一种用于下肢助力外骨骼的被动储能足部机构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于下肢助力外骨骼的被动储能足部机构，属于机器人应用领域。
【背景技术】
[0002]外骨骼机器人是一种可穿戴的机械系统，通过穿戴者与外骨骼的协调运动，实现助力、助行及康复治疗的功能。下肢外骨骼机器人无论是助力、助行还是辅助医疗康复训练功能，足部机构都要有一定的辅助支撑作用及类人自由度。
[0003]依据运动学原理，人体踝关节可实现三自由度运动，即绕运动关节的背屈/跖屈、外展/内收及旋外/旋内运动;依据踝关节运动肌腱功能特征，人体踝关节运动主要依据韧带、跟腱等实现及限制踝关节运动;依据足部构造，人体足弓结构对身体重力下传和地面反弹力起着重要的缓冲震荡的作用;依据足部功能，人体足部在站立或活动时均起支持作用，且在活动时不同的姿势可以构成不同形式的杠杆作用。
[0004]下肢助力外骨骼有些足部机构由可支撑穿戴者整个脚部的刚性板结合自由度为
1、2或3的机械踝关节组成，为避免自由度不可控带来的危险性，机械踝关节各个自由度通常会采用电机、液压缸等进行驱动，该类足部机构灵活性差、控制难度大、对控制系统要求极高、成本相对较高;有些脚底机构采用后脚掌刚性连接踝关节，整个脚部采用弹性材料支撑，或前后脚掌采用分离式结构，转动副连接弹性前后脚掌，主要满足人体行走过程中跖趾关节的运动需求，该类现有足部机构足底尺寸厚、足底连接件多、实用性差、足尖蹬地时对穿戴者支撑及助力功能减弱；也有一些新型足部机构在踝关节前后布置一对弹簧，用于减少穿戴者在矢状面踝关节受力，但弹簧固定端始终固定在足部基座上，在运动过程中拉伸弹簧或压缩弹簧的性能不明确，且有双向弹簧阻力，助力效果未达到最优。
[0005]具有运动能力、负重需求的人群需要一种可降低负重率及其自身重量对踝关节影响的下肢助力外骨骼，即可以在腿支撑阶段对穿戴者踝关节提供支撑力的外骨骼，并在整个步态周期内利用被动储存的能量辅助完成行走行为，对控制系统及传感器依赖性低，能耗低，该类外骨骼属于一种新型半被动外骨骼，现有外骨骼足部机构均不能够满足此需求。
【发明内容】
[0006]技术问题:本发明所要解决的技术问题是:提供一种用于下肢助力外骨骼的被动储能足部机构，该足部机构充分利用人体足部构造、运动性能、人体及外骨骼质量及惯性作用，实现踝关节被动储能及支撑能力、足尖蹬地动作实现及状态自动恢复，结构简单，穿戴方便，可移植性高，实现低能耗行走。
[0007]技术方案:为了解决上述问题，本发明采用的技术方案是:
[0008]—种用于下肢助力外骨骼的被动储能足部机构，包括:
[0009]踝关节单元，其包括杆端关节轴承、关节支撑座以及依次穿过杆端关节轴承的下端和关节支撑座的上端的关节支撑轴；
[0010]足侧面板，其下端与关节支撑座的下端相连接，所述关节支撑轴依次穿过足侧面板的上端、杆端关节轴承的下端和关节支撑座的上端开设的孔；
[0011]脚底板单元，其包括刚性后脚跟、设置在刚性后脚跟前端的刚性前脚掌、安装在刚性后脚跟内侧的前端的第一固定件、安装在刚性前脚掌的内侧的后端的第二固定件、第一内侧板簧、第二内侧板簧、第一外侧板簧、第二外侧板簧、安装在刚性前脚掌的外侧的后端的第三固定件和第四固定件，其中，所述第一内侧板簧和第二内侧板簧相互叠加组合，通过第一固定件与刚性后脚跟连接，并通过第二固定件与刚性前脚掌连接，所述第一外侧板簧和第二外侧板簧相互叠加组合，通过第三固定件及第四固定件与刚性前脚掌连接，所述足侧面板设置在刚性后脚跟和关节支撑座之间，并且所述关节支撑座、足侧面板和刚性后脚跟依次相互连接；
[0012]捆绑单元，其包括前捆绑单元和后捆绑单元，所述前捆绑单元的两侧分别安装在所述刚性前脚掌的两侧，所述后捆绑单元的两侧分别安装在所述刚性后脚跟的内侧边和足侧面板的顶部；
[0013]弹簧支撑单元，其包括第一支撑件、第二支撑件、依次穿过第一支撑件和第二支撑件的第一弹簧连接杆以及第二弹簧连接杆，所述杆端关节轴承的顶部安装在第一支撑件和第二支撑件之间；
