CN101234045A - 并联式多自由度假肢外骨骼踝关节 - Google Patents

Abstract

一种康复工程技术领域的并联式多自由度假肢外骨骼踝关节，包括：包括：足底支撑板、仿人腿外套、上平台、下平台、第一主动支链导杆、第二主动支链导杆、第三主动支链导杆，其中：第一主动支链导杆的一端与上平台活动连接，另一端与下平台活动连接，第二主动支链导杆的一端与上平台活动连接，另一端与下平台活动连接，第三主动支链导杆的一端与上平台活动连接，另一端与下平台活动连接，足底支撑板由其两边的挡板和下平台固定连接，仿人腿外套与上平台固定连接。本发明机构刚性大，结构组成简单，稳定性好；满足人体踝关节灵活度的要求。

Description

并联式多自由度假肢外骨骼踝关节

技术领域

本发明涉及的是一种康复工程技术领域的装置，具体是一种并联式多自由度假肢外骨骼踝关节。

背景技术

近年来，由于交通事故、体育事故、工伤、战争等意外事故和人口老龄化造成的肢体残疾人的数量呈逐年增长趋势。在共建和谐社会的进程中，残疾人的身体身心健康得到了全社会的广泛关注，目前对病人进行康复训练的医疗设备的类型已有很多种。针对下肢残疾和瘫痪病人，传统的康复工具有拐杖、轮椅和假肢，这三种类型均为被动式的康复设备，病人使用不够方便，有时还需其他人帮助，假肢也得到了应用，但是在病人身上安装假肢首先需要截肢，许多患者从心理上难以接收。外骨骼假肢突破了传统康复工具的一般思路，将机器人主动控制技术和假肢“助走”技术相结合，通过设计灵巧的外骨骼假肢，佩戴于肢体残疾人身上进行步态康复训练。

目前在人体下肢步行外骨骼设计中，均采用串联机构构成髋关节、膝关节和踝关节。由于串联机构具有误差积累和放大效应，使得外骨骼假肢控制不稳定，甚至产生随机振动，不利于病人康复训练，达不到人体下肢正常步态行走的目的。同时，从生理学和人体康复医学的角度来看，人体下肢髋关节具有三个自由度，能在三个面上活动，实现前屈、后伸、外展、内收、内旋和外旋六种动作；膝关节除了前伸、后屈的单自由度转动外，和小腿结合还可以实现内旋、外旋运动；踝关节具有两个自由度，可实现背屈、跖屈、内翻、外翻运动，明显，串联机构一般为单自由度机构，很难满足人体如此复杂的运动要求。因此，为了实现对外骨骼假肢的稳定性控制，从仿生学上角度达到人体关节多运动动作的目的，设计多自由度的单关节外骨骼机构极具发展前景。

并联机构形式多样，一般3自由度并联机构包括3-RPS并联机构，即由3个运动链同时将运动平台联到机架，每个分支由一个转动副R，一个移动副P和一个球面副S组成串联运动链。一般情况，中间的移动副的轴线可以不与下面的转动副的轴线正交，机构的3个基面转动副的轴线是关于中心呈切向分布的，上下平台是两个等边三角形。分析3-RPS并联机构的特点可知，通过改变三驱动杆的杆长，动平台可实现绕x轴和y轴的转动，同时还能实现沿z轴的平移，该机构的转动中心位于动平台上。并联机构以其特有的特点和优势已在工业生产中有一定的应用，但在机器人领域还鲜有应用。

经对现有技术文献的检索发现，中国发明专利申请号为200410053695.6，专利名称为“一种可穿戴式的下肢步行外骨骼”，该外骨骼是由腰部支撑、髋部四杆机构、膝盖四杆机构、脚踝四杆机构和足底支撑依次串连构成，均由液压缸驱动机构运动，不可避免该串联式外骨骼机构具有以上分析的很多缺点，同时由于采用液压缸驱动，需要提供液压源，机构定位精度不高，在实际运用中很难达到稳定控制的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种并联式多自由度假肢外骨骼踝关节，使其将并联机构引入外骨骼关节设计中，并用于患者进行关节康复训练，该并联关节不仅完全实现踝关节两个自由度转动的要求，而且控制技术成熟，机构简单，实现方便。

