本实用新型涉及外骨骼机器人技术领域，特别是涉及一种外骨骼机器人三自由度踝关节装置。
背景技术：
踝关节是人体下肢部分的重要关节，也是人体距离地面最近的负重关节。在行走过程中，踝关节能够协调腿部和脚部的运动以实现人体重心的转移，地面对脚部的作用力也需要经由踝关节传递至腿部。由于踝关节常处于负重状态，因此容易出现扭伤，在军事或医疗领域常采用机械踝关节装置对踝关节予以保护或进行康复治疗。机械踝关节装置作为辅助器械，一般穿戴在人体外部，以对人体提供保护、支撑、助力和运动辅助功能。
人体的踝关节具有三个转动自由度，分别为趾屈背伸自由度、内外翻自由度和内外摆自由度，上述三个转动自由度相互关联，保证了人体运动的灵活性。一般的机械踝关节装置受限于机械结构，难以实现对上述三个转动自由度的模拟，穿戴上机械踝关节装置后，易造成活动不灵便，且常规的机械踝关节装置，只能满足简单的行走辅助功能，功能单一。
技术实现要素：
基于此，有必要针对一般的机械踝关节装置活动不灵便、功能单一的问题，提供一种外骨骼机器人三自由度踝关节装置。
一种外骨骼机器人三自由度踝关节装置，包括：
腿部连接件；
第一摆动组件，包括第一连接件和第一转轴，所述第一转轴沿第一方向延伸，所述第一连接件和所述第一转轴固定连接，所述腿部连接件套设于所述第一转轴上，所述第一转轴与所述腿部连接件转动连接；
第二摆动组件，包括第二连接件和第二转轴，所述第二转轴沿第二方向延伸，所述第二连接件和所述第二转轴固定连接，所述第一连接件套设于所述第二转轴上，所述第二转轴与所述第一连接件转动连接；
第三摆动组件，包括第三连接件和第三转轴，所述第三转轴沿第三方向延伸，所述第三连接件和所述第三转轴固定连接，所述第二连接件套设于所述第三转轴上，所述第三转轴与所述第二连接件转动连接；及
脚部支撑件，与所述第三连接件固定连接。
在其中一个实施例中，所述第二摆动组件还包括蓄能组件，所述蓄能组件的一端与所述第一连接件转动连接，所述蓄能组件的另一端与所述第二连接件转动连接；所述蓄能组件用于带动所述第二连接件复位。
在其中一个实施例中，所述蓄能组件包括连杆、弹性件和杆套，所述连杆的一端与所述第一连接件转动连接，所述连杆的另一端与所述弹性件固定连接；所述杆套的一端套设于所述连杆上，所述杆套的另一端与所述第二连接件转动连接；所述弹性件收容于所述杆套内。
在其中一个实施例中，所述弹性件包括第一弹簧和第二弹簧，所述第一弹簧套设于所述连杆上，且所述第一弹簧的一端与所述连杆抵接，所述第一弹簧的另一端与所述杆套的靠近腿部连接件的一端抵接；所述第二弹簧的一端与所述连杆抵接，所述第二弹簧的另一端与所述杆套的远离所述腿部连接件的一端抵接。
在其中一个实施例中，所述第二连接件上设有第一限位面和第二限位面，当所述第二转轴转动时，所述第一限位面与所述第一连接件抵接，以限制所述第二转轴的转动范围；当所述第三转轴转动时，所述第二限位面与所述第三连接件抵接，以限制所述第三转轴的转动范围。
在其中一个实施例中，所述第一摆动组件还包括第一轴套和止推轴承，所述腿部连接件套设于所述第一轴套上，所述第一轴套套设于所述第一转轴上，所述第一轴套与所述腿部连接件固定连接，所述第一轴套与所述第一转轴转动连接；所述止推轴承套设于所述第一转轴上，且所述止推轴承的一侧与所述第一连接件抵接，所述止推轴承的另一侧与所述腿部连接件抵接。
在其中一个实施例中，所述第一摆动组件还包括限位件，所述限位件与所述腿部连接件固定连接，所述第一连接件上开设有限位槽，所述限位件收容于所述限位槽内；当所述第一连接件转动时，所述限位件能够与所述限位槽的槽壁抵接，以限制所述第一连接件的转动范围。
在其中一个实施例中，所述第二摆动组件还包括阻尼件，所述阻尼件分别与所述第二转轴和所述第一连接件固定连接，所述阻尼件能够调节所述第二转轴的旋转阻力。
在其中一个实施例中，所述第三摆动组件还包括回位件，所述回位件分别与所述第二连接件和所述第三连接件固定连接；当所述第三转轴转动时，所述回位件能够带动所述第三转轴复位。
