專利名稱：一種二自由度外骨骼踝關(guān)節(jié)機構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于外骨骼踝關(guān)節(jié)的機構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域，涉及一種具有二個空間正交自由度的外骨骼踝關(guān)節(jié)機構(gòu)。
背景技術(shù)：
首先，踝關(guān)節(jié)扭傷在全身關(guān)節(jié)扭傷中發(fā)病率最高，極易造成韌帶拉傷甚至撕裂，傷后治療及康復(fù)過程難度較大，且由于關(guān)節(jié)內(nèi)軟組織損傷，部分傷者的行走疼痛癥狀長期不愈可達數(shù)十年，容易復(fù)發(fā)造成陳舊性扭傷，從而引起肌肉痙攣及神經(jīng)末梢的炎性應(yīng)激反應(yīng)，嚴重者造成腓腸肌、比目魚肌等驅(qū)動踝關(guān)節(jié)產(chǎn)生跖屈的主要肌群的不可逆損傷，影響響應(yīng)時間、收縮量及收縮強度等，最終形成踝關(guān)節(jié)功能性穩(wěn)定障礙。此外，下肢助力外骨骼作為一種負重行走的助力器械，可以幫助救援人員背負更多的救生器材等物資在普通運輸工具無法行進的地震、泥石流等災(zāi)害現(xiàn)場進行作業(yè)；在地形復(fù)雜的作戰(zhàn)區(qū)域，可以幫助戰(zhàn)士攜帶更多的武器裝備做長距離的行軍。而對人體下肢動力學特性的研究發(fā)現(xiàn)，在下肢各關(guān)節(jié)中，踝關(guān)節(jié)在腳跟觸地緩沖階段、跖屈蹬地前行階段均具有重要的作用，同時，由于膝關(guān)節(jié)基本不具備額狀面內(nèi)的自由度，故而行走平衡性的保持由髖關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)在額狀面內(nèi)的側(cè)向轉(zhuǎn)動實現(xiàn)，因此，有必要研究滿足這些要求的外骨骼的踩關(guān)節(jié)機構(gòu)?？梢?，無論是作為一種能夠?qū)︴钻P(guān)節(jié)扭傷者進行行走輔助的康復(fù)器械，還是作為用于武裝行軍、災(zāi)害救援的下肢外骨骼的重要組成部分或者專用的踝關(guān)節(jié)外骨骼，外骨骼踝關(guān)節(jié)機構(gòu)的研究都具有極大的實用價值和研究意義。在外骨骼踝關(guān)節(jié)的機構(gòu)設(shè)計中，首先，必須保證自 由度的設(shè)置滿足人體在正常行走過程中的踝關(guān)節(jié)運動規(guī)律，以使得使用者的行走運動不受外骨骼踝關(guān)節(jié)機構(gòu)自由度的限制；其次，在驅(qū)動方式方面，必須充分利用人體踝關(guān)節(jié)行走動力學特性的研究成果，合理設(shè)置外骨骼踝關(guān)節(jié)的主動驅(qū)動自由度與被動驅(qū)動自由度；最后，不論是研發(fā)采用各種驅(qū)動器的專用踝關(guān)節(jié)外骨骼，還是為了方便地與采用各種驅(qū)動器的下肢外骨骼機構(gòu)進行匹配，夕卜骨骼踝關(guān)節(jié)的主動驅(qū)動自由度的驅(qū)動器必須具有可替換性。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題:本發(fā)明提供了一種結(jié)構(gòu)緊湊、運動靈活，能夠?qū)υ谛凶咧芯哂兄匾饔玫孽徘?