一种踝关节助力被动外骨骼的制作方法

本发明涉及外骨骼机器人领域，具体涉及一种踝关节助力被动外骨骼。

背景技术：

当今世界老龄化的问题越来越严重，老年人体力不支、行动不便的问题会给家庭带来沉重的负担；偏瘫、脑瘫等高发疾病会使患者脑损伤，进而导致步行功能障碍；由于骨折固定等原因导致的废用性肌肉萎缩会使患者关节力和肌肉力不足。而在人体活动中，步行是最基本的运动，在整个步行过程中，踝关节的最大功率约为髋关节和膝关节的4倍，是三个下肢关节中能量输出最多，所需功率最高的关节。相比于髋关节和膝关节，踝关节的运动也需要更大的肌肉力，踝关节的蹬地力对行走的步幅和步频也有着直接影响，如果踝关节力矩不足，将会严重制约人体的正常行走和日常活动。

由于踝关节是在三维空间内运动的，它有三个自由度，不仅可以有背屈和跖屈动作，还会发生内翻、外翻、内旋和外旋等动作，当患者步行在不平坦的路面上时，由于踝关节力矩不足不易控制，容易造成肌肉拉伤和崴脚现象。

目前踝关节外骨骼的研究还处于起步阶段，尤其是被动型外骨骼，其一般是针对正常人设计的，只是为了降低人体步行时能量的消耗，并且对踝关节力矩峰值的降低效果很小，现在还没有针对降低患者踝关节力矩峰值而设计的被动外骨骼。

技术实现要素：

基于上述现状，本发明的目的在于提供一种踝关节助力被动外骨骼，其采用左右独立模块的设计理念，并通过踝关节处的u形弹簧实现了位移补偿，可对人体在不平坦路面上步行时对踝关节在三个转动自由度方向上进行力矩补偿和保护，使患者正常行走时所需的踝关节峰值力矩降低了45％。这使患者仅需提供55％的峰值扭矩即可实现正常步行，有效的提升了使用者的步行能力。

本发明采用的技术方案如下：一种踝关节助力被动外骨骼，包括小腿连接组件、弹簧驱动组件、四连杆变刚度系统、离合器系统以及脚板骨架；

所述脚板骨架包括后脚掌、后脚底板、前脚掌侧和前脚底板，所述后脚底板连接于后脚掌底部，所述前脚底板连接于前脚掌侧底部，两者相对独立；还具有绑带一和绑带二，所述绑带一的两端与两侧的四连杆变刚度系统连接，所述绑带二的两端与两侧的前脚掌侧连接，绑带一与绑带二用于固定人体脚掌；

所述小腿连接组件包括小腿绑带、小腿板、塑料板和小腿连杆，所述小腿板包括多块，其均匀贴附小腿表面，所述小腿绑带连接各块小腿板，以将小腿板绑缚在人体小腿上，所述小腿连杆位于人体小腿两侧，小腿绑带或小腿板与小腿连杆的上端铰接，所述塑料板为弧形，其横向贴附在小腿表面，且两端分别与小腿连杆铰接；

所述弹簧驱动组件包括支架一、支架二、弹簧、u型架和u型弹簧，所述支架一整体呈u型，围绕在脚腕后侧，其两端分别与小腿连杆的下端通过螺栓一固定连接，两个小腿连杆的下端还分别固定连接u型弹簧，所述u型弹簧的另一端分别固定连接u型架，两个u型架的半圆弧的一端还分别固定连接一个支架二，两个支架二呈u型围绕脚腕后侧，两个支架二与支架一之间均设置有弹簧，即两个弹簧分别独立施力给一个支架二，弹簧的下端通过连接销与支架二连接，通过连接销可调节弹簧的初始弹力。当人体走在不平整的路面时，足部着落在倾斜的地面上也会发生倾斜，脚底两侧所处的位置便有了高度差，脚底位置高的一侧的弹簧便会压缩，脚底位置低的一侧弹簧便会伸长，对踝关节就会产生阻碍左右翻的作用，有效防止在不平整路面行走时崴脚现象的发生，提升踝关节和外骨骼对不同路面的适应能力，防止弹簧突然回弹导致的大幅震动。

