[0001] 本申请属于助行助跃的技术领域，特别涉及一种无源踝关节助行助跃系统。

[0002] 在人体步态运动的过程中，踝关节存在自由摆动周期、支撑周期和踝关节发力周期。在自由摆动周期时，踝关节呈现放松状态自由摆动；进入支撑周期和踝关节发力周期时，人体脚掌触地，踝关节弯曲角度发生变化，并在发力周期时踝关节开始输出力矩。

[0003] 目前现有的步态模态切换机构，主要分为有源和无源两种，其中无源模态切换机构，体积小质量轻，可以实现锁定和解锁两种状态，但是在踝关节支撑周期和发力周期间进行模态切换。而有源模态切换机构虽然通过控制算法可以实现自由摆动周期、支撑周期和踝关节发力周期三种模态的切换，但是有源模态切换机构通常体积重量大、结构复杂。综上所述，一种应用于下肢步态模态切换、无动力源、结构轻便的无源离合器仍是空白。

[0046] 在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

[0047] 本申请实施例公开一种无源踝关节助行助跃系统，如图1和图2所示，包括：

[0048] 无源离合器结构001、超弹性复合材料助力器002、鞋套003、绑缚护具004。超弹性复合材料助力器002竖直放置于小腿前侧，超弹性复合材料助力器002的一端与鞋套003的鞋面位置连接、另一端通过无源离合器结构001连接于绑缚护具004，绑缚护具004用于绑缚至小腿和大腿。

[0049] 参照图2和图4，无源离合结构001包括棘轮盘式离合110、齿条传动滑块120、膝部安装板130。安装板130是整个离合结构的载体，采用铝合金材料，结构轻便。

[0050] 如图3所示，棘轮盘式离合110对称布置于膝部安装板130两侧，棘轮盘式离合110主要包括轮盘轴111、推力轴承112、棘轮113、法兰轴承114、棘轮挡板115、离合齿轮116、轴端压片117、棘轮牙118、储能缓释机构119等。

[0051] 齿条传动滑块120安装于膝部安装板130的正中间，主要包括滑块压板121、直线滑块122、直线滑轨123、齿条安装板124、齿条125等。

[0052] 参照图4，无源离合轴系连接方式如下：棘轮盘式离合110通过轮盘轴111与膝部安装板130连接，轮盘轴111通过法兰边与膝部安装版130固连，棘轮113与膝部安装版130之间存在推力轴承112，棘轮挡板115通过法兰轴承114轴向固定在离合齿轮116与棘轮113之间，离合齿轮116与棘轮113之间通过轴套固连，通过轴端压片117压紧将所有零部件在轮盘轴111上轴向固定，离合齿轮116与轴端压片117之间同样存在推力轴承112，该连接方式保证了离合齿轮116与棘轮113的同步转动，同时保证了棘轮113与棘轮挡板115之间的独立转动。

[0053] 棘轮113的周向面设有卡槽，棘轮牙118的一端与棘轮113的周向面接触，棘轮牙118的另一端连接储能缓释机构119，棘轮牙118的中部通过转动轴转动连接于膝部安装板
130，储能缓释机构119的另一端连接于膝部安装板130。当棘轮牙118正对卡槽时，棘轮牙
118卡设于卡槽内，此时棘轮113仅能单向转动；棘轮挡板115设有挡边，挡边位于棘轮113周向面外侧，棘轮挡板115开设有弧形孔，棘轮113设有凸块，凸块位于弧形孔内，凸块位于弧形孔的一端时，卡槽被挡边挡住，凸块位于弧形孔另一端时，卡槽露出。

[0054] 膝部安装板130的表面开设有第一弧形槽和第二弧形槽，第一弧形槽和第二弧形槽与轮盘轴111同轴，且第二弧形槽的半径大于第一弧形槽，棘轮牙118中部的转动轴互动连接于第一弧形槽，储能缓释机构119的一端滑动连接于第二弧形槽。

