一种足部助力外骨骼装置的制作方法

本发明涉及足部助力装置技术领域，特别是涉及一种足部助力外骨骼装置。

背景技术：

千里之行，始于足下，人类工作生活都离不开足部运动。人类平均每天行进约10000步，通过足部助力外骨骼装置减轻步行运动耗能对提升人体运动能力具有重要意义。目前的足部外骨骼系统按有无电源分为动力外骨骼与被动外骨骼，动力外骨骼大多繁重复杂，包含驱动电源极大的增加了系统的重量和成本，进一步限制了应用的条件，在人机协调性等共性问题上也依然存在问题。被动外骨骼结构相对简单，实用性更好，制作成本较低。

人体步行时，主要能量消耗一部分在脚后跟与地面的碰撞，另一部分在小腿后肌、跟腱等肌肉组织。如何储存步行时脚后跟与地面的碰撞能量，并释放这部分能量减轻腿部肌肉的耗能是被动助力装置设计的关键。简单的在鞋底设置弹性元件获得的能量回馈有限，并不能起到很好的省力效果。

现有的被动足部外骨骼助力系统大多基于踝关节角度变化控制助力的释放，在小腿后肌将要出力时释放能量为踝关节提供力矩，缓解步行时关键肌肉的疲劳。但助力释放过早，人体需提供额外的力平衡装置提供的助力，步行更加费力；助力释放过晚，起不到最好省力效果，目前尚未找到最佳的能量释放时间点。此外，踝关节角度变化复杂且监测困难，增加了这类装备的复杂程度。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种足部助力外骨骼装置，以解决上述现有技术存在的问题，基于足底压力变化控制助力释放，在步行脚蹬地时为前脚掌提供助力，实现更加符合足部运动习惯的步行省力。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种足部助力外骨骼装置，包括储能扭簧、足底支撑部件、脚掌能量锁放部件、脚跟能量锁放部件、复位弹簧、脚跟脚掌支撑部件；

所述脚跟脚掌支撑部件设置于所述足底支撑部件的顶部，所述脚跟脚掌支撑部件的顶部用于固定人体足部；

所述复位弹簧设置于所述脚跟脚掌支撑部件和所述足底支撑部件之间；

所述足底支撑部件的顶部固定有一第一扭簧安装轴，所述储能扭簧套设于所述第一扭簧安装轴上，所述储能扭簧与脚掌相对的首端为第一扭簧臂，所述储能扭簧与脚跟相对的尾端为第二扭簧臂；

所述脚掌能量锁放部件设置于所述足底支撑部件的首端，所述脚跟能量锁放部件设置于所述足底支撑部件的尾端；初始状态下，所述脚掌能量锁放部件锁定所述储能扭簧的第一扭簧臂，所述脚跟能量锁放部件与所述第二扭簧臂相对，所述第二扭簧臂处于待锁定状态；足部行走时，脚跟与地面接触下压所述第二扭簧臂，所述储能扭簧储能，所述第二扭簧臂下压过程中被所述脚跟能量锁放部件锁定；全脚掌着地后，脚掌压力增加，下压所述脚掌能量锁放部件，第一扭簧臂解锁，释放所述储能扭簧储存的能量为步行提供助力；所述储能扭簧释放助力后，所述脚跟能量锁放部件受力变小，脚后跟抬起，所述第二扭簧臂解锁复位；进一步蹬地后整体足底助力外骨骼装置随脚进入悬空状态，在所述复位弹簧推动下，脚跟下的所述脚跟脚掌支撑部件与所述足底支撑部件距离增加，所述第二扭簧臂绕所述第一扭簧安装轴逆时针旋转，使得所述第一扭簧臂同样绕所述第一扭簧安装轴逆时针旋转，进而所述脚掌能量锁放部件锁定所述第一扭簧臂，装置回复初始状态，在步态周期中实现能量回馈。