背伸自由度采用多種驅(qū)動器進行主動驅(qū)動，同時采用片彈簧組實現(xiàn)在行走中保持側(cè)向平衡性的內(nèi)翻/外翻自由度的被動驅(qū)動的二自由度外骨骼踝關(guān)節(jié)機構(gòu)。技術(shù)方案:本發(fā)明的二自由度外骨骼踝關(guān)節(jié)機構(gòu)由三部分組成，為從上至下依次連接設(shè)置的小腿桿裝置、二自由度裝置和足底裝置，二自由度裝置的跖屈/背伸自由度與內(nèi)翻/外翻自由度在空間上正交。小腿桿裝置包含小腿桿、設(shè)置在小腿桿下端后側(cè)的驅(qū)動器安裝座，設(shè)置在驅(qū)動器安裝座后端的驅(qū)動器安裝座軸和設(shè)置在驅(qū)動器安裝座軸兩端的驅(qū)動器安裝座軸套。
二自由度裝置包含從上至下依次連接設(shè)置的小腿連接件、足部上連接件和足部下連接件。小腿連接件的下端兩側(cè)分別設(shè)置有軸承；足部上連接件上端設(shè)置有空心軸和位于空心軸后側(cè)的驅(qū)動器執(zhí)行端座，其中，空心軸通過空心軸鍵和空心軸擋圈與足部上連接件固定安裝，裝配成一個整體；電位器同軸固定安裝于電位器套蓋上，并通過電位器套蓋同軸固定安裝于空心軸內(nèi)，使得電位器與空心軸形成一個整體，并進而與足部上連接件形成一個整體；空心軸通過軸承與小腿連接件安裝連接，使小腿連接件與足部上連接件構(gòu)成一個跖屈/背伸自由度的旋轉(zhuǎn)副。在足部上連接件上端后側(cè)的驅(qū)動器執(zhí)行端座上設(shè)置有驅(qū)動器執(zhí)行端軸和設(shè)置在驅(qū)動器執(zhí)行端軸兩端的驅(qū)動器執(zhí)行端軸套。足部上連接件下端設(shè)置有與空心軸軸心呈空間正交關(guān)系的足部連接件軸，足部下連接件上端設(shè)置有安裝于足部連接件軸兩端的足部連接件軸套，使足部上連接件與足部下連接件構(gòu)成一個內(nèi)翻/外翻自由度的旋轉(zhuǎn)副。足底裝置包含從下至上依次連接設(shè)置的足底橡膠墊、足底片彈簧組和足底板，足底片彈簧組上表面的足尖和足跟位置還分別設(shè)置有足尖橡膠墊和足跟橡膠墊。二自由度裝置的小腿連接件上端與小腿桿裝置的小腿桿下端固定連接；二自由度裝置的足部下連接件下端與足底裝置的足底板固定連接；使得小腿桿裝置、二自由度裝置和足底裝置構(gòu)成二自由度外骨骼踝關(guān)節(jié)機構(gòu)的整機。本發(fā)明中，在足部上連接件的下端兩側(cè)對稱安裝與足部連接件軸平行的片彈簧組，足部下連接件的兩側(cè)分別設(shè)置有片彈簧組蓋板，片彈簧組的下端設(shè)置在足部下連接件與片彈簧組蓋板之間的縫隙中并可在其中滑動。當足部上連接件與足部下連接件構(gòu)成的內(nèi)翻/外翻自由度產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)時，彎曲變形的片彈簧組的下端在足部下連接件和安裝于足部下連接件兩側(cè)的片彈簧組蓋板之間的空隙中滑動，并產(chǎn)生指向直立姿態(tài)的回復(fù)彈力。本發(fā)明中，跖屈/背伸 自由度與內(nèi)翻/外翻自由度在空間上正交，且跖屈/背伸自由度采用主動驅(qū)動方式；內(nèi)翻/外翻自由度采用被動驅(qū)動方式。本發(fā)明中，足部上連接件與小腿連接件間的跖屈/背伸自由度的運動范圍受到限制，具體為小腿連接件相對足部上連接件的運動角度范圍是從背伸15°至跖屈25°。