CN105120821B - 机械连接结构 - Google Patents

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Abstract

一种连接结构(100、200)，具有多个小角度连接件(114、116；208、212)，所述多个小角度连接件的旋转轴线交汇于同一个点，从而允许在不改变作用力(F)的作用点的情况下使受力目标移动。

Description

机械连接结构
技术领域
本发明涉及一种机械连接结构。更具体地，本发明涉及万向节形式的连接结构，用于在两个点之间传送力，同时还允许受力对象在选定的自由度之内有限度地移动。
背景技术
在机械系统中，经常需要在促动器和受力对象之间传递力。特别地，经常需要把力应用在现实中无法到达的“虚点”上。
例如，在供神经障碍的受害者使用的康复机器人的领域中，促动器需要能够同时提供促动力和支持力，以便移动和支持病人的肢体。这些动作可以例如通过使用一端连接到促动器，而另一端连接到使用者的肢体例如手臂或腿上的连杆来完成。
所述连杆和使用者肢体之间的连接可以通过多种手段实现。例如，连杆可以被固定地连接到围绕着肢体固定的绑带或支持物上。这种连接方式不允许连杆和肢体之间有任何自由的运动，这样肢体在所有六个自由度内的运动都依赖于连杆的运动。
上述情况在康复中会带来相应的问题。本发明的一个目标是让使用者向自我支持的运动发展，而且允许一些运动是有益的，因为运动自由的感觉会激励使用者去继续练习控制自己的肢体。
球形关节或万向节可以被设置在连杆和绑带之间，然而这样只能在关于所述物理关节的中心的两个旋转自由度之内提供自由活动功能。在将力量施加到关节，例如踝关节上的情况下，这种设置可能存在问题，因为一旦踝关节相对于上述球形关节发生旋转，来自连杆的作用力的作用线的方向将不再与踝关节的转动中心重合。这种状况是不理想的，因为它会在踝关节上产生力矩，阻止踝关节移回到标称的对准位置，从而还会阻止使用者纠正他们的步态的尝试。
目前需要一种连接结构，其允许力从促动器传输到受力对象，但是尽量减少对受力对象的自由旋转的限制。
本发明的一个目的是克服，或者至少减轻上面提到的这些问题。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种用来将力从施力者传递到受力对象的组件，所述组件包括：
施力者；
受力对象；
用于将力从所述施力者传递到所述受力对象的连接结构，所述连接结构包括第一连接件和第二连接件；
所述第一连接件包括具有第一连接轴线的第一旋转接头，以及具有第二连接轴线的第二旋转接头；所述第一连接轴线和第二连接轴线相对于彼此形成第一连接角，所述第一连接件可枢转地连接到所述受力对象上，以便围绕所述第一连接轴线旋转；以及
所述第二连接件包括具有第三连接轴线的第三旋转接头，以及具有第四连接轴线的第四旋转接头；所述第三连接轴线和第四连接轴线相对于彼此形成第二连接角，所述第二连接件可枢转地连接到所述第一连接件上，使得所述第二连接轴线与第三连接轴线重合；所述第二连接件还可枢转地安装在所述第四连接轴线上，用于传递来自所述施力者的力；
其中所述第一连接轴线、第二连接轴线、第三连接轴线、第四连接轴线相交于同一个预定点，使得所述受力对象可以通过所述连接结构的关节结构围绕所述预定点转动；
其中所述第一连接角和第二连接角的角度都小于45度。
优选地，上述类似万向节的机构允许力被所述施力者施加到所述预定点上。所述受力对象可以通过关节结构与所述连接结构连接，以便相对于所述预定点运动，但是重要的是，在所述连接结构以关节形式运动的期间，所述力仍然维持着通过所述预定点起作用的状态。因此，力可以被施加在理想的方向上，并且在所述力并未发生扭曲，或者并没有产生不需要的转矩时也可以允许所述受力对象进行运动。小角度连接件(其角度小于45度)的应用允许合理的运动范围，同时也保持了结构的紧凑。优选地，由于上述原因，所述连接件的内角之和应该小于90度。所述角度可以被选择，以便提供理想的有限运动范围，例如用来在康复机器人中防止关节结构太松。
