CN107928994B - 一种三被动自由度外骨骼踝关节机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三被动自由度外骨骼踝关节机构，包括从上到下依次连接的踝关节连杆装置、踝关节座装置和足底装置。踝关节连杆装置中通过小腿杆件、踝关节轴和第一踝关节连杆构成了跖屈/背伸自由度机构；踝关节座装置中第二踝关节连杆与踝关节座之间通过扭转弹簧形成了被动内旋/外旋自由度机构；足底装置中通过弹簧片和鞋底形成了内翻/外翻自由度机构。本发明为一种纯机械结构，结构紧凑简单，轻便耐用，无需增加额外的动力源与传动系统，可代替目前外骨骼机器人上的无动力踝关节；保留踝关节三个自由度的同时保证了外骨骼踝关节与人体踝关节最大程度的贴合，并且操作简单，不会影响外骨骼机器人的行走。

Description

一种三被动自由度外骨骼踝关节机构
技术领域
本发明涉及穿戴外骨骼机器人领域，具体涉及到一种三被动自由度外骨骼踝关节机构。
背景技术
近十年来，下肢外骨骼机器人技术发展迅猛，助行类外骨骼机器人给行走障碍人群带来了重新站起和行走的希望。助力类外骨骼机器人帮助人减轻负重，更好地适应复杂地形和工作状况，如搬运武器和灾后救援等。无论是在助行类外骨骼机器人还是在助力类外骨骼机器人中，踝关节不仅承担人机重量，还起到保持行走平衡性和控制行走方向的作用。根据人体下肢动力学特性的研究，踝关节存在三个自由度，而目前的外骨骼机器人多是两个自由度(一主动自由度、一被动自由度)，并且踝关节的高度不可调整，导致与人体踝关节不能很好的贴合，影响使用效果。如专利号为CN 103099691 A的专利阐明了一种二自由度外骨骼踝关节机构，其有跖屈/背伸(主动)，内翻/外翻(被动)自由度，但是缺少内旋/外旋自由度，踝关节的高度固定。
发明内容
本发明提供了一种三被动自由度外骨骼踝关节机构，能更好地匹配人体在行走过程中踝关节的运动规律，使得使用者在行走过程中可以不受外骨骼踝关节机构自由度的限制；同时，对人群体型方面的适配度也更高。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
一种三被动自由度外骨骼踝关节机构，包括从上到下依次连接的踝关节连杆装置、踝关节座装置和足底装置；
所述踝关节连杆装置包括小腿杆件、第一踝关节连杆和踝关节固定盒；
所述小腿杆件的底部通过螺栓固定连接到踝关节轴的一端，踝关节轴的另一端置入到第一踝关节连杆顶部的装配孔内，装配孔的左侧和右侧分别设有支撑平台；
所述踝关节固定盒上部的左侧和右侧分别设有竖向的螺纹通孔，螺纹通孔内设有弹簧和导向杆，螺纹通孔的顶部装配有螺钉；踝关节固定盒的下部设有一个空腔，螺纹通孔的底部位于空腔内；
弹簧套在导向杆上，导向杆的底座置于第一踝关节连杆顶部的支撑平台上；
所述踝关节座装置包括圆环形的盖板件、第二踝关节连杆、扭转弹簧和踝关节座；
所述第二踝关节连杆的顶部插入到第一踝关节连杆的底部中并通过卡套固定，第二踝关节连杆的中部设有环状突起，第二踝关节连杆的底部通过第一平键与扭转弹簧的内圈连接；扭转弹簧的外圈通过第二平键与踝关节座的内圈连接；
盖板件中部的圆形通孔的直径小于第二踝关节连杆中部的环状突起的直径，盖板件套在第二踝关节连杆的上端并通过螺栓与踝关节座的顶部固定连接，以此将扭转弹簧限制在踝关节座内；
所述扭转弹簧包括内圈和外圈，内圈和外圈通过弹簧片组连接到一起，内圈设有与第一平键装配的第一键槽，外圈设有与第二平键装配的第二键槽；
所述足底装置包括位于底层的鞋底和粘接在鞋底上的弹簧片，鞋底和弹簧片的外侧均设有一个形状形同的横向突出部，鞋底和弹簧片的横向突出部通过螺栓与踝关节座的底部固定连接。
根据上述方案，所述踝关节固定盒下部空腔的左侧和右侧设有竖向的第一突出部和第二突出部。
根据上述方案，所述鞋底对应足的底面分为掌跖前部、足心部和足跟部，横向突出部设于足跟部的外侧；所述弹簧片粘接于鞋底的足心部和足跟部，弹簧片的横向突出部粘接于鞋底的横向突出部。
