CN112168442A - 一种变刚度踝关节 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种变刚度踝关节，包括小腿连接组件、脚掌组件和变刚度驱动组件，所述小腿连接组件将踝关节穿戴在人体脚踝上，所述脚掌组件包括前脚底板、后脚底板、脚掌侧板、支撑板，所述变刚度驱动组件位于人体脚踝两侧对称设置，每一组变刚度驱动组件均包括摆动杆、滚轮、变阻尼弧杆和弹簧；其对传统的踝关节中弹簧施力方式进行了重新设计，配合凸轮槽的曲线设计，改变人体步行时脚掌不同姿态下弹簧提供的拉力，即使得本发明的踝关节具备变刚度性能，满足人体脚掌相对于踝关节姿态不同情况下的力矩补偿。

Description

一种变刚度踝关节

技术领域

本发明涉及外骨骼机器人领域，具体涉及一种变刚度踝关节。

背景技术

随着科技发展，借助外力驱动的外骨骼逐渐广泛应用于各领域，以辅助人体完成各类重体力劳动或者辅助患病人体的骨骼及肌肉恢复，而在人体活动中，步行是最基本的运动，在整个步行过程中，踝关节的最大功率约为髋关节和膝关节的4倍，是三个下肢关节中能量输出最多，所需功率最高的关节。相比于髋关节和膝关节，踝关节的运动也需要更大的肌肉力，踝关节的蹬地力对行走的步幅和步频也有着直接影响，如果踝关节力矩不足，将会严重制约人体的正常行走和日常活动。

由于踝关节是在三维空间内运动的，它有三个自由度，不仅可以有背屈和跖屈动作，还会发生内翻、外翻、内旋和外旋等动作，不同患者步行时脚掌相对于脚踝的运动曲线又是不同的，导致踝关节的设计难度大大增加，因此设计一种根据人体步行过程中姿态变化而刚度发生变化的踝关节外骨骼，可以有效帮助使用者控制和补偿踝关节力矩，防止力矩不足造成肌肉拉伤和崴脚现象。

发明内容

基于上述目的，本发明提供了一种变刚度踝关节，其对传统的踝关节中弹簧施力方式进行了重新设计，配合凸轮槽的曲线设计，改变人体步行时脚掌不同姿态下弹簧提供的拉力，即使得本发明的踝关节具备变刚度性能，满足人体脚掌相对于踝关节姿态不同情况下的力矩补偿。

本发明采用的技术方案如下：一种变刚度踝关节，包括小腿连接组件、脚掌组件和变刚度驱动组件；

所述小腿连接组件包括小腿连接板、纤维带和贴附板，所述小腿连接板包括两块，其分布于使用者小腿两侧且下端与脚掌组件铰接，所述贴附板包括均匀贴附在人体小腿表面的多块，所述纤维带将贴附板以及小腿连接板连接在一起，使得小腿连接组件可承力从而将踝关节穿戴在人体脚踝上；

所述脚掌组件包括前脚底板、后脚底板、脚掌侧板、支撑板，所述脚掌侧板和支撑板均包括两块，两块脚掌侧板分别固定连接在前脚底板上表面的左右两侧，两块支撑板均呈弯曲弧形，且两块支撑板的一端分别与一块脚掌侧板铰接，另一端均与后脚底板固定连接在一起，所述小腿连接板的下端与所述支撑板的弯曲顶点铰接，从而将小腿连接件和脚掌组件铰接在一起；

所述前脚底板整体呈扁平椭圆形的弹性金属板，其内部设置有多道倾斜的支撑弹性片，使得所述前脚底板在承受重压时可发生弹性变形增大扁平度；所述后脚底板整体呈扁平椭圆形的弹性金属板，其内部也设置有多道倾斜的支撑弹性片，使得所述后脚底板在承受重压时可发生弹性变形增大扁平度，所述前脚底板和后脚底板共同增加本发明踝关节的减震效果；

