一種主被動(dòng)混合驅(qū)動(dòng)的一體化踝關(guān)節(jié)與假腳結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于康復(fù)機(jī)械領(lǐng)域，具體涉及一種主被動(dòng)混合驅(qū)動(dòng)的一體化踝關(guān)節(jié)與假腳結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有假腳踝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)中，通常將踝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)為被動(dòng)關(guān)節(jié)，僅通過彈簧等彈性元件實(shí)現(xiàn)減震或儲(chǔ)能作用。由于其不具有主動(dòng)做功能力，行走步態(tài)與正常關(guān)節(jié)相比差別較大，導(dǎo)致兩側(cè)步態(tài)不對稱。而且，通過對人體生物力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，在行走過程中，人體踝關(guān)節(jié)主要做正功。因此，被動(dòng)踝關(guān)節(jié)不能滿足踝關(guān)節(jié)的主動(dòng)做功要求。
[0003]對于現(xiàn)有假腳，大部分都是將腳底板設(shè)計(jì)成整個(gè)的碳纖維板，使其有一定的彈性緩沖能力。但實(shí)際上，在不同的狀態(tài)相位區(qū)間內(nèi)，人體的腳具有不同的剛度特性，并具有一定的儲(chǔ)能作用，而這種單一結(jié)構(gòu)的假腳不能滿足要求。美國MIT生物研宄所提出一種將腳分為前腳掌、后腳跟等幾部分組成，并采用活口鎖扣和滑動(dòng)鎖扣來實(shí)現(xiàn)兩腳掌之間的步態(tài)配合，增強(qiáng)了假腳的仿生特性。現(xiàn)有假腳與踝關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)中，一般踝關(guān)節(jié)無主動(dòng)驅(qū)動(dòng)能力，只能被動(dòng)吸能和釋放，與正常人體踝關(guān)節(jié)特性相差較大。而且其足部的設(shè)計(jì)通常為單一彈性結(jié)構(gòu)，并不具有類似人體腳部的在不同的步態(tài)周期表現(xiàn)出不同的特性。
[0004]于現(xiàn)有技術(shù)中，申請?zhí)枮?01010286882.4的發(fā)明專利公布了一種仿生踝關(guān)節(jié)，包括腳板、踝關(guān)節(jié)座、轉(zhuǎn)動(dòng)軸、仿生距骨、第一桿端關(guān)節(jié)、第一屈伸桿、第二桿端關(guān)節(jié)、第二屈伸桿、電機(jī)支座、步進(jìn)電機(jī)、絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、屈伸桿定位連接件、非線性壓簧機(jī)構(gòu)、齒輪座、齒輪、角度傳感器、數(shù)據(jù)采集機(jī)構(gòu)和數(shù)據(jù)控制機(jī)構(gòu)。采用主動(dòng)控制與被動(dòng)控制相結(jié)合的方式，有利于降低能量損耗，并且能實(shí)現(xiàn)接近正常人體踝關(guān)節(jié)角度變化的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，同時(shí)滿足人體踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)具有靈活性和穩(wěn)定性的要求。然而，上述專利并不具有仿生特性，并且主被動(dòng)控制結(jié)合的方式設(shè)置并不明確。
[0005]鑒于上述原因，本發(fā)明提供一種主被動(dòng)混合驅(qū)動(dòng)的一體化踝關(guān)節(jié)與假腳結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供一種主被動(dòng)混合驅(qū)動(dòng)的一體化踝關(guān)節(jié)與假腳結(jié)構(gòu)，包括電機(jī)、腳體、鎖扣及彈簧，鎖扣包括前鎖扣及后鎖扣，所述腳體包括腳背、前腳、腳尖、后腳、腳跟、過渡軸、踝關(guān)節(jié)軸及連接板，其中前腳與腳尖固連；后腳與腳跟固連；腳背、前腳和后腳通過過渡軸連接；踝關(guān)節(jié)軸與連接板固連，連接板與腳背固連。
[0007]其中:腳跟著地狀態(tài)為足底控制相，后鎖扣打開、前鎖扣鎖緊，彈簧壓縮進(jìn)行儲(chǔ)能；腳尖著地為背屈控制相，前鎖扣與后鎖扣均鎖緊，保持彈簧固定；踝關(guān)節(jié)傾斜角度最小時(shí)為足底動(dòng)力相，后鎖扣鎖緊，前鎖扣打開，釋放彈簧。
[0008]優(yōu)選的，所述電機(jī)包括踝關(guān)節(jié)電機(jī)及前鎖扣電機(jī)。
[0009]優(yōu)選的，所述一體化踝關(guān)節(jié)與假腳結(jié)構(gòu)還包括錐齒輪，踝關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)所述錐齒輪減速及變向，驅(qū)動(dòng)踝關(guān)節(jié)軸旋轉(zhuǎn)。
