CN113084862B - 一种具有三柔性驱动分支的外骨骼机器人踝关节 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人技术领域，涉及一种具有三柔性驱动分支的外骨骼机器人踝关节，包括小腿固定块、约束分支、脚底板、第一驱动分支、第二驱动分支和第三驱动分支；脚底板通过约束分支与小腿固定块连接，第一驱动分支、第二驱动分支和第三驱动分支的一端设置在小腿固定块上，另一端与脚底板铰接；通过第一驱动分支和第二驱动分支联动带动脚底板实现内翻/外翻转动；通过第一驱动分支、第二驱动分支和第三驱动分支联动带动脚底板实现背屈/跖屈转动、内旋/外旋转动。本发明具有三个转动自由度，且每个自由度均为主动自由度，可以仿生复现人体下肢踝关节的背屈/跖屈转动、内翻/外翻转动、内旋/外旋转动。

Description

一种具有三柔性驱动分支的外骨骼机器人踝关节

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及一种具有三柔性驱动分支的外骨骼机器人踝关节。

背景技术

下肢外骨骼是一种与人体下肢结构相似的可穿戴仿生机器人，能够辅助穿戴者实现下肢康复、助力行走以及增强负重等功能，在康复、民用和军事等领域有着广泛的应用前景。根据人体关节的运动机理研究，踝关节是由胫骨下关节面、内踝关节面和外踝关节面形成的叉状关节窝和距骨的踝状关节头构成，能够围绕三个转动轴作背屈/跖屈、内翻/外翻以及微小的内旋/外旋运动，其中背屈/跖屈、内翻/外翻两个转动是保障人体进行平衡、行走、坐立等日常运动的基本前提。

自平衡外骨骼面向四肢瘫患者，需要完全仿生重建人体下肢运动能力，因而其各个关节需要在自由度数、转动中心位置、刚度等方面均需满足人体运动要求，并且每个关节均需要主动可控。

传统外骨骼踝关节存在自由度少、驱动数量不足、末端惯量较大等缺陷。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出一种具有三柔性驱动分支的外骨骼机器人踝关节，其拥有背屈/跖屈、内翻/外翻、内旋/外旋这3个主动自由度，背屈/跖屈、内翻/外翻两个关节的转动中心与人体踝关节中心高度重合，是主要的驱动关节，而内旋/外旋主要用于辅助机器人调转方向用。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种具有三柔性驱动分支的外骨骼机器人踝关节，其特殊之处在于，

包括小腿固定块、约束分支、脚底板、第一驱动分支、第二驱动分支和第三驱动分支；

脚底板通过约束分支与小腿固定块连接，第一驱动分支、第二驱动分支和第三驱动分支的一端设置在小腿固定块上，另一端与脚底板铰接；

通过第一驱动分支和第二驱动分支联动带动脚底板实现内翻/外翻转动；

通过第一驱动分支、第二驱动分支和第三驱动分支联动带动脚底板实现背屈/跖屈转动、内旋/外旋转动。

进一步地，上述第一驱动分支、第二驱动分支的一端分别设置在小腿固定块上的两侧，另一端与脚底板中部铰接；

第三驱动分支的一端设置在小腿固定块上的后侧，另一端与脚底板后部铰接。进一步地，上述约束分支包括左支撑架、右支撑架和一个交叉轴；

交叉轴的左半轴与左支撑架、第一轴承形成左转动副，交叉轴的右半轴与右支撑架、第二轴承形成右转动副，左、右转动副的轴线重合于背屈/跖屈的转轴轴线。交叉轴的后半轴与第三轴承中转支架形成后转动副，后转动副的轴线重合于内翻/外翻的转轴轴线。中转支架的上半轴与轴承、上支撑架形成上转动副，上转动副的轴线重合于内旋/外旋的转轴轴线。