[0055] 齿条安装板124位于膝部安装板130的表面，直线滑轨123固定连接于膝部安装板130背离齿条安装板124的一侧，膝部安装板130开设有竖直的滑动孔，齿条安装板124通过连接部固定连接有滑块压板121，连接部穿过滑动孔，滑块压板121位于膝部安装板130背离齿条安装板124的一侧，直线滑块122固定连接于滑块压板121朝向直线滑轨123的一侧，直线滑块122与直线滑轨123配合。齿条125设置两个，两个齿条125分别固定于齿条安装板124的两侧；齿条传动滑块120安装于膝部安装板130的中间，无源离合器结构001设置两个，两个无源离合器结构001分别位于齿条传动滑块120的两侧，且无源离合器结构001的离合齿轮116分别与齿条传动滑块120的一个齿条125啮合。

[0056] 如图2所示，齿条安装板124连接有夹板，超弹性复合材料助力器002被夹紧到夹板与齿条安装板124之间。本发明的无源离合结构001通过压紧式的夹板与超弹复合材料助力器002进行连接。该连接结构相较于直接使用螺栓等紧固件连接，较大的接触面积可以减少紧固件的压强，防止超弹性复合材料助力器的局部压溃，提高了助力器使用寿命。

[0057] 棘轮113与离合齿轮116固连，同步传动，一个步态周期内超弹性复合材料助力器002的上下位移会转化为离合齿轮116的来回旋转，通过离合齿轮116、棘轮113、棘轮牙118的配合，实现离合器的锁定与解锁。通过对棘轮113上卡槽与棘轮挡板115相对位置的调整实现对不同人步态周期的适应；齿条传动滑块120的主要作用是将踝关节运动过程中带动超弹性复合材料助力器002产生的上下移动转化为作用于离合器的转动，进而通过离合结构的锁定与解锁实现外骨骼储能‑助力期与自由运动期的转换。离合齿轮116及齿条125采用碳钢或碳纤维作板材作为基本材料，两者结具有较高的强度，而后者具有更轻的质量，可减少穿戴者的负担。

[0058] 如图5所示，从左到右分别为无源离合器结构001的解锁模态(转动点A)、锁死状态(转动点B)、储能缓释阶段(转动点C)。

[0059] 如图5和图12所示，无源离合器结构可以实现根据人体运动步态，实现三种不同模态的自适应切换。主要体现为在脚底离地时，棘轮113、棘轮挡板115位于转动点A，此时进入解锁模态：棘轮牙118被棘轮挡板115阻挡不会与棘轮接触，从而不会进行卡死，离合解除锁定，使得下肢外骨骼助力器能够自由滑动，从而实现踝关节无约束自由运动，避免所穿戴的下肢外骨骼助力器限制踝关节的内/外翻与内/外旋自由度。当步态进入支撑周期时，棘轮113、棘轮挡板115位于转动点B，进入储能模态：此时棘轮从棘轮挡板115中露出，与棘轮牙
118整体卡死不再转动，离合锁死，配套的下肢外骨骼进入储能‑助力状态，能够储存和释放运动过程中的重力势能。当步态进入发力周期时，离合器解除锁定，齿轮齿套带载转动至转动点C，超弹性复合材料助力器得以释放弹性势能，将其储存的弹性势能转变为人体运动的动能，从而实现运动助力的作用。

[0060] 以离合解锁模态为初始状态，此时离合器可以自由转动，实现下肢外骨骼助力器的无约束自由运动；随着步态进行，脚掌触地过程中，齿条带动离合齿轮116和棘轮挡板115运动，棘轮牙118转到锁死点，离合处于锁死状态，此时踝关节角度变小，下肢外骨骼处于弯曲储能阶段；随着步态进行，脚尖蹬地离开地面时，进入储能缓释阶段，释放储存的弹性势能转变为动能，为人体运动提供助力，此时离合器再次转变为解锁模态。

[0061] 超弹性助力器在提供储能效果的同时，通过自身结构特性能够实现一定角度的弹性变形，以满足穿戴者踝关节的内/外翻自由度。

[0062] 参照图6，本发明的超弹性复合材料助力器更好适应踝关节的助力力矩需求，对超弹性复合材料助力器结构的尺寸参数进行了建模分析、仿真预测和参数优化，具体为建立超弹性复合材料助力器结构的受力分析模型，确定助力器结构的初步参数，在此基础上进行有限元建模仿真，确定样件工况下样件的应力集中情况，并对应力集中结构进行参数调整，最终确定超弹性复合材料助力器002的尺寸参数。

