一种无动力踝关节外骨骼机器人制造技术

本发明专利技术公开了一种无动力踝关节外骨骼机器人，包括机架结构、驱动结构、储能结构。所述机架结构安装在外骨骼机器人的两侧，两侧机架通过椭圆弧形结构连接，以人体工程学设计为基础设计机架形状，用于人体的便携穿戴，所述储能机构与驱动机构相互配合，通过驱动机构的传递转变，弹簧片的变形转变为可以推动人体向前的动力，以此完成将人体在行走过程中重力势能的变化，降低人体行走时的代谢损耗，该踝关节外骨骼机器人由于其全靠机械结构实现功能，不仅能实现为人体行走提供助力的功能，而且也具有轻便且易携带的特点，对于人体步态的研究也具有一定的价值。具有一定的价值。

【技术实现步骤摘要】
一种无动力踝关节外骨骼机器人


[0001]本专利技术涉及机器人
，尤其涉及踝关节外骨骼机器人，可应用于行走助力等活动，降低长时间行走对于人体的代谢损耗。

技术介绍

[0002]行走是每个人日常的必要运动，在行走过程中人体会通过代谢消耗大量的能量，一部分代谢产生的能量会转化为人体运动所需的机械能，而另一部分能量则会以热能或者其他复合能量的形式耗散，当人体代谢能量消耗较多时，人就会感觉到疲惫，而减少代谢能量，便能提高人的工作效率，通过扩大极端状况下人所能接受的范围，以此来突破人体的运动极限。
[0003]在人体下肢中，踝关节作为人体与地面接触的要道，其功能能否较好的实现会直接影响人行走的稳定性和持续性。在行走中的一些关键时刻，如足部蹬地、承载人体全身重量以及腿的启动等，踝关节均起到了十分关键的作用。基于踝关节在人行走过程中的这些重要作用，许多国内外研究学者们已将注意力集中于踝关节。就目前而言，踝关节外骨骼也主要分为有动力与无动力两大类。

