一种基于弹性元件刚度切换机制的踝关节外骨骼.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN107854284A(43)申请公布日2018.03.30(21)申请号201711328780.2(22)申请日2017.12.13(71)申请人华中科技大学地址430074湖北省武汉市洪山区珞喻路1037号(72)发明人张琴刘冲冲黄波熊蔡华(74)专利代理机构华中科技大学专利中心42201代理人周磊曹葆青(51)Int.Cl.A61H3/00(2006.01)权利要求书1页说明书5页附图3页(54)发明名称一种基于弹性元件刚度切换机制的踝关节外骨骼(57)摘要本发明属于下肢外骨骼机器人技术领域，并公开了一种基于弹性元件刚度切换机制的踝关节外骨骼，包括小腿支具、足托、弹簧支架、电机支架、电机、滚珠丝杠机构、拉伸弹簧、回位弹簧、贯穿式电磁铁、棘轮支架和棘轮机构；棘轮机构包括棘轮和棘爪；贯穿式电磁铁安装在棘轮支架上；回位弹簧的一端连接棘爪，另一端安装在棘轮支架上；拉伸弹簧的下端安装在弹簧支架上，上端通过绳索连接并缠绕在滑轮上，滑轮设置在棘轮轴上。本发明利用拉伸弹簧有效模拟跟腱独特的储能过程与能量释放方式，能够基于人体步态运动规律实现弹性元件刚度切换的功能，使弹性元件顺应人体运动步态内与步态间的时变特性，并能够突破人体三维几何参数限制增加弹性元件形变量。CN107854284ACN107854284A权利要求书1/1页1.一种基于弹性元件刚度切换机制的踝关节外骨骼，其特征在于，包括小腿支具、足托、弹簧支架、电机支架、电机、滚珠丝杠机构、拉伸弹簧、回位弹簧、贯穿式电磁铁、棘轮支架和棘轮机构，其中，所述足托通过水平设置的铰轴可转动安装在所述小腿支具上；所述弹簧支架和所述电机支架分别安装在所述足托和所述小腿支架上；所述电机安装在所述电机支架上，并且所述电机的输出轴与所述滚珠丝杠机构的丝杠连接，以用于驱动所述滚珠丝杠机构的滚珠螺母上下运动；所述棘轮支架固定安装在所述滚珠丝杠机构的滚珠螺母上；所述棘轮机构包括相互配合的棘轮和棘爪，所述棘轮通过水平设置的棘轮轴可转动安装在所述棘轮支架上，所述棘爪通过水平设置的棘爪轴可转动安装在所述棘轮支架上；所述贯穿式电磁铁安装在所述棘轮支架上，该贯穿式电磁铁的铁芯水平设置并且与所述棘爪固定连接，以用于带动所述棘爪转动，从而让所述棘爪锁定所述棘轮或让所述棘爪解除对所述棘轮的锁定；所述回位弹簧的一端连接棘爪，另一端固定安装在所述棘轮支架上，所述棘轮轴上安装有用于带动所述棘轮回位的扭转弹簧；所述拉伸弹簧的下端安装在所述弹簧支架上，上端通过绳索连接并缠绕在滑轮上，所述滑轮设置在所述棘轮轴上。2.根据权利要求1所述的一种基于弹性元件刚度切换机制的踝关节外骨骼，其特征在于，所述贯穿式电磁铁的铁芯通过钢丝绳与所述棘爪的下端固定连接。3.根据权利要求1所述的一种基于弹性元件刚度切换机制的踝关节外骨骼，其特征在于，所述绳索为聚乙烯绳。4.根据权利要求1所述的一种基于弹性元件刚度切换机制的踝关节外骨骼，其特征在于，所述弹簧支架为U型杆并且该U型杆的开口端的两个端部分别固定连接在所述足托上。5.根据权利要求1所述的一种基于弹性元件刚度切换机制的踝关节外骨骼，其特征在于，所述贯穿式电磁铁通过所述电磁铁连接架安装在所述棘轮支架上。6.根据权利要求1所述的一种基于弹性元件刚度切换机制的踝关节外骨骼，其特征在于，所述回位弹簧通过弹簧连接杆安装在所述棘爪上。7.根据权利要求1所述的一种基于弹性元件刚度切换机制的踝关节外骨骼，其特征在于，所述棘轮通过花键安装在所述棘轮轴上。2CN107854284A说明书1/5页一种基于弹性元件刚度切换机制的踝关节外骨骼技术领域[0001]本发明属于下肢外骨骼机器人技术领域，更具体地，涉及一种基于弹性元件刚度切换机制的踝关节外骨骼。背景技术[0002]在日常生活中，人类平均每天行走一万步，空气阻力、鞋底阻尼等外界环境因素的存在使得人在走路上消耗的能量比一天中任何活动消耗的能量都要多，此外，长期行走引起的肌肉疲劳更是会降低人体运动效率，增加人体能量消耗，这对于老年人、残疾人等行动不便的人来说更是如此。因此，能否研发出人体辅助行走系统，提高人类行走效率和满足老人、残疾人行走的需要，具有极大的研究意义和价值。[0003]踝关节是人行走过程中转移重心的关节，是支撑并推进身体前进的能量枢纽。在人行走过程中，从一侧足的足跟着地起，到同一侧足跟再次着地为止的连续过程为一个完整的步态周期，各步态周期间踝关节位移、速度、功率等具有一定的规律性。按照人体足部与地面的压力接触情况，可将一个步态周期划分为支撑相和摆动相两部分。在支撑相前期，踝关节吸收能量做负功，在支撑相后期释放能量做正功，在摆动相期间基本不做工，无能量变化；在整个步态周期中，踝关节做功所