CN109528440B - 一种基于远心机构的下肢外骨骼踝关节 - Google Patents

一种基于远心机构的下肢外骨骼踝关节 Download PDF

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Abstract

一种基于远心机构的下肢外骨骼踝关节,它涉及一种下肢外骨骼。本发明解决了现有的下肢外骨骼踝关节的穿戴者在运动时舒适感差以及抬腿和落地的过程中也会造成不适感的问题。碳纤维小腿杆的下端连接有小腿杆连接件,小腿杆连接件的下端与踝关节连接件通过踝关节轴转动连接,所述下肢外骨骼踝关节还包括远心机构,远心机构包括第一连杆组件、第二连杆组件和多个连接轴,第一连杆组件的一端与踝关节连接件通过连接轴转动连接,第一连杆组件的另一端与第二连杆组件的一端通过连接轴转动连接,第二连杆组件的另一端与踝关节底座通过连接轴转动连接,踝关节底座设置在足底压力鞋上。本发明用于下肢外骨骼机器人助力行走、下肢康复和上下楼梯。

Description

一种基于远心机构的下肢外骨骼踝关节
技术领域
本发明涉及一种下肢外骨骼踝关节,具体涉及一种基于远心机构的下肢外骨骼踝关节。
背景技术
外骨骼机器人是一种融合了传感技术、控制技术等多种技术的可穿戴设备,特别地,下肢外骨骼机器人是一种与人体下肢结构相类似的的外骨骼机器人,能够帮助穿戴者实现助力行走、下肢康复、上下楼梯等动作。
下肢外骨骼机器人主要髋关节、膝关节与踝关节构成,其中踝关节作为下肢外骨骼整体与足底压力鞋的连接,是结构设计中很重要的一部分,踝关节主要包括了三个自由度:矢状面内的跖屈、背屈,冠状面内的外翻、内翻,以及横截面内的外旋、内旋。
目前,现有的下肢外骨骼踝关节只有跖屈/背屈自由度与人体的旋转中心重合,而冠状面内的外翻/内翻自由度的旋转中心是与人体的旋转中心不重合的,这会造成穿戴者在进行此自由度的运动时极其不舒适。同时在行走过程中,由于压力鞋存在一定重量,所以在抬腿和落地的过程中会对脚踝有压迫,时间长后也会造成不适感。
综上,现有的下肢外骨骼踝关节的穿戴者在运动时舒适感差以及抬腿和落地的过程中会对脚踝有压迫也会造成不适感。
发明内容
本发明为解决现有的下肢外骨骼踝关节的穿戴者在运动时舒适感差以及抬腿和落地的过程中也会造成不适感的问题,进而提供一种基于远心机构的下肢外骨骼踝关节。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是:
本发明的基于远心机构的下肢外骨骼踝关节包括碳纤维小腿杆1、小腿杆连接件2、踝关节连接件3、踝关节轴4、踝关节底座12和足底压力鞋,碳纤维小腿杆1的下端连接有小腿杆连接件2,小腿杆连接件2的下端与踝关节连接件3通过踝关节轴4转动连接,所述下肢外骨骼踝关节还包括远心机构,远心机构包括第一连杆组件、第二连杆组件和多个连接轴11,第一连杆组件的一端与踝关节连接件3通过连接轴11转动连接,第一连杆组件的另一端与第二连杆组件的一端通过连接轴11转动连接,第二连杆组件的另一端与踝关节底座12通过连接轴11转动连接,踝关节底座12设置在足底压力鞋上。
进一步地,第一连杆组件包括第一连杆5、第二连杆6和两个第一连接片8,第一连杆5与第二连杆6平行且相对设置,第一连杆5的长度小于第二连杆6的长度,第一连杆5和第二连杆6的一端均通过一个连接轴11与踝关节连接件3转动连接,第一连杆5的另一端与第二连杆6的中部通过两个第一连接片8和两个连接轴11连接;第二连杆组件包括第三连杆7、第四连杆10和两个第二连接片9,第三连杆7和第四连杆10平行且相对设置,第三连杆7的长度小于第四连杆10的长度,第三连杆7和第四连杆10的一端均通过一个连接轴11与踝关节底座12转动连接,第三连杆7的另一端与第一连杆5所述的另一端通过一个连接轴11转动连接,第四连杆10的另一端与第二连杆6的另一端通过一个连接轴11转动连接,第三连杆7所述的另一端通过两个第二连接片9与第四连杆10连接。
