CN103211670B - 一种助力型外骨骼用踝关节联结装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种助力型外骨骼用踝关节联结装置,应用于外骨骼的小腿和传感靴之间连接的踝关节联，横向销轴（1）将小腿（11）下端、锥套（7）、具有三个旋转自由度的关节轴承（9）和立轴（2）串连实现小腿下端与关节轴承和立轴连接可以实现外骨骼对于人体踝关节三个旋转自由度的模拟；同时设置有减震橡胶和复位橡胶，实现缓冲吸能作用，并能为外骨骼踝关节的转定提供额外的弹性复位力，增强人机稳定性；通过销轴与小腿进行连接，通过螺栓实现与传感靴的连接，能够顺利地实现载荷的传递。

Description

一种助力型外骨骼用踝关节联结装置

技术领域

本发明涉及机械人结构，尤其涉及一种用于助力型外骨骼的实现小腿和传感靴稳定连接，在保证关节处三个旋转自由度的同时且能可靠承载的踝关节联结装置。

背景技术

在外骨骼的研究领域中，人体与外骨骼之间的协调运动是研究的重点之一。依据人体骨骼和关节结构的构成，为实现人机间的运动一致，外骨骼必须模拟人体结构设置相应的骨骼，而且关节结构应与人体一致，包含有髋关节、膝关节和踝关节。踝关节是外骨骼传递载荷的关键环节，不仅要传递载荷，而且运动自由度应与人体一致，需要有三个旋转自由度。

对于人机携行系统中的外骨骼结构而言，其主要功能在代替人体承受垂向载荷，因此外骨骼和人体之间必须通过连接装置紧紧连接在一起。这样在人机携行期间，负重随人体运动的速度和加速度会造成振动和冲击现象。当人机携行行走时，在支撑相和摆动相的周期运动中，人机质心有一个上下起伏的运动特征，在起或沉的阶段，负重都会由加速度引起动载荷，并随人机质心曲线反复作用于外骨骼，随着行走速度的增加，步频的加快和步幅的增大，此动载荷作用周期的频率也会增加，幅值会变大，造成对外骨骼的振动冲击。

通过对外骨骼可能受到的振动和冲击作用的分析，以及对人机间协调性的影响，要求外骨骼的小腿和传感靴之间的联结装置的设计既要能满足承载要求，又要能实现踝关节的三个运动自由度，满足人机运动协调性的要求；同时外骨骼踝关节处空间狭窄，很难在此处设置动力装置，因此在踝关节的结构设计中必须设置弹性复位装置。

在目前的外骨骼机械结构的研究中，重点集中在整体结构的设计和强度、刚度分析，而往往忽略了关节自由度的设置和约束，特别是踝关节的自由度的设计、被动复位装置的设置和隔震装置的设计。从公布的研究成果来看，踝关节通常被设计为只有一个人体矢状面内的旋转自由度，没有额状面和横断面内的自由度，导致人体穿戴外骨骼后不能实现侧身、转腰等动作；而且在崎岖的路面运动时，踝关节在额状面内的受力很集中，导致关节销轴局部应力很大；同时也没有考虑人机运动过程中的隔震和弹性复位等装置。

发明内容

鉴于现有技术的以上不足，本发明的目的是提供一种新的用于助力型外骨骼的踝关节联结装置，通过在联结装置中设置关节轴承实现关节的三个旋转自由度，保证人机之间的运动协调和可靠承载；在联结装置中设置隔震橡胶降低负重在人机运动期间对外骨骼造成的冲击载荷，实现缓冲吸能作用；同时在装置中设置复位橡胶，使得小腿与传感靴之间发生相对转动时，能为外骨骼提供额外的弹性复位力，可以增强负重的稳定性，利于人机重心的平衡，提高人机运动的协调性。

本发明所采用的技术方案是：

一种助力型外骨骼用踝关节联结装置，实现外骨骼小腿与传感靴的连接，横向销轴1将小腿11下端、锥套7、具有三个旋转自由度的关节轴承9和立轴2串连实现小腿下端与关节轴承和立轴连接；关节轴承置于立轴2上端的通孔内，关节轴承旋转中心为外骨骼踝关节的原点；在立轴外沿和小腿下端的内腔之间设置有当关节转动时橡胶被压缩产生弹性复位力的复位橡胶3；在立轴2和支撑座5之间设置隔震橡胶4；支撑座5的内部为空腔结构，上端具有通孔,立轴2下端的外螺纹柱穿过该通孔后由防松螺母10将立轴、隔震橡胶和支撑座实现连接。

采用本发明的结构，通过螺栓将装置中的支撑座与传感靴进行连接，通过横向销轴实现立轴与小腿下端的连接；将关节轴承置于立轴上端的通孔内，作为踝关节转动原点，实现三个旋转自由度，通过孔用挡圈实现轴承的轴向定位，通过锥套限制立轴相对于小腿的轴向位移，通过锁紧螺母使得立轴和支撑座可靠连接；在立轴和支撑座之间设置隔震橡胶，起到减震的作用；在立轴外圆和小腿下端的内腔之间设置复位橡胶，为踝关节提供弹性复位力；外骨骼垂向载荷通过小腿下端→横向销轴→关节轴承→立轴→减震橡胶→支撑座→传感靴的顺序向下传递，最终传递至地面。本发明踝关节联结装置在实现外骨骼踝关节的三个旋转自由度的同时，保证了人机之间的运动协调，并能降低负重在人机运动期间对外骨骼造成的冲击载荷，且可为在踝关节自身的转动中提供弹性复位力，增强负重的稳定性，利于人机重心的平衡。

