本發(fā)明涉及機(jī)器人外骨骼技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種輕型踝關(guān)節(jié)外骨骼。

背景技術(shù)：

外骨骼是模仿昆蟲外部骨骼的一種人體穿戴設(shè)備，可以給人提供額外的能力，增強(qiáng)人體的機(jī)能。下肢外骨骼是針對行走的外骨骼，主要用于軍事、醫(yī)療和助老領(lǐng)域。在軍事領(lǐng)域中，下肢外骨骼可以提升單兵作戰(zhàn)能力，增長徒步距離，增強(qiáng)負(fù)重能力；在醫(yī)療領(lǐng)域，下肢外骨骼可以用于患者的步態(tài)康復(fù)和殘疾人的輔助行走；在助老領(lǐng)域，下肢外骨骼可以幫助老年人正常行走。

人在行走過程中需要耗費能量，其中腳在離地時刻蹬地的動作為主要耗能因素，踝關(guān)節(jié)外骨骼針對人體行走的這一特點，在腳離地時刻提供額外的助力，替代小腿部分肌肉的功能，達(dá)到幫助人體節(jié)能的效果?，F(xiàn)有外骨骼在踝關(guān)節(jié)的助力方式為電機(jī)直接在需要助力的時刻提供較大的助力，這對電機(jī)的瞬時功率要求比較高，導(dǎo)致電機(jī)重量和尺寸比較大，和電機(jī)配套的減速器、支架等零件也會比較大，造成人體額外的能量消耗，影響了外骨骼的效果和應(yīng)用。所以期望在不影響助力大小的同時，降低外骨骼的重量和尺寸。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種克服上述問題或者至少部分地解決上述問題的輕型踝關(guān)節(jié)外骨骼，該裝置可提供高功率助力，減小外骨骼裝置的重量和尺寸。

根據(jù)本發(fā)明的一種技術(shù)方案，提供一種輕型踝關(guān)節(jié)外骨骼，包括離合器、觸發(fā)裝置、動力裝置和人體穿戴部分，所述動力裝置與所述離合器連接，所述離合器與所述觸發(fā)裝置連接，所述動力裝置通過所述離合器使所述人體穿戴部分繞踝關(guān)節(jié)發(fā)生轉(zhuǎn)動，所述觸發(fā)裝置和所述離合器固定在所述人體穿戴部分上。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述人體穿戴部分包括設(shè)置在踝關(guān)節(jié)位置的腳穿戴部分和設(shè)置在小腿位置的腿穿戴部分，所述觸發(fā)裝置通過腳部支架固定在所述腳穿戴部分，所述離合器通過所述腿部支架固定在所述腿穿戴部分。所述腳穿戴部分可放入成人正常大小的鞋內(nèi)，所述腿穿戴部分外圍有魔術(shù)貼，可在人穿上后對腿部進(jìn)行緊固。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述腳部支架上設(shè)有下橫桿，所述腿部支架上設(shè)有上橫桿，所述上橫桿設(shè)有助力彈簧且與所述助力彈簧的上端連接，所述助力彈簧的下端通過助力繩連接至所述下橫桿。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述腳部支架固連在所述腳穿戴部分上，所述腿部支架固連在所述腿穿戴部分上。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述離合器包括第一連桿、第二連桿、第三連桿、固定連桿和回復(fù)彈簧，所述固定連桿固定在所述腿部支架上，所述第一連桿的兩端分別與所述第二連桿和固定連桿鉸接，所述第二連桿與所述第三連桿鉸接，所述第三連桿的一端與所述固定連桿鉸接，所述第三連桿的另一端與所述固定連桿的中部通過所述回復(fù)彈簧連接。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述固定連桿上設(shè)有用于安裝電機(jī)的安裝支架，以及用于安裝兩個惰輪和推桿的安裝孔，所述動力裝置的電機(jī)固連在固定連桿上。

