踝关节外骨骼的制作方法

本发明涉及机器人外骨骼技术领域，尤其涉及一种踝关节外骨骼。

背景技术：

21世纪人口老龄化浪潮将席卷全球，给社会发展带来严峻挑战，截至2018年年我国60岁以上老年人口超2.5亿。老年人由于本身肌肉力量的衰退，行走能力出现不同程度的下降。而医用辅助设备有助于老年人在肌力衰退阶段不影响独立生活和完成日常生活基本任务的能力。

无动力踝关节外骨骼作为一种轻便高效的医用辅助设备，不需要外部能量的输入，仅依靠人体本身重力和肢体运动做功就能实现对老年人的助力行走。相较于驱动型下肢外骨骼依靠复杂沉重的能源、驱动、传感与控制系统来实时适配人体变化步态，纯机械的自适应下肢外骨骼将会有更广阔的市场应用前景。

而目前对于处机械类的无动力踝关节外骨骼研究方面已有一些成果，例如；

cn109940583a提出了一种能降低行走代谢的自适应踝足外骨骼，但其结构较为复杂，且适配性较低。

cn109093596a发明了一种双模式被动踝助力外骨骼，其在一定程度上解决了穿戴者行走步态不自然的技术问题。但是由于本身的结构设计，对于踝关节的正常运动有很大影响。

cn207722054u提出一种新型的外骨骼踝关节装置，具有结构简单、可缓冲减震的效果，但由于本身考虑缓冲效果的设计和运用了过多的刚性结构会导致踝关节自由运动受限问题。

可见，现有的无动力踝关节外骨骼尚存在结构相对较为复杂、设备相对较为笨重以及使用的舒适度还有待提高的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供一种踝关节外骨骼，至少部分解决现有技术中存在的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种踝关节外骨骼，所述踝关节外骨骼包括：动力传输组件、第一传动组件、传动杆以及第二传动组件；

所述动力传输组件的一端与所述第一传动组件连接，所述动力传输组件的另一端作用于使用者，所述第一传动组件与所述第二传动组件通过所述传动杆连接；

所述第一传动组件包括第一传动部件，所述第一传动部件用于在所述传动杆朝第一方向转动下带动所述动力传输组件积蓄能量，以及在所述传动杆朝第二方向转动下触发所述动力传输组件释放能量；

所述第二传动组件包括用于承受使用者施加的力的受力部件和在所述受力部件的触动下带动所述传动杆转动的第二传动部件，以将承受的外力转化为传动力传至与所述第二传动组件连接的第一传动组件处；以及在外力撤销时产生相反的传动力至与所述第二传动组件连接的第一传动组件处；

所述动力传输组件包括动力部件，所述动力部件用于在接收所述第一传动组件传输的传动力后积蓄能量，并在撤销外力的触发下释放积蓄的能量给使用者；

所述第一传动组件还包括与所述动力传输组件连接的复位组件，所述复位组件用于在释放积蓄能量后回归到动力传输组件初始的状态。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述动力传输组件还包括护套，所述护套与所述动力部件连接。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述动力部件包括弹力件、第一连接件和第二连接件，所述弹力件的一端通过第一连接件与所述护套连接，所述弹力件的另一端通过第二连接件与所述第一传动组件连接。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述踝关节外骨骼还包括容纳盒，所述容纳盒用于容置所述传动杆和所述第二传动组件。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述容置盒内安装有用于卡置所述传动杆的固定通孔，所述传动杆在所述容置盒内穿设所述固定通孔设置。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述第一传动部件包括复位棘轮和联动棘爪，所述联动棘爪包括连接端和凸起端，所述联动棘爪的连接端与所述传动杆连接，用以接收所述传动杆的传动力，所述联动棘爪的凸起端与所述复位棘轮的齿部在所述传动杆的不同传动力下实现啮合和分离。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述复位棘轮包括棘轮主体，所述复位组件包括背向所述棘轮主体的齿部设置的卷簧、空心盖体和设置在所述空心盖体上的突触，所述棘轮主体与所述卷簧之间通过固定杆连接，所述卷簧的一侧与所述固定杆连接，所述卷簧的另一侧与所述空心盖体连接；所述突触与所述第二连接件连接。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述第一传动组件还包括支架，所述支架连接所述和所述容纳盒，用于将所述固定在所述容纳盒上，所述支架连接在所述复位棘轮的固定杆的两端。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述包括套装在所述传动杆一端的齿轮，所述受力部件包括架设在所述传动杆上的连接杆和分别固定在所述连接杆两端的第一压力杆和第二压力杆，所述连接杆垂直于所述传动杆的长度延伸方向；所述第二压力杆面向所述齿轮的一面开设有与所述齿轮配合的齿轮条。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述连接杆上方还安装有弹簧，所述弹簧的数量为3个，3个所述弹簧并列且等间距的排列在所述连接杆上。

