一種外骨骼用三自由度柔性踝關(guān)節(jié)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于外骨骼設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及一種具有一個(gè)平移兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)共三個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度的外骨骼用柔性踝關(guān)節(jié)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]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(guò)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(zhǎng)期不愈可達(dá)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(yán)重者造成腓腸肌、比目魚(yú)肌等驅(qū)動(dòng)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(shí)間、收縮量及收縮強(qiáng)度等，最終形成踝關(guān)節(jié)功能性穩(wěn)定障礙。腳踝也是人類(lèi)保持各種執(zhí)行動(dòng)作的關(guān)鍵部位，也是較敏感易扭傷的地方，在軍事和醫(yī)療等領(lǐng)域需要外骨骼裝置對(duì)腳踝加以保護(hù)或康復(fù)治療。機(jī)械外骨骼是一種結(jié)合了人的智能和機(jī)器人機(jī)械能量的人機(jī)結(jié)合可穿戴裝備。機(jī)械外骨骼技術(shù)在許多領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用前景。在軍事領(lǐng)域，腳踝外骨骼能夠提高士兵的彈跳力、負(fù)載、機(jī)動(dòng)等能力，腳踝外骨骼是在戰(zhàn)斗中保護(hù)士兵、減少傷亡率、增加士兵的作戰(zhàn)執(zhí)行力的有效保障；在高危險(xiǎn)高強(qiáng)度作業(yè)領(lǐng)域，如搶救、救災(zāi)、火災(zāi)等現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)，車(chē)輛又無(wú)法使用的情況下，腳踝外骨骼能夠有效的增加作業(yè)人員負(fù)重能力，是作業(yè)人員及時(shí)有效的完成救護(hù)工作的有效保障；在醫(yī)療領(lǐng)域，機(jī)械外骨骼可以用于輔助殘疾人、老年人及下肢肌無(wú)力和下肢截癱患者行走，也可以幫助他們進(jìn)行強(qiáng)迫性康復(fù)運(yùn)動(dòng)等，具有很好的發(fā)展前景。
[0003]此外，下肢助力外骨骼作為一種負(fù)重行走的助力器械，可以幫助救援人員背負(fù)更多的救生器材等物資在普通運(yùn)輸工具無(wú)法行進(jìn)的地震、泥石流等災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)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(zhǎng)距離的行軍。而對(duì)人體下肢動(dòng)力學(xué)特性的研宄發(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(shí)，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(dòng)實(shí)現(xiàn)，因此，有必要研宄滿足這些要求的外骨骼的踝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)。
[0004]可見(jiàn)，無(wú)論是作為一種能夠?qū)︴钻P(guān)節(jié)扭傷者進(jìn)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(zhuān)用的踝關(guān)節(jié)外骨骼，外骨骼踝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的研宄都具有極大的實(shí)用價(jià)值和研宄意義。
