CN105479437A - 三自由度下肢助力外骨骼踝关节 - Google Patents

Abstract

一种三自由度下肢助力外骨骼踝关节，它包括小腿支撑件（1），小腿支撑件（1）的下端枢装在伸展弯曲轴（2）上，伸展弯曲轴（2）支承在伸展弯曲架（3）上，伸展弯曲架3在液压缸的驱动下带动整个脚踝装置绕伸展弯曲轴2运动，伸展弯曲架（3）固定在内收外展架（5）上，内收外展架（5）枢装在内收外展轴（6）上，内收外展轴（6）固定安装在支架（7）上，支架（7）通过其下部的销轴可转动地安装在鞋底旋转平板（9）上，鞋底旋转平板（9）固定安装在鞋底板（11）上，鞋底板（11）上设有脚面固定件（10）。本发吸能实现三自由的脚踝运行，助力更为平稳可靠。

Description

三自由度下肢助力外骨骼踝关节

技术领域

本发明涉及一种下肢助力外骨骼技术，尤其是一种下肢助力技术，具体地说是一种三自由度下肢助力外骨骼踝关节。

背景技术

目前，近年来，随着传感、控制以及计算机等技术的逐渐成熟，下肢助力外骨骼技术得到了很好的发展，但大多都采用单腿6自由度（髋关节3个，膝关节1个，踝关节两个）的自由度布置方式。虽然采用这种设计方案的下肢助力外骨骼基本能够仿照人体下肢运动方式进行一些简单的运动，但当路况复杂或运动空间受限时，单腿6自由度的配置方法便不能满足运动要求。而分析人体下肢的运动规律发现，人体踝关节实际可以做3个自由度方向上的运动。因此，如果在下肢助力外骨骼的踝关节布置3个自由度的话，便可解决复杂路况上的运动受限问题，有效提高下肢助力外骨骼的仿人运动性能以及助力效果。

发明内容

本发明的目的是下肢助力外骨骼的踝关节只有两个自由度，不能满足复杂路况需求的问题，设计一种能实现三个自由度的三自由度下肢助力外骨骼踝关节。

本发明的技术方案是：

一种三自由度下肢助力外骨骼踝关节，它包括小腿支撑件1，小腿支撑件1的下端枢装在伸展弯曲轴2上，伸展弯曲轴2支承在伸展弯曲架3上，伸展弯曲架3在液压缸的驱动下带动整个脚踝装置绕伸展弯曲轴2运动，伸展弯曲架3固定在内收外展架5上，内收外展架5枢装在内收外展轴6上，内收外展轴6固定安装在支架7上，支架7通过其下部的销轴可转动地安装在鞋底旋转平板9上，鞋底旋转平板9固定安装在鞋底板11上，鞋底板11上设有脚面固定件10。

在支架7上、内收外展架5的两侧设有防止内收外展架5过度转动的限位挡板8。

所述的鞋底旋转平板9设有供支架7底部的限位销14插入的安全限位导向槽13。

所述的安全限位导向槽13为弧槽结构。

所述的鞋底板11安装有柔性缓冲垫12。

所述的支架7由底板701和两个支耳702组成，底板701的底部设有插入鞋底旋转平板9上的枢轴孔15的旋转枢轴16和限制旋转枢轴转动角度的限位销14；每个支耳702上均设有支承内收外展轴6的支承孔17，内收外展轴6的两端分别支承在对应的支承孔17中。

所述的内收外展架5由枢轴部501和连接耳502组成，枢轴部501设有套装在内收外展轴6上的枢轴孔18，连接耳502通过螺栓固定在伸展弯曲架3上。

所述的伸展弯曲轴2的两端上均套装有滑套4，滑套4安装在伸展弯曲架3的安装孔中。

本发明的有益效果：

1.本发明可以使外骨骼装置完全按照人体下肢运动意图进行相应动作，有效地提高下肢助力外骨骼的仿人运动性能。就下肢外骨骼助力而言，本发明可以有效提高助力效果。

2.根据人体踝关节运动极限，本发明在所布置的3个自由度上都设计了相应的安全限位模块儿，切实保证了人体运动的安全。

3.本发明三自由度联动所实现的功能对行走在复杂路况上时显得尤为重要。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图。