优选地，所述脚跟脚掌支撑部件包括分别与脚掌和脚跟相对的两块支撑板，每块支撑板的顶部均设置有足部固定部件，每块所述支撑板的底部均设置有扭簧限位框，所述扭簧限位框由两个相对设置的矩形框架构成，矩形框架的高度大于所述储能扭簧的直径。

优选地，每块所述支撑块的顶部均设置有滑槽，所述足部固定部件为分别设置于所述滑槽两侧的夹板，所述夹板与所述滑槽滑动连接，所述夹板上设置有固定足部的绑带。

优选地，两块所述支撑板与所述足底支撑部件之间均设置有所述复位弹簧。

优选地，所述第一扭簧臂设置有两个，两个所述第一扭簧臂由所述储能扭簧内侧向首端延伸而出，两个所述第一扭簧臂的端部通过一限位杆连接，两个所述第一扭簧臂之间的所述限位杆的杆体内侧设置有第一锁定槽，所述第一锁定槽与所述脚掌能量锁放部件配合设置，位于两个所述第一扭簧臂外侧的所述限位杆的杆体部分搭接在脚掌端的所述扭簧限位框上；

所述第二扭簧臂设置有两个，两个所述第二扭簧臂由所述储能扭簧外侧向尾端延伸而出，两个所述第二扭簧臂的端部分别设置有卡脚，所述卡脚由所述第二扭簧臂向内侧弯曲而成，每个所述卡脚上均设置有一与所述脚跟能量锁放部件配合设置的所述第二锁定槽，所述卡脚搭接在脚跟端的所述扭簧限位框上。

优选地，所述脚掌能量锁放部件包括两个横向相对设置的第一基座、第二扭簧安装轴、第一扭簧、两个第一锁放开关和第一棘爪；

两个所述第一基座与所述足底支撑部件固定连接，所述第二扭簧安装轴固定于两个所述第一基座之间，所述第一扭簧套设于所述第二扭簧安装轴上，且所述第一扭簧的起始端和终止端分别固定于其中一个所述第一基座上；

两个所述第一锁放开关和所述第一棘爪的底部与所述第二扭簧安装轴转动连接，且所述第一棘爪设置于两个所述第一锁放开关之间；

两个所述第一锁放开关的顶部抵接在所述脚跟脚掌支撑部件底部，所述第一棘爪的顶部设置有第一锁定部，所述第一锁定部卡接于所述第一锁定槽内；

两个所述第一锁放开关的杆体上还分别竖向开设有条形的第一限位孔，所述第一棘爪的杆体上开设有条形的第二限位孔，所述第一扭簧的中部设置有朝向首端延伸出的第一u型连接部，所述第一u型连接部两侧的所述第一扭簧上设置有朝向尾端延伸出的第二u型连接部，所述第一u型连接部穿设于所述第一限位孔内，所述第二u型连接部分别穿设于其中一个所述第二限位孔内。

优选地，所述脚跟能量锁放部件包括第二基座、第三扭簧安装轴、第二扭簧、两个第二锁放开关和两个第二棘爪；所述第二基座固定于所述第三扭簧安装轴的中部，所述第二基座与所述足底支撑部件固定连接；所述第二扭簧套设于所述第三扭簧安装轴上，两个所述第二棘爪的底部转动连接于所述第三扭簧轴的两端，两个所述第二棘爪与所述第二基座之间的所述第三扭簧轴上分别设置有一所述第二锁放开关，且两个所述第二锁放开关的底部与所述第三扭簧轴转动连接；

两个所述第二锁放开关的顶部抵接在所述脚跟脚掌支撑部件底部，两个所述第二棘爪的顶部设置有第二锁定部，所述第二锁定部与所述第二锁定槽相对，所述第二扭簧臂受力下行时，所述第二锁定部能够与所述第二锁定槽卡接；

