一种轻型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，更具体地，涉及一种轻型踝关节外骨骼。

背景技术：

外骨骼是模仿昆虫外部骨骼的一种人体穿戴设备，可以给人提供额外的能力，增强人体的机能。下肢外骨骼是针对行走的外骨骼，主要用于军事、医疗和助老领域。在军事领域中，下肢外骨骼可以提升单兵作战能力，增长徒步距离，增强负重能力；在医疗领域，下肢外骨骼可以用于患者的步态康复和残疾人的辅助行走；在助老领域，下肢外骨骼可以帮助老年人正常行走。

人在行走过程中需要耗费能量，其中脚在离地时刻蹬地的动作为主要耗能因素，踝关节外骨骼针对人体行走的这一特点，在脚离地时刻提供额外的助力，替代小腿部分肌肉的功能，达到帮助人体节能的效果。现有外骨骼在踝关节的助力方式为电机直接在需要助力的时刻提供较大的助力，这对电机的瞬时功率要求比较高，导致电机重量和尺寸比较大，和电机配套的减速器、支架等零件也会比较大，造成人体额外的能量消耗，影响了外骨骼的效果和应用。所以期望在不影响助力大小的同时，降低外骨骼的重量和尺寸。

技术实现要素：

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的轻型踝关节外骨骼，该装置可提供高功率助力，减小外骨骼装置的重量和尺寸。

根据本发明的一种技术方案，提供一种轻型踝关节外骨骼，包括离合器、触发装置、动力装置和人体穿戴部分，所述动力装置与所述离合器连接，所述离合器与所述触发装置连接，所述动力装置通过所述离合器使所述人体穿戴部分绕踝关节发生转动，所述触发装置和所述离合器固定在所述人体穿戴部分上。

作为上述技术方案的进一步改进，所述人体穿戴部分包括设置在踝关节位置的脚穿戴部分和设置在小腿位置的腿穿戴部分，所述触发装置通过脚部支架固定在所述脚穿戴部分，所述离合器通过所述腿部支架固定在所述腿穿戴部分。所述脚穿戴部分可放入成人正常大小的鞋内，所述腿穿戴部分外围有魔术贴，可在人穿上后对腿部进行紧固。

作为上述技术方案的进一步改进，所述脚部支架上设有下横杆，所述腿部支架上设有上横杆，所述上横杆设有助力弹簧且与所述助力弹簧的上端连接，所述助力弹簧的下端通过助力绳连接至所述下横杆。

作为上述技术方案的进一步改进，所述脚部支架固连在所述脚穿戴部分上，所述腿部支架固连在所述腿穿戴部分上。

作为上述技术方案的进一步改进，所述离合器包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、固定连杆和回复弹簧，所述固定连杆固定在所述腿部支架上，所述第一连杆的两端分别与所述第二连杆和固定连杆铰接，所述第二连杆与所述第三连杆铰接，所述第三连杆的一端与所述固定连杆铰接，所述第三连杆的另一端与所述固定连杆的中部通过所述回复弹簧连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述固定连杆上设有用于安装电机的安装支架，以及用于安装两个惰轮和推杆的安装孔，所述动力装置的电机固连在固定连杆上。

离合器采用四连杆结构设计，四连杆有一个自由度，当第二连杆和第三连杆处于同一条直线的时候，四连杆处于死点位置，此时四连杆处于相对稳定的状态，可承受加在第一连杆上的外力。利用这个特点，设计四连杆处于死点位置时，主动齿轮和从动齿轮啮合，四连杆脱离死点位置时，从动齿轮随之脱离啮合，达到离合的效果。回复弹簧的作用是在所述第一连杆的外力消失后把四连杆拉回死点位置，第三连杆上有一挡块，作用是使四连杆在回复过程中停在死点位置。

所述第三连杆上设有一个凸出的挡块，当第三连杆在死点位置顺时针转动时，所述挡块会卡在固定连杆的凸台上，以限制第三连杆顺时针运动，配合所述回复弹簧使所述第三连杆在无推杆作用时处于死点位置。

作为上述技术方案的进一步改进，所述触发装置包括推杆、中间连杆和脚部支架，所述中间连杆通过脚部支架固定在所述脚穿戴部分，所述推杆的上部与所述固定连杆铰接，所述中间连杆的一端与所述脚部支架铰接，所述推杆的下部与所述中间连杆连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述中间连杆上有滑轨，所述滑轨上设有与其滑动连接的滑块，所述滑块与所述推杆的下端铰接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述中间连杆的中部设有通槽状的滑轨，所述滑块沿所述通槽移动，所述中间连杆上还设有用于将所述滑块固定在所述滑轨上的螺栓。通过调节所述滑块的位置，可调节所述推杆与所述中间连杆的相对位置，以适应不同的人脚离地时踝关节角度的差异性，可根据不同人的特点调整滑块位置，以确保推杆在脚离地时可以触发离合器。

