CN110292507B - 一种踝关节助力外骨骼 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种踝关节助力外骨骼，包括动力机构、离合器、外骨骼框架脚蹬、外骨骼框架，动力机构和离合器安装在外骨骼框架上，外骨骼框架脚蹬与外骨骼框架为活动连接；动力机构包括第一驱动机构、齿轮组、传动轴、卷簧、卷簧内圈、卷簧外圈、绳子，齿轮组包括主动齿轮和从动齿轮，第一驱动机构的输出轴驱动主动齿轮进行转动，从动齿轮能够带动传动轴进行转动，传动轴与卷簧内圈相连。本发明的有益效果是：本发明结合踝关节外骨骼机助力阶段时间短、功率高的特点，采用峰值功率放大机制，在非助力阶段，利用储能元件卷簧存储小功率的减速电机输出的功率，在助力阶段集中释放，进而可选择质量轻体积小的小功率电机，其附属机构质量也同样的减小。
Description
技术领域
本发明涉及机电技术领域，尤其涉及一种踝关节助力外骨骼。
背景技术
随着社会发展和科技进步，人类开始追求利用外部设备来辅助人类在日常生活中所遇到的繁重复杂的工作。外骨骼作为一种人体穿戴设备，是将步态分析、机电一体化、生物力学等诸多领域融合而成的新型机器人，可广泛的应用于军事、医疗和助老等领域。在军事邻域中可提高单兵作战能力，增强负重能力，增长徒步距离；在医疗领域可帮助患者步态康复和残疾人的辅助行走；在助老领域可辅助由于年老而肢体运动障碍的老年人出行。目前，下肢外骨骼的研究依然存在很多挑战，现有传统主动式外骨骼自身质量大，给人体带来较多的额外负重，造成更多的额外的新陈代谢消耗；而造成现有外骨骼自身体积质量大的一个主要原因是外骨骼助力电机的功率大，进而造成相应的配套驱动、支架、电池等体积质量加大。
被动外骨骼体积小质量轻，利用人体行走规律将能量巧妙地收集起来用于助力，提升能量利用率，降低行走能耗，其具有优良的人际协调性。但由于没有外界能量的注入，所提供的助力始终是有限的，无法进一步提高。
主动式刚性外骨骼一般采用直接助力，可提供足够高的助力功率，因而对电机功率要求高，一般其重量较大，人机调性差，穿戴的便携性及舒适性较低，大都难以降低行走能耗。主动式柔性外骨骼可较好的减轻质量，提高人机协调性，但由于行走过程中柔性材料的变形使助力效果降低，并且由于人体皮肤不可长时间承受过高的压力，因而绷带的松紧程度要控制在合适范围内，降低人体在运动过程中柔性外骨骼的滑移。
在现有的可穿戴外骨骼机器人中，主动式刚性外骨骼机器人大都采用高功率的电机直接助力，即在脚蹬地的阶段为踝关节助力，由于高功率的电机及其附属结构体积质量大，因而穿戴性便捷性较低，造成外骨骼关节运动与人体关节运动协调性低，难以适用于日常生活中常见的各种复杂环境；又因采用高功率电机，若在穿戴使用过程中发生意外会对人体造成较大损伤。
发明内容
本发明提供了一种踝关节助力外骨骼，包括动力机构、离合器、外骨骼框架脚蹬、外骨骼框架，所述动力机构和所述离合器安装在所述外骨骼框架上，所述外骨骼框架脚蹬与所述外骨骼框架为活动连接；所述动力机构包括第一驱动机构、齿轮组、传动轴、卷簧、卷簧内圈、绳子，所述齿轮组包括主动齿轮和从动齿轮，所述第一驱动机构的输出轴驱动所述主动齿轮进行转动，所述从动齿轮能够带动所述传动轴进行转动，所述传动轴与所述卷簧内圈相连，所述卷簧内圈与所述卷簧安装在一起，通过所述传动轴的转动带动所述卷簧内圈进行转动，从而使卷簧储能；所述离合器与所述从动齿轮相连，所述离合器能够驱动所述从动齿轮进行移动，从而使所述主动齿轮与所述从动齿轮进行啮合或分离；所述卷簧内圈设有滑轮，所述绳子一端与所述滑轮相连，所述绳子另一端与所述外骨骼框架脚蹬相连；当所述主动齿轮与所述从动齿轮啮合在一起时，所述主动齿轮带动所述从动齿轮进行转动，从而使卷簧储能；当所述主动齿轮与所述从动齿轮分离时，所述卷簧释放能量，从而使所述绳子拉动所述外骨骼框架脚蹬；所述动力机构还包括使所述第一驱动机构的输出轴只能进行单向转动的限制机构。
