一种具有三柔性驱动分支的外骨骼机器人踝关节转让专利
申请号 : CN202110444078.2
文献号 : CN113084862B
文献日 : 2021-12-14
发明人 : 何勇 , 吴新宇 , 刘静帅 , 李金科 , 马跃 , 李锋 , 孙健铨 , 董遥 , 王大帅 , 曹武警
申请人 : 中国科学院深圳先进技术研究院
摘要 :
权利要求 :
1.一种具有三柔性驱动分支的外骨骼机器人踝关节,其特征在于:包括小腿固定块(1)、约束分支(2)、脚底板(3)、第一驱动分支(4)、第二驱动分支(5)和第三驱动分支(6);
脚底板(3)通过约束分支(2)与小腿固定块(1)连接,第一驱动分支(4)、第二驱动分支(5)和第三驱动分支(6)设置在小腿固定块(1)上;
通过第一驱动分支(4)和第二驱动分支(5)联动带动脚底板(3)实现内翻/外翻转动;
通过第一驱动分支(4)、第二驱动分支(5)和第三驱动分支(6)联动带动脚底板(3)实现背屈/跖屈转动、内旋/外旋转动;
所述第一驱动分支(4)、第二驱动分支(5)的一端分别设置在小腿固定块(1)上的两侧,另一端与脚底板(3)中部铰接;
第三驱动分支(6)的一端设置在小腿固定块(1)上的后侧,另一端与脚底板(3)后部铰接;
所述约束分支(2)包括左支撑架(22)、右支撑架(24)和一个交叉轴(21);
交叉轴(21)的左半轴通过与轴承安装在左支撑架(22)上形成左转动副,交叉轴(21)的右半轴通过与轴承安装在右支撑架(24)上形成右转动副;交叉轴(21)的后半轴通过轴承安装在中转支架(28)上形成后转动副;中转支架(28)的上半轴通过轴承与上支撑架(212)形成上转动副。
2.根据权利要求1所述的一种具有三柔性驱动分支的外骨骼机器人踝关节,其特征在于:
所述左支撑架(22)与右支撑架(24)结构相同,左支撑架(22)与右支撑架(24)底部与脚底板(3)固连。
3.根据权利要求2所述的一种具有三柔性驱动分支的外骨骼机器人踝关节,其特征在于:
所述左支撑架(22)或右支撑架(24)上设有第一编码器(26),第一编码器(26)用于检测背屈/跖屈的旋转角度。
4.根据权利要求3所述的一种具有三柔性驱动分支的外骨骼机器人踝关节,其特征在于:
所述中转支架(28)上设有第二编码器(29),第二编码器(29)用于检测内翻/外翻的旋转角度。
5.根据权利要求4所述的一种具有三柔性驱动分支的外骨骼机器人踝关节,其特征在于:
所述上支撑架(212)上设有第三编码器(213),第三编码器(213)用于检测内翻/外翻的旋转角度。
6.根据权利要求1‑4任一所述的一种具有三柔性驱动分支的外骨骼机器人踝关节,其特征在于:
所述第一驱动分支(4)、第二驱动分支(5)、第三驱动分支(6)结构相同。
7.根据权利要求6所述的一种具有三柔性驱动分支的外骨骼机器人踝关节,其特征在于:
所述第一驱动分支(4)包括驱动机构、移动副、第一等效球副(45)和第二等效球副(47);
驱动机构驱动移动副运动,第一等效球副(45)与移动副连接,第一等效球副(45)通过弹性连杆(46)与第二等效球副(47)连接。
8.根据权利要求7所述的一种具有三柔性驱动分支的外骨骼机器人踝关节,其特征在于:
所述驱动机构为带有码盘的电机(41),移动副包括丝杠(42)和滑块(43)。
9.根据权利要求8所述的一种具有三柔性驱动分支的外骨骼机器人踝关节,其特征在于:
所述第一等效球副(45)与第二等效球副(47)结构相同。
10.根据权利要求9所述的一种具有三柔性驱动分支的外骨骼机器人踝关节,其特征在于:
第一等效球副(45)包括支撑架(451)、十字轴(4515)、前安装板(457)与后安装板(4510),
