CN105105897B - 一种用于穿戴式下肢外骨骼机器人的足部装置 - Google Patents
一种用于穿戴式下肢外骨骼机器人的足部装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于穿戴式下肢外骨骼机器人的足部装置,包括第一执行机构、驱动齿轮机构、从动齿轮机构、小腿连杆、球笼式万向节、转动调节装置、第二执行机构、电机固定托板、第一复位弹簧、踝关节控制板、足履、圆杆和第二复位弹簧;本发明实现了踝关节三个自由度可调节的转动,实现了对不同患者或者同一患者不同时期的踝部关节的主动性训练,活动自由度多而且实用性较强;采用球笼式万向节既能实现在跖屈/背屈运动到不同角度中均能实现踝关节的旋内/旋外运动,也能保证电机转速与踝关节的转速始终保持一致;设置的复位弹簧提高了关节运动的稳定性;采用谐波减速器实现了对关节转动速度的有效调节,提高了人机耦合性。
Description
技术领域
本发明属于穿戴式下肢外骨骼机器人技术领域,涉及一种用于穿戴式下肢外骨骼机器人的足部装置,具体涉及一种具有沿三个方向转动共三个自由度的可调节踝关节的足部装置。
背景技术
依据运动学的原理,人体踝关节具有三个方向的自由度,分别是围绕运动关节的跖屈/背屈运动、外展/内收运动和旋内/旋外运动,目前市场上广泛存在的踝关节的康复设备、矫形器或外骨骼都是使踝关节进行跖屈/背屈的单一运动,而这种单自由度的运动,不仅康复训练的功能较为狭隘,极易造成踝关节的再次损伤,而且舒适性、安全性、适应性及康复效果都很差。
下肢外骨骼机器人无论是提高穿戴的机动能力、负重能力,还是辅助老年人行走或辅助医疗康复训练功能,均要求脚部的踝关节装置具有一定的辅助支撑作用,更需要有类似人体骨骼的自由度。而现有的踝关节装置大部分都是脚踝助行器装置或辅助康复训练的外骨骼足部装置。申请号为CN200910111110.4的发明公布了两自由度康复器,实现了脚踝的内翻/外翻运动和外展/内收运动。该发明虽然实现了脚踝的两个自由度的运动,但仍不能克服行走时来自地面的冲击,其外展/内收这一动作实施时可控性不便,控制不好更容易崴脚,且结构复杂实施不够便捷,应用领域也仅限于医疗器械。申请号为CN200410053695.6和CN200420081797.4的发明公开了两种医疗器械领域的下肢步行外骨骼,该发明可在一定程度上减轻步行者疲劳,增强人体携带重物运动的能力,作为下肢截肢病人或者肌肉萎缩病人的助行器。但该发明结构体积庞大,步行时难以克服来自地面的冲击,且穿戴者的脚踝的运动自由度有限,长期穿戴会给穿戴者带来一定的不舒适感和疲劳感,同时由于它的功能单一使该发明应用领域有限。申请号为CN201510082305.6的发明公开了一种外骨骼用三自由度柔性踝关节装置,运用三个自由度的装置实现了踝关节的跖屈/背屈运动、外展/内收运动。但是该发明只采用了被动的自由度,仅可以作为助行器外骨骼的使用,而不能作为辅助康复型外骨骼对患者踝部关节的主动性训练,同时,该装置采用柔性材料对脚踝的外展/内收进行控制,长期使用会造成柔性材料的强度疲劳,容易造成使用者在行走过程中崴脚。申情号为CN201410208291.3的中国专利公开了一种用于康复训练用的多自由度的踝关节动力外骨骼,可以自适应踝关节的内/外翻、内/外旋和沿矢状轴前后移动的三类耦合运动。但该技术方案仅适合于康复训练中的被动训练用,不适合与穿戴使用。
因而,设计一种能多方面适用于穿戴者不同身体需求的机动能力及负重能力高、可用于康复式训练的下肢外骨骼踝关节装置显得十分必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于穿戴式下肢外骨骼机器人的具有三自由度可调节踝关节的足部装置,解决目前穿戴式下肢外骨骼机器人踝关节的装置普遍存在的实用性不强,活动自由度少,被动式训练过多,稳定性不高以及与人体耦合性较差等问题。
