本發明涉及機器人外骨骼技術領域，更具體地，涉及一種輕型踝關節外骨骼。

背景技術：

外骨骼是模仿昆蟲外部骨骼的一種人體穿戴設備，可以給人提供額外的能力，增強人體的機能。下肢外骨骼是針對行走的外骨骼，主要用于軍事、醫療和助老領域。在軍事領域中，下肢外骨骼可以提升單兵作戰能力，增長徒步距離，增強負重能力；在醫療領域，下肢外骨骼可以用于患者的步態康復和殘疾人的輔助行走；在助老領域，下肢外骨骼可以幫助老年人正常行走。

人在行走過程中需要耗費能量，其中腳在離地時刻蹬地的動作為主要耗能因素，踝關節外骨骼針對人體行走的這一特點，在腳離地時刻提供額外的助力，替代小腿部分肌肉的功能，達到幫助人體節能的效果。現有外骨骼在踝關節的助力方式為電機直接在需要助力的時刻提供較大的助力，這對電機的瞬時功率要求比較高，導致電機重量和尺寸比較大，和電機配套的減速器、支架等零件也會比較大，造成人體額外的能量消耗，影響了外骨骼的效果和應用。所以期望在不影響助力大小的同時，降低外骨骼的重量和尺寸。

技術實現要素：

本發明提供一種克服上述問題或者至少部分地解決上述問題的輕型踝關節外骨骼，該裝置可提供高功率助力，減小外骨骼裝置的重量和尺寸。

根據本發明的一種技術方案，提供一種輕型踝關節外骨骼，包括離合器、觸發裝置、動力裝置和人體穿戴部分，所述動力裝置與所述離合器連接，所述離合器與所述觸發裝置連接，所述動力裝置通過所述離合器使所述人體穿戴部分繞踝關節發生轉動，所述觸發裝置和所述離合器固定在所述人體穿戴部分上。

作為上述技術方案的進一步改進，所述人體穿戴部分包括設置在踝關節位置的腳穿戴部分和設置在小腿位置的腿穿戴部分，所述觸發裝置通過腳部支架固定在所述腳穿戴部分，所述離合器通過所述腿部支架固定在所述腿穿戴部分。所述腳穿戴部分可放入成人正常大小的鞋內，所述腿穿戴部分外圍有魔術貼，可在人穿上后對腿部進行緊固。

作為上述技術方案的進一步改進，所述腳部支架上設有下橫桿，所述腿部支架上設有上橫桿，所述上橫桿設有助力彈簧且與所述助力彈簧的上端連接，所述助力彈簧的下端通過助力繩連接至所述下橫桿。

作為上述技術方案的進一步改進，所述腳部支架固連在所述腳穿戴部分上，所述腿部支架固連在所述腿穿戴部分上。

作為上述技術方案的進一步改進，所述離合器包括第一連桿、第二連桿、第三連桿、固定連桿和回復彈簧，所述固定連桿固定在所述腿部支架上，所述第一連桿的兩端分別與所述第二連桿和固定連桿鉸接，所述第二連桿與所述第三連桿鉸接，所述第三連桿的一端與所述固定連桿鉸接，所述第三連桿的另一端與所述固定連桿的中部通過所述回復彈簧連接。

作為上述技術方案的進一步改進，所述固定連桿上設有用于安裝電機的安裝支架，以及用于安裝兩個惰輪和推桿的安裝孔，所述動力裝置的電機固連在固定連桿上。

離合器采用四連桿結構設計，四連桿有一個自由度，當第二連桿和第三連桿處于同一條直線的時候，四連桿處于死點位置，此時四連桿處于相對穩定的狀態，可承受加在第一連桿上的外力。利用這個特點，設計四連桿處于死點位置時，主動齒輪和從動齒輪嚙合，四連桿脫離死點位置時，從動齒輪隨之脫離嚙合，達到離合的效果。回復彈簧的作用是在所述第一連桿的外力消失后把四連桿拉回死點位置，第三連桿上有一擋塊，作用是使四連桿在回復過程中停在死點位置。

所述第三連桿上設有一個凸出的擋塊，當第三連桿在死點位置順時針轉動時，所述擋塊會卡在固定連桿的凸臺上，以限制第三連桿順時針運動，配合所述回復彈簧使所述第三連桿在無推桿作用時處于死點位置。

作為上述技術方案的進一步改進，所述觸發裝置包括推桿、中間連桿和腳部支架，所述中間連桿通過腳部支架固定在所述腳穿戴部分，所述推桿的上部與所述固定連桿鉸接，所述中間連桿的一端與所述腳部支架鉸接，所述推桿的下部與所述中間連桿連接。