作为上述方案的进一步方案，所述弹簧片的前侧的中部设有突出部，所述突出部的厚度小于弹簧片的厚度；所述鞋底的掌跖前部与足心部的相交处设有与弹簧片的突出部相配合的凹槽。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：为一种纯机械结构，结构紧凑简单，轻便耐用，无需增加额外的动力源与传动系统，可代替目前外骨骼机器人上的无动力踝关节；保留踝关节三个自由度的同时保证了外骨骼踝关节与人体踝关节最大程度的贴合，并且操作简单，不会影响外骨骼机器人的行走；对场地的要求性也不高，可满足一般地面使用条件；既能够固定踝关节Z轴方向(即竖直方向)的旋转自由度，使其处于安全范围以内；又能够补偿一定的Z轴旋转角度，让行走步态更加自然。
附图说明
图1是本发明的整体装配示意图；
图2是本发明中主要部件的连接关系示意图；
图3是本发明中踝关节连杆装置的部件分解示意图；
图4是本发明中踝关节座装置的部件分解示意图；
图5是本发明中扭转弹簧的结构示意图；
图6是本发明中足底装置的部件分解示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，图中各标号的释义为：
1-踝关节连杆装置，101-小腿杆件，102-踝关节轴，103-踝关节固定盒，1031-螺纹通孔，1032-第一突出部，1033-第二突出部，104-弹簧，105-导向杆，106-第一踝关节连杆，1061-支撑平台，1063-中部特征面，107-卡套；2-踝关节座装置，201-盖板件，202-第二踝关节连杆，203-第一平键，204-扭转弹簧，2041-第一键槽，2042-第二键槽，205-踝关节座，206-第二平键；3-足底装置，301-弹簧片，3011-突出部，302-鞋底。
本发明包括从上到下依次连接的踝关节连杆装置1、踝关节座装置2和足底装置3。
所述踝关节连杆装置1利用弹簧104的压缩和伸长来提供恢复力使行走更省力，包括小腿杆件101、第一踝关节连杆106和踝关节固定盒103。
所述小腿杆件101的底部通过螺栓固定连接到踝关节轴102的一端，踝关节轴102的另一端置入到第一踝关节连杆106顶部的装配孔内，装配孔的左侧和右侧分别设有支撑平台1061。小腿杆件101、踝关节轴102和第一踝关节连杆106构成跖屈/背伸自由度机构，跖屈/背伸角度分别为22.5°。
所述踝关节固定盒103上部的左侧和右侧分别设有竖向的螺纹通孔1031，螺纹通孔1031内设有弹簧104(包括前置弹簧和后置弹簧)和导向杆105，螺纹通孔1031的顶部装配有螺钉用于防止弹簧104和导向杆105从螺纹通孔1031的顶部脱出。踝关节固定盒103的下部设有一个空腔，螺纹通孔1031的底部位于空腔内。弹簧104套在导向杆105上，导向杆105的底座置于第一踝关节连杆106顶部的支撑平台1061上，从而使得跖屈时后置弹簧被压缩并储存能量，待背伸时释放能量；背伸时前置弹簧被压缩并储存能量，待跖屈时释放能量；直立状态时，弹簧104处于自然状态，不被压缩或者拉伸。
所述踝关节固定盒103下部空腔的左侧和右侧还设有竖向的第一突出部1032和第二突出部1033作为机械限位装置，保护人体关节的运动角度在外骨骼踝关节机构允许的运动角度内，避免人体因机器的自由度过大而受到伤害。跖屈/背伸运动中，当小腿杆件101和第一踝关节连杆106的相对锐角变大时，第一踝关节连杆106的中部特征面1063及其对称面会与踝关节固定盒103的第一突出部1032和第二突出部1033产生接触，从而限制跖屈/背伸的运动角度在22.5°内，此角度满足人体行走的正常要求，小于人体踝关节跖屈/背伸运动的极限角度38°/35°。
所述踝关节座装置2包括圆环形的盖板件201、第二踝关节连杆202、扭转弹簧204和踝关节座205。
