CN103099691A - 一种二自由度外骨骼踝关节机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二自由度外骨骼踝关节机构，由小腿杆装置、二自由度装置、足底装置等三部分组成，二自由度装置的跖屈/背伸自由度与内翻/外翻自由度为空间正交，对完成行走动作具有重要作用的跖屈/背伸自由度采用主动驱动方式，对在行走中保持身体在额状面内平衡性的内翻/外翻自由度采用片弹簧组被动驱动方式，当行走时外骨骼小腿相对足底发生额状面内的侧倾时，片弹簧组会产生指向直立姿态的回复力。本发明可以使得外骨骼踝关节的运动与使用者保持同步，灵活的驱动方式选择有利于增强本踝关节机构对各种下肢外骨骼的匹配性，内翻/外翻被动驱动自由度的片弹簧组回复力有助于减轻使用者保持自身及外骨骼在额状面内平衡性的负担。

Description

一种二自由度外骨骼踝关节机构

技术领域

本发明属于外骨骼踝关节的机构设计领域，涉及一种具有二个空间正交自由度的外骨骼踝关节机构。

背景技术

首先，踝关节扭伤在全身关节扭伤中发病率最高，极易造成韧带拉伤甚至撕裂，伤后治疗及康复过程难度较大，且由于关节内软组织损伤，部分伤者的行走疼痛症状长期不愈可达数十年，容易复发造成陈旧性扭伤，从而引起肌肉痉挛及神经末梢的炎性应激反应，严重者造成腓肠肌、比目鱼肌等驱动踝关节产生跖屈的主要肌群的不可逆损伤，影响响应时间、收缩量及收缩强度等，最终形成踝关节功能性稳定障碍。

此外，下肢助力外骨骼作为一种负重行走的助力器械，可以帮助救援人员背负更多的救生器材等物资在普通运输工具无法行进的地震、泥石流等灾害现场进行作业；在地形复杂的作战区域，可以帮助战士携带更多的武器装备做长距离的行军。而对人体下肢动力学特性的研究发现，在下肢各关节中，踝关节在脚跟触地缓冲阶段、跖屈蹬地前行阶段均具有重要的作用，同时，由于膝关节基本不具备额状面内的自由度，故而行走平衡性的保持由髋关节与踝关节在额状面内的侧向转动实现，因此，有必要研究满足这些要求的外骨骼的踝关节机构。

可见，无论是作为一种能够对踝关节扭伤者进行行走辅助的康复器械，还是作为用于武装行军、灾害救援的下肢外骨骼的重要组成部分或者专用的踝关节外骨骼，外骨骼踝关节机构的研究都具有极大的实用价值和研究意义。

在外骨骼踝关节的机构设计中，首先，必须保证自由度的设置满足人体在正常行走过程中的踝关节运动规律，以使得使用者的行走运动不受外骨骼踝关节机构自由度的限制；其次，在驱动方式方面，必须充分利用人体踝关节行走动力学特性的研究成果，合理设置外骨骼踝关节的主动驱动自由度与被动驱动自由度；最后，不论是研发采用各种驱动器的专用踝关节外骨骼，还是为了方便地与采用各种驱动器的下肢外骨骼机构进行匹配，外骨骼踝关节的主动驱动自由度的驱动器必须具有可替换性。

发明内容

技术问题：本发明提供了一种结构紧凑、运动灵活，能够对在行走中具有重要作用的跖屈/背伸自由度采用多种驱动器进行主动驱动，同时采用片弹簧组实现在行走中保持侧向平衡性的内翻/外翻自由度的被动驱动的二自由度外骨骼踝关节机构。

技术方案：本发明的二自由度外骨骼踝关节机构由三部分组成，为从上至下依次连接设置的小腿杆装置、二自由度装置和足底装置，二自由度装置的跖屈/背伸自由度与内翻/外翻自由度在空间上正交。