[0010]優(yōu)選的，若釋放的彈簧發(fā)出能量不足以使腳尖離地，則控制踝關(guān)節(jié)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，補(bǔ)充所需的能量。
[0011]根據(jù)本發(fā)明提供的主被動(dòng)混合驅(qū)動(dòng)的一體化踝關(guān)節(jié)與假腳結(jié)構(gòu)，設(shè)置了鎖扣配合腳體的不同運(yùn)動(dòng)相，壓縮或釋放彈簧驅(qū)動(dòng)腳體前進(jìn):當(dāng)腳跟著地時(shí)，后鎖扣打開、前鎖扣鎖緊，彈簧壓縮進(jìn)行儲(chǔ)能；腳尖著地時(shí)，前鎖扣與后鎖扣均鎖緊，保持彈簧固定；踝關(guān)節(jié)傾斜角度最小時(shí)，后鎖扣鎖緊，前鎖扣打開，釋放彈簧。能在行走的不同步態(tài)周期表現(xiàn)出不同的特性，其內(nèi)部的彈性元件可在足跟觸地時(shí)儲(chǔ)存能量，在足尖離地時(shí)釋放能量，有效提供站立相后期所需的部分能量，并且當(dāng)被動(dòng)能量不足時(shí)，會(huì)主動(dòng)觸發(fā)踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)以補(bǔ)充能量，實(shí)現(xiàn)與人體類似的動(dòng)力學(xué)性能，改善踝關(guān)節(jié)與假腳的穿戴舒適性及路況適應(yīng)能力。同時(shí)一體化的結(jié)構(gòu)降低了系統(tǒng)成本，有利于實(shí)現(xiàn)步態(tài)控制，增強(qiáng)其步態(tài)適應(yīng)性。
【附圖說明】
[0012]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0013]圖1是本發(fā)明較佳實(shí)施例提供的主被動(dòng)混合驅(qū)動(dòng)的一體化踝關(guān)節(jié)與假腳結(jié)構(gòu)主視圖；
[0014]圖2是本發(fā)明較佳實(shí)施例提供的主被動(dòng)混合驅(qū)動(dòng)的一體化踝關(guān)節(jié)與假腳結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下文中將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。
[0016]圖1是本發(fā)明較佳實(shí)施例提供的主被動(dòng)混合驅(qū)動(dòng)的一體化踝關(guān)節(jié)與假腳結(jié)構(gòu)主視圖；圖2是本發(fā)明較佳實(shí)施例提供的主被動(dòng)混合驅(qū)動(dòng)的一體化踝關(guān)節(jié)與假腳結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。如圖1及圖2所示，本發(fā)明較佳實(shí)施例提供的主被動(dòng)混合驅(qū)動(dòng)的一體化踝關(guān)節(jié)與假腳結(jié)構(gòu)包括電機(jī)、腳體、鎖扣及彈簧10，所述鎖扣配合腳體的不同運(yùn)動(dòng)相，壓縮或釋放彈簧10驅(qū)動(dòng)腳體前進(jìn)。
[0017]其中，所述鎖扣包括前鎖扣11及后鎖扣12 ;所述電機(jī)包括踝關(guān)節(jié)電機(jī)I及前鎖扣電機(jī)3 ;所述腳體包括腳背4、前腳5、腳尖6、后腳8、腳跟9、過渡軸7、踝關(guān)節(jié)軸2及連接板14，其中前腳5與腳尖6固連；后腳8與腳跟9固連；腳背4、前腳5和后腳8通過過渡軸7連接，且三者可相對旋轉(zhuǎn)；踝關(guān)節(jié)軸2與連接板14固連，連接板14與腳背4固連。腳背4與前腳5之間由前鎖扣11控制相對旋轉(zhuǎn)角度；腳背4和腳跟9之間由后鎖扣12控制相對旋轉(zhuǎn)角度。
[0018]于此，所述踝關(guān)節(jié)與假腳結(jié)構(gòu)還包括錐齒輪13，其中，踝關(guān)節(jié)電機(jī)I驅(qū)動(dòng)所述錐齒輪13減速及變向，驅(qū)動(dòng)踝關(guān)節(jié)軸2旋轉(zhuǎn)。
[0019]本發(fā)明提供的一體化踝關(guān)節(jié)與假腳結(jié)構(gòu)工作過程如下:正常行走時(shí)，腳跟著地，進(jìn)入足底控制相，控制后鎖扣打開、前鎖扣鎖緊，彈簧壓縮進(jìn)行儲(chǔ)能；小腿在慣性作用下向前擺動(dòng)，使踝關(guān)節(jié)角度緩慢減小，腳尖緩慢著地，進(jìn)入背屈控制相，前鎖扣與后鎖扣均鎖緊，保持彈簧固定；當(dāng)踝關(guān)節(jié)角度減小至最小時(shí)，進(jìn)入足底動(dòng)力相，后鎖扣鎖緊，前鎖扣打開，釋放彈簧中儲(chǔ)存的能量。于此，若釋放的彈簧發(fā)出能量不足以使腳尖離地，則控制踝關(guān)節(jié)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，補(bǔ)充所需的能量，實(shí)現(xiàn)主被動(dòng)混合控制。然后，腳尖離地，進(jìn)行擺動(dòng)相，前后鎖扣均復(fù)位，至腳跟再次觸地時(shí)進(jìn)入下一個(gè)步態(tài)周期。