本发明实施例中的踝关节外骨骼，其特征在于，所述踝关节外骨骼包括：动力传输组件、第一传动组件、传动杆以及第二传动组件；

所述动力传输组件的一端与所述第一传动组件连接，所述动力传输组件的另一端作用于使用者，所述第一传动组件与所述第二传动组件通过所述传动杆连接；

所述第一传动组件包括第一传动部件，所述第一传动部件用于在所述传动杆朝第一方向转动下带动所述动力传输组件积蓄能量，以及在所述传动杆朝第二方向转动下触发所述动力传输组件释放能量；

所述第二传动组件包括用于承受使用者施加的力的受力部件和在所述受力部件的触动下带动所述传动杆转动的第二传动部件，以将承受的外力转化为传动力传至与所述第二传动组件连接的第一传动组件处；以及在外力撤销时产生相反的传动力至与所述第二传动组件连接的第一传动组件处；

所述动力传输组件包括动力部件，所述动力部件用于在接收所述第一传动组件传输的传动力后积蓄能量，并在撤销外力的触发下释放积蓄的能量给使用者；

所述第一传动组件还包括与所述动力传输组件连接的复位组件，所述复位组件用于在释放积蓄能量后回归到动力传输组件初始的状态。

采用本发明实施例的踝关节外骨骼，其工作原理简单，设备结构简单，小巧且实用，方便年老者或者腿部不方便者长期使用，且方便穿戴，提高了使用者的便携性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种踝关节外骨骼的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种踝关节外骨骼的侧面结构示意图；

图3为本发明实施例提供的踝关节外骨骼的去除鞋底的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的踝关节外骨骼的去除容纳盒的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的踝关节外骨骼的第一传动组件和第二传动组件的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的踝关节外骨骼的细节结构示意图；

图7为本发明实施例提供的踝关节外骨骼的容纳盒的结构示意图。

附图中：

1-鞋底，2-护套，3-小腿后侧弹簧，4-复位棘轮，5-支架，6-联动棘爪，61-凸起端，62-连接端，7-容纳盒，8-传动杆，9-弹簧固定壳，10a-第一压力杆，10b-第二压力杆，11-不完全齿轮，12-弹簧，c-卷簧，e-固定通孔，d-突触，f-突触。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员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与功效。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。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本发明，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。

本发明实施例提供一种踝关节外骨骼。

参见图1～图4，本发明实施例提供的一种踝关节外骨骼，所述踝关节外骨骼包括：动力传输组件(未标示)、第一传动组件(未标示)、传动杆8以及第二传动组件(未标示)；

所述动力传输组件的一端与所述第一传动组件连接，所述动力传输组件的另一端作用于使用者，所述第一传动组件与所述第二传动组件通过所述传动杆8连接；

所述第二传动组件包括用于承受使用者施加的力的受力部件(未标示)和在所述受力部件的触动下带动所述传动杆8转动的第二传动部件(未标示)，以将承受的外力转化为传动力传至与所述第二传动组件连接的第一传动组件处；以及在外力撤销时产生相反的传动力至与所述第二传动组件连接的第一传动组件处；

所述第一传动组件包括第一传动部件，所述第一传动部件用于在所述传动杆朝第一方向转动下带动所述动力传输组件积蓄能量，以及在所述传动杆朝第二方向转动下触发所述动力传输组件释放能量；

