[发明专利]仿生张拉整体多自由度自支撑柔性踝关节穿戴助力装置

说明书

本发明公开了仿生张拉整体多自由度自支撑柔性踝关节穿戴助力装置，涉及辅助行走和助力设备领域，包括足部穿戴组件、腿部固定组件、被动柔性绳组件和柔性绞线驱动组件，被动柔性绳组件连接在足部穿戴组件和腿部固定组件之间的左右侧，柔性绞线驱动组件连接在足部穿戴组件和腿部固定组件之间的前后侧，足部穿戴组件、腿部固定组件、被动柔性绳组件和柔性绞线驱动组件构共同构成具有能够调整足部和腿部之间相对位置和姿态的变化且具有自支撑性能的张拉整体机构。本发明采用张拉整体机构拥有柔顺性、轻量化、可重构的特点，且具有自支撑特性，能为穿戴者提供有效的支撑力，减轻踝关节在行走时受到的压力，绞线驱动组件能实现轻量化、柔顺性驱动。

技术领域

本发明涉及辅助行走和助力设备技术领域，更具体的是涉及仿生张拉整体多自由度自支撑柔性踝关节技术领域。

背景技术

踝关节是连接腿部和脚部的重要关节，也是人行走过程中为身体提供支撑和移动的关键部位。由于踝关节是日常活动中使用频率最高的关节，因此对比其他关节更容易发生损伤。

现有的可穿戴助力设备可以划分为刚性穿戴设备和柔性穿戴设备。其中刚性设备是研究最为广泛的一类设备，并且在实际应用中也多以刚性穿戴设备为主。刚性穿戴设备利用杆件等刚性原件模拟人体的骨骼系统，通过多组刚性原件组成类似人体骨架的系统，穿戴者在穿戴刚性穿戴设备后，通过动力原件带动杆件运动进而辅助穿戴者行走。这种刚性穿戴设备由于优点在于拥有支撑特性，但在生物机理上，行走中主要起承载作用的并不是骨骼系统，而是肌肉系统。由于结构强度等方面的原因，刚性穿戴设备的尺寸一般较大，不利于穿戴者移动，虽然一部分助力设备将驱动器与使用者分离，外置于地面上来减轻重量，但这种分离式的刚性穿戴设备限制了使用者的活动范围。且多数穿戴设备只能实现单一自由度上的运动，导致在助力时效果不理想。

而柔性穿戴设备作为近年来一种全新的穿戴设备研究方向，其主要模拟人体行走时起主要作用的一组肌肉，通过与穿戴者的肌肉协同作用，以此来减少肌肉的代谢消耗，实现辅助行走的功能。柔性穿戴设备一般利用绳索来模拟肌肉，整体机构重量轻于刚性穿戴设备，又由于绳索对关节的约束一般为欠约束，所以柔性穿戴设备自由度多于刚性穿戴设备。且由于人体在行走起主要作用的是肌肉系统，所以柔性穿戴设备在助力效率上也优于刚性穿戴设备。但由于对人体肌肉系统支撑作用的机理尚未研究清楚，大部分柔性助力设备无法实现对人体的支撑作用，只能对行走机能无障碍的穿戴者进行辅助行走。

由于上述现有的各类踝关节助力设备可知，如何实现拥有肌肉系统高效助力的同时也能拥有较多自由度和一定的结构支撑力，缓解踝关节压力渐渐成为辅助行走领域中亟待解决的问题之一。

发明内容

本发明的目的在于：为了解决上述技术问题，本发明提供仿生张拉整体多自由度自支撑柔性踝关节穿戴助力装置，该设备利用张拉系统作为踝关节设备的主体机构，通过柔性绳模拟踝关节附近的肌肉群，以此实现张拉整体自身的平衡支撑特性，利用此特性实现对腿部的支撑作用，通过绞线驱动方式的高减速比特性实现电机的力矩放大，降低穿戴设备整体质量，实现较高的助力效率。

本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

仿生张拉整体多自由度自支撑柔性踝关节穿戴助力装置，包括套设在足跟处的足部穿戴组件、套设在小腿处的腿部固定组件、被动柔性绳组件和柔性绞线驱动组件，被动柔性绳组件连接在足部穿戴组件和腿部固定组件之间的左右侧，柔性绞线驱动组件连接在足部穿戴组件和腿部固定组件之间的前后侧，足部穿戴组件、腿部固定组件、被动柔性绳组件和柔性绞线驱动组件构共同构成具有能够调整足部和腿部之间相对位置和姿态的变化且具有自支撑性能的张拉整体机构。

优选地，被动柔性绳组件包括对称设置在穿戴者足部左右两侧的左被动柔性线单元和右被动柔性线单元，左被动柔性线单元和右被动柔性线单元均接在足部穿戴组件和腿部固定组件之间，柔性绞线驱动组件包括对称设置在腿部前后两侧的前柔性绞线驱动组件和后柔性绞线驱动组件前柔性绞线驱动组件和后柔性绞线驱动组件均连接在足部穿戴组件和腿部固定组件之间。