所述第二扭簧的中部设置有朝向首端延伸出的第三u型连接部，所述第三u型连接部两侧的所述第二扭簧上设置有朝向尾端延伸出的第四u型连接部，所述第三u型连接部穿设于所述第二基座上，且所述第三u型连接部与所述第二基座固定连接；

两个所述第二锁放开关的杆体上分别竖向开设有条形的第三限位孔，两所述第二棘爪的杆体上分别竖向开设有条形的第四限位孔，所述第四u型连接部分别穿设于其中一个所述第三限位孔内，所述第二扭簧两端的受力部分别穿设于其中一个所述第四限位孔内。

优选地，所述第一基座与所述足底支撑部件通过螺栓固定连接。

优选地，所述第二基座与所述足底支撑部件通过螺栓固定连接。

本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：

1、本发明提供的足部助力外骨骼装置，通过扭簧储放能量，结构简单，能量储放效率高。

2、本发明提供的足部助力外骨骼装置，通过足底压力触发助力的存储与释放，结构简单，控制有效。

3、本发明提供的足部助力外骨骼装置，通过扭簧储存脚后跟落地的能量在前脚掌释放，更加符合人体步行时前脚掌蹬地的运动特点，提高了足部助力外骨骼的人机协调性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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他的附图。

图1为本发明中足部助力外骨骼装置的整体立体装配图；

图2为本发明中足部助力外骨骼装置的部分立体装配图；

图3为本发明中足底支撑部件的立体结构示意图；

图4为本发明中脚跟脚掌支撑部件的立体结构示意图；

图5为本发明中储能扭簧的立体结构示意图；

图6为本发明中脚掌能量锁放部件的立体结构示意图；

图7为本发明中脚跟能量锁放部件的立体结构示意图；

图8为本发明中足部助力外骨骼装置的足部助力过程示意图；

图中：1-储能扭簧、101-第一扭簧臂、102-第二扭簧臂、103-限位杆、104-第一锁定槽、105-卡脚、106-第二锁定槽；

2-足底支撑部件、201-第一扭簧安装轴；

3-脚掌能量锁放部件、301-第一基座、302-第二扭簧安装轴、303-第一扭簧、304-第一锁放开关、305-第一棘爪、306-第一锁定部、307-第一限位孔、308-第二限位孔、309-第一u型连接部、310-第二u型连接部；

4-脚跟能量锁放部件、401-第二基座、402-第三扭簧安装轴、403-第二扭簧、404-第二锁放开关、405-第二棘爪、406-第二锁定部、407-第三u型连接部、408-第四u型连接部、409-第三限位孔、410-第四限位孔、411-受力部；

5-复位弹簧；

6-脚跟脚掌支撑部件、601-支撑板、602-足部固定部件、603-扭簧限位框、604-滑槽。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

本发明的目的是提供一种足部助力外骨骼装置，以解决现有技术存在的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供了一种足部助力外骨骼装置，如图1-3所示，包括储能扭簧1、足底支撑部件2、脚掌能量锁放部件3、脚跟能量锁放部件4、复位弹簧5、脚跟脚掌支撑部件6；脚跟脚掌支撑部件6设置于足底支撑部件2的顶部，脚跟脚掌支撑部件6的顶部用于固定人体足部；复位弹簧5设置于脚跟脚掌支撑部件6和足底支撑部件2之间，实现整体装置运动的复位；足底支撑部件2的顶部固定有一第一扭簧安装轴201，储能扭簧1套设于第一扭簧安装轴201上，储能扭簧1与脚掌相对的首端为第一扭簧臂101，储能扭簧1与脚跟相对的尾端为第二扭簧臂102；