进一步地,足底压力鞋包括后跟挡板13、后绑带14、两个后绑带架15、两个后绑带架座16、前绑带17、两个前绑带架18、两个前绑带架座19、上层鞋底20、中层鞋底21和下层鞋底22,上层鞋底20、中层鞋底21和下层鞋底22由上至下依次设置,前绑带架座19和后绑带架座16前后对应设置在鞋底两侧,每个前绑带架座19上设置有一个前绑带架18,每个后绑带架座16上设置有一个后绑带架15,两个后绑带架15之间设置有后绑带14,两个前绑带架18之间设置有前绑带17,后跟挡板13设置在鞋底的后侧。
进一步地,下层鞋底22为橡胶材料鞋底。
进一步地,中层鞋底21由前后两部分鞋底组成,中层鞋底21的前后两部分通过合页连接,中层鞋底21通过多个内六角圆柱头螺钉固定在下层鞋底22的上端面上。
进一步地,上层鞋底20由前后两部分鞋底组成,上层鞋底20的前部分通过螺钉固装在中层鞋底21的前部,上层鞋底20的后部分通过螺钉固装在中层鞋底21的后部。
进一步地,第一连杆组件和第二连杆组件均为平行四边形机构。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果:
本发明的基于远心机构的下肢外骨骼踝关节通过远心机构将转动中心置于人体踝关节内外翻转动点,实现了外骨骼踝关节转动中心与踝关节转动中心重合,从而协助人体绕远心点内外翻运动,避免了外骨骼踝关节内外翻转动中心与人体踝关节转动中心不重合的问题,提高人体穿戴外骨骼的舒适性;同时在抬腿和落地的过程中减轻了对脚踝的压迫,时间长后也不会造成脚踝的不适感。
附图说明
图1是本发明的基于远心机构的下肢外骨骼踝关节的整体结构立体图;
图2是本发明的远心结构原理示意图。
具体实施方式
具体实施方式一:如图1~2所示,本实施方式的基于远心机构的下肢外骨骼踝关节包括碳纤维小腿杆1、小腿杆连接件2、踝关节连接件3、踝关节轴4、踝关节底座12和足底压力鞋,碳纤维小腿杆1的下端连接有小腿杆连接件2,小腿杆连接件2的下端与踝关节连接件3通过踝关节轴4转动连接,所述下肢外骨骼踝关节还包括远心机构,远心机构包括第一连杆组件、第二连杆组件和多个连接轴11,第一连杆组件的一端与踝关节连接件3通过连接轴11转动连接,第一连杆组件的另一端与第二连杆组件的一端通过连接轴11转动连接,第二连杆组件的另一端与踝关节底座12通过连接轴11转动连接,踝关节底座12设置在足底压力鞋上。
具体实施方式二:如图1所示,本实施方式第一连杆组件包括第一连杆5、第二连杆6和两个第一连接片8,第一连杆5与第二连杆6平行且相对设置,第一连杆5的长度小于第二连杆6的长度,第一连杆5和第二连杆6的一端均通过一个连接轴11与踝关节连接件3转动连接,第一连杆5的另一端与第二连杆6的中部通过两个第一连接片8和两个连接轴11连接;第二连杆组件包括第三连杆7、第四连杆10和两个第二连接片9,第三连杆7和第四连杆10平行且相对设置,第三连杆7的长度小于第四连杆10的长度,第三连杆7和第四连杆10的一端均通过一个连接轴11与踝关节底座12转动连接,第三连杆7的另一端与第一连杆5所述的另一端通过一个连接轴11转动连接,第四连杆10的另一端与第二连杆6的另一端通过一个连接轴11转动连接,第三连杆7所述的另一端通过两个第二连接片9与第四连杆10连接。如此设计,通过远心机构将转动中心置于人体踝关节内外翻转动点,实现了外骨骼踝关节转动中心与踝关节转动中心重合,从而协助人体绕远心点内外翻运动,避免了外骨骼踝关节内外翻转动中心与人体踝关节转动中心不重合的问题。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
如图2所示,其中踝关节基座12上连接第三连杆7和第四连杆10的转动点为A和A',踝关节连接件3上连接第一连杆5和第二连杆6的转动点为C和C',AA'和CC'相交于点O;
