一种基于人体足弓运动储能的无动力助行装置

1.本发明涉及行走辅助设备技术领域，特别是涉及一种基于人体足弓运动储能的无动力助行装置。


背景技术：

2.人类在进化过程中，通过双脚在地面运动的关键就是具有足弓的脚。足弓一方面为足部提供了一定的刚度，让其能够像杠杆一样将力量传导至地面；另一方面，足弓能够储存相应的能量，使其能够像弹簧一样释放与储存机械能。人体所具备的上述特点决定了足部辅具的两个设计需求分别是支撑作用及回弹作用。
3.现有足部辅具的设计通常采用高回弹性的材料，实现对足部运动过程中的能量储存与利用。但是，由于足弓能量的储存与释放特点，高回弹性材料的足部辅具往往难以对释放的能量实现精准控制，难以起到对足弓的力矩补偿作用。基于上述的特殊需求，设计一种能充分顺应足弓运动模式的外部助行装置，通过对能量的精准控制与释放，在必要时刻对人体提供机械能，提升步行效率，增强步行能力是十分必要的。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是：提供一种基于人体足弓运动储能的无动力助行装置，能踩地时储存能量，蹬离地面时提供中足助力，延缓脚后跟能量的释放，实现在足弓回弹时精准释放能量，为穿戴者提供中足助力及后跟助力，分别对中足关节及踝关节的力矩进行补偿，实现助力。
5.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于人体足弓运动储能的无动力助行装置，包括压板、足底板、限位轮、传动组件、锁紧组件、第一弹性组件和第二弹性组件，所述压板能沿鞋子的高度方向上下移动，所述第一弹性组件能前后移动地设置在所述足底板的中部，所述压板的中部与所述第一弹性组件连接，所述第一弹性组件通过所述传动组件带动所述限位轮转动，所述第二弹性组件能上下摆动地设置在所述足底板的后部，所述锁紧组件设置在所述第二弹性组件上；当所述第一弹性组件和第二弹性组件受到压板的挤压时，驱动所述传动组件带动所述锁紧组件卡紧所述限位轮和所述第二弹性组件；当压板上的外力撤去时，所述第一弹性组件和所述传动组件复位时，使所述锁紧组件松开所述限位轮和所述第二弹性组件，所述第二弹性组件复位且复位后所述第二弹性组件抵紧所述足底板。
6.作为本发明优选的方案，所述限位轮上间隔设有第一拨杆和第二拨杆，所述第一拨杆的轴线与所述限位轮的轴线之间的距离大于所述第二拨杆的轴线与所述限位轮的轴线之间的距离；
7.所述第二弹性组件包括转板和扭簧，所述转板的一端与所述足底板转动连接，所述转板的宽度小于所述压板与所述足底板之间的距离，所述扭簧设置在所述转板与所述足底板之间；
8.所述锁紧组件包括限位爪和限位块，所述限位块固设在所述足底板上且位于所述限位轮的上方，所述限位块上设有与所述限位爪配合卡接的卡槽，所述限位爪可转动地设置在所述转板的另一端，所述第一拨杆的顶面和第二拨杆的顶面均高于所述限位块的底面且分布在所述限位块的外周，所述限位块的顶面设有挡板，所述限位爪与所述限位块卡接处位于所述挡板的下方。
9.作为本发明优选的方案，所述限位轮为第一齿轮，所述传动组件包括齿条和与所述第一齿轮啮合的第二齿轮，所述齿条与所述第二齿轮啮合，所述齿条与所述第一弹性组件铰接，所述第一弹性组件带动所述齿条在所述足底板上直线前后移动，所述第二齿轮可转动地设置在所述足底板上。
10.作为本发明优选的方案，所述第一弹性组件包括滑杆、导轨和弹性件，所述滑杆的上端与所述压板的中部转动连接，所述导轨沿所述足底板的前后方向设置在所述足底板上，所述弹性件设置在所述滑杆的下端与所述导轨之间，所述滑杆的下端与所述传动组件连接。
11.作为本发明优选的方案，所述压板的中部设有吊耳，所述吊耳通过转轴与所述滑杆转动连接，所述吊耳上设有与所述滑杆的上端配合的滑槽，所述滑槽的后侧槽壁为斜面，所述滑杆始终处于上端向后下端向前的倾斜状态。
12.作为本发明优选的方案，所述滑杆设有两个且分别对称设置在所述压板的左右两端，所述导轨相应的设有两个。
13.作为本发明优选的方案，所述转板上设有安装槽，所述安装槽上设有限位柱，所述限位爪可转动地设置在所述安装槽上，所述限位爪上设有与所述限位柱磁吸配合的凸块，当所述限位爪与所述限位块分离时，所述限位爪与所述限位柱吸合。
14.作为本发明优选的方案，所述压板的底面设有缓冲垫，当所述限位爪与所述限位块分离时，所述转板的末端抵紧在所述缓冲垫上。
15.作为本发明优选的方案，所述压板为高韧高强的板材。
