CN107854284B - 一种基于弹性元件刚度切换机制的踝关节外骨骼 - Google Patents
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Abstract
本发明属于下肢外骨骼机器人技术领域，并公开了一种基于弹性元件刚度切换机制的踝关节外骨骼，包括小腿支具、足托、弹簧支架、电机支架、电机、滚珠丝杠机构、拉伸弹簧、回位弹簧、贯穿式电磁铁、棘轮支架和棘轮机构；棘轮机构包括棘轮和棘爪；贯穿式电磁铁安装在棘轮支架上；回位弹簧的一端连接棘爪，另一端安装在棘轮支架上；拉伸弹簧的下端安装在弹簧支架上，上端通过绳索连接并缠绕在滑轮上，滑轮设置在棘轮轴上。本发明利用拉伸弹簧有效模拟跟腱独特的储能过程与能量释放方式，能够基于人体步态运动规律实现弹性元件刚度切换的功能，使弹性元件顺应人体运动步态内与步态间的时变特性，并能够突破人体三维几何参数限制增加弹性元件形变量。
Description
技术领域
本发明属于下肢外骨骼机器人技术领域，更具体地，涉及一种基于弹性元件刚度切换机制的踝关节外骨骼。
背景技术
在日常生活中，人类平均每天行走一万步，空气阻力、鞋底阻尼等外界环境因素的存在使得人在走路上消耗的能量比一天中任何活动消耗的能量都要多，此外，长期行走引起的肌肉疲劳更是会降低人体运动效率，增加人体能量消耗，这对于老年人、残疾人等行动不便的人来说更是如此。因此，能否研发出人体辅助行走系统，提高人类行走效率和满足老人、残疾人行走的需要，具有极大的研究意义和价值。
踝关节是人行走过程中转移重心的关节，是支撑并推进身体前进的能量枢纽。在人行走过程中，从一侧足的足跟着地起，到同一侧足跟再次着地为止的连续过程为一个完整的步态周期，各步态周期间踝关节位移、速度、功率等具有一定的规律性。按照人体足部与地面的压力接触情况，可将一个步态周期划分为支撑相和摆动相两部分。在支撑相前期，踝关节吸收能量做负功，在支撑相后期释放能量做正功，在摆动相期间基本不做工，无能量变化；在整个步态周期中，踝关节做功所需力由肌腱力和关节力提供。
研究表明，对于踝关节外骨骼，利用弹性元件模拟跟腱功能产生力在矢状面内辅助踝关节背屈和跖屈运动，能够减少踝关节所做正功和负功、代谢能消耗和肌肉活性。现有技术利用弹性元件模拟踝关节跟腱，弹性元件一经确定，其刚度和最大伸长量不再改变。一方面，在一个步态周期内，如果弹性元件刚度过小，则不足以达到降低踝关节所做正负功、代谢能消耗以及肌肉活性的辅助效果；而如果弹性元件刚度过大，则在摆动相内弹性元件必须精确跟随踝关节运动，否则会增加代谢能消耗和肌肉活性。另一方面，在支撑相内，弹性元件刚度越大，辅助效果越好，但当弹性元件刚度超过一定值时，会提高拮抗肌肌肉活性，增加代谢能消耗。
而现有技术中利用弹性元件模拟踝关节跟腱，弹性元件最大伸长量受人体三维几何参数限制，同等预期辅助效果下，弹簧元件刚度具有最小值，当预期辅助效果要求相对较高时，弹性元件刚度会提高拮抗肌肌肉活性，增加代谢能消耗，使得辅助效果较差。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于弹性元件刚度切换机制的踝关节外骨骼，该踝关节外骨骼能够基于人体步态运动规律实现弹性元件刚度切换的功能，使弹性元件顺应人体运动步态内与步态间的时变特性，并能够突破人体三维几何参数限制增加弹性元件形变量。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于弹性元件刚度切换机制的踝关节外骨骼，其特征在于，包括小腿支具、足托、弹簧支架、电机支架、电机、滚珠丝杠机构、拉伸弹簧、回位弹簧、贯穿式电磁铁、棘轮支架和棘轮机构，其中，
所述足托通过水平设置的铰轴可转动安装在所述小腿支具上；
所述弹簧支架和所述电机支架分别安装在所述足托和所述小腿支架上；