小腿杆装置包含小腿杆、设置在小腿杆下端后侧的驱动器安装座，设置在驱动器安装座后端的驱动器安装座轴和设置在驱动器安装座轴两端的驱动器安装座轴套。

二自由度装置包含从上至下依次连接设置的小腿连接件、足部上连接件和足部下连接件。小腿连接件的下端两侧分别设置有轴承；足部上连接件上端设置有空心轴和位于空心轴后侧的驱动器执行端座，其中，空心轴通过空心轴键和空心轴挡圈与足部上连接件固定安装，装配成一个整体；电位器同轴固定安装于电位器套盖上，并通过电位器套盖同轴固定安装于空心轴内，使得电位器与空心轴形成一个整体，并进而与足部上连接件形成一个整体；空心轴通过轴承与小腿连接件安装连接，使小腿连接件与足部上连接件构成一个跖屈/背伸自由度的旋转副。

在足部上连接件上端后侧的驱动器执行端座上设置有驱动器执行端轴和设置在驱动器执行端轴两端的驱动器执行端轴套。

足部上连接件下端设置有与空心轴轴心呈空间正交关系的足部连接件轴，足部下连接件上端设置有安装于足部连接件轴两端的足部连接件轴套，使足部上连接件与足部下连接件构成一个内翻/外翻自由度的旋转副。

足底装置包含从下至上依次连接设置的足底橡胶垫、足底片弹簧组和足底板，足底片弹簧组上表面的足尖和足跟位置还分别设置有足尖橡胶垫和足跟橡胶垫。

二自由度装置的小腿连接件上端与小腿杆装置的小腿杆下端固定连接；二自由度装置的足部下连接件下端与足底装置的足底板固定连接；使得小腿杆装置、二自由度装置和足底装置构成二自由度外骨骼踝关节机构的整机。

本发明中，在足部上连接件的下端两侧对称安装与足部连接件轴平行的片弹簧组，足部下连接件的两侧分别设置有片弹簧组盖板，片弹簧组的下端设置在足部下连接件与片弹簧组盖板之间的缝隙中并可在其中滑动。当足部上连接件与足部下连接件构成的内翻/外翻自由度产生旋转时，弯曲变形的片弹簧组的下端在足部下连接件和安装于足部下连接件两侧的片弹簧组盖板之间的空隙中滑动，并产生指向直立姿态的回复弹力。

本发明中，跖屈/背伸自由度与内翻/外翻自由度在空间上正交，且跖屈/背伸自由度采用主动驱动方式；内翻/外翻自由度采用被动驱动方式。

本发明中，足部上连接件与小腿连接件间的跖屈/背伸自由度的运动范围受到限制，具体为小腿连接件相对足部上连接件的运动角度范围是从背伸15°至跖屈25°。上述跖屈/背伸自由度限制，是用如下方式实现：足部上连接件顶部设置有分别位于前后半侧的第一限位面第二限位面，小腿连接件底端设置有与足部上连接件顶部相对的下限位面，当跖屈/背伸自由度的旋转副处于背伸15°时，第一限位面与下限位面重合接触，使小腿连接件与足部上连接件的相对背伸运动被限位；当跖屈/背伸自由度的旋转副处于跖屈25°时，第二限位面与下限位面重合接触，使小腿连接件与足部上连接件的相对跖屈运动被限位。

本发明的二自由度外骨骼踝关节机构的整机装配体、部件分解、整机分解请分别参见图1、图2、图3。图4中的小腿杆用于与下肢外骨骼机构进行匹配连接，也可以在该零件基础上进行局部修改或增加部分零件发展为专用的踝关节外骨骼机构。