本发明所采用的技术方案是:一种用于穿戴式下肢外骨骼机器人的足部装置,其特征在于:包括控制踝关节旋内/旋外的第一执行机构、驱动齿轮机构、从动齿轮机构、小腿连杆、球笼式万向节、转动调节装置、控制踝关节跖屈/背屈的第二执行机构、电机固定托板、第一复位弹簧、踝关节控制板、足履、圆杆和第二复位弹簧;所述的小腿连杆为内空型柱体,其外壁上设置有槽孔、底面设置有突出固定板和第一轴承;所述的球笼式万向节包括驱动端、上固定板、下固定板和从动端;所述的转动调节装置为U型,其两壁分别设置有左侧通孔和右侧花键孔、底面上设置有第二轴承;所述的电机固定托板为L型、由包括电机固定端和托板固定端固定连接而成,其中电机固定端为L型、由突出固定板和第二执行机构承载端固定连接而成;
所述转动调节装置通过左侧通孔铰链连接到所述的踝关节控制板的一侧,所述转动调节装置通过右侧花键孔和花键与所述的第二执行机构连接,所述的第二执行机构通过所述的电机固定端固定安装在所述的电机固定托板上;所述的电机固定托板通过所述的托板固定端固定安装在所述的踝关节控制板上;
所述的第一执行机构固定安装在所述的小腿连杆外壁上,通过花键与所述的驱动齿轮机构进行连接,所述的驱动齿轮机构通过所述的槽孔与设置在小腿连杆内的从动齿轮机构啮合连接;
所述的球笼式万向节的驱动端依次穿过所述的第二轴承、第一轴承后与所述的从动齿轮机构固定连接;所述的球笼式万向节的上固定板与所述的第一轴承固定连接、从动端通过所述的下固定板固定安装在所述的踝关节控制板上;
所述的第一复位弹簧为两根,分别前后对称地连接在所述的转动调节装置和踝关节控制板上;
所述得踝关节控制板设置有凸出部,所述的足履设置有凹进部,所述的踝关节控制板的凸出部与所述的足履的凹进部通过所述的圆杆与足履铰接连接在一起,其铰接部分的前后两侧均设置有两根所述的第二复位弹簧。
作为优选,所述的第一执行机构和第二执行机构均由依次连接的盘式电机、谐波减速器连接箱、执行机构输出轴和关节连接支架组成。
作为优选,所述的第一执行机构分别通过所述的关节连接支架和突出固定板与所述的小腿连杆固定连接在一起,所述的第二执行机构分别通过所述的关节连接支架和突出固定板与所述的电机固定托板固定连接在一起。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:实现了踝关节三个自由度可调节的转动,其中踝关节跖屈/背屈运动、旋内/旋外运动即可采用电机驱动的方式也可以采用从动方式,踝关节的外展/内收运动只采用从动方式,从而实现了对踝关节三个从动、一个驱动两个从动和两个驱动一个从动的不同方式控制,能够实现对不同患者或者同一患者不同时期的踝部关节的主动性训练,活动自由度多而且实用性较强;采用球笼式万向节既能实现在跖屈/背屈运动到不同角度中均能实现踝关节的旋内/旋外运动,也能保证电机转速与踝关节的转速始终保持一致;设置的复位弹簧提高了关节运动的稳定性;采用谐波减速器实现了对关节转动速度的有效调节,提高了人机耦合性。
附图说明
图1:为本发明实施例的结构示意图。
图2:为本发明实施例的第一执行机构和第二执行机构分解示意图。
图3:为本发明实施例的球笼式万向节与小腿连杆、转动调节装置轴承连接的结构示意图。
图4:为本发明实施例的电机固定托板与第二执行机构、踝关节控制板连接的结构示意图。
图5:为本发明实施例的踝关节控制板与足履连接的结构示意图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明,下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述,应当理解,此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明,并不用于限定本发明。