优选地，所述施力者是由促动器，例如线性驱动器，或者优选为具有曲柄的旋转驱动器驱动的推拉杆。
如上所述，优选地，所述推拉杆和所述促动器用于通过所述预定点施加力量。
优选地，所述旋转接头由开设在所述连接件中，并且有常规的转轴穿过其中的钻孔定义出来。
优选地，每个所述连接件包括主体，所述主体具有中间部分、第一端部和与第一端部相反的第二端部，所述第一端部和第二端部相对于所述中间部分形成一定角度。这样所述连接件的旋转接头可以被设置成与对应的端部正交，使得所述主体的上述各个部分之间形成夹角以提供所述连接角。
优选地，所述连接件由大致为管状的部件，例如挤压管材构成，这样使得所述连接件重量较轻。
所述连接结构可以包括第三连接件，所述第三连接件包括具有第五连接轴线的第五旋转接头、以及具有第六连接轴线的第六旋转接头；所述第五连接轴线和第六连接轴线相对于彼此形成第三连接角，所述第三连接件可枢转地连接到所述第二连接件上，使得所述第二连接轴线和第三连接轴线重合，所述第三连接件还可枢转地安装在所述第六连接轴线上，用于传递来自所述施力者的力。所述连接结构还可以包括多于三个的连接件。
本发明还提供一种康复器械，其包括如上述第一方面所述的连接结构，其中所述受力对象是人体的一部分的支撑物，例如腿部、手臂或躯干的支撑物。
优选地，所述人体的一部分的支撑物用于容纳人体的接近关节的部分，从而将所述关节的旋转轴线对准所述连接结构的所述预定点。
更加优选地，所述人体的一部分的支撑物用于容纳人体的接近关节的部分，从而将所述关节的旋转中心对准所述连接结构的所述预定点。
所述施力者可以被用于在第一方向上施力，其中所述第一连接轴线被定向至与所述施力者施加的力形成80到100度的角度。优选地，所述第一连接轴线被定向至与所述施力者施加的力形成90度的角度.
优选地，所述支撑物为脚部支撑物，使用中，所述施力者用于在使用者的前后方向上施力。
优选地，使用中，所述第一连接件在所述使用者的脚部的侧面连接到所述支撑物上。
附图说明
现在将结合附图对根据本发明的一种作为示例的连接结构进行描述，其中：
图1是根据本发明的包括第一连接结构的步态训练组件的一部分的立体示意图；
图2是图1中的连接结构的一个部件的细节示意图；
图3是图1中的连接结构的立体示意图；
图4是图1中的连接结构的侧视图；
图5a和5b是根据本发明的第二连接结构的示意图；
图6a和6b是图5a和5b中的连接结构在第二视角下的示意图；
图7a和7b是图5a和5b中的连接结构在第三视角下的示意图；
图8是步态康复机器人的用于踝关节自由度的工作空间和移动范围的示意图表；
图9是步态康复机器人的用于躯体自由度的工作空间和移动范围的示意图表；
图10是根据本发明的包括第三连接结构的步态训练组件的另一个部分的立体示意图。
具体实施方式
请参考图1，其中示出了一种步态训练组件100，其包括脚部支架102、推杆104、以及连接结构106。
所述脚部支架102包括用于支撑人脚(图未示)的底部的基板108，以及从基板108上垂直及竖直地延伸出来，用于支撑人脚外侧的侧板110。所述侧板110包括支撑件112，所述支撑件112设置在所述侧板110的外侧，也与所述基板108垂直地延伸。
图1示出了一个三维坐标系统，其具有轴线X0、Y0、Z0。所述脚部支架102被布置用来固定人脚，并且踝关节(为了简化分析过程，此处将踝关节设想成球形关节)的中心A位于所述三维坐标系统的中心。
所述推杆104具有主体部分105，所述主体部分105与促动器(图未示)连接，所述促动器被设置用来在大致平行于X0.的方向F上提供力。所述推杆104的一个端部107相对于主体部分105形成夹角α，如图3所示。