在其中一个实施例中，所述外骨骼机器人三自由度踝关节装置还包括角度传感器和压力传感器，所述角度传感器与所述第一连接件固定连接，所述角度传感器用于检测所述第二转轴的旋转角度；所述压力传感器与所述脚部支撑件固定连接，所述压力传感器用于检测脚部支撑件所受的压力。
上述外骨骼机器人三自由度踝关节装置，腿部连接件用于绑缚至小腿上，脚部支撑件能够对脚部予以支撑，从而使得外骨骼机器人三自由度踝关节装置与人体连接。以小腿的延伸方向为第一方向，第一转轴的延伸方向与第一方向相同；以脚部的宽度延伸方向为第二方向，第二转轴的延伸方向与第二方向相同；以脚部的长度延伸方向为第三方向，第三转轴的延伸方向与第三方向相同。第一摆动组件能够模拟内外摆自由度，使得脚部能够绕第一转轴摆动；第二摆动组件能够模拟趾屈背伸自由度，使得脚部能够绕第二转轴摆动；第三摆动组件能够模拟内外翻自由度，使得脚部能够绕第三转轴摆动。上述外骨骼机器人三自由度踝关节装置，结构简单紧凑，能够有效地模拟人体踝关节的三个自由度，从而能更好地适应人体的运动，使得穿戴者活动灵便。
附图说明
图1为一实施例中外骨骼机器人三自由度踝关节装置的立体图；
图2为图1所示外骨骼机器人三自由度踝关节装置的主视图；
图3为图1所示外骨骼机器人三自由度踝关节装置的右视图；
图4为图3所示外骨骼机器人三自由度踝关节装置沿A-A处的剖视图；
图5为图1所示外骨骼机器人三自由度踝关节装置的爆炸图；
图6为图1所示外骨骼机器人三自由度踝关节装置的第一连接件的立体图；
图7为图1所示外骨骼机器人三自由度踝关节装置的第二连接件的立体图。
具体实施方式
为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳的实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
参考图1和图2，在一实施例中，外骨骼机器人三自由度踝关节装置10作为外骨骼装置，用于辅助小腿及脚部的运动。外骨骼机器人三自由度踝关节装置10包括腿部连接件100、第一摆动组件200、第二摆动组件300、第三摆动组件400和脚部支撑件500。在一实施例中，脚部支撑件500用于绑缚至脚上，腿部连接件100则用于绑缚至小腿上，从而使得整个外骨骼机器人三自由度踝关节装置10与人体连接。
同时参考图3和图4，在一实施例中，指定小腿的延伸方向为第一方向，脚掌宽度的延伸方向为第二方向，脚掌长度的延伸方向为第三方向。第一摆动组件200包括第一连接件210和第一转轴220，第一转轴220沿第一方向延伸，第一连接件210和第一转轴220固定连接，腿部连接件100套设于第一转轴220上，第一转轴220与腿部连接件100转动连接。第二摆动组件300包括第二连接件310和第二转轴320，第二转轴320沿第二方向延伸，第二连接件310和第二转轴320固定连接，第一连接件210套设于第二转轴320上，第二转轴320与第一连接件210转动连接。第三摆动组件400包括第三连接件410和第三转轴420，第三转轴420沿第三方向延伸，第三连接件410和第三转轴420固定连接，第二连接件310套设于第三转轴420上，第三转轴420与第二连接件310转动连接。脚部支撑件500则与第三连接件410固定连接。
上述外骨骼机器人三自由度踝关节装置10，腿部连接件100用于绑缚至小腿上，脚部支撑件500能够对脚部予以支撑，从而使得外骨骼机器人三自由度踝关节装置10与人体连接。第一摆动组件200能够模拟内外摆自由度，使得脚部能够绕第一转轴220摆动。第二摆动组件300能够模拟趾屈背伸自由度，使得脚部能够绕第二转轴320摆动。第三摆动组件400能够模拟内外翻自由度，使得脚部能够绕第三转轴420摆动。上述外骨骼机器人三自由度踝关节装置10，结构简单紧凑，能够有效地模拟人体踝关节的三个自由度，从而能更好地适应人体的运动，使得穿戴者活动灵便。