所述变刚度驱动组件位于人体脚踝两侧对称设置，每一组变刚度驱动组件均包括摆动杆、滚轮、变阻尼弧杆和弹簧，所述摆动杆与小腿连接板的下端固定连接，使得摆动杆可随小腿连接板前后摆动时绕小腿连接板与支撑板的铰接点相对转动，所述变阻尼弧杆的一端铰接在支撑板上，所述变阻尼弧杆的另一端与弹簧连接，所述弹簧的另一端与脚掌侧板固定连接；所述变阻尼弧杆整体呈钩型，钩型结构的内表面上设置有凸轮槽，所述凸轮槽的线型为凸轮线，所述摆动杆的一端通过锁定螺母与小腿连接板固定连接在一起，所述摆动杆的另一端设置有滚轮，所述滚轮与摆动杆铰接，且摆动杆随小腿连接板摆动时，所述滚轮在凸轮槽内沿凸轮槽滚动，从而可推动变阻尼弧杆绕其与支撑板的铰接点转动。

所述弹簧一端与变阻尼弧杆连接，另一端与连接销连接，所述连接销的另一端通过调节螺母与脚掌侧板固定连接，通过调节螺母可调节连接销相对于脚掌侧板的锁定位置，从而可调节弹簧的初始预紧力。

所述支撑板由长杆段和短杆段一体式组成“7”字形结构，所述长杆段的端点与脚掌侧板铰接，所述短杆段的端点处与后脚底板固定连接在一起，所述长杆段和短杆段的接合处与小腿连接板下端铰接。

对本发明踝关节的变阻尼原理解释如下：当小腿连接板相对于支撑板向后摆动时(向前迈脚)，摆动杆沿凸轮槽向前摆动，从而带动变阻尼弧杆绕其与支撑板的铰接点向前摆动，弹簧预紧力减小；当小腿连接板相对于支撑板向前摆动时(提脚动作)，摆动杆沿凸轮槽向后摆动，从而推动变阻尼弧杆绕其与支撑板的铰接点向后摆动，钩型变阻尼弧杆拉动弹簧伸长，弹簧提供的弹力增大，使得弹簧的弹力提供辅助人体提脚动作的助力；即在人体迈步动作过程中，随小腿和脚掌相对姿态的变化，滚轮在凸轮槽内滚动的位置也发生变化，改变变阻尼弧杆的位置，使其对弹簧的作用力也发生变化，从而使得本发明的踝关节具备变阻尼、变刚度特性，更好的满足人体需求。

本发明的优点在于：

1、人体小腿和脚掌不同姿态时，滚轮位于凸轮槽内位置也不同，从而带动变阻尼弧杆不断变化其位置，以改变弹簧的预紧力，实现踝关节的变阻尼、变刚度特性；

2、钩型结构的变阻尼弧杆内部凸轮槽的线型可根据不同使用者的动作特性进行适应性设计，从而可更好的匹配使用者自身动作习惯，使用体验性更佳；

3、左右两侧的变刚度驱动组件单独受力，可根据人体脚掌歪斜度提供左右两侧不同的刚度变化，可以更佳的满足人体力学要求；

4、本发明的踝关节整体零部件少，结构简单，使用及组装均更方便。

附图说明

图1是本发明变刚度踝关节整体结构示意图；

图2是本发明变刚度踝关节整体结构侧面视图；

图3是本发明变刚度踝关节的脚掌部位侧面视图；

图4是本发明变刚度踝关节的支撑板结构示意图；

图5是本发明变刚度踝关节的变阻尼弧杆结构示意图；

图6是本发明变刚度踝关节的摆动杆结构示意图；

图7是本发明变刚度踝关节的变刚度驱动部位结构示意图；

图中：1、小腿连接板，2、纤维带，3、贴附板，4、前脚底板，5、后脚底板，6、脚掌侧板，7、支撑板，8、摆动杆，9、滚轮，10、变阻尼弧杆，11、凸轮槽，12、弹簧，13、连接销，14、锁定螺母，15、调节螺母。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方法，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