进一步地，上述左支撑架与右支撑架结构相同。左支撑架、右支撑架的底边与脚底板固定。

进一步地，上述左支撑架或右支撑架上设有第一编码器，第一编码器用于检测背屈/跖屈的旋转角度。

进一步地，上述中转支架上设有第二编码器，第二编码器用于检测内翻/外翻的旋转角度；所述上支撑架上设有第三编码器，第三编码器用于检测内翻/外翻的旋转角度。

进一步地，上述第一驱动分支、第二驱动分支、第三驱动分支结构相同。

进一步地，上述第一驱动分支包括驱动机构、移动副、第一等效球副和第二等效球副；

驱动机构驱动移动副运动，第一等效球副与移动副连接，第一等效球副通过弹性连杆与第二等效球副连接。

进一步地，上述驱动机构为带有码盘的电机，移动副包括丝杠和滑块。

进一步地，上述第一等效球副与第二等效球副结构相同。

进一步地，上述第一等效球副包括支撑架、十字轴、前安装板与后安装板，

支撑架的上部设有上半轴，上半轴与第五轴承的内圈连接形成Z轴方向转动副，第五轴承的外圈与轴承架连接，轴承架与输出法兰连接；

十字轴的左右轴分别通过轴承固定在支撑架上，左右轴的轴线为Y轴方向，前安装板与后安装板分别通过轴承与十字轴的前后轴连接，十字轴的前后轴为X 轴。

本发明的优点：

1)本发明提出一种新型外骨骼机器人踝关节装置，该踝关节具有三个转动自由度，且每个自由度均为主动自由度，可以仿生复现人体下肢踝关节的背屈/ 跖屈转动、内翻/外翻转动、内旋/外旋转动；

2)本发明中的踝关节，其背屈/跖屈转动关节轴线与内翻/外翻转动轴线交汇于一点，而该点可在实际应用中调整为与人体踝关节中心重合，而其内旋/外旋转动轴线与人体脚后跟相切且垂直于脚底板，该设计可以实现无轴线偏差的仿人踝关节运动；

3)本发明中的踝关节，其构型由三个具有相同结构的PSS驱动分支和一个三自由度的RRR约束分支组成，进而使得整个踝关节在机构上形成一个 3PSS-RRR并联机构，这使得此踝关节在结构上具有高刚度、高强度的优点；

4)本发明中的踝关节，每个驱动分支具有一个移动副和两个3自由度等效球副，其中移动副为电机驱动的主动副，而两个等效球副为被动副，由于驱动分支的被动自由度为6，因而每个驱动分支均不会对脚底板产生约束，脚底板3 与小腿固定块1之间的相对运动自由度只由约束分支2决定；

5)本发明中的踝关节，每个驱动分支的移动副由于含有驱动电机，因而其重量高于被动等效球副，重量大的移动副固定在小腿固定块的上端固定孔位，这使得踝关节的重心偏上，而其主要运动部件脚底板可以变得轻质、低惯量，进而使得整个踝关节具有高动态特性；

6)本发明中的踝关节，每个驱动分支的两个等效球副之间是由一根弹性连杆相互连接的，该弹性连杆的弹性系数可以依据需求进行调整，这种设计使得驱动分支变为了弹性驱动分支，可以提升踝关节的控制柔顺性、穿戴安全性和舒适性；

7)本发明中的踝关节，约束分支2具有三个转动自由度，即上文所述的背屈/跖屈转动、内翻/外翻转动、内旋/外旋转动。这三个转动自由度均为被动自由度，而每个轴线的转动角度可由编码器进行实时测量，并将测量的三个方向角度值反馈给三个驱动分支来实现闭环控制，进而可解决柔性驱动分支的控制精度低的问题。

附图说明

图1是踝关节总体结构图；

图2是踝关节总体结构爆炸图；

图3是两转动约束分支结构爆炸图；

图4是驱动分支结构爆炸图；

图5是驱动分支等效球副结构爆炸图；

图6是踝关节背屈图；

图7是踝关节跖屈图；

图8是踝关节内翻图；

图9是踝关节外翻图；

图10是踝关节内翻图；

图11是踝关节外翻图。

其中：

1、小腿固定块；

2、约束分支；

21、交叉轴；22、左支撑架；23、第一轴承；24、右支撑架；25、第二轴承；26、第一编码器；27、第三轴承；28、中转支架；29、第二编码器；210、下轴承；211、上轴承；212、上支撑架；213、第三编码器；

3、脚底板；

4、第一驱动分支；

41、电机；42、丝杠；43、滑块；44、转接板；45、第一等效球副；46、弹性连杆；47、第二等效球副；

451、支撑架；452、输出法兰；453、轴承架；454、第五轴承；455、前挡板，456、第六轴承，457、前安装板；458、后挡板；459、第七轴承；4510、后安装板；4511、左挡板；4512、第八轴承；4513、右挡板；4514、第九轴承； 4515、十字轴；