技术实现思路

[0004]本专利技术为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种无动力踝关节外骨骼机器人及其设计方法，以解决现有技术中存在的问题。
[0005]为实现本专利技术目的而采用的技术方案是：无动力踝关节外骨骼机器人，其特征在于，包括机架结构、驱动结构、储能结构。
[0006]按上述技术方案，所述机架结构包括脚底板13、脚后跟曲面板14、曲面固定板15、四杆固定板16、轴承挡板18，所述四杆固定板通过螺纹连接与曲面固定板14和脚底板13固定连接，所述脚后跟曲面板14通过侧面螺栓与曲面固定板14和脚底板13连接，所述曲面固定板14侧面开槽以方便尼龙绑带通过，通过尼龙绑带完成机架结构与人体脚踝的连接。
[0007]按上述技术方案，所述驱动结构包括连杆中间轴3、机架支撑轴7、机架连杆轴8、弹簧输出杆9、连杆10、触底输入杆11、两侧连接杆12，所述连杆中间轴3主要用于连接四杆机构，保证其四杆运动的灵活性，所述机架支撑轴7主要用于连接四杆固定板16与其余板件，所述机架连杆轴8主要用于触底输入杆11与机架的连接，所述弹簧输出杆9一端与上弹簧片4固定连接，另一端通过连杆中间轴3与连杆10连接，所述连杆10、触底接触杆11通过连杆中间轴3相互连接，所述两侧连接杆12通过两侧的螺纹连接螺母将两侧的触底连接杆11连接。
[0008]按上述技术方案，所述储能结构包括上合页块1、下合页块2、上弹簧片4、下弹簧片5、挡块6，所述的上弹簧片4连接于驱动结构的弹簧输出杆9，所述的上合页块1、下合页块2分别用于连接上弹簧片4、下弹簧片5，所述上合页块1、下合页块2组成合页机构，可以使得上弹簧片4向下弯曲这一方向能通过所述的驱动结构实现，所述的挡块6连接于四杆固定板16上，使得其与人体脚踝是固定连接的，主要用于限制弹簧片弯曲变形时刻，避免其在后脚
跟落地前将所储存的人体势能变化释放。
[0009]按上述技术方案，所述的脚底板13、脚后跟曲面板14、曲面固定板15选用材料为铝合金结构，铝合金材质可以使得踝关节外骨骼的质量降低，使得其便携可靠，并且缓解踝关节外骨骼对于人体行走中脚踝的影响。
[0010]按上述技术方案，所述弹簧输出杆9、连杆10、触底输入杆11、四杆固定杆16组成四杆机构，所述的无动力踝关节外骨骼机器人在综合考虑人体步态行走的特点后，其设计的最大亮点在于，不同于以往需要利用电机实现代替踝关节驱动，所述的踝关节外骨骼机器人采用纯被动的方法，整体设计上在一定程度上利用了人体步态中重力势能的变化，利用四杆机构死点位置的特点，将人体步态前期能量储存，在步态后期将能量释放为人体行走提供动力。所述踝关节外骨骼机器人的原理在人体步态初期脚后跟触地阶段，四杆机构开始运动，在步态行走足平放阶段，四杆机构运动到达死点位置，下弹簧片5刚好从挡块6上脱离，并与地面接触。在人体蹬地期间，下弹簧片5产生蹬地力，释放能量。之后进入步态摆动期，下弹簧片5将会受四杆机构运动影响，向上抬起，由于挡块6为铰链结构，对于弹簧片向上运动不产生阻力，故整体结构回复到初始状态。
[0011]相对现有技术，本专利技术具有以下有益效果：1. 本文针对现有技术目前存在的问题，提出了一种可结合人体步态机理，并可进行人体势能转化的无动力踝关节外骨骼2. 本文提出的踝关节外骨骼主要优势在于其不使用其他外部能源，选择去利用人体在行走过程中重力势能的变化，将其通过四杆机构的传递，弹簧片的变形转变为可以推动人体向前的动力，设计中充分考虑了人体步态行走机理，结合步态过程设计出踝关节外骨骼关键结构。
附图说明
[0012]图1是本专利技术实施例中无动力踝关节外骨骼机器人整体结构示意图；图2是本专利技术实施例中无动力踝关节外骨骼机器人机架结构示意图；图3是本专利技术实施例中无动力踝关节外骨骼机器人驱动结构和储能结构示意图；图中，上合页块
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1、下合页块
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2、连杆中间轴
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3、上弹簧片
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4、下弹簧片
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5、挡块
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6、机架支撑轴
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7、机架连杆轴
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8、弹簧输出杆
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9、连杆
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10、触地输入杆
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11、两侧连接杆
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12、脚底板
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13、脚后跟曲面板
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14、曲面固定板
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15、四杆固定板
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16、深沟球轴承
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17、轴承挡板
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18。
实施方式
[0013]下面结合附图和实施例对本专利技术进行详细说明。
[0014]参照图1~图3所示，无动力踝关节外骨骼机器人，其特征在于，包括机架结构、驱动结构、储能结构，所述机架结构由贴合人体工程学的曲面造型设计，用于将外骨骼机器人较好地贴合人体脚踝，机架结构位于人体单只脚的脚踝两侧，驱动结构主要由四杆机构实现其对于人体势能变化的传递，储能结构将人体行走过程初期中势能变化能量储存，在行走后期进行释放以提供人体行走的动力。
[0015]进一步地，参照图1~图2所示，所述机架结构包括脚底板13、脚后跟曲面板14、曲面
固定板15、四杆固定板16、轴承挡板18，所述四杆固定板通过螺纹连接与曲面固定板14和脚底板13固定连接，所述脚后跟曲面板14通过侧面螺栓与曲面固定板14和脚底板13连接，所述曲面固定板14侧面开槽以方便尼龙绑带通过，通过尼龙绑带完成机架结构与人体脚踝的连接。
[0016]进一步地，参照图1~图3所示，所述驱动结构包括连杆中间轴3、机架支撑轴7、机架连杆轴8、弹簧输出杆9、连杆10、触底输入杆11、两侧连接杆12，所述连杆中间轴3主要用于连接四杆机构，保证其四杆运动的灵活性，所述机架支撑轴7主要用于连接四杆固定板16与其余板件，所述机架连杆轴8主要用于触底输入杆11与机架的连接，所述弹簧输出杆9一端与上弹簧片4本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.无动力踝关节外骨骼机器人，其特征在于，包括机架结构、驱动结构、储能结构，所述机架结构由贴合人体工程学的曲面造型设计，用于将外骨骼机器人较好地贴合人体脚踝，机架结构位于人体单只脚的脚踝两侧，驱动结构主要由四杆机构实现其对于人体势能变化的传递，储能结构将人体行走过程初期中势能变化能量储存，在行走后期进行释放以提供人体行走的动力。2.根据权利要求1所述的无动力踝关节外骨骼机器人，其特征在于，所述机架结构包括脚底板、脚后跟曲面板、曲面固定板、四杆固定板、轴承挡板，所述四杆固定板通过螺纹连接与曲面固定板和脚底板固定连接，所述脚后跟曲面板通过侧面螺栓与曲面固定板和脚底板连接，所述曲面固定板侧面开槽以方便尼龙绑带通过，通过尼龙绑带完成机架结构与人体脚踝的连接。3.根据权利要求1所述的无动力踝关节外骨骼机器人，其特征在于，所述驱动结构包括连杆中间轴、机架支撑轴、机架连杆轴、弹簧输出杆、连杆、触底输入杆、两侧连接杆，所述连杆中间轴主要用于连接四杆机构，保证其四杆运动的灵活性，所述机架支撑轴主要用于连接四杆固定板与其余板件，所述机架连杆轴主要用于触底输入杆与机架的连接，所述弹簧输出杆一端与上弹簧片固定连接，另一端通过连杆中间轴与连杆连接，所述连杆、触底接触杆通过连杆中间轴相互连接，所述两侧连接杆通过两侧的螺纹连接螺母将两侧的触底连接杆连接。4.根据权利要求1所述的无动力踝关节外骨骼机器人，其特征在于，所述储能结构包括上合页块、下合页块、上弹簧片、下弹簧片、挡块，所述的上弹簧片连接于驱动结构的弹簧输出杆，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋智斌，詹毓靖，赵竞夫，侯振民，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：