一种运动解耦并联驱动型外骨骼机器人踝关节

本发明属于机器人技术领域，涉及一种运动解耦并联驱动型外骨骼机器人踝关节。

背景技术：

下肢外骨骼是一种与人体下肢结构相似的可穿戴仿生机器人，能够辅助穿戴者实现下肢康复、助力行走以及增强负重等功能，在康复、民用和军事等领域有着广泛的应用前景。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，可围绕三个转动轴作背屈/跖屈、内翻/外翻以及较小的内旋/外旋运动，具有灵活性好、支撑力大等特点。

现有的下肢外骨骼机器人，其踝关节的自由度单一，通常只包括背屈/跖屈单个自由度，甚至与小腿采用一体化刚性结构，且大多不具备主动驱动，极大地影响了外骨骼的运动灵活性、穿戴舒适性以及踝关节运动辅助能力。因此，如何设计整体结构刚度较高的可穿戴式外骨骼机器人踝关节，实现背屈/跖屈和内翻/外翻两个自由度主动运动辅助，是下肢外骨骼机器人开发过程中的一个关键难题。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提出一种运动解耦并联驱动型外骨骼机器人踝关节，其运动解耦并联驱动结构具有两个旋转自由度、结构刚度较好、整体重心较高以及足端惯量较小的特征，实现背屈/跖屈和内翻/外翻两个自由度的踝关节主动运动辅助，提高人体穿戴的舒适性、运动灵活性以及稳定性。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种运动解耦并联驱动型外骨骼机器人踝关节，其特殊之处在于，

包括踝关节驱动组件、足托组件；

所述踝关节驱动组件包括：小腿杆、屈伸驱动组件和内外翻运动组件；

小腿杆与足托组件铰接，屈伸驱动组件和内外翻运动组件设置在小腿杆上，屈伸驱动组件和内外翻运动组件分别带动足托组件进行屈伸运动和内外翻运动。

进一步地，上述屈伸驱动组件包括屈伸驱动固定座、屈伸驱动单元、屈伸运动输出端盖、屈伸运动传动杆、踝关节固定支座；

屈伸驱动单元通过屈伸驱动固定座固定在小腿杆的上端，屈伸驱动单元的动力输出端与屈伸运动输出端盖连接，屈伸运动输出端盖与屈伸运动传动杆的一端铰接，屈伸运动传动杆的另一端与踝关节固定支座铰接；踝关节固定支座与足托组件固连。

进一步地，上述屈伸运动传动杆的另一端与踝关节固定支座通过屈伸运动虎克铰链连接。

进一步地，上述屈伸驱动单元的动力输出端通过屈伸运动单轴铰链与屈伸运动传动杆的一端铰接。

进一步地，上述小腿杆与踝关节固定支座通过小腿杆支撑虎克铰链进行连接。

进一步地，上述内外翻运动组件包括内外翻驱动单元，内外翻驱动单元固定在小腿杆上部且位于屈伸驱动单元的下方，内外翻驱动单元的动力输出端与内外翻运动输出端盖连接，内外翻运动输出端盖通过内外翻运动径向铰链、内外翻运动水平铰链、内外翻运动垂直铰链与内外翻运动传动杆的一端连接，内外翻运动传动杆的另一端与踝关节固定支座铰接。

进一步地，上述内外翻运动传动杆的另一端与踝关节固定支座通过内外翻运动虎克铰链连接。

进一步地，上述足托组件包括绑带环扣、l形环扣固定座、足托底板；l形环扣固定座固定在足托底板上，绑带环扣固定在l形环扣固定座上。

进一步地，还包括小腿绑缚、足部绑缚；小腿绑缚、足部绑缚分别设置在小腿杆、绑带环扣上。

本发明的优点：

1)本发明提出的外骨骼机器人踝关节相较于现有技术，其采用了新型二自由度并联机构构型，提供踝关节背屈/跖屈和踝关节内翻/外翻主动运动辅助，并且两者之间运动解耦，从而简化了运动控制；

2)采用虎克铰连接小腿杆和固定座，具有两个相互垂直的转轴，提供踝关节背屈/跖屈和内翻/外翻两个运动自由度；

3)小腿杆、屈伸驱动输出运动端盖、屈伸传动杆和踝关节固定座形成平行四边形机构，作为踝关节背屈/跖屈运动支链，屈伸驱动单元安装于膝关节位置，以提高重心位置和减小足端惯量；小腿杆、内外翻驱动输出运动端盖、内外翻传动杆和踝关节固定座形成平行四边形机构，作为踝关节内翻/外翻运动支链，内外翻驱动单元安装于屈伸驱动单元的下方，以提高重心位置和减小足端惯量；两个驱动的物理位置较高，提高了整体重心和减小了足端附加惯量，从而提高了动态运动灵活性；