作为本发明的进一步改进，所述限制机构为单向滚针轴承，所述单向滚针轴承与所述第一驱动机构的输出轴配合，保证在所述第一驱动机构停止工作时，所述第一驱动机构的输出轴不会反向转动。
作为本发明的进一步改进，所述第一驱动机构为减速电机，所述绳子为钢丝绳，所述齿轮组为锥齿轮组，所述主动齿轮为主动锥齿轮，所述从动齿轮为从动锥齿轮；该动力机构还包括卷簧外圈，所述卷簧内圈与所述卷簧外圈相连，所述圈簧位于所述卷簧外圈内部。
作为本发明的进一步改进，所述减速电机的输出轴与主动锥齿轮通过销连接，从动锥齿轮内孔为方孔，从动锥齿轮的方孔与传动轴轴肩左侧的方轴配合，从动锥齿轮可沿传动轴有一定的轴向位移；传动轴轴肩右侧作为定位，通过一带法兰滚珠轴承与外骨骼框架配合。
作为本发明的进一步改进，所述外骨骼框架脚蹬与所述外骨骼框架通过铰链连接，铰链位置的回转中心点与踝关节重合。
作为本发明的进一步改进，该踝关节助力外骨骼还包括绑带，所述绑带安装在所述外骨骼框架上。
作为本发明的进一步改进，所述离合器包括第二驱动机构、连杆、曲柄，所述第二驱动机构能够带动所述曲柄进行转动，所述曲柄与所述连杆为活动连接，所述连杆与所述从动齿轮为活动连接，通过所述第二驱动机构带动所述曲柄和所述连杆活动，从而使从动齿轮进行轴向位移。
作为本发明的进一步改进，所述曲柄与所述连杆之间的活动连接位置处设有限位挡块，在曲柄与连杆成水平直线时，在轴向方向产生死点。
作为本发明的进一步改进，所述第二驱动机构是舵机。
作为本发明的进一步改进，所述曲柄与连杆通过铰链连接，所述连杆与所述从动齿轮通过球铰链连接；该踝关节助力外骨骼还包括电池，电池分别与第一驱动机构和第二驱动机构相连，通过电池给第一驱动机构和第二驱动机构提供电能。
本发明的有益效果是：本发明结合踝关节外骨骼机助力阶段时间短、功率高的特点，采用峰值功率放大机制，在非助力阶段，利用储能元件卷簧存储小功率的减速电机输出的功率，在助力阶段集中释放，进而可选择质量轻体积小的小功率电机，其附属机构质量也同样的减小。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的动力机构与离合器的工作原理图。
具体实施方式
本发明的目的是提出一种峰值功率放大的轻型踝关节外骨骼助力机构，该踝关节外骨骼助力机构考虑到直接助力外骨骼在一个步态周期中仅在脚蹬地时提供助力，其助力特点为时间短、功率高，做功时间仅为整个步态周期18％左右，无法较好的利用电机的输出功率，但若借助弹簧等储能机构存储电机在其余82％步态周期的时间内做的功，在需要助力时刻集中释放，可大大降低对电机功率的要求。
