CN110370254B - 一种外骨骼弹性多自由度踝关节 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及穿戴外骨骼机器人领域，具体公开了一种外骨骼弹性多自由度踝关节，外骨骼小腿（1）、弹性连接件（2）和外骨骼鞋（3），所述的外骨骼小腿（1）连接弹性连接件（2），弹性连接件（2）连接外骨骼鞋（3），所述的弹性连接件（2）为弹簧，所述弹簧的弹簧丝（4）沿中心轴线呈椭圆螺旋缠绕成椭圆形弹簧。本发明的优点是结构简单，通过简单的结构实现了三个自由度的动作，降低了制造的成本，降低了装置的重量。
Description
技术领域
本发明涉及穿戴外骨骼机器人领域，特别是一种外骨骼弹性多自由度踝关节。
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，踩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，踩关节存在三个自由度；但是，市面上的弹性阻尼踝关节主要存在以下缺陷：1、受到体积和重量的限制，几乎只能做到在一个旋转自由度上有弹性支撑，很难做到2到3个自由度都有弹性阻尼；2、由于通过铰链进行自由度累加，转动中心错位，无法较好的贴合人体踝关节的转动，带来不舒适以及安全性问题；3、结构复杂，体积大，重量大；4、成本高；5、复合材料设计难度大，品控难，力度难控制；如专利号为201710978865.9的中国专利公开了一种三被动自由度外骨骼踩关节机构，其结构复杂，虽然也是提供了外骨骼踝关节的三个自由度，但是明显结构过于复杂，不利于制造加工。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种外骨骼弹性多自由度踝关节。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种外骨骼弹性多自由度踝关节，外骨骼小腿、弹性连接件和外骨骼鞋，所述的外骨骼小腿连接弹性连接件，弹性连接件连接外骨骼鞋。
具体地，所述的弹性连接件的两端设置有连接部，弹性连接件通过连接部分别与外骨骼小腿和外骨骼鞋固定连接。
具体地，所述的弹性连接件为弹簧。
具体地，所述弹簧的弹簧丝沿中心轴线呈椭圆螺旋缠绕成椭圆形弹簧。
具体地，所述弹簧的弹簧丝的截面为矩形。
具体地，所述弹簧的弹簧丝的截面为工字型。
本发明具有以下优点：本发明的结构简单，相比目前的踝关节，能够更好的的拟合人体踝关节的转动中心；连接部件采用一个部件，降低了制造的成本，也减轻了装置的重量；椭圆形弹簧受力后微小应变的累积，导致宏观角度发生大的改变，从而在3个转动自由度上提供可控的弹性阻尼。
附图说明
图1 为本发明的结构示意图；
图2 为弹性连接件的正视结构示意图；
图3 为弹性连接件的俯视结构示意图；
图4 为弹性连接件的立体结构示意图；
图中：1-外骨骼小腿，2-弹性连接件，3-外骨骼鞋，4-弹簧丝，5-连接部。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1～4所示，一种外骨骼弹性多自由度踝关节，其特征在于：外骨骼小腿1、弹性连接件2和外骨骼鞋3，所述的外骨骼小腿1连接弹性连接件2，弹性连接件2连接外骨骼鞋3。
进一步地，所述的弹性连接件2的两端设置有连接部5，连接部5为椭圆的环形，在连接部5上设置有连接孔，用于与外骨骼小腿1和外骨骼鞋连接，可以选择螺栓进行固定连接，也可以采用焊接的方式进行固定，保证弹性连接件2通过连接部5分别与外骨骼小腿1和外骨骼鞋3固定连接，本发明的连接部件仅采用弹性连接件一个部件，且两端固死连接，两端没有任何自由度，相比于其他的连接结构，结构更简单，降低了制造的成本，同时降低了装置的质量，在降低了重量后使穿戴的人员使用更轻便，特别是病人在恢复使用时，提供了更大的便利，效果更好。
进一步地，所述的弹性连接件2为弹簧。
进一步地，所述弹簧的弹簧丝4沿中心轴线呈椭圆螺旋缠绕成椭圆形弹簧,作为优选的还可以为其他形状的弹簧，不局限于椭圆形。
进一步地，所述弹簧的弹簧丝4的截面为矩形。
进一步地，所述弹簧的弹簧丝4的截面为工字型。
弹性多自由度踝关节原理为弹簧受力后微小应变的累积，导致宏观角度发生大的改变，但由于单位应变导致的应力并未超出材质的屈服强度或疲劳强度，其结构在预期内不会发生破坏。
在使用时，可以通过弹性连接件的尺寸来改变弹性踝关节的特性，从而满足不同的应用需求；如增大a、b、c值，可以增大弹簧在各个方向上的刚度；增大e可以增大绕y轴旋转的刚度；增大f可以增大绕x轴旋转的刚度；增大沟道密度能减小各个方向上的刚度；增大绕线长度能减小各个方向上的刚度；此外，可以通过调节弹簧的材质对刚度及承载能力进行改变，如选用铝合金或钢，在同样尺寸下可以得到不同特性。
在行走时，由于弹簧受力后的形变，可提供三个自由度，符合人体工学。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述所述技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术对以上实施例所做的任何改动修改、等同变化及修饰，均属于本技术方案的保护范围。
Claims (3)
1.一种外骨骼弹性多自由度踝关节，其特征在于：外骨骼小腿（1）、弹性连接件（2）和外骨骼鞋（3），所述的外骨骼小腿（1）连接弹性连接件（2），弹性连接件（2）连接外骨骼鞋（3）；所述的弹性连接件（2）的两端设置有连接部（5），弹性连接件（2）通过连接部（5）分别与外骨骼小腿（1）和外骨骼鞋（3）固定连接；所述的弹性连接件（2）为弹簧；所述弹簧的弹簧丝（4）沿中心轴线呈椭圆螺旋缠绕成椭圆形弹簧。
2.根据权利要求1所述的一种外骨骼弹性多自由度踝关节，其特征在于：所述弹簧的弹簧丝（4）的截面为矩形。
3.根据权利要求1所述的一种外骨骼弹性多自由度踝关节，其特征在于：所述弹簧的弹簧丝（4）的截面为工字型。
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