作為上述技術方案的進一步改進，所述中間連桿上有滑軌，所述滑軌上設有與其滑動連接的滑塊，所述滑塊與所述推桿的下端鉸接。

作為上述技術方案的進一步改進，所述中間連桿的中部設有通槽狀的滑軌，所述滑塊沿所述通槽移動，所述中間連桿上還設有用于將所述滑塊固定在所述滑軌上的螺栓。通過調節所述滑塊的位置，可調節所述推桿與所述中間連桿的相對位置，以適應不同的人腳離地時踝關節角度的差異性，可根據不同人的特點調整滑塊位置，以確保推桿在腳離地時可以觸發離合器。

作為上述技術方案的進一步改進，所述動力裝置包括電機、主動齒輪、從動齒輪、主滑輪、繩子和兩個惰輪，所述主動齒輪安裝在所述電機的輸出軸上，所述離合器閉合時，所述從動齒輪與所述主動齒輪嚙合，所述電機固定在所述固定連桿上。

作為上述技術方案的進一步改進，所述主滑輪與所述從動齒輪同軸設置，所述主滑輪與所述第一連桿鉸接；所述繩子的一端固定在所述主滑輪的繩槽里，所述繩子依次繞過兩個惰輪，其另一端連接至所述助力彈簧的下端。所述主滑輪位于所述離合器的上部，所述離合器的上方設有用于使所述電機的輸出軸貫穿的通孔，兩個惰輪均位于所述離合器的下部，且分別固定于所述固定連桿的底端。在所述離合器閉合狀態時，所述主動齒輪和所述從動齒輪組成的齒輪組處于嚙合位置。

基于上述技術方案，本申請提出的輕型踝關節外骨骼，可在踝關節處為人體行走提供助力，減少人體行走耗能。本發明中采用電機連續工作，通過助力彈簧儲存能量，在瞬時釋放的工作模式，代替了已有外骨骼電機直接瞬時助力的模式，降低了對電機功率的要求，實現用低功率電機提供高功率助力的效果，從而降低了電機的重量和尺寸，實現外骨骼的輕型化。

附圖說明

圖1為根據本發明實施例的輕型踝關節外骨骼的結構示意圖；

圖2為根據本發明實施例的離合器的結構示意圖；

圖3為根據本發明實施例的外骨骼工作流程圖。

圖中標記：1.主滑輪，2.第一連桿，3.第二連桿，4.回復彈簧，5.第三連桿，6.繩子，7.推桿，8.中間連桿，9.腳部支架，10.腳穿戴部分，11.助力繩，12.助力彈簧，13.腿穿戴部分，14.腿部支架，15.固定連桿，16.電機，17.主動齒輪，18.從動齒輪，19.惰輪，20.滑塊。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。

在根據本申請的一個實施例中，參考圖1，提供一種輕型踝關節外骨骼，包括離合器、觸發裝置、動力裝置和人體穿戴部分，所述動力裝置與所述離合器連接，所述離合器與所述觸發裝置連接，所述動力裝置通過所述離合器使所述人體穿戴部分繞踝關節發生轉動，所述觸發裝置和所述離合器固定在所述人體穿戴部分上。

所述人體穿戴部分包括設置在踝關節位置的腳穿戴部分10和設置在小腿位置的腿穿戴部分13，所述觸發裝置通過腳部支架9固定在所述腳穿戴部分10，所述離合器通過所述腿部支架14固定在所述腿穿戴部分13。所述腳穿戴部分10可放入成人正常大小的鞋內，所述腿穿戴部分13外圍有魔術貼，可在人穿上后對腿部進行緊固。

所述腳部支架9上設有下橫桿，所述腿部支架14上設有上橫桿，所述上橫桿設有助力彈簧12且與所述助力彈簧12的上端連接，所述助力彈簧12的下端通過助力繩11連接至所述下橫桿。

所述腳部支架9固連在所述腳穿戴部分10上，所述腿部支架14固連在所述腿穿戴部分13上。

參考圖2，所述離合器包括第一連桿2、第二連桿3、第三連桿5、固定連桿15和回復彈簧4，所述固定連桿15固定在所述腿部支架14上，所述第一連桿2的兩端分別與所述第二連桿3和固定連桿15鉸接，所述第二連桿3與所述第三連桿5鉸接，所述第三連桿5的一端與所述固定連桿15鉸接，所述第三連桿5的另一端與所述固定連桿15的中部通過所述回復彈簧4連接。

所述固定連桿15上設有用于安裝電機16的安裝支架，以及用于安裝兩個惰輪19和推桿7的安裝孔，所述動力裝置的電機16固連在固定連桿15上。

離合器采用四連桿結構設計，四連桿有一個自由度，當第二連桿3和第三連桿5處于同一條直線的時候，四連桿處于死點位置，此時四連桿處于相對穩定的狀態，可承受加在第一連桿2上的外力。利用這個特點，設計四連桿處于死點位置時，主動齒輪17和從動齒輪18嚙合，四連桿脫離死點位置時，從動齒輪18隨之脫離嚙合，達到離合的效果。回復彈簧4的作用是在所述第一連桿2的外力消失后把四連桿拉回死點位置，第三連桿5上有一擋塊，作用是使四連桿在回復過程中停在死點位置。