[0020]綜上所述，根據(jù)本發(fā)明提供的主被動(dòng)混合驅(qū)動(dòng)的一體化踝關(guān)節(jié)與假腳結(jié)構(gòu)，設(shè)置了鎖扣配合腳體的不同運(yùn)動(dòng)相，壓縮或釋放彈簧驅(qū)動(dòng)腳體前進(jìn):當(dāng)腳跟著地時(shí)，后鎖扣打開、前鎖扣鎖緊，彈簧壓縮進(jìn)行儲(chǔ)能；腳尖著地時(shí)，前鎖扣與后鎖扣均鎖緊，保持彈簧固定；踝關(guān)節(jié)傾斜角度最小時(shí)，后鎖扣鎖緊，前鎖扣打開，釋放彈簧。如此，被動(dòng)驅(qū)動(dòng)保證了系統(tǒng)的低能耗，主動(dòng)驅(qū)動(dòng)保證了關(guān)節(jié)的出力特性和做功能力，既能完成正常的行走運(yùn)動(dòng)，又有較低的能耗，而且與人體踝關(guān)節(jié)與腳具有相近的力學(xué)特性，實(shí)現(xiàn)了類似人腳的減震、儲(chǔ)能與釋放的作用。
[0021]對所公開的實(shí)施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實(shí)施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會(huì)被限制于本文所示的實(shí)施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種主被動(dòng)混合驅(qū)動(dòng)的一體化踝關(guān)節(jié)與假腳結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括電機(jī)、腳體、鎖扣及彈簧，鎖扣包括前鎖扣及后鎖扣，所述腳體包括腳背、前腳、腳尖、后腳、腳跟、過渡軸、踝關(guān)節(jié)軸及連接板，其中前腳與腳尖固連；后腳與腳跟固連；腳背、前腳和后腳通過過渡軸連接；踝關(guān)節(jié)軸與連接板固連，連接板與腳背固連； 其中，腳跟著地狀態(tài)為足底控制相，后鎖扣打開、前鎖扣鎖緊，彈簧壓縮進(jìn)行儲(chǔ)能； 腳尖著地為背屈控制相，前鎖扣與后鎖扣均鎖緊，保持彈簧固定； 踝關(guān)節(jié)傾斜角度最小時(shí)為足底動(dòng)力相，后鎖扣鎖緊，前鎖扣打開，釋放彈簧。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一體化踝關(guān)節(jié)與假腳結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述電機(jī)包括踝關(guān)節(jié)電機(jī)及前鎖扣電機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一體化踝關(guān)節(jié)與假腳結(jié)構(gòu)，其特征在于，還包括錐齒輪，踝關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)所述錐齒輪減速及變向，驅(qū)動(dòng)踝關(guān)節(jié)軸旋轉(zhuǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一體化踝關(guān)節(jié)與假腳結(jié)構(gòu)，其特征在于，若釋放的彈簧發(fā)出能量不足以使腳尖離地，則控制踝關(guān)節(jié)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，補(bǔ)充所需的能量。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種主被動(dòng)混合驅(qū)動(dòng)的一體化踝關(guān)節(jié)與假腳結(jié)構(gòu)，設(shè)置鎖扣配合腳體的不同運(yùn)動(dòng)相，壓縮或釋放彈簧驅(qū)動(dòng)腳體前進(jìn)：當(dāng)腳跟著地時(shí)，后鎖扣打開、前鎖扣鎖緊，彈簧壓縮進(jìn)行儲(chǔ)能；腳尖著地時(shí)，前鎖扣與后鎖扣均鎖緊，保持彈簧固定；踝關(guān)節(jié)傾斜角度最小時(shí)，后鎖扣鎖緊，前鎖扣打開，釋放彈簧。能在行走的不同步態(tài)周期表現(xiàn)出不同的特性，其內(nèi)部的彈性元件可在足跟觸地時(shí)儲(chǔ)存能量，在足尖離地時(shí)釋放能量，有效提供站立相后期所需的部分能量，并且當(dāng)被動(dòng)能量不足時(shí)，會(huì)主動(dòng)觸發(fā)踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)以補(bǔ)充能量，實(shí)現(xiàn)與人體類似的動(dòng)力學(xué)性能，改善踝關(guān)節(jié)與假腳的穿戴舒適性及路況適應(yīng)能力。
【IPC分類】A61F2-66, A61F2-70
【公開號】CN104605964
【申請?zhí)枴緾N201510082246
【發(fā)明人】李娟 , 李偉達(dá), 胡海燕, 李春光, 張虹淼, 郭浩
【申請人】蘇州大學(xué)
【公開日】2015年5月13日
【申請日】2015年2月15日