CN108186287A - 多自由度储能足部机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多自由度储能足部机构，包括足底单元、侧板单元、踝关节单元和捆绑单元，踝关节单元通过侧板单元与足底单元可拆卸连接，捆绑单元与足底单元和踝关节单元均可拆卸连接，踝关节单元包括踝关节支撑座，踝关节支撑座包括一体成型的支撑台和挂耳，挂耳上开设有通孔，通孔内安装踝关节趾屈背曲转轴和轴承使踝关节支撑座以可转动方式装配在侧板单元里，支撑台可拆卸连接储能单元。本发明有效减小能量损耗，具有多方向自由度，结构简单，穿戴方便，提高穿戴者舒适感，零件制作及安装方便，可移植性强，可与任意下肢助力外骨骼配合使用，且由于没有驱动及控制系统，生产成本可大大降低。

Description

多自由度储能足部机构

技术领域

本发明涉及下肢康复训练机构，具体涉及一种多自由度储能足部机构。

背景技术

下肢外骨骼机器人是综合机器人技术、自动化技术、信息传感技术与一体的可穿戴机械装置，可辅助穿戴者完成康复训练运动。下肢外骨骼机器人一般包含多个关节，包括髋关节、膝关节、踝关节，其中踝关节及其足部机构承受着由穿戴者运动所带来的冲击，因而该部分机构在下肢外骨骼机器人具有重要作用。下肢助力外骨骼有些踝关节及其足部机构由刚性版组合成自由度为1、2或3的主动踝关节，通常采用电机、液压、气动等方式驱动，该主动踝关节存在机构笨重、控制难度大、成本高、耗能大等不足；有些踝关节及其足部机构采用刚性后脚板连接踝关节，整体脚部采用弹性材料连接，或采用分离式足部结构，前后脚掌采用转动副连接，该类踝关节及其足部机构存在自由度单一、实用性不足等缺点。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种多自由度储能足部机构，解决现有足部机构耗能大，自由度单一、结构复杂、穿戴不便的问题。

技术方案：本发明所述的多自由度储能足部机构，包括足底单元、侧板单元、踝关节单元和捆绑单元，所述踝关节单元通过侧板单元与足底单元可拆卸连接，所述捆绑单元与足底单元和踝关节单元均可拆卸连接，所述踝关节单元包括踝关节支撑座，所述踝关节支撑座包括一体成型的支撑台和挂耳，所述挂耳上开设有通孔，所述通孔内安装踝关节趾屈背曲转轴和轴承使踝关节支撑座以可转动方式装配在侧板单元里，所述支撑台可拆卸连接储能单元，所述储能单元包括压簧管，所述压簧管内安装有压簧，所述压簧内穿有钢索，钢索一端通过钢索连接块固定在压簧端面上，另一端穿过压簧管通过钢索固定块固定在侧板单元上。

为了方便拆卸及实现辅助状态自动恢复功能，所述足底单元包括前脚掌和后脚掌，所述前脚掌和后脚掌通过板簧可拆卸连接在一起。

为了减震及增加舒适度，所述前脚掌和后脚掌上均设置有压力传感器，所述前脚掌和后脚掌连接在一起后可拆卸覆盖有两层足底软垫。

为了使足底单元带动侧板单元转动，带动踝关节趾屈背曲转轴转动，完成趾屈背曲运动自由度，所述侧板单元一端通过螺钉固定在足底单元上，另一端开设有与踝关节趾屈背曲转轴适配的通孔。

为了方便固定小腿绑带单元，所述踝关节单元通过板簧连接有小腿杆连接件。

为了定位轴承和侧板单元，所述踝关节趾屈背曲转轴(302)外套有套筒。

为了方便安装拆卸储能单元，所述支撑台通过螺纹孔与所述压簧管连接。

为了方便使用者穿戴及穿戴舒适，所述捆绑单元为柔性捆绑单元，且包括前脚捆绑单元、后脚捆绑单元和小腿捆绑单元，所述前脚捆绑单元和后脚捆绑单元捆绑在足部单元上，所述小腿捆绑单元捆绑在小腿杆连接件上。