支撑架(451)的上部设有上半轴,上半轴与第五轴承(454)的内圈连接形成Z轴方向转动副,第五轴承(454)的外圈与轴承架(453)连接,轴承架(453)与输出法兰(452)连接;
十字轴(4515)的左右轴分别通过轴承固定在支撑架(451)上,左右轴的轴线为Y轴方向,前安装板(457)与后安装板(4510)分别通过轴承与十字轴(4515)的前后轴连接,十字轴(4515)的前后轴为X轴。
说明书 :
一种具有三柔性驱动分支的外骨骼机器人踝关节
技术领域
背景技术
景。根据人体关节的运动机理研究,踝关节是由胫骨下关节面、内踝关节面和外踝关节面形
成的叉状关节窝和距骨的踝状关节头构成,能够围绕三个转动轴作背屈/跖屈、内翻/外翻
以及微小的内旋/外旋运动,其中背屈/跖屈、内翻/外翻两个转动是保障人体进行平衡、行
走、坐立等日常运动的基本前提。
均需要主动可控。
发明内容
两个关节的转动中心与人体踝关节中心高度重合,是主要的驱动关节,而内旋/外旋主要用
于辅助机器人调转方向用。
半轴与第三轴承中转支架形成后转动副,后转动副的轴线重合于内翻/外翻的转轴轴线。中
转支架的上半轴与轴承、上支撑架形成上转动副,上转动副的轴线重合于内旋/外旋的转轴
轴线。
翻/外翻转动、内旋/外旋转动;
脚后跟相切且垂直于脚底板,该设计可以实现无轴线偏差的仿人踝关节运动;
得此踝关节在结构上具有高刚度、高强度的优点;
6,因而每个驱动分支均不会对脚底板产生约束,脚底板3 与小腿固定块1之间的相对运动
自由度只由约束分支2决定;
心偏上,而其主要运动部件脚底板可以变得轻质、低惯量,进而使得整个踝关节具有高动态
特性;
性驱动分支,可以提升踝关节的控制柔顺性、穿戴安全性和舒适性;
转动角度可由编码器进行实时测量,并将测量的三个方向角度值反馈给三个驱动分支来实
现闭环控制,进而可解决柔性驱动分支的控制精度低的问题。
附图说明
213、第三编码器;
承;4513、右挡板;4514、第九轴承; 4515、十字轴;
具体实施方式
施方式是本发明一部分实施方式,而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式,本领
域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式,都属于本发明
保护的范围。因此,以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要
求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
背屈/跖屈、内旋/外旋三个转动自由度(R副),其特点在于内翻/外翻的转动轴线与背屈/跖
屈转动轴线交汇于人体下肢踝关节中心,而内旋/外旋转动轴线沿着人体下肢脚后跟的切
线向上,该设计可以高度还原人体踝关节运动,解决现有外骨骼踝关节驱动自由度不足、存
在转动中心偏差等问题,进而实现人机相容的康复助行运动。
3实现内翻/外翻转动;
一个驱动移动副、两个被动等效球副以及一个柔性连接杆。
由度。第一驱动分支4、第二驱动分支5、第三驱动分支 6的移动副底座分别与小腿固定块1
的左、右、后三个方位外安装面的安装孔位固接,而第一驱动分支4、第二驱动分支5、第三驱
动分支6的末端等效球副与脚底板3的左、右、后三个方位安装孔位固接。由于每个驱动分支
均具有6个被动自由度和1个主动自由度,因而驱动分支不会对脚底板3和小腿固定块1 之
间产生运动约束,但其可以驱动由约束分支2产生的三个转动自由度。
上形成一个半封闭腔体,便于人体下肢的绑缚与固定,且其具有左、右、后三个方位的安装