请见图1、图2、图3、图4和图5,本发明提供的一种用于穿戴式下肢外骨骼机器人的足部装置,包括控制踝关节旋内/旋外的第一执行机构1、驱动齿轮机构2、从动齿轮机构3、小腿连杆4、球笼式万向节5、转动调节装置6、控制踝关节跖屈/背屈的第二执行机构7、电机固定托板8、第一复位弹簧9、踝关节控制板10、足履11、圆杆12和第二复位弹簧13;第一执行机构1和第二执行机构7均由依次连接的盘式电机A、谐波减速器连接箱B、执行机构输出轴C和关节连接支架D组成;小腿连杆4为内空型柱体,其外壁上设置有槽孔4.1、底面设置有突出固定板4.2和第一轴承4.3;球笼式万向节5包括驱动端5.1、上固定板5.2、下固定板5.3和从动端5.4;转动调节装置6为U型,其两壁分别设置有左侧通孔6.1和右侧花键孔6.2、底面上设置有第二轴承6.3;电机固定托板8为L型、由包括电机固定端8.1和托板固定端8.2固定连接而成,其中电机固定端8.1为L型、由突出固定板8.11和第二执行机构承载端8.12固定连接而成;转动调节装置6通过左侧通孔6.1铰链连接到踝关节控制板10的一侧,转动调节装置6通过右侧花键孔6.2和花键与第二执行机构7连接,第二执行机构7通过电机固定端8.1固定安装在电机固定托板8上;电机固定托板8通过托板固定端8.2固定安装在踝关节控制板10上;第一执行机构1分别通过关节连接支架D和突出固定板4.2与小腿连杆4固定连接在一起,第二执行机构7分别通过关节连接支架D和突出固定板8.11与电机固定托板8固定连接在一起;第一执行机构1固定安装在小腿连杆4外壁上,通过花键与驱动齿轮机构2进行连接,驱动齿轮机构2通过槽孔4.1与设置在小腿连杆4内的从动齿轮机构3啮合连接;球笼式万向节5的驱动端5.1依次穿过第二轴承(6.3)、第一轴承4.3后与从动齿轮机构3固定连接;球笼式万向节5的上固定板5.2与第一轴承4.3固定连接、从动端5.4通过下固定板5.3固定安装在踝关节控制板10上;第一复位弹簧9为两根,分别前后对称地连接在转动调节装置6和踝关节控制板10上;得踝关节控制板10设置有凸出部,足履11设置有凹进部,踝关节控制板10的凸出部与足履11的凹进部通过圆杆12与足履11铰接连接在一起,其铰接部分的前后两侧均设置有两根第二复位弹簧13。
本实施例中,第二执行机构7的盘式电机A转动时,通过控制执行机构输出轴C的花键带动转动调节装置6转动,从而实现电机驱动踝关节的跖屈/背屈运动;第一执行机构1的盘式电机A转动时,通过控制执行机构输出轴C的花键带动驱动齿轮机构2转动,驱动齿轮机构2通过啮合带动从动齿轮机构3转动,从动齿轮机构3与球笼式万向节5的驱动端5.1通过螺栓固定连接,因此球笼式万向节5的驱动端5.1和从动齿轮机构3保持同轴同速转动,根据球笼式万向节的特点,球笼式万向节5的从动端5.4将带动踝关节控制板10与球笼式万向节5的驱动端5.1同速转动,从而实现了电机驱动踝关节的旋内/旋外运动;踝关节控制板10通过圆杆12与足履11铰接,从而实现了踝关节的外展/内收运动的从动调节。
本实施例的执行机构输出轴C是通过花键与从动机构连接,谐波减速器连接箱B通过固定连接执行机构输出轴C将执行机构的面输出转化为轴输出,花键的配合方式可以保证关节驱动力矩较大时传动结构的刚度。
本实施例的第一轴承4.3与球笼式万向节上固定板5.2固定连接,使在踝关节的外旋/内旋过程中小腿连杆4与踝关节不会接触,保证了踝关节的外旋/内旋过程平稳,采用轴承连接可减少转动时的摩擦损耗,实现转动的均匀性。
本实施例的转动调节装置6与踝关节控制板10、足履11与踝关节控制板10之间均使用了复位弹簧连接,复位弹簧一方面保证了连接件在不受外力的情况下自动复位,另一方面也起到了限位作用,保证了装置转动的稳定和安全。
本实施例的第一执行机构1与小腿连杆4分别通过关节连接支架D和突出固定板4.2进行固定连接,第二执行机构7与电机固定托板8的电机固定端8.1分别通过关节连接支架D和突出固定板8.11进行固定连接,盘式电机可以自由装卸,并不影响执行机构其他部件位置和功能的变化,保证踝关节跖屈/背屈运动、旋内/旋外运动即可采用电机驱动的方式也可以采用从动方式,结合对踝关节的外展/内收运动只采用从动方式,实现了对踝关节三个从动、一个驱动两个从动和两个驱动一个从动的不同方式控制,有助于对不同患者或者同一患者不同时期的踝部关节的主动性训练,活动自由度多而且实用性较强。
尽管本说明书较多地使用了第一执行机构1、驱动齿轮机构2、从动齿轮机构3、小腿连杆4、球笼式万向节5、转动调节装置6、控制踝关节跖屈/背屈的第二执行机构7、电机固定托板8、第一复位弹簧9、踝关节控制板10、足履11、圆杆12和第二复位弹簧13等术语,但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质,把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