上述跖屈/背伸自由度限制，是用如下方式實現(xiàn):足部上連接件頂部設(shè)置有分別位于前后半側(cè)的第一限位面第二限位面，小腿連接件底端設(shè)置有與足部上連接件頂部相對的下限位面，當跖屈/背伸自由度的旋轉(zhuǎn)副處于背伸15°時，第一限位面與下限位面重合接觸，使小腿連接件與足部上連接件的相對背伸運動被限位；當跖屈/背伸自由度的旋轉(zhuǎn)副處于跖屈25°時，第二限位面與下限位面重合接觸，使小腿連接件與足部上連接件的相對跖屈運動被限位。本發(fā)明的二自由度外骨骼踝關(guān)節(jié)機構(gòu)的整機裝配體、部件分解、整機分解請分別參見圖1、圖2、圖3。圖4中的小腿桿用于與下肢外骨骼機構(gòu)進行匹配連接，也可以在該零件基礎(chǔ)上進行局部修改或增加部分零件發(fā)展為專用的踝關(guān)節(jié)外骨骼機構(gòu)。踝關(guān)節(jié)的跖屈/背伸自由度在蹬地前行階段具有重要的驅(qū)動作用，即輸出正向扭矩，做正功，以驅(qū)動身體做向上向前的運動。因此，踝關(guān)節(jié)外骨骼在該自由度上必須具備外設(shè)驅(qū)動器的接口，同時，為了在本發(fā)明的基礎(chǔ)上發(fā)展出采用各種驅(qū)動器的專用踝關(guān)節(jié)外骨骼，或者與采用各種驅(qū)動器的下肢外骨骼機構(gòu)進行匹配，本發(fā)明所述的二自由度外骨骼踝關(guān)節(jié)機構(gòu)在該自由度上的外設(shè)驅(qū)動器接口具有可替換性，僅需要根據(jù)所采用的具體驅(qū)動器(液壓缸、直線電機、絲杠螺母、套索等驅(qū)動器等)的安裝方式與安裝接口，替換圖4、圖5中所示的驅(qū)動器安裝座軸與驅(qū)動器執(zhí)行端軸即可。驅(qū)動器選擇上的靈活性使得可以方便的在本發(fā)明的基礎(chǔ)上發(fā)展適用于各種環(huán)境與工況要求的外骨骼踝關(guān)節(jié)機構(gòu)。同時，如圖5、圖8所示，足部上連接件頂部設(shè)置有分別位于前后半側(cè)的第一限位面和第二限位面，小腿連接件底端設(shè)置有與足部上連接件頂部相對的下限位面，當跖屈/背伸自由度的旋轉(zhuǎn)副處于背伸15°時，第一限位面與下限位面重合接觸，使小腿連接件與足部上連接件的相對背伸運動被限位；當跖屈/背伸自由度的旋轉(zhuǎn)副處于跖屈25。時，第二限位面與下限位面重合接觸，使小腿連接件與足部上連接件的相對跖屈運動被限位。其中，跖屈/背伸角度定義為:當踝關(guān)節(jié)處于直立姿態(tài)即小腿軸線垂直于足底面時，跖屈/背伸均為0°。踝關(guān)節(jié)的內(nèi)翻/外翻自由度對保持額狀面內(nèi)的行走側(cè)向平衡性具有重要作用，即當行走時外骨骼小腿相對足底發(fā)生額狀面內(nèi)的側(cè)傾時，該自由度應(yīng)該輸出與側(cè)傾方向相反的扭矩以回復(fù)到平衡位置。因此，踝關(guān)節(jié)外骨骼在該自由度上應(yīng)該具有彈性儲能被動驅(qū)動特性，同時，為了減小外骨骼踝關(guān)節(jié)機構(gòu)的體積并降低結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，本發(fā)明所述的外骨骼踝關(guān)節(jié)機構(gòu)在該自由度上的彈性被動驅(qū)動由片彈簧組實現(xiàn)，如圖5、圖7所示。空心軸用于電位器的安裝。在外骨骼踝關(guān)節(jié)運動時，采用電位器檢測跖屈/背伸自由度的角度以實現(xiàn)對該自由度的主動驅(qū)動控制。為了減小外骨骼踝關(guān)節(jié)的機構(gòu)體積，將電位器通過電位器套蓋內(nèi)置安裝于實現(xiàn)該自由度旋轉(zhuǎn)的空心軸中，并通過安裝于小腿連接件上的電位器端蓋弓I出電位器旋轉(zhuǎn)軸，如圖5、圖7所示。