脚掌能量锁放部件3设置于足底支撑部件2的首端，脚跟能量锁放部件4设置于足底支撑部件2的尾端；初始状态下，脚掌能量锁放部件3锁定储能扭簧1的第一扭簧臂101，脚跟能量锁放部件4与第二扭簧臂102相对，第二扭簧臂102处于待锁定状态；足部行走时，脚跟与地面接触下压第二扭簧臂102，储能扭簧1储能，第二扭簧臂102下压过程中被脚跟能量锁放部件4锁定；全脚掌着地后，脚掌压力增加，下压脚掌能量锁放部件3，第一扭簧臂101解锁，释放储能扭簧1储存的能量为步行提供助力；储能扭簧1释放助力后，脚跟能量锁放部件4受力变小，脚后跟抬起，第二扭簧臂102解锁复位；进一步蹬地后整体足底助力外骨骼装置随脚进入悬空状态，在复位弹簧5推动下脚跟下的脚跟脚掌支撑部件6与足底支撑部件2距离增加，第二扭簧臂102绕第一扭簧安装轴201逆时针旋转，使得第一扭簧臂101同样绕第一扭簧安装轴201逆时针旋转，进而脚掌能量锁放部件3锁定第一扭簧臂101，装置回复初始状态，在步态周期中实现能量回馈。

具体地，如图4所示，脚跟脚掌支撑部件6包括分别与脚掌和脚跟相对的两块支撑板601，每块支撑板601的顶部均设置有足部固定部件602，每块支撑板601的底部均设置有扭簧限位框603，扭簧限位框603由两个相对设置的矩形框架构成，矩形框架的高度大于储能扭簧1的直径；

为了实现将整个装置与人体足部固定，每块支撑块的顶部均设置有滑槽604，足部固定部件602为分别设置于滑槽604两侧的夹板，夹板与滑槽604滑动连接，夹板上设置有固定足部的绑带(图中未示出)；使用时先用脚跟和脚掌处的夹板夹紧足部，再用绑带捆绑固定即可。

本发明中，在两块支撑板601与足底支撑部件2之间均设置有复位弹簧5。

如图5所示，第一扭簧臂101设置有两个，两个第一扭簧臂101由储能扭簧1内侧向首端延伸而出，两个第一扭簧臂101的端部通过一限位杆103连接，两个第一扭簧臂101之间的限位杆103的杆体内侧设置有第一锁定槽104，第一锁定槽104与脚掌能量锁放部件3配合设置，位于两个第一扭簧臂101外侧的限位杆103的杆体部分搭接在脚掌端的扭簧限位框603上；第二扭簧臂102设置有两个，两个第二扭簧臂102由储能扭簧1外侧向尾端延伸而出，两个第二扭簧臂102的端部分别设置有卡脚105，卡脚105由第二扭簧臂102向内侧弯曲而成，每个卡脚105上均设置有一与脚跟能量锁放部件4配合设置的第二锁定槽106，卡脚105搭接在脚跟端的扭簧限位框603上。

如图6所示，脚掌能量锁放部件3包括两个横向相对设置的第一基座301、第二扭簧安装轴302、第一扭簧303、两个第一锁放开关304和第一棘爪305；两个第一基座301通过螺栓与足底支撑部件2固定连接，第二扭簧安装轴302固定于两个第一基座301之间，第一扭簧303套设于第二扭簧安装轴302上，且第一扭簧303的起始端和终止端分别固定于其中一个第一基座301上；

两个第一锁放开关304和第一棘爪305的底部与第二扭簧安装轴302转动连接(套设在第二扭簧安装轴302上)，且第一棘爪305设置于两个第一锁放开关304之间；两个第一锁放开关304的顶部抵接在脚跟脚掌支撑部件6(支撑板601)底部，第一棘爪305的顶部设置有第一锁定部306，第一锁定部306卡接于第一锁定槽104内；

两个第一锁放开关304的杆体上还分别竖向开设有条形的第一限位孔307，第一棘爪305的杆体上开设有条形的第二限位孔308，第一扭簧303的中部设置有朝向首端延伸出的第一u型连接部309，第一u型连接部309两侧的第一扭簧303上设置有朝向尾端延伸出的第二u型连接部310，第一u型连接部309穿设于第一限位孔307内，第二u型连接部310分别穿设于其中一个第二限位孔308内。