为了可防止钢索径向滑动，保证钢索和压簧之间的同轴度，所述压簧通过卡台卡在钢索连接块上，所述钢索连接块与压簧之间设置有止压杆。

为了能实现背屈运动和趾屈运动的储能，所述储能单元包括背屈储能单元和跖屈储能单元，两个储能单元均与支撑台可拆卸连接。

工作原理：本发明储能单元采用钢索，通过选择不同长度的钢索，实现不同预紧力，有助于减少能量损耗，在穿戴下肢助力外骨骼的多自由度储能踝关节及其足部机构的整个行走过程中，通过侧板单元结合钢索固定块、钢索、钢连接块、止压杆、压簧、压簧管、压簧管顶盖，通过趾屈和背屈运动，止压杆在压簧管内上升或下降，从而达到趾屈运动和背屈运动中能量的储存和释放，两过程互不干扰，不重叠，且与人体运动趋势协调一致，利用钢索传动力矩大、路径灵活细小的特点使得机构重量减轻，体积减小，结构紧凑，能很好降低对人体踝关节的影响并起到降低驱动下肢外骨骼机构的能量损耗、行走能耗低，且初始状态的压缩弹簧弹性势能使脚底维持在直立支撑状态，在穿戴下肢助力外骨骼的多自由度储能踝关节及其足部机构的整个行走过程中，踝关节趾屈背曲转轴依次连接第一套筒、侧板单元、第二套筒、踝关节支撑座，完成趾屈背曲运动自由度，利用踝关节趾屈背曲转轴和轴承配合，结构简单，保证踝关节及其足底机构对穿戴者提供足够的支撑力；踝关节支撑座通过第一板簧和第二板簧连接小腿杆连接件，完成外展内收自由度，利用板簧韧性大，体积小，厚度薄的特点，在保证外展内收自由度的基础上简化结构；足部捆绑单元可完成内旋外旋自由度，利用柔性绑带有弹性、长度可自由设定的特点，保证内旋外旋自由度，提高穿戴者舒适感。

有益效果：本发明有效减小能量损耗，具有多方向自由度，结构简单，穿戴方便，提高穿戴者舒适感，零件制作及安装方便，可移植性强，可与任意下肢助力外骨骼配合使用，且由于没有驱动及控制系统，生产成本可大大降低。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明中的足底单元分解图；

图3是本发明中的刚性后脚跟示意图；

图4是本发明中的刚性前脚掌示意图；

图5是本发明中的侧板单元示意图；

图6是本发明中的踝关节单元分解图；

图7是本发明中的背屈储能单元分解图；

图8是本发明中的趾屈储能单元分解图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，多自由度储能足部机构，包括足底单元1、侧板单元2、踝关节单元3和捆绑单元5，踝关节单元3通过侧板单元2与足底单元1通过螺钉可拆卸连接，捆绑单元5与足底单元1和踝关节单元3均可拆卸连接，踝关节单元3包括踝关节支撑座301，踝关节支撑座301包括一体成型的支撑台和挂耳，挂耳上开设有通孔，通孔内安装踝关节趾屈背曲转轴302和轴承使踝关节支撑座301以可转动方式装配在侧板单元2里，支撑台可拆卸连接储能单元，储能单元包括压簧管，压簧管内安装有压簧，压簧内穿有钢索，钢索一端通过钢索连接块固定在压簧端面上，另一端穿过压簧管通过钢索固定块固定在侧板单元上。其中，捆绑单元包括前捆绑单元502、后捆绑单元503和小腿捆绑单元501，前捆绑单元502连接刚性前脚掌103的两侧，后捆绑单元503连接刚性后脚掌102与侧板单元2，小腿捆绑单元501连接小腿杆连接件310，捆绑单元5采用柔性绑带，能够实现为踝关节提供内旋外旋自由度，提高穿戴舒适感并且实现穿戴方便的功能。储能单元包括背屈储能单元和跖屈储能单元，两个储能单元均与支撑台可拆卸连接。