16.作为本发明优选的方案，所述足底板包括前板和后板，所述前板和后板铰接。
17.本发明实施例一种基于人体足弓运动储能的无动力助行装置与现有技术相比，其有益效果在于：
18.当用户足部踩地时，压板向下移动，第一弹性组件和第二弹性组件同时在受到外力作用并储存能量，第一弹性组件通过传动组件带动限位轮转动，使锁紧组件卡紧限位轮，从而使限位轮停止转动，压板停止移动；而当用户足部蹬离地面时，压板向上移动，第二弹性组件仍处于受压状态，第一弹性组件复位，释放弹性势能，为用户中足部位提供向上的作用力，锁紧组件松开限位轮，使第二弹性组件复位，释放弹性势能，且复位后所述第二弹性组件抵紧所述足底板，为用户中脚后跟部位提供向上的作用力，从而通过踩地时储存能量，蹬离地面时提供中足助力，延缓脚后跟能量的释放，实现在足弓回弹时精准释放能量，为穿戴者提供中足助力及后跟助力，分别对中足关节及踝关节的力矩进行补偿，实现助力。
附图说明
19.图1是本发明实施例提供的一种基于人体足弓运动储能的无动力助行装置的结构示意图；
20.图2是踩地时限位爪与限位块配合的结构示意图；
21.图3是蹬离地面时限位爪与限位块分离的结构示意图；
22.图4是吊耳的结构示意图。
23.图5是限位爪的安装示意图；
具体实施方式
24.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
25.在本发明的描述中，应当理解的是，本发明中采用术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
26.如图1至图3所示，本发明提供的一种基于人体足弓运动储能的无动力助行装置的优选实施例，其包括压板1、足底板2、限位轮3、传动组件4、锁紧组件5、第一弹性组件6和第二性组件7，所述压板1能沿鞋子的高度方向上下移动，所述第一弹性组件6能前后移动地设置在所述足底板2的中部，所述压板1的中部与所述第一弹性组件6连接，所述第一弹性组件6通过所述传动组件带动所述限位轮3转动，所述第二性组件7能上下摆动地设置在所述足底板2的后部，所述锁紧组件设置在所述第二性组件7上，具体的，所述限位轮3通过固定轴与所述足底板2连接，所述限位轮3与所述固定轴之间设有轴承，所述限位块52通过定位销固定在所述固定轴上，所述限位轮3和所述第二齿轮42分别与所述足底板2相离；所述限位爪51为棘爪，所述限位块52为与所述棘爪配合的棘轮，但所述棘爪与所述棘轮的齿槽并非形状配合，结构紧凑；
27.所述限位轮3上间隔设有第一拨杆31和第二拨杆32，所述第一拨杆31的轴线与所述限位轮3的轴线之间的距离大于所述第二拨杆32的轴线与所述限位轮3的轴线之间的距离；
28.所述第一弹性组件6包括滑杆61、导轨62和弹性件63，所述滑杆61的上端与所述压板1的中部转动连接，所述导轨62沿所述足底板2的前后方向设置在所述足底板2上，所述弹性件63设置在所述滑杆61的下端与所述导轨62之间，所述滑杆61的下端与所述传动组件连接，具体的，所述导轨62上设有导向槽，所述弹性件63为拉簧，所述拉簧设置在所述滑杆61与所述导向槽的后侧之间，所述导向槽的槽壁上设有避让孔；
29.所述第二性组件7包括转板71和扭簧72，所述转板71的一端与所述足底板2转动连接，所述转板71的宽度小于所述压板1与所述足底板2之间的距离，所述扭簧72设置在所述转板71与所述足底板2之间；
30.所述限位轮3为第一齿轮，所述传动组件包括齿条41和与所述第一齿轮啮合的第二齿轮42，所述齿条41与所述第二齿轮42啮合，所述齿条41与所述滑杆61的下端铰接，所述滑杆61带动所述齿条41在所述足底板2上直线前后移动，所述第二齿轮42可转动地设置在所述足底板2上，所述齿条41与所述导轨62紧贴；还需要说明的是，所述第二齿轮42通过固
定轴与所述足底板2连接，所述第二齿轮42与所述固定轴之间设有轴承，所述齿条41上设有齿条盖43，所述齿条盖43通过固定柱和所述固定轴与所述足底板2连接，所述齿条盖43的底面与所述齿条41的顶面贴合，具体的，所述第一拨杆31和所述第二拨杆32的角度分布应满足：设所述齿条41的行程为l，所述限位轮3的分度圆直径为d，所述第一拨杆31和所述限位轮3的轴线连线与所述第二拨杆32和所述限位轮3的轴线连线之间的角度应等于＝l/360πd；