5、第二驱动分支；6、第三驱动分支。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

本发明涉及一种具有三个转动自由度的外骨骼机器人踝关节装置，踝关节的三个转动自由度均为主动驱动自由度。如图1所示，所设计的外骨骼踝关节可以实现内翻/外翻、背屈/跖屈、内旋/外旋三个转动自由度(R副)，其特点在于内翻/外翻的转动轴线与背屈/跖屈转动轴线交汇于人体下肢踝关节中心，而内旋/外旋转动轴线沿着人体下肢脚后跟的切线向上，该设计可以高度还原人体踝关节运动，解决现有外骨骼踝关节驱动自由度不足、存在转动中心偏差等问题，进而实现人机相容的康复助行运动。

如图2所示，一种具有三柔性驱动分支的外骨骼机器人踝关节，包括小腿固定块1、约束分支2、脚底板3、第一驱动分支4、第二驱动分支5和第三驱动分支6；

脚底板3通过约束分支2与小腿固定块1连接，第一驱动分支4、第二驱动分支5和第三驱动分支6设置在小腿固定块1上；通过第一驱动分支4和第二驱动分支5联动带动脚底板3实现内翻/外翻转动；

通过第一驱动分支4、第二驱动分支5和第三驱动分支6联动带动脚底板3实现背屈/跖屈转动、内旋/外旋转动。

具体地，小腿固定块1为一个横截面呈凹形的结构，约束分支2具有两个转动自由度，脚底板3为轻质高强度的板材，第一驱动分支4、第二驱动分支5、第三驱动分支6均包含一个驱动移动副、两个被动等效球副以及一个柔性连接杆。

约束分支2的上端与小腿固定块1的内凹面下端安装孔固接，约束分支2 的下端与脚底板3上表面安装孔固接，使得脚底板3可以相对于小腿固定块1 产生三个方向的转动自由度。第一驱动分支4、第二驱动分支5、第三驱动分支 6的移动副底座分别与小腿固定块1的左、右、后三个方位外安装面的安装孔位固接，而第一驱动分支4、第二驱动分支5、第三驱动分支6的末端等效球副与脚底板3的左、右、后三个方位安装孔位固接。由于每个驱动分支均具有6个被动自由度和1个主动自由度，因而驱动分支不会对脚底板3和小腿固定块1 之间产生运动约束，但其可以驱动由约束分支2产生的三个转动自由度。

优选地，所述的小腿固定块1，其沿水平方向的横截面成凹字形，该结构具有轻质高强度的特点，可以在保证强度要求的同时降低踝关节整体重量。该凹形结构可以在空间上形成一个半封闭腔体，便于人体下肢的绑缚与固定，且其具有左、右、后三个方位的安装平面，便于驱动分支和约束分支的固定连接。在小腿固定块1的左、右、后三个安装面上设计有高低不等的安装孔，可用于调整各个驱动分支与约束分支的安装高度，进而适应不同尺寸的人体下肢。

作为本发明的一个优选实施例，所述的约束分支2如图3所示，该分支具有三个转动自由度，且每个转动自由度的轴线均相互垂直，其中内翻/外翻的转轴与背屈/跖屈的转轴交汇于P点，该P点在实际应用中可以调整为与穿戴人体下肢踝关节中心重合，而内旋/外旋的转轴在实际应用中会与人体脚后跟相切且垂直于脚底板。约束分支2的交叉轴21设计为凹形状，目的在于形成半闭环空腔来包裹人体脚后跟。交叉轴21的左半轴与左支撑架22、第一轴承23形成左转动副，而21的右半轴与右支撑架24、第二轴承25形成右转动副，左、右转动副的轴线重合于背屈/跖屈的转轴轴线。交叉轴21的后半轴与第三轴承27、中转支撑架28形成后转动副，后转动副的轴线重合于内翻/外翻的转轴轴线。中转支架28的上半轴与下轴承210、上轴承211、上支撑架212形成上转动副，上转动副的轴线重合于内旋/外旋的转轴轴线。