本发明是通过如下技术方案实现的，本发明包括：上平台、下平台、足底支撑板、第一主动支链导杆、第二主动支链导杆、第三主动支链导杆、仿人腿外套，其中：第一主动支链导杆、第二主动支链导杆、第三主动支链导杆的一端均与上平台活动连接，第一主动支链导杆、第二主动支链导杆、第三主动支链导杆的另一端均与下平台活动连接，足底支撑板由其两边的挡板和下平台固定连接，仿人腿外套与上平台固定连接。

所述的第一主动支链导杆均包括：第一伺服电机、第一连轴器、第一前轴承支撑座、第一滚珠丝杆、第一螺钉、第一滚珠螺母、第一后轴承支撑座、第一轴承、第一行程开关、第一L型支撑板、第一滚珠螺母座、第一线性滑块、第一直线导轨、第一角接触轴承、第一电机座，其中：第一伺服电机的输出轴通过第一连轴器与第一滚珠丝杆一端连接，第一伺服电机固定在第一电机座上，第一电机座与第一前轴承支撑座固接，安装在第一前轴承支撑座的端面，第一滚珠丝杆两端通过第一轴承和第一角接触轴承支撑，第一轴承和第一角接触轴承分别安装在第一后轴承支撑座和第一前轴承支撑座上，第一前轴承支撑座、第一后轴承支撑座均固定在第一L型支撑板上，第一滚珠螺母与第一滚珠丝杆通过螺纹配合，第一滚珠螺母与第一滚珠螺母座通过第一螺钉相固接，第一滚珠螺母座的侧面和第一线性滑块连接，第一直线导轨安装在第一L型支撑板的侧面，第一L型支撑板、第一滚珠螺母座、第一线性滑块和第一直线导轨连接后形成长方形空间，第一行程开关安装于第一L型支撑板的侧面，处于长方形空间内，用于检测滚珠螺母所处位置，保护整个装置以免与第一前轴承支撑座、第一后轴承支撑座相碰。

所述的第二主动支链导杆，包括：第二伺服电机、第二连轴器、第二前轴承支撑座、第二滚珠丝杆、第二螺钉、第二滚珠螺母、第二后轴承支撑座、第二轴承、第二行程开关、第二L型支撑板、第二滚珠螺母座、第二线性滑块、第二直线导轨、第二角接触轴承、第二电机座，上述部件和第一主动支链导杆的各个部件的连接关系相同。

所述第三主动支链导杆，包括：第三滚珠螺母座、第三前轴承支撑座、同步齿形带、第一同步带轮、第二同步带轮、第三伺服电机、第三电机座、第三滚珠丝杆、第三滚珠螺母、第三后轴承支撑座、第三轴承、第三行程开关、第三L型支撑板、第三线性滑块、第三直线导轨、第三角接触轴承，其中：第三伺服电机固定在第三电机座上，第三电机座固定在第三前轴承支撑座的端面，第三滚珠丝杆两端通过第三轴承和第三角接触轴承支撑，第三轴承和第三角接触轴承分别安装在第三后轴承支撑座和第三前轴承支撑座上，第三前轴承支撑座、第三后轴承支撑座均固定在第三L型支撑板上，第三滚珠螺母与第三滚珠丝杆通过螺纹配合，构成螺旋运动副，第三滚珠螺母与第三滚珠螺母座相固接，第三滚珠螺母座的侧面和第三线性滑块连接，第三球关节轴承与第三前轴承支撑座固接，固定在第三前轴承支撑座的外侧，第三直线导轨安装在第三L型支撑板的侧面，第三L型支撑板、第三滚珠螺母座、第三线性滑块和第三直线导轨连接后形成长方形空间，第三伺服电机输出轴和第一同步带轮连接，第二同步带轮和第三滚珠丝杆连接，同步齿形带分别连接第一同步带轮和第二同步带轮，实现第三主动支链导杆从第三伺服电机到第三滚珠丝杆的传动，第三行程开关安装于第三L型支撑板的侧面，处于长方形空间内，用于检测第三滚珠螺母所处位置，保护整个装置以免与第三前轴承支撑座、第三后轴承支撑座相碰。