连接结构106包括第一连接件114和第二连接件116。本实施方式中的所述连接件114与116是相似的，这样在此仅需要参考图2对第一连接件114进行描述即可。
所述第一连接件114包括中空的棱柱形主体115，所述主体115具有中空的方形截面。所述第一连接件114设有第一末端124和第二末端132。所述主体115包括第一端部118、第二端部120、以及连接第一端部118与第二端部120的中间部分122。一对第一通孔128、130穿通邻近所述主体115的第一末端124的所述第一端部118。所述第一通孔128、130具有第一轴线126，所述第一轴线126与所述主体115的开设有所述通孔128、130的表面正交。相似地，一对第二通孔136、138穿通邻近所述主体115的第二末端132的所述第二端部120。所述第二通孔136、138具有第二轴线134，所述第二轴线134与所述主体115的开设有所述通孔138、136的表面正交。所述第一端部118和第二端部120相对于所述中间部分122都形成度数为Θ/2的夹角，使得所述第一轴线126和第二轴线134相对于彼此形成度数为Θ的夹角。
请参考图3，所述第一连接件114通过第一旋转接头138被连接到支撑件112，所述第一旋转接头138包括转轴，所述转轴插接在所述第一连接件114的相互对准的通孔128、130中。所述第一连接件114的第一轴线126被对准坐标轴Z0，使得所述第一连接件114可以相对于所述脚部支架102转动。
所述第二连接件116通过第二旋转接头140被连接到所述第一连接件114的第二端部120，所述第二旋转接头140允许所述第一连接件114和第二连接件116围绕相互对准的所述第一连接件114的第二轴线134与所述第二连接件116的第一轴线126′作相对于彼此的转动。
所述推杆104的端部107通过第三旋转接头142被连接到所述第二连接件116，以便可以围绕所述第二连接件116的第二轴线134′旋转。
在图3和图4所示的结构(也就是依次排列的连接件结构)中，所述第一连接件114和第二连接件116相对于所述第一轴线126跨越了一个度数为2Θ的角度。
请参考图5a及5b，其中示出了一种第二组件200的示意图，所述第二器械200的工作原理与所述第一组件100相同。所述第二组件200包括脚部支架202，用于支持人脚2。所述人脚2的踝关节与具有原点O的三维坐标系统X0、Y0、Z0重合。
一种连接结构204包括连接到所述脚部支架202上并具有第一轴线206(与图5a及5b中的轴线Z0重合)的第一接头。第一连接件208被连接成可以围绕所述第一轴线206旋转的方式，同时还被连接到具有第二轴线210的第二接头。第二连接件212被连接成可以围绕所述第二轴线210作相对于所述第一连接件208的旋转的方式，同时还被连接到具有第三轴线214的第三接头。这样所述第二连接件212就被可旋转地连接到推杆216。
所述第一轴线206、第二轴线210及第三轴线214相交于同一点，该交点与踝关节的原点O重合。因此，所述第一连接件208与第二连接件212就构成了类似万向节的机构，允许人脚2以被控制的方式运动。
图5a及5b中所示的人脚2处于站立的或静止的状态，并且像图中可以看到的那样，当力F沿着大致对准轴线X0的方向被施加到推杆216上时，它将会通过支架202向前推动人脚2。所述推杆216被配置成使得所述力F能够通过踝关节的旋转中心O起作用。因此，使用者不会在踝关节处感觉到任何扭力。
请转到图6a及6b，其中的人脚2受到了围绕竖直轴线Y0的度数为β的向内扭转，从而产生了新的脚部轴线X0′、Z0′，这两条轴线分别相对于对应的坐标轴线X0、Z0旋转了度数为β的角度。
