一种无源踝关节助行助跃系统的制作方法

本申请属于助行助跃的，特别涉及一种无源踝关节助行助跃系统。

背景技术：

1、在人体步态运动的过程中，踝关节存在自由摆动周期、支撑周期和踝关节发力周期。在自由摆动周期时，踝关节呈现放松状态自由摆动；进入支撑周期和踝关节发力周期时，人体脚掌触地，踝关节弯曲角度发生变化，并在发力周期时踝关节开始输出力矩。

2、目前现有的步态模态切换机构，主要分为有源和无源两种，其中无源模态切换机构，体积小质量轻，可以实现锁定和解锁两种状态，但是在踝关节支撑周期和发力周期间进行模态切换。而有源模态切换机构虽然通过控制算法可以实现自由摆动周期、支撑周期和踝关节发力周期三种模态的切换，但是有源模态切换机构通常体积重量大、结构复杂。综上所述，一种应用于下肢步态模态切换、无动力源、结构轻便的无源离合器仍是空白。

技术实现思路

1、本申请解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种无源踝关节助行助跃系统，其包括的无源模态切换机构，为无源被动结构，具备小型化、轻量化的优点，重量轻，不会对人体产生额外负担。

2、本发明涉及一种能实现特定点位的离合锁死和自由运动，从而使外骨骼产品更好的储存和释放助力能量，且不限制踝关节的自由运动的装置。该装置对于提高助力效率、优化人机工效有明显作用。本发明的装置也可以拓展应用于物资搬运、增强运动表现等其他类型的下肢助力外骨骼。

3、本申请提供的技术方案如下：

4、一种无源踝关节助行助跃系统，包括无源离合器结构、超弹性复合材料助力器、鞋套和绑缚护具，超弹性复合材料助力器的一端与鞋套的鞋面位置连接、另一端通过无源离合器结构连接于绑缚护具，绑缚护具用于绑缚至小腿和大腿；

5、无源离合器结构包括膝部安装板、以及安装于膝部安装板的棘轮盘式离合和齿条传动滑块，棘轮盘式离合包括离合结构和离合齿轮，齿条传动滑块包括齿条，离合齿轮转动连接于膝部安装板，齿条滑动连接于膝部安装板，且齿条与离合齿轮啮合，齿条与超弹性复合材料助力器的一端连接，踝关节运动过程中带动超弹性复合材料助力器产生的上下移动、通过齿条和离合齿轮转化为作用于离合结构的转动，离合结构对离合齿轮进行锁定与解锁实现储能-助力期与自由运动期的转换。

6、所述离合结构包括轮盘轴、棘轮、棘轮挡板和卡紧结构，轮盘轴固定连接于膝部安装板，棘轮、棘轮挡板和离合齿轮均转动连接于轮盘轴，且棘轮和离合齿轮一同转动，棘轮挡板单独转动，棘轮的周向面设有卡槽，卡紧结构弹性贴合于棘轮的周向面，当卡紧结构正对卡槽时，卡紧结构卡设于卡槽内，此时棘轮仅能单向转动；棘轮挡板设有挡边，挡边位于棘轮周向面外侧，棘轮挡板开设有弧形孔，棘轮设有凸块，凸块位于弧形孔内。

7、所述凸块位于弧形孔的一端时，卡槽被挡边挡住，凸块位于弧形孔另一端时，卡槽露出。

8、所述卡紧结构包括棘轮牙和储能缓释机构，棘轮牙的一端与棘轮的周向面接触，棘轮牙的另一端连接储能缓释机构，棘轮牙的中部通过转动轴转动连接于膝部安装板，储能缓释机构的另一端连接于膝部安装板。

9、所述膝部安装板的表面开设有第一弧形槽和第二弧形槽，第一弧形槽和第二弧形槽与轮盘轴同轴，且第二弧形槽的半径大于第一弧形槽，棘轮牙中部的转动轴互动连接于第一弧形槽，储能缓释机构的一端滑动连接于第二弧形槽。

10、所述齿条传动滑块还包括滑块压板、直线滑块、直线滑轨和齿条安装板，齿条安装板位于膝部安装板的表面，齿条固定连接于齿条安装板，直线滑轨固定连接于膝部安装板背离齿条安装板的一侧，膝部安装板开设有竖直的滑动孔，齿条安装板通过连接部固定连接有滑块压板，连接部穿过滑动孔，滑块压板位于膝部安装板背离齿条安装板的一侧，直线滑块固定连接于滑块压板朝向直线滑轨的一侧，直线滑块与直线滑轨配合。