[0063] 超弹性复合材料助力器002的尺寸参数通过以下仿真方法获得：

[0064] S1：根据碳纤维层合板21的形状建立宽度为20mm‑40mm的助力器模型；

[0065] S2:：测试‑单层高强度碳纤维单向预浸料202和单层平纹织布预浸料201的力学性能，输入单层板本构模型；

[0066] S3：在不同宽度的助力器模型下，根据经验设置高强度碳纤维单向预浸料202和平纹织布预浸料201的铺层层数、铺层角度参数；

[0067] S4：根据实际穿戴的运动工况，对碳纤维层合板21施加载荷和边界条件；

[0068] S5：通过步骤S1‑S4预设的宽度、铺层层数、铺层角度、以及单层高强度碳纤维单向预浸料202和单层平纹织布预浸料201的力学性能，通过仿真软件获得碳纤维层合板21的最大弯曲角度、实际穿戴的运动工况下所提供的反力和力矩；

[0069] S6：重复上述步骤S1‑S5，获得多组不同宽度、不同铺层层数和不同铺层角度下的碳纤维层合板21的最大弯曲角度、实际穿戴的运动工况下所提供的反力和力矩；具体的，铺层层数不同导致铺层厚度不同，铺层厚度范围定1mm‑3mm,每次增加0.5mm，宽度范围20mm‑40mm，每次增加10mm，铺层角度[0°]n，[0°,90°]sn，[0°,45°,‑45°,90°]sn；

[0070] S7：根据步骤S6的结果，选取最大弯曲角度、反力和力矩符合要求的宽度、铺层层数、铺层角度组合参数作为碳纤维层合板21的参数。后续制作的碳纤维层合板21的参数根据仿真结果来确定。

[0071] 参照图6、图7a和图7c，超弹性复合材料助力器002具有两种结构。

[0072] 如图7a所示，超弹性复合材料助力器002的一种结构为：包括碳纤维层合板21，碳纤维层合板为多层层合结构，碳纤维层合板21包括多层高强度碳纤维单向预浸料202和至少两层平纹织布预浸料201，高强度碳纤维单向预浸料202为经过碳纳米管改性的高强度碳纤维单向预浸料202，平纹织布预浸料201和高强度碳纤维单向预浸料202通过热压罐工艺成型。

[0073] 多层高强度碳纤维单向预浸料202铺层形成中间层，提供主要支撑助力效果。铺层过程中，在高强度碳纤维单向预浸料202表面采用碳纳米管改性，使超弹性复合材料助力器002达到增强增韧的效果。

[0074] 超弹性复合材料助力器002的制备方法包括：

[0075] S1:碳纳米管粉末采用拜耳材料科学C150P碳纳米管粉末，高强度碳纤维单向预浸料202采用东丽t800碳纤维预浸料。高强度碳纤维单向预浸料202的厚度为0.1mm，平纹织布预浸料201的厚度为0.2mm,高强度碳纤维单向预浸料202和平纹织布预浸料201的面积为2
140cm。碳纳米管粉末经过氧等离子体处理；

[0076] S2:先铺设平纹织布预浸料201，然后在平纹织布预浸料201的表面铺设一层高强度碳纤维单向预浸料202；平纹织布预浸料201为市售成品，规格为：3k200g平纹织物。防止弯曲过程中单向碳纤维的分层与层间开裂情况出现，提高了该助力器的助力效果与使用耐久性；

[0077] S3：然后采用碳纳米管对高强度碳纤维单向预浸料202进行改性，具体包括：碳纳米管粉末分散在浓度为1.0g/30ml的乙醇中，用IKA ms3 Basic(漩涡混合器)对这些溶液进行涡旋混合均匀，得到碳纳米管溶液，然后采用牵伸涂层方法将碳纳米管溶液分布在高强度碳纤维单向预浸料202表面。牵伸涂层方法包括：用移液管将得到碳纳米管溶液分配到高强度碳纤维单向预浸料202的顶部边缘，且高强度碳纤维单向预浸料202表面放置有玻璃棒，在不直接滚动玻璃棒的情况下，使用线拉拔玻璃棒(线规0.5mm)的方式将碳纳米管溶液分布在高强度碳纤维单向预浸料202表面，然后让乙醇蒸发掉，得到具有碳纳米管涂层的高强度碳纤维单向预浸料202；每层所述高强度碳纤维单向预浸料202表面的碳纳米管混合溶液喷涂量为3ml；