如圖6所示，足底片彈簧組安裝于足底板之下，用于模擬人體足底肌肉群在行走過程中的彈性特征，即在外骨骼踝關(guān)節(jié)的腳跟觸地階段起到緩沖減震作用，在外骨骼踝關(guān)節(jié)的蹬地前行階段起到彈力輔助作用，使得外骨骼踝關(guān)節(jié)在這兩個階段都具有柔順特性。有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:本發(fā)明的二自由度外骨骼踝關(guān)節(jié)機構(gòu)采用空間正交的二自由度設(shè)計，模擬了跖屈/背伸運動與內(nèi)翻/外翻運動， 用簡單的結(jié)構(gòu)滿足了人體踝關(guān)節(jié)的生理特性與行走中的運動特性。本發(fā)明的跖屈/背伸主動驅(qū)動自由度可靈活方便地更改驅(qū)動器，能夠在本發(fā)明的基礎(chǔ)上發(fā)展出適用于各種環(huán)境與工況要求的踝關(guān)節(jié)外骨骼機構(gòu)。并且，驅(qū)動器安裝座軸與驅(qū)動器執(zhí)行端軸在踝關(guān)節(jié)機構(gòu)中的位置設(shè)計，使得踝關(guān)節(jié)機構(gòu)在完成理想步態(tài)的跖屈/背伸運動時，驅(qū)動器的伸縮速度變化最平緩，利于精確控制。同時，足部上連接件的上沿弧面具有向前與向后的傾角，具有限位安保作用并符合人體正常行走中的踝關(guān)節(jié)背伸角度與跖屈角度的生理特性。本發(fā)明的內(nèi)翻/外翻被動驅(qū)動自由度采用片彈簧組在人體小腿與外骨骼小腿相對足底發(fā)生額狀面內(nèi)的側(cè)傾時產(chǎn)生指向直立姿態(tài)的回復(fù)力。本發(fā)明的將電位器內(nèi)置于空心軸的裝配方式有效地減小了外骨骼踝關(guān)節(jié)機構(gòu)的體積，并降低了結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。本發(fā)明的足底采用片彈簧組的結(jié)構(gòu)模擬了人體足底肌肉群在行走過程中的彈性特征，使得外骨骼踝關(guān)節(jié)的足底在行走中具有柔順特性。本發(fā)明的二自由度外骨骼踝關(guān)節(jié)機構(gòu)被劃分成三個功能部件，各部件結(jié)構(gòu)緊湊、拆裝方便，而且其外形與質(zhì)量分布設(shè)計更加接近人體踝關(guān)節(jié)的特征。


圖1為二自由度外骨骼踝關(guān)節(jié)機構(gòu)整機裝配體。圖2為二自由度外骨骼踝關(guān)節(jié)機構(gòu)部件分解圖。圖3為二自由度外骨骼踝關(guān)節(jié)機構(gòu)整機分解圖。圖4為小腿桿裝置的分解圖。圖5為二自由度裝置的分解圖。圖6為足底裝置的分解圖。圖7為二自由度裝置的額狀面剖視圖。圖8a為足部上連接件的第一限位面與第二限位面的示意圖；圖8b為小腿連接件的下限位面的示意圖。圖中有:小腿桿裝置1、小腿桿11、驅(qū)動器軸套12、驅(qū)動器安裝座軸13、驅(qū)動器安裝座14 ;二自由度裝置2、小腿連接件21、軸承211、電位器端蓋212、軸承端蓋213 ;足部上連接件22、驅(qū)動器執(zhí)行端軸套221、空心軸擋圈222、電位器223、片彈簧組224、足部連接件軸225、空心軸鍵226、電位器套蓋227、空心軸228、驅(qū)動器執(zhí)行端軸229 ;足部下連接件23、足部連接件軸套231、片彈簧組蓋板232 ;足底裝置3、足尖橡膠墊31、足底片彈簧組32、足底橡膠墊33、足底板34、足跟 橡膠墊35 ;第一限位面2201、第二限位面2202、下限位面2101。