踝关节的跖屈/背伸自由度在蹬地前行阶段具有重要的驱动作用，即输出正向扭矩，做正功，以驱动身体做向上向前的运动。因此，踝关节外骨骼在该自由度上必须具备外设驱动器的接口，同时，为了在本发明的基础上发展出采用各种驱动器的专用踝关节外骨骼，或者与采用各种驱动器的下肢外骨骼机构进行匹配，本发明所述的二自由度外骨骼踝关节机构在该自由度上的外设驱动器接口具有可替换性，仅需要根据所采用的具体驱动器（液压缸、直线电机、丝杠螺母、套索等驱动器等）的安装方式与安装接口，替换图4、图5中所示的驱动器安装座轴与驱动器执行端轴即可。驱动器选择上的灵活性使得可以方便的在本发明的基础上发展适用于各种环境与工况要求的外骨骼踝关节机构。同时，如图5、图8所示，足部上连接件顶部设置有分别位于前后半侧的第一限位面和第二限位面，小腿连接件底端设置有与足部上连接件顶部相对的下限位面，当跖屈/背伸自由度的旋转副处于背伸15°时，第一限位面与下限位面重合接触，使小腿连接件与足部上连接件的相对背伸运动被限位；当跖屈/背伸自由度的旋转副处于跖屈25°时，第二限位面与下限位面重合接触，使小腿连接件与足部上连接件的相对跖屈运动被限位。其中，跖屈/背伸角度定义为：当踝关节处于直立姿态即小腿轴线垂直于足底面时，跖屈/背伸均为0°。

踝关节的内翻/外翻自由度对保持额状面内的行走侧向平衡性具有重要作用，即当行走时外骨骼小腿相对足底发生额状面内的侧倾时，该自由度应该输出与侧倾方向相反的扭矩以回复到平衡位置。因此，踝关节外骨骼在该自由度上应该具有弹性储能被动驱动特性，同时，为了减小外骨骼踝关节机构的体积并降低结构复杂性，本发明所述的外骨骼踝关节机构在该自由度上的弹性被动驱动由片弹簧组实现，如图5、图7所示。

空心轴用于电位器的安装。在外骨骼踝关节运动时，采用电位器检测跖屈/背伸自由度的角度以实现对该自由度的主动驱动控制。为了减小外骨骼踝关节的机构体积，将电位器通过电位器套盖内置安装于实现该自由度旋转的空心轴中，并通过安装于小腿连接件上的电位器端盖引出电位器旋转轴，如图5、图7所示。

如图6所示，足底片弹簧组安装于足底板之下，用于模拟人体足底肌肉群在行走过程中的弹性特征，即在外骨骼踝关节的脚跟触地阶段起到缓冲减震作用，在外骨骼踝关节的蹬地前行阶段起到弹力辅助作用，使得外骨骼踝关节在这两个阶段都具有柔顺特性。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的二自由度外骨骼踝关节机构采用空间正交的二自由度设计，模拟了跖屈/背伸运动与内翻/外翻运动，用简单的结构满足了人体踝关节的生理特性与行走中的运动特性。

本发明的跖屈/背伸主动驱动自由度可灵活方便地更改驱动器，能够在本发明的基础上发展出适用于各种环境与工况要求的踝关节外骨骼机构。并且，驱动器安装座轴与驱动器执行端轴在踝关节机构中的位置设计，使得踝关节机构在完成理想步态的跖屈/背伸运动时，驱动器的伸缩速度变化最平缓，利于精确控制。同时，足部上连接件的上沿弧面具有向前与向后的倾角，具有限位安保作用并符合人体正常行走中的踝关节背伸角度与跖屈角度的生理特性。