本发明的u型弹簧包括两个连接板和位于连接板之间的u型弹簧体，两个连接板分别与小腿连杆和u型架固定连接，且两个连接板背面上均设置有固定螺母，两个固定螺母之间穿设有滑动杆，所述滑动杆一端与其中一个固定螺母相对固定，另一端与另一个固定螺母可相对滑动，滑动杆可滑动的一端设置有限位螺母，所述滑动杆用于在u型弹簧体变形时对其导向，所述限位螺母防止滑动杆滑出。

u型架侧面还连接有三角形支架，所述三角形支架的顶点处设置有限位销，所述限位销位于支架二上侧，其用以对支架二进行定位，防止支架二向上摆动使弹簧过度压缩。

所述四连杆变刚度系统位于脚掌两侧设置有两组，其包括连杆一、连杆二和连杆三，所述连杆一一端与前脚掌侧铰接，另一端与后脚掌固定连接，所述u型架的半圆弧的一端与连杆一铰接；所述连杆二与连杆一固定连接，所述连杆三一端与连杆二远离连杆一的一端铰接、另一端与前脚掌侧铰接，即连杆一、连杆二、连杆三和前脚掌侧构成四连杆结构；

优选的，所述连杆一与后脚掌一体式成型，连杆一与后脚掌总体呈“7”字形，其弯曲顶点对应人体踝骨位置。

所述离合器系统包括棘轮棘爪部分、油管、t型管、空心橡胶柱，所述空心橡胶柱包括多个，其位于前脚底板内部，可随步行压缩或弹起，空心橡胶柱外壁设计为波纹形，使得其纵向压力传感灵敏，上下活动时阻力较小，而径向不易变形；所述空心橡胶柱内部空间与t型管内部空间连通，所述t型管通过油管与油套连通，所述油套与棘轮棘爪部分连通；

所述棘轮棘爪部分包括棘轮壳、棘轮，所述棘轮壳与连接杆不可转动的连接在一起，所述棘轮位于棘轮壳内部，并通过螺母将棘轮与棘轮壳的轴心位置限定，螺母与棘轮之间设有铜套，所述铜套用于降低旋转摩擦力；所述棘轮壳与油套连通，棘轮壳与油套的内部空间中设置活塞，活塞前端伸入棘轮壳内部台阶限定的缩径口内，活塞后端设置扩径段，棘轮壳内部台阶与活塞的扩径段台阶之间设置有复位弹簧，活塞的后端受油套限位，活塞前端与棘爪固定连接，活塞移动时推动棘爪与棘轮卡止配合。

当前脚掌落地时，压缩空心橡胶柱，油液从油管下端冲入上端，将克服复位弹簧的力把活塞向前推动，复位弹簧被压缩，活塞的顶端与棘爪的圆形底端通过螺纹固定连接，使棘爪的方形前端卡入棘轮的卡槽。当前脚掌抬起时，油液沿着油管回流，对活塞不再有向上的推动力，被复位弹簧的弹力恢复形变，将活塞向下推动，棘爪也随着活塞沿着油套向下滑动，于是前端棘爪与棘轮分开。

加入由棘轮组成的离合装置后，当前脚掌落地时(对应步态周期8％～10％)，空心橡胶柱被挤压，油液喷出，棘轮被棘爪固定。当小腿相对脚掌摆动(对应步态周期的10％～30％)时，由于脚部位置不变，因而弹簧下端位置也固定不变，小腿摆动会带动连接弹簧上端的支架一摆动，当小腿逆时针旋转时会带动弹簧上端向左上方移动，弹簧被拉长。当后脚掌相对前脚掌抬起(对应步态周期的30％～56％)时，由于棘轮作用将四连杆的从动杆(连接杆二)与连接弹簧下端的支架二固定连接，支架二将绕踝关节中心顺时针旋转，弹簧下端位置向下方移动。以上阶段弹簧对踝关节产生力矩。当足趾离地后，进入步态周期的摆动期，前脚掌离地，油液回流，棘轮功能消失，支架二和四连杆的连接杆二没有联系，弹簧恢复原始长度，外骨骼对踝关节没有力矩影响。