所述第一主动支链导杆、第二主动支链导杆、第三主动支链导杆通过转动副与上平台铰接。

所述转动副为圆柱销。

所述第一主动支链导杆、第二主动支链导杆、第三主动支链导杆通过球运动副与下平台铰接。

所述球运动副为球关节轴承，各球关节轴承分别与第一主动支链导杆、第二主动支链导杆、第三主动支链导杆和下平台固接。

所述球关节轴承通过螺纹孔与下平台、第一主动支链导杆、第二主动支链导杆、第三主动支链导杆固接。

本实施例工作时，对于一根主动支链导杆，由伺服电机带动滚珠丝杆转动，从而使滚珠螺母沿滚珠丝杆产生前后移动，最终使与主动支链导杆连接的两端点间的距离发生变化，三根主动支链导杆的工作过程相同，通过调节连接三条主动支链导杆的两端点的距离，实现对机构上平台、下平台相对位置关系的控制调节。

本发明的结构具有三个自由度，实现踝关节背屈、跖屈、内翻、外翻运动，同时机构高度可调，能满足不同身高的佩戴者的需求。人体踝关节可实现屈伸和侧翻两种运动，通过屈肌、伸肌、内翻肌和外翻肌共四大肌肉群的拉伸动作来实现踝关节的屈、伸、内翻和外翻运动，本发明的并联机构的工作原理与其相似。本发明装置仿照人体关节设计，采用3-RPS并联机构。由于并联机构具有刚度大，结构稳定的特点，可以避免串联机构的误差积累和放大效应，误差小而精度高，同时机构的反解较串联机构容易，更利于机器人的实时计算和控制，机构形式多样，因此，将并联机构应用于有较高灵活度要求的多自由度外骨骼机器人关节的设计中，具有重要的现实意义。

因此采用并联式外骨骼踝关节与现有技术相比，具有如下有益效果：(1)本发明机构刚性大，结构组成简单，稳定性好；(2)本发明中各驱动支链导杆之间、机构与人体之间没有干涉；(3)本发明能满足人体踝关及灵活度的要求，同时机构运动空间与人体踝关节空间吻合，机构的转动中心偏移较小，满足人体踝关节转动要求。

附图说明

图1是3-RPS并联机构简图；

图2是本发明外骨骼并联式踝关节结构示意图，图(a)为侧面示意图，图(b)正面示意图；

图3是第一主动支链导杆示意图；

图4是第三主动支链导杆示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例选择3-RPS结构构型，3-RPS结构的示意图如图1所示，静平台1上三点分别为A₁、A₂、A₃，动平台2上三点分别为a₁、a₂、a₃，静平台1的三个转动副分别为

三驱动杆杆长分别为L₁、L₂、L₃，动平台2和静平台1的三个运动副分别构成两等腰三角形，对于单支链的驱动杆，一端通过转动副和静平台1连接，另一端通过球铰与动平台2连接，同时该驱动杆垂直于转动副。分析3-RPS并联机构的特点可知，通过改变三驱动杆的杆长，动平台2可实现绕x轴和y轴的转动，同时还能实现沿z轴的平移，此外该机构的转动中心位于动平台上，对于等腰三角形，则转动中心位于中轴线上。