本发明的内翻/外翻被动驱动自由度采用片弹簧组在人体小腿与外骨骼小腿相对足底发生额状面内的侧倾时产生指向直立姿态的回复力。

本发明的将电位器内置于空心轴的装配方式有效地减小了外骨骼踝关节机构的体积，并降低了结构复杂性。

本发明的足底采用片弹簧组的结构模拟了人体足底肌肉群在行走过程中的弹性特征，使得外骨骼踝关节的足底在行走中具有柔顺特性。

本发明的二自由度外骨骼踝关节机构被划分成三个功能部件，各部件结构紧凑、拆装方便，而且其外形与质量分布设计更加接近人体踝关节的特征。

附图说明

图1为二自由度外骨骼踝关节机构整机装配体。

图2为二自由度外骨骼踝关节机构部件分解图。

图3为二自由度外骨骼踝关节机构整机分解图。

图4为小腿杆装置的分解图。

图5为二自由度装置的分解图。

图6为足底装置的分解图。

图7为二自由度装置的额状面剖视图。

图8a为足部上连接件的第一限位面与第二限位面的示意图；

图8b为小腿连接件的下限位面的示意图。

图中有：小腿杆装置1、小腿杆11、驱动器轴套12、驱动器安装座轴13、驱动器安装座14；二自由度装置2、小腿连接件21、轴承211、电位器端盖212、轴承端盖213；足部上连接件22、驱动器执行端轴套221、空心轴挡圈222、电位器223、片弹簧组224、足部连接件轴225、空心轴键226、电位器套盖227、空心轴228、驱动器执行端轴229；足部下连接件23、足部连接件轴套231、片弹簧组盖板232；足底装置3、足尖橡胶垫31、足底片弹簧组32、足底橡胶垫33、足底板34、足跟橡胶垫35；第一限位面2201、第二限位面2202、下限位面2101。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明进行进一步详细说明，并给出具体的操作过程。本发明的保护范围不限于下述的具体实施例，只要是对本发明中技术特征进行等同替换和改进所得的技术方案，均落在本发明权利要求的保护范围内。

如图1～7所示，一种二自由度外骨骼踝关节机构，包括小腿杆装置1、二自由度装置2、足底装置3三个部件，这三个部件所包含的零部件有：

小腿杆11、驱动器轴套12、驱动器安装座轴13、驱动器安装座14；小腿连接件21、轴承211、电位器端盖212、轴承端盖213；足部上连接件22、驱动器执行端轴套221、空心轴挡圈222、电位器223、片弹簧组224、足部连接件轴225、空心轴键226、电位器套盖227、空心轴228、驱动器执行端轴229；足部下连接件23、足部连接件轴套231、片弹簧组盖板232；足尖橡胶垫31、足底片弹簧组32、足底橡胶垫33、足底板34、足跟橡胶垫35。

整机的装配方式为：

如图1～2所示，二自由度装置2的小腿连接件21上端与小腿杆装置1的小腿杆11下端固定连接；二自由度装置2的足部下连接件23下端与足底装置3的足底板34固定连接；将小腿杆装置1、二自由度装置2和足底装置3装配成一个整体，即二自由度外骨骼踝关节机构的整机。

三个装置部件的具体装配方式分别为：

如图4，小腿杆装置1：在小腿杆11下端后侧安装有驱动器安装座14；在驱动器安装座14后端安装有驱动器安装座轴13；驱动器安装座轴13两端安装有驱动器轴套12。

如图5，二自由度装置2：从上至下依次连接设置有小腿连接件21、足部上连接件22和足部下连接件23。小腿连接件21的下端两侧安装有轴承211；足部上连接件22上端安装有空心轴228和位于空心轴后侧的驱动器执行端座，其中，空心轴228通过空心轴键226和空心轴挡圈222与足部上连接件22装配成一个整体；电位器223同轴固定安装于电位器套盖227上，并通过电位器套盖227同轴固定安装于空心轴228内；空心轴,228通过轴承211与小腿连接件21安装连接，使小腿连接件21与足部上连接件22构成一个跖屈/背伸自由度的旋转副，在轴承211的两端安装有轴承端盖213；通过安装于小腿连接件21下端外侧的电位器端盖212引出电位器223的旋转轴；

足部上连接件22上端后侧的驱动器执行端座上安装有驱动器执行端轴229和安装在驱动器执行端轴229两端的驱动器执行端轴套221；

足部上连接件22下端安装有与空心轴228轴心呈空间正交关系的足部连接件轴225，足部下连接件23上端设置有足部连接件轴套231，足部连接件轴套231安装于足部连接件轴225两端，使足部上连接件22与足部下连接件23构成一个内翻/外翻自由度的旋转副；

在足部上连接件22的下端两侧对称安装与足部连接件轴231平行的片弹簧组224，当足部上连接件22与足部下连接件23构成的内翻/外翻自由度产生旋转时，弯曲变形的片弹簧组224的下端在足部下连接件23和安装于足部下连接件23两侧的片弹簧组盖板232之间的空隙中滑动。