第一连杆5与第一连接片8的转动点为S,第二连杆6连接第一连接片8的转动点为R,
第三连杆7连接第二连接片9的转动点为P,第四连杆10连接第二连接片9的转动点为Q;
O为远心点,杆件PQ、RS分别与AA'、CC'相平行,则当杆件AA'固定时CC'能够绕着远心点O旋转;在矢状面内,该机构与水平面成41°,在冠状面内,与竖直平面夹角为23°,该自由度的运动角度范围为正负20°。
具体实施方式三:如图1所示,本实施方式足底压力鞋包括后跟挡板13、后绑带14、两个后绑带架15、两个后绑带架座16、前绑带17、两个前绑带架18、两个前绑带架座19、上层鞋底20、中层鞋底21和下层鞋底22,上层鞋底20、中层鞋底21和下层鞋底22由上至下依次设置,前绑带架座19和后绑带架座16前后对应设置在鞋底两侧,每个前绑带架座19上设置有一个前绑带架18,每个后绑带架座16上设置有一个后绑带架15,两个后绑带架15之间设置有后绑带14,两个前绑带架18之间设置有前绑带17,后跟挡板13设置在鞋底的后侧。如此设计,使用者在穿戴下肢外骨骼时,
打开足底压力鞋的后绑带14和前绑带17,将后脚跟顶在后跟挡板13上,穿过前后绑带架,踩在鞋底上层,最后通过前后绑带的卡扣系紧,使得人体足部与足底压力鞋完全贴合。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四:如图1和2所示,本实施方式下层鞋底22为橡胶材料鞋底。如此设计,可以减缓地面对鞋底的冲击。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。
具体实施方式五:如图1和2所示,本实施方式中层鞋底21由前后两部分鞋底组成,中层鞋底21的前后两部分通过合页连接,中层鞋底21通过多个内六角圆柱头螺钉固定在下层鞋底22的上端面上。如此设计,中层鞋底21可以用来放置传感器。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。
具体实施方式六:如图1和2所示,本实施方式上层鞋底20由前后两部分鞋底组成,上层鞋底20的前部分通过螺钉固装在中层鞋底21的前部,上层鞋底20的后部分通过螺钉固装在中层鞋底21的后部。如此设计,可以分别由前后脚底支撑,人体前脚掌和后脚跟可以单独抬起,提高了足底活动的灵活性。其它组成及连接关系与具体实施方式四或五相同。
具体实施方式七:如图1和图2所示,本实施方式第一连杆组件和第二连杆组件均为平行四边形机构。如此设计,通过远心机构将转动中心置于人体踝关节内外翻转动点,实现了外骨骼踝关节转动中心与踝关节转动中心重合,从而协助人体绕远心点内外翻运动,避免了外骨骼踝关节内外翻转动中心与人体踝关节转动中心不重合的问题。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、四或五相同。
以上仅是本发明的优选实施方式,应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和等同替换,这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案,均落在本发明的保护范围。
工作原理:
使用者穿戴外骨骼时,打开足底压力鞋的后绑带14和前绑带17,将后脚跟顶在后跟挡板13上,穿过前后绑带架,踩在鞋底上层,最后通过前后绑带的卡扣系紧,使得人体足部与足底压力鞋完全贴合;当人体踝关节在矢状面内的跖屈、背屈,冠状面内的外翻、内翻,以及横截面内的外旋、内旋时,外骨骼的足底压力鞋在矢状面内的跖屈、背屈,冠状面内的外翻、内翻,以及横截面内的外旋、内旋的旋转中心均与人体的旋转中心重合的,避免了穿戴者在运动时的不舒适,同时减缓在抬腿和落地的过程中对脚踝的压迫,长时间使用也不会有不适感,符合人体工程学设计。