作为上述技术方案的进一步改进，所述动力装置包括电机、主动齿轮、从动齿轮、主滑轮、绳子和两个惰轮，所述主动齿轮安装在所述电机的输出轴上，所述离合器闭合时，所述从动齿轮与所述主动齿轮啮合，所述电机固定在所述固定连杆上。

作为上述技术方案的进一步改进，所述主滑轮与所述从动齿轮同轴设置，所述主滑轮与所述第一连杆铰接；所述绳子的一端固定在所述主滑轮的绳槽里，所述绳子依次绕过两个惰轮，其另一端连接至所述助力弹簧的下端。所述主滑轮位于所述离合器的上部，所述离合器的上方设有用于使所述电机的输出轴贯穿的通孔，两个惰轮均位于所述离合器的下部，且分别固定于所述固定连杆的底端。在所述离合器闭合状态时，所述主动齿轮和所述从动齿轮组成的齿轮组处于啮合位置。

基于上述技术方案，本申请提出的轻型踝关节外骨骼，可在踝关节处为人体行走提供助力，减少人体行走耗能。本发明中采用电机连续工作，通过助力弹簧储存能量，在瞬时释放的工作模式，代替了已有外骨骼电机直接瞬时助力的模式，降低了对电机功率的要求，实现用低功率电机提供高功率助力的效果，从而降低了电机的重量和尺寸，实现外骨骼的轻型化。

附图说明

图1为根据本发明实施例的轻型踝关节外骨骼的结构示意图；

图2为根据本发明实施例的离合器的结构示意图；

图3为根据本发明实施例的外骨骼工作流程图。

图中标记：1.主滑轮，2.第一连杆，3.第二连杆，4.回复弹簧，5.第三连杆，6.绳子，7.推杆，8.中间连杆，9.脚部支架，10.脚穿戴部分，11.助力绳，12.助力弹簧，13.腿穿戴部分，14.腿部支架，15.固定连杆，16.电机，17.主动齿轮，18.从动齿轮，19.惰轮，20.滑块。

具体实施方式

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。

在根据本申请的一个实施例中，参考图1，提供一种轻型踝关节外骨骼，包括离合器、触发装置、动力装置和人体穿戴部分，所述动力装置与所述离合器连接，所述离合器与所述触发装置连接，所述动力装置通过所述离合器使所述人体穿戴部分绕踝关节发生转动，所述触发装置和所述离合器固定在所述人体穿戴部分上。

所述人体穿戴部分包括设置在踝关节位置的脚穿戴部分10和设置在小腿位置的腿穿戴部分13，所述触发装置通过脚部支架9固定在所述脚穿戴部分10，所述离合器通过所述腿部支架14固定在所述腿穿戴部分13。所述脚穿戴部分10可放入成人正常大小的鞋内，所述腿穿戴部分13外围有魔术贴，可在人穿上后对腿部进行紧固。

所述脚部支架9上设有下横杆，所述腿部支架14上设有上横杆，所述上横杆设有助力弹簧12且与所述助力弹簧12的上端连接，所述助力弹簧12的下端通过助力绳11连接至所述下横杆。

所述脚部支架9固连在所述脚穿戴部分10上，所述腿部支架14固连在所述腿穿戴部分13上。

参考图2，所述离合器包括第一连杆2、第二连杆3、第三连杆5、固定连杆15和回复弹簧4，所述固定连杆15固定在所述腿部支架14上，所述第一连杆2的两端分别与所述第二连杆3和固定连杆15铰接，所述第二连杆3与所述第三连杆5铰接，所述第三连杆5的一端与所述固定连杆15铰接，所述第三连杆5的另一端与所述固定连杆15的中部通过所述回复弹簧4连接。

所述固定连杆15上设有用于安装电机16的安装支架，以及用于安装两个惰轮19和推杆7的安装孔，所述动力装置的电机16固连在固定连杆15上。

离合器采用四连杆结构设计，四连杆有一个自由度，当第二连杆3和第三连杆5处于同一条直线的时候，四连杆处于死点位置，此时四连杆处于相对稳定的状态，可承受加在第一连杆2上的外力。利用这个特点，设计四连杆处于死点位置时，主动齿轮17和从动齿轮18啮合，四连杆脱离死点位置时，从动齿轮18随之脱离啮合，达到离合的效果。回复弹簧4的作用是在所述第一连杆2的外力消失后把四连杆拉回死点位置，第三连杆5上有一挡块，作用是使四连杆在回复过程中停在死点位置。

