仿生张拉整体多自由度自支撑柔性踝关节穿戴助力装置

1.本发明涉及辅助行走和助力设备技术领域，更具体的是涉及仿生张拉整体多自由度自支撑柔性踝关节技术领域。


背景技术：

2.踝关节是连接腿部和脚部的重要关节，也是人行走过程中为身体提供支撑和移动的关键部位。由于踝关节是日常活动中使用频率最高的关节，因此对比其他关节更容易发生损伤。
3.现有的可穿戴助力设备可以划分为刚性穿戴设备和柔性穿戴设备。其中刚性设备是研究最为广泛的一类设备，并且在实际应用中也多以刚性穿戴设备为主。刚性穿戴设备利用杆件等刚性原件模拟人体的骨骼系统，通过多组刚性原件组成类似人体骨架的系统，穿戴者在穿戴刚性穿戴设备后，通过动力原件带动杆件运动进而辅助穿戴者行走。这种刚性穿戴设备由于优点在于拥有支撑特性，但在生物机理上，行走中主要起承载作用的并不是骨骼系统，而是肌肉系统。由于结构强度等方面的原因，刚性穿戴设备的尺寸一般较大，不利于穿戴者移动，虽然一部分助力设备将驱动器与使用者分离，外置于地面上来减轻重量，但这种分离式的刚性穿戴设备限制了使用者的活动范围。且多数穿戴设备只能实现单一自由度上的运动，导致在助力时效果不理想。
4.而柔性穿戴设备作为近年来一种全新的穿戴设备研究方向，其主要模拟人体行走时起主要作用的一组肌肉，通过与穿戴者的肌肉协同作用，以此来减少肌肉的代谢消耗，实现辅助行走的功能。柔性穿戴设备一般利用绳索来模拟肌肉，整体机构重量轻于刚性穿戴设备，又由于绳索对关节的约束一般为欠约束，所以柔性穿戴设备自由度多于刚性穿戴设备。且由于人体在行走起主要作用的是肌肉系统，所以柔性穿戴设备在助力效率上也优于刚性穿戴设备。但由于对人体肌肉系统支撑作用的机理尚未研究清楚，大部分柔性助力设备无法实现对人体的支撑作用，只能对行走机能无障碍的穿戴者进行辅助行走。
5.由于上述现有的各类踝关节助力设备可知，如何实现拥有肌肉系统高效助力的同时也能拥有较多自由度和一定的结构支撑力，缓解踝关节压力渐渐成为辅助行走领域中亟待解决的问题之一。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于：为了解决上述技术问题，本发明提供仿生张拉整体多自由度自支撑柔性踝关节穿戴助力装置，该设备利用张拉系统作为踝关节设备的主体机构，通过柔性绳模拟踝关节附近的肌肉群，以此实现张拉整体自身的平衡支撑特性，利用此特性实现对腿部的支撑作用，通过绞线驱动方式的高减速比特性实现电机的力矩放大，降低穿戴设备整体质量，实现较高的助力效率。
7.本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
8.仿生张拉整体多自由度自支撑柔性踝关节穿戴助力装置，包括套设在足跟处的足
部穿戴组件、套设在小腿处的腿部固定组件、被动柔性绳组件和柔性绞线驱动组件，被动柔性绳组件连接在足部穿戴组件和腿部固定组件之间的左右侧，柔性绞线驱动组件连接在足部穿戴组件和腿部固定组件之间的前后侧，足部穿戴组件、腿部固定组件、被动柔性绳组件和柔性绞线驱动组件构共同构成具有能够调整足部和腿部之间相对位置和姿态的变化且具有自支撑性能的张拉整体机构。
9.优选地，被动柔性绳组件包括对称设置在穿戴者足部左右两侧的左被动柔性线单元和右被动柔性线单元，左被动柔性线单元和右被动柔性线单元均接在足部穿戴组件和腿部固定组件之间，柔性绞线驱动组件包括对称设置在腿部前后两侧的前柔性绞线驱动组件和后柔性绞线驱动组件前柔性绞线驱动组件和后柔性绞线驱动组件均连接在足部穿戴组件和腿部固定组件之间。
10.优选地，所述足部穿戴组件包括与足跟配合且开口朝向脚趾方向的u型足跟连接板和绕过脚背连接u型足跟连接板的两个自由端的弧形足前支撑板，u型足跟连接板下方设置有多个绕过穿戴者的足底部把u型足跟连接板和弧形足前支撑板固定在穿戴者的足部的绑带或魔术贴。
11.更优地，所述腿部固定组件包括对称等高设置在小腿部左右两侧的两块腿部支撑板，两块腿部支撑板前后侧均通过弹性连接带固定在小腿部，两块腿部支撑板外侧均设置有倾斜向下的与对应被动柔性线单元连接的被动柔性线连接杆。
12.更优地，所述左被动柔性线单元和右被动柔性线单元结构相同，左被动柔性线单元和右被动柔性线单元均包括三根柔性绳，三根柔性绳同一端连接在对应被动柔性线连接杆的末端，三根柔性绳另一端分别连接在u型足跟连接板中部、u型足跟连接板的对应的自由端上和弧形足前支撑板中部。
13.更优地，所述前柔性绞线驱动组件和后柔性绞线驱动组件结构相同，前柔性绞线驱动组件和后柔性绞线驱动组件均布包括安装板、安装在安装板上的电机、设置在电机输出端的绞线环和连接在绞线环的两股成螺旋缠绕的柔性绞线对，所述前柔性绞线驱动组件的柔性绞线对的自由端连接在弧形足前支撑板中部，所述后柔性绞线驱动组件的柔性绞线对的自由端连接在u型足跟连接板中部。