由于具有所述第一轴线206的所述第一接头对所述支架202的约束，所述轴线206随着所述脚部轴线Z0′旋转了度数为β的角度。尽管情况如此，所述第一连接件208和第二连接件212构成的关节结构意味着所述推杆216(因此也包括所述第三轴线214)仍然会保持着相同的状态。因此，所述力F可以仍然被通过踝关节的原点O施加在相同的方向上。这样就使脚部在进行康复治疗的同时能够承受向外的扭转和向内的扭转。在行走时，使用者的脚踝会受到角度较小的内外扭转(这是很正常的)。通过允许进行此类扭转，就能够产生自然的步态，移动中不会受到不必要的限制。这样还存在着在不进行内外扭转的情况下将矫正力施加到脚踝上，例如增加步长，或者把脚部放置得更加朝向外侧的可能性。向外和向内的扭转不会导致任何没有与脚踝的原点O重合的力被施加在脚踝上。尤其地，没有任何与脚踝返回图5a及5b中所示的站立位置时的运动方向相反的力被施加在脚踝上。
应该注意的是，上述机构的运动范围受到所述第一连接件208与第二连接件212的夹角的限制。
请转到图7a及图7b，人脚2受到了围绕水平轴线X0的度数为γ的向内翻转，从而产生了新的脚部轴线Y0′、Z0′，这两条轴线分别相对于对应的坐标轴线Y0、Z0旋转了度数为γ的角度。
由于具有所述第一轴线206的所述第一接头对所述支架202的约束，所述轴线206随着所述脚部轴线Z0′旋转了度数为γ的角度。尽管情况如此，所述第一连接件208和第二连接件212构成的关节结构意味着所述推杆216(因此也包括所述第三轴线214)仍然会保持着相同的状态。因此，所述力F可以仍然被通过踝关节的原点O施加在相同的方向上。这样就使脚部在进行康复治疗的同时能够承受向内的翻转和向外的翻转。向内翻转和向外翻转不会导致任何没有与脚踝的原点O重合的力被施加在脚踝上。尤其地，没有任何与脚踝返回图5a及5b中所示的站立位置时的运动方向相反的力被施加在脚踝上。
同样地，应该注意的是，上述机构的运动范围受到所述第一连接件208与第二连接件212的夹角的限制。
如同图中所见的那样,所述第一连接件208被连接到所述支架202的连接点位于人脚2的侧面(与从人脚2后方朝前方作用的力F相反)。这样，所述连接结构204连接到所述支架202时的所述第一轴线206相对于作用力F的方向形成90度的交角。因此，所述夹角Θ小于45度(在本实施方式中为17度)。这样就为人脚2提供了合理的运动程度，同时还能保证连接结构204的紧凑性。
在康复治疗过程中，提供25度左右的踝关节背屈、以及35度左右的踝关节跖屈(围绕轴线Z0的旋转)是较为理想的。由于需要上述重要的运动范围，所述第一轴线(它是在很大程度上不受约束的)被对准踝关节的弯曲轴线(也就是说，将所述第一连接件设置在人脚侧面)。
请转到图8，其中示出了踝关节支架所需的运动范围(内翻/外翻及向内/向外旋转所需的运动范围)。向内/向外旋转被显示在横轴上，内翻/外翻则被显示在纵轴上。
圆形区域300表示由连接结构提供的运动范围，所述连接结构具有两个连接件，每个连接件具有12度的夹角Θ。所述圆周的直径D代表24度(也就是2Θ)的角度。这意味着在两个自由度中的任意一个上，角度为24度的潜在运动范围是可以实现的。
角度为10度左右的踝关节内翻和外翻(也就是围绕着水平的前后方向轴线的旋转)也是较为理想的。另一种理想的情况是为踝关节内翻提供刚性的限制以避免损伤(最常见类型的踝关节扭伤就是由内翻导致的)。
角度为10度左右的向内扭转和角度为20度左右的向外扭转也是正常的步态所需要的。
所需的工作空间302也被显示在图中(如同上述的运动范围所定义的那样)。所述工作空间302是矩形的，因为角运动范围是由所述连接结构的设计和几何形状确定的。所述工作空间是一个二维区域，因为其中可能同时进行两种类型的运动(因为踝关节实际上是一个球形关节)。