[0014]背屈被动弹簧储能单元，其包括第一拉伸弹簧、第一弹簧限位件、第一转动轴、分别安装在第一弹簧限位件后部两侧的第一轴承和第二轴承、第二转动轴、第一转动件和第二转动件，所述第一转动轴依次穿过第一轴承、第一转动件的前端、第二轴承和第二转动件的前端，所述第二转动轴依次穿过第一转动件的后端和第二转动件的后端，所述第一拉伸弹簧的一端连接在第二弹簧连接杆上，另一端连接在第二转动轴上，所述第一弹簧限位件安装在足侧面板的后端；
[0015]跖屈被动弹簧储能单元，其包括第二拉伸弹簧、安装在足侧面板前端的第三轴承和第四轴承、第三转动轴、第四转动轴、第三转动件、第四转动件、第二弹簧限位件，其中，所述第三转动轴依次穿过第四轴承、第三轴承、第三转动件的后端和第四转动件的后端，所述第四转动轴依次穿过第三转动件的前端和第四转动件的前端，所述第二拉伸弹簧的一端连接在第一弹簧连接杆上，另一端连接在第三转动轴上，所述第二弹簧限位件安装在足侧面板的前端，用于将所述第三转动件的向上转动的运动范围限制在水平位置。
[0016]进一步地，所述所述脚底板单元还包括底部板簧，其一端安装在刚性前脚掌的后端中部位置，另一端安装在刚性后脚跟的前端中部位置。
[0017]进一步地，所述脚底板单元为分离式柔性弯曲结构，所述刚性后脚跟与刚性前脚掌通过底部板簧、可变形粘接板及胶垫实现底部柔性弯曲连接，通过第一内侧板簧、第二内侦贩簧、第一固定件及第二固定件实现内侧柔性弯曲连接，通过第一外侧板簧、第二外侧板簧、第三固定件及第四固定件实现外侧柔性弯曲连接。
[0018]进一步地，背屈运动时，第一拉伸弹簧通过第一弹簧限位件实施限位，第一拉伸弹簧被拉伸从而完成背屈被动储能，第三转动件、第四转动件绕第三转动轴转动，使得第四转动轴向下运动，第二拉伸弹簧呈自由平衡状态;跖屈运动时，第二拉伸弹簧通过第二弹簧限位件实施限位，第二拉伸弹簧被拉伸从而完成被动储能，第一转动件、第二转动件绕第一转动轴转动，使得第二转动轴向下运动，第一拉伸弹簧呈自由平衡状态。
[0019]本发明的优选方案中，脚底板单元为分离式柔性弯曲结构，包括刚性后脚跟、刚性前脚掌、底部板簧、内侧板簧、外侧板簧、固定机构、可变形粘接板及胶垫；刚性后脚跟与刚性前脚掌通过底部板簧、可变形粘接板及胶垫依次上下连接，并分别通过内侧板簧、外侧板簧、固定机构进行侧面连接;底部板簧、内侧板簧与外侧板簧的组合使用，可从底部、内侧及外侧连接刚性后脚跟与刚性前脚掌，辅助足尖蹬地动作的实现及自动状态的回复，并在足尖蹬地过程中脚底板单元保证足部机构对人体足部的足够的支撑能力。
[0020]本发明的优选方案中，捆绑单元包括前捆绑单元、后捆绑单元，前捆绑单元连接刚性前脚掌的两侧，后捆绑单元连接刚性后脚跟与足侧面板，通过两捆绑单元实现穿戴者脚部与该足部机构的有效接触。
[0021]本发明的优选方案中，被动弹簧储能单元包括背屈被动弹簧储能单元与跖屈被动弹簧储能单元，通过弹簧支撑单元分别与踝关节单元、足侧面板连接，运动时分别完成背屈与跖屈被动储能。
[0022]本发明的优选方案中，弹簧支撑单元包括第一支撑件、第二支撑件、第一弹簧连接杆及第二弹簧连接杆;通过第一支撑件、第二支撑件与杆端关节轴承的杆端连接，实现弹簧支撑单元与踝关节单元的运动一致性，通过第一弹簧连接杆、第二弹簧连接杆分别与第二拉伸弹簧、第一拉伸弹簧的一端连接，进而通过踝关节的运动量改变第一拉伸弹簧或第二拉伸弹簧的变形量，完成拉伸弹簧被动储能，并在储能完成后释放能量实现外骨骼助力功會K。
[0023]本发明的优选方案中，背屈被动弹簧储能单元包括第一拉伸弹簧、第一弹簧限位件、第一转动轴、第二转动轴、第一转动件及第二转动件，第一拉伸弹簧一端固定在弹簧支撑单元上，一端固定在第二转动轴上，第二转动轴与第一转动轴平行，并通过第一转动件、第二转动件与第一转动轴连接，第一转动件、第二转动件可带动第二转动轴绕第一转动轴转动;该弹簧储能单元初始状态为第一转动件、第二转动件为水平状态，弹簧支撑单元呈水平状态，踝关节杆端呈自然垂直状态，弹簧预紧力大于等于零;该弹簧储能单元在背屈运动时第一拉伸弹簧通过第一弹簧限位件限制完成储能，跖屈时第一拉伸弹簧通过第二转动轴的转动呈自由平衡状态。
[0024]本发明的优选方案中，跖屈被动弹簧储能单元包括第二拉伸弹簧、第二弹簧限位件、第三转动轴、第四转动轴、第三转动件及第四转动件，第二拉伸弹簧一端固定在弹簧支撑单元上，一端固定在第四转动轴上，第四转动轴与第三转动轴平行，并通过第三转动件、