【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及下肢外骨骼的，具体而言，涉及一种外骨骼机器人用的半主动踝关节助力装置。
技术介绍
1、随着年龄增长，人的肌肉整体性能降低、运动能力发生退化，严重影响老年人的生活质量，得益于科学技术的迅速发展，近二十年来机器人技术逐渐被越来越多地应用到辅助人体运动上来，这一类机器人就是外骨骼机器人，用于助力的外骨骼机器人技术也越来越成熟；在下肢运动中，相比髋膝关节，踝关节是人与地面距离最近的关节，提供了人体行走过程中推进所需的主要能量，踝关节对外人体的运动影响更加显著，因此研发能够针对踝关节运动的助力外骨骼装置具有十分重要的科研与实用价值。
2、现有研究中踝关节助力外骨骼装置分为主动式和被动式两类，被动式踝关节一般采用轻量化设计，利用弹簧机构来储存和释放人体运动过程中的能量，以降低人体的代谢能消耗但是由于被动式踝关节完全依靠机械结构实现能量的存储与释放，无法根据环境和步态变化控制辅助力曲线，导致其在复杂运动场景下难以取得较好的助力效果，主动式踝关节外骨骼助力装置通常使用电控系统以应对外骨骼在不同使用场景下的助力状态，但是主动式踝关节存在动力源沉重、执行机构复杂和力控算法难度大等问题，结合主动踝关节灵活性高与被动式踝关节质量轻的特点，设计灵活高效的助力踝关节有望充分利用踝关节的能量，减小人体行走过程的踝关节损耗，降低代谢能量。
3、目前，国内外已经研发出了多种主、被动踝关节外骨骼装置,但是能够成功提高行走效率、减少行走代谢能消耗的半主动踝关节助力外骨骼装置的研究却寥寥无几，因为大多数采取了刚性或被动设计，然而健
4、综上可知，目前的半主动踝关节助力装置无法做到匹配人体步态规律、不能充分地利用踝关节能量、行走效率慢、行走代谢能高。
技术实现思路
1、本专利技术要解决的问题是：提供一种外骨骼机器人用的半主动踝关节助力装置，能够匹配人体步态规律、充分地利用踝关节能量、提高行走效率并降低行走代谢能。
2、为解决上述问题，本专利技术提供一种外骨骼机器人用的半主动踝关节助力装置，包括：
3、一腿部支撑架，用于包裹在用户的小腿外部进行固定；
4、一脚部支撑架，用于包裹在用户的踝关节外部进行固定；
5、一第一固定件，所述第一固定件朝向所述腿部支撑架的一端与所述腿部支撑架的外壁固定连接；
6、一主轴，所述主轴的一端与所述第一固定件背向所述腿部支撑架的一端固定连接，所述主轴的另一端悬空；
7、一棘轮，套设于所述主轴的外部并于所述主轴上可转动；
8、一控制组件，架设于所述棘轮的上方并与所述棘轮沿所述主轴轴向的两端固定连接，所述控制组件的底端设有可伸缩的一棘爪；
9、一扭转弹簧，套设在所述主轴的外部，所述扭转弹簧的一端与所述第一固定件背向所述腿部支撑架的一端固定连接，所述扭转弹簧的另一端与所述控制组件朝向所述腿部支撑架的一端固定连接；
10、一拉伸组件，固定连接于所述脚部支撑架的顶端，所述拉伸组件上延伸出一拉伸绳与所述棘轮的外周壁固定连接；
11、当所述控制组件接收到外部输入的第一指令时，控制所述棘爪伸出以与所述棘轮的外周壁抵接，并驱动所述棘轮转动拉紧所述拉伸绳以助力所述踝关节离地并储能于所述扭转弹簧；或
12、当所述控制组件接收到外部输入的第二指令时，控制所述棘爪缩回，通过所述扭转弹簧的复位带动所述棘轮转动并将释放储能以助力所述踝关节落地。
13、本方案中，利用关键组件如控制组件和扭转弹簧的相互配合，能够通过简单的通电断电控制实现对人体步态的匹配，从而进行精确的踝关节助力，能够充分利用踝关节的能量，通过调整扭转弹簧的刚度和角度，就能实现对不同人群的踝关节助力，并且可以通过在步态周期不同节点触发控制组件，使其带动扭转弹簧旋转储能，并在踝关节需要助力的时间释放存储的能量，在下肢未与地面接触期间使棘轮与拉伸绳处于自由状态，减少行走过程中踝关节助力装置对运动的影响，更好的匹配行走步态，实现更精准的辅助，减小行走过程的代谢能消耗。
14、优选的，还包括一第二固定件，所述第二固定件朝向所述腿部支撑架的一端与所述主轴的另一端固定连接。
15、优选的，所述第一固定件和所述第二固定件之间设有多根固定柱，各所述固定柱的一端与所述第一固定件背向所述腿部支撑架的一端固定连接，各所述固定柱的另一端与所述第二固定件朝向所述腿部支撑架的一端固定连接。
16、优选的，所述第一固定件和所述第二固定件为横截面相同的三角板，所述固定柱的数量为三根，三根所述固定柱分别位于三角板的三个边角上。
17、本方案中，将固定柱设置为三根并呈现三角形状能够增加结构的稳定性。
18、优选的，所述第一固定件和所述第二固定件的三个边角的侧壁为圆角。
19、本方案中，将边角的侧壁处理成圆角可以避免用户误碰造成受伤。
20、优选的，所述拉伸组件包括：
21、一固定环，固定连接于所述脚部支撑架的顶端；