如图6，足底装置3：从下至上依次有相互固定安装的足底橡胶垫33、足底片弹簧组32和足底板34，足底片弹簧组32上表面的足尖和足跟位置还分别粘帖有足尖橡胶垫31和足跟橡胶垫35。

如图4，小腿杆装置1中的小腿杆11用于与各类下肢外骨骼机构机型连接，如果作为一种专用的踝关节外骨骼，进需要设计与人体小腿进行绑缚的零件并与之连接即可。

在本发明的基础上发展各种用途的踝关节外骨骼时，根据具体的使用环境与工况要求，可以采用液压缸、直线电机、丝杠螺母、套索等驱动器，在进行驱动器的安装或更换时，仅需要将图4中的驱动器安装座轴13与图5中的驱动器执行端轴229拆换成与所采用驱动的安装接口匹配的轴零件即可。驱动器的直线伸缩运动就实现了对外骨骼踝关节跖屈/背伸自由度的转动驱动。在踝关节机构进行跖屈/背伸自由度的运动时，如图5、图8所示，足部上连接件22顶部设置有分别位于前后半侧的第一限位面2201和第二限位面2202，小腿连接件21底端设置有与足部上连接件22顶部相对的下限位面2101，当跖屈/背伸自由度的旋转副处于背伸15°时，第一限位面2201与下限位面2101重合接触，使小腿连接件21与足部上连接件22的相对背伸运动被限位；当跖屈/背伸自由度的旋转副处于跖屈25°时，第二限位面2202与下限位面2101重合接触，使小腿连接件21与足部上连接件22的相对跖屈运动被限位。其中，跖屈/背伸角度定义为：当踝关节处于直立姿态即小腿轴线垂直于足底面时，跖屈/背伸均为0°。

如图5、图7，足部上连接件22与足部下连接件23之间通过足部连接件轴225形成外骨骼踝关节机构的内翻/外翻旋转自由度。在足部上连接件22下端两侧对称安装片弹簧组224，当外骨骼小腿相对足底发生额状面内的侧倾，即产生内翻/外翻自由度的旋转角度时，弯曲变形的片弹簧组224的下端被限制在安装于足部下连接件23两侧的片弹簧组盖板232内滑动，并产生指向直立姿态的回复力，辅助使用者保持行走中的人体与外骨骼在额状面内的平衡性，实现外骨骼踝关节的内翻/外翻自由度的被动驱动。

如图5、图7，空心轴228通过空心轴键226和空心轴挡圈222与足部上连接件22装配成一个整体，电位器223同轴固定安装于电位器套盖227上，并通过电位器套盖227与空心轴228同轴固定地装配成一个整体，由此，电位器223与足部上连接件22形成一个整体（分成两步的安装方式方便使用中对电位器223进行更换拆装）；安装于小腿连接件21上的电位器端盖212引出电位器223的旋转轴，使得电位器223的旋转轴与小腿连接件21形成一个整体。小腿连接件21与足部上连接件22的相对转动就是外骨骼踝关节机构的跖屈/背伸自由度的转动，这样就实现了电位器223对该自由度转动角度的检测。

如图6，位于足底板34之下的足底片弹簧组32用于模拟人体足底肌肉群在行走过程中的弹性特征，使得外骨骼踝关节在脚跟触地阶段与跖屈蹬地前行阶段都具有柔顺特性。

在对采用主动驱动方式的外骨骼踝关节的跖屈/背伸自由度的驱动器进行控制时，控制主要流程为：在小腿杆11上安装人机交互力传感器（该传感器也是小腿杆11与人体小腿绑缚部件的一部分），用于检测由于人体踝关节与外骨骼踝关节由于运动同步性误差造成的人机之间的相互作用力；在外骨骼踝关节的足尖橡胶垫31与足跟橡胶垫35对应于人体足部大脚趾下侧、小脚趾下侧与足跟的三个位置安装一维力足底力传感器，用于检测人体作用在外骨骼足部的足底力大小及分布；建立足底力分布与步态相位的映射关系，用于从检测到的足底力实时得出理想的踝关节扭矩；根据得出的扭矩对驱动器的推/拉力进行控制；根据人机交互力传感器的信息对驱动器的推/拉力进行校正。