[0005]在外骨骼踝關(guān)節(jié)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，首先必須保證自由度的設(shè)置滿足人體在正常行走過(guò)程中的踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以使得使用者的行走運(yùn)動(dòng)不受外骨骼踝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)自由度的限制。而目前市場(chǎng)上廣泛存在的踝關(guān)節(jié)的康復(fù)設(shè)備、矯形器或外骨骼都是使踝關(guān)節(jié)進(jìn)行跖屈/背屈的單一運(yùn)動(dòng)，而依據(jù)人體生物解剖學(xué)，踝關(guān)節(jié)在做跖屈/背屈運(yùn)動(dòng)時(shí)，并不是單自由度的運(yùn)動(dòng)，而是會(huì)耦合著其它五個(gè)自由度(內(nèi)/外翻、內(nèi)/外旋、三個(gè)直線位移)的運(yùn)動(dòng)。其中最主要的是同時(shí)伴隨著在冠狀面的內(nèi)/外翻運(yùn)動(dòng)(7° )、沿矢狀軸的直線運(yùn)動(dòng)(12mm)和水平面的內(nèi)/外旋運(yùn)動(dòng)(7.6° )。另外，如果強(qiáng)制做單一方向運(yùn)動(dòng)的話，也是對(duì)踝關(guān)節(jié)的再次損傷，而且舒適性、安全性、適應(yīng)性及康復(fù)效果都很差。
[0006]腳踝外骨骼無(wú)論是提高穿戴者機(jī)動(dòng)能力、負(fù)重能力，還是輔助老年人行走或輔助醫(yī)療康復(fù)訓(xùn)練功能，均要求腳踝外骨骼有一定的輔助支撐作用，更需具有類(lèi)似人體骨骼的自由度。而現(xiàn)有的腳踝外骨骼大部分都是腳踝助行器外骨骼或輔助康復(fù)訓(xùn)練的外骨骼。公開(kāi)號(hào)為CN200410053695.6和CN200420081797.4的發(fā)明公開(kāi)了兩種醫(yī)療器械領(lǐng)域的下肢步行外骨骼，該發(fā)明可在一定程度上減輕步行者疲勞，增強(qiáng)人體攜帶重物運(yùn)動(dòng)的能力，作為下肢截肢病人或者肌肉萎縮病人的助行器。但該發(fā)明結(jié)構(gòu)體積大，步行時(shí)難以克服行走時(shí)來(lái)自地面的沖擊，且穿戴著的腳踝的運(yùn)動(dòng)自由度有限，長(zhǎng)期穿戴會(huì)給穿戴者帶來(lái)一定的不舒適感和疲勞感，同時(shí)由于它的功能單一使該發(fā)明應(yīng)用領(lǐng)域有限。公開(kāi)號(hào)為CN200910111110.4的發(fā)明公布了兩自由度康復(fù)器，該發(fā)明實(shí)現(xiàn)了腳踝的內(nèi)翻/外翻動(dòng)和外展/內(nèi)收動(dòng)作。該發(fā)明雖然實(shí)現(xiàn)了腳踝的兩個(gè)自由度動(dòng)作，但仍不能克服行走時(shí)來(lái)自地面的沖擊，其外展/內(nèi)翻這一動(dòng)作實(shí)施時(shí)可控性不便，控制不好更容易崴腳，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜實(shí)施不夠便捷，應(yīng)用領(lǐng)域也僅限于醫(yī)療器械。申請(qǐng)?zhí)枮?01410208291.3的中國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)了一種康復(fù)訓(xùn)練用的多自由度的踝關(guān)節(jié)動(dòng)力外骨骼，可以自適應(yīng)踝關(guān)節(jié)的內(nèi)/外翻、內(nèi)/外旋和沿矢狀軸前后移動(dòng)的三類(lèi)耦合運(yùn)動(dòng)。但該技術(shù)方案僅適合于康復(fù)運(yùn)動(dòng)中的被動(dòng)訓(xùn)練用，不適合于穿戴使用。
