[发明专利]具有反向可驱动性的踝关节助力方法

说明书

技术领域

本发明涉及踝关节的助力方法，尤其涉及具有反向可驱动性的踝关节助力方法。

背景技术

独立行走有障碍的患者而言，辅助和矫形装置对于行走舒适度和步态美观性上可以起到一定的帮助。研究结果显示，人体脚踝的一项主要职能是为身体前进提供足够的能量。传统踝关节辅助装置仅是对人体踝关节生理结构的模拟，缺点是不能按照人体行走的过程对步态进行调整，其机械性能在不同的步行速度和地形固定不变。而且传统的踝关节辅助装置由于缺少反向可驱动功能，辅助装置与人体不协调匹配，限制甚至阻碍了脚部的自由活动。因此，设计出一种具有反向可驱动性的踝关节助力方法很有现实意义。

中国专利（200410053695.5）介绍了一种可穿戴式的下肢步行外骨骼，该装置由腰部支撑、髋部四杆结构、膝盖四杆结构、脚踝四杆结构和足底支撑依次串联构成，由液压缸驱动机构运动，判断步态信息的传感器安装在液压缸处。由于使用液压缸，需要有液压源的提供，机构定位精度不高，传感器安装在腿部，加大了腿部机械结构的复杂性，而且由于反向不可驱动，使得脚部的自行活动受到的装置本身限制。

中国专利（200810034002.7）介绍了一种并联式多自由度价值外骨骼踝关节，该装置由足底支撑板和仿人腿外套组成，具有三个自由度，机构高度可调。由于三个自由度都是主动动作，故需配备三个主动导杆，导致装置的机构复杂，控制繁琐。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种易于实现的反向可驱动的踝关节助力方法，以克服上述现有技术存在的问题。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：由适应步态的助力机构、反向可驱动机构和步态检测机构实现，其中助力机构的电机根据步态检测机构传过来的足底压力变化信号进行转动，以适应人体行走步态过程，对踝关节进行主动助力，该电机又驱动反向可驱动机构动作，实现无阻碍脚部的自由活动，同时对于正常行走有障碍的患者起到帮助作用。

所述对于人体行走的步态过程的助力，具体方法可以是：助力机构中的滚珠丝杆将电机的正向旋转运动转化为直线运动，带动弹簧压板向上，通过挤压弹簧，使可移动导杆向上抬升，通过钢丝绳拉拽人体脚后跟，帮助人体实现绕踝关节的跖屈运动，提供人体行走的步态过程中踝关节的助力。

本发明可以采用以下步骤来实现对人体行走的步态过程的助力：

第1步，跖屈驱动相时正向动作：

行走过程足跟提起到足尖抬起这一阶段，即跖屈驱动相PP。足跟压力传感器和足尖压力传感器的信号相继为零，根据此信号，由电机的控制器控制电机正转，使得通过同步带带动滚珠丝杆旋转，滚珠丝杆螺母和弹簧压板上移，通过可移动导杆拉动连接在脚踝处的钢丝绳，给予脚后跟一个向上的力，实现绕踝关节的跖屈运动；

第2步，摆动相时反向动作：

当足尖完全抬起时，即摆动相SW，此时踝关节不再需要一个向上的力，且处于摆动相时脚底两个传感器信号均为零，据此电机的控制器控制电机反转，使滚珠丝杆螺母下移，释放钢丝绳的紧绷状态；

第3步，跖屈与背屈控制相时停止动作：

当脚部完成摆动重新接触地面这一阶段，即跖屈控制相CP和背屈控制相CD，两个压力传感器相继得到来自足底的压力信号，此时电机停止反转，为下一次的跖屈驱动相时给踝关节助力做准备；

经过上述步骤，实现针对整个步态过程中踝关节的助力。

本发明提供的反向可驱动的助力动作方法，包括紧绷状态和松弛状态两部分：在跖屈与背屈控制相，钢丝绳处于松弛状态，可自由伸缩来实现反向可驱动性；在摆动相，钢丝绳处于紧绷状态，人体细微的摆动动作导致助力机构的弹簧被压缩，步态检测机构中的位移传感器检测到背屈意愿，控制电机反向旋转，通过助力机构的滚珠丝杆带动可移动导杆向下运动，及时响应踝关节摆动运动的意愿。

本发明可以采用以下步骤来进行反向可驱动的助力动作：

第1步，脚部背屈意愿拉动可移动导杆下移：

当脚部试图背屈动作的时候，踝关节拉动钢丝绳，从而带动可移动导杆下移，此时滚珠丝杆不进行动作；

第2步，弹簧被压缩，电机反转：

可移动导杆下移使得夹在可移动导杆和弹簧压板之间的弹簧被压缩，弹簧的压缩状态被安装在其上面的位移传感器所检测到，据此电机的控制器控制电机反转，通过同步带带动滚珠丝杆反转，使套装在该丝杆上的滚珠丝杆螺母上的弹簧压板下移；

第3步，释放弹簧的压缩状态：

弹簧压板下移使得弹簧的压缩状态被释放，钢丝绳由紧绷的状态变为松弛，脚部的摆动不再受到钢丝绳的限制，摆动意愿得以响应。