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明進行進一步詳細說明，并給出具體的操作過程。本發(fā)明的保護范圍不限于下述的具體實施例，只要是對本發(fā)明中技術(shù)特征進行等同替換和改進所得的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)。如圖1 7所示，一種二自由度外骨骼踝關(guān)節(jié)機構(gòu)，包括小腿桿裝置1、二自由度裝置2、足底裝置3三個部件，這三個部件所包含的零部件有:小腿桿11、驅(qū)動器軸套12、驅(qū)動器安裝座軸13、驅(qū)動器安裝座14 ;小腿連接件21、軸承211、電位器端蓋212、軸承端蓋213 ;足部上連接件22、驅(qū)動器執(zhí)行端軸套221、空心軸擋圈222、電位器223、片彈簧組224、足部連接件軸225、空心軸鍵226、電位器套蓋227、空心軸228、驅(qū)動器執(zhí)行端軸229 ;足部下連接件23、足部連接件軸套231、片彈簧組蓋板232 ；足尖橡膠墊31、足底片彈簧組32、足底橡膠墊33、足底板34、足跟橡膠墊35。整機的裝配方式為:如圖1 2所示，二自由度裝置2的小腿連接件21上端與小腿桿裝置I的小腿桿11下端固定連接；二自由度裝置2的足部下連接件23下端與足底裝置3的足底板34固定連接；將小腿桿裝置1、二自由度裝置2和足底裝置3裝配成一個整體，即二自由度外骨骼踩關(guān)節(jié)機構(gòu)的整機。三個裝置部件的具體裝配方式分別為:如圖4，小腿桿裝置1:在小腿桿11下端后側(cè)安裝有驅(qū)動器安裝座14 ;在驅(qū)動器安裝座14后端安裝有驅(qū)動器安裝座軸13 ;驅(qū)動器安裝座軸13兩端安裝有驅(qū)動器軸套12。如圖5，二自由度裝置2:從上至下依次連接設(shè)置有小腿連接件21、足部上連接件22和足部下連接件23。小腿連接件21的下端兩側(cè)安裝有軸承211 ;足部上連接件22上端安裝有空心軸228和位于空心軸后側(cè)的驅(qū)動器執(zhí)行端座，其中，空心軸228通過空心軸鍵226和空心軸擋圈222與足部上連接件22裝配成一個整體；電位器223同軸固定安裝于電位器套蓋227上，并通過電位器套蓋227同軸固定安裝于空心軸228內(nèi)；空心軸，228通過軸承211與小腿連接件21安裝連接，使小腿連接件21與足部上連接件22構(gòu)成一個跖屈/背伸自由度的旋轉(zhuǎn)副，在軸承211的兩端安裝有軸承端蓋213 ;通過安裝于小腿連接件21下端外側(cè)的電位器端蓋212引出電位器223的旋轉(zhuǎn)軸；足部上連接件22上端后側(cè)的驅(qū)動器執(zhí)行端座上安裝有驅(qū)動器執(zhí)行端軸229和安裝在驅(qū)動器執(zhí)行端軸229兩端的驅(qū)動器執(zhí)行端軸套221 ；足部上連接件22下端安裝有與空心軸228軸心呈空間正交關(guān)系的足部連接件軸225，足部下連接件23上端設(shè)置有足部連接件軸套231，足部連接件軸套231安裝于足部連接件軸225兩端，使足部上連接件22與足部下連接件23構(gòu)成一個內(nèi)翻/外翻自由度的旋轉(zhuǎn)副；在足部上連接件22的下端兩側(cè)對稱安裝與足部連接件軸231平行的片彈簧組224，當足部上連接件22與足部下連接件23構(gòu)成的內(nèi)翻/外翻自由度產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)時，彎曲變形的片彈簧組224的下端在足部下連接件23和安裝于足部下連接件23兩側(cè)的片彈簧組蓋板232之間的空隙中滑動。