参考图4和图5，在一实施例中，第一摆动组件200还包括第一轴套230和止推轴承240，腿部连接件100套设于第一轴套230上，第一轴套230套设于第一转轴220上，第一轴套230与腿部连接件100固定连接。在图4所示实施例中，第一轴套230与腿部连接件100采用过盈配合的方式固定连接为一体，连接结构简单可靠。第一轴套230与第一转轴220转动连接。止推轴承240套设于第一转轴220上，在图4所示实施例中，止推轴承240的上端面与第一连接件210抵接，止推轴承240的下端面则与腿部连接件100抵接。通过设置止推轴承240，有利于减小第一转轴220的旋转阻力，从而有利于第一转轴220的转动，并能利用止推轴承240承担第一转轴220的轴向上的作用力，以避免腿部连接件100和第一连接件210接触造成磨损。在一实施例中，第一轴套230采用耐磨材料制成，通过将第一轴套230套设于第一转轴220上，能够避免第一转轴220直接与腿部连接件100摩擦，从而可以防止腿部连接件100的磨损。
同时参考图5和图6，在一实施例中，第一摆动组件200还包括限位件250，限位件250与腿部连接件100固定连接，第一连接件210上开设有限位槽211，限位件250收容于限位槽211内。当第一连接件210转动时，限位件250能够与限位槽211的槽壁抵接，以限制第一连接件210的转动范围。具体地，在一实施例中，限位件250为限位螺栓，限位螺栓固定连接在腿部连接件100上。第一连接件210的朝向限位螺栓的表面上开设有限位槽211，限位螺栓的下端收容于限位槽211内。当第一转轴220沿某一方向(例如顺时针方向)转动一定角度时，限位螺栓即与限位槽211的槽壁抵接，第一转轴220不能再沿上述方向转动。通过限位螺栓和限位槽211即可限制第一连接件210的转动范围。在一实施例中，限位槽211为弧形槽，弧形槽的轴线与第一转轴220的轴线重合，通过设置弧形槽的圆心角，即可限制第一连接件210的转动范围。
可以理解的是，第一连接件210的转动范围可以根据脚部相对于小腿的转动范围进行设置，以使外骨骼装置能够尽可能地模拟出脚踝的内外摆自由度，以提高人体运动的灵活性。在一实施例中，以小腿的中心平面为基准，通过设置限位件250与限位槽211，第一连接件210能够向中心平面的左侧(两脚尖相互靠近的一侧)转动4～6度，且第一连接件210能够向中心平面的右侧(两脚尖相互远离的一侧)转动4～6度。进一步，在一实施例中，第一连接件210能够向中心平面的左侧转动5度，且第一连接件210能够向中心平面的右侧转动5度。上述转动范围与人体踝关节的实际转动范围较为接近，因此能够保证人体运动的灵活性，且能够提高人体运动的舒适度，以避免因穿戴外骨骼造成活动受限。限位件250和限位槽211的设置还能够防止人体踝关节因转动范围过大导致韧带或肌肉组织拉伤，因而能对人体踝关节的运动起到避险作用。
在一实施例中，第二摆动组件300还包括第二轴套330，第一连接件210套设于第二轴套330上，第二轴套330套设于第二转轴320上，第二轴套330与第一连接件210固定连接。在图4所示实施例中，第二轴套330与第一连接件210采用过盈配合的方式固定连接为一体，连接结构简单可靠。第二轴套330与第二转轴320转动连接。在一实施例中，第二轴套330采用耐磨材料制成，通过将第二轴套330套设于第二转轴320上，能够避免第二转轴320直接与第一连接件210摩擦，从而可以防止第一连接件210的磨损。
参考图4和图5，在一实施例中，第二摆动组件300还包括阻尼件340，阻尼件340分别与第二转轴320和第一连接件210固定连接，阻尼件340能够调节第二转轴320的旋转阻力。在一实施例中，阻尼件340包括外盘341和内盘(图未示)，外盘341与第一连接件210固定连接，内盘和第二转轴320固定连接，外盘341和内盘之间的距离可以调节，通过调节内盘与外盘341之间的距离，即可调节外盘341和内盘间的摩擦阻力，也即通过阻尼件340可以调节第二转轴320相对于第一连接件210的转动的阻力。阻尼件340的作用还在于，其能够增大趾屈背伸自由度的传递转矩，减缓第二转轴320的旋转速度，从而能够减缓脚部绕第二转轴320旋转的速度。在外骨骼机器人三自由度踝关节装置10使用过程中，若脚部绕第二转轴320转动的速度太大，易对脚部和小腿造成冲击。通过设置阻尼件340，减缓了脚部绕第二转轴320旋转的速度，能够使外骨骼机器人三自由度踝关节装置10承担更多的外界作用力，因而能够避免人体的损伤。