优选地，在右支撑架24上固定编码器26，用于检测背屈/跖屈的旋转角度。编码器29固定在中转支架28上，用于检测内翻/外翻的旋转角度。编码器213 固定在上支撑架212上，用于检测内旋/外旋的旋转角度。由于三个驱动分支4、 5、6均含有弹性元件，无法确保在开环控制的情况下精确驱动踝关节的三个旋转关节，因而编码器26、29、213所反馈的角度值用于三个驱动分支进行闭环控制，进而确保三个旋转关节的精确控制。左支撑架22与右支撑架24固接在脚底板3的相应安装孔位上，上支撑架212固定在小腿固定块1上，使得脚底板3相对于小腿固定块1只能产生三个自由度的转动，而不能产生相对移动。

作为本发明的一个优选实施例，所述第一驱动分支4、第二驱动分支5、第三驱动分支6结构相同。

第一驱动分支4包括驱动机构、移动副、第一等效球副45和第二等效球副 47；驱动机构驱动移动副运动，第一等效球副45与移动副连接，第一等效球副 45通过弹性连杆46与第二等效球副47连接。

具体地，以第一驱动分支4为例，如图4所示。驱动分支含有一个移动副和两个3自由度等效球副，构成一个PSS分支。移动副由丝杠42和滑块43组成，并由带有码盘的电机41驱动，丝杠42的下底面固接在小腿固定块1的相应安装面上。3自由度第一等效球副45和47通过一根弹性连杆46进行首尾连接，其中第一等效球副45通过转接板44与滑块43固接，而第二等效球副47 固接在脚底板3相应的安装孔位上。

所述驱动分支中的第一等效球副45与47具有相同结构，以第一等效球副 45为例，如图5所示。第一等效球副45的三个转动轴X、Y、Z相互垂直，且三者交汇于一点。支撑架451的上半轴与第五轴承454的内圈连接形成Z轴方向转动副，第五轴承454的外圈与轴承架453连接，而输出法兰452固接在453 的安装孔位上，用于连接弹性连杆46。轴承4512安装在支撑架451的左安装板的孔位上，其外圈由左挡板4511固定，其内圈与十字轴4515的左半轴套接在一起形成左转动副。第九轴承4514安装在支撑架451的右安装板的孔位上，其外圈由右挡板4513固定，其内圈与十字轴4515的右半轴套接在一起形成右转动副。左、右转动副的轴线相互重合于Y轴。第六轴承456套接在前安装板457 的孔位中，其外圈由前挡板455固定，第六轴承456的内圈与十字轴的前半轴套接在一起形成前转动副。第七轴承459套接在后安装板4510的孔位中，其外圈由后挡板458固定，第七轴承459的内圈与十字轴的后半轴套接在一起形成后转动副。前、后转动副的轴线相互重合于X轴。前安装板457与后安装板4510的底面相互平行且用于固定在脚底板3相应孔位。

本发明的工作原理：

控制第一驱动分支4、第二驱动分支5、第三驱动分支6的电机41按设定的规律转动，三个电机41的转动通过每个驱动分支的丝杠42带动滑块43可以做满足设定运动规律的上下移动，三个分支的滑块43通过等效球副45、弹性连杆46带动脚底板3做不同规律的转动运动，进而使外骨骼机器人踝关节实现背屈/跖屈转动运动(如图6、图7所示)、内翻/外翻转动运动(如图8、图9所示)、内翻/外翻转动运动(如图10、图11所示)，也可以实现这三种转动运动的复合运动。

为了提高踝关节的刚度、降低运动部件的转动惯量，本发明采用三个结构相同的驱动分支对踝关节的三个转动自由度进行驱动。每个驱动分支由一个移动副(P副)、两个首尾相连的三自由度等效球副(S副)组成，其中移动副为驱动副，而等效球副为被动副。通过将质量较大的移动副布置在踝关节的上端，可以提高踝关节的重心位置，进而降低主要运动部件(脚底板)的运动惯量，提高系统的动态特性。此外，两个三自由度等效球副由一个弹性杆件相连接，使得驱动分支构成一个柔性驱动分支，这既能吸收来自足底的冲击力又能提升踝关节的穿戴柔顺性，进而提高了外骨骼机器人的穿戴安全性与舒适度。

本发明所设计的外骨骼踝关节在机构上可以等效为一个3PSS-RRR并联机构，其中3PSS代表分布在踝关节脚底板左、右、后方位的三个移动副-球副-球副驱动分支，RRR代表一个三转动副约束分支。由于四个分支均能够承受施加在踝关节上的外力/力矩，因而该踝关节具有高刚度和高强度的优点。