Claims (4)

1.一种二自由度外骨骼踝关节机构，其特征在于，该关节机构包括从上至下依次连接设置的小腿杆装置（1）、二自由度装置（2）和足底装置（3），所述二自由度装置（2）的跖屈/背伸自由度与内翻/外翻自由度在空间上正交；

所述小腿杆装置（1）包括小腿杆（11）、设置在所述小腿杆（11）下端后侧的驱动器安装座（14）、设置在所述驱动器安装座（14）后端的驱动器安装座轴（13）和设置在所述驱动器安装座轴（13）两端的驱动器安装座轴套（12）；

所述二自由度装置（2）包括从上至下依次连接设置的小腿连接件（21）、足部上连接件（22）和足部下连接件（23），所述小腿连接件（21）的下端两侧分别设置有轴承（211），所述足部上连接件（22）上端设置有空心轴（228）和位于空心轴（228）后侧的驱动器执行端座，所述空心轴（228）通过空心轴键（226）和空心轴挡圈（222）与足部上连接件（22）固定安装，空心轴（228）内部设置有同轴固定连接的电位器（223），空心轴（228）通过轴承（211）与小腿连接件（21）安装连接，使小腿连接件（21）与足部上连接件（22）构成一个跖屈/背伸自由度的旋转副，所述驱动器执行端座上设置有驱动器执行端轴（229）和设置在所述驱动器执行端轴（229）两端的驱动器执行端轴套（221），所述足部上连接件（22）下端设置有与空心轴（228）轴心呈空间正交关系的足部连接件轴（225），所述足部下连接件（23）上端设置有足部连接件轴套（231），所述足部连接件轴套（231）与足部连接件轴（225）安装连接，使足部上连接件（22）与足部下连接件（23）构成一个内翻/外翻自由度的旋转副；

所述的足底装置（3）包括从下至上依次连接设置的足底橡胶垫（33）、足底片弹簧组（32）和足底板（34），所述足底片弹簧组（32）上表面的足尖和足跟位置还分别设置有足尖橡胶垫（31）和足跟橡胶垫（35）；

所述小腿连接件（21）的上端与小腿杆（11）的下端固定连接，所述足部下连接件（23）的下端与足底板（34）固定连接，使得小腿杆装置（1）、二自由度装置（2）和足底装置（3）构成一个整体机构。

2.根据权利要求1所述的一种二自由度外骨骼踝关节机构，其特征在于，所述足部上连接件（22）的下部两侧对称设置有与足部连接件轴（225）平行的片弹簧组（224），所述足部下连接件（23）的两侧分别设置有片弹簧组盖板（232），所述片弹簧组（224）的下端设置在足部下连接件（23）与片弹簧组盖板（232）之间的缝隙中并可在其中滑动。

3.根据权利要求1所述的一种二自由度外骨骼踝关节机构，其特征在于，所述足部上连接件（22）与小腿连接件（21）间的跖屈/背伸自由度的运动范围受到限制，具体为小腿连接件（21）相对足部上连接件（22）的运动角度范围是从背伸15°至跖屈25°。

4.根据权利要求3所述的一种二自由度外骨骼踝关节机构，其特征在于，所述足部上连接件（22）与小腿连接件（21）间的跖屈/背伸自由度限制，是用如下方式实现：所述足部上连接件（22）顶部设置有分别位于前后半侧的第一限位面（2201）和第二限位面（2202），所述小腿连接件（21）底端设置有与足部上连接件（22）顶部相对的下限位面（2101），当跖屈/背伸自由度的旋转副处于背伸15°时，所述的第一限位面（2201）与下限位面（2101）重合接触，使小腿连接件（21）与足部上连接件（22）的相对背伸运动被限位；当跖屈/背伸自由度的旋转副处于跖屈25°时，所述的第二限位面（2202）与下限位面（2101）重合接触，使小腿连接件（21）与足部上连接件（22）的相对跖屈运动被限位。

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