[发明专利]一种柔性踝关节助力外骨骼装置

说明书

本发明属于可穿戴式外骨骼领域，并公开了一种柔性踝关节助力装置。该装置包括固定机构、储能元件和杠杆，其中，储能元件为呈C形的覆盖于小腿表面的可拉伸织物或材料。固定机构将所述元件固定在小腿上，杠杆的顶端通过牵引绳与该元件连接，中部通过拉力绳与足跟相连，底端连接在足底跖趾关节处。踝关节背屈时，储能元件被拉伸，辅助踝关节做负功，踝关节跖屈时，元件回弹，辅助踝关节做正功。元件的力通过杠杆传递给所述拉力绳，辅助足跟离地，以此辅助踝关节跖屈。通过本发明，解决助力装置不能顺应踝关节内外翻和内外旋运动。同时避免主动类外骨骼的工时限制以及极大减小了装置质量带来的代谢惩罚使辅助效果差甚至增加消耗的影响。

技术领域

本发明属于可穿戴式外骨骼相关技术领域，更具体地，涉及一种柔性踝关节助力外骨骼装置。

背景技术

研发辅助人体运动的下肢外骨骼，增强人体运动能力，减少行走所消耗的代谢能，不仅具有十分重要的科学意义与研究价值，也是改善民众生活质量的重要途径。近20年来，国内外科研机构在穿戴式下肢外骨骼领域开展了广泛的研究，研发了多款有重要科学意义的下肢外骨骼装置。按照是否包含外部能量源，下肢外骨骼一般分为主动外骨骼和被动外骨骼。主动外骨骼装置通常包含执行机构、传感器、控制模块以及配套的外部驱动电源等，质量普遍较大。穿戴式下肢主动外骨骼装置借助多种不同的传感器模块，以获取穿戴者的运动意图，再通过控制系统主动调控各个执行机构的输出力和力矩，使外骨骼匹配穿戴者的运动，进而增强穿戴者运动能力。下肢被动外骨骼装置基于人体下肢运动规律，利用肢体与外部弹性元件之间动能和势能的循环转化，借助外部被动弹性元件以辅助人体下肢运动。下肢被动外骨骼装置通常具有重量轻、结构简单等特点，通过合理布置外部弹性元件、设计恰当被动释能调节装置，被动外骨骼可以在人体运动过程中很好地匹配下肢运动学规律以及肌骨系统内在的能量转换机理，进而减少下肢相应肌群的肌肉激活。

目前，专利CN112677138A中公开了一种可辅助力的可穿戴被动踝关节外骨骼及其控制方法，CN110292507A中公开了一种踝关节助力外骨骼，CN111604886A中公开了一种踝关节助力外骨骼装置及助力鞋，以上三个专利均以一个自由度的机械铰链与踝关节背屈/跖屈运动相匹配，没有考虑踝关节的内外翻运动和内外旋运动；上述部分专利中的外骨骼装置中需要动力源驱动外骨骼，会因为电力耗尽存在使用时间限制；因此，相对于质量较大、结构复杂、与穿戴者行动意图配合困难的主动外骨骼而言，被动外骨骼在顺应关节运动，提升人体运动能力、减少所消耗的代谢能方面具有潜在优势。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种柔性踝关节助力外骨骼装置，解决助力装置不能顺应踝关节运动，尤其是内外翻运动和内外运动，以及有动力源和质量重的问题。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种柔性踝关节助力外骨骼装置，该装置包括固定机构、弹性元件和杠杆机构，其中，

所述弹性元件呈C型，与小腿前侧外轮廓贴合，所述固定机构用于将所述弹性元件固定在小腿上，所述杠杆机构的顶端通过牵引绳与所述弹性元件连接，底端连接在足底靠近跖趾关节的一侧，该杠杆机构中部连接有拉力绳，该拉力绳设置在足底靠近足后跟的一侧，当踝关节背屈时，弹性元件被拉伸，辅助踝关节做负功，储存能量，当在踝关节跖屈时，弹性元件辅助踝关节做正功，释放储存的能量，该弹性元件的力通过杠杆机构传递给所述拉力绳，作用于足跟，辅助足跟离地，以此辅助踝关节跖屈。

进一步优选地，所述杠杆机构包括两条平行设置的支架，以及设置在支架上端和下端的弧形板，上端的弧形板用于贴合小腿的外轮廓，下端的弧形板用于贴合足弓，所述弹性元件通过尼龙绳与所述弹性元件连接。

进一步优选地，所述杠杆机构的支架底端设置有旋转轴，通过该旋转轴与足底的连接实现杠杆机构绕旋转轴旋转。

进一步优选地，所述支架、上端的弧形板和下端的弧形板上均设置有孔洞，用于减轻弧形板的重量。

进一步优选地，所述杠杆机构的支架上设置有凸起，用于限定所述拉力绳的位置。