应当理解的是,本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
应当理解的是,上述针对较佳实施例的描述较为详细,并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制,本领域的普通技术人员在本发明的启示下,在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下,还可以做出替换或变形,均落入本发明的保护范围之内,本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (3)
1. 一种用于穿戴式下肢外骨骼机器人的足部装置,其特征在于:包括控制踝关节旋内/旋外的第一执行机构(1)、驱动齿轮机构(2)、从动齿轮机构(3)、小腿连杆(4)、球笼式万向节(5)、转动调节装置(6)、控制踝关节跖屈/背屈的第二执行机构(7)、电机固定托板(8)、第一复位弹簧(9)、踝关节控制板(10)、足履(11)、圆杆(12)和第二复位弹簧(13);
所述的小腿连杆(4)为内空型柱体,其外壁上设置有槽孔(4.1)、底面设置有突出固定板(4.2)和第一轴承(4.3);
所述的球笼式万向节(5)包括驱动端(5.1)、上固定板(5.2)、下固定板(5.3)和从动端(5.4);
所述的转动调节装置(6)为U型,其两壁分别设置有左侧通孔(6.1)和右侧花键孔(6.2)、底面上设置有第二轴承(6.3);
所述的电机固定托板(8)为L型、由包括电机固定端(8.1)和托板固定端(8.2)固定连接而成,其中电机固定端(8.1)为L型、由突出固定板(8.11)和第二执行机构承载端(8.12)固定连接而成;
所述转动调节装置(6)通过左侧通孔(6.1)铰链连接到所述的踝关节控制板(10)的一侧,所述转动调节装置(6)通过右侧花键孔(6.2)和花键与所述的第二执行机构(7)连接,所述的第二执行机构(7)通过所述的电机固定端(8.1)固定安装在所述的电机固定托板(8)上;所述的电机固定托板(8)通过所述的托板固定端(8.2)固定安装在所述的踝关节控制板(10)上;
所述的第一执行机构(1)固定安装在所述的小腿连杆(4)外壁上,通过花键与所述的驱动齿轮机构(2)进行连接,所述的驱动齿轮机构(2)通过所述的槽孔(4.1)与设置在小腿连杆(4)内的从动齿轮机构(3)啮合连接;
所述的球笼式万向节(5)的驱动端(5.1)依次穿过所述的第二轴承(6.3)、第一轴承(4.3)后与所述的从动齿轮机构(3)固定连接;所述的球笼式万向节(5)的上固定板(5.2)与所述的第一轴承(4.3)固定连接、从动端(5.4)通过所述的下固定板(5.3)固定安装在所述的踝关节控制板(10)上;
所述的第一复位弹簧(9)为两根,分别前后对称地连接在所述的转动调节装置(6)和踝关节控制板(10)上;
所述的踝关节控制板(10)设置有凸出部,所述的足履(11)设置有凹进部,所述的踝关节控制板(10)的凸出部与所述的足履(11)的凹进部通过所述的圆杆(12)与足履(11)铰接连接在一起,其铰接部分的前后两侧均设置有两根所述的第二复位弹簧(13)。
2. 根据权利要求1所述的用于穿戴式下肢外骨骼机器人的足部装置,其特征在于:所述的第一执行机构(1)和第二执行机构(7)均由依次连接的盘式电机(A)、谐波减速器连接箱(B)、执行机构输出轴(C)和关节连接支架(D)组成。
3. 根据权利要求2所述的用于穿戴式下肢外骨骼机器人的足部装置,其特征在于:所述的第一执行机构(1)分别通过所述的关节连接支架(D)和突出固定板(4.2)与所述的小腿连杆(4)固定连接在一起,所述的第二执行机构(7)分别通过所述的关节连接支架(D)和突出固定板(8.11)与所述的电机固定托板(8)固定连接在一起。
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