31.所述锁紧组件5包括限位爪51和限位块52，所述限位块52固设在所述足底板2上且位于所述限位轮3的上方，所述限位块52上设有与所述限位爪51配合卡接的卡槽521，所述限位爪51设置在所述转板71的另一端，所述第一拨杆31的顶面和第二拨杆32的顶面均高于所述限位块52的底面且分布在所述限位块52的外周，所述限位块52的顶面设有挡板53，所述限位爪51与所述限位块52卡接处位于所述挡板53的下方。
32.示例性的，如图4所示，所述压板1的中部设有吊耳11，所述吊耳11通过转轴与所述滑杆61转动连接，所述吊耳11上设有与所述滑杆61的上端配合的滑槽111，所述滑槽111的后侧槽壁为斜面，所述滑杆61始终处于上端向后下端向前的倾斜状态；由此，使滑杆61与足底板2之间的角度始终小于90
°
，保证滑杆61移动时滑杆61能始终顺畅地向前摆动，防止滑杆61卡死。
33.示例性的，如图1和图2所示，所述滑杆61设有两个且分别对称设置在所述压板1的左右两端，所述导轨62相应的设有两个，使用户足部踩地时压板1受力均匀，压板1不会倾斜，且中足的助力强度大。
34.示例性的，如图5所示，所述转板71上设有安装槽711，所述安装槽711上设有限位柱712，所述限位爪51可转动地设置在所述安装槽711上，所述限位爪51上设有与所述限位柱712磁吸配合的凸块511，所述凸块511优选为铁块或磁块，当所述限位爪51与所述限位块52分离时，所述限位爪51与所述限位柱712吸合，所述限位爪51通过安装轴与所述安装槽711连接，所述安装轴与所述限位爪51之间设有轴承，所述安装槽711上设有限位爪51盖，所述限位爪51盖的底面与所述限位爪51紧贴；由此，方便装卸限位爪51，以及调整限位爪51的位置，使限位爪51能与限位块52完全卡紧配合。
35.示例性的，如图1所示，所述压板1的底面设有缓冲垫12，当所述限位爪51与所述限位块52分离时，所述转板71的末端抵紧在所述缓冲垫12上，以缓冲转板71与压板1之间的碰撞力，减少对转板71和压板1的损伤，同时，能够更有效的帮助扭簧72释放的能量传递到关节处。
36.示例性的，所述压板1为为高韧高强的板材，优选为碳纤维板，大大地吸收了鞋子的异味，起到很好地除味作用，而在其他实施例中，由于压板具有良好的韧性，能将所述压板1的形状设计成与人体的足底形状配合，以充分吸收步行过程中的能量，提高能量利用效率，提高用户穿着的舒适感，同时压板具有良好的强度，保证了压板的支撑作用，很好地避免了运动过程中的足弓塌陷等，使得人体足弓能够更充分的发挥作用。
37.示例性的，如图1所示，所述足底板2包括前板21和后板22，所述前板21和后板22铰接，优选为通过合页连接，以避免足底板2弯曲对零部件产生影响，保证零部件顺畅运转；同时添加合页能够充分保证跖趾关节处的自由度，使得装置不干涉人体的正常步行。
38.本发明的工作过程为：当用户足部踩地时，压板1向下移动，使转板71向下转动，扭
簧72被压缩，使限位爪51与限位块52相对，同时，使滑杆61的下端向前移动，所述拉簧被拉伸，储存能量，带动所述齿条41向前移动，使第二齿轮42转动带动第一齿轮正向转动，第一齿轮上的第一拨杆31拨动限位爪51转动直至限位爪51卡紧在所述限位块52上，且限位爪51与第一拨杆31相抵，使限位爪51不会在外界作用力下脱离限位块52，还能使拉簧保持拉伸状态，储存能量；而当用户足部蹬离地面时，滑杆61的下端在拉簧的回复力作用下向后移动，使压板1向上移动，释放弹性势能，为用户中足部位提供向上的作用力，此时，虽然转板71不受压力，但限位爪51的顶面与挡板53的底面相抵，使限位爪51仍与限位块52卡合，同时，滑杆61带动齿条41向后移动，使第二齿轮42反向转动带动第一齿轮反向转动，第一齿轮上的第二拨杆32拨动限位爪51，使限位爪51反向转动直至限位爪51与限位块52分离并与限位柱712吸合，此时，限位爪51的末端不再位于挡板53的下方，则转板71在扭簧72的回复力作用下向上转动，直至转板71的末端抵紧在缓冲垫12上，释放弹性势能，为用户中脚后跟部位提供向上的作用力，从而通过用户利用重力踩地时储存弹性势能能量，蹬离地面时提供中足助力，延缓脚后跟能量的释放，实现在足弓回弹时精准释放能量，为穿戴者提供中足助力及后跟助力，分别对中足关节及踝关节的力矩进行补偿，实现助力。
39.在本发明的描述中，应当理解的是，除非另有明确的规定和限定，本发明中采用术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
40.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。