[发明专利]一种用于穿戴式下肢外骨骼机器人的足部装置

说明书

技术领域

本发明属于穿戴式下肢外骨骼机器人技术领域，涉及一种用于穿戴式下肢外骨骼机器人的足部装置，具体涉及一种具有沿三个方向转动共三个自由度的可调节踝关节的足部装置。

背景技术

依据运动学的原理，人体踝关节具有三个方向的自由度，分别是围绕运动关节的跖屈/背屈运动、外展/内收运动和旋内/旋外运动，目前市场上广泛存在的踝关节的康复设备、矫形器或外骨骼都是使踝关节进行跖屈/背屈的单一运动，而这种单自由度的运动，不仅康复训练的功能较为狭隘，极易造成踝关节的再次损伤，而且舒适性、安全性、适应性及康复效果都很差。

下肢外骨骼机器人无论是提高穿戴的机动能力、负重能力，还是辅助老年人行走或辅助医疗康复训练功能，均要求脚部的踝关节装置具有一定的辅助支撑作用，更需要有类似人体骨骼的自由度。而现有的踝关节装置大部分都是脚踝助行器装置或辅助康复训练的外骨骼足部装置。申请号为CN200910111110.4的发明公布了两自由度康复器，实现了脚踝的内翻/外翻运动和外展/内收运动。该发明虽然实现了脚踝的两个自由度的运动，但仍不能克服行走时来自地面的冲击，其外展/内收这一动作实施时可控性不便，控制不好更容易崴脚，且结构复杂实施不够便捷，应用领域也仅限于医疗器械。申请号为CN200410053695.6和CN200420081797.4的发明公开了两种医疗器械领域的下肢步行外骨骼，该发明可在一定程度上减轻步行者疲劳，增强人体携带重物运动的能力，作为下肢截肢病人或者肌肉萎缩病人的助行器。但该发明结构体积庞大，步行时难以克服来自地面的冲击，且穿戴者的脚踝的运动自由度有限，长期穿戴会给穿戴者带来一定的不舒适感和疲劳感，同时由于它的功能单一使该发明应用领域有限。申请号为CN201510082305.6的发明公开了一种外骨骼用三自由度柔性踝关节装置，运用三个自由度的装置实现了踝关节的跖屈/背屈运动、外展/内收运动。但是该发明只采用了被动的自由度，仅可以作为助行器外骨骼的使用，而不能作为辅助康复型外骨骼对患者踝部关节的主动性训练，同时，该装置采用柔性材料对脚踝的外展/内收进行控制，长期使用会造成柔性材料的强度疲劳，容易造成使用者在行走过程中崴脚。申情号为CN201410208291.3的中国专利公开了一种用于康复训练用的多自由度的踝关节动力外骨骼，可以自适应踝关节的内/外翻、内/外旋和沿矢状轴前后移动的三类耦合运动。但该技术方案仅适合于康复训练中的被动训练用，不适合与穿戴使用。

因而，设计一种能多方面适用于穿戴者不同身体需求的机动能力及负重能力高、可用于康复式训练的下肢外骨骼踝关节装置显得十分必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于穿戴式下肢外骨骼机器人的具有三自由度可调节踝关节的足部装置，解决目前穿戴式下肢外骨骼机器人踝关节的装置普遍存在的实用性不强，活动自由度少，被动式训练过多，稳定性不高以及与人体耦合性较差等问题。

本发明所采用的技术方案是：一种用于穿戴式下肢外骨骼机器人的足部装置，其特征在于：包括控制踝关节旋内/旋外的第一执行机构、驱动齿轮机构、从动齿轮机构、小腿连杆、球笼式万向节、转动调节装置、控制踝关节跖屈/背屈的第二执行机构、电机固定托板、第一复位弹簧、踝关节控制板、足履、圆杆和第二复位弹簧；所述的小腿连杆为内空型柱体，其外壁上设置有槽孔、底面设置有突出固定板和第一轴承；所述的球笼式万向节包括驱动端、上固定板、下固定板和从动端；所述的转动调节装置为U型，其两壁分别设置有左侧通孔和右侧花键孔、底面上设置有第二轴承；所述的电机固定托板为L型、由包括电机固定端和托板固定端固定连接而成，其中电机固定端为L型、由突出固定板和第二执行机构承载端固定连接而成；

所述转动调节装置通过左侧通孔铰链连接到所述的踝关节控制板的一侧，所述转动调节装置通过右侧花键孔和花键与所述的第二执行机构连接，所述的第二执行机构通过所述的电机固定端固定安装在所述的电机固定托板上；所述的电机固定托板通过所述的托板固定端固定安装在所述的踝关节控制板上；

所述的第一执行机构固定安装在所述的小腿连杆外壁上，通过花键与所述的驱动齿轮机构进行连接，所述的驱动齿轮机构通过所述的槽孔与设置在小腿连杆内的从动齿轮机构啮合连接；

所述的球笼式万向节的驱动端依次穿过所述的第二轴承、第一轴承后与所述的从动齿轮机构固定连接；所述的球笼式万向节的上固定板与所述的第一轴承固定连接、从动端通过所述的下固定板固定安装在所述的踝关节控制板上；