲(chǔ)能單元，其包括第二拉伸彈簧、安裝在足側(cè)面板前端的第三軸承和第四軸承、第三轉(zhuǎn)動(dòng)軸、第四轉(zhuǎn)動(dòng)軸、第三轉(zhuǎn)動(dòng)件、第四轉(zhuǎn)動(dòng)件、第二彈簧限位件，其中，所述第三轉(zhuǎn)動(dòng)軸依次穿過第四軸承、第三軸承、第三轉(zhuǎn)動(dòng)件的后端和第四轉(zhuǎn)動(dòng)件的后端，所述第四轉(zhuǎn)動(dòng)軸依次穿過第三轉(zhuǎn)動(dòng)件的前端和第四轉(zhuǎn)動(dòng)件的前端，所述第二拉伸彈簧的一端連接在第一彈簧連接桿上，另一端連接在第三轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，所述第二彈簧限位件安裝在足側(cè)面板的前端，用于將所述第三轉(zhuǎn)動(dòng)件的向上轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)范圍限制在水平位置。
[0016]進(jìn)一步地，所述所述腳底板單元還包括底部板簧，其一端安裝在剛性前腳掌的后端中部位置，另一端安裝在剛性后腳跟的前端中部位置。
[0017]進(jìn)一步地，所述腳底板單元為分離式柔性彎曲結(jié)構(gòu)，所述剛性后腳跟與剛性前腳掌通過底部板簧、可變形粘接板及膠墊實(shí)現(xiàn)底部柔性彎曲連接，通過第一內(nèi)側(cè)板簧、第二內(nèi)偵販簧、第一固定件及第二固定件實(shí)現(xiàn)內(nèi)側(cè)柔性彎曲連接，通過第一外側(cè)板簧、第二外側(cè)板簧、第三固定件及第四固定件實(shí)現(xiàn)外側(cè)柔性彎曲連接。
[0018]進(jìn)一步地，背屈運(yùn)動(dòng)時(shí)，第一拉伸彈簧通過第一彈簧限位件實(shí)施限位，第一拉伸彈簧被拉伸從而完成背屈被動(dòng)儲(chǔ)能，第三轉(zhuǎn)動(dòng)件、第四轉(zhuǎn)動(dòng)件繞第三轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使得第四轉(zhuǎn)動(dòng)軸向下運(yùn)動(dòng)，第二拉伸彈簧呈自由平衡狀態(tài);跖屈運(yùn)動(dòng)時(shí)，第二拉伸彈簧通過第二彈簧限位件實(shí)施限位，第二拉伸彈簧被拉伸從而完成被動(dòng)儲(chǔ)能，第一轉(zhuǎn)動(dòng)件、第二轉(zhuǎn)動(dòng)件繞第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使得第二轉(zhuǎn)動(dòng)軸向下運(yùn)動(dòng)，第一拉伸彈簧呈自由平衡狀態(tài)。
[0019]本發(fā)明的優(yōu)選方案中，腳底板單元為分離式柔性彎曲結(jié)構(gòu)，包括剛性后腳跟、剛性前腳掌、底部板簧、內(nèi)側(cè)板簧、外側(cè)板簧、固定機(jī)構(gòu)、可變形粘接板及膠墊；剛性后腳跟與剛性前腳掌通過底部板簧、可變形粘接板及膠墊依次上下連接，并分別通過內(nèi)側(cè)板簧、外側(cè)板簧、固定機(jī)構(gòu)進(jìn)行側(cè)面連接;底部板簧、內(nèi)側(cè)板簧與外側(cè)板簧的組合使用，可從底部、內(nèi)側(cè)及外側(cè)連接剛性后腳跟與剛性前腳掌，輔助足尖蹬地動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)及自動(dòng)狀態(tài)的回復(fù)，并在足尖蹬地過程中腳底板單元保證足部機(jī)構(gòu)對(duì)人體足部的足夠的支撐能力。
[0020]本發(fā)明的優(yōu)選方案中，捆綁單元包括前捆綁單元、后捆綁單元，前捆綁單元連接剛性前腳掌的兩側(cè)，后捆綁單元連接剛性后腳跟與足側(cè)面板，通過兩捆綁單元實(shí)現(xiàn)穿戴者腳部與該足部機(jī)構(gòu)的有效接觸。
[0021]本發(fā)明的優(yōu)選方案中，被動(dòng)彈簧儲(chǔ)能單元包括背屈被動(dòng)彈簧儲(chǔ)能單元與跖屈被動(dòng)彈簧儲(chǔ)能單元，通過彈簧支撐單元分別與踝關(guān)節(jié)單元、足側(cè)面板連接，運(yùn)動(dòng)時(shí)分別完成背屈與跖屈被動(dòng)儲(chǔ)能。
[0022]本發(fā)明的優(yōu)選方案中，彈簧支撐單元包括第一支撐件、第二支撐件、第一彈簧連接桿及第二彈簧連接桿;通過第一支撐件、第二支撐件與桿端關(guān)節(jié)軸承的桿端連接，實(shí)現(xiàn)彈簧支撐單元與踝關(guān)節(jié)單元的運(yùn)動(dòng)一致性，通過第一彈簧連接桿、第二彈簧連接桿分別與第二拉伸彈簧、第一拉伸彈簧的一端連接，進(jìn)而通過踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)量改變第一拉伸彈簧或第二拉伸彈簧的變形量，完成拉伸彈簧被動(dòng)儲(chǔ)能，并在儲(chǔ)能完成后釋放能量實(shí)現(xiàn)外骨骼助力功會(huì)K。
[0023]本發(fā)明的優(yōu)選方案中，背屈被動(dòng)彈簧儲(chǔ)能單元包括第一拉伸彈簧、第一彈簧限位件、第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸、第二轉(zhuǎn)動(dòng)軸、第一轉(zhuǎn)動(dòng)件及第二轉(zhuǎn)動(dòng)件，第一拉伸彈簧一端固定在彈簧支撐單元上，一端固定在第二轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，第二轉(zhuǎn)動(dòng)軸與第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸平行，并通過第一轉(zhuǎn)動(dòng)件、第二轉(zhuǎn)動(dòng)件與第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸連接，第一轉(zhuǎn)動(dòng)件、第二轉(zhuǎn)動(dòng)件可帶動(dòng)第二轉(zhuǎn)動(dòng)軸繞第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng);該彈簧儲(chǔ)能單元初始狀態(tài)為第一轉(zhuǎn)動(dòng)件、第二轉(zhuǎn)動(dòng)件為水平狀態(tài)，彈簧支撐單元呈水平狀態(tài)，踝關(guān)節(jié)桿端呈自然垂直狀態(tài)，彈簧預(yù)緊力大于等于零;該彈簧儲(chǔ)能單元在背屈運(yùn)動(dòng)時(shí)第一拉伸彈簧通過第一彈簧限位件限制完成儲(chǔ)能，跖屈時(shí)第一拉伸彈簧通過第二轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)呈自由平衡狀態(tài)。
[0024]本發(fā)明的優(yōu)選方案中，跖屈被動(dòng)彈簧儲(chǔ)能單元包括第二拉伸彈簧、第二彈簧限位件、第三轉(zhuǎn)動(dòng)軸、第四轉(zhuǎn)動(dòng)軸、第三轉(zhuǎn)動(dòng)件及第四轉(zhuǎn)動(dòng)件，第二拉伸彈簧一端固定在彈簧支撐單元上，一端固定在第四轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，第四轉(zhuǎn)動(dòng)軸與第三轉(zhuǎn)動(dòng)軸平行，并通過第三轉(zhuǎn)動(dòng)件、