所述电机安装在所述电机支架上，并且所述电机的输出轴与所述滚珠丝杠机构的丝杠连接，以用于驱动所述滚珠丝杠机构的滚珠螺母上下运动；
所述棘轮支架固定安装在所述滚珠丝杠机构的滚珠螺母上；
所述棘轮机构包括相互配合的棘轮和棘爪，所述棘轮通过水平设置的棘轮轴可转动安装在所述棘轮支架上，所述棘爪通过水平设置的棘爪轴可转动安装在所述棘轮支架上；
所述贯穿式电磁铁安装在所述棘轮支架上，该贯穿式电磁铁的铁芯水平设置并且与所述棘爪固定连接，以用于带动所述棘爪转动，从而让所述棘爪锁定所述棘轮或让所述棘爪解除对所述棘轮的锁定；所述回位弹簧的一端连接棘爪，另一端固定安装在所述棘轮支架上，所述棘轮轴上安装有用于带动所述棘轮回位的扭转弹簧；
所述拉伸弹簧的下端安装在所述弹簧支架上，上端通过绳索连接并缠绕在滑轮上，所述滑轮设置在所述棘轮轴上。
优选地，所述贯穿式电磁铁的铁芯通过钢丝绳与所述棘爪的下端固定连接。
优选地，所述绳索为聚乙烯绳。
优选地，所述弹簧支架为U型杆并且该U型杆的开口端的两个端部分别固定连接在所述足托上。
优选地，所述贯穿式电磁铁通过所述电磁铁连接架安装在所述棘轮支架上。
优选地，所述回位弹簧通过弹簧连接杆安装在所述棘爪上。
优选地，所述棘轮通过花键安装在所述棘轮轴上。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1)本发明的拉伸弹簧模拟跟腱独特的储能过程与能量释放方式，拉伸弹簧形变由踝关节运动和电机运动共同实现，可以突破人体三维几何参数限制，增加弹簧形变量。该弹簧通过储存和释放能量，达到有效利用踝关节支撑相前期所做负功以及电机输入功辅助踝关节支撑相后期做正功的目的。
2)本发明基于棘轮棘爪自锁原理和弹簧串联原理，设计弹簧刚度切换机构，在棘轮、棘爪自锁时保证弹簧的高刚度，自锁解除时拉伸弹簧和扭转弹簧串联，维持弹性元件低刚度，为实现弹性元件刚度切换提供条件。
3)本发明基于人体踝关节步态运动规律，提出用于切换弹性元件刚度的电磁离合器控制方法，实现踝关节外骨骼对人体三维几何参数、步速和步幅的自适应。支撑相期间电磁离合器断电，棘轮、棘爪自锁，弹性元件切换至高刚度，保证拉伸弹簧有效模拟跟腱独特的储能过程与能量释放方式，辅助行走；摆动相期间电磁离合器通电，棘轮、棘爪解除自锁，弹性元件切换至低刚度，降低对人体踝关节协调运动的影响。
4)本发明回位弹簧连接棘爪和棘轮支架，在电磁离合器断电期间限制棘轮、棘爪间的相对运动，实现自锁。电磁离合器通电，扭转弹簧产生弹性变形，棘轮复位；同时，回位弹簧产生弹性变形，棘爪在电磁离合器断电后复位，实现棘轮、棘爪自锁的周期性运转。
5)本发明基于人体步态运动特点进行设计，人机协调性好；结构紧凑、体积小，便于人体穿戴；利用弹性元件模拟跟腱独特的储能过程与能量释放方式辅助踝关节运动，安全性好。本发明在下肢外骨骼机器人技术领域具有良好的应用前景和发展空间。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的贯穿式电磁铁安装在棘轮支架上的轴测图；
图3为本发明的贯穿式电磁铁安装在棘轮支架上的侧视图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
参照图1～图3，一种基于弹性元件刚度切换机制的踝关节外骨骼，包括小腿支具3、足托20、弹簧支架21、电机支架18、电机8、滚珠丝杠机构、拉伸弹簧19、回位弹簧35、贯穿式电磁铁30、棘轮支架和棘轮机构，其中，
所述足托20通过水平设置的铰轴10可转动安装在所述小腿支具3上；
所述弹簧支架21和所述电机支架18分别安装在所述足托20和所述小腿支架上；
所述电机8安装在所述电机支架18上，并且所述电机8的输出轴与所述滚珠丝杠机构的丝杠2连接，以用于驱动所述滚珠丝杠机构的滚珠螺母12上下运动；