離合器采用四連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計，四連桿有一個自由度，當(dāng)?shù)诙B桿和第三連桿處于同一條直線的時候，四連桿處于死點位置，此時四連桿處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，可承受加在第一連桿上的外力。利用這個特點，設(shè)計四連桿處于死點位置時，主動齒輪和從動齒輪嚙合，四連桿脫離死點位置時，從動齒輪隨之脫離嚙合，達(dá)到離合的效果?；貜?fù)彈簧的作用是在所述第一連桿的外力消失后把四連桿拉回死點位置，第三連桿上有一擋塊，作用是使四連桿在回復(fù)過程中停在死點位置。

所述第三連桿上設(shè)有一個凸出的擋塊，當(dāng)?shù)谌B桿在死點位置順時針轉(zhuǎn)動時，所述擋塊會卡在固定連桿的凸臺上，以限制第三連桿順時針運動，配合所述回復(fù)彈簧使所述第三連桿在無推桿作用時處于死點位置。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述觸發(fā)裝置包括推桿、中間連桿和腳部支架，所述中間連桿通過腳部支架固定在所述腳穿戴部分，所述推桿的上部與所述固定連桿鉸接，所述中間連桿的一端與所述腳部支架鉸接，所述推桿的下部與所述中間連桿連接。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述中間連桿上有滑軌，所述滑軌上設(shè)有與其滑動連接的滑塊，所述滑塊與所述推桿的下端鉸接。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述中間連桿的中部設(shè)有通槽狀的滑軌，所述滑塊沿所述通槽移動，所述中間連桿上還設(shè)有用于將所述滑塊固定在所述滑軌上的螺栓。通過調(diào)節(jié)所述滑塊的位置，可調(diào)節(jié)所述推桿與所述中間連桿的相對位置，以適應(yīng)不同的人腳離地時踝關(guān)節(jié)角度的差異性，可根據(jù)不同人的特點調(diào)整滑塊位置，以確保推桿在腳離地時可以觸發(fā)離合器。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述動力裝置包括電機(jī)、主動齒輪、從動齒輪、主滑輪、繩子和兩個惰輪，所述主動齒輪安裝在所述電機(jī)的輸出軸上，所述離合器閉合時，所述從動齒輪與所述主動齒輪嚙合，所述電機(jī)固定在所述固定連桿上。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述主滑輪與所述從動齒輪同軸設(shè)置，所述主滑輪與所述第一連桿鉸接；所述繩子的一端固定在所述主滑輪的繩槽里，所述繩子依次繞過兩個惰輪，其另一端連接至所述助力彈簧的下端。所述主滑輪位于所述離合器的上部，所述離合器的上方設(shè)有用于使所述電機(jī)的輸出軸貫穿的通孔，兩個惰輪均位于所述離合器的下部，且分別固定于所述固定連桿的底端。在所述離合器閉合狀態(tài)時，所述主動齒輪和所述從動齒輪組成的齒輪組處于嚙合位置。

基于上述技術(shù)方案，本申請?zhí)岢龅妮p型踝關(guān)節(jié)外骨骼，可在踝關(guān)節(jié)處為人體行走提供助力，減少人體行走耗能。本發(fā)明中采用電機(jī)連續(xù)工作，通過助力彈簧儲存能量，在瞬時釋放的工作模式，代替了已有外骨骼電機(jī)直接瞬時助力的模式，降低了對電機(jī)功率的要求，實現(xiàn)用低功率電機(jī)提供高功率助力的效果，從而降低了電機(jī)的重量和尺寸，實現(xiàn)外骨骼的輕型化。

附圖說明

圖1為根據(jù)本發(fā)明實施例的輕型踝關(guān)節(jié)外骨骼的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為根據(jù)本發(fā)明實施例的離合器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為根據(jù)本發(fā)明實施例的外骨骼工作流程圖。

圖中標(biāo)記：1.主滑輪，2.第一連桿，3.第二連桿，4.回復(fù)彈簧，5.第三連桿，6.繩子，7.推桿，8.中間連桿，9.腳部支架，10.腳穿戴部分，11.助力繩，12.助力彈簧，13.腿穿戴部分，14.腿部支架，15.固定連桿，16.電機(jī)，17.主動齒輪，18.從動齒輪，19.惰輪，20.滑塊。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