4)屈伸运动支链a0abb0与内外翻运动支链b0c0cd之间相互垂直，前者具有2个单轴转动铰链和1个虎克铰链，后者具有1个单轴转动铰链、1个虎克铰链和1个等价球形铰链，且虎克铰链和均与小腿杆支撑虎克铰链的轴线共线或平行；相较于分布式多支链并联结构，垂直布置的二支链并联结构更加紧凑，支链之间无运动干涉。

附图说明

图1是外骨骼机器人踝关节机构简图；

图2是外骨骼机器人踝关节人体穿戴示意图；

图3是外骨骼机器人踝关节结构示意图；

图4是外骨骼机器人踝关节屈伸运动支链结构剖视图；

图5是外骨骼机器人踝关节内外翻运动支链结构剖视图；

图6是外骨骼机器人踝关节在背屈运动状态示意图；

图7是外骨骼机器人踝关节在跖屈运动状态示意图；

图8是外骨骼机器人踝关节在内翻运动状态示意图；

图9是外骨骼机器人踝关节在外翻运动状态示意图；

图10是外骨骼机器人踝关节在复合运动状态示意图。

其中：1、踝关节驱动组件；

11、小腿杆；12、屈伸运动输出端盖；13、屈伸运动单轴铰链；14、屈伸运动传动杆；15、屈伸运动虎克铰链；16、踝关节固定支座；17、屈伸驱动固定座；18、屈伸驱动单元；19、内外翻驱动单元；110、内外翻运动输出端盖；111、内外翻运动径向铰链；112、内外翻运动水平铰链；113、内外翻运动垂直铰链；114、内外翻运动传动杆；115、内外翻运动虎克铰链；116、小腿杆支撑虎克铰链；

2、足托组件；

21、绑带环扣；22、l形环扣固定座；23、足托底板；

3、小腿绑缚；4、足部绑缚。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实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。

为了给人体踝关节提供背屈/跖屈和内翻/外翻主动运动辅助，本发明提出了一种两旋转自由度完全解耦的并联驱动型外骨骼机器人踝关节。首先，为了提高踝关节的承载能力和结构刚度，采用基于虎克铰的二支链并联机构构型，其机构简图如图1所示。该机构由两个相互垂直的运动分支a0abb0和b0c0cd组成，其中，a0、a、d为单轴转动铰链，c为球形铰链，b0、b、c0为虎克铰链，分别对应于踝关节屈伸支链和踝关节内外翻支链；其次，为了实现踝关节的两自由度旋转运动解耦，以及便于运动控制，两个运动支链的尺寸参数均设计为对边相等，从而形成类平行四边形机构；最后，为了提高外骨骼踝关节的重心以及减小足端附加的运动惯量，将屈伸运动的驱动单元a0安装在膝关节轴线位置，而内外翻运动的驱动单元(d)垂直安装在驱动单元(a0)下方临近位置，两者均通过连杆远程传递运动至踝关节。与现有的外骨骼机器人踝关节相比，该机构具有较多自由度、运动更灵活，并联构型负载能力大、刚度高，机构尺寸满足对边相等条件，采用双电机驱动，具有运动范围大、运动解耦以及易于操作和控制等特点，既能够单独用于踝关节的运动辅助，也可与膝关节外骨骼和髋关节外骨骼组合形成全关节式下肢外骨骼机器人。

本发明提供的外骨骼机器人踝关节主要包括踝关节驱动组件1、足托组件2、小腿绑缚3、足部绑缚4，其人体穿戴效果如图2所示。由于左右腿两侧结构对称，以左侧为例进行详细描述，其总体结构如图3所示，其中，包括踝关节驱动组件1、足托组件2；所述踝关节驱动组件1包括：小腿杆11、屈伸驱动组件和内外翻运动组件；小腿杆11与足托组件2铰接，屈伸驱动组件和内外翻运动组件设置在小腿杆11上，屈伸驱动组件和内外翻运动组件分别带动足托组件2进行屈伸运动和内外翻运动，小腿绑缚3、足部绑缚4分别位于小腿杆11与足托组件2上。

作为本发明的一个优选实施例，上述屈伸驱动组件包括屈伸驱动固定座17、屈伸驱动单元18、屈伸运动输出端盖12、屈伸运动传动杆14、踝关节固定支座16。屈伸驱动单元18通过屈伸驱动固定座17固定在小腿杆11的上端，屈伸驱动单元18的动力输出端与屈伸运动输出端盖12连接，屈伸运动输出端盖12与屈伸运动传动杆14的一端铰接，屈伸运动传动杆14的另一端与踝关节固定支座16铰接；踝关节固定支座16与足托组件2固连。