[0007]目前，總體上對(duì)腳踝外骨骼方面的研宄不是很多，且大部分腳踝外骨骼僅應(yīng)用在醫(yī)療輔助腳踝康復(fù)領(lǐng)域，在其它領(lǐng)域的研宄甚少，迫切需要自由度多、穩(wěn)定性高、穿著舒適、應(yīng)用廣泛的腳踝外骨骼裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有一個(gè)平移兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)共三個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度的外骨骼用柔性踝關(guān)節(jié)裝置。
[0009]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0010]一種外骨骼用三自由度柔性踝關(guān)節(jié)裝置，包括足底支撐部、對(duì)稱(chēng)布置在足底支撐部?jī)蓚?cè)的足側(cè)支撐部、位于足底支撐部后端的足后阻尼器和小腿支護(hù)架。其中，所述的足側(cè)支撐部有兩個(gè)，用于連接、支撐小腿支護(hù)架與足底支撐部，并作為柔性轉(zhuǎn)動(dòng)副和起到轉(zhuǎn)動(dòng)減振保護(hù)作用。所述的足側(cè)支撐部的底部與足底支撐部通過(guò)焊接的方式固連，其頂部與小腿支護(hù)架的底端通過(guò)鉸鏈相連接；所述的足后阻尼器用于在足跟部起支撐和減振保護(hù)作用，其下端與足底支撐部通過(guò)萬(wàn)向節(jié)相連接，足后阻尼器的上端與小腿支護(hù)架通過(guò)鉸鏈相連接。
[0011]所述的足底支撐部用于支撐和承載穿戴者足部力量，并起到減振保護(hù)的作用。所述的足底支撐部包括下底板、防震填充層、上底板、彈性支撐件、外側(cè)密封圈和柔性綁帶。其中，所述的下底板為本發(fā)明的底部承重支撐件，下底板采用可焊接型金屬材料；所述的彈性支撐件為呈U型結(jié)構(gòu)板彈簧，主要起支撐連接下底板和上底板并吸收或減少上底板對(duì)下底板的沖擊振動(dòng)；所述的彈性支撐件的底部與下底板固連，在彈性支撐件的頂部設(shè)有螺紋孔，彈性支撐件與上底板通過(guò)螺釘相連接；所述的防震填充層用于支撐上底板對(duì)下底板的載荷并起到緩沖和減振的作用，即在垂直方向上具有一個(gè)微量移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)自由度，在所述的防震填充層上設(shè)有均布的圓柱形通孔；所述的外側(cè)密封圈位于下底板、上底板的外側(cè)面，起到密封和防塵的作用，且防震填充層、外側(cè)密封圈與下底板、上底板之間均采用膠接的方式相固連；所述的上底板上設(shè)有用于固定彈性支撐件的螺釘連接孔和透氣孔，所述的上底板包括前板、中板和后板三個(gè)部分，所述的前板與中板之間通過(guò)鉸鏈相連接，所述的中板與后板之間通過(guò)鉸鏈相連接，以進(jìn)一步提高足底支撐部穿戴的柔性度和舒適度，在所述的后板的后端設(shè)有萬(wàn)向節(jié)下鉸鏈座。所述的柔性綁帶的兩端分別固定在上底板上。
[0012]所述的足側(cè)支撐部包括前柔性鉸鏈、后柔性鉸鏈、足部連接護(hù)板。其中，所述的前柔性鉸鏈、后柔性鉸鏈均呈圓弧形板狀結(jié)構(gòu)，且采用彈性金屬材料，所述的前柔性鉸鏈、后柔性鉸鏈的底部與足底支撐部的下底板通過(guò)焊接的方式固連，前柔性鉸鏈、后柔性鉸鏈的頂部與足部連接護(hù)板的兩端分別通過(guò)焊接的方式固連；所述的足部連接護(hù)板與小腿支護(hù)架通過(guò)鉸鏈相連接，使得本發(fā)明具有繞平行于腳的寬度方向的水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)自由度。所述的前柔性鉸鏈、后柔性鉸鏈作為連接小腿支護(hù)架與下底板的無(wú)間隙型柔性轉(zhuǎn)動(dòng)副，具有繞平行于腳長(zhǎng)度方向的水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)自由度。