图2是本发明的立体分解结构示意图。

图3是本发明的踝关节局部（小腿支撑件）立体分解示意图。

图4是本发明的内收外展架的结构示意图。

图5是本发明的踝关节支架的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-5所示。

一种三自由度下肢助力外骨骼踝关节，它包括小腿支撑件1、伸展弯曲轴2、伸展弯曲架3、滑套4、内收外展架5、内收外展轴6、支架7、限位挡板8、鞋底旋转平板9、鞋底绑带10、鞋底板11以及柔性缓冲垫12，它的使用状态如图1所示。其中：内收外展架5的结构如图4所示，它由枢轴部501和连接耳502组成，枢轴部501设有套装在内收外展轴6上的枢轴孔18，连接耳502通过螺栓固定在伸展弯曲架3上。支架7如图5所示，它主要由底板701和两个支耳702组成，底板701的底部设有插入鞋底旋转平板9上的枢轴孔15的旋转枢轴16和限制旋转枢轴转动角度的限位销14；每个支耳702上均设有支承内收外展轴6的支承孔17，内收外展轴6的两端分别支承在对应的支承孔17中。如图2所示，伸展弯曲架3由液压缸提供动力，伸展弯曲架3固定在内收外展架5上，如图3所示，伸展弯曲轴2的两端各有一个滑套4然后与伸展弯曲轴一起支承在伸展弯曲架3上的支承孔中，伸展弯曲架3与小腿支撑件1固定相连的同时与内收外展架5固定相连，内收外展架5枢装在内收外展轴6上，为了防止内收外展架5在内收外展轴6上的转动角度过大，可通过在内收外展轴6上的两侧安装限位挡板8来对内收外展架5的转动进行限位。内收外展轴6固定安装在支架7上，支架7通过其下部的销轴可转动地安装在鞋底旋转平板9上，同样，可通过在销轴上设置安全限位槽来限制销轴的转动角度，也可在鞋底旋转平板9设置供支架7底部的限位销14插入的安全限位导向槽13（可为弧槽结构）来限制支架7的转动角度。鞋底旋转平板9固定安装在鞋底板11上，鞋底板11安装有柔性缓冲垫12，鞋底板11上设有脚面固定件10，（10）起到绑带的作用。

本发明能实现以下三个方向上的运动：

伸展/弯曲运动发生在矢状面，保证人体在直线方向上前进/后退功能（或上下楼梯）的实现；

外展/内收运动发生在额状面，在路面不平整或上下坡等复杂路况情况下，该额状面上的运动可以保证人体的平衡，并且当髋关节外展/内收运动达到运动极限不能满足人体运动意图时，踝关节的外展/内收运动可以起到延伸辅助的作用；

旋内/旋外运动发生在横切面，当路面情况比较复杂，人体髋关节的旋内/旋外自由度不足以保证人体平衡行走或不能完全按照人体运动意图调整方向时，踝关节的旋内/旋外自由度上就要发生一定的旋转以适应路况。

如图2所示，小腿支撑件1通过伸展弯曲轴2与伸展弯曲架3相连，当脚部按人体意图做伸展弯曲运动时，伸展弯曲架3带动整个脚部装置绕伸展弯曲轴2做一定角度的旋转运动（此运动由踝关节液压缸提供动力），人体实现前进/后退或上下楼梯运动；当地面不平整时，为保持平衡，人体脚底与小腿支架间会绕内收外展轴6发生一定的角度旋转，

在内收外展轴6的两端安装限位挡板8，可以防止旋转角度过大造成的脚扭伤，保证人体安全；当路面环境比较复杂，人体髋关节的旋内/旋外自由度不足以保证人体平衡行走时，踝关节的旋内/旋外自由度上就要发生一定的旋转以适应路况，此旋转运动的旋转轴为轴3’。同样道理，为保证人体脚部安全，在鞋底旋转平板9上设置了旋转槽以限定旋转角度在脚部的安全活动范围内。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (8)

1.一种三自由度下肢助力外骨骼踝关节，它包括小腿支撑件（1），小腿支撑件（1）的下端枢装在伸展弯曲轴（2）上，伸展弯曲轴（2）支承在伸展弯曲架（3）上，伸展弯曲架（3）在液压缸的驱动下带动整个脚踝装置绕伸展弯曲轴（2）运动，伸展弯曲架（3）固定在内收外展架（5）上，内收外展架（5）枢装在内收外展轴（6）上，内收外展轴（6）固定安装在支架（7）上，支架（7）通过其下部的销轴可转动地安装在鞋底旋转平板（9）上，鞋底旋转平板（9）固定安装在鞋底板（11）上，鞋底板（11）上设有脚面固定件（10），（10）起到绑带的作用。

2.根据权利要求1所述的三自由度下肢助力外骨骼踝关节，其特征是在支架（7）上、内收外展架（5）的两侧设有防止内收外展架（5）过度转动的限位挡板（8）。

3.根据权利要求1所述的三自由度下肢助力外骨骼踝关节，其特征是所述的鞋底旋转平板（9）设有供支架（7）底部的限位销（14）插入的安全限位导向槽（13）。

4.根据权利要求3所述的三自由度下肢助力外骨骼踝关节，其特征是所述的安全限位导向槽（13）为弧槽结构。

5.根据权利要求1所述的三自由度下肢助力外骨骼踝关节，其特征是所述的鞋底板（11）安装有柔性缓冲垫（12）。

6.根据权利要求1所述的三自由度下肢助力外骨骼踝关节，其特征是所述的支架（7）由底板（701）和两个支耳（702）组成，底板（701）的底部设有插入鞋底旋转平板（9）上的枢轴孔（15）的旋转枢轴（16）和限制旋转枢轴转动角度的限位销（14）；每个支耳（702）上均设有支承内收外展轴（6）的支承孔（17），内收外展轴（6）的两端分别支承在对应的支承孔（17）中。

7.根据权利要求1所述的三自由度下肢助力外骨骼踝关节，其特征是所述的内收外展架（5）由枢轴部（501）和连接耳（502）组成，枢轴部（501）设有套装在内收外展轴（6）上的枢轴孔（18），连接耳（502）通过螺栓固定在伸展弯曲架（3）上。

8.根据权利要求1所述的三自由度下肢助力外骨骼踝关节，其特征是所述的伸展弯曲轴（2）的两端上均套装有滑套（4），滑套（4）安装在伸展弯曲架（3）的安装孔中。