如圖6，足底裝置3:從下至上依次有相互固定安裝的足底橡膠墊33、足底片彈簧組32和足底板34，足底片彈簧組32上表面的足尖和足跟位置還分別粘帖有足尖橡膠墊31和足跟橡膠墊35。如圖4，小腿桿裝置I中的小腿桿11用于與各類下肢外骨骼機構(gòu)機型連接，如果作為一種專用的踝關(guān)節(jié)外骨骼，進需要設(shè)計與人體小腿進行綁縛的零件并與之連接即可。在本發(fā)明的基礎(chǔ)上 發(fā)展各種用途的踝關(guān)節(jié)外骨骼時，根據(jù)具體的使用環(huán)境與工況要求，可以采用液壓缸、直線電機、絲杠螺母、套索等驅(qū)動器，在進行驅(qū)動器的安裝或更換時，僅需要將圖4中的驅(qū)動器安裝座軸13與圖5中的驅(qū)動器執(zhí)行端軸229拆換成與所采用驅(qū)動的安裝接口匹配的軸零件即可。驅(qū)動器的直線伸縮運動就實現(xiàn)了對外骨骼踝關(guān)節(jié)跖屈/背伸自由度的轉(zhuǎn)動驅(qū)動。在踝關(guān)節(jié)機構(gòu)進行跖屈/背伸自由度的運動時，如圖5、圖8所示，足部上連接件22頂部設(shè)置有分別位于前后半側(cè)的第一限位面2201和第二限位面2202，小腿連接件21底端設(shè)置有與足部上連接件22頂部相對的下限位面2101，當跖屈/背伸自由度的旋轉(zhuǎn)副處于背伸15°時，第一限位面2201與下限位面2101重合接觸，使小腿連接件21與足部上連接件22的相對背伸運動被限位；當跖屈/背伸自由度的旋轉(zhuǎn)副處于跖屈25。時，第二限位面2202與下限位面2101重合接觸，使小腿連接件21與足部上連接件22的相對跖屈運動被限位。其中，跖屈/背伸角度定義為:當踝關(guān)節(jié)處于直立姿態(tài)即小腿軸線垂直于足底面時，跖屈/背伸均為0°。如圖5、圖7，足部上連接件22與足部下連接件23之間通過足部連接件軸225形成外骨骼踝關(guān)節(jié)機構(gòu)的內(nèi)翻/外翻旋轉(zhuǎn)自由度。在足部上連接件22下端兩側(cè)對稱安裝片彈簧組224，當外骨骼小腿相對足底發(fā)生額狀面內(nèi)的側(cè)傾，即產(chǎn)生內(nèi)翻/外翻自由度的旋轉(zhuǎn)角度時，彎曲變形的片彈簧組224的下端被限制在安裝于足部下連接件23兩側(cè)的片彈簧組蓋板232內(nèi)滑動，并產(chǎn)生指向直立姿態(tài)的回復(fù)力，輔助使用者保持行走中的人體與外骨骼在額狀面內(nèi)的平衡性，實現(xiàn)外骨骼踝關(guān)節(jié)的內(nèi)翻/外翻自由度的被動驅(qū)動。如圖5、圖7，空心軸228通過空心軸鍵226和空心軸擋圈222與足部上連接件22裝配成一個整體，電位器223同軸固定安裝于電位器套蓋227上，并通過電位器套蓋227與空心軸228同軸固定地裝配成一個整體，由此，電位器223與足部上連接件22形成一個整體(分成兩步的安裝方式方便使用中對電位器223進行更換拆裝);安裝于小腿連接件21上的電位器端蓋212引出電位器223的旋轉(zhuǎn)軸，使得電位器223的旋轉(zhuǎn)軸與小腿連接件21形成一個整體。小腿連接件21與足部上連接件22的相對轉(zhuǎn)動就是外骨骼踝關(guān)節(jié)機構(gòu)的跖屈/背伸自由度的轉(zhuǎn)動，這樣就實現(xiàn)了電位器223對該自由度轉(zhuǎn)動角度的檢測。