[发明专利]一种二自由度外骨骼踝关节机构

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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踝关节机构。

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，外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。

发明内容

技术问题：本发明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：本发明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。

本发明中，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。