所述动力传输组件包括动力部件(未标示)，所述动力部件用于在接收所述第一传动组件传输的传动力后积蓄能量，并在撤销外力的触发下释放积蓄的能量给使用者的；

所述第一传动组件还包括与所述动力传输组件连接的复位组件，所述复位组件用于在释放积蓄能量后回归到动力传输组件初始的状态，具体为突触f与地面水平并与人体前进方向相反的位置。

采用本发明实施例的踝关节外骨骼，其工作原理简单，设备结构简单，小巧且实用，方便年老者或者腿部不方便者长期使用，且方便穿戴，提高了使用者的便携性。

本发明实施例的踝关节外骨骼其工作原理为通过第一传动组件和第二传动组件的配合，在使用者对第二传动组件施加外力时，第二传动组件在这一条件的触发下产生传动力，并通过传动杆8将传动力传输至第一传动组件处，第一传动组件在传动杆8的带动下进行传动，并将其传动传递至与所述第一传动组件相连的动力传输组件，动力传输组件在该传动力的作用下积蓄能量，该积蓄的能量在另一条件的触发下释放给使用者，使使用者得到一助力，进而能够减少使用者走路消耗的能量。而上述的将动力传输组件积蓄的能量释放的另一条件为，当使用者释放对第二传动组件施加的外力时，此时第二传动组件将不再受力，不再受力的第二传动组件将产生相反的传动力，该传动力通过传动杆8传至第一传动组件，第二传动组件则将触发动力传输组件将积蓄的能量释放出去，动力传输组件将积蓄的能量释放至使用者，具体一般为释放至使用者的小腿上，使使用者在走路的过程得到助力，能够帮助使用者减少走路的时候消耗的能量。

而本发明实施例中还在第一传动组件处设置了复位组件，所述复位组件用于在释放积蓄能量后回归到动力传输组件初始的状态，具体为突触f与地面水平并与人体前进方向相反的位置。

本发明实施例的踝关节外骨骼的主要结构集中在足部，没有外突的踝关节和小腿支撑架的外骨骼设计，除可以大大减轻装置的重量外，其低姿态的装置设计又可以轻易的穿戴在日常服装中，避免了用户在公共场合使用类似装置时的尴尬；此设计符合人体步态规律，可以最大限度减轻人体能耗；此设计有很强的适配性，主要结构可以手动调节来改变结构的受力点，可以适配多种脚长的用户。避免了类似装置只能“私人定制”的缺点；此设计结构简单稳定，避免了类似装置维护、维修复杂等缺点；此设计成本低廉，有广泛的应用前景。

参见图1～图4，本发明另一实施例提供的一种踝关节外骨骼，所述动力传输组件还包括护套2，所述护套2与所述动力部件连接。所述护套2为圆环状，用于在使用者使用时，将护套2戴在小腿上。并且护套2的材质可以选择较为舒适的软体材料，例如橡胶、皮质材料、布料等，当然也可以选择金属材料，例如铝合金材料等。当然，在其他实施例中，所述护套还可以为其他形状设计。

此外，所述护套还可以设计为可收缩大小的结构，例如当护套采用皮质材料制成时，护套上可以设计多个固定孔以及与固定孔配合的多个固定件，每一个固定件对应护套的不同直径，如此设计可以适应小腿腿围大小不同的用户。

其中，所述动力部件包括弹力件、第一连接件和第二连接件，所述弹力件的一端通过第一连接件与所述护套连接，所述弹力件的另一端通过第二连接件与所述第一传动组件连接。所述弹力件在本发明实施例中为弹簧，弹簧的两端分别连第一连接件和第二连接件，远离弹簧的一端则连接在护套2上，远离弹簧的一端与第一传动组件连接。其中第一连接件和第二连接件均为细软的细线，当然在其他实施例中也可以选择其他材质。并且弹簧与第一传动组件连接的部位具体为第一传动组件的复位棘轮。本发明实施例的动力部件的弹力件之所以选择弹簧是利用弹簧可以被拉伸且具有自身恢复原状的性能，如此可以在积蓄能量之后积蓄将能量释放，且结构简单容易实现。在附图中，动力部件的弹簧的标示为小腿后侧弹簧3。