本发明公开了一种踝关节助力外骨骼，包括动力机构、离合器、外骨骼框架脚蹬1、外骨骼框架2，所述动力机构和所述离合器安装在所述外骨骼框架2上，所述外骨骼框架脚蹬1与所述外骨骼框架2为活动连接，所述动力机构包括第一驱动机构、齿轮组7、传动轴12、卷簧11、卷簧内圈10、绳子5，所述齿轮组7包括主动齿轮和从动齿轮，所述第一驱动机构的输出轴驱动所述主动齿轮进行转动，所述从动齿轮能够带动所述传动轴12进行转动，所述传动轴12与所述卷簧内圈10相连，所述卷簧内圈10与所述卷簧11安装在一起，通过所述传动轴12的转动带动所述卷簧内圈10进行转动，从而使卷簧11储能；所述离合器与所述从动齿轮相连，所述离合器能够驱动所述从动齿轮进行移动，从而使所述主动齿轮与所述从动齿轮进行啮合或分离；所述卷簧内圈10设有滑轮，所述绳子5一端与所述滑轮相连，所述绳子5另一端与所述外骨骼框架脚蹬1相连；当所述主动齿轮与所述从动齿轮啮合在一起时，所述主动齿轮带动所述从动齿轮进行转动，从而使卷簧11储能；当所述主动齿轮与所述从动齿轮分离时，所述卷簧11释放能量，从而使所述绳子5拉动所述外骨骼框架脚蹬1；所述动力机构还包括使所述第一驱动机构的输出轴只能进行单向转动的限制机构。
所述限制机构为单向滚针轴承，所述单向滚针轴承与所述第一驱动机构的输出轴配合，保证在所述第一驱动机构停止工作时，所述第一驱动机构的输出轴不会反向转动。
所述第一驱动机构可以是电机或者减速电机4，绳子5优选为钢丝绳。
所述第一驱动机构为减速电机4，所述绳子5为钢丝绳，所述齿轮组7为锥齿轮组，所述主动齿轮为主动锥齿轮，所述从动齿轮为从动锥齿轮；该动力机构还包括卷簧外圈8，所述卷簧内圈10与所述卷簧外圈8相连，所述圈簧11位于所述卷簧外圈8内部。
减速电机4的输出轴与单向滚针轴承配合，保证减速电机4停止工作时，卷簧11存储的能量不浪费。
减速电机4的输出轴与主动锥齿轮通过销连接，从动锥齿轮内孔为方孔，从动锥齿轮的方孔与传动轴12轴肩左侧的方轴配合，从动锥齿轮可沿传动轴12有一定的轴向位移；传动轴12轴肩右侧作为定位，通过一带法兰滚珠轴承与外骨骼框架2配合。
传动轴12通过花键带动卷簧11转动存储能量，在传动轴12的末端通过内六角螺母9紧固，固定传动轴12的位置。动力机构的稳定工作很大一部分依赖于外骨骼框架2的支撑以及准确的定位。
动力机构包含两种工作状态：(1)储能阶段，即踝关节的非助力阶段，减速电机4通过锥齿轮组和传动轴12输出扭矩，转动卷簧内圈10使卷簧11储能，此时钢丝绳处于松弛状态，离合器是闭合状态；(2)卷簧11释放能量阶段，即踝关节的助力阶段，在该阶段开始前，先由减速电机4停止工作由单向滚针轴承保持卷簧11存储的能量，继而由离合器控制从动锥齿轮，使锥齿轮组失去啮合，此时卷簧11便会释放能量带动钢丝绳为踝关节提供助力，此时离合器是打开状态。
所述外骨骼框架脚蹬1与所述外骨骼框架2通过铰链连接，铰链位置的回转中心点与踝关节大致重合，从而提高助力的准确性。
所述外骨骼框架脚蹬1依据不同需求，可穿戴在鞋内部或嵌在鞋脚后跟的外部；外骨骼框架脚蹬1可通过铰链对外骨骼框架2进行一定的支撑，以减小外骨骼框架2对人体腿部的压强及摩擦力，同时也可减小工作过程中外骨骼框架2对人体腿部的反作用力。
该踝关节助力外骨骼还包括绑带3，所述绑带3安装在所述外骨骼框架2上，绑带3用于固定外骨骼，使外骨骼稳定的工作。
外骨骼框架2主要作用是支撑动力机构与离合器以及替腿部承受外骨骼在助力过程对腿部的反作用力，减轻对腿部肌肉的作用力。穿戴完毕后，可通过绳子5对踝关节进行助力。
所述离合器包括第二驱动机构、轴用挡圈13、连杆14、曲柄15，所述第二驱动机构能够带动所述曲柄15进行转动，所述曲柄15与所述连杆14为活动连接，所述连杆14与所述从动齿轮为活动连接，通过所述第二驱动机构带动所述曲柄15和所述连杆14活动，从而使从动齿轮进行轴向位移。
