一种二自由度外骨骼踝关节机构制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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踩关节机构。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，夕卜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。
技术实现思路
技术问题:本专利技术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:本专利技术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。本专利技术中，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。本专利技术中，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。本专利技术中，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。本专利技术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，为了在本专利技术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，本专利技术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专利技术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，本专利技术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。本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王兴松，贾山，路新亮，杜峰坡，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32