一種用于下肢助力外骨骼的被動儲能足部機構的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于下肢助力外骨骼的被動儲能足部機構，屬于機器人應用領域。
【背景技術】
[0002]外骨骼機器人是一種可穿戴的機械系統，通過穿戴者與外骨骼的協調運動，實現助力、助行及康復治療的功能。下肢外骨骼機器人無論是助力、助行還是輔助醫療康復訓練功能，足部機構都要有一定的輔助支撐作用及類人自由度。
[0003]依據運動學原理，人體踝關節可實現三自由度運動，即繞運動關節的背屈/跖屈、外展/內收及旋外/旋內運動;依據踝關節運動肌腱功能特征，人體踝關節運動主要依據韌帶、跟腱等實現及限制踝關節運動;依據足部構造，人體足弓結構對身體重力下傳和地面反彈力起著重要的緩沖震蕩的作用;依據足部功能，人體足部在站立或活動時均起支持作用，且在活動時不同的姿勢可以構成不同形式的杠桿作用。
[0004]下肢助力外骨骼有些足部機構由可支撐穿戴者整個腳部的剛性板結合自由度為
1、2或3的機械踝關節組成，為避免自由度不可控帶來的危險性，機械踝關節各個自由度通常會采用電機、液壓缸等進行驅動，該類足部機構靈活性差、控制難度大、對控制系統要求極高、成本相對較高;有些腳底機構采用后腳掌剛性連接踝關節，整個腳部采用彈性材料支撐，或前后腳掌采用分離式結構，轉動副連接彈性前后腳掌，主要滿足人體行走過程中跖趾關節的運動需求，該類現有足部機構足底尺寸厚、足底連接件多、實用性差、足尖蹬地時對穿戴者支撐及助力功能減弱；也有一些新型足部機構在踝關節前后布置一對彈簧，用于減少穿戴者在矢狀面踝關節受力，但彈簧固定端始終固定在足部基座上，在運動過程中拉伸彈簧或壓縮彈簧的性能不明確，且有雙向彈簧阻力，助力效果未達到最優。
[0005]具有運動能力、負重需求的人群需要一種可降低負重率及其自身重量對踝關節影響的下肢助力外骨骼，即可以在腿支撐階段對穿戴者踝關節提供支撐力的外骨骼，并在整個步態周期內利用被動儲存的能量輔助完成行走行為，對控制系統及傳感器依賴性低，能耗低，該類外骨骼屬于一種新型半被動外骨骼，現有外骨骼足部機構均不能夠滿足此需求。

【發明內容】

[0006]技術問題:本發明所要解決的技術問題是:提供一種用于下肢助力外骨骼的被動儲能足部機構，該足部機構充分利用人體足部構造、運動性能、人體及外骨骼質量及慣性作用，實現踝關節被動儲能及支撐能力、足尖蹬地動作實現及狀態自動恢復，結構簡單，穿戴方便，可移植性高，實現低能耗行走。
[0007]技術方案:為了解決上述問題，本發明采用的技術方案是:
[0008]—種用于下肢助力外骨骼的被動儲能足部機構，包括:
[0009]踝關節單元，其包括桿端關節軸承、關節支撐座以及依次穿過桿端關節軸承的下端和關節支撐座的上端的關節支撐軸；
[0010]足側面板，其下端與關節支撐座的下端相連接，所述關節支撐軸依次穿過足側面板的上端、桿端關節軸承的下端和關節支撐座的上端開設的孔；
[0011]腳底板單元，其包括剛性后腳跟、設置在剛性后腳跟前端的剛性前腳掌、安裝在剛性后腳跟內側的前端的第一固定件、安裝在剛性前腳掌的內側的后端的第二固定件、第一內側板簧、第二內側板簧、第一外側板簧、第二外側板簧、安裝在剛性前腳掌的外側的后端的第三固定件和第四固定件，其中，所述第一內側板簧和第二內側板簧相互疊加組合，通過第一固定件與剛性后腳跟連接，并通過第二固定件與剛性前腳掌連接，所述第一外側板簧和第二外側板簧相互疊加組合，通過第三固定件及第四固定件與剛性前腳掌連接，所述足側面板設置在剛性后腳跟和關節支撐座之間，并且所述關節支撐座、足側面板和剛性后腳跟依次相互連接；
[0012]捆綁單元，其包括前捆綁單元和后捆綁單元，所述前捆綁單元的兩側分別安裝在所述剛性前腳掌的兩側，所述后捆綁單元的兩側分別安裝在所述剛性后腳跟的內側邊和足側面板的頂部；
[0013]彈簧支撐單元，其包括第一支撐件、第二支撐件、依次穿過第一支撐件和第二支撐件的第一彈簧連接桿以及第二彈簧連接桿，所述桿端關節軸承的頂部安裝在第一支撐件和第二支撐件之間；