所述第二驱动机构是舵机6，所述曲柄15与连杆14通过铰链连接，所述连杆14与所述从动齿轮通过球铰链连接。
离合器的工作原理是依据曲柄滑块，通过舵机6带动曲柄15的转动，使从动锥齿轮产生轴向位移，与原动力源切断释放卷簧11能量，或者使齿轮组7啮合传递扭矩给卷簧11储能。其中曲柄15与连杆14呈水平直线时，在轴向方向产生死点，可克服锥齿轮所产生的轴向力，使齿轮组稳定啮合传递扭矩，同时在曲柄15上安装有限位挡块，可保证其稳定的处于死点位置。
曲柄15为舵机6的摆臂，连杆14与滑块通过球铰链连接，从动锥齿轮相当于滑块。离合器主要作用就是切换动力机构的两种工作状态，在离合器闭合状态下，由于曲柄15与连杆14之间的铰链设有限位挡块，在曲柄15与连杆14成水平直线时形成死点，可承受锥齿轮产生的较大轴向力，使锥齿轮组稳定啮合，将减速电机4输出功率给卷簧11存储能量；在离合器打开的状态下，舵机6的摆臂将转动一定角度，使从动锥齿轮沿传动轴12轴向移动，锥齿轮组失去啮合，继而卷簧11释放能量为踝关节助力。
该踝关节助力外骨骼还包括电池，电池分别与减速电机4和舵机6相连，通过电池给减速电机4和舵机6提供电能。
外骨骼框架2作为与人体穿戴配合的部分，且又作为踝关节助力外骨骼整体的支架，其部分由碳纤维材料制作，在满足支撑强度的同时可以更好的贴合人体，减小助力过程中踝关节助力外骨骼与人体之间的滑移。
本发明的踝关节助力外骨骼结合人体步态周期特点，在非助力阶段通过具有良好储能性质的储能元件卷簧11存储减速电机4输出的能量，在脚蹬地阶段集中释放能量辅助踝关节拓屈蹬地，从而实现峰值功率的放大，降低对电机功率要求，继而可采用更小更轻的配套系统。
本发明的踝关节助力外骨骼的设计旨在减轻踝关节外骨骼的质量，提高穿戴舒适性便捷性。提出能量的“零存整取”，即采用储能元件卷簧11存储小功率电机输出的能量，在需要助力时，再借助离合器适时的打开，释放卷簧11输出功率，实现与大功率电机同样的输出功率。借助卷簧11来存储减速电机4输出的能量是由于在相同的电机输出力矩条件下，卷簧11相较于弹簧可存储更多的能量，且卷簧11的输出力矩更加平稳。
综上，本发明具有如下有益效果：
1.本发明的踝关节助力外骨骼较传统主动式外骨骼的特点是轻量化，减小减轻外骨骼的体积质量，穿戴更具舒适性便携性，提高人机协调性，更好的降低人体行走时踝关节力矩，减少新陈代谢的消耗。
2.结合踝关节外骨骼机助力阶段时间短、功率高的特点，采用峰值功率放大机制，在非助力阶段，利用储能元件卷簧11存储小功率的减速电机4输出的功率，在助力阶段集中释放，进而可选择质量轻体积小的小功率电机，其附属机构质量也同样的减小。
3.本发明选择卷簧11作为储能机构，卷簧11具有比弹簧更好的储能性质，在同电机输出力矩下，卷簧11可存储更多的能量，其输出的工作特性曲线也更为平缓。