参考图3，在一实施例中，第二摆动组件300还包括蓄能组件350，蓄能组件350的一端与第一连接件210转动连接，蓄能组件350的另一端与第二连接件310转动连接。具体地，在一实施例中，蓄能组件350包括连杆351、弹性件352和杆套353，连杆351的上端与第一连接件210转动连接，连杆351的下端与弹性件352固定连接。杆套353的一端套设于连杆351上，杆套353的另一端与第二连接件310转动连接，弹性件352收容于杆套353内。在一实施例中，弹性件352的上端与连杆351的下端固定连接，弹性件352的下端与杆套353固定连接。第二转轴320转动时，连杆351能够拉伸或压缩弹性件352，弹性件352产生的回复力即可使得第二连接件310回复至初始状态(弹性件352的自由状态)。在另一实施例中，弹性件352上端与连杆351固定连接，下端与杆套353抵接，当脚跟提起时，弹性件352被压缩，产生回复力并积蓄能量；当脚跟放下时，弹性件352在回复力的作用下释放能量并回复至自由状态，第二连接件310回复至初始状态。通过蓄能组件350，一方面能够减缓运动过程中地面对人体踝关节的冲击以保护人体踝关节，另一方面有利于人体踝关节的尽快回复至自然状态，以提高人体运动的灵活性和舒适度。
参考图3，在一实施例中，弹性件352包括第一弹簧3521和第二弹簧3523，第一弹簧3521套设于连杆351上，且第一弹簧3521的下端和连杆351抵接，第一弹簧3521的上端与杆套353的靠近腿部连接件100的一端抵接。第二弹簧3523的上端与连杆351抵接，第二弹簧3523的下端与杆套353的远离腿部连接件100的一端抵接。在一实施例中，当第一弹簧3521和第二弹簧3523均处于自由状态时，脚部支撑件500处于水平状态。在一实施例中，第一弹簧3521的劲度系数与第二弹簧3523的劲度系数不同。在一实施例中，第二弹簧3523的劲度系数小于第一弹簧3521的劲度系数，在图3所示实施例中，当第二连接件310沿逆时针方向转动时，第一弹簧3521被压缩；当第二连接件310沿顺时针方向转动时，第二弹簧3523被压缩；由于第二弹簧3523的劲度系数小于第一弹簧3521的劲度系数，因此第二连接件310沿顺时针方向的复位速度要大于沿逆时针方向的复位速度。
具体在使用过程中，以脚跟为参照，当脚尖下沉时，第二弹簧3523被压缩；当脚尖上抬时，第一弹簧3521被压缩。由于第二弹簧3523的劲度系数小于第一弹簧3521的劲度系数，脚尖上抬状态的复位要比脚尖下沉的复位速度快。通过设置第一弹簧3521和第二弹簧3523，并使得第一弹簧3521的劲度系数大于第二弹簧3523的劲度系数，即可使得脚尖上抬时受到第一弹簧3521的阻力，脚尖下沉时受到第二弹簧3523的阻力。上述结构一方面有利于脚部保持在水平状态，防止运动过程中脚部沿顺时针或逆时针乱摆动。另一方面，由于脚尖上抬对应人体前行过程中重心前移的状态，脚尖下沉则对应人体重心后移的状态，第一弹簧3521的劲度系数大于第二弹簧3523时，前移状态受到的第一弹簧3521的阻力大于后移状态第二弹簧3523的阻力，有利于保持人体前进过程中身体的平衡，以防止移动过程中因重心变化出现身体摇晃的情况，从而有利于提高运动的平稳性和舒适感。
