[发明专利]一种实现人体能量迁移的无源下肢外骨骼装置

说明书

本发明公开一种实现人体能量迁移的无源下肢外骨骼装置，包括鞋垫上设的脚底压力传感器组件，鞋垫后端设下肢连接组件，下肢连接组件后侧铰接多个分别与脚底压力传感器组件信号连接的控制开关组件，控制开关组件上滑动连接仿生弹簧组件，仿生弹簧组件与控制开关组件匹配卡接实现限位，通过脚底压力传感器采集信号并用信号控制开关，进而控制仿生弹簧组件的伸/缩状态，将人体行走过程中膝关节在摆动期做负功时的能量转化为弹性势能进行收集存储，并在站立相后期迁移至踝关节，以减少踝关节做正功时肌肉的耗能。本发明无外接能源、结构简单、质量轻、穿戴方便。

技术领域

本发明属于康复理疗辅助设备技术领域，具体涉及一种实现人体能量迁移的无源下肢外骨骼装置。

背景技术

外骨骼作为一种新型可穿戴人机一体化系统，主要应用于军事作战和康复医疗等领域。在军事领域中外骨骼可提高士兵的力量、速度和耐力，从而提高单兵作战能力；在康复医疗领域中外骨骼可辅助中风、截瘫或骨性关节炎等患者行走，从而恢复或部分恢复其生命活动。

目前，国内外的外骨骼主要分为有源外骨骼和无源外骨骼两种，有源外骨骼主要由能源装置、驱动系统、控制系统和执行装置组成，驱动方式主要有液压驱动、气压驱动和电机驱动等。根据驱动和控制系统的放置位置又可分为牵引式下肢外骨骼和便携式下肢外骨骼两种。牵引式下肢外骨骼因供能和控制系统置于体外，故整体结构简单、质量较轻，缺点是其活动空间受限，只适用于实验室研究或康复训练。有源便携式下肢外骨骼将驱动和控制系统穿于身上，其活动空间不受限制，缺点是整体结构质量较重从而降低了人体自身运动的灵活性，能源供应有限不能支撑外骨骼设备长时间运作。无源下肢外骨骼为纯机械机构，因无外部能源供应故具有结构简单、穿戴方便、质量轻和便携等优点，该类外骨骼主要利用人体自身能量，在肢体运动做负功时将能量进行收集与存储，并释放于肢体运动做正功时期，从而对人体产生助力作用，减少人体运动过程中的新陈代谢。

关于无源下肢外骨骼，现有技术如文章“Reducing the energy cost of humanwalking us ing an unpowered exoskeleton”中提到的踝关节无源外骨骼主要由模拟跟腱功能的弹簧、用于控制弹簧储/释能的离合器、小腿连接架和足部连接架等组成，弹簧通过离合器的开合可将步行站立相中期踝关节做负功时的能量收集并用于站立相后期踝关节做正功时期，但此外骨骼可用于收集的踝关节负功相对较少且只能实现时间域踝关节能量的迁移。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种实现人体能量迁移的无源下肢外骨骼装置，可实现将膝关节在摆动期做负功的能量收集存储并迁移释放至踝关节站立相后期做正功时期，克服了现有下肢外骨骼结构复杂、质量重和能量供应受限等主要技术问题。

本发明的技术方案是：

一种实现人体能量迁移的无源下肢外骨骼装置，包括鞋垫，所述鞋垫上设置有脚底压力传感器组件，所述鞋垫的后端设置有下肢连接组件，所述下肢连接组件包括与鞋垫固定连接的足底连接架，所述足底连接架上方设置有小腿连接架，所述小腿连接架上方设置有大腿连接架；所述大腿连接架上端、小腿连接架上端、小腿连接架下端和足底连接架上端分别铰接有控制开关组件，所述控制开关组件与脚底压力传感器组件信号连接，所述控制开关组件上滑动连接仿生弹簧组件，所述仿生弹簧组件与控制开关组件匹配卡接实现限位。

优选的，所述脚底压力传感器组件包括内嵌在鞋垫上的脚底压力传感器a和脚底压力传感器b，所述脚底压力传感器b位于鞋垫上对应于足跟的位置，所述脚底压力传感器a位于鞋垫上对应于第一跖骨的位置，所述脚底压力传感器a和脚底压力传感器b分别采集压力信号，并将压力信号通过导线传送给控制开关组件。