所述棘轮支架固定安装在所述滚珠丝杠机构的滚珠螺母12上；
所述棘轮机构包括相互配合的棘轮23和棘爪24，所述棘轮23通过水平设置的棘轮轴可转动安装在所述棘轮支架上，所述棘爪24通过水平设置的棘爪轴26可转动安装在所述棘轮支架上；
所述贯穿式电磁铁30安装在所述棘轮支架上，该贯穿式电磁铁30的铁芯水平设置并且与所述棘爪24固定连接，以用于带动所述棘爪24转动，从而让所述棘爪24锁定所述棘轮23或让所述棘爪24解除对所述棘轮23的锁定；所述回位弹簧35的一端连接棘爪24，另一端固定安装在所述棘轮支架上，所述棘轮轴上安装有用于带动所述棘轮23回位的扭转弹簧28；
所述拉伸弹簧19的下端安装在所述弹簧支架21上，上端通过绳索16连接并缠绕在滑轮上22上，所述滑轮22设置在所述棘轮轴上。
进一步，所述贯穿式电磁铁30的铁芯通过钢丝绳31与所述棘爪24的下端固定连接。
进一步，所述绳索16为聚乙烯绳。
进一步，所述弹簧支架21为U型杆并且该U型杆的开口端的两个端部分别固定连接在所述足托20上。
进一步，所述贯穿式电磁铁30通过所述电磁铁连接架安装在所述棘轮支架上。
进一步，所述回位弹簧35通过弹簧连接杆25安装在所述棘爪24上。
进一步，所述棘轮23通过花键27安装在所述棘轮轴上。
小腿支具3上固定安装有上支架9，足托20上固定安装有下支架11，上支架9和下支架11通过所述铰轴10铰接在一起，上支架9、铰轴10、下支架11构成转动关节，从而保证小腿支具3和足托20能够相对转动，弹簧支架21固定安装在足托20上，因此当外力施加在弹簧支架21上可驱动足托20相对小腿支具3转动。
本发明的滚珠丝杠机构采用现有的常规机构，其具有第一轴承支座7、第二轴承支座1、丝杠2、滚珠螺母12、轴套15、丝杠连接件6、导向轴4、无油衬套5、联轴器17、第一螺钉13和第二螺钉14，第一轴承支座7安装在电机支架18上，丝杠2穿过第一轴承支座7和第二轴承支座1，轴套15设置在一个圆筒件内，圆筒件固定安装在电机支架18上，以用于对丝杠2进行限位，所述导向轴4穿装在第一轴承支座7和第二轴承支座1上，以进行导向，并且由螺母进行轴向固定，滚珠螺母12通过第一螺钉14固定连接在丝杠连接件6上，丝杠连接件6通过第二螺钉14固定连接在棘轮支架18上，所述无油衬套5内孔与导向轴4相配合并且可沿导向轴4相对滑动，所述无油衬套5外壁与丝杠连接件6相配合并且两者间无相对滑动。所述丝杠连接件6固定安装在滚珠螺母12上，随丝杠2转动而上下移动。所述电机支架18将电机8和第一轴承支座7固定连接在一起，经由联轴器17连接丝杠2和电机8的输出轴，实现动力传动。
所述拉伸弹簧19平行小腿布置，可以用于模拟踝关节跟腱，拉伸弹簧19在支撑相前期踝关节做负功时，电机8运动和踝关节运动方向相反，拉伸弹簧19变形伸长储存能量；在支撑相后期踝关节做正功时，电机8运动和踝关节运动方向相同，拉伸弹簧19变形缩短做正功，辅助踝关节蹬起离地。
所述棘轮支架具有左连接板32和右连接板34，电磁铁支架具有电磁铁左连接架33和电磁铁右连接架29，棘爪轴26安装在左连接板32和右连接板34之间，由第三轴承、第四轴承进行轴向定位，棘爪24安装在棘爪轴26上，滑轮22通过两轴端安装固定在左连接板32和右连接板34之间，滑轮22侧面固定安装花键27，花键27和棘轮23相连，保证棘轮23和滑轮22能够同步转动。棘爪24和棘轮23组成棘轮棘爪机构，二者相啮合时能够实现自锁。为保证棘爪24脱离啮合时能够再次自动啮合实现自锁，回位弹簧35连接棘爪24和右连接板34，靠弹簧变形力维持自锁状态，当棘轮、棘爪脱离啮合状态，弹簧形变量增加，变形力增加，为棘轮、棘爪再次自锁提供条件。扭转弹簧28连接棘轮23和右连接板34，保证棘轮23转动引起弹簧变形后能够自动恢复至初始状态，回位弹簧35和扭转弹簧28共同保证棘轮、棘爪的周期性自锁。