所述第三连杆5上设有一个凸出的挡块，当第三连杆5在死点位置顺时针转动时，所述挡块会卡在固定连杆15的凸台上，以限制第三连杆5顺时针运动，配合所述回复弹簧4使所述第三连杆5在无推杆7作用时处于死点位置。

所述触发装置包括推杆7、中间连杆8和脚部支架9，所述中间连杆8通过脚部支架9固定在所述脚穿戴部分10，所述推杆7的上部与所述固定连杆15铰接，所述中间连杆8的一端与所述脚部支架9铰接，所述推杆7的下部与所述中间连杆8连接。

所述中间连杆8上有滑轨，所述滑轨上设有与其滑动连接的滑块20，所述滑块与所述推杆7的下端铰接。

所述中间连杆8的中部设有通槽状的滑轨，所述滑块20沿所述通槽移动，所述中间连杆8上还设有用于将所述滑块固定在所述滑轨上的螺栓。

所述触发装置的原理是利用行走中踝关节角度的变化特点实现离合器的触发，所述离合器本质上是一个四连杆机构。脚穿戴部分10和腿穿戴部分13为铰接，二者的角度等同于踝关节的角度，在行走过程中，此角度会发生规律性变化，推杆7和固定连杆15之间的角度也会随之变化，在脚离地瞬间，该角度达到一个最小值，推杆7恰好推开第三连杆5，触发离合器断开动力输入；当助力完成之后，推杆7恰好回到非触发区域，离合器在回复弹簧4作用下恢复到动力输入状态。推杆7和中间连杆8的铰接位置可以通过滑块及滑轨调整，这是为了适应不同的人脚离地时踝关节角度的差异性，可根据不同人的特点调整滑块位置，以确保推杆7在脚离地时可以触发离合器。

所述助力弹簧12一端固定在腿部支架14上，另一端通过助力绳11与脚部支架9连接，同时通过另一根绳子6与主滑轮1连接。人在行走时只需要在脚离地时刻助力，在其他时间，离合器处于闭合状态，齿轮啮合，电机16通过齿轮组、主滑轮1和绳子6拉动助力弹簧12，将能量储存在助力弹簧12中，同时控制电机16转速，使助力绳11处于松弛状态，不影响人体正常行走；在脚离地时刻，助力绳11即将被拉紧，在触发装置作用下，离合器断开电机16和助力弹簧12的动力连接，助力弹簧12瞬时通过助力绳11拉动脚部支架9，为踝关节提供一个较大的助力，将储存的能量瞬时释放。所述动力装置包括电机16、主动齿轮17、从动齿轮18、主滑轮1、绳子6和两个惰轮19，所述主动齿轮17安装在所述电机16的输出轴上，所述离合器闭合时，所述从动齿轮18与所述主动齿轮17啮合，所述电机16固定在所述固定连杆15上。

所述主滑轮1与所述从动齿轮18同轴设置，所述主滑轮1与所述第一连杆2铰接；所述绳子6的一端固定在所述主滑轮1的绳槽里，所述绳子6依次绕过两个惰轮19，其另一端连接至所述助力弹簧12的下端。所述主滑轮1位于所述离合器的上部，所述离合器的上方设有用于使所述电机16的输出轴贯穿的通孔，两个惰轮19均位于所述离合器的下部，且分别固定于所述固定连杆15的底端。在所述离合器闭合状态时，所述主动齿轮17和所述从动齿轮18组成的齿轮组处于啮合位置。

图3为外骨骼的工作流程图，曲线部分为正常人行走过程中踝关节的角度随步态周期变化情况，外骨骼工作流程如下：

在行走的支撑相中期，离合器处于闭合状态，电机16通过啮合的齿轮组和主滑轮1拉长助力弹簧12，将能量储存在助力弹簧12中；

在行走的支撑相末期，脚跟即将离地之前，脚踝角度达到最小值，推杆7逆时针转动，推动离合器第三连杆5离开死点位置，齿轮组的主动齿轮17和从动齿轮18间啮合脱离，助力弹簧12与电机16之间断开连接，开始收缩拉动脚部支架9，为踝关节提供助力；

在行走进入摆动相，助力弹簧12收缩，继续提供助力，脚踝角度开始变大，推杆7顺时针转动，回到未触发位置，离合器在回复弹簧4的作用下回到死点位置，离合器闭合，电机16开始拉长助力弹簧12，助力结束；

在之后的摆动相和支撑相中，离合器处于闭合状态，电机16拉长助力弹簧12，人的行走处于自然状态，直到支撑相末期，推杆7再次触发离合器断开，进入下一个循环。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。