附图说明

图1是外骨骼的踝关节联结装置的主视图。

图2为图1的A-A剖视图。

具体实施方式

结合图1和图2示出，本发明的一种实施例为：

在外骨骼小腿和传感靴之间设置的踝关节联结装置主要由下列零件构成：横向销轴1、立轴2、复位橡胶3、隔震橡胶4、支撑座5、孔用挡圈6、锥套7、轴用挡圈8、关节轴承9、锁紧螺母10。支撑座内部为空腔结构，下端面的凸台内部为内螺纹，用于实现与传感靴的连接；隔震橡胶位于支撑座顶端的沉孔内，依次往上为立轴和复位橡胶，立轴下端为外螺纹柱，伸入支撑座的内腔，通过锁紧螺母与支撑座可靠连接；立轴上端设有一通孔，用于安装关节轴承，通过关节轴承实现踝关节的三个旋转自由度，关节轴承外圈最外圆两端面各设置一个孔用挡圈，限制关节轴承在孔内的轴向位移，关节轴承内圈两端面各设置一只锥套，限制小腿相对于立轴的轴向位移；通过横向销轴将小腿下端与关节轴承和立轴实现连接，横向销轴末端设置轴用挡圈，实现销轴的轴向定位；外骨骼垂向载荷沿着小腿下端→横向销轴→关节轴承→立轴→减震橡胶→支撑座→传感靴的顺序向下传递，最终传递至地面。

安装时首先将隔震橡胶4置入支撑座5顶端面的沉孔内，再依次装入立轴2和复位橡胶3，立轴下端为外螺纹柱，伸入支撑座的内腔，通过锁紧螺母9与支撑座可靠连接；立轴上端设有一通孔，将关节轴承9置于通孔内。

本发明踝关节联结装置的工作过程：

结合图1可以看到，在踝关节联结装置中实现与小腿连接的是横向销轴1，通过横向销轴将小腿下端、锥套7、关节轴承9和立轴2串连在一根轴上，使得载荷能够向下传递；在立轴与横向销轴之间设置有关节轴承9，轴承位于立轴2上端的通孔内，通过孔用挡圈6进行轴向固定，关节轴承可实现三个旋转自由度，轴承旋转中心就是外骨骼踝关节的原点；为了能在踝关节的转动过程中为关节的复位提供支撑力，在立轴外圆和小腿下端的内腔之间设置复位橡胶3，当关节转动时橡胶被压缩产生弹性复位力，可依靠此力实现关节的复位；在立轴和支撑座之间设置隔震橡胶4，隔震橡胶的外缘与小腿下端的内腔面为过盈配合；支撑座5的内部为空腔结构，立轴下端为外螺纹柱，通过防松螺母将立轴、隔震橡胶和支撑座进行可靠连接；支撑座下端面设有四个小凸台，凸台内部为内螺纹孔，通过螺栓可将支撑座与传感靴可靠连接。

通过这种在助力型外骨骼的小腿和传感靴之间设置踝关节联结装置的方式，可以实现外骨骼对于人体踝关节三个旋转自由度的模拟，达到人机运动协调的目的；减震橡胶的设置可降低负重在人机运动期间对外骨骼造成的冲击载荷，实现缓冲吸能作用；同时设置复位橡胶，使得小腿与传感靴之间发生相对转动时，能为外骨骼提供额外的弹性复位力，可以增强负重的稳定性，利于人机重心的平衡，提高人机运动的协调性；通过踝关节联结装置可将小腿和传感靴可靠地进行连接，并能在满足运动约束的条件下，实现载荷顺利地传递。

Claims (4)

1.一种助力型外骨骼用踝关节联结装置，实现外骨骼小腿与传感靴的连接，其特征在于,横向销轴(1)将小腿(11)下端、锥套(7)、具有三个旋转自由度的关节轴承(9)和立轴(2)串连实现小腿下端与关节轴承和立轴连接；关节轴承置于立轴(2)上端的通孔内，关节轴承旋转中心为外骨骼踝关节的原点；在立轴外沿和小腿下端的内腔之间设置有当关节转动时橡胶被压缩产生弹性复位力的复位橡胶(3)；在立轴(2)和支撑座(5)之间设置隔震橡胶(4)；支撑座(5)的内部为空腔结构，上端具有通孔,立轴(2)下端的外螺纹柱穿过该通孔后由防松螺母(10)将立轴、隔震橡胶和支撑座实现连接。

2.根据权利要求1所述的助力型外骨骼用踝关节联结装置，其特征在于,轴承最外沿两端面各设置一个孔用挡圈(6)，实现关节轴承在立轴上端通孔内的左右横移自由度约束；轴承内沿两端面各设置一只锥套(7)，通过横向销轴(1)将小腿下端与关节轴承和立轴实现连接，横向销轴(1)末端设置有轴用挡圈(8)，实现销轴的轴向定位。

3.根据权利要求1所述的助力型外骨骼用踝关节联结装置，其特征在于,所述复位橡胶的外缘与小腿下端的内腔面为过盈配合。

4.根据权利要求1所述的助力型外骨骼用踝关节联结装置，其特征在于，所述支撑座(5)的下端面设置有四个小凸台，凸台内部为内螺纹孔，通过螺栓可将支撑座与传感靴可靠连接。