[0014]背屈被動彈簧儲能單元，其包括第一拉伸彈簧、第一彈簧限位件、第一轉動軸、分別安裝在第一彈簧限位件后部兩側的第一軸承和第二軸承、第二轉動軸、第一轉動件和第二轉動件，所述第一轉動軸依次穿過第一軸承、第一轉動件的前端、第二軸承和第二轉動件的前端，所述第二轉動軸依次穿過第一轉動件的后端和第二轉動件的后端，所述第一拉伸彈簧的一端連接在第二彈簧連接桿上，另一端連接在第二轉動軸上，所述第一彈簧限位件安裝在足側面板的后端；
[0015]跖屈被動彈簧儲能單元，其包括第二拉伸彈簧、安裝在足側面板前端的第三軸承和第四軸承、第三轉動軸、第四轉動軸、第三轉動件、第四轉動件、第二彈簧限位件，其中，所述第三轉動軸依次穿過第四軸承、第三軸承、第三轉動件的后端和第四轉動件的后端，所述第四轉動軸依次穿過第三轉動件的前端和第四轉動件的前端，所述第二拉伸彈簧的一端連接在第一彈簧連接桿上，另一端連接在第三轉動軸上，所述第二彈簧限位件安裝在足側面板的前端，用于將所述第三轉動件的向上轉動的運動范圍限制在水平位置。
[0016]進一步地，所述所述腳底板單元還包括底部板簧，其一端安裝在剛性前腳掌的后端中部位置，另一端安裝在剛性后腳跟的前端中部位置。
[0017]進一步地，所述腳底板單元為分離式柔性彎曲結構，所述剛性后腳跟與剛性前腳掌通過底部板簧、可變形粘接板及膠墊實現底部柔性彎曲連接，通過第一內側板簧、第二內偵販簧、第一固定件及第二固定件實現內側柔性彎曲連接，通過第一外側板簧、第二外側板簧、第三固定件及第四固定件實現外側柔性彎曲連接。
[0018]進一步地，背屈運動時，第一拉伸彈簧通過第一彈簧限位件實施限位，第一拉伸彈簧被拉伸從而完成背屈被動儲能，第三轉動件、第四轉動件繞第三轉動軸轉動，使得第四轉動軸向下運動，第二拉伸彈簧呈自由平衡狀態;跖屈運動時，第二拉伸彈簧通過第二彈簧限位件實施限位，第二拉伸彈簧被拉伸從而完成被動儲能，第一轉動件、第二轉動件繞第一轉動軸轉動，使得第二轉動軸向下運動，第一拉伸彈簧呈自由平衡狀態。
[0019]本發明的優選方案中，腳底板單元為分離式柔性彎曲結構，包括剛性后腳跟、剛性前腳掌、底部板簧、內側板簧、外側板簧、固定機構、可變形粘接板及膠墊；剛性后腳跟與剛性前腳掌通過底部板簧、可變形粘接板及膠墊依次上下連接，并分別通過內側板簧、外側板簧、固定機構進行側面連接;底部板簧、內側板簧與外側板簧的組合使用，可從底部、內側及外側連接剛性后腳跟與剛性前腳掌，輔助足尖蹬地動作的實現及自動狀態的回復，并在足尖蹬地過程中腳底板單元保證足部機構對人體足部的足夠的支撐能力。
[0020]本發明的優選方案中，捆綁單元包括前捆綁單元、后捆綁單元，前捆綁單元連接剛性前腳掌的兩側，后捆綁單元連接剛性后腳跟與足側面板，通過兩捆綁單元實現穿戴者腳部與該足部機構的有效接觸。
[0021]本發明的優選方案中，被動彈簧儲能單元包括背屈被動彈簧儲能單元與跖屈被動彈簧儲能單元，通過彈簧支撐單元分別與踝關節單元、足側面板連接，運動時分別完成背屈與跖屈被動儲能。
[0022]本發明的優選方案中，彈簧支撐單元包括第一支撐件、第二支撐件、第一彈簧連接桿及第二彈簧連接桿;通過第一支撐件、第二支撐件與桿端關節軸承的桿端連接，實現彈簧支撐單元與踝關節單元的運動一致性，通過第一彈簧連接桿、第二彈簧連接桿分別與第二拉伸彈簧、第一拉伸彈簧的一端連接，進而通過踝關節的運動量改變第一拉伸彈簧或第二拉伸彈簧的變形量，完成拉伸彈簧被動儲能，并在儲能完成后釋放能量實現外骨骼助力功會K。
[0023]本發明的優選方案中，背屈被動彈簧儲能單元包括第一拉伸彈簧、第一彈簧限位件、第一轉動軸、第二轉動軸、第一轉動件及第二轉動件，第一拉伸彈簧一端固定在彈簧支撐單元上，一端固定在第二轉動軸上，第二轉動軸與第一轉動軸平行，并通過第一轉動件、第二轉動件與第一轉動軸連接，第一轉動件、第二轉動件可帶動第二轉動軸繞第一轉動軸轉動;該彈簧儲能單元初始狀態為第一轉動件、第二轉動件為水平狀態，彈簧支撐單元呈水平狀態，踝關節桿端呈自然垂直狀態，彈簧預緊力大于等于零;該彈簧儲能單元在背屈運動時第一拉伸彈簧通過第一彈簧限位件限制完成儲能，跖屈時第一拉伸彈簧通過第二轉動軸的轉動呈自由平衡狀態。
[0024]本發明的優選方案中，跖屈被動彈簧儲能單元包括第二拉伸彈簧、第二彈簧限位件、第三轉動軸、第四轉動軸、第三轉動件及第四轉動件，第二拉伸彈簧一端固定在彈簧支撐單元上，一端固定在第四轉動軸上，第四轉動軸與第三轉動軸平行，并通過第三轉動件、