[发明专利]一种可控辅助力的可穿戴被动踝关节外骨骼及其控制方法

说明书

本发明提供一种可控辅助力的可穿戴被动踝关节外骨骼及其控制方法，包括：滚轮、小腿绑带、小腿支架、绳子、力控凸轮、弹簧支架、鞋侧固定支架组成。绳子连接弹簧支架、弹簧、通过小腿支架上的滚轮，与力控凸轮相连接。鞋侧固定支架与穿戴者的鞋子固定，穿戴者的小腿通过小腿绑带与小腿支架绑定。本发明利用储能弹簧拉伸储存能量，收集了穿戴者跑步或者走路时踝关节背屈时所做的负功，此时力控凸轮随着小腿支架同轴旋转，缠绕绳子。当踝关节跖屈蹬地时，储能弹簧释放能量，力控凸轮根据凸轮形状实现了弹簧伸长量的控制，从而控制了弹簧力与踝关节角度的关系。本发明提供的一种可控辅助力的被动踝关节外骨骼，能够实现弹簧力随步态周期的控制。

技术领域

本发明属于下肢外骨骼机器穿戴者领域，更具体地，涉及一种可控辅助力的可穿戴被动踝关节外骨骼及其控制方法。

背景技术

跑步与步行在日常运动中占据了较大比重。踝关节在跑步与步行中，承担了重要作用。跖屈时做正功，起到了发力蹬地，推动穿戴者体向前的作用；背屈时做负功，起到了缓冲、稳定、支撑的作用。研究踝关节外骨骼用于辅助穿戴者类跑步与步行，能够降低代谢能耗，具有巨大研究潜力与重要研究意义。

主动踝关节外骨骼若搭载在穿戴者体上，具有电源重、机构复杂、执行器重的缺点，且踝关节距离穿戴者体质心最远，末端负载过重会大大增加穿戴者体能耗。因此，被动外骨骼以其轻便、结构简单的特点，相比于主动外骨骼，更适用于辅助踝关节运动来降低跑步与步行的代谢能耗。但是，现有国际上先进的被动踝关节外骨骼采用弹簧与离合器形式进行储能与放能，无法实现弹簧力随踝关节角度或者步态周期的控制。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种可控辅助力的可穿戴被动踝关节外骨骼及其控制方法，旨在解决现有被动踝关节外骨骼无法控制弹簧释放能量时候的弹簧力，导致助力效果无法得到进一步优化或者无法满足个体差异性需求的问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种可控辅助力的可穿戴被动踝关节外骨骼，包括：弹簧、滚轮、第一支撑支架、第二支撑支架、绳子、凸轮、第一弹簧支架、第二弹簧支架、第一固定支架以及第二固定支架；

所述第一弹簧支架呈弧形，两端分别连接第一固定支架和第二固定支架；所述第一固定支架和第二固定支架站立于地面时，所述第一弹簧支架的弧形平面平行于地面；

所述第一支撑支架的底端与第一固定支架铰接，所述第二支撑支架的底端与第二固定支架铰接；所述第二弹簧支架呈弧形，两端分别连接第一支撑支架的顶端和第二支撑支架的顶端，所述第二弹簧支架的弧形平面与第一弹簧支架的弧形平面平行，且开弧方向一致；

所述凸轮与第一支撑支架固定连接；所述滚轮的固定端固定于所述第二弹簧支架上，所述绳子中连接有所述弹簧，所述绳子穿过所述滚轮，所述绳子的一端连接所述第一弹簧支架，另一端绕制在所述凸轮上；

将所述可穿戴被动踝关节外骨骼穿戴至穿戴者的一个下肢时，所述第一固定支架和第二固定支架对称位于穿戴者脚踝的两侧；

当穿戴者正常站立时，所述弹簧处于原长状态；当穿戴者跑步或者走路时，其踝关节会背屈或跖屈；当穿戴者踝关节背屈时，两个支撑支架与两个固定支架夹角变小，凸轮随着两个支撑支架同轴旋转，缠绕绳子，绳子收紧，弹簧拉伸储存能量；当穿戴者踝关节跖屈时，两个支撑支架与两个固定支架夹角变大，凸轮放开绳子，弹簧释放能量，辅助穿戴者脚踝完成跖屈运动；所述凸轮的轮廓可调，以使得弹簧提供的辅助力曲线可调，满足穿戴者的助力个体差异性。

可选地，该可穿戴被动踝关节外骨骼还包括：绑带；

所述绑带连接第一支撑支架和第二支撑支架，以将所述可穿戴被动踝关节外骨骼固定到穿戴者的下肢。

可选地，所述第一固定支架和第二固定支架通过螺钉与穿戴者的脚踝处的鞋子固定。