所述第二踝关节连杆202的顶部插入到第一踝关节连杆106的底部中并通过卡套107固定，使得踝关节高度可以无级调整，可调范围为0-15mm，以便更好地贴合人体。第二踝关节连杆202的中部设有环状突起。第二踝关节连杆202的底部通过第一平键203与扭转弹簧204的内圈连接，扭转弹簧204的外圈通过第二平键206与踝关节座205的内圈连接，从而使得第二踝关节连杆202与踝关节座205之间形成被动内旋/外旋自由度。
盖板件201中部的圆形通孔的直径小于第二踝关节连杆202中部的环状突起的直径，盖板件201套在第二踝关节连杆202的上端并通过螺栓与踝关节座205的顶部固定连接，从而将第二踝关节连杆202的底部和扭转弹簧204固定在踝关节座205内，使第二踝关节连杆202和扭转弹簧204的上下移动被限制。
所述扭转弹簧204包括内圈和外圈，内圈和外圈通过弹簧片组连接到一起，内圈设有与第一平键203装配的第一键槽2041，外圈设有与第二平键206装配的第二键槽2042。扭转弹簧204的极限变形量限制内旋/外旋自由度的范围大小，从而将第二踝关节连杆202与踝关节座205之间的内旋/外旋自由度限制在一定范围内。无论是内旋还是外旋，扭转弹簧204均会产生变形并产生一个与促使内旋/外旋的外力大小相等、方向相反的力，以便外力消失时，踝关节能回复到原位，使人体保持正常行走姿势。扭转弹簧204既能够固定踝关节Z轴方向(即竖直方向)的旋转自由度，使其处于安全范围以内；又能够补偿一定的Z轴旋转角度，让行走步态更加自然。
根据正常人体解剖学的规定：足趾为前方，足跟为后方；足拇趾一侧为内恻，小趾一侧为外恻；足底面为下，足背面为上，足底面又称足的掌跖面；足背的后面与小腿相连接，足和小腿之间构成踝关节。足的拇趾和其他足趾都有内侧、外侧、背面、底面、趾端、趾根等。足趾的背面有趾四，其底面又称趾腹或趾端掌跖面。足的底面由前向后，分为掌跖前部、足心、足跟三部分。
所述足底装置3包括位于底层的鞋底302和粘接在鞋底302上的弹簧片301，鞋底302和弹簧片301的外侧均设有一个形状形同的横向突出部，鞋底302和弹簧片301的横向突出部通过螺栓与踝关节座205的底部固定连接。
当踝关节连杆装置1相对足底装置3发生额状面内的侧倾时，弹簧片301连带鞋底302产生一定程度的变形；侧倾消失时，弹簧片301连带鞋底302恢复原状，从而在踝关节连杆装置1与足底装置3之间产生一定程度的内翻/外翻自由度。弹簧片301允许外骨骼踝关节机构有一定角度范围内的内翻/外翻自由度，使得人体小腿与外骨骼小腿相对足底发生额状面内的侧倾时产生指向直立姿态的恢复力。弹簧片301与橡胶鞋底302粘接在一起，弹簧片301的折弯程度也限制了橡胶鞋底302的折弯程度，使得外骨骼踝关节机构的内翻/外翻自由度被限位。
所述鞋底302对应足的底面分为掌跖前部、足心部和足跟部，横向突出部设于足跟部的外侧；所述弹簧片301粘接于鞋底302的足心部和足跟部，弹簧片301的横向突出部粘接于鞋底302的横向突出部。鞋底302的掌跖前部并未粘接弹簧片301是为了方便脚趾的活动，但同时也保证了鞋底302的整体强度。
所述弹簧片301的前侧的中部设有突出部3011，所述突出部3011的厚度小于弹簧片301的厚度；所述鞋底302的掌跖前部与足心部的相交处设有与弹簧片301的突出部3011相配合的凹槽。厚度较薄的突出部3011很好地起到了过渡的作用，使鞋底302和弹簧片301的连接处变形更加顺畅，并使鞋底302的掌跖前部与足底更贴合。
本发明为一种纯机械结构，结构紧凑简单，轻便耐用，无需增加额外的动力源与传动系统，可代替目前外骨骼机器人上的无动力踝关节；且连接部件均采用航空铝材，减轻了整体的重量；保留踝关节三个自由度的同时保证了外骨骼踝关节与人体踝关节最大程度的贴合，并且操作简单，不会影响外骨骼机器人的行走；对场地的要求性也不高，可满足一般地面使用条件。