14.前柔性绞线驱动组件和后柔性绞线驱动组件的则利用两条平行的高强度细线构成柔性绞线对，通过电机旋转，形成类似于双螺旋形状的结构，由于细线被扭转后在轴线方向上发生收缩，并且绞制时具有类似于传统减速机构的特性，能实现驱动力的放大，所以能实现肌肉收缩的特性，反之则能实现肌肉的松弛运动。前后两条柔性绞线对配合扭转，则能实现两组肌肉间的配合运动，实现足部穿戴组件的运动。
15.工作原理：腿部固定组件、足部穿戴组件和被动柔性绳组件所组成的张拉机构一，能通过改变左被动柔性线单元和右被动柔性线单元中各个柔性绳的长度和其中预应力允许多个自由度方向上的运动；腿部固定组件、足部穿戴组件和柔性绞线驱动组件所组成的张拉机构二，通过前柔性绞线驱动组件和后柔性绞线驱动组件的柔性绞线对长度变化，实现足部和腿部之间相对位置和姿态的变化，以此来实现静态情况下人体关节与穿戴设备关节对其的功能。在前后侧主要自由度方向上通过驱动两根柔性绞线对的动态运动，即可实现对人体踝关节的驱动，以此来实现主要自由度背屈、跖屈方向上的运动。
16.张拉机构一和张拉机构二构成的张拉整体系统具有自支撑的特性，通过调节静态
穿戴时足部穿戴组件与腿部固定组件之间的相对位置，即可实现对踝关节支撑力大小的调节，实现柔性踝关节的支撑作用。
17.在次要自由度方向上由于并未添刚性约束，所以在其他自由度上张拉整体系统也拥有相应的自由度。但通过调节左被动柔性线单元和右被动柔性线单元中各个柔性绳上的预应力，可以使结构在次要自由度方向上具有较高的刚度，以此限制次要自由度方向的运动范围，实现在运动时允许主要自由度上运动的同时，次要自由度方向上的小范围运动。同时随着次要自由度方向上柔性绳索的变形量增大，结构所提供的回复力也随之增大，能实现一定的限位功能。并且由于张拉整体结构中采用柔性绳，使其自身具有一定的弹性，能实现一定的能量储存功能。
18.本发明的有益效果如下：
19.1、本发明采用了新型的绞线驱动方式，利用在绞线过程中所具有的高减速比、大驱动力输出这一特性，替代传统机械减速器装置，大大降低了穿戴设备的整体质量和尺寸，减轻了穿戴者的负担。
20.2、本发明采用了新型的张拉整体作为关节主体，在不影响主要自由度方向上的运动基础上，能完成其他次要自由度方向上的运动，具有极高的灵活性。
21.3、本发明在拥有柔性的特点同时具有较大的轴向刚度，较好自支撑特性，能为穿戴者提供有效的支撑力，减轻踝关节在行走时所受到的压力。
22.4、本发明通过采用张拉整体结构，一方面能实现一定的储能作用，另一方面能够通过调节其他方向上的刚度，可以限制次要自由度方向上运动幅度过大的情况，避免由外力对穿戴者踝关节引起的损伤。
附图说明
23.图1为本发明的结构示意图；
24.图2为图1的左侧图；
25.图3为足部穿戴组件的结构示意图；
26.图4为腿部固定组件的结构示意图；
27.图5为前柔性绞线驱动组件或后柔性绞线驱动组件的机构示意图；
28.附图标记：1
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前柔性绞线驱动组件，2
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腿部固定组件，3
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足部穿戴组件，4
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柔性绳a、5
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柔性绳b，6
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柔性绳c，7
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柔性绳d、8
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柔性绳e，9
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柔性绳f，10
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后柔性绞线驱动组件。
具体实施方式
29.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
30.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。
31.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
32.在本发明实施方式的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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。