通过适当地配置连接结构的形状，所述圆形区域300的中心304可以被移动，使得它位于对应于角度为5度的向外扭转(也就是自外向内的扭转范围的中间点)和角度为10度的内翻的位置。有效地，这样的配置将几乎全部所需的工作空间302都放置在所述连接装置的运动范围中，并且也为角度大约为10度的内翻提供了刚性的限制(虽然现实中这依赖于同时进行的向内/向外扭转)。
图8中的所述圆周的中心是所述连接件的所述轴线206和214重合的位置。这个位置可以通过在制造和组装阶段对所述连接件的轴线进行适当的机械设置来确定。
图9中示出了用于人的躯干的类似示例。在这种情况下，所述连接结构将其实质上的中心连接到髋关节上。可以使用两个连接结构，分别将其中心连接到两个髋关节中的一个上，用来提供充足的运动自由度(这将在下面参考图10进行更详细的描述)。本发明在此方面尤其具有优越性，因为力量应该在没有在骨盆上产生力矩的情况下被施加到髋关节中。
在图9中,所述连接结构的运动范围被显示为区域400。骨盆的轴向旋转被表现在横轴上，骨盆的径向旋转则被表现在纵轴上。两个连接件都具有角度为17度的交角Θ，直径D对应于34度的角度。
在行走中，骨盆所需的理想的自由度如下所述：
(i)骨盆在正面的平面内围绕前后方向轴线的转动(正面转动)；
(ii)骨盆在水平的、横向的平面内围绕竖直轴线的转动(轴向转动)；以及
(iii)骨盆在径向平面内围绕左右方向轴线的转动(径向转动)。
所述连接结构被放置在病人身后，因为在行走时使用者的手臂必须能够摆动，在病人的侧面没有可用的空间。
骨盆所需的运动范围如下所述：
正面转动＝±10度；
轴向转动＝±15度；
径向转动＝-26.9到+22.6度。
上述运动范围提供了所需的工作空间402。
所述连接结构被组装成使得等价于Z0的轴线对准正面的旋转轴线(也就是沿着前后方向的轴线)并置于使用者的身后。实际上，所述连接结构因此就不会限制纯粹的正面转动。这样做是无需顾虑的，因为在行走中过度的正面转动并不是问题(因为过度的正面转动将会非常难以实现)。
如上所述，±15度的轴向转动是必需的，这样，对于使用两个连接件的情况而言，最小的连接角Θ＝15/2＝7.5度。
所述连接结构的一个小缺点在于，所述中心点(图9中的所述圆周的原点)会令使用者产生轻微的分散注意力的感觉，因此将所述中心点置于“正常的”运动范围内将会是不理想的。这样，在轴向上应该具有10度左右的补偿。
从圆周中心404开始，所述角度Θ被选定，使得圆周400覆盖所需的工作空间402。在这种情况下，Θ＝17度。
请转到图10，其中示出了一种步态训练组件500，其包括腰带502、第一推杆504、第一连接结构506、第二推杆508、以及第二连接结构510。
所述腰带502用于环绕使用者的腹部，以便将所述连接结构506、510分别贴附在左臀和右臀的后方。
所述第一连接结构506包括可围绕轴线513枢转地连接到所述第一推杆504的第一连接件512，以及可枢转地连接到所述第一连接件512上以便围绕轴线515旋转的第二连接件514。所述第二连接件还可枢转地连接到从下方附加在所述腰带502上的支架516上，以便围绕轴线518旋转。
和之前的实施方式一样，所述连接件512、514中的每一个在其各自的旋转轴线之间都具有夹角Θ。所有轴线513、515、518都交汇于髋关节的旋转中心H，所述步态训练组件500被配置成使得这个假想的交汇点对准使用者的臀部。
所述第二连接结构510依照与所述第一连接结构506实质相同的方式配置。
其他的多种变化形式也都落入本发明的保护范围。
例如，为了获得额外的运动范围，可以提供多于两个的连接件。连接件的最终数量必须根据具体应用来选择，这是因为尽管增加连接件的数量将提供更流畅的运动，但连接结构的刚度也会被相应地降低。
另一种变化是采用一种简单的布置，其指向骨盆的质量中心——所述质量中心位于臀部中间(而不是位于每个髋关节处)。通过这种设置，可以将力施加到所述质量中心，而不会把干扰性质的力矩施加到使用者身上。