本实施例在3-RPS结构的基础上，根据人体踝关节的运动特点和生理要求，对机构的各关键尺寸进行了优化设计，使其能实现踝关节背屈、跖屈、内翻、外翻运动，并在运动空间和运动特性上都与人体踝关节相类似。

如图2所示，本实施例包括：上平台3、下平台4、足底支撑板5、第一主动支链导杆6、第二主动支链导杆7、第三主动支链导杆8、仿人腿外套11，其中：第一主动支链导杆6、第二主动支链导杆7、第三主动支链导杆8的一端均与上平台3活动连接，第一主动支链导杆6、第二主动支链导杆7、第三主动支链导杆8的另一端均与下平台4活动连接，足底支撑板5由其两边的挡板和下平台4固定连接，仿人腿外套11与上平台3固定连接。

所述第一主动支链导杆6、第二主动支链导杆7、第三主动支链导杆8分别通过第一圆柱销101、第二圆柱销102、第三圆柱销103与上平台3连接。

所述第一主动支链导杆6、第二主动支链导杆7、第三主动支链导杆8分别通过第一球关节轴承901、第二球关节轴承902、第三球关节轴承903与下平台4连接。

如图3所示，所述的第一主动支链导杆6，包括：第一伺服电机12、第一连轴器13、第一前轴承支撑座14、第一滚珠丝杆15、第一螺钉16、第一滚珠螺母17、第一后轴承支撑座18、第一轴承19、第一行程开关20、第一L型支撑板21、第一滚珠螺母座22、第一线性滑块23、第一直线导轨24、第一角接触轴承25、第一电机座26，其中：第一伺服电机12的输出轴通过第一连轴器13与第一滚珠丝杆15一端连接，第一伺服电机12固定在第一电机座26上，第一电机座26与第一前轴承支撑座14固接，安装在第一前轴承支撑座14的端面，第一滚珠丝杆15两端通过第一轴承19和第一角接触轴承25支撑，第一轴承19和第一角接触轴承25分别安装在第一后轴承支撑座18和第一前轴承支撑座14上，第一前轴承支撑座14、第一后轴承支撑座18均固定在第一L型支撑板21上，第一滚珠螺母17与第一滚珠丝杆15通过螺纹配合，第一滚珠螺母17与第一滚珠螺母座22通过第一螺钉16相固接，第一滚珠螺母座22的侧面和第一线性滑块23连接，第一直线导轨24安装在第一L型支撑板21的侧面，第一L型支撑板21、第一滚珠螺母座22、第一线性滑块23和第一直线导轨24连接后形成长方形空间，第一行程开关20安装于第一L型支撑板21的侧面，处于长方形空间内，用于检测第一滚珠螺母17所处位置，保护整个装置以免与第一前轴承支撑座14、第一后轴承支撑座18相碰。

所述的第二主动支链导杆7，包括：第二伺服电机、第二连轴器、第二前轴承支撑座、第二滚珠丝杆、第二螺钉、第二滚珠螺母、第二后轴承支撑座、第二轴承、第二行程开关、第二L型支撑板、第二滚珠螺母座、第二线性滑块、第二直线导轨、第二角接触轴承、第二电机座，上述部件和第一主动支链导杆6的各个部件的连接关系相同。