11、所述齿条安装板连接有夹板，超弹性复合材料助力器通过夹板与齿条安装板连接。

12、所述齿条设置两个，两个齿条分别固定于齿条安装板的两侧；齿条传动滑块安装于膝部安装板(130)的中间，无源离合器结构设置两个，两个无源离合器结构分别位于齿条传动滑块的两侧，且无源离合器结构的离合齿轮分别与齿条传动滑块的一个齿条啮合。

13、所述鞋套包括足尖连接夹板、硬质鞋头、防滑鞋底和柔性鞋套，柔性鞋套和硬质鞋头连接、并一同连接于防滑鞋底，足尖连接夹板连接于硬质鞋头，足尖连接夹板用于连接超弹性复合材料助力器。

14、所述绑缚护具包括大腿及小腿绑缚带、硬质连接护板、硬质盖板和柔性内衬，膝部安装板连接于硬质连接护板外侧，硬质盖板盖住膝部安装板，同时也连接于硬质连接护板外侧，柔性内衬连接于硬质连接护板内侧，大腿及小腿绑缚带连接在柔性内衬上。

15、本申请的一种无源步态自适应模态切换机构可以有效的适配人体的步态运动。下肢外骨骼适配该无源步态自适应模态切换机构后穿戴者在进行在踝关节自由摆动周期中，踝关节可以自由运动；在支撑周期时，踝关节角度变化，但不输出运动力矩；当进入发力周期时，踝关节输出运动力矩促使人体运动。

16、一种无源步态自适应模态切换机构，依据人体步态周期曲线，对该无源步态自适应模态切换机构在使用过程中的解锁点位、储能点位、发力模态切换点位进行设计，依据步态周期跨度设计离合器作用总行程。

17、无源步态自适应模态切换机构行程及离合锁死点的设计基于人体步态运动周期，以脚踝着地时刻作为一个步态周期的开始，同侧足脚踝再次着地时刻作为步态周期的结束。在整个步态周期可以分为支撑相与摆动相，支撑相是指足跟着地到足尖离地的步态过程，约占整个步态周期的60％，摆动相是指足尖离地到下一次足跟着地的步态过程，约占整个步态周期的40％。对步态进行进一步划分，支撑相根据脚触底数量，可以分为双支撑相和单支撑相；摆动相则可以分为摆动初期、摆动中期以及摆动末期三个阶段。

18、无源离合器结构主要分为四部分，分别是安装平板、齿轮齿条机构、齿轮齿套离合结构和储能缓释机构。其中安装平板主要作用是用来将无源自适应离合器与硬质护膝、外骨骼等结构进行固定装配，防止其在运动过程中发生相对位移；齿轮齿条机构主要是将外骨骼的直线运动转变为齿轮齿套的转动，该设计缩小了离合的尺寸，使其小巧轻便；齿轮齿套实现解锁模态和锁定模态之间的切换；储能缓释机构则用于在锁定模态中实现储能模态和发力模态的切换。

19、综上所述，本申请至少包括以下有益技术效果：

20、(1)本发明的无源步态自适应模态切换机构,可以实现3种模态的自适应切换,且重量轻，不会对人体产生额外负担；

21、(2)本发明的无源步态自适应模态切换机构与人体步态运动的匹配程度超过90％,可以配合外骨骼实现对穿戴人员步行、跳跃等运动的助力，并且不会阻碍人体的正常运动；

22、(3)本发明的无源步态自适应模态切换机构为无源被动方案，相对于有源主动方案降低了系统复杂程度，不需要额外布置其他装置，具备小型化、轻量化的优点。

技术特征：

1.一种无源踝关节助行助跃系统，其特征在于：包括无源离合器结构(001)、超弹性复合材料助力器(002)、鞋套(003)和绑缚护具(004)，超弹性复合材料助力器(002)的一端与鞋套(003)的鞋面位置连接、另一端通过无源离合器结构(001)连接于绑缚护具(004)，绑缚护具(004)用于绑缚至小腿和大腿；

2.根据权利要求1所述的一种无源踝关节助行助跃系统，其特征在于：所述离合结构包括轮盘轴(111)、棘轮(113)、棘轮挡板(115)和卡紧结构，轮盘轴(111)固定连接于膝部安装板(130)，棘轮(113)、棘轮挡板(115)和离合齿轮(116)均转动连接于轮盘轴(111)，且棘轮(113)和离合齿轮(116)一同转动，棘轮挡板(115)单独转动，棘轮(113)的周向面设有卡槽，卡紧结构弹性贴合于棘轮(113)的周向面，当卡紧结构正对卡槽时，卡紧结构卡设于卡槽内，此时棘轮(113)仅能单向转动；棘轮挡板(115)设有挡边，挡边位于棘轮(113)周向面外侧，棘轮挡板(115)开设有弧形孔，棘轮(113)设有凸块，凸块位于弧形孔内。