所述第三連桿5上設有一個凸出的擋塊，當第三連桿5在死點位置順時針轉動時，所述擋塊會卡在固定連桿15的凸臺上，以限制第三連桿5順時針運動，配合所述回復彈簧4使所述第三連桿5在無推桿7作用時處于死點位置。

所述觸發裝置包括推桿7、中間連桿8和腳部支架9，所述中間連桿8通過腳部支架9固定在所述腳穿戴部分10，所述推桿7的上部與所述固定連桿15鉸接，所述中間連桿8的一端與所述腳部支架9鉸接，所述推桿7的下部與所述中間連桿8連接。

所述中間連桿8上有滑軌，所述滑軌上設有與其滑動連接的滑塊20，所述滑塊與所述推桿7的下端鉸接。

所述中間連桿8的中部設有通槽狀的滑軌，所述滑塊20沿所述通槽移動，所述中間連桿8上還設有用于將所述滑塊固定在所述滑軌上的螺栓。

所述觸發裝置的原理是利用行走中踝關節角度的變化特點實現離合器的觸發，所述離合器本質上是一個四連桿機構。腳穿戴部分10和腿穿戴部分13為鉸接，二者的角度等同于踝關節的角度，在行走過程中，此角度會發生規律性變化，推桿7和固定連桿15之間的角度也會隨之變化，在腳離地瞬間，該角度達到一個最小值，推桿7恰好推開第三連桿5，觸發離合器斷開動力輸入；當助力完成之后，推桿7恰好回到非觸發區域，離合器在回復彈簧4作用下恢復到動力輸入狀態。推桿7和中間連桿8的鉸接位置可以通過滑塊及滑軌調整，這是為了適應不同的人腳離地時踝關節角度的差異性，可根據不同人的特點調整滑塊位置，以確保推桿7在腳離地時可以觸發離合器。

所述助力彈簧12一端固定在腿部支架14上，另一端通過助力繩11與腳部支架9連接，同時通過另一根繩子6與主滑輪1連接。人在行走時只需要在腳離地時刻助力，在其他時間，離合器處于閉合狀態，齒輪嚙合，電機16通過齒輪組、主滑輪1和繩子6拉動助力彈簧12，將能量儲存在助力彈簧12中，同時控制電機16轉速，使助力繩11處于松弛狀態，不影響人體正常行走；在腳離地時刻，助力繩11即將被拉緊，在觸發裝置作用下，離合器斷開電機16和助力彈簧12的動力連接，助力彈簧12瞬時通過助力繩11拉動腳部支架9，為踝關節提供一個較大的助力，將儲存的能量瞬時釋放。所述動力裝置包括電機16、主動齒輪17、從動齒輪18、主滑輪1、繩子6和兩個惰輪19，所述主動齒輪17安裝在所述電機16的輸出軸上，所述離合器閉合時，所述從動齒輪18與所述主動齒輪17嚙合，所述電機16固定在所述固定連桿15上。

所述主滑輪1與所述從動齒輪18同軸設置，所述主滑輪1與所述第一連桿2鉸接；所述繩子6的一端固定在所述主滑輪1的繩槽里，所述繩子6依次繞過兩個惰輪19，其另一端連接至所述助力彈簧12的下端。所述主滑輪1位于所述離合器的上部，所述離合器的上方設有用于使所述電機16的輸出軸貫穿的通孔，兩個惰輪19均位于所述離合器的下部，且分別固定于所述固定連桿15的底端。在所述離合器閉合狀態時，所述主動齒輪17和所述從動齒輪18組成的齒輪組處于嚙合位置。

圖3為外骨骼的工作流程圖，曲線部分為正常人行走過程中踝關節的角度隨步態周期變化情況，外骨骼工作流程如下：

在行走的支撐相中期，離合器處于閉合狀態，電機16通過嚙合的齒輪組和主滑輪1拉長助力彈簧12，將能量儲存在助力彈簧12中；

在行走的支撐相末期，腳跟即將離地之前，腳踝角度達到最小值，推桿7逆時針轉動，推動離合器第三連桿5離開死點位置，齒輪組的主動齒輪17和從動齒輪18間嚙合脫離，助力彈簧12與電機16之間斷開連接，開始收縮拉動腳部支架9，為踝關節提供助力；

在行走進入擺動相，助力彈簧12收縮，繼續提供助力，腳踝角度開始變大，推桿7順時針轉動，回到未觸發位置，離合器在回復彈簧4的作用下回到死點位置，離合器閉合，電機16開始拉長助力彈簧12，助力結束；

在之后的擺動相和支撐相中，離合器處于閉合狀態，電機16拉長助力彈簧12，人的行走處于自然狀態，直到支撐相末期，推桿7再次觸發離合器斷開，進入下一個循環。

最后，本申請的方法僅為較佳的實施方案，并非用于限定本發明的保護范圍。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。