如图2-4所示，足底单元1包括第一足底板软垫101、刚性后脚掌102、刚性前脚掌103、第一板簧104、第二板簧105、第三板簧106、第一压力传感器107、第二压力传感器108、第二足底板软垫109、脚部固定块110；第一板簧104一端通过螺钉穿过第一底孔10208、第二底孔10209与刚性后脚掌102连接，一端通过螺钉穿过第三底孔10307、第四底孔10309与刚性前脚跟103螺纹连接；第二板簧105一端通过螺钉穿过第五底孔10201、第六底孔10202、第七底孔10202与刚性后脚掌102螺纹连接，一端通过螺钉穿过第八底孔10303、第九底孔10304、第十底孔10305与刚性前脚跟301螺纹连接；第三板簧106一端通过螺钉穿过第十一底孔10205、第十二底孔10206与刚性后脚掌102连接，一端通过螺钉穿过第十三底孔10302、第十四底孔10303与刚性前脚跟103连接；第一压力传感器107、第二压力传感器108分别通过第十五底孔10310、第十六底孔10207与刚性前脚跟301、刚性后脚掌102连接；脚部固定块110通过螺钉穿过第十七底孔10210、第十八底孔10211、第十九底孔10212与刚性后脚掌102连接；第一足底板软垫101、第二足底板软垫109通过刚性前脚跟103和刚性后脚掌102的下表面和上表面胶合连接。

如图5所示，侧板单元2通过螺钉穿过第一侧孔201、第二侧孔202、第三侧孔203与刚性后脚掌102的第一侧孔10213、第二侧孔10214、第三侧孔10215通过螺纹连接；踝关节趾屈背曲转轴302穿过第二套筒306、第四侧孔208，第一套筒305将侧板单元2轴向固定，踝关节趾屈背曲转轴302与侧板单元2的第四侧孔208过盈配合；通过螺钉穿过背屈钢索固定块402的底孔40201与第五侧孔205，将背屈钢索固定块402与侧板单元2连接，通过螺钉穿过趾屈钢索固定块601的底孔60101与第六侧孔206，将跖屈钢索固定块601与侧板单元2连接。

如图6所示，踝关节单元3包括了踝关节支撑座301、踝关节趾屈背曲转轴302、挡圈303、第一轴承304、第一套筒305、第二套筒306、第二轴承307、第一板簧308、第二板簧309、小腿杆连接件310；踝关节趾屈背曲转轴302依次穿过第二轴承307、第二套筒306、侧板单元2、第一套筒305、第一轴承304、挡圈303连接，第二轴承307右端面紧贴踝关节趾屈背曲转轴302右轴梯，第二轴承307左端面与第二套筒306右端面重合，第一轴承304右端面紧贴踝关节趾屈背曲转轴302左轴梯重合，第一轴承304左端面与挡圈303右端面重合，第一套筒305左端面与第一轴承304右端面紧贴，第一套筒305右端面与侧板单元2左端面紧贴，第二套筒306左端面与侧板单元2右端面紧贴；第一轴承304、第二轴承307穿过第一侧孔30105、第二侧孔30104和踝关节支撑座301过盈连接；第二板簧309通过螺钉穿过第三侧孔30901与小腿杆连接件310连接，通过螺钉穿过第四侧孔30902与踝关节支撑座301连接。

如图7所示，背屈储能单元4包括了背屈管401、背屈钢索固定块402、背屈钢索403、背屈管404、背屈管顶盖405、背屈止压杆406、背屈钢索连接块407；背屈钢索403穿过背屈钢索连接块407的缺口，通过上端面40301与背屈钢索连接块407的凹面40701连接，背屈钢索连接块407通过下表面与背屈止压杆406连接，背屈钢索403穿过背屈管404、背屈止压杆406，背屈管404放置于背屈管401内部；背屈钢索403通过下端面40302与背屈钢索固定块402连接，背屈钢索固定块402通过第一底孔40201与侧板单元2连接；背屈管401通过第一螺纹孔40101与踝关节支撑座301及背屈管顶盖405连接。