在根據(jù)本申請的一個實施例中，參考圖1，提供一種輕型踝關(guān)節(jié)外骨骼，包括離合器、觸發(fā)裝置、動力裝置和人體穿戴部分，所述動力裝置與所述離合器連接，所述離合器與所述觸發(fā)裝置連接，所述動力裝置通過所述離合器使所述人體穿戴部分繞踝關(guān)節(jié)發(fā)生轉(zhuǎn)動，所述觸發(fā)裝置和所述離合器固定在所述人體穿戴部分上。

所述人體穿戴部分包括設(shè)置在踝關(guān)節(jié)位置的腳穿戴部分10和設(shè)置在小腿位置的腿穿戴部分13，所述觸發(fā)裝置通過腳部支架9固定在所述腳穿戴部分10，所述離合器通過所述腿部支架14固定在所述腿穿戴部分13。所述腳穿戴部分10可放入成人正常大小的鞋內(nèi)，所述腿穿戴部分13外圍有魔術(shù)貼，可在人穿上后對腿部進(jìn)行緊固。

所述腳部支架9上設(shè)有下橫桿，所述腿部支架14上設(shè)有上橫桿，所述上橫桿設(shè)有助力彈簧12且與所述助力彈簧12的上端連接，所述助力彈簧12的下端通過助力繩11連接至所述下橫桿。

所述腳部支架9固連在所述腳穿戴部分10上，所述腿部支架14固連在所述腿穿戴部分13上。

參考圖2，所述離合器包括第一連桿2、第二連桿3、第三連桿5、固定連桿15和回復(fù)彈簧4，所述固定連桿15固定在所述腿部支架14上，所述第一連桿2的兩端分別與所述第二連桿3和固定連桿15鉸接，所述第二連桿3與所述第三連桿5鉸接，所述第三連桿5的一端與所述固定連桿15鉸接，所述第三連桿5的另一端與所述固定連桿15的中部通過所述回復(fù)彈簧4連接。

所述固定連桿15上設(shè)有用于安裝電機(jī)16的安裝支架，以及用于安裝兩個惰輪19和推桿7的安裝孔，所述動力裝置的電機(jī)16固連在固定連桿15上。

離合器采用四連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計，四連桿有一個自由度，當(dāng)?shù)诙B桿3和第三連桿5處于同一條直線的時候，四連桿處于死點位置，此時四連桿處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，可承受加在第一連桿2上的外力。利用這個特點，設(shè)計四連桿處于死點位置時，主動齒輪17和從動齒輪18嚙合，四連桿脫離死點位置時，從動齒輪18隨之脫離嚙合，達(dá)到離合的效果?；貜?fù)彈簧4的作用是在所述第一連桿2的外力消失后把四連桿拉回死點位置，第三連桿5上有一擋塊，作用是使四連桿在回復(fù)過程中停在死點位置。

所述第三連桿5上設(shè)有一個凸出的擋塊，當(dāng)?shù)谌B桿5在死點位置順時針轉(zhuǎn)動時，所述擋塊會卡在固定連桿15的凸臺上，以限制第三連桿5順時針運動，配合所述回復(fù)彈簧4使所述第三連桿5在無推桿7作用時處于死點位置。

所述觸發(fā)裝置包括推桿7、中間連桿8和腳部支架9，所述中間連桿8通過腳部支架9固定在所述腳穿戴部分10，所述推桿7的上部與所述固定連桿15鉸接，所述中間連桿8的一端與所述腳部支架9鉸接，所述推桿7的下部與所述中間連桿8連接。