22、一拉伸弹簧，所述拉伸弹簧的一端与所述固定环的外周壁固定连接，所述拉伸弹簧的另一端与所述拉伸绳的一端固定连接，所述拉伸绳的另一端与所述棘轮的外周壁固定连接。
23、优选的，所述控制组件包括：
24、一第一旋转轮，套设于所述主轴的外部并位于所述棘轮和所述扭转弹簧之间，所述第一旋转轮朝向所述腿部支撑架的一端与所述扭转弹簧的另一端固定连接；
25、一第二旋转轮，套设于所述主轴的外部并位于所述棘轮和第二固定件之间，通过所述第二旋转轮和所述第一旋转轮夹持所述棘轮；
26、一电磁铁支撑架，架设于所述棘轮的上方，所述电磁铁支撑架的底端分别与所述第一旋转轮和所述第二旋转轮的外周壁固定连接，所述电磁铁支撑架上开设有一槽口且所述槽口位于所述棘轮的上方；
27、一电磁铁，固定安装于所述电磁铁支撑架上并位于所述棘轮的上方，连接外部的供电装置，所述电磁铁的底端设有第一通孔，所述第一通孔内设有可伸缩的一带磁中心轴，所述带磁中心轴的底端固定连接有所述棘爪，所述电磁铁采用断电自吸型电磁铁；
28、当所述供电装置接收到所述第一指令时，输出反向电流至所述电磁铁，使所述电磁铁控制所述棘爪伸出与所述棘轮抵接并通过磁场力带动所述棘轮转动；或
29、当所述供电装置接收到所述第二指令时，输出正向电流至所述电磁铁，使所述电磁铁控制所述棘爪收缩放开所述棘轮。
30、本方案中，通过供电装置通入正向电流或反向电流至电磁本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种外骨骼机器人用的半主动踝关节助力装置，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的半主动踝关节助力装置，其特征在于，还包括一第二固定件(10)，所述第二固定件(10)朝向所述腿部支撑架(1)的一端与所述主轴(8)的另一端固定连接。
3.根据权利要求2所述的半主动踝关节助力装置，其特征在于，所述第一固定件(3)和所述第二固定件(10)之间设有多根固定柱(11)，各所述固定柱(11)的一端与所述第一固定件(3)背向所述腿部支撑架(1)的一端固定连接，各所述固定柱(11)的另一端与所述第二固定件(10)朝向所述腿部支撑架(1)的一端固定连接。
4.根据权利要求3所述的半主动踝关节助力装置，其特征在于，所述第一固定件(3)和所述第二固定件(10)为横截面相同的三角板，所述固定柱(11)的数量为三根，三根所述固定柱(11)分别位于三角板的三个边角上。
5.根据权利要求4所述的半主动踝关节助力装置，其特征在于，所述第一固定件(3)和所述第二固定件(10)的三个边角的侧壁为圆角。
6.根据权利要求1所述的半主动踝关节助力装置，
7.根据权利要求2所述的半主动踝关节助力装置，其特征在于，所述控制组件(6)包括：
8.根据权利要求7所述的半主动踝关节助力装置，其特征在于，所述电磁铁支撑架(63)为凹字形支撑架，所述凹字形支撑架的中间开口作为所述槽口。
9.根据权利要求7所述的半主动踝关节助力装置，其特征在于，还包括一回复组件(14)，与所述棘轮(5)固定连接，用于在所述控制组件(6)控制所述棘爪(7)缩回时带动所述棘轮(5)旋转以复位所述拉伸绳(13)。
10.根据权利要求8所述的半主动踝关节助力装置，其特征在于，所述回复组件(14)为盘簧，所述第二旋转轮(62)上沿所述主轴(4)的轴向开设有一第二通孔，所述盘簧套设在所述主轴(4)的外部并位于所述第二通孔内，所述盘簧的一端连接所述第二通孔的内壁，所述盘簧的另一端与所述棘轮(5)固定连接。
...【技术特征摘要】
1.一种外骨骼机器人用的半主动踝关节助力装置，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的半主动踝关节助力装置，其特征在于，还包括一第二固定件(10)，所述第二固定件(10)朝向所述腿部支撑架(1)的一端与所述主轴(8)的另一端固定连接。
3.根据权利要求2所述的半主动踝关节助力装置，其特征在于，所述第一固定件(3)和所述第二固定件(10)之间设有多根固定柱(11)，各所述固定柱(11)的一端与所述第一固定件(3)背向所述腿部支撑架(1)的一端固定连接，各所述固定柱(11)的另一端与所述第二固定件(10)朝向所述腿部支撑架(1)的一端固定连接。
4.根据权利要求3所述的半主动踝关节助力装置，其特征在于，所述第一固定件(3)和所述第二固定件(10)为横截面相同的三角板，所述固定柱(11)的数量为三根，三根所述固定柱(11)分别位于三角板的三个边角上。
5.根据权利要求4所述的半主动踝关节助力装置，其特征在于，所述第一固定件(3)和所述第二固...
【专利技术属性】
技术研发人员：张驰，张辉，易锋，李淑沛，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：
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