如图8所示，跖屈储能单元6包括了跖屈钢索固定块601、跖屈钢索602、跖屈钢索603、跖屈压簧603、跖屈管604、跖屈止压杆605、跖屈钢索连接块606、跖屈管顶盖607；跖屈钢索603穿过跖屈钢索连接块606的缺口，通过上端面60201与跖屈钢索连接块606的凹面60601连接，跖屈钢索连接块606通过下表面与跖屈止压杆605连接，跖屈钢索603穿过跖屈压簧603、跖屈止压杆605，跖屈压簧603放置于跖屈管604内部；跖屈钢索603通过下端面60202与跖屈钢索固定块601连接，跖屈钢索固定块601通过第一底孔60101与侧板单元2连接；跖屈管604通过第一螺纹孔60401与踝关节支撑座301及跖屈管顶盖607连接。

在使用本发明时，足底单元为分离式弹性结构，包括脚部固定块、刚性后脚掌、第一压力传感器、第一足底板软垫、第一板簧、刚性前脚掌、第二压力传感器、第二板簧、第三板簧、第二足底板软垫；刚性后脚跟与刚性前脚掌通过第一板簧、第二板簧、第三板簧组合连接，通过板簧自身韧性大可实现辅助状态自动恢复功能，刚性后脚跟与刚性前脚掌上表面和下表面分别安装第一足底板软垫、第二足底板软垫，与地面接触时具有一定的减震能力，并对人体和下肢外骨骼机器人提供一定支撑力。侧板单元为踝关节单元提供部分支撑力，并通过刚性后脚跟与足底单元连接，且侧板单元与踝关节单元、足底单元在底部侧面依次连接，踝关节部分支撑力直接传递到地面；侧板单元为背屈储能单元、跖屈储能单元的第一固定基座，且踝关节趾屈背曲转轴和第一套筒、第二套筒连接，将人体及外骨骼足部机构所受力转移到足底单元，进而传递到地面，实现提供支撑力和辅助康复训练的目的。踝关节单元包括踝关节支撑座、踝关节趾屈背曲转轴及挡圈、第一轴承、第一套筒、第二套筒、第二轴承、第一板簧、第二板簧、小腿杆连接件，踝关节趾屈背曲转轴依次第二轴承、第二套筒、侧板单元、第一套筒、第一轴承、挡圈，第二轴承与第一轴承的外圈与踝关节支撑座的侧孔过盈配合，内圈与踝关节趾屈背曲转轴过盈配合，侧板单元在第一套筒和第二套筒之间，运动时，足底单元带动侧板单元转动，带动踝关节趾屈背曲转轴转动，完成趾屈背曲运动自由度；踝关节支撑座通过第一板簧和第二板簧连接小腿杆连接件，运动时，由于板簧韧性大的特点，通过选择板簧的弹性模量来保证其变形在弹性变形范围内，来完成外展内收自由度；足部捆绑单元通过绑带柔性的特点可完成内旋外旋自由度；通过压簧最小长度和跖屈管顶盖和背曲管顶盖进行机械限位，其自由度运动范围为踝关节主要运动范围，且受背屈储能单元和趾屈储能单元限制。本发明储能单元包括背屈储能单元与趾屈储能单元，通过背屈管和跖屈管与踝关节支撑座连接，运动时分别完成背屈与跖屈被动储能。背屈储能单元还包括了背屈钢索、背屈钢索固定块、背屈钢索连接块；所述背屈钢索、背屈钢索连接块同轴心配合连接，背屈钢索上端与背屈钢索连接块面接触，背屈钢索下端与背屈钢索固定块面接触，背屈钢索固定块与侧板单元固定。背屈运动时，足底单元转动带动侧板单元转动，进而带动背屈钢索固定块一起运动，拉动背屈钢索运动，进而背屈钢索连接块向下运动，从而改变背屈管的伸长量，完成背屈储能，并在储能完成后释放能量实现外骨骼助力功能。背屈储能单元还包括了背屈管、背屈止压杆。背屈管位于背屈钢索和背屈管之间，背屈管上端与背屈止压杆接触，背屈管下端与踝关节支撑座接触。该背屈管初始状态为背屈止压杆处于竖直方向，踝关节处于自然垂直状态，背屈管预紧力大于等于零。该背屈储能单元在背屈运动时由于踝关节支撑座和背屈止压杆的限制完成储能功能，在趾屈运动时背屈管自动回复初始状态呈自由平衡状态。趾屈储能单元还包括了趾屈钢索、趾屈钢索固定块、趾屈钢索连接块；所述趾屈钢索、趾屈钢索连接块同轴心配合连接，趾屈钢索上端与趾屈钢索连接块面接触，趾屈钢索下端与趾屈钢索固定块面接触，趾屈钢索固定块与侧板单元固定。趾屈运动时，侧板单元转动带动趾屈钢索固定块一起运动，拉动趾屈钢索运动，进而趾屈钢索连接块向下运动，从而改变趾屈压簧的伸长量，完成趾屈储能，并在储能完成后释放能量实现外骨骼助力功能。趾屈储能单元还包括了趾屈压簧、趾屈止压杆。趾屈压簧位于趾屈钢索和趾压簧管之间，趾屈压簧上端与趾屈止压杆接触，趾屈压簧下端与踝关节支撑座接触。该趾屈压簧初始状态为趾屈止压杆处于竖直方向，踝关节处于自然垂直状态，趾屈压簧预紧力大于等于零。该趾屈储能单元在趾屈运动时由于踝关节支撑座和趾屈止压杆的限制完成储能功能，在背屈运动时趾屈压簧自动回复初始状态呈自由平衡状态。

