[發明專利]一種仿生三自由度外骨骼踝關節

有效

• 申請號: 201810007994.8
• 申請日: 2018-01-04
• 公開（公告）號: CN108161903B
• 公開（公告）日: 2020-02-18
• 發明（設計）人: 尚建忠;羅自榮;吳國恒;陳芳;羅佳俊;李欣;陳楊
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: B25J9/00
• 分類號: B25J9/00;B25J17/00
• 代理公司: 湖南兆弘專利事務所(普通合伙) 43008
• 代理人: 譚武藝

本發明公開了一種仿生三自由度外骨骼踝關節，包括機構桿件和呈U字形結構的踝關節支架，機構桿件和踝關節支架的開口端部之間鉸接有兩根平行布置的小腿承力桿，使得機構桿件、踝關節支架、兩根小腿承力桿形成做剪切運動時約束在同一個平面活動的平行四邊形結構，踝關節支架的開口端部設有踝關節綁帶，踝關節支架的底部上側裝設有可轉動的鞋墊，踝關節支架和一根小腿承力桿之間鉸接有驅動元件，平行四邊形結構的中心線L1、鞋墊的轉動中心線L2、踝關節支架和兩根小腿承力桿的鉸接點中心連線L3三者相交于踝關節支架的開口端部的踝關節中心點O。本發明穿戴舒適性更高，與人體運動更為協調，能夠真正實現增強人體機動能力。

技術領域

本發明涉及外骨骼機器人技術，具體涉及一種仿生三自由度外骨骼踝關節。

背景技術

國外對于外骨骼的研究已有一定基礎和成果，國內對其的研究也正興起。目前外骨骼主要用于醫療康復、單兵作戰、工業生產等領域。現有的外骨骼機器人在仿生設計上對人體結構做了簡化，尤其是對關節及其運動的簡化，使得外骨骼與人體運動存在差異，具體表現在穿戴外骨骼服時舒適性不佳。例如，申請號為201210319331.2的中國專利文獻提出了一種可穿戴式重物型物資搬運助力仿生外骨骼，其踝關節設計有兩個自由度，可模擬踝關節背屈及外翻/內翻，而無法實現人體踝關節的內旋/外旋，與人體運動存在較大差異，容易使人體運動受到限制；申請號為201310686549.6的中國專利文獻提出了一種穿戴式外骨骼助力機器人，其踝關節設計有三個自由度，可進行屈/伸，外擺/內收，內旋/外旋，然而其三個旋轉中心不與人體踝關節中心重合，可能造成外骨骼服與人體的空間干涉，穿戴舒適性有待提高。

發明內容

本發明要解決的技術問題：針對現有技術的外骨骼踝關節存在的人機運動不協調、存在內耗、穿戴舒適性不佳等問題，提供一種穿戴舒適性更高，與人體運動更為協調，能夠真正實現增強人體機動能力的仿生三自由度外骨骼踝關節。

為了解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：

一種仿生三自由度外骨骼踝關節，包括機構桿件和呈U字形結構的踝關節支架，所述機構桿件和踝關節支架的開口端部之間鉸接有兩根平行布置的小腿承力桿，使得機構桿件、踝關節支架、兩根小腿承力桿形成做剪切運動時約束在同一個平面活動的平行四邊形結構，所述踝關節支架的開口端部設有踝關節綁帶，所述踝關節支架的底部上側裝設有可轉動的鞋墊，所述踝關節支架和一根小腿承力桿之間鉸接有驅動元件，所述平行四邊形結構的中心線L1、所述鞋墊的轉動中心線L2、踝關節支架和兩根小腿承力桿的鉸接點中心連線L3三者相交于踝關節支架的開口端部的踝關節中心點O。

優選地，所述機構桿件包括兩根相互平行布置的連桿，所述連桿的兩端分別與小腿承力桿的上部鉸接連接。

優選地，所述機構桿件還包括護膝，所述護膝安裝在兩根連桿的內側。

優選地，所述連桿的兩端分別與小腿承力桿的上部通過上轉動軸連接，所述踝關節支架的開口端部與小腿承力桿的下部通過下轉動軸連接，所述上轉動軸、下轉動軸均沿著鞋墊的長度方向平行布置；所述驅動元件一端鉸接安裝在小腿承力桿上、另一端通過驅動轉動軸與踝關節支架的中部相連，所述驅動轉動軸沿著鞋墊的寬度方向平行布置。

優選地，所述鞋墊包括前掌和后座，所述前掌和后座之間通過連接軸相連，所述后座安裝在踝關節支架的底部上側。

優選地，所述后座的底部設于凹入部，所述踝關節支架的底部位于凹入部中。

優選地，所述前掌上設有用于固定腳部的腳部綁帶。

優選地，所述踝關節綁帶、腳部綁帶均采用柔性材料制成，所述小腿承力桿采用碳纖維制成。

優選地，所述驅動元件為液壓缸、或氣缸、或直線驅動電機。

優選地，所述踝關節支架和另一根小腿承力桿之間鉸接有被動蓄能元件。