参考图3和图4，在一实施例中，第三摆动组件400还包括回位件430，回位件430分别与第二连接件310和第三连接件410固定连接。当第三转轴420转动时，回位件430能够带动第三转轴420复位。具体地，在一实施例中，回位件430为弹性板，第三转轴420的两侧均安装有弹性板。当第三转轴420转动时，弹性板发生变形，即可产生回复力，从而能够带动第三转轴420回位。由于第三转轴420两侧均安装有弹性板，脚部作内翻或外翻运动时，弹性板的变形有利于脚部回复至自然状态(即脚板呈水平的状态)，且弹性板能够对脚部的内翻或外翻运动起到缓冲作用，以防止内翻或外翻角度过大，造成韧带或肌肉组织的拉伤，因而能够有效保护人体的踝关节。
在一实施例中，外骨骼机器人三自由度踝关节装置10还包括角度传感器(未图示)和压力传感器(未图示)，角度传感器与第一连接件210固定连接，角度传感器用于检测第二转轴320的旋转角度。压力传感器与脚部支撑件500固定连接，压力传感器用于检测脚部支撑件500所受的压力。在一实施例中，外骨骼机器人三自由度踝关节装置10属于下肢外骨骼装置(未图示)的一部分，下肢外骨骼装置连接有控制器，角度传感器和压力传感器可检测外骨骼机器人三自由度踝关节装置10的使用状态，并将第二转轴320的旋转角度参数及脚部支撑件500所受的压力参数发送至控制器，控制器接收角度传感器和压力传感器的检测信号后，可以实时调整下肢外骨骼的驱动机构，从而可以调整下肢外骨骼装置的状态，以保证下肢外骨骼的运动协调性，在有效保护人体的同时提高人体运动的灵活性。
参考图7，在一实施例中，第二连接件310上设有第一限位面311和第二限位面313。同时参考图5，当第二转轴320转动时，第一限位面311能够与第一连接件210抵接，以限制第二转轴320的转动范围。当第三转轴420转动时，第二限位面313能够与第三连接件410抵接，以限制第三转轴420的转动范围。在一实施例中，第一限位面311为斜面，且第一限位面311有两个，两个第一限位面311分别位于第二转轴320的两侧，当第二转轴320转动一定角度后，第一限位面311即与第一连接件210抵接，第二转轴320停止转动，第一限位面311因此限制了第二转轴320的转动范围。在一实施例中，第二转轴320的转动范围对应脚部作趾屈背伸运动时脚部的转动范围。具体地，在一实施例中，以垂直于小腿延伸方向的平面为基准面，脚尖下沉(趾屈运动)至脚板平面与基准面呈32～37度时，第一限位面311与第一连接件210抵接；脚尖上抬(背伸运动)至脚板平面与基准面呈48～52度时，第一限位面311与第一连接件210抵接。进一步，在一实施例中，脚尖下沉至脚板平面与基准面呈35度时，第一限位面311与第一连接件210抵接；脚尖上抬至脚板平面与基准面呈50度时，第一限位面311与第一连接件210抵接。上述转动范围接近于人体踝关节在趾屈背伸运动过程中的实际转动范围，因而第一限位面311的设置一方面有利于提高人体运动的灵活性，以防止人体运动受到限制，另一方面也能够防止踝关节趾屈背伸转动范围过大从而对踝关节起到避险作用。
在一实施例中，第二限位面313的结构和作用原理与第一限位面311相似，此处不再赘述。在一实施例中，以脚板平面为基准面，脚板外翻至与基准面呈28～32度时，第二限位面313与第三连接件410抵接，脚板内翻至与基准面呈28～32度时，第二限位面313与第三连接件410抵接，从而限制了脚部内翻或外翻的转动范围。进一步，在一实施例中，脚板外翻至与基准面呈30度时，第二限位面313与第三连接件410抵接，脚板内翻至与基准面呈30度时，第二限位面313与第三连接件410抵接。上述转动范围接近于人体踝关节在内外翻运动过程中的实际转动范围，因而第二限位面313的设置一方面有利于提高人体运动的灵活性，以防止人体运动受到限制，另一方面也能够防止踝关节内外翻转动范围过大从而对踝关节起到避险作用。通过设置第一限位面311和第二限位面313，即可限制第二转轴320和第三转轴420的转动范围，因此能够提高踝关节装置的运动灵活性，并对人体的踝关节起到良好的保护。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。