[实用新型]一种助力型外骨骼用踝关节联结装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及机械人结构，尤其涉及一种用于助力型外骨骼的实现小腿和传感靴稳定连接，在保证关节处三个旋转自由度的同时且能可靠承载的踝关节联结装置。

背景技术

在外骨骼的研究领域中，人体与外骨骼之间的协调运动是研究的重点之一。依据人体骨骼和关节结构的构成，为实现人机间的运动一致，外骨骼必须模拟人体结构设置相应的骨骼，而且关节结构应与人体一致，包含有髋关节、膝关节和踝关节。踝关节是外骨骼传递载荷的关键环节，不仅要传递载荷，而且运动自由度应与人体一致，需要有三个旋转自由度。

对于人机携行系统中的外骨骼结构而言，其主要功能在代替人体承受垂向载荷，因此外骨骼和人体之间必须通过连接装置紧紧连接在一起。这样在人机携行期间，负重随人体运动的速度和加速度会造成振动和冲击现象。当人机携行行走时，在支撑相和摆动相的周期运动中，人机质心有一个上下起伏的运动特征，在起或沉的阶段，负重都会由加速度引起动载荷，并随人机质心曲线反复作用于外骨骼，随着行走速度的增加，步频的加快和步幅的增大，此动载荷作用周期的频率也会增加，幅值会变大，造成对外骨骼的振动冲击。

通过对外骨骼可能受到的振动和冲击作用的分析，以及对人机间协调性的影响，要求外骨骼的小腿和传感靴之间的联结装置的设计既要能满足承载要求，又要能实现踝关节的三个运动自由度，满足人机运动协调性的要求；同时外骨骼踝关节处空间狭窄，很难在此处设置动力装置，因此在踝关节的结构设计中必须设置弹性复位装置。

在目前的外骨骼机械结构的研究中，重点集中在整体结构的设计和强度、刚度分析，而往往忽略了关节自由度的设置和约束，特别是踝关节的自由度的设计、被动复位装置的设置和隔震装置的设计。从公布的研究成果来看，踝关节通常被设计为只有一个人体矢状面内的旋转自由度，没有额状面和横断面内的自由度，导致人体穿戴外骨骼后不能实现侧身、转腰等动作；而且在崎岖的路面运动时，踝关节在额状面内的受力很集中，导致关节销轴局部应力很大；同时也没有考虑人机运动过程中的隔震和弹性复位等装置。

实用新型内容

鉴于现有技术的以上不足，本实用新型的目的是提供一种新的用于助力型外骨骼的踝关节联结装置，通过在联结装置中设置关节轴承实现关节的三个旋转自由度，保证人机之间的运动协调和可靠承载；在联结装置中设置隔震橡胶降低负重在人机运动期间对外骨骼造成的冲击载荷，实现缓冲吸能作用；同时在装置中设置复位橡胶，使得小腿与传感靴之间发生相对转动时，能为外骨骼提供额外的弹性复位力，可以增强负重的稳定性，利于人机重心的平衡，提高人机运动的协调性。

本实用新型所采用的技术方案是：

一种助力型外骨骼用踝关节联结装置，实现外骨骼小腿与传感靴的连接，横向销轴1将小腿11下端、锥套7、具有三个旋转自由度的关节轴承9和立轴2串连实现小腿下端与关节轴承和立轴连接；关节轴承置于立轴2上端的通孔内，关节轴承旋转中心为外骨骼踝关节的原点；在立轴外沿和小腿下端的内腔之间设置有当关节转动时橡胶被压缩产生弹性复位力的复位橡胶3；在立轴2和支撑座5之间设置隔震橡胶4；支撑座5的内部为空腔结构，上端具有通孔,立轴2下端的外螺纹柱穿过该通孔后由防松螺母10将立轴、隔震橡胶和支撑座实现连接。

采用本实用新型的结构，通过螺栓将装置中的支撑座与传感靴进行连接，通过横向销轴实现立轴与小腿下端的连接；将关节轴承置于立轴上端的通孔内，作为踝关节转动原点，实现三个旋转自由度，通过孔用挡圈实现轴承的轴向定位，通过锥套限制立轴相对于小腿的轴向位移，通过锁紧螺母使得立轴和支撑座可靠连接；在立轴和支撑座之间设置隔震橡胶，起到减震的作用；在立轴外圆和小腿下端的内腔之间设置复位橡胶，为踝关节提供弹性复位力；外骨骼垂向载荷通过小腿下端→横向销轴→关节轴承→立轴→减震橡胶→支撑座→传感靴的顺序向下传递，最终传递至地面。本实用新型踝关节联结装置在实现外骨骼踝关节的三个旋转自由度的同时，保证了人机之间的运动协调，并能降低负重在人机运动期间对外骨骼造成的冲击载荷，且可为在踝关节自身的转动中提供弹性复位力，增强负重的稳定性，利于人机重心的平衡。

附图说明

图1是外骨骼的踝关节联结装置的主视图。

图2为图1的A-A剖视图。

具体实施方式

结合图1和图2示出，本实用新型的一种实施例为：