[發明專利]一種用于下肢助力外骨骼的被動儲能足部機構

有效

• 申請號: 201610098737.0
• 申請日: 2016-02-23
• 公開（公告）號: CN105616113B
• 公開（公告）日: 2017-10-20
• 發明（設計）人: 王興松;奚如如;朱智勇
• 申請（專利權）人: 東南大學;揚州鶴林環保機械有限公司
• 主分類號: A61H3/00
• 分類號: A61H3/00;B25J9/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙)32204
• 代理人: 柏尚春

技術領域

本發明涉及一種用于下肢助力外骨骼的被動儲能足部機構，屬于機器人應用領域。

背景技術

外骨骼機器人是一種可穿戴的機械系統，通過穿戴者與外骨骼的協調運動，實現助力、助行及康復治療的功能。下肢外骨骼機器人無論是助力、助行還是輔助醫療康復訓練功能，足部機構都要有一定的輔助支撐作用及類人自由度。

依據運動學原理，人體踝關節可實現三自由度運動，即繞運動關節的背屈/跖屈、外展/內收及旋外/旋內運動；依據踝關節運動肌腱功能特征，人體踝關節運動主要依據韌帶、跟腱等實現及限制踝關節運動；依據足部構造，人體足弓結構對身體重力下傳和地面反彈力起著重要的緩沖震蕩的作用；依據足部功能，人體足部在站立或活動時均起支持作用，且在活動時不同的姿勢可以構成不同形式的杠桿作用。

下肢助力外骨骼有些足部機構由可支撐穿戴者整個腳部的剛性板結合自由度為1、2或3的機械踝關節組成，為避免自由度不可控帶來的危險性，機械踝關節各個自由度通常會采用電機、液壓缸等進行驅動，該類足部機構靈活性差、控制難度大、對控制系統要求極高、成本相對較高；有些腳底機構采用后腳掌剛性連接踝關節，整個腳部采用彈性材料支撐，或前后腳掌采用分離式結構，轉動副連接彈性前后腳掌，主要滿足人體行走過程中跖趾關節的運動需求，該類現有足部機構足底尺寸厚、足底連接件多、實用性差、足尖蹬地時對穿戴者支撐及助力功能減弱；也有一些新型足部機構在踝關節前后布置一對彈簧，用于減少穿戴者在矢狀面踝關節受力，但彈簧固定端始終固定在足部基座上，在運動過程中拉伸彈簧或壓縮彈簧的性能不明確，且有雙向彈簧阻力，助力效果未達到最優。

具有運動能力、負重需求的人群需要一種可降低負重率及其自身重量對踝關節影響的下肢助力外骨骼，即可以在腿支撐階段對穿戴者踝關節提供支撐力的外骨骼，并在整個步態周期內利用被動儲存的能量輔助完成行走行為，對控制系統及傳感器依賴性低，能耗低，該類外骨骼屬于一種新型半被動外骨骼，現有外骨骼足部機構均不能夠滿足此需求。

發明內容

技術問題：本發明所要解決的技術問題是：提供一種用于下肢助力外骨骼的被動儲能足部機構，該足部機構充分利用人體足部構造、運動性能、人體及外骨骼質量及慣性作用，實現踝關節被動儲能及支撐能力、足尖蹬地動作實現及狀態自動恢復，結構簡單，穿戴方便，可移植性高，實現低能耗行走。

技術方案：為了解決上述問題，本發明采用的技術方案是：

一種用于下肢助力外骨骼的被動儲能足部機構，包括：

踝關節單元，其包括桿端關節軸承、關節支撐座以及依次穿過桿端關節軸承的下端和關節支撐座的上端的關節支撐軸；

足側面板，其下端與關節支撐座的下端相連接，所述關節支撐軸依次穿過足側面板的上端、桿端關節軸承的下端和關節支撐座的上端開設的孔；

腳底板單元，其包括剛性后腳跟、設置在剛性后腳跟前端的剛性前腳掌、安裝在剛性后腳跟內側的前端的第一固定件、安裝在剛性前腳掌的內側的后端的第二固定件、第一內側板簧、第二內側板簧、第一外側板簧、第二外側板簧、安裝在剛性前腳掌的外側的后端的第三固定件和第四固定件，其中，所述第一內側板簧和第二內側板簧相互疊加組合，通過第一固定件與剛性后腳跟連接，并通過第二固定件與剛性前腳掌連接，所述第一外側板簧和第二外側板簧相互疊加組合，通過第三固定件及第四固定件與剛性前腳掌連接，所述足側面板設置在剛性后腳跟和關節支撐座之間，并且所述關節支撐座、足側面板和剛性后腳跟依次相互連接；

捆綁單元，其包括前捆綁單元和后捆綁單元，所述前捆綁單元的兩側分別安裝在所述剛性前腳掌的兩側，所述后捆綁單元的兩側分別安裝在所述剛性后腳跟的內側邊和足側面板的頂部；

彈簧支撐單元，其包括第一支撐件、第二支撐件、依次穿過第一支撐件和第二支撐件的第一彈簧連接桿以及第二彈簧連接桿，所述桿端關節軸承的頂部安裝在第一支撐件和第二支撐件之間；

背屈被動彈簧儲能單元，其包括第一拉伸彈簧、第一彈簧限位件、第一轉動軸、分別安裝在第一彈簧限位件后部兩側的第一軸承和第二軸承、第二轉動軸、第一轉動件和第二轉動件，所述第一轉動軸依次穿過第一軸承、第一轉動件的前端、第二軸承和第二轉動件的前端，所述第二轉動軸依次穿過第一轉動件的后端和第二轉動件的后端，所述第一拉伸彈簧的一端連接在第二彈簧連接桿上，另一端連接在第二轉動軸上，所述第一彈簧限位件安裝在足側面板的后端；