附图说明

图1是本发明踝关节整体结构示意图；

图2是本发明踝关节整体结构侧视图；

图3是本发明踝关节整体结构后视图；

图4是图1中a处局部视图；

图5是图2中b处局部视图；

图6是本发明u型弹簧结构示意图；

图7是本发明连杆一结构示意图；

图8是本发明支架二结构示意图；

图9是本发明棘轮组合结构拆解图；

图10是本发明棘轮棘爪配合结构示意图；

图中：1、小腿绑带，2、小腿板，3、塑料板，4、小腿处连杆，5、支架一，6、螺栓一，7、u型弹簧，8、三角形支架，9、u型架，10、油套，11、绑带一，12、后脚底板，13、前脚底板，14、绑带二，15、前脚掌侧，16、空心橡胶柱，17、t型管，18、连杆一，19、油管，20、连杆三，21、连杆二，22、后脚掌，23、支架二，24、弹簧，25、限位销，26、连接销，27、连接板，28、固定螺母，29、滑动杆，30、限位螺母，31、棘轮壳，32、棘轮，33、铜套一，34、螺母，35、棘爪，36、活塞，37、复位弹簧。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方法，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

参阅附图，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的位置限定用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

图1是本发明踝关节整体结构示意图，图2是本发明踝关节整体结构侧视图，图3是本发明踝关节整体结构后视图；如图所示：

本发明的踝关节助力被动外骨骼包括小腿连接组件、弹簧驱动组件、四连杆变刚度系统、离合器系统以及脚板骨架；

所述脚板骨架包括后脚掌22、后脚底板12、前脚掌侧15和前脚底板13，所述后脚底板12连接于后脚掌22底部，所述前脚底板13连接于前脚掌侧15底部，两者相对独立；还具有绑带一11和绑带二14，所述绑带一11的两端与两侧的四连杆变刚度系统连接，所述绑带二14的两端与两侧的前脚掌侧15连接，绑带一11与绑带二14用于固定人体脚掌；

所述小腿连接组件包括小腿绑带1、小腿板2、塑料板3和小腿连杆4，所述小腿板2包括多块，其均匀贴附小腿表面，所述小腿绑带1连接各块小腿板2，以将小腿板2绑缚在人体小腿上，所述小腿连杆4位于人体小腿两侧，小腿绑带1或小腿板2与小腿连杆4的上端铰接，所述塑料板3为弧形，其横向贴附在小腿表面，且两端分别与小腿连杆4铰接；

所述弹簧驱动组件包括支架一5、支架二23、弹簧24、u型架9和u型弹簧7，所述支架一5整体呈u型，围绕在脚腕后侧，其两端分别与小腿连杆4的下端通过螺栓一6固定连接，两个小腿连杆4的下端还分别固定连接u型弹簧7，所述u型弹簧7的另一端分别固定连接u型架9，两个u型架9的半圆弧的一端还分别固定连接一个支架二23，如图8所示，是本发明支架二结构示意图，两个支架二23呈u型围绕脚腕后侧，两个支架二23与支架一5之间均设置有弹簧24，即两个弹簧24分别独立施力给一个支架二23，如图5所示，是图2中b处局部视图，弹簧24的下端通过连接销26与支架二23连接，通过连接销26可调节弹簧24的初始弹力。当人体走在不平整的路面时，足部着落在倾斜的地面上也会发生倾斜，脚底两侧所处的位置便有了高度差，脚底位置高的一侧的弹簧24便会压缩，脚底位置低的一侧弹簧24便会伸长，对踝关节就会产生阻碍左右翻的作用，有效防止在不平整路面行走时崴脚现象的发生，提升踝关节和外骨骼对不同路面的适应能力，防止弹簧24突然回弹导致的大幅震动。

图6是本发明u型弹簧结构示意图，如图所示，本发明的u型弹簧7包括两个连接板27和位于连接板27之间的u型弹簧体，两个连接板27分别与小腿连杆4和u型架9固定连接，且两个连接板27背面上均设置有固定螺母28，两个固定螺母28之间穿设有滑动杆29，所述滑动杆29一端与其中一个固定螺母28相对固定，另一端与另一个固定螺母28可相对滑动，滑动杆29可滑动的一端设置有限位螺母30，所述滑动杆29用于在u型弹簧体变形时对其导向，所述限位螺母30防止滑动杆29滑出。