如圖6，位于足底板34之下的足底片彈簧組32用于模擬人體足底肌肉群在行走過程中的彈性特征，使得外骨骼踝關(guān)節(jié)在腳跟觸地階段與跖屈蹬地前行階段都具有柔順特性。在對采用主動驅(qū)動方式的外骨骼踝關(guān)節(jié)的跖屈/背伸自由度的驅(qū)動器進行控制時，控制主要流程為:在小腿桿11上安裝人機交互力傳感器(該傳感器也是小腿桿11與人體小腿綁縛部件的一部分)，用于檢測由于人體踝關(guān)節(jié)與外骨骼踝關(guān)節(jié)由于運動同步性誤差造成的人機之間的相互作用力；在外骨骼踝關(guān)節(jié)的足尖橡膠墊31與足跟橡膠墊35對應(yīng)于人體足部大腳趾下側(cè)、小 腳趾下側(cè)與足跟的三個位置安裝一維力足底力傳感器，用于檢測人體作用在外骨骼足部的足底力大小及分布；建立足底力分布與步態(tài)相位的映射關(guān)系，用于從檢測到的足底力實時得出理想的踝關(guān)節(jié)扭矩；根據(jù)得出的扭矩對驅(qū)動器的推/拉力進行控制；根據(jù)人機交互力傳感器的信息對驅(qū)動器的推/拉力進行校正。
權(quán)利要求
1.一種二自由度外骨骼踝關(guān)節(jié)機構(gòu)，其特征在于，該關(guān)節(jié)機構(gòu)包括從上至下依次連接設(shè)置的小腿桿裝置(I )、二自由度裝置(2 )和足底裝置(3 )，所述二自由度裝置(2 )的跖屈/背伸自由度與內(nèi)翻/外翻自由度在空間上正交； 所述小腿桿裝置(I)包括小腿桿(11)、設(shè)置在所述小腿桿(11)下端后側(cè)的驅(qū)動器安裝座(14)、設(shè)置在所述驅(qū)動器安裝座(14)后端的驅(qū)動器安裝座軸(13)和設(shè)置在所述驅(qū)動器安裝座軸(13)兩端的驅(qū)動器安裝座軸套(12); 所述二自由度裝置(2)包括從上至下依次連接設(shè)置的小腿連接件(21)、足部上連接件(22)和足部下連接件(23)，所述小腿連接件(21)的下端兩側(cè)分別設(shè)置有軸承(211)，所述足部上連接件(22)上端設(shè)置有空心軸(228)和位于空心軸(228)后側(cè)的驅(qū)動器執(zhí)行端座，所述空心軸(228 )通過空心軸鍵(226 )和空心軸擋圈(222 )與足部上連接件(22 )固定安裝，空心軸(228 )內(nèi)部設(shè)置有同軸固定連接的電位器(223 )，空心軸(228 )通過軸承(211)與小腿連接件(21)安裝連接，使小腿連接件(21)與足部上連接件(22)構(gòu)成一個跖屈/背伸自由度的旋轉(zhuǎn)副，所述驅(qū)動器執(zhí)行端座上設(shè)置有驅(qū)動器執(zhí)行端軸(229)和設(shè)置在所述驅(qū)動器執(zhí)行端軸(229)兩端的驅(qū)動器執(zhí)行端軸套(221)，所述足部上連接件(22)下端設(shè)置有與空心軸(228)軸心呈空間正交關(guān)系的足部連接件軸(225)，所述足部下連接件(23)上端設(shè)置有足部連接件軸套(231)，所述足部連接件軸套(231)與足部連接件軸(225)安裝連接，使足部上連接件(22)與足部下連接件(23)構(gòu)成一個內(nèi)翻/外翻自由度的旋轉(zhuǎn)副； 所述的足底裝置(3)包括從下至上依次連接設(shè)置的足底橡膠墊(33)、足底片彈簧組(32)和足底板(34)，所述足底片彈簧組(32)上表面的足尖和足跟位置還分別設(shè)置有足尖橡膠墊(31)和足跟橡膠墊(35 ); 所述小腿連接件(21)的上端與小腿桿(11)的下端固定連接，所述足部下連接件(23)的下端與足底板(34 )固定連接，使得小腿桿裝置(I)、二自由度裝置(2)和足底裝置(3)構(gòu)成一個整體機構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種二自由度外骨骼踝關(guān)節(jié)機構(gòu)，其特征在于，所述足部上連接件(22)的下部兩側(cè)對稱設(shè)置有與足部連接件軸(225)平行的片彈簧組(224)，所述足部下連接件(23)的兩側(cè)分別設(shè)置有片彈簧組蓋板(232)，所述片彈簧組(224)的下端設(shè)置在足部下連接件(23)與片彈簧組蓋板(232)之間的縫隙中并可在其中滑動。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種二自由度外骨骼踝關(guān)節(jié)機構(gòu)，其特征在于，所述足部上連接件(22)與小腿連接件(21)間的跖屈/背伸自由度的運動范圍受到限制，具體為小腿連接件(21)相對足部上連接件(22)的運動角度范圍是從背伸15°至跖屈25°。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種二自由度外骨骼踝關(guān)節(jié)機構(gòu)，其特征在于，所述足部上連接件(22)與小腿連接件(21)間的跖屈/背伸自由度限制，是用如下方式實現(xiàn):所述足部上連接件(22)頂部設(shè)置有分別位于前后半側(cè)的第一限位面(2201)和第二限位面(2202)，所述小腿連接件(21)底端設(shè)置有與足部上連接件(22)頂部相對的下限位面(2101)，當跖屈/背伸自由度的旋轉(zhuǎn)副處于背伸15°時，所述的第一限位面(2201)與下限位面(2101)重合接觸，使小腿連接件(21)與足部上連接件(22)的相對背伸運動被限位；當跖屈/背伸自由度的旋轉(zhuǎn)副處于跖屈25。時，所述的第二限位面(2202)與下限位面(2101)重合接觸，使小腿連接件(21)與足部上連接件(22)的相對跖屈運動被限位。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種二自由度外骨骼踝關(guān)節(jié)機構(gòu)，由小腿桿裝置、二自由度裝置、足底裝置等三部分組成，二自由度裝置的跖屈/背伸自由度與內(nèi)翻/外翻自由度為空間正交，對完成行走動作具有重要作用的跖屈/背伸自由度采用主動驅(qū)動方式，對在行走中保持身體在額狀面內(nèi)平衡性的內(nèi)翻/外翻自由度采用片彈簧組被動驅(qū)動方式，當行走時外骨骼小腿相對足底發(fā)生額狀面內(nèi)的側(cè)傾時，片彈簧組會產(chǎn)生指向直立姿態(tài)的回復(fù)力。本發(fā)明可以使得外骨骼踝關(guān)節(jié)的運動與使用者保持同步，靈活的驅(qū)動方式選擇有利于增強本踝關(guān)節(jié)機構(gòu)對各種下肢外骨骼的匹配性，內(nèi)翻/外翻被動驅(qū)動自由度的片彈簧組回復(fù)力有助于減輕使用者保持自身及外骨骼在額狀面內(nèi)平衡性的負擔。
文檔編號A61F2/66GK103099691SQ201210564248
公開日2013年5月15日 申請日期2012年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月24日
發(fā)明者王興松, 賈山, 路新亮, 杜峰坡 申請人:東南大學