参见图7，本发明另一实施例提供的一种踝关节外骨骼，所述踝关节外骨骼还包括容纳盒7，所述容纳盒7用于容置所述传动杆8和所述第二传动组件。具体地，所述容纳盒7为一壳体，传动杆8安装在该容纳盒7内，所述容纳盒7包括盖体，所述盖体内侧顶部设置有固定通孔e，所述固定通孔e用于固定所述传动杆8，所述传动杆8在所述容纳盒7内穿设所述固定通孔e设置。需要说明的是，所述固定通孔e的孔径大小大于所述传动杆8，使所述传动杆8能在所述固定通孔e内自由转动。

进一步地，参照图6，在另一实施例中，所述第一传动部件包括复位棘轮4和联动棘爪6，所述联动棘爪6包括连接端62和凸起端61，所述联动棘爪6的连接端62与所述传动杆8连接，用以接收所述传动杆8的传动力，所述联动棘爪6的凸起端61与所述复位棘轮4的齿部在所述传动杆8的不同传动力下实现啮合和分离。

联动棘爪6是固定衔接在传动杆8的尾部，根据传动杆8的旋转而与复位棘轮4啮合分离。

所述复位棘轮包括棘轮主体，所述复位组件包括背向所述棘轮主体的齿部设置的卷簧、空心盖体和设置在所述空心盖体上的突触f，所述棘轮主体与所述卷簧之间通过固定杆连接，所述卷簧的一侧与所述固定杆连接，所述卷簧的另一侧与所述空心盖体连接；所述突触f与所述第二连接件连接。需要说明的是，该空心盖体和棘轮主体是固定连接的。

复位棘轮4由一个棘轮主体串联一个内置卷簧c的空心圆柱体组成而穿过这两者的固定杆则是固定不动的，内置卷簧c一侧与空心盖体相连，另一侧与固定杆杆相连，复位棘轮4由棘轮支架5支撑。

复位棘轮4的独特之处在于它是一个棘轮主体和内置卷簧c的结合体，使得复位棘轮4能够在作用后返回到正确的起始位置，等待下一次的激活。放置内置卷簧c的是空心盖体，该空心盖体为一个空心的圆柱体，其外侧有一个突触，作用是连接小腿后侧的动力部件，具体为连接动力部件的。内置卷簧c的作用是在下肢在摆动阶段时，紧绷连线但又不拉伸小腿后侧弹簧3的作用，若没有内置卷簧c则小腿后侧弹簧3会随着人体摆动而拉伸，这样就失去了复位棘轮和联动棘爪啮合分离的意义。

具体地，单侧脚行走过程中的触地阶段(脚放平、站立、推出)复位棘轮和联动棘爪啮合，此时内置卷簧c不产生作用。在单侧腿摆动(未触地)阶段(脚趾离地、摆动、脚根着地)此时小腿后侧弹簧3也会因为腿的摆动而拉伸，内置卷簧c的作用就是预留出一部分距离来保证护套到棘轮的距离足够长而减少小腿后侧弹簧3不必要的拉长，在这个阶段小腿后侧弹簧3不需要拉伸储能的，因为会影响代谢能耗。连接棘轮的空心盖体有个突触f，突触f的初始位置是与鞋底反方向且水平的，突触f的最大位置就是在空心圆柱体的顶端，也就是在下肢腿的摆动阶段，护套到棘轮的最大距离。

进一步地，参照图3和图4，在另一实施例中，所述第一传动组件还包括支架5，所述支架5连接所述第一传动部件和所述容纳盒7，用于将所述第一传动组件固定在所述容纳盒7上，所述支架5连接在所述复位棘轮4的固定杆的两端。所述支架5为倒“l”型结构，该倒“l”型结构的一端连接在所述复位棘轮4的固定杆的两端，该“l”型结构的另一端连接在容纳盒7的盖体上。

