CN108135769A - 用于双足行走的下肢关节 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于双足行走的下肢关节(1)，包括第一元件(2)、第二元件(3)和用于将第一元件和第二元件相对于彼此关节连接的装置(4、5、7、8)，该关节装置包括：关节机构，该关节机构包括串联安装的第一连接装置(7)和第二连接装置(8)：以及用于在下肢抵靠在表面上时引导和阻挡第一元件和第二元件中的一个相对于第一元件和第二元件中的另一个定位的装置(4、5)，用于阻挡定位的装置包括势阱。

Description

用于双足行走的下肢关节

本发明涉及用于双足行走的下肢关节，具体地，用于机器人，或者用作用于患者的矫形器。

目前，特别由人形机器人进行的双足行走限于几乎不会阻碍移动的几乎水平的表面。这具体是由于以下事实：这种机器人的下肢的膝关节和踝关节被设计成围绕单个枢轴连接部。例如，“ASIMO”和“HRP-4”机器人结合谐波减速器，以便最小化操作间隙。此外，这意味着这些关节不可逆并且只能以间接的方式通过重力进行运动。

这种机器人的运动没有阻挡阶段，例如不阻挡膝关节，尤其是考虑到排除所有奇点使用的马达基元的性质。因此，结果是支撑腿不断地弯曲，在关节的机械化中具有非常高的马达扭矩。

关于随动和半随动类型的机器人，这些机器人包括设计成围绕单个枢轴连接部的膝关节和踝关节。然而，这些机器人在其行走的原始阶段包括一个“阻挡的膝盖”阶段。但是，纯粹的随动机器人只能在没有任何不规则性的倾斜平面上移动。就他们的部分而言，半随动机器人基于机械化来实现支撑的变化，并且事实上对于环境中的不规则性非常敏感。

在矫形器的应用中，外骨骼是庞大的设备，并且在能量自主性和地形方面受到限制，所述外骨骼允许补偿一些患者肌肉无力，并且其关节基于单个可枢转连接部的前述原理。此外，这些外骨骼是昂贵的。

本发明的一个目的是提供一种用于双足行走的下肢关节，不管行走表面如何，该下肢关节均简单、紧凑和高效。

为此，根据本发明，提供了一种用于双足行走的下肢关节，该下肢关节具有第一元件、第二元件和用于将第一元件和第二元件相对于彼此关节连接的关节装置，关节装置包括：关节机构，该关节机构具有串联安装的第一连接装置和第二连接装置；以及另外的用于在下肢支承在表面上时引导和阻挡第一元件和第二元件中的一个相对于第一元件和第二元件中的另一个定位的装置，用于阻挡定位的该装置具有势阱。

有利地，但是任选地，根据本发明的关节具有以下附加的技术特征中的至少一个：

-第一连接装置和第二连接装置是可枢转连接装置，该可枢转连接装置具有与下肢的矢状平面正交的枢转轴线，并且第一连接装置和第二连接装置安装成彼此间隔一定距离；

-第一连接装置是具有与下肢的矢状平面正交的枢转轴线的可枢转连接装置，并且第二连接装置是在平行于下肢的矢状平面的方向上滑动的连接装置；

-第一关节装置和第二关节装置中的一个具有行程限制系统；

-第一连接装置和第二连接装置中的另一个具有行程限制系统；

-引导和阻挡装置包括支架装置，该支架装置固定到第一元件和第二元件中的一个，并且被布置成与第一元件和第二元件中的另一个的自由端协作；

-引导和阻挡装置具有凸轮，该凸轮位于第一元件和第二元件中的另一个的自由端上，并且被布置成支承抵靠支架的表面；

-凸轮包括在第一元件和第二元件中的另一个的自由端上自由旋转地安装的滚子；

-支架装置具有开口，该开口在下肢的矢状平面中具有整体V形或U形；

-关节是膝关节或踝关节。

根据本发明还提供了一种具有至少一个下肢关节的下肢矫形器，所述下肢关节具有至少一个上述特征部。

从以下对根据本发明的优选实施例的描述中，本发明的其他特征和优点将变得清楚。在附图中：

图1a和图1b是根据本发明的下肢关节的第一实施例的原理图；

图2是来自图1a和图1b的本发明实施例的膝盖的第一应用的局部三维视图；

图3是来自图1a和图1b的本发明实施例的脚踝的第二应用到的局部三维视图；

图4是配备有图2和图3的关节的下肢的局部三维视图；

图5a和图5b是根据本发明的下肢关节的第二实施例的原理图；

图6是来自图5a和图5b的本发明的实施例的应用的局部三维视图；以及

图7a至图7d是说明根据本发明的具有下肢关节的双足行走循环的图。

参考图1a和图1b，我们将描述根据本发明的下肢关节1的第一实施例。具体地，我们将描述根据本发明的下肢关节1的原理。根据本发明的下肢关节1具有第一元件2和第二元件3，第一元件2在下肢的情况下可以是股骨或脚的等效物，第二元件3在下肢的情况下可以是胫骨/腓骨。此外，根据本发明的下肢关节1具有用于将所述第一元件2和所述第二元件3相对于彼此关节连接的关节装置4、5、6、7、8。