参阅附图，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的位置限定用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1、图2所示，图1是本发明变刚度踝关节整体结构示意图，图2是本发明变刚度踝关节整体结构侧面视图，本发明的变刚度踝关节，包括小腿连接组件、脚掌组件和变刚度驱动组件，所述小腿连接组件包括小腿连接板1、纤维带2和贴附板3，所述小腿连接板1包括两块，其分布于使用者小腿两侧且下端与脚掌组件铰接，所述贴附板3包括均匀贴附在人体小腿表面的多块，所述纤维带2将贴附板3以及小腿连接板1连接在一起，使得小腿连接组件可承力从而将踝关节穿戴在人体脚踝上；

所述脚掌组件包括前脚底板4、后脚底板5、脚掌侧板6、支撑板7，所述脚掌侧板6和支撑板7均包括两块，两块脚掌侧板6分别固定连接在前脚底板4上表面的左右两侧，两块支撑板7均呈弯曲弧形，且两块支撑板7的一端分别与一块脚掌侧板6铰接，另一端均与后脚底板5固定连接在一起，所述小腿连接板1的下端与所述支撑板7的弯曲顶点铰接，从而将小腿连接件和脚掌组件铰接在一起；

图7是本发明变刚度踝关节的变刚度驱动部位结构示意图，其示出了变刚度驱动组件的结构关系，所述变刚度驱动组件位于人体脚踝两侧对称设置，每一组变刚度驱动组件均包括摆动杆8、滚轮9、变阻尼弧杆10和弹簧12，所述摆动杆8与小腿连接板1的下端固定连接，使得摆动杆8可随小腿连接板1前后摆动时绕小腿连接板1与支撑板7的铰接点相对转动，所述变阻尼弧杆10的一端铰接在支撑板7上，所述变阻尼弧杆10的另一端与弹簧12连接，所述弹簧12的另一端与脚掌侧板6固定连接，如图5所示，是本发明变刚度踝关节的变阻尼弧杆结构示意图，所述变阻尼弧杆10整体呈钩型，钩型结构的内表面上设置有凸轮槽11，所述凸轮槽11的线型为凸轮线，如图6所示，是本发明变刚度踝关节的摆动杆结构示意图，所述摆动杆8的一端通过锁定螺母14与小腿连接板1固定连接在一起，所述摆动杆8的另一端设置有滚轮9，所述滚轮9与摆动杆8铰接，且摆动杆8随小腿连接板1摆动时，所述滚轮9在凸轮槽11内沿凸轮槽11滚动，从而可推动变阻尼弧杆10绕其与支撑板7的铰接点转动。

如图3所示，是本发明变刚度踝关节的脚掌部位侧面视图，所述前脚底板4整体呈扁平椭圆形的弹性金属板，其内部设置有多道倾斜的支撑弹性片，使得所述前脚底板4在承受重压时可发生弹性变形增大扁平度；所述后脚底板5整体呈扁平椭圆形的弹性金属板，其内部也设置有多道倾斜的支撑弹性片，使得所述后脚底板5在承受重压时可发生弹性变形增大扁平度，所述前脚底板4和后脚底板5共同增加本发明踝关节的减震效果。

图4是本发明变刚度踝关节的支撑板结构示意图，如图所示，所述支撑板7由长杆段和短杆段一体式组成“7”字形结构，所述长杆段的端点与脚掌侧板6铰接，所述短杆段的端点处与后脚底板5固定连接在一起，所述长杆段和短杆段的接合处与小腿连接板1下端铰接。

参见图7，所述弹簧12一端与变阻尼弧杆10连接，另一端与连接销13连接，所述连接销13的另一端通过调节螺母15与脚掌侧板6固定连接，通过调节螺母15可调节连接销13相对于脚掌侧板6的锁定位置，从而可调节弹簧12的初始预紧力。