Claims (10)

1.一种多自由度储能足部机构，其特征在于，包括足底单元(1)、侧板单元(2)、踝关节单元(3)和捆绑单元(5)，所述踝关节单元(3)通过侧板单元(2)与足底单元(1)可拆卸连接，所述捆绑单元(5)与足底单元(1)和踝关节单元(3)均可拆卸连接，所述踝关节单元(3)包括踝关节支撑座(301)，所述踝关节支撑座(301)包括一体成型的支撑台和挂耳，所述挂耳上开设有通孔，所述通孔内安装踝关节趾屈背曲转轴(302)和轴承使踝关节支撑座(301)以可转动方式装配在侧板单元(2)里，所述支撑台可拆卸连接储能单元，所述储能单元包括压簧管，所述压簧管内安装有压簧，所述压簧内穿有钢索，钢索一端通过钢索连接块固定在压簧端面上，另一端穿过压簧管通过钢索固定块固定在侧板单元(2)上。

2.根据权利要求1所述的多自由度储能足部机构，其特征在于，所述足底单元(1)包括前脚掌(103)和后脚掌(102)，所述前脚掌(103)和后脚掌(102)通过板簧可拆卸连接在一起。

3.根据权利要求2所述的多自由度储能足部机构，其特征在于，所述前脚掌(103)和后脚掌(102)上均设置有压力传感器，所述前脚掌(103)和后脚掌(102)连接在一起后可拆卸覆盖有两层足底软垫。

4.根据权利要求1所述的多自由度储能足部机构，其特征在于，所述侧板单元(2)一端通过螺钉固定在足底单元(1)上，另一端开设有与踝关节趾屈背曲转轴(302)适配的通孔。

5.根据权利要求1所述的多自由度储能足部机构，其特征在于，所述踝关节单元(3)通过板簧连接有小腿杆连接件(310)。

6.根据权利要求1所述的多自由度储能足部机构，其特征在于，所述踝关节趾屈背曲转轴(302)外套有套筒。

7.根据权利要求1所述的多自由度储能足部机构，其特征在于，所述支撑台通过螺纹孔与所述压簧管连接。

8.根据权利要求5所述的多自由度储能足部机构，其特征在于，所述捆绑单元(5)为柔性捆绑单元，且包括前脚捆绑单元(502)、后脚捆绑单元(503)和小腿捆绑单元(501)，所述前脚前脚捆绑单元(502)和后脚捆绑单元(503)捆绑在足部单元(1)上，所述小腿捆绑单元(501)捆绑在小腿杆连接件(310)上。

9.根据权利要求1所述的多自由度储能足部机构，其特征在于，所述压簧通过卡台卡在钢索连接块上，所述钢索连接块与压簧之间设置有止压杆。

10.根据权利要求1所述的多自由度储能足部机构，其特征在于，所述储能单元包括背屈储能单元(4)和跖屈储能单元(6)，两个储能单元均与支撑台可拆卸连接。