关节装置4、5、6、7、8包括关节机构6、7、8。关节机构6、7、8具有第一连接装置7和第二连接装置8。第一连接装置7在这里是可枢转连接装置，该可枢转连接装置的枢转轴线与具有根据本发明的下肢关节1的下肢的矢状平面正交。第一可枢转连接装置7定位在第一元件2的臂22和连杆6的一个端部之间，臂22从元件2的端部21并且朝向根据本发明的下肢关节1的后部在矢状平面中延伸。第二连接装置8在这里是可枢转连接装置，该可枢转连接装置的枢转轴线与具有根据本发明的下肢关节1的下肢的矢状平面正交。在该元件3的端部31的区域中，第二可枢转连接装置8的一部分定位在连杆6的另一个端部与元件3之间。因此，第一可旋转连接装置7和第二可旋转连接装置8相对于彼此串联安装，并且彼此间隔一定距离，他们的枢转轴线相对于彼此平行。这允许具有两个自由度的关节机构。

此外，关节装置4、5、6、7、8包括引导和阻挡装置4、5，用于当包括根据本发明的下肢关节1的下肢支承在行走表面上时，相对于第一元件2和第二元件3中的一个元件3引导和阻挡第一元件2和第二元件3中的另一个元件2，如稍后将解释的。引导和阻挡装置4、5具有支架装置5。该支架装置5在这里固定到第一元件2的端部21。其包括具有在这里在图1a和图1b中倒置的通常为V形或U形的开口。开口在包括根据本发明的下肢关节1的下肢的矢状平面中。所述开口具有内引导表面51，该内引导表面51包括形成底部的部分52。支架装置5布置成与第二元件3的端部31协作。端部31是自由的。引导和阻挡装置4、5包括定位在第二元件3的端部31上的凸轮4。在操作中，该凸轮4旨在支承在支架装置5的内引导表面51上，并且朝向形成底部52的部分沿着该表面滑动。为了使摩擦最小化，凸轮4具有在第二元件3的端部31上自由旋转地安装的滚子。例如，滚子可以是滚珠轴承。

我们将简要描述根据本发明的下肢关节1的操作。图1a示出了一种情况，其中包括根据本发明的下肢关节1的下肢不支承在行走表面上。然后，第二元件3是自由的，并且其端部31不必与支架装置5的内引导表面51接触，具体是不必与位于总体V形或U形的开口的分支中的一个上的内引导表面51的一部分接触。但是，支架装置5可被配置成在这种情况下限制运动的幅度。

图1b示出了一种情况，其中包括根据本发明的下肢关节1的下肢支承在行走表面上。在这种情况下，由根据本发明的下肢关节1的第一元件2传递的体重引起经由凸轮4的第二元件3的端部31与支架装置5的内引导表面51之间的接触。因此，内引导表面51用作用于第二元件3的端部31的引导件，并且根据本发明的下肢关节1在重力的作用下通过身体的重量施加的力驱动而被拉紧。这将根据本发明的下肢关节1带到由支架装置5的开口的形状确定的所谓的阻挡位置：凸轮4沿着内引导表面51滑动，直到其到达形成该表面的底部52的部分。形成底部52的该部分对应于用于根据本发明的下肢关节1的势阱。更具体地，凸轮4与支架装置的内引导表面51之间的接触允许由于重力产生的力在与凸轮4接触的点处在与内引导表面51的切线正交的方向上传递。正是由此产生的这种力将根据本发明的下肢关节1带到如图1b所示的阻挡位置。

因此，仅由重力引起的力足以将根据本发明的下肢关节1从弯曲位置(图1a)带到阻挡位置(图1b)。因此，这种位置变化引起在与端部21相对的一个端部(即第一元件2的顶端)的行走方向(即向前)上的水平位移。此外，在一定程度上，通过凸轮4抵靠支架装置5的底部52的定位提供的根据本发明的下肢关节1的阻挡位置受影响而与包括根据本发明的下肢关节1的下肢的弯曲的初始幅度无关。因此，根据本发明的下肢关节1不考虑行走表面的不规则性而进行工作。在与凸轮4接触的点处，在与内引导表面51的切线正交的方向上由于重力产生的力充当关于对行走的可能的外部干扰的控制器。