结合图1-7，对本发明踝关节的变阻尼原理解释如下：当小腿连接板1相对于支撑板7向后摆动时(向前迈脚)，摆动杆8沿凸轮槽11向前摆动，从而带动变阻尼弧杆10绕其与支撑板7的铰接点向前摆动，弹簧12预紧力减小；当小腿连接板1相对于支撑板7向前摆动时(提脚动作)，摆动杆8沿凸轮槽11向后摆动，从而推动变阻尼弧杆10绕其与支撑板7的铰接点向后摆动，钩型变阻尼弧杆10拉动弹簧12伸长，弹簧12提供的弹力增大，使得弹簧12的弹力提供辅助人体提脚动作的助力；即在人体迈步动作过程中，随小腿和脚掌相对姿态的变化，滚轮9在凸轮槽11内滚动的位置也发生变化，改变变阻尼弧杆10的位置，使其对弹簧12的作用力也发生变化，从而使得本发明的踝关节具备变阻尼、变刚度特性，更好的满足人体需求。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (4)

1.一种变刚度踝关节，其特征在于，包括小腿连接组件、脚掌组件和变刚度驱动组件；

所述小腿连接组件包括小腿连接板、纤维带和贴附板，所述小腿连接板包括两块，其分布于使用者小腿两侧且下端与脚掌组件铰接，所述贴附板包括均匀贴附在人体小腿表面的多块，所述纤维带将贴附板以及小腿连接板连接在一起，使得所述小腿连接件可承力从而将踝关节穿戴在人体脚踝上；

所述脚掌组件包括前脚底板、后脚底板、脚掌侧板、支撑板，所述脚掌侧板和支撑板均包括两块，两块脚掌侧板分别固定连接在前脚底板上表面的左右两侧，两块支撑板均呈弯曲弧形，且两块支撑板的一端分别与一块脚掌侧板铰接，另一端均与后脚底板固定连接在一起，所述小腿连接板的下端与所述支撑板的弯曲顶点铰接，从而将小腿连接件和脚掌组件铰接在一起；

所述变刚度驱动组件位于人体脚踝两侧对称设置，每一组变刚度驱动组件均包括摆动杆、滚轮、变阻尼弧杆和弹簧，所述摆动杆与小腿连接板的下端固定连接，使得摆动杆可随小腿连接板前后摆动时绕小腿连接板与支撑板的铰接点相对转动，所述变阻尼弧杆的一端铰接在支撑板上，所述变阻尼弧杆的另一端与弹簧连接，所述弹簧的另一端与脚掌侧板固定连接；所述变阻尼弧杆整体呈钩型，钩型结构的内表面上设置有凸轮槽，所述凸轮槽的线型为凸轮线，所述摆动杆的一端通过锁定螺母与小腿连接板固定连接在一起，所述摆动杆的另一端设置有滚轮，所述滚轮与摆动杆铰接，且摆动杆随小腿连接板摆动时，所述滚轮在凸轮槽内沿凸轮槽滚动，从而可推动变阻尼弧杆绕其与支撑板的铰接点转动。

2.根据权利要求1所述的变刚度踝关节，其特征还在于，所述弹簧一端与变阻尼弧杆连接，另一端与连接销连接，所述连接销的另一端通过调节螺母与脚掌侧板固定连接，通过调节螺母可调节连接销相对于脚掌侧板的锁定位置，从而可调节弹簧的初始预紧力。

3.根据权利要求1所述的变刚度踝关节，其特征还在于，所述前脚底板整体呈扁平椭圆形的弹性金属板，其内部设置有多道倾斜的支撑弹性片，使得所述前脚底板在承受重压时可发生弹性变形增大扁平度；所述后脚底板整体呈扁平椭圆形的弹性金属板，其内部也设置有多道倾斜的支撑弹性片，使得所述后脚底板在承受重压时可发生弹性变形增大扁平度，所述前脚底板和后脚底板共同增加本发明踝关节的减震效果。

4.根据权利要求1所述的变刚度踝关节，其特征还在于，所述支撑板由长杆段和短杆段一体式组成“7”字形结构，所述长杆段的端点与脚掌侧板铰接，所述短杆段的端点处与后脚底板固定连接在一起，所述长杆段和短杆段的接合处与小腿连接板下端铰接。

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