作为本发明的一个优选实施例，上述屈伸运动传动杆14的另一端与踝关节固定支座16通过屈伸运动虎克铰链15连接。

作为本发明的一个优选实施例，上述屈伸驱动单元18的动力输出端通过屈伸运动单轴铰链13与屈伸运动传动杆14的一端铰接。

作为本发明的一个优选实施例，上述小腿杆11与踝关节固定支座16通过小腿杆支撑虎克铰链116进行连接。

作为本发明的一个优选实施例，上述内外翻运动组件包括内外翻驱动单元19，内外翻驱动单元19固定在小腿杆11上部且位于屈伸驱动单元18的下方，内外翻驱动单元19的动力输出端与内外翻运动输出端盖110连接。由于现有的球铰无法满足踝关节内翻/外翻运动角度要求，将图1所示球形铰链c分解为三个相互垂直的单自由度旋转铰链(径向铰链111、水平铰链112和垂直铰链113)。内外翻运动输出端盖110通过内外翻运动径向铰链111、内外翻运动水平铰链112、内外翻运动垂直铰链113与内外翻运动传动杆114的一端连接，内外翻运动传动杆114的另一端与踝关节固定支座16铰接。

作为本发明的一个优选实施例，上述内外翻运动传动杆114的另一端与踝关节固定支座16通过内外翻运动虎克铰链115连接。

作为本发明的一个优选实施例，上述足托组件2包括绑带环扣21、l形环扣固定座22、足托底板23；l形环扣固定座22的数量为四个，l形环扣固定座22固定在足托底板23上，绑带环扣21固定在l形环扣固定座22上，足部绑缚4设置在绑带环扣21上。

本发明外骨骼机器人踝关节的工作原理：

在确定外骨骼机器人踝关节机构构型时，如图1所示。首先，为了实现外骨骼机器人踝关节的背屈/跖屈运动，即屈伸运动，同时为了提高整体重心位置和减小足端惯量，将屈伸运动的主动件(a0)设置在膝关节轴线位置，采用单自由度平面四杆机构(a0abb0)进行运动传递，形成屈伸运动支链；其次，为了实现踝关节内翻/外翻运动，即与背屈/跖屈运动轴线垂直的内外翻运动，将屈伸运动支链a0abb0的两个单轴转动铰链b0和b演化为虎克铰链，从而得到与屈伸运动轴线垂直的内外翻转动轴，b0和b形成运动平面π；再次，为了驱动踝关节内翻/外翻运动，增加一个六自由度的空间运动支链(虎克铰c0球铰c转动铰d)，并且c0位于运动平面π上，d位于a0b0上，从而形成内外翻运动支链b0c0cd，同时内外翻运动的主动件(d)设置在屈伸运动的主动件(a0)下方，以提高整体重心和减小足端惯量；最后，为了实现运动解耦，两个运动支链所在平面相互垂直，并且满足三个虎克铰链b、b0和c0位于同一运动平面π，同时为了便于运动控制，机构尺寸方面满足对边相等的要求(a0b0＝ab、a0a＝bb0、c0c＝b0d、b0c0＝cd)，形成两个类平行四边形机构，使其传动比等于1，从而使两个运动链均等价于直接驱动。

图4是外骨骼机器人踝关节屈伸运动支链结构剖视图，主要由小腿杆11、屈伸运动输出端盖12、屈伸运动传动杆14、踝关节固定支座16四个构件组成，构件之间通过屈伸驱动单元18(a0)、屈伸运动单轴铰链13(a)、屈伸运动虎克铰链15(b)和小腿杆支撑虎克铰链116(b0)进行连接，与人体膝关节轴线重合的屈伸驱动单元18安装在屈伸驱动固定座17上，当屈伸运动输出端盖12在屈伸驱动单元18作用下顺时针旋转时，通过屈伸运动传动杆14将屈伸运动传递给踝关节固定座16，产生踝关节背屈运动，如图6所示；反之，当屈伸运动输出端盖12逆时针旋转时，产生踝关节跖屈运动，如图7所示。

图5是外骨骼机器人踝关节内外翻运动支链结构剖视图，主要由小腿杆11、内外翻运动输出端盖110、内外翻运动传动杆114、踝关节固定支座16四个构件组成，构件之间通过内外翻驱动单元19(d)、内外翻运动径向铰链111、内外翻运动水平铰链112、内外翻运动垂直铰链113(内外翻运动径向铰链111、内外翻运动水平铰链112、内外翻运动垂直铰链113三者组合为球铰c)、内外翻运动虎克铰链115(c0)和小腿杆支撑虎克铰链116(b0)进行连接，与屈伸驱动单元18垂直的内外翻驱动单元19安装在小腿杆11上，当内外翻运动输出端盖110在内外翻驱动单元19作用下顺时针旋转时，通过内外翻运动传动杆114将内外翻运动传递给踝关节固定座16，产生踝关节内翻运动，如图8所示；反之，当内外翻运动输出端盖110逆时针旋转时，产生踝关节外翻运动，如图9所示。

若外骨骼机器人踝关节的屈伸运动支链和内外翻运动支链同时运动时，可产生踝关节背屈/跖屈、内翻/外翻的复合运动，如图10所示。

以上所述仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本发明的保护范围内。