如图7所示，脚跟能量锁放部件4包括第二基座401、第三扭簧安装轴402、第二扭簧403、两个第二锁放开关404和两个第二棘爪405；第二基座401固定于第三扭簧安装轴402的中部，第二基座401通过螺栓与足底支撑部件2固定连接；第二扭簧403套设于第三扭簧安装轴402上，两个第二棘爪405的底部转动连接于第三扭簧轴402的两端，两个第二棘爪405与第二基座401之间的第三扭簧轴402上分别设置有一第二锁放开关404，且两个第二锁放开关404的底部与第三扭簧轴转动402连接；

两个第二锁放开关404的顶部抵接在脚跟脚掌支撑部件6底部，两个第二棘爪405的顶部设置有第二锁定部406，第二锁定部406与第二锁定槽106相对，第二扭簧臂102受力下行时，第二锁定部406能够与第二锁定槽106卡接；

第二扭簧403的中部设置有朝向首端延伸出的第三u型连接部407，第三u型连接部407两侧的第二扭簧403上设置有朝向尾端延伸出的第四u型连接部408，第三u型连接部407穿设于第二基座401上，且第三u型连接部407与第二基座401固定连接；两个第二锁放开关404的杆体上分别竖向开设有条形的第三限位孔409，两第二棘爪405的杆体上分别竖向开设有条形的第四限位孔410，第四u型连接部408分别穿设于其中一个第三限位孔409内，第二扭簧403两端的受力部411分别穿设于其中一个第四限位孔410内.

现结合上述足部助力外骨骼装置的各部结构，具体说明本发明中的足部助力外骨骼装置的具体足部助力过程：

通过脚跟脚掌支撑部件6中的夹板和绑带将装置固定在足部的鞋底；

如图8中a图所示，步态周期中初始状态下，第一棘爪305的第一锁定部306卡接在第一锁定槽104内，第一扭簧臂101固定，第二扭簧臂102尾端的卡脚105插入扭簧限位框603内支撑后脚跟，处于待锁定状态；

如图8中b、c图所示，足部行走时，脚跟与地面接触下压第二扭簧臂102，储能扭簧1储能，下压一定位置后，脚跟处的支撑板601拨动脚跟能量锁放部件4的两个第二锁放开关404，在第二扭簧403的作用下带动两个第二棘爪405转动，第二棘爪405上的第二锁定部406卡接入第二锁定槽106内，锁定第二扭簧臂102，储存脚落地的能量；

如图8中d、e图所示，全脚掌着地后，脚掌压力增加，下压两个第一锁放开关304，同时第一扭簧臂101与第一棘爪305之间作用力变小，第一棘爪305旋转，第一锁定部306由第一锁定槽104内移出，第一扭簧臂101解锁，释放储存储能扭簧1储存的能量为步行提供助力；

如图8中f图所示，储能扭簧1释放助力后，两个第二棘爪405受力变小，脚后跟抬起，由于扭簧限位框603的高度大于储能扭簧1直径，脚跟处的支撑板601抬起一段高度，该高度为扭簧限位框603的高度减去第二扭簧臂102直径，两个第二锁定开关复位打开，此时第二棘爪405顶部的第二锁定部406在第二扭簧403的作用下脱出第二锁定槽106，第二扭簧臂102解锁复位；

进一步蹬地后整体足底助力外骨骼随脚进入悬空状态，在复位弹簧5推动下，脚跟下的支撑板601与足底支撑结构距离增加，在扭簧限位框603带动下，第二扭簧臂102绕第一扭簧安装轴201逆时针旋转，使得第一扭簧臂101同样绕第一扭簧安装轴201逆时针旋转，直到第一锁定部306卡接入第一锁定槽104内，第一棘爪305被锁住，装置回复初始状态，在步态周期中实现能量回馈。

本发明应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。