Claims (7)

1.一种基于远心机构的下肢外骨骼踝关节,所述下肢外骨骼踝关节包括碳纤维小腿杆(1)、小腿杆连接件(2)、踝关节连接件(3)、踝关节轴(4)、踝关节底座(12)和足底压力鞋,碳纤维小腿杆(1)的下端连接有小腿杆连接件(2),小腿杆连接件(2)的下端与踝关节连接件(3)通过踝关节轴(4)转动连接,其特征在于:所述下肢外骨骼踝关节还包括远心机构,远心机构包括第一连杆组件、第二连杆组件和多个连接轴(11),第一连杆组件的一端与踝关节连接件(3)通过连接轴(11)转动连接,第一连杆组件的另一端与第二连杆组件的一端通过连接轴(11)转动连接,第二连杆组件的另一端与踝关节底座(12)通过连接轴(11)转动连接,踝关节底座(12)设置在足底压力鞋上。
2.根据权利要求1所述的基于远心机构的下肢外骨骼踝关节,其特征在于:第一连杆组件包括第一连杆(5)、第二连杆(6)和两个第一连接片(8),第一连杆(5)与第二连杆(6)平行且相对设置,第一连杆(5)的长度小于第二连杆(6)的长度,第一连杆(5)和第二连杆(6)的一端均通过一个连接轴(11)与踝关节连接件(3)转动连接,第一连杆(5)的另一端与第二连杆(6)的中部通过两个第一连接片(8)和两个连接轴(11)连接;第二连杆组件包括第三连杆(7)、第四连杆(10)和两个第二连接片(9),第三连杆(7)和第四连杆(10)平行且相对设置,第三连杆(7)的长度小于第四连杆(10)的长度,第三连杆(7)和第四连杆(10)的一端均通过一个连接轴(11)与踝关节底座(12)转动连接,第三连杆(7)的另一端与第一连杆(5)所述的另一端通过一个连接轴(11)转动连接,第四连杆(10)的另一端与第二连杆(6)的另一端通过一个连接轴(11)转动连接,第三连杆(7)所述的另一端通过两个第二连接片(9)与第四连杆(10)连接。
3.根据权利要求1或2所述的基于远心机构的下肢外骨骼踝关节,其特征在于:足底压力鞋包括后跟挡板(13)、后绑带(14)、两个后绑带架(15)、两个后绑带架座(16)、前绑带(17)、两个前绑带架(18)、两个前绑带架座(19)、上层鞋底(20)、中层鞋底(21)和下层鞋底(22),上层鞋底(20)、中层鞋底(21)和下层鞋底(22)由上至下依次设置,前绑带架座(19)和后绑带架座(16)前后对应设置在鞋底两侧,每个前绑带架座(19)上设置有一个前绑带架(18),每个后绑带架座(16)上设置有一个后绑带架(15),两个后绑带架(15)之间设置有后绑带(14),两个前绑带架(18)之间设置有前绑带(17),后跟挡板(13)设置在鞋底的后侧。
4.根据权利要求3所述的基于远心机构的下肢外骨骼踝关节,其特征在于:下层鞋底(22)为橡胶材料鞋底。
5.根据权利要求3所述的基于远心机构的下肢外骨骼踝关节,其特征在于:中层鞋底(21)由前后两部分鞋底组成,中层鞋底(21)的前后两部分通过合页连接,中层鞋底(21)通过多个内六角圆柱头螺钉固定在下层鞋底(22)的上端面上。
6.根据权利要求4或5所述的基于远心机构的下肢外骨骼踝关节,其特征在于:上层鞋底(20)由前后两部分鞋底组成,上层鞋底(20)的前部分通过螺钉固装在中层鞋底(21)的前部,上层鞋底(20)的后部分通过螺钉固装在中层鞋底(21)的后部。
7.根据权利要求1、2、4或5所述的基于远心机构的下肢外骨骼踝关节,其特征在于:第一连杆组件和第二连杆组件均为平行四边形机构。
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