此外，参照图5，所述第二传动部件包括套装在所述传动杆8一端的齿轮，所述受力部件包括架设在所述传动杆8上的连接杆和分别固定在所述连接杆两端的第一压力杆10a和第二压力杆10b，所述连接杆垂直于所述传动杆8的长度延伸方向；所述第二压力杆面向所述齿轮的一面开设有与所述齿轮配合的齿轮条。所述连接杆上方还安装有弹簧12，所述弹簧12的数量为3个，3个所述弹簧12并列且等间距的排列在所述连接杆上。此外，需要说明的是，3个弹簧的上端固定在鞋底1中，三个弹簧的下部固定在所述连接杆上。就是在第一压力杆和第二压力杆受地面力时，能够有一定缓冲进入容纳盒，在不受地面力的情况下，反推第一压力杆和第二压力杆，带动传动杆使复位棘轮4和联动棘爪6从啮合状态到分离。

其中，所述第二传动部件的齿轮为不完全齿轮11。所述容纳盒7的盖体内侧还开设有用于容置连接杆上的3个弹簧12的弹簧12固定壳9。

3个弹簧12是分别连接在与第一压力杆10a与第二压力杆10b相连的连接杆和固定在装置容纳盒7中，其作用除了在第一压力杆10a与第二压力杆10b作用下使传动杆8分离啮合联动棘爪6和复位棘轮4外，还具有在踝关节外骨骼悬空阶段防止联动棘爪6和复位棘轮4重新啮合的作用，保证装置能高效稳定的运行。

本发明提出的一种踝关节外骨骼，它由护套2、小腿后侧弹簧3、复位棘轮4、棘轮支架5、联动棘爪6、容纳盒7、传动杆8、3个相同的弹簧固定壳9、压力杆、不完全齿轮11、3个相同的弹簧12等组成。其中第一压力杆10a和第二压力杆10b的区别是第二压力杆10b、复位棘轮4有内置卷簧c、容纳盒7内侧前部有一个突触d；容纳盒7内侧顶部有一个固定通孔e。另因本装置内嵌在鞋底1，为示意需要添加了鞋底1。

整个装置除部分联动棘爪6、复位棘轮4、小腿后侧弹簧3以及护套2之外，剩余装置都收纳在容纳盒7当中。第一压力杆10a和第二压力杆10b放置的位置是在前脚掌的位置，并通过两者之间的连接杆与固定在容纳盒7的弹簧12相连。传动杆8根据压力杆受力和弹簧12的作用而上下移动，使得联动棘爪6有规律呈一定角度旋转而啮合或者分离复位棘轮4。

以下分析若无特别说明均为同侧脚，具体工作模式：

当外骨骼穿戴者脚落地时，第一压力杆10a和第二压力杆10b同时受力，被压入容纳盒7，第二压力杆10b的齿轮条带动不完全齿轮11，使得传动杆8呈一定角度旋转带动联动棘爪6与复位棘轮4相啮合，在脚趾离地之前拉伸小腿后侧弹簧3，从而储蓄能量。

当外骨骼穿戴者脚趾离地时，装置处于悬空状态。此时，由于第一压力杆10a和第二压力杆10b处于悬空状态不再受力，因此弹簧12会因为之前的受力压缩而反弹使得第一压力杆10a和第二压力杆10b向下运动，在第一压力杆10a和第二压力杆10b的齿轮条带动下，不完全齿轮11发生旋转，使得联动棘爪6与复位棘轮4分离，此刻储存在小腿后侧弹簧3的能量会释放，辅助外骨骼穿戴者的行走。

当外骨骼穿戴者脚趾离地之后，脚跟落地之前，装置处于悬空状态。这段时间复位棘轮4将发挥作用，由于本阶段初始能量的释放和后续下肢的摆动会导致装置在外力情况下任意摆动和在不必要的阶段存储能量，若没有复位棘轮4内置的卷簧在上述两种状况下的复位缓冲则会造成更多的能量损失，降低本发明的有效性。另外弹簧12在此阶段负责控制不完全齿轮11，间接悬空控制第一压力杆10a和第二压力杆10b，使传动杆8能不发生旋转而导致联动棘爪6和复位棘轮4的啮合分离。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。