[0013]所述的足后阻尼器包括萬(wàn)向節(jié)、磁流變阻尼器、壓縮彈簧、阻尼器導(dǎo)向軸。其中，所述的萬(wàn)向節(jié)的下鉸鏈座位于足底支撐部的后端，且與足底支撐部的上底板通過(guò)焊接的方式固連，所述的磁流變阻尼器與萬(wàn)向節(jié)的上鉸鏈座固連，所述的阻尼器導(dǎo)向軸置于磁流變阻尼器內(nèi)，所述的壓縮彈簧套在阻尼器導(dǎo)向軸上。作為主動(dòng)驅(qū)動(dòng)型踝關(guān)節(jié)裝置使用時(shí)，可將所述的足后阻尼器中的磁流變阻尼器更換為電動(dòng)推桿，所述的足后阻尼器即由原來(lái)的被動(dòng)減振變?yōu)榫哂兄鲃?dòng)驅(qū)動(dòng)功能的動(dòng)力裝置。所述的足后阻尼器為一個(gè)RPU結(jié)構(gòu)的串聯(lián)機(jī)構(gòu)，其中，字母R表示轉(zhuǎn)動(dòng)副，字母P表示移動(dòng)副，字母U表示萬(wàn)向節(jié)。所述的足后阻尼器與足底支撐部一起又構(gòu)成一個(gè)RPUP結(jié)構(gòu)的串聯(lián)機(jī)構(gòu)。
[0014]所述的小腿支護(hù)架的下端設(shè)有弧形鉸鏈座，在小腿支護(hù)架的上端兩側(cè)設(shè)有圓形連接孔，所述的弧形鉸鏈座與小腿支護(hù)架固連，弧形鉸鏈座與阻尼器導(dǎo)向軸的頂部通過(guò)鉸鏈相連接。
[0015]所述的彈性支撐件對(duì)稱(chēng)布置在足底支撐部的下底板與上底板之間，且彈性支撐件的數(shù)量不少于七。
[0016]為了提高足底支撐部的減振效果、使用壽命和穿戴的舒適性，所述防震填充層優(yōu)先地采用純天然橡膠。
[0017]所述的前柔性鉸鏈、后柔性鉸鏈均呈圓弧形板狀結(jié)構(gòu)，其截面均為劣弧，且位于足底支撐部?jī)蓚?cè)的前柔性鉸鏈、后柔性鉸鏈圓弧的弧心均采取相向布置的方式。
[0018]從機(jī)構(gòu)學(xué)的角度看，本發(fā)明為一個(gè)具有三條支鏈的一平移兩轉(zhuǎn)動(dòng)型三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。第一條支鏈為由小腿支護(hù)架與外側(cè)的足部連接護(hù)板之間的鉸鏈構(gòu)成的轉(zhuǎn)動(dòng)副、位于足底支撐部外側(cè)的前柔性鉸鏈和后柔性鉸鏈形成的柔性轉(zhuǎn)動(dòng)副組成的{-R丄R-}結(jié)構(gòu)的支鏈，符號(hào)丄表示兩個(gè)運(yùn)動(dòng)副的軸線之間為垂直關(guān)系；第二條支鏈為由小腿支護(hù)架與內(nèi)側(cè)足部連接護(hù)板之間的鉸鏈構(gòu)成的轉(zhuǎn)動(dòng)副、位于足底支撐部?jī)?nèi)側(cè)的前柔性鉸鏈和后柔性鉸鏈形成的柔性轉(zhuǎn)動(dòng)副組成的{-R丄R-}結(jié)構(gòu)的支鏈；第三條支鏈為由足后阻尼器與足底支撐部一起構(gòu)成的RPUP結(jié)構(gòu)的串聯(lián)機(jī)構(gòu)。同時(shí)，由于足后阻尼器的各運(yùn)動(dòng)副的軸線之間存在垂直關(guān)系，因而，本發(fā)明的機(jī)構(gòu)型式可以詳細(xì)地表示為{-R丄R-} + {_R丄R-} + {_R丄P丄U丄P-}，且第一條支鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)副的軸線對(duì)應(yīng)地平行與第二條支鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)副的軸線，第一條支鏈的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的軸線分別平行與第三條支鏈的萬(wàn)向節(jié)的十字軸的兩條軸線。
[0019]使用時(shí)，可根據(jù)時(shí)間情況選擇足后阻尼器中磁流變阻尼器的參數(shù)、壓縮彈簧的結(jié)構(gòu)參數(shù)，以調(diào)節(jié)磁流變阻尼器的動(dòng)態(tài)阻尼，確定壓縮彈簧的剛度。
[0020]本發(fā)明的足底支撐部的設(shè)計(jì)中，在下底板與上底板之間沿著下底板的外側(cè)面布置了不少于七個(gè)起減振保護(hù)的作用的彈性支撐件，同時(shí)在下底板與上底板之間的中部布置了防震填充層，足底支撐部的結(jié)構(gòu)不僅模擬了人體足底的肌肉群在行走過(guò)程中的彈性特征。為了提高其運(yùn)動(dòng)靈活度和穿戴舒適度，還將上底板分為由鉸鏈