一种二自由度限位外骨骼踝关节及其应用
【专利摘要】本发明公开了一种二自由度限位外骨骼踝关节及其应用。小腿杆下端与踝关节上部件上端固定连接，踝关节上部件通过转接球与踝关节下部件形成近似球铰接，踝关节下部件下端固定连接到足底，转接球的两侧均开有小于360度且大于180度的圆弧形槽，两侧圆弧形槽的开槽方向相互垂直正交，踝关节上部件的下端和踝关节下部件的上端均为带有固定圆弧环结构的钳体，钳体开合嵌入到圆弧形槽中。本发明仅通过极为简便的结构及配合实现了踝关节在同一中心的跖屈、背屈、内翻和外翻运动，并对每一个自由度进行了不同角度的限位。
【专利说明】
一种二自由度限位外骨骼踝关节及其应用
技术领域
[0001]本发明涉及了一种踝关节结构，特别是涉及了一种二自由度限位外骨骼踝关节及其应用。
【背景技术】
[0002]外骨骼机器人是一种可穿戴的助力机械，能够增加穿戴者的负重能力和耐力，并可以适应各种复杂的地形，在灾难救援、战场、医疗康复等场合有着重要的应用。踝关节是外骨骼机器人的关键部件，目前存在的外骨骼踝关节通常利用多个旋转轴的结构实现踝关节的多自由度，但这种结构各自由度的旋转中心位置不同，不能较好的模拟人体踝关节。变异的中心球面副结构也常用在外骨骼踝关节中，但是为了实现关节角度的限位，这种结构通常十分复杂，通过多个零件的配合使用才能实现功能，不易推广。
【发明内容】
[0003]为了解决【背景技术】存在的问题，本发明提出了一种二自由度限位外骨骼踝关节及其应用。
[0004]本发明采用的技术方案是:
[0005]—、一种二自由度限位外骨骼踝关节
[0006]本发明包括小腿杆，小腿杆下端与踝关节上部件上端固定连接，踝关节上部件下端与转接球形成铰接配合连接，转接球与踝关节下部件上端形成铰接配合连接，踝关节上部件和转接球之间与转接球和踝关节下部件之间的铰接方向垂直，使得踝关节上部件通过转接球与踝关节下部件形成近似球铰接，踝关节下部件下端固定连接到足底。
[0007]所述的转接球的两侧均开有小于360度且大于180度的圆弧形槽，两侧圆弧形槽的开槽方向相互垂直正交，踝关节上部件的下端和踝关节下部件的上端均为带有固定圆弧环结构的钳体，钳体开合嵌入到圆弧形槽中。
[0008]所述的钳体的圆弧环所对应的圆心角小于圆弧形槽所对应的圆心角，使得钳体沿圆弧形槽围绕转接球的球心转动。
[0009]所述转接球的圆弧形槽与钳体之间设有弹簧或其他柔性材料。
[0010]所述的弹簧设置在转接球圆弧形槽的两端内端面和钳体的两端端面之间，使得其形成具有弹性结构的外骨骼踝关节。
[0011]所述的柔性材料贴在转接球圆弧形槽和钳体之间连接的接触面上。
[0012]所述的小腿杆下端与踝关节上部件上端通过焊接、法兰或者螺纹等方式连接。
[0013]所述的踝关节下部件下端与足底通过焊接、法兰或者螺纹等方式连接。
[0014]二、一种二自由度限位外骨骼踝关节的应用:
[0015]所述踝关节应用于假肢及其他二自由度限位部件。
[0016]本发明具有的有益效果是:
[0017]本发明仅通过极为简便的结构及配合实现了踝关节在同一中心的跎屈、背屈、内翻和外翻运动，并对每一个自由度进行了不同角度的限位，有效实现了外骨骼踝关节的功會K。
【附图说明】
[0018]图1是本发明的结构示意图。
[0019]图2是踝关节上部件示意图。
[°02°]图3是转接球示意图。
[0021]图4是转接球剖视图。
[0022]图5是转接球的圆弧形槽与钳体之间弹簧的安装图。
[0023]图中:1、小腿杆，2、踝关节上部件，3、转接球，4、踝关节下部件，5、足底，6、弹簧。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[0025]如图1所示，本发明的二自由度限位外骨骼踝关节，包括小腿杆1、踝关节上部件2、转接球3、踝关节下部件4和足底5，小腿杆I下端与踝关节上部件2上端焊接，踝关节上部件2下端与转接球3形成铰接配合连接，转接球3与踝关节下部件4上端形成铰接配合连接，踝关节上部件2和转接球3之间与转接球3和踝关节下部件4之间的铰接方向垂直，使得踝关节上部件2通过转接球3与踝关节下部件4形成近似球铰接，踝关节下部件4下端焊接到足底5。