所述中間連桿8上有滑軌，所述滑軌上設(shè)有與其滑動連接的滑塊20，所述滑塊與所述推桿7的下端鉸接。

所述中間連桿8的中部設(shè)有通槽狀的滑軌，所述滑塊20沿所述通槽移動，所述中間連桿8上還設(shè)有用于將所述滑塊固定在所述滑軌上的螺栓。

所述觸發(fā)裝置的原理是利用行走中踝關(guān)節(jié)角度的變化特點實現(xiàn)離合器的觸發(fā)，所述離合器本質(zhì)上是一個四連桿機(jī)構(gòu)。腳穿戴部分10和腿穿戴部分13為鉸接，二者的角度等同于踝關(guān)節(jié)的角度，在行走過程中，此角度會發(fā)生規(guī)律性變化，推桿7和固定連桿15之間的角度也會隨之變化，在腳離地瞬間，該角度達(dá)到一個最小值，推桿7恰好推開第三連桿5，觸發(fā)離合器斷開動力輸入；當(dāng)助力完成之后，推桿7恰好回到非觸發(fā)區(qū)域，離合器在回復(fù)彈簧4作用下恢復(fù)到動力輸入狀態(tài)。推桿7和中間連桿8的鉸接位置可以通過滑塊及滑軌調(diào)整，這是為了適應(yīng)不同的人腳離地時踝關(guān)節(jié)角度的差異性，可根據(jù)不同人的特點調(diào)整滑塊位置，以確保推桿7在腳離地時可以觸發(fā)離合器。

所述助力彈簧12一端固定在腿部支架14上，另一端通過助力繩11與腳部支架9連接，同時通過另一根繩子6與主滑輪1連接。人在行走時只需要在腳離地時刻助力，在其他時間，離合器處于閉合狀態(tài)，齒輪嚙合，電機(jī)16通過齒輪組、主滑輪1和繩子6拉動助力彈簧12，將能量儲存在助力彈簧12中，同時控制電機(jī)16轉(zhuǎn)速，使助力繩11處于松弛狀態(tài)，不影響人體正常行走；在腳離地時刻，助力繩11即將被拉緊，在觸發(fā)裝置作用下，離合器斷開電機(jī)16和助力彈簧12的動力連接，助力彈簧12瞬時通過助力繩11拉動腳部支架9，為踝關(guān)節(jié)提供一個較大的助力，將儲存的能量瞬時釋放。所述動力裝置包括電機(jī)16、主動齒輪17、從動齒輪18、主滑輪1、繩子6和兩個惰輪19，所述主動齒輪17安裝在所述電機(jī)16的輸出軸上，所述離合器閉合時，所述從動齒輪18與所述主動齒輪17嚙合，所述電機(jī)16固定在所述固定連桿15上。

所述主滑輪1與所述從動齒輪18同軸設(shè)置，所述主滑輪1與所述第一連桿2鉸接；所述繩子6的一端固定在所述主滑輪1的繩槽里，所述繩子6依次繞過兩個惰輪19，其另一端連接至所述助力彈簧12的下端。所述主滑輪1位于所述離合器的上部，所述離合器的上方設(shè)有用于使所述電機(jī)16的輸出軸貫穿的通孔，兩個惰輪19均位于所述離合器的下部，且分別固定于所述固定連桿15的底端。在所述離合器閉合狀態(tài)時，所述主動齒輪17和所述從動齒輪18組成的齒輪組處于嚙合位置。

圖3為外骨骼的工作流程圖，曲線部分為正常人行走過程中踝關(guān)節(jié)的角度隨步態(tài)周期變化情況，外骨骼工作流程如下：

在行走的支撐相中期，離合器處于閉合狀態(tài)，電機(jī)16通過嚙合的齒輪組和主滑輪1拉長助力彈簧12，將能量儲存在助力彈簧12中；

在行走的支撐相末期，腳跟即將離地之前，腳踝角度達(dá)到最小值，推桿7逆時針轉(zhuǎn)動，推動離合器第三連桿5離開死點位置，齒輪組的主動齒輪17和從動齒輪18間嚙合脫離，助力彈簧12與電機(jī)16之間斷開連接，開始收縮拉動腳部支架9，為踝關(guān)節(jié)提供助力；

在行走進(jìn)入擺動相，助力彈簧12收縮，繼續(xù)提供助力，腳踝角度開始變大，推桿7順時針轉(zhuǎn)動，回到未觸發(fā)位置，離合器在回復(fù)彈簧4的作用下回到死點位置，離合器閉合，電機(jī)16開始拉長助力彈簧12，助力結(jié)束；

在之后的擺動相和支撐相中，離合器處于閉合狀態(tài)，電機(jī)16拉長助力彈簧12，人的行走處于自然狀態(tài)，直到支撐相末期，推桿7再次觸發(fā)離合器斷開，進(jìn)入下一個循環(huán)。

最后，本申請的方法僅為較佳的實施方案，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。