所述第一主动支链导杆6和第二主动支链导杆7分别通过各自的滚珠螺母座由第一球关节轴承901、第二球关节轴承902与下平台4活动连接。

如图4所示，所述第三主动支链导杆8，包括：第三滚珠丝杆27、第三滚珠螺母28、第三滚珠螺母座29、第三线性滑块30、第三直线导轨31、第三前轴承支撑座32、第三角接触轴承33、第二同步带轮34、同步齿形带35、第一同步带轮36、第三电机座37、第三伺服电机38、第三L型支撑板39、第三行程开关40、第三轴承41、第三后轴承支撑座42，其中：第三伺服电机38固定在第三电机座37上，第三电机座37固定在第三前轴承支撑座32的端面，第三滚珠丝杆27两端通过第三轴承41和第三角接触轴承33支撑，第三轴承41和第三角接触轴承33分别安装在第三后轴承支撑座42和第三前轴承支撑座32上，第三前轴承支撑座32、第三后轴承支撑座42均固定在第三L型支撑板39上，第三滚珠螺母28与第三滚珠丝杆27通过螺纹配合，构成螺旋运动副，第三滚珠螺母28与第三滚珠螺母座29相固接，第三滚珠螺母座29的侧面和第三线性滑块30连接，第三球关节轴承903与第三前轴承支撑座32固接，固定在第三前轴承支撑座32的外侧，第三直线导轨31安装在第三L型支撑板39的侧面，第三L型支撑板39、第三滚珠螺母座29、第三线性滑块30和第三直线导轨31连接后形成长方形空间，第三伺服电机38输出轴和第一同步带轮36连接，第二同步带轮34和第三滚珠丝杆27连接，同步齿形带35分别连接第一同步带轮36和第二同步带轮34，实现第三主动支链导杆8从第三伺服电机38到第三滚珠丝杆27的传动，第三行程开关40安装于第三L型支撑板39的侧面，处于长方形空间内，用于检测第三滚珠螺母28所处位置，保护整个装置以免与第三前轴承支撑座32、第三后轴承支撑座42相碰。

所述第三主动支链导杆8通过第三滚珠螺母座29由第三球关节轴承903与下平台4活动连接。

所述第一球关节轴承901、第二球关节轴承902、第三球关节轴承903分别与第一主动支链导杆6、第二主动支链导杆7、第三主动支链导杆8采用螺纹孔固接方式和下平台4固接。

本实施例工作时，对于第一主动支链导杆6，由伺服电机12带动连轴器13转动，然后带动滚珠丝杆15转动，从而使滚珠螺母17沿滚珠丝杆15产生前后移动，最终使与第一主动支链导杆6连接的两端点间的距离发生变化，第二主动支链导杆7的工作过程相同，对于第三主动支链导杆8，由第三伺服电机38带动第一同步带轮36转动，然后经过同步齿形带35传动，带动第二同步带轮34转动，从而带动第三滚珠丝杆27转动，从而使第三滚珠螺母座29沿第三滚珠丝杆27产生前后移动，最终使与第三主动支链导杆8连接的两端点的相对位置发生变化。通过调节连接三条主动支链导杆的两端点的相对位置关系，实现对机构上平台3、下平台4相对位置关系的控制调节。

本实施例结构具有三个自由度，实现踝关节背屈、跖屈、内翻、外翻运动，同时机构高度可调，能满足不同身高的佩戴者的需求。人体踝关节可实现屈伸和侧翻两种运动，通过屈肌、伸肌、内翻肌和外翻肌共四大肌肉群的拉伸动作来实现踝关节的屈、伸、内翻和外翻运动，本实施例的并联机构的工作原理与其相似。本实施例装置仿照人体关节设计，采用3-RPS并联机构。

Claims (9)

1、一种并联式多自由度假肢外骨骼踝关节，包括：足底支撑板、仿人腿外套，其特征在于，还包括：上平台、下平台、第一主动支链导杆、第二主动支链导杆、第三主动支链导杆，其中：第一主动支链导杆、第二主动支链导杆、第三主动支链导杆的一端均与上平台活动连接，第一主动支链导杆、第二主动支链导杆、第三主动支链导杆的另一端均与下平台活动连接，足底支撑板由其两边的挡板和下平台固定连接，仿人腿外套与上平台固定连接。