电磁铁左连接架33和电磁铁右连接架29将贯穿式电磁铁30固定安装在左连接板32和右连接板34上，贯穿式电磁铁30通电时铁芯向内拉回，断电时铁芯向外推出，钢丝绳31连接棘爪24和贯穿式电磁铁30铁芯末端；当一侧足足尖离地时，贯穿式电磁铁通电30，铁芯向内拉回，通过钢丝绳31拉动棘爪24转动脱离啮合，棘轮23和棘爪24解除自锁，扭转弹簧28和拉伸弹簧19串联，模拟跟腱的弹簧等效刚度最小；当同侧足足跟着地时，贯穿式电磁铁断电，在弹簧变形力作用下，铁芯向外推出，棘爪24恢复至啮合状态，棘轮23和棘爪24自锁，此时，仅有拉伸弹簧19模拟跟腱，弹簧等效刚度最大。
本发明只是基于踝关节步态运动规律提出弹性元件刚度切换机制，并应用于踝关节外骨骼上，但由于人体下肢髋关节、膝关节具有相似的步态运动规律，因此本发明提出的弹性元件刚度切换机制同样可以应用于人体下肢其他关节，并用于设计相应的外骨骼。
本发明的优势在于利用弹性元件模拟跟腱独特的储能过程与能量释放方式，能够减少踝关节所做正功和负功、代谢能消耗和肌肉活性；弹性元件形变由踝关节运动和电机运动共同实现，能够突破人体三维几何参数限制，增加弹性元件形变量；电磁离合器能够根据踝关节步态运动规律随时控制切换弹性元件刚度，提高踝关节外骨骼人机协调性；弹性元件的柔性保证了踝关节外骨骼的安全性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于弹性元件刚度切换机制的踝关节外骨骼，其特征在于，包括小腿支具、足托、弹簧支架、电机支架、电机、滚珠丝杠机构、拉伸弹簧、回位弹簧、贯穿式电磁铁、棘轮支架和棘轮机构，其中，
所述足托通过水平设置的铰轴可转动安装在所述小腿支具上；
所述弹簧支架和所述电机支架分别安装在所述足托和所述小腿支架上；
所述电机安装在所述电机支架上，并且所述电机的输出轴与所述滚珠丝杠机构的丝杠连接，以用于驱动所述滚珠丝杠机构的滚珠螺母上下运动；
所述棘轮支架固定安装在所述滚珠丝杠机构的滚珠螺母上；
所述棘轮机构包括相互配合的棘轮和棘爪，所述棘轮通过水平设置的棘轮轴可转动安装在所述棘轮支架上，所述棘爪通过水平设置的棘爪轴可转动安装在所述棘轮支架上；
所述贯穿式电磁铁安装在所述棘轮支架上，该贯穿式电磁铁的铁芯水平设置并且与所述棘爪固定连接，以用于带动所述棘爪转动，从而让所述棘爪锁定所述棘轮或让所述棘爪解除对所述棘轮的锁定；所述回位弹簧的一端连接棘爪，另一端固定安装在所述棘轮支架上，所述棘轮轴上安装有用于带动所述棘轮回位的扭转弹簧；
所述拉伸弹簧的下端安装在所述弹簧支架上，上端通过绳索连接，且所述绳索缠绕在滑轮上，所述滑轮设置在所述棘轮轴上。
2.根据权利要求1所述的一种基于弹性元件刚度切换机制的踝关节外骨骼，其特征在于，所述贯穿式电磁铁的铁芯通过钢丝绳与所述棘爪的下端固定连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于弹性元件刚度切换机制的踝关节外骨骼，其特征在于，所述绳索为聚乙烯绳。
4.根据权利要求1所述的一种基于弹性元件刚度切换机制的踝关节外骨骼，其特征在于，所述弹簧支架为U型杆并且该U型杆的开口端的两个端部分别固定连接在所述足托上。
5.根据权利要求1所述的一种基于弹性元件刚度切换机制的踝关节外骨骼，其特征在于，所述贯穿式电磁铁通过所述电磁铁连接架安装在所述棘轮支架上。
6.根据权利要求1所述的一种基于弹性元件刚度切换机制的踝关节外骨骼，其特征在于，所述回位弹簧通过弹簧连接杆安装在所述棘爪上。
7.根据权利要求1所述的一种基于弹性元件刚度切换机制的踝关节外骨骼，其特征在于，所述棘轮通过花键安装在所述棘轮轴上。
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