Claims (4)

1.一种三被动自由度外骨骼踝关节机构，其特征在于：包括从上到下依次连接的踝关节连杆装置（1）、踝关节座装置（2）和足底装置（3）；
所述踝关节连杆装置（1）包括小腿杆件（101）、第一踝关节连杆（106）和踝关节固定盒（103）；
所述小腿杆件（101）的底部通过螺栓固定连接到踝关节轴（102）的一端，踝关节轴（102）的另一端置入到第一踝关节连杆（106）顶部的装配孔内，装配孔的左侧和右侧分别设有支撑平台（1061）；
所述踝关节固定盒（103）上部的左侧和右侧分别设有竖向的螺纹通孔（1031），螺纹通孔（1031）内设有弹簧（104）和导向杆（105），螺纹通孔（1031）的顶部装配有螺钉；踝关节固定盒（103）的下部设有一个空腔，螺纹通孔（1031）的底部位于空腔内；
弹簧（104）套在导向杆（105）上，导向杆（105）的底座置于第一踝关节连杆（106）顶部的支撑平台（1061）上；
所述踝关节座装置（2）包括圆环形的盖板件（201）、第二踝关节连杆（202）、扭转弹簧（204）和踝关节座（205）；
所述第二踝关节连杆（202）的顶部插入到第一踝关节连杆（106）的底部中并通过卡套（107）固定，第二踝关节连杆（202）的中部设有环状突起，第二踝关节连杆（202）的底部通过第一平键（203）与扭转弹簧（204）的内圈连接；扭转弹簧（204）的外圈通过第二平键（206）与踝关节座（205）的内圈连接；
盖板件（201）中部的圆形通孔的直径小于第二踝关节连杆（202）中部的环状突起的直径，盖板件（201）套在第二踝关节连杆（202）的上端并通过螺栓与踝关节座（205）的顶部固定连接，以此将扭转弹簧（204）限制在踝关节座（205）内；
所述扭转弹簧（204）包括内圈和外圈，内圈和外圈通过弹簧片组连接到一起，内圈设有与第一平键（203）装配的第一键槽（2041），外圈设有与第二平键（206）装配的第二键槽（2042）；
所述足底装置（3）包括位于底层的鞋底（302）和粘接在鞋底（302）上的弹簧片（301），鞋底（302）和弹簧片（301）的外侧均设有一个形状相同的横向突出部，鞋底（302）和弹簧片（301）的横向突出部通过螺栓与踝关节座（205）的底部固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种三被动自由度外骨骼踝关节机构，其特征在于：所述踝关节固定盒（103）下部空腔的左侧和右侧分别设有竖向的第一突出部（1032）和第二突出部（1033）。
3.根据权利要求1所述的一种三被动自由度外骨骼踝关节机构，其特征在于：所述鞋底（302）对应足的底面分为掌跖前部、足心部和足跟部，鞋底的横向突出部设于足跟部的外侧；所述鞋底上的弹簧片（301）粘接于鞋底（302）的足心部和足跟部，弹簧片（301）的横向突出部粘接于鞋底（302）的横向突出部。
4.根据权利要求3所述的一种三被动自由度外骨骼踝关节机构，其特征在于：所述鞋底上的弹簧片（301）的前侧的中部设有突出部（3011），所述突出部（3011）的厚度小于弹簧片（301）的厚度；所述鞋底（302）的掌跖前部与足心部的相交处设有与弹簧片（301）的突出部（3011）相配合的凹槽。
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Legal Events

Date Code Title Description
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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PE01 Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right
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Denomination of invention: A Three Passive Degrees of Freedom Exoskeleton Ankle Joint Mechanism

Granted publication date: 20191115

Pledgee: China Construction Bank Corporation Chengdu hi tech sub branch

Pledgor: BUFFALO ROBOT TECHNOLOGY (CHENGDU) Co.,Ltd.

Registration number: Y2024980005710