2、根据权利要求1所述的并联式多自由度假肢外骨骼踝关节，其特征是，所述的第一主动支链导杆包括：第一伺服电机、第一连轴器、第一前轴承支撑座、第一滚珠丝杆、第一螺钉、第一滚珠螺母、第一后轴承支撑座、第一轴承、第一行程开关、第一L型支撑板、第一滚珠螺母座、第一线性滑块、第一直线导轨、第一角接触轴承、第一电机座，其中：第一伺服电机的输出轴通过第一连轴器与第一滚珠丝杆一端连接，第一伺服电机固定在第一电机座上，第一电机座与第一前轴承支撑座固接，安装在第一前轴承支撑座的端面，第一滚珠丝杆两端通过第一轴承和第一角接触轴承支撑，第一轴承和第一角接触轴承分别安装在第一后轴承支撑座和第一前轴承支撑座上，第一前轴承支撑座、第一后轴承支撑座均固定在第一L型支撑板上，第一滚珠螺母与第一滚珠丝杆通过螺纹配合，第一滚珠螺母与第一滚珠螺母座通过第一螺钉相固接，第一滚珠螺母座的侧面和第一线性滑块连接，第一直线导轨安装在第一L型支撑板的侧面，第一L型支撑板、第一滚珠螺母座、第一线性滑块和第一直线导轨连接后形成长方形空间，第一行程开关安装于第一L型支撑板的侧面，处于长方形空间内。

3、根据权利要求1所述的并联式多自由度假肢外骨骼踝关节，其特征是，所述的第二主动支链导杆和第一主动支链导杆结构完全相同。

4、根据权利要求1所述的并联式多自由度假肢外骨骼踝关节，其特征是，所述第三主动支链导杆，包括：第三滚珠螺母座、第三前轴承支撑座、同步齿形带、第一同步带轮、第二同步带轮、第三伺服电机、第三电机座、第三滚珠丝杆、第三滚珠螺母、第三后轴承支撑座、第三轴承、第三行程开关、第三L型支撑板、第三线性滑块、第三直线导轨、第三角接触轴承，其中：第三伺服电机固定在第三电机座上，第三电机座固定在第三前轴承支撑座的端面，第三滚珠丝杆两端通过第三轴承和第三角接触轴承支撑，第三轴承和第三角接触轴承分别安装在第三后轴承支撑座和第三前轴承支撑座上，第三前轴承支撑座、第三后轴承支撑座均固定在第三L型支撑板上，第三滚珠螺母与第三滚珠丝杆通过螺纹配合，构成螺旋运动副，第三滚珠螺母与第三滚珠螺母座相固接，第三滚珠螺母座的侧面和第三线性滑块连接，第三球关节轴承与第三前轴承支撑座固接，固定在第三前轴承支撑座的外侧，第三直线导轨安装在第三L型支撑板的侧面，第三L型支撑板、第三滚珠螺母座、第三线性滑块和第三直线导轨连接后形成长方形空间，第三伺服电机输出轴和第一同步带轮连接，第二同步带轮和第三滚珠丝杆连接，同步齿形带分别连接第一同步带轮和第二同步带轮，实现第三主动支链导杆从第三伺服电机到第三滚珠丝杆的传动，第三行程开关安装于第三L型支撑板的侧面，处于长方形空间内。

5、根据权利要求1所述的并联式多自由度假肢外骨骼踝关节，其特征是，所述第一主动支链导杆、第二主动支链导杆、第三主动支链导杆通过转动副与上平台铰接。

6、根据权利5要求所述的并联式多自由度假肢外骨骼踝关节，其特征是，所述转动副为圆柱销。

7、根据权利要求1所述的并联式多自由度假肢外骨骼踝关节，其特征是，所述第一主动支链导杆、第二主动支链导杆、第三主动支链导杆通过球运动副与下平台铰接。

8、根据权利要求7所述的并联式多自由度假肢外骨骼踝关节，其特征是，所述球运动副为球关节轴承，各球关节轴承分别与第一主动支链导杆、第二主动支链导杆、第三主动支链导杆和下平台固接。

9、根据权利要求8所述的并联式多自由度假肢外骨骼踝关节，其特征是，所述球关节轴承通过螺纹孔与下平台、第一主动支链导杆、第二主动支链导杆、第三主动支链导杆固接。

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