3.根据权利要求2所述的一种无源踝关节助行助跃系统，其特征在于：所述凸块位于弧形孔的一端时，卡槽被挡边挡住，凸块位于弧形孔另一端时，卡槽露出。

4.根据权利要求2所述的一种无源踝关节助行助跃系统，其特征在于：所述卡紧结构包括棘轮牙(118)和储能缓释机构(119)，棘轮牙(118)的一端与棘轮(113)的周向面接触，棘轮牙(118)的另一端连接储能缓释机构(119)，棘轮牙(118)的中部通过转动轴转动连接于膝部安装板(130)，储能缓释机构(119)的另一端连接于膝部安装板(130)。

5.根据权利要求4所述的一种无源踝关节助行助跃系统，其特征在于：所述膝部安装板(130)的表面开设有第一弧形槽和第二弧形槽，第一弧形槽和第二弧形槽与轮盘轴(111)同轴，且第二弧形槽的半径大于第一弧形槽，棘轮牙(118)中部的转动轴互动连接于第一弧形槽，储能缓释机构(119)的一端滑动连接于第二弧形槽。

6.根据权利要求1所述的一种无源踝关节助行助跃系统，其特征在于：所述齿条传动滑块(120)还包括滑块压板(121)、直线滑块(122)、直线滑轨(123)和齿条安装板(124)，齿条安装板(124)位于膝部安装板(130)的表面，齿条(125)固定连接于齿条安装板(124)，直线滑轨(123)固定连接于膝部安装板(130)背离齿条安装板(124)的一侧，膝部安装板(130)开设有竖直的滑动孔，齿条安装板(124)通过连接部固定连接有滑块压板(121)，连接部穿过滑动孔，滑块压板(121)位于膝部安装板(130)背离齿条安装板(124)的一侧，直线滑块(122)固定连接于滑块压板(121)朝向直线滑轨(123)的一侧，直线滑块(122)与直线滑轨(123)配合。

7.根据权利要求6所述的一种无源踝关节助行助跃系统，其特征在于：所述齿条安装板(124)连接有夹板，超弹性复合材料助力器(002)通过夹板与齿条安装板(124)连接。

8.根据权利要求6所述的一种无源踝关节助行助跃系统，其特征在于：所述齿条(125)设置两个，两个齿条(125)分别固定于齿条安装板(124)的两侧；齿条传动滑块(120)安装于膝部安装板(130)的中间，无源离合器结构(001)设置两个，两个无源离合器结构(001)分别位于齿条传动滑块(120)的两侧，且无源离合器结构(001)的离合齿轮(116)分别与齿条传动滑块(120)的一个齿条(125)啮合。

9.根据权利要求1所述的一种无源踝关节助行助跃系统，其特征在于：所述鞋套(003)包括足尖连接夹板(301)、硬质鞋头(302)、防滑鞋底(303)和柔性鞋套(304)，柔性鞋套(304)和硬质鞋头(302)连接、并一同连接于防滑鞋底(303)，足尖连接夹板(301)连接于硬质鞋头(302)，足尖连接夹板(301)用于连接超弹性复合材料助力器(002)。

10.根据权利要求1所述的一种无源踝关节助行助跃系统，其特征在于：所述绑缚护具(004)包括大腿及小腿绑缚带(401)、硬质连接护板(402)、硬质盖板(403)和柔性内衬(404)，膝部安装板(130)连接于硬质连接护板(402)外侧，硬质盖板(403)盖住膝部安装板(130)，同时也连接于硬质连接护板(402)外侧，柔性内衬(404)连接于硬质连接护板(402)内侧，大腿及小腿绑缚带(401)连接在柔性内衬(404)上。

技术总结
一种无源踝关节助行助跃系统，包括无源离合器结构、超弹性复合材料助力器、鞋套和绑缚护具，超弹性复合材料助力器的一端与鞋套连接、另一端通过无源离合器结构连接于绑缚护具；无源离合器结构包括膝部安装板、以及安装于膝部安装板的棘轮盘式离合和齿条传动滑块，棘轮盘式离合包括离合结构和离合齿轮，齿条传动滑块包括齿条，离合齿轮转动连接于膝部安装板，齿条滑动连接于膝部安装板，齿条与离合齿轮啮合，齿条与超弹性复合材料助力器连接，踝关节运动带动超弹性复合材料助力器产生的上下移动、通过齿条和离合齿轮转化为作用于离合结构的转动，离合结构对离合齿轮进行锁定与解锁。为无源被动结构，小型化、轻量化，不会对人体产生额外负担。

技术研发人员：赵哲,陈晓,朱晓荣,曾博,于志远,皮利萍
受保护的技术使用者：北京精密机电控制设备研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5