[0078] S4：然后在具有碳纳米管涂层的高强度碳纤维单向预浸料202表面铺上一层高强度碳纤维单向预浸料202，重复步骤S3，直到将所有高强度碳纤维单向预浸料202铺层完毕，且相邻高强度碳纤维单向预浸料202之间均具有碳纳米管涂层，获得中间层；

[0079] S5：在中间层的最后一层高强度碳纤维单向预浸料202的表面铺设平纹织布预浸料201，获得铺层件。

[0080] S6:将铺层件通过热压罐成型工艺制造出碳纤维层合板。参照图8，热压罐成型工艺的固化条件为：升温速率为3℃/min；待模具到达120℃时固化2小时；固化后降温速率控制在3℃/min，待降温到50℃以下时，取出固化完成的样件；按照设计图纸切出所需尺寸，并在对应位置钻孔。

[0081] 如图7b所示，超弹性复合材料助力器002的另一种结构为基于多层层合复合材料的人机交互力测量装置：具体包括两层第二碳纤维层合板22、以及位于两层第二碳纤维层合板22之间的环氧层板23。每个第二碳纤维层合板22背离环氧层板23的一侧连接有两个电极24，且两个第二碳纤维层合板22连接的电极24一一对应，两个第二碳纤维层合板和环氧层板组成一个平行板电容器。

[0082] 超弹性复合材料助力器002的制备方法包括：

[0083] 步骤1:将多层高强度碳纤维单向预浸料202按照上述S2、S3和S4的方式进行铺层，该过程中采用碳纳米管对进行改性，提高高强度碳纤维单向预浸料202的导电性；得到堆叠预浸料；具体的，在模具上表面按照一层3k碳纤维平纹织布预浸料201、5层高强度碳纤维单向预浸料202的顺序铺设预浸料；

[0084] 步骤2:重复步骤1，获得两个堆叠预浸料，将堆叠预浸料固化获得第二碳纤维层合板；堆叠预浸料采用热压罐工艺成型。固化参数为120℃固化90分钟，升温速率为3℃/min。固化完成后以1.5℃/min的降温速度使材料降至室温后脱模，获得第二碳纤维层合板；

[0085] 步骤3:将环氧树脂施加到一块第二碳纤维层合板上，形成环氧树脂层，然后将另一块第二碳纤维层合板放置在环氧树脂层的顶部，以将环氧树脂层夹在两个第二碳纤维层合板之间；进行固化，固化条件与步骤2相同；固化后，环氧树脂层硬化为环氧层板，得到试样；

[0086] 修剪试样边缘以避免厚度不均匀，然后将两条带有导电粘合剂的铜带附着在层合板表面的顶部和底部，作为超弹性复合材料助力器002的外接电级；

[0087] 制造完成之后，用万能试验机对做好的试验件加载循环载荷，测量复合材料实时的电容和电阻，同时测量万能试验机接头处的受力，DIC测量材料表面的应变。最后汇总数据，作为训练人工神经网络模型的输入输出数据。

[0088] 如图9所示，随超弹性复合材料助力器002运行过程中弯曲角度的变化，环氧层板厚度方向会随之产生微变形，随后会引起第二碳纤维层合板作为平行板电容器产生的电容变化，以此感知穿戴者运动时的状态参数；最后汇总数据，作为训练人工神经网络模型的输入输出数据。

[0089] 具体工作流程如下：结构感知一体化人机交互测量装置样件在未工作的状态下，通过电极和应变片，外接电源，测量样件常态下两侧的电容C,内外侧的电阻R,应变ε等参数。样件在工作状态下，发生弯曲变形，外侧碳纤维层合板被拉伸，内侧碳纤维层合板被压缩，整个碳纤维层合板的厚度发生变化，环氧层板弯曲，平行板电容器的电容发生改变，碳纤维层合板的内外侧电阻发生改变，同时产生拉伸应变和压缩应变。测量弯曲时样件两侧的电容C,内外侧的电阻R,应变ε等参数，基于测量参数和弯曲角度计算公式计算样件的弯曲角度，再结合复合材料的弯曲模量计算人机交互力，完成人机交互力的实时测量。