以上所述仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种具有三柔性驱动分支的外骨骼机器人踝关节，其特征在于：

包括小腿固定块(1)、约束分支(2)、脚底板(3)、第一驱动分支(4)、第二驱动分支(5)和第三驱动分支(6)；

脚底板(3)通过约束分支(2)与小腿固定块(1)连接，第一驱动分支(4)、第二驱动分支(5)和第三驱动分支(6)设置在小腿固定块(1)上；

通过第一驱动分支(4)和第二驱动分支(5)联动带动脚底板(3)实现内翻/外翻转动；

通过第一驱动分支(4)、第二驱动分支(5)和第三驱动分支(6)联动带动脚底板(3)实现背屈/跖屈转动、内旋/外旋转动；

所述第一驱动分支(4)、第二驱动分支(5)的一端分别设置在小腿固定块(1)上的两侧，另一端与脚底板(3)中部铰接；

第三驱动分支(6)的一端设置在小腿固定块(1)上的后侧，另一端与脚底板(3)后部铰接；

所述约束分支(2)包括左支撑架(22)、右支撑架(24)和一个交叉轴(21)；

交叉轴(21)的左半轴通过与轴承安装在左支撑架(22)上形成左转动副，交叉轴(21)的右半轴通过与轴承安装在右支撑架(24)上形成右转动副；交叉轴(21)的后半轴通过轴承安装在中转支架(28)上形成后转动副；中转支架(28)的上半轴通过轴承与上支撑架(212)形成上转动副。

2.根据权利要求1所述的一种具有三柔性驱动分支的外骨骼机器人踝关节，其特征在于：

所述左支撑架(22)与右支撑架(24)结构相同，左支撑架(22)与右支撑架(24)底部与脚底板(3)固连。

3.根据权利要求2所述的一种具有三柔性驱动分支的外骨骼机器人踝关节，其特征在于：

所述左支撑架(22)或右支撑架(24)上设有第一编码器(26)，第一编码器(26)用于检测背屈/跖屈的旋转角度。

4.根据权利要求3所述的一种具有三柔性驱动分支的外骨骼机器人踝关节，其特征在于：

所述中转支架(28)上设有第二编码器(29)，第二编码器(29)用于检测内翻/外翻的旋转角度。

5.根据权利要求4所述的一种具有三柔性驱动分支的外骨骼机器人踝关节，其特征在于：

所述上支撑架(212)上设有第三编码器(213)，第三编码器(213)用于检测内翻/外翻的旋转角度。

6.根据权利要求1-4任一所述的一种具有三柔性驱动分支的外骨骼机器人踝关节，其特征在于：

所述第一驱动分支(4)、第二驱动分支(5)、第三驱动分支(6)结构相同。

7.根据权利要求6所述的一种具有三柔性驱动分支的外骨骼机器人踝关节，其特征在于：

所述第一驱动分支(4)包括驱动机构、移动副、第一等效球副(45)和第二等效球副(47)；

驱动机构驱动移动副运动，第一等效球副(45)与移动副连接，第一等效球副(45)通过弹性连杆(46)与第二等效球副(47)连接。

8.根据权利要求7所述的一种具有三柔性驱动分支的外骨骼机器人踝关节，其特征在于：

所述驱动机构为带有码盘的电机(41)，移动副包括丝杠(42)和滑块(43)。

9.根据权利要求8所述的一种具有三柔性驱动分支的外骨骼机器人踝关节，其特征在于：

所述第一等效球副(45)与第二等效球副(47)结构相同。

10.根据权利要求9所述的一种具有三柔性驱动分支的外骨骼机器人踝关节，其特征在于：

第一等效球副(45)包括支撑架(451)、十字轴(4515)、前安装板(457)与后安装板(4510)，

支撑架(451)的上部设有上半轴，上半轴与第五轴承(454)的内圈连接形成Z轴方向转动副，第五轴承(454)的外圈与轴承架(453)连接，轴承架(453)与输出法兰(452)连接；

十字轴(4515)的左右轴分别通过轴承固定在支撑架(451)上，左右轴的轴线为Y轴方向，前安装板(457)与后安装板(4510)分别通过轴承与十字轴(4515)的前后轴连接，十字轴(4515)的前后轴为X轴。

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