平面,便于驱动分支和约束分支的固定连接。在小腿固定块1的左、右、后三个安装面上设计
有高低不等的安装孔,可用于调整各个驱动分支与约束分支的安装高度,进而适应不同尺
寸的人体下肢。
轴交汇于P点,该P点在实际应用中可以调整为与穿戴人体下肢踝关节中心重合,而内旋/外
旋的转轴在实际应用中会与人体脚后跟相切且垂直于脚底板。约束分支2的交叉轴21设计
为凹形状,目的在于形成半闭环空腔来包裹人体脚后跟。交叉轴21的左半轴与左支撑架22、
第一轴承23形成左转动副,而21的右半轴与右支撑架24、第二轴承25形成右转动副,左、右
转动副的轴线重合于背屈/跖屈的转轴轴线。交叉轴21的后半轴与第三轴承27、中转支撑架
28形成后转动副,后转动副的轴线重合于内翻/外翻的转轴轴线。中转支架28的上半轴与下
轴承210、上轴承211、上支撑架212形成上转动副,上转动副的轴线重合于内旋/外旋的转轴
轴线。
上,用于检测内旋/外旋的旋转角度。由于三个驱动分支4、 5、6均含有弹性元件,无法确保
在开环控制的情况下精确驱动踝关节的三个旋转关节,因而编码器26、29、213所反馈的角
度值用于三个驱动分支进行闭环控制,进而确保三个旋转关节的精确控制。左支撑架22与
右支撑架24固接在脚底板3的相应安装孔位上,上支撑架212固定在小腿固定块1上,使得脚
底板3相对于小腿固定块1只能产生三个自由度的转动,而不能产生相对移动。
第二等效球副47连接。
驱动,丝杠42的下底面固接在小腿固定块1的相应安装面上。3自由度第一等效球副45和47
通过一根弹性连杆46进行首尾连接,其中第一等效球副45通过转接板44与滑块43固接,而
第二等效球副47 固接在脚底板3相应的安装孔位上。
的上半轴与第五轴承454的内圈连接形成Z轴方向转动副,第五轴承454的外圈与轴承架453
连接,而输出法兰452固接在453 的安装孔位上,用于连接弹性连杆46。轴承4512安装在支
撑架451的左安装板的孔位上,其外圈由左挡板4511固定,其内圈与十字轴4515的左半轴套
接在一起形成左转动副。第九轴承4514安装在支撑架451的右安装板的孔位上,其外圈由右
挡板4513固定,其内圈与十字轴4515的右半轴套接在一起形成右转动副。左、右转动副的轴
线相互重合于Y轴。第六轴承456套接在前安装板457 的孔位中,其外圈由前挡板455固定,
第六轴承456的内圈与十字轴的前半轴套接在一起形成前转动副。第七轴承459套接在后安
装板4510的孔位中,其外圈由后挡板458固定,第七轴承459的内圈与十字轴的后半轴套接
在一起形成后转动副。前、后转动副的轴线相互重合于X轴。前安装板457与后安装板4510
的底面相互平行且用于固定在脚底板3相应孔位。
上下移动,三个分支的滑块43通过等效球副45、弹性连杆46带动脚底板3做不同规律的转动
运动,进而使外骨骼机器人踝关节实现背屈/跖屈转动运动(如图6、图7所示)、内翻/外翻转
动运动(如图8、图9所示)、内翻/外翻转动运动(如图10、图11所示),也可以实现这三种转动
运动的复合运动。
尾相连的三自由度等效球副(S副)组成,其中移动副为驱动副,而等效球副为被动副。通过
将质量较大的移动副布置在踝关节的上端,可以提高踝关节的重心位置,进而降低主要运
动部件(脚底板)的运动惯量,提高系统的动态特性。此外,两个三自由度等效球副由一个弹
性杆件相连接,使得驱动分支构成一个柔性驱动分支,这既能吸收来自足底的冲击力又能
提升踝关节的穿戴柔顺性,进而提高了外骨骼机器人的穿戴安全性与舒适度。
一个三转动副约束分支。由于四个分支均能够承受施加在踝关节上的外力/力矩,因而该踝
关节具有高刚度和高强度的优点。
统领域,均同理包括在本发明的保护范围内。