当包括根据本发明的下肢关节1的下肢离开支承在行走表面上的位置时，现在自由的两个可枢转连接装置7、8使根据本发明的下肢关节1松开，其变化到类似于图1a所示的结构。

我们将简要描述刚刚描述的根据本发明的下肢关节1的该第一实施例的第一应用。图2示出了根据本发明的膝关节10。第一元件12对应于股骨，并且第二元件13对应于胫骨/腓骨。股骨12的端部121刚性地固定到支架15，支架15包括具有内引导表面151和底部部分152的开口。胫骨/腓骨具有自由端131，滚子/凸轮14自由旋转地安装在自由端131上。根据本发明的膝关节10的关节机构具有类似于前述可枢转连接装置7和8的两个可枢转连接装置17和18。第一可枢转连接装置17位于股骨12的臂122和连杆16的一个端部之间，臂122从股骨12的端部121并且朝向根据本发明的膝关节10的后部在矢状平面中延伸。在端部131的区域中，第二可枢转连接装置18的一部分定位在连杆16的另一个端部和胫骨/腓骨13之间。

该操作与上面解释的操作相同。

为了限制连接装置18的行程，根据本发明的膝关节10具有行程限制系统20。在这里，行程限制系统20是在第一部分上包括长方形狭槽23的杆的形式。杆可枢转地安装在胫骨/腓骨13(用于可枢转连接装置18)和/或臂122(用于可枢转连接装置17)上。在可枢转连接装置17、18的另一部分上，杆安装成通过在该长方形狭槽23中滑动的销22沿着长方形狭槽23滑动。在这两种情况下，销23在这里定位在连杆116上。此外，行程限制系统包括调整装置24、25，用于调整长方形狭槽23中的销22的行程。在这里，调整装置24、25是平头螺钉的形式。

图3示出了根据上述本发明的下肢关节1的第一实施例的第二应用。其在这种情况下是根据本发明的踝关节30。第一元件32对应于脚，而第二元件13仍然是胫骨/腓骨。脚部32包括端部321，端部321包括具有类似于上述内引导表面51和151的内引导表面351的支架装置35。胫骨/腓骨13的第二端部132具有自由旋转地安装的滚子/凸轮34，其与支架装置35协作。关节机构包括由连杆36分开的两个可枢转连接装置37、38，并且类似于上面的关节机构6、7、8和16、17、18。其安装在脚32的臂322和胫骨/腓骨13的端部132之间。此外，在这种情况下，根据本发明的踝关节30具有分配到可枢转连接装置37的单个行程限制系统20。

再次，该操作与上面解释的操作相同。

图4示出了配备有根据本发明的膝关节10和根据本发明的踝关节30的下肢。

参考图5a和图5b，现在我们将描述根据本发明的下肢关节100的第二实施例。具体地，我们将描述根据本发明的下肢关节100的原理。根据本发明的下肢关节100与根据本发明的上述下肢关节1在其关节机构9、91方面不同。我们将仅仅描述后者。关节机构9、91具有第一连接装置91和第二连接装置9。第一连接装置91是可枢转连接装置，该可枢转连接装置具有与下肢的矢状平面正交的枢转轴线，该下肢具有根据本发明的下肢关节100。第一可枢转连接装置91位于第二元件3的端部31与滑动主体99的一个端部之间。第二连接装置9是在平行于下肢的矢状平面的方向上的滑动连接装置，该下肢包括根据本发明的下肢关节100。第二滑动连接装置9位于第一元件2的端部21与滑动主体99之间：端部21可在滑动主体99中平移滑动。再次，第一连接装置91和第二连接装置9相对于彼此串联安装。根据本发明的下肢关节100的操作与根据上述第一实施例的本发明的下肢关节1的操作相同。

图6示出了根据本发明的下肢关节100的关节机构9、91的应用。滑动主体99具有彼此相对地延伸并且彼此相距一定距离的两个侧翼92、93。在附图中的自由端，底端处，侧翼92、93具有带有第二元件3的第一可枢转连接装置91。在附图的上部部分上，滑动主体99具有彼此相对地延伸并且彼此相距一定距离的两个联接板94、95。这些联接板94、95固定在侧翼92、93的侧面上，并且与侧翼92、93一起确定一体积，在该体积中定位了一些垫96，垫96然后围绕第一元件2的滑动杆。该杆携带端部21，支架装置5(图6中未示出)固定在端部21上。这些垫96布置成允许杆在该杆的纵向方向上在滑动主体中滑动。这产生第二滑动连接装置9。然后，端部21可在附图中与他们的下部部分相对的侧翼92、93之间平移移动。这种结构使得有可能整合第二滑动连接装置9的行程限制系统：在附图中通过端部21向上限制行程，端部21具有支承在联接板94、95上的支架装置5，并且通过支架装置5与第二元件3的滚子/凸轮4之间的接触向下地限制行程。