[0090] 参照图10，鞋套003由足尖连接夹板301，硬质鞋头302，防滑鞋底303和柔性鞋套304四部分组成。足尖连接夹板301与超弹性复合材料助力器002通过螺栓固连，与硬质鞋头
302通过销钉进行铰接，为踝关节背屈/跖屈提供自由度，同时得益于超弹性复合材料的特性，本身也提供了脚掌内翻和外翻的自由度；硬质鞋头302内嵌钢片等硬质材料，采用前部突起设计方便连接；硬质鞋头、防滑鞋底和柔性鞋套一体化成型，鞋底与鞋套柔软且有弹性，不会使穿戴者产生不适感的同时也方便穿脱，进一步提高穿戴舒适性。防滑鞋底303在提供足够摩擦力的同时还能对穿戴者的鞋具提供保护；柔性鞋套304设计便于穿戴者的穿脱，同时不会使穿戴者产生不适感，提升了穿戴体验。超弹性复合材料助力器002底端插入足尖连接夹板，由四颗螺栓固定，两面贴有柔性胶条，紧固固定的同时也能减少运动时连接处的晃动产生的应力集中现象，提高使用寿命。

[0091] 参照图11，绑缚护具004包括大腿及小腿绑缚带401、硬质连接护板402、硬质盖板403、柔性内衬404等。其中，硬质连接护板402上设有若干孔位，两侧对称安装无源离合器结构001，通过螺钉固连，可根据不同穿戴者调整固定孔位，以满足不同身材穿戴者；硬质盖板
403通过螺钉与柔性内衬404相连，同时将无源离合器结构001包覆在内。

[0092] 绑缚护具分为小腿和大腿两部分，大腿及膝关节处采用柔性内衬和护膝相结合的设计，采用魔术贴等易于拆装的固定装置与大腿进行绑缚固定；小腿处柔性内衬外部有硬质连接护板，与无源离合器结构的膝部安装版通过螺栓固定连接，同时外层还有一层硬质盖板包袱住无源离合器整体，隐藏零件达到美观的同时，也能保护穿戴者，防止零件脱落对人体造成伤害。

[0093] 本发明的工作原理：

[0094] 参照图10，通过绘制人体行走时步态周期曲线来对应踝关节在运动周期转动角度的变化，从而设计无源离合器结构的离合锁死点，总行程设计基于穿戴者步态周期转动幅度。在步态周期的开始点A点，踝关节角度以脚离地自由摆动期为起始零角度，同样离合器也处于初始状态，此时卡齿未工作，即卡盘可自由转动，踝关节可自由摆动。从A点到B点，直到脚尖触地后重心下降的储能期，踝关节角度运动到10度左右，离合卡盘顺时针转过第一个节点，卡盘卡槽转过卡齿位置，在预紧拉簧的作用下，卡齿嵌入卡盘，限制卡盘逆时针转动，离合进入锁死阶段，即限制助力器向上位移，随踝关节角度继续变小，进入储能阶段。在C点，经过助力器储能后助力释放蹬地，踝关节角度重新回到10度左右并继续变大，离合器内卡盘顺时针顶开卡齿。从C点到D点，踝关节角度继续变大到20度左右，此时离合内卡盘带动挡盘转过第二个节点，挡盘挡住卡齿，离合解锁，卡盘可自由转动，通过储能缓释机构释放所储存的弹性势能，转化为助力动能，从而实现踝关节无约束助力的自由运动，此时踝关节进入自由摆动阶段。最后到E点，踝关节角度回到零度，离合内卡盘带动挡盘回到初始位置，由此进入下一步态周期，实现外骨骼的循环助力。此系统不仅结构轻便简洁，且复合材料疲劳性能优秀，耐久性好，穿戴简便。得益于离合器结构，能量转换效率有所提高，舒适性相应提升。

[0095] 实验例

[0096] (1)实验对象

[0097] 为验证本发明的超弹性复合材料储能的无源踝关节助行助跃系统的助力效果，选取身高175±5(cm)，体重75kg±5(kg),年龄24±2(y)的三名健康青年作为被试。

[0098] (2)实验过程

[0099] 本实验配置两种不同的工作状态：不穿踝关节助行助跃系统的步行实验和穿戴踝关节助行助跃系统的步行实验。受试者在两种情况下，以6km/h速度在跑步机上行走5分钟，测试受试者穿戴前后的耗氧量。

[0100] (3)实验结果

[0101] 穿戴该系统后，测试结果显示穿戴者耗氧量与未穿戴相比，降低了15％。

[0102] 以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。

[0103] 本申请说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。