33.实施例1
34.如图1到5所示，本实施例提供仿生张拉整体多自由度自支撑柔性踝关节穿戴助力装置，其特征在于，包括套设在足跟处的足部穿戴组件3、套设在小腿处的腿部固定组件2、被动柔性绳组件和柔性绞线驱动组件，被动柔性绳组件连接在足部穿戴组件3和腿部固定组件2之间的左右侧，柔性绞线驱动组件连接在足部穿戴组件3和腿部固定组件2之间的前后侧，足部穿戴组件、腿部固定组件、被动柔性绳组件和柔性绞线驱动组件构共同构成具有能够调整足部和腿部之间相对位置和姿态的变化且具有自支撑性能的张拉整体机构。
35.被动柔性绳组件包括对称设置在穿戴者足部左右两侧的左被动柔性线单元和右被动柔性线单元，左被动柔性线单元和右被动柔性线单元均接在足部穿戴组件3和腿部固定组件2之间，柔性绞线驱动组件包括对称设置在腿部前后两侧的前柔性绞线驱动组件1和后柔性绞线驱动组件10，前柔性绞线驱动组件1和后柔性绞线驱动组件10均连接在足部穿戴组件3和腿部固定组件2之间。
36.所述足部穿戴组件3包括与足跟配合且开口朝向脚趾方向的u型足跟连接板301和绕过脚背连接u型足跟连接板301的两个自由端的弧形足前支撑板304，u型足跟连接板301下方设置有多个绕过穿戴者的足底部把u型足跟连接板301和弧形足前支撑板304固定在穿戴者的足部的绑带或魔术贴。
37.所述腿部固定组件2包括对称等高设置在小腿部左右两侧的两块腿部支撑板203，两块腿部支撑板203前后侧均通过弹性连接带固定在小腿部，两块腿部支撑板203外侧均设置有倾斜向下的与对应被动柔性线单元连接的被动柔性线连接杆204。
38.弹性连接带为魔术贴或者绑带，弹性连接带的数量为前后各两根，所述腿部固定组件2的两个腿部支撑板203通过四根绑带或者魔术贴与穿戴者腿部固定连接。
39.所述左被动柔性线单元和右被动柔性线单元结构相同，左被动柔性线单元和右被动柔性线单元均包括三根柔性绳，三根柔性绳同一端连接在对应被动柔性线连接杆204的末端，三根柔性绳另一端分别连接在u型足跟连接板301中部、u型足跟连接板301的对应的自由端上和弧形足前支撑板304中部。
40.右被动柔性线单元的三根柔性绳分别为柔性绳a4、柔性绳b5和柔性绳c6；柔性绳a4两端分别与右侧被动柔性线连接杆204末端和u型足跟连接板301中部连接；柔性绳b5两端分别与右侧被动柔性线连接杆204末端和u型足跟连接板301右侧自由端上连接；柔性绳c6两端分别与右侧被动柔性线连接杆204末端和弧形足前支撑板304中部连接；
41.左被动柔性线单元的三根柔性绳分别为柔性绳d7、柔性绳e8和柔性绳f9。
42.柔性绳d7两端分别与左侧被动柔性线连接杆204末端和弧形足前支撑板304中部连接；柔性绳f9两端分别与左侧被动柔性线连接杆204末端和u型足跟连接板301右侧自由
端上连接；柔性绳e8两端分别与左侧被动柔性线连接杆204末端和u型足跟连接板301中部连接。
43.所述前柔性绞线驱动组件1和后柔性绞线驱动组件10结构相同，前柔性绞线驱动组件1和后柔性绞线驱动组件10均布包括安装板10
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2、安装在安装板10
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2上的电机101、设置在电机101输出端的绞线环103和连接在绞线环103的两股成螺旋缠绕状的柔性绞线对104，所述前柔性绞线驱动组件1的柔性绞线对104的自由端连接在弧形足前支撑板304中部，所述后柔性绞线驱动组件10的柔性绞线对104的自由端连接在u型足跟连接板301中部。
44.本实施例中，患者穿戴好仿生踝关节后，在助力过程中，前柔性绞线驱动组件或后柔性绞线驱动组件的电机旋转带动柔性绞线对发生扭转，产生类似螺旋线的绞制，以此减小柔性绞线对的长度，实现与肌肉类似的收缩特性。而当处于绞制状态的柔性绞线对通过电机带动的向相反的方向转动时，柔性绞线对会产生相应的解旋运动，以此增加柔性绞线对的长度，以此实现肌肉的舒张。当前柔性绞线驱动组件或后柔性绞线驱动组件组成系统共同作用时，即可实现与人体一组肌肉类似的驱动特性。而在张拉整体结构中，由于柔性绞线对的长度发生变化，会导致足部穿戴组件和腿部固定组件之间相对位置与位姿的变化，以此实现行走时主要自由度方向上的运动。
45.在上述运动过程中，在除前后主要自由度方向的其他方向上，不存在固定副约束，所以在次要自由度方向也允许一定的运动；由于与左被动柔性线单元和右被动柔性线单元构成拮抗式张拉机构一具有较大的刚度系数，所以在左右侧次要自由度方向所能运动的范围不大，实现在行走时在其他次要自由度方向上的被动适应充分的满足了人体踝关节运动的需要，在助力的同时，并没有过多的限制踝关节的运动，减轻了使用者穿戴不适感。