图4是图1中a处局部视图，如图所示，u型架9侧面还连接有三角形支架8，所述三角形支架8的顶点处设置有限位销25，所述限位销25位于支架二23上侧，其用以对支架二23进行定位，防止支架二23向上摆动使弹簧24过度压缩。

所述四连杆变刚度系统位于脚掌两侧设置有两组，其包括连杆一18、连杆二21和连杆三20，所述连杆一18一端与前脚掌侧15铰接，另一端与后脚掌22固定连接，所述u型架9的半圆弧的一端与连杆一18固定连接；所述连杆二21与连杆一18铰接，所述连杆三20一端与连杆二21远离连杆一18的一端铰接、另一端与前脚掌侧15铰接，即连杆一18、连杆二21、连杆三20和前脚掌侧15构成四连杆结构；

优选的，所述连杆一18与后脚掌22一体式成型，如图7所示，是本发明连杆一结构示意图，连杆一18与后脚掌22总体呈“7”字形，其弯曲顶点对应人体踝骨位置。

所述离合器系统包括棘轮棘爪部分、油管19、t型管17、空心橡胶柱16，所述空心橡胶柱16包括多个，其位于前脚底板13内部，可随步行压缩或弹起，空心橡胶柱16外壁设计为波纹形，使得其纵向压力传感灵敏，上下活动时阻力较小，而径向不易变形；所述空心橡胶柱16内部空间与t型管17内部空间连通，所述t型管17通过油管19与油套10连通，所述油套10与棘轮棘爪部分连通；

参见图9和图10，示出了棘轮棘爪部分与油套的内部结构关系，其中，图9是本发明棘轮组合结构拆解图，图10是本发明棘轮棘爪配合结构示意图，如图所示，所述棘轮棘爪部分包括棘轮壳31、棘轮32，所述棘轮壳31与连接杆21不可转动的连接在一起，所述棘轮32位于棘轮壳31内部，并通过螺母34将棘轮32与棘轮壳31的轴心位置限定，螺母34与棘轮32之间设有铜套33，所述铜套用于降低旋转摩擦力；所述棘轮壳31与油套10连通，棘轮壳31与油套10的内部空间中设置活塞36，活塞36前端伸入棘轮壳31内部台阶限定的缩径口内，活塞36后端设置扩径段，棘轮壳31内部台阶与活塞36的扩径段台阶之间设置有复位弹簧37，活塞36的后端受油套10限位，活塞36前端与棘爪35固定连接，活塞36移动时推动棘爪35与棘轮32卡止配合。

当前脚掌落地时，压缩空心橡胶柱16，油液从油管19下端冲入上端，将克服复位弹簧37的力把活塞36向前推动，复位弹簧37被压缩，活塞36的顶端与棘爪35的圆形底端通过螺纹固定连接，使棘爪35的方形前端卡入棘轮32的卡槽。当前脚掌抬起时，油液沿着油管19回流，对活,36不再有向上的推动力，被复位弹簧37的弹力恢复形变，将活塞36向下推动，棘爪35也随着活塞36沿着油套向下滑动，于是前端棘爪35与棘轮32分开。

加入由棘轮32组成的离合装置后，当前脚掌落地时(对应步态周期8％～10％)，空心橡胶柱16被挤压，油液喷出，棘轮32被棘爪35固定。当小腿相对脚掌摆动(对应步态周期的10％～30％)时，由于脚部位置不变，因而弹簧24下端位置也固定不变，小腿摆动会带动连接弹簧24上端的支架一5摆动，当小腿逆时针旋转时会带动弹簧24上端向左上方移动，弹簧24被拉长。当后脚掌相对前脚掌抬起(对应步态周期的30％～56％)时，由于棘轮32作用将四连杆的从动杆(连接杆二21)与连接弹簧24下端的支架二23固定连接，支架二23将绕踝关节中心顺时针旋转，弹簧24下端位置向下方移动。以上阶段弹簧24对踝关节产生力矩。当足趾离地后，进入步态周期的摆动期，前脚掌离地，油液回流，棘轮功能消失，支架二23和四连杆的连接杆二21没有联系，弹簧24恢复原始长度，外骨骼对踝关节没有力矩影响。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。