本发明还可以用于把力量施加到其他关节上，只要上述各轴线被对准而交汇于使用者的关节的旋转中心即可。

Claims (14)

1.一种步态训练组件，用来将力从施力者传递到受力对象，其特征在于，所述步态训练组件包括：
施力者；
受力对象；
用于将力从所述施力者传递到所述受力对象的连接结构，所述连接结构包括第一连接件和第二连接件；
所述第一连接件包括具有第一连接轴线的第一旋转接头，以及具有第二连接轴线的第二旋转接头；所述第一连接轴线和第二连接轴线相对于彼此形成第一连接角，所述第一连接件可枢转地连接到所述受力对象上，使得所述第一连接轴线相对于所述的受力对象的角度不变，以便围绕所述第一连接轴线旋转；以及
所述第二连接件包括具有第三连接轴线的第三旋转接头，以及具有第四连接轴线的第四旋转接头；所述第三连接轴线和第四连接轴线相对于彼此形成第二连接角，所述第二连接件可枢转地连接到所述第一连接件上，使得所述第二连接轴线与第三连接轴线重合；所述第二连接件还可枢转地安装在所述第四连接轴线上，用于传递来自所述施力者的力；
其中所述第一连接轴线、第二连接轴线、第三连接轴线、第四连接轴线相交于同一个预定点，使得所述受力对象能够通过所述连接结构的关节结构围绕所述预定点转动；
其中所述第一连接角和第二连接角的角度都小于45度。
2.如权利要求1所述的步态训练组件，其特征在于：所述施力者为被促动器驱动的推拉杆。
3.如权利要求2所述的步态训练组件，其特征在于：所述推拉杆和所述促动器用于通过所述预定点施加力量。
4.如权利要求1-3中任意一项所述的步态训练组件，其特征在于：所述旋转接头由开设在所述连接件中，并且有常规的转轴穿过其中的钻孔定义出来。
5.如权利要求1-3中任意一项所述的步态训练组件，其特征在于：每个所述连接件包括主体，所述主体具有中间部分、第一端部和与第一端部相反的第二端部，所述第一端部和第二端部相对于所述中间部分形成一定角度。
6.如权利要求5所述的步态训练组件，其特征在于：所述连接件的旋转接头被设置成与对应的端部正交，使得所述主体的上述各个部分之间形成夹角以提供所述连接角。
7.如权利要求1-3中任意一项所述的步态训练组件，其特征在于：所述连接件由管状的部件构成。
8.如权利要求1-3中任意一项所述的步态训练组件，其特征在于：所述连接结构包括第三连接件，所述第三连接件包括具有第五连接轴线的第五旋转接头、以及具有第六连接轴线的第六旋转接头；所述第五连接轴线和第六连接轴线相对于彼此形成第三连接角，所述第三连接件可枢转地连接到所述第二连接件上，使得所述第四连接轴线和第五连接轴线重合，所述第三连接件还可枢转地安装在所述第六连接轴线上，用于传递来自所述施力者的力。
9.一种康复器械，其特征在于，所述康复器械包括：
如权利要求1-8中任意一项所述的步态训练组件，其中所述受力对象是人体的一部分的支撑物。
10.如权利要求9所述的康复器械，其特征在于：所述人体的一部分的支撑物用于容纳人体的接近关节的部分，从而将所述关节的旋转轴线对准所述步态训练组件的所述预定点。
11.如权利要求10所述的康复器械，其特征在于：所述人体的一部分的支撑物用于容纳人体的接近关节的部分，从而将所述关节的旋转中心对准所述步态训练组件的所述预定点。
12.如权利要求9-11中任意一项所述的康复器械，其特征在于：所述施力者用于在第一方向上施力，其中所述第一连接轴线被定向至与所述施力者施加的力形成80到100度的角度。
13.如权利要求12所述的康复器械，其特征在于：所述支撑物为脚部支撑物，在使用中，所述施力者用于在使用者的前后方向上施力。
14.如权利要求13所述的康复器械，其特征在于：在使用中，所述第一连接件在所述使用者的脚部的侧面被连接到所述支撑物上。
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