参考图7a至图7d，现在我们将简要描述实现根据本发明的下肢关节的双足行走循环。

在阶段1(图7a)中，身体的重量从后下肢(虚线)朝向前下肢(实线)转移。正是在这个阶段中，能量通过对后脚踝30'的推动被供应到系统。应该指出的是，在人类中，这种推动是由支承在脚趾上的小腿肌肉提供的。在该阶段期间，前脚踝30被放置在地面S上，并且根据本发明的其关节30处于如上所述的阻挡阶段。

在阶段2(图7b)中，脚踝30'的推动停止，并且后下肢不再处于支承位置。其膝关节10'和踝关节30'被释放(然后，在根据本发明的关节10'和30'的实施例中，与图1a和图4a的情况类似的情况)，并且后部下腿采用例如通过复位弹簧驱动的弯曲位置，所述复位弹簧可为此设置在根据本发明的关节10'和30'的关节机构的第一连接装置和第二连接装置处。另选地，该后面的移动也可由马达产生。应该注意的是，在这种情况下，所讨论的马达然后仅移动不处于支承位置的下肢，因此他们仅需要小的扭矩和减小的尺寸。

并行地，前下肢通过锁定其膝关节10而继续其阻挡过程，并且其在没有使用除由重力作用在身体上引起的力以外的马达力的情况下进行。

在阶段3(图7c)中，后部下肢以钟摆运动追随通过，使其向前移动。身体的所有重量都被“锁定”在直线位置中的下肢(膝关节10被阻挡，踝关节30为同样的情况)接纳。

在阶段4(图7d)中，在身体的运动和惯性的作用下，支撑的下肢(实线)在向前方向上不平衡，在脚32的前部上滚动。另一个下肢(虚线)的脚32'搁置在地面S上。应该注意的是，由于踝关节30'和膝关节10'的自由的性质，由这种接触引起的震动仅仅在较小程度上传递到身体的其余部分。循环然后在阶段1中再次开始。

当然，有可能在不偏离本发明的范围的情况下对本发明进行许多修改。

Claims (11)

1.一种用于双足行走的下肢关节(1；10；30；100)，所述下肢关节具有第一元件(2；12；32)、第二元件(3；13)和用于将所述第一元件和所述第二元件相对于彼此关节连接的关节装置(4、5、7、8；14、15、17、18；34、35、37、38；9、91)，其特征在于，所述关节装置包括：关节机构，所述关节机构具有串联安装的第一连接装置(7；17；37；9)和第二连接装置(8；18；38；91)；以及另外的用于在所述下肢支承在表面上时引导和阻挡所述第一元件和所述第二元件中的一个相对于所述第一元件和所述第二元件中的另一个定位的装置(4、5；14、15；34、35)，用于阻挡定位的所述装置具有势阱。

2.根据权利要求1所述的关节，其特征在于，所述第一连接装置和所述第二连接装置是可枢转连接装置，所述可枢转连接装置具有与所述下肢的矢状平面正交的枢转轴线，并且所述第一连接装置和所述第二连接装置安装成彼此间隔一定距离。

3.根据权利要求1所述的关节，其特征在于，所述第一连接装置是具有与所述下肢的矢状平面正交的枢转轴线的可枢转连接装置，并且所述第二连接装置是在平行于所述下肢的矢状平面的方向上滑动的连接装置。

4.根据权利要求2或3所述的关节，其特征在于，所述第一关节装置和所述第二关节装置中的一个具有行程限制系统(20)。

5.根据权利要求4所述的关节，其特征在于，所述第一连接装置和所述第二连接装置中的另一个具有行程限制系统(20)。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的关节，其特征在于，所述引导和阻挡装置包括支架装置，所述支架装置固定到所述第一元件和所述第二元件中的一个，并且被布置成与所述第一元件和所述第二元件中另一个的自由端协作。

7.根据权利要求6所述的关节，其特征在于，所述引导和阻挡装置具有凸轮，所述凸轮位于所述第一元件和所述第二元件中的另一个的所述自由端上，并且被布置成支承抵靠所述支架的表面。

8.根据权利要求7所述的关节，其特征在于，所述凸轮包括在所述第一元件和所述第二元件中的另一个的所述自由端上自由旋转地安装的滚子。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的关节，其特征在于，所述支架装置具有开口，所述开口在所述下肢的矢状平面中具有整体V形或U形。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的关节，其特征在于，所述下肢关节是膝关节或踝关节。

11.一种下肢矫形器，其特征在于，所述下肢矫形器具有根据权利要求1至10中的任一项所述的至少一个关节。