[0026]如图3和图4所示，转接球3的两侧均开有小于360度且大于180度的圆弧形槽，两侧圆弧形槽的开槽方向相互垂直正交，近似网球结构;踝关节上部件2的下端和踝关节下部件5的上端均为带有固定圆弧环结构的钳体，钳体开合嵌入到圆弧形槽中，钳体结构的内表面与圆弧形槽的内表面接触均为球面。
[0027]如图2所示，钳体的圆弧环所对应的圆心角小于圆弧形槽所对应的圆心角，使得钳体沿圆弧形槽围绕转接球3的球心转动。
[0028]转接球3的圆弧形槽与钳体之间设有弹簧6或其他柔性材料，使踝关节具有柔性，能够储存或释放能量。
[0029]如图5所示，具体实施中，转接球3圆弧形槽的两端各设有一个弹簧6，弹簧的两端连接在转接球3圆弧形槽的内端面和钳体的外端面之间，形成铰接两端的弹性支撑，本发明装置共计装有四个弹簧，使得其形成具有弹性结构的外骨骼踝关节。
[0030]本发明的具体实施工作过程如下:
[0031]如图2-4所示，在站立姿态，踝关节上部件2、转接球3及踝关节下部件4之间没有相对运动，外骨骼踝关节主要起支持外骨骼机器人的作用。当踝关节内翻或外翻，踝关节上部件2钳体沿圆弧形槽围绕转接球3的球心转动，弹簧6发生形变储存能量，由于角A与角D相等，角B与角C相等，因此在踝关节上部件2与接球3的相对转动达到角A，即达到外翻极限或角B即达到内翻极限的时候，踝关节上部件2钳体的端面与转接球3弧形槽的端面重合，相对运动角度达到最大，完成限位。同理，当踝关节跖屈或背屈，同样的相对运动及限位发生在转接球3与踝关节下部件4之间。由于所述的各角度大小可以由设计者控制，因此本外骨骼踝关节的限位角度可以根据不同的具体工作条件而改变。
[0032]以上上述【具体实施方式】用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种二自由度限位外骨骼踝关节，包括小腿杆(I)，其特征在于:所述的小腿杆(I)下端与踝关节上部件(2)上端固定连接，踝关节上部件(2)下端与转接球(3)形成铰接配合连接，转接球(3)与踝关节下部件(4)上端形成铰接配合连接，踝关节上部件(2)和转接球(3)之间与转接球(3)和踝关节下部件(4)之间的铰接方向垂直，使得踝关节上部件(2)通过转接球(3)与踝关节下部件(4)形成近似球铰接，踝关节下部件(4)下端固定连接到足底(5)。2.根据权利要求1所述的一种二自由度限位外骨骼踝关节，其特征在于:所述的转接球(3)的两侧均开有小于360度且大于180度的圆弧形槽，两侧圆弧形槽的开槽方向相互垂直正交，踝关节上部件(2)的下端和踝关节下部件(5)的上端均为带有固定圆弧环结构的钳体，钳体开合嵌入到圆弧形槽中。3.根据权利要求2所述的一种二自由度限位外骨骼踝关节，其特征在于:所述的钳体的圆弧环所对应的圆心角小于圆弧形槽所对应的圆心角，使得钳体沿圆弧形槽围绕转接球(3)的球心转动。4.根据权利要求2所述的一种二自由度限位外骨骼踝关节，其特征在于:所述转接球(3)的圆弧形槽与钳体之间设有弹簧(6)或其他柔性材料。5.根据权利要求4所述的一种二自由度限位外骨骼踝关节，其特征在于: 所述的弹簧设置在转接球(3)圆弧形槽的两端内端面和钳体的两端端面之间，使得其形成具有弹性结构的外骨骼踝关节。6.根据权利要求1所述的一种二自由度限位外骨骼踝关节，其特征在于:所述的小腿杆(I)下端与踝关节上部件(2)上端通过焊接、法兰或者螺纹等方式连接。7.根据权利要求1所述的一种二自由度限位外骨骼踝关节，其特征在于:所述的踝关节下部件(4)下端与足底(5)通过焊接、法兰或者螺纹等方式连接。8.根据权利要求1?7任一所述的一种二自由度限位外骨骼踝关节的应用，其特征在于:所述踝关节应用于假肢及其他二自由度限位部件。
【文档编号】B25J17/02GK106003137SQ201610260959
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年4月22日
【发明人】欧阳小平, 丁硕, 范伯骞, 杨华勇
【申请人】浙江大学