4.本发明的离合器控制是由舵机6来完成，其触发更加适时稳定。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种踝关节助力外骨骼，其特征在于：包括动力机构、离合器、外骨骼框架脚蹬（1）、外骨骼框架（2），所述动力机构和所述离合器安装在所述外骨骼框架（2）上，所述外骨骼框架脚蹬（1）与所述外骨骼框架（2）为活动连接；所述动力机构包括第一驱动机构、齿轮组（7）、传动轴（12）、卷簧（11）、卷簧内圈（10）、绳子（5），所述齿轮组（7）包括主动齿轮和从动齿轮，所述第一驱动机构的输出轴驱动所述主动齿轮进行转动，所述从动齿轮能够带动所述传动轴（12）进行转动，所述传动轴（12）与所述卷簧内圈（10）相连，所述卷簧内圈（10）与所述卷簧（11）安装在一起，通过所述传动轴（12）的转动带动所述卷簧内圈（10）进行转动，从而使卷簧（11）储能；所述离合器与所述从动齿轮相连，所述离合器能够驱动所述从动齿轮进行移动，从而使所述主动齿轮与所述从动齿轮进行啮合或分离；所述卷簧内圈（10）设有滑轮，所述绳子（5）一端与所述滑轮相连，所述绳子（5）另一端与所述外骨骼框架脚蹬（1）相连；当所述主动齿轮与所述从动齿轮啮合在一起时，所述主动齿轮带动所述从动齿轮进行转动，从而使卷簧（11）储能；当所述主动齿轮与所述从动齿轮分离时，所述卷簧（11）释放能量，从而使所述绳子（5）拉动所述外骨骼框架脚蹬（1）；所述动力机构还包括使所述第一驱动机构的输出轴只能进行单向转动的限制机构；
所述限制机构为单向滚针轴承，所述单向滚针轴承与所述第一驱动机构的输出轴配合，保证在所述第一驱动机构停止工作时，所述第一驱动机构的输出轴不会反向转动；
所述第一驱动机构为减速电机（4），所述绳子（5）为钢丝绳，所述齿轮组（7）为锥齿轮组，所述主动齿轮为主动锥齿轮，所述从动齿轮为从动锥齿轮；该动力机构还包括卷簧外圈（8），所述卷簧内圈（10）与所述卷簧外圈（8）相连，所述卷簧（11）位于所述卷簧外圈（8）内部。
2.根据权利要求1所述的踝关节助力外骨骼，其特征在于：所述减速电机（4）的输出轴与主动锥齿轮通过销连接，从动锥齿轮内孔为方孔，从动锥齿轮的方孔与传动轴（12）轴肩左侧的方轴配合，从动锥齿轮可沿传动轴（12）有一定的轴向位移；传动轴（12）轴肩右侧作为定位，通过一带法兰滚珠轴承与外骨骼框架（2）配合。
3.根据权利要求1所述的踝关节助力外骨骼，其特征在于：所述外骨骼框架脚蹬（1）与所述外骨骼框架（2）通过铰链连接，铰链位置的回转中心点与踝关节重合。
4.根据权利要求1所述的踝关节助力外骨骼，其特征在于：该踝关节助力外骨骼还包括绑带（3），所述绑带（3）安装在所述外骨骼框架（2）上。
5.根据权利要求1至4任一项所述的踝关节助力外骨骼，其特征在于：所述离合器包括第二驱动机构、连杆（14）、曲柄（15），所述第二驱动机构能够带动所述曲柄（15）进行转动，所述曲柄（15）与所述连杆（14）为活动连接，所述连杆（14）与所述从动齿轮为活动连接，通过所述第二驱动机构带动所述曲柄（15）和所述连杆（14）活动，从而使从动齿轮进行轴向位移。
6.根据权利要求5所述的踝关节助力外骨骼，其特征在于：所述曲柄（15）与所述连杆（14）之间的活动连接位置处设有限位挡块，在曲柄（15）与连杆（14）成水平直线时，在轴向方向产生死点。
7.根据权利要求5所述的踝关节助力外骨骼，其特征在于：所述第二驱动机构是舵机（6）。
8.根据权利要求5所述的踝关节助力外骨骼，其特征在于：所述曲柄（15）与连杆（14）通过铰链连接，所述连杆（14）与所述从动齿轮通过球铰链连接；该踝关节助力外骨骼还包括电池，电池分别与第一驱动机构和第二驱动机构相连，通过电池给第一驱动机构和第二驱动机构提供电能。
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