[发明专利]一种具有三柔性驱动分支的外骨骼机器人踝关节

说明书

本发明属于机器人技术领域，涉及一种具有三柔性驱动分支的外骨骼机器人踝关节，包括小腿固定块、约束分支、脚底板、第一驱动分支、第二驱动分支和第三驱动分支；脚底板通过约束分支与小腿固定块连接，第一驱动分支、第二驱动分支和第三驱动分支的一端设置在小腿固定块上，另一端与脚底板铰接；通过第一驱动分支和第二驱动分支联动带动脚底板实现内翻/外翻转动；通过第一驱动分支、第二驱动分支和第三驱动分支联动带动脚底板实现背屈/跖屈转动、内旋/外旋转动。本发明具有三个转动自由度，且每个自由度均为主动自由度，可以仿生复现人体下肢踝关节的背屈/跖屈转动、内翻/外翻转动、内旋/外旋转动。

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及一种具有三柔性驱动分支的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，能够围绕三个转动轴作背屈/跖屈、内翻/外翻以及微小的内旋/外旋运动，其中背屈/跖屈、内翻/外翻两个转动是保障人体进行平衡、行走、坐立等日常运动的基本前提。

自平衡外骨骼面向四肢瘫患者，需要完全仿生重建人体下肢运动能力，因而其各个关节需要在自由度数、转动中心位置、刚度等方面均需满足人体运动要求，并且每个关节均需要主动可控。

传统外骨骼踝关节存在自由度少、驱动数量不足、末端惯量较大等缺陷。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出一种具有三柔性驱动分支的外骨骼机器人踝关节，其拥有背屈/跖屈、内翻/外翻、内旋/外旋这3个主动自由度，背屈/跖屈、内翻/外翻两个关节的转动中心与人体踝关节中心高度重合，是主要的驱动关节，而内旋/外旋主要用于辅助机器人调转方向用。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种具有三柔性驱动分支的外骨骼机器人踝关节，其特殊之处在于，

包括小腿固定块、约束分支、脚底板、第一驱动分支、第二驱动分支和第三驱动分支；

脚底板通过约束分支与小腿固定块连接，第一驱动分支、第二驱动分支和第三驱动分支的一端设置在小腿固定块上，另一端与脚底板铰接；

通过第一驱动分支和第二驱动分支联动带动脚底板实现内翻/外翻转动；

通过第一驱动分支、第二驱动分支和第三驱动分支联动带动脚底板实现背屈/跖屈转动、内旋/外旋转动。

进一步地，上述第一驱动分支、第二驱动分支的一端分别设置在小腿固定块上的两侧，另一端与脚底板中部铰接；

第三驱动分支的一端设置在小腿固定块上的后侧，另一端与脚底板后部铰接。进一步地，上述约束分支包括左支撑架、右支撑架和一个交叉轴；

交叉轴的左半轴与左支撑架、第一轴承形成左转动副，交叉轴的右半轴与右支撑架、第二轴承形成右转动副，左、右转动副的轴线重合于背屈/跖屈的转轴轴线。交叉轴的后半轴与第三轴承中转支架形成后转动副，后转动副的轴线重合于内翻/外翻的转轴轴线。中转支架的上半轴与轴承、上支撑架形成上转动副，上转动副的轴线重合于内旋/外旋的转轴轴线。

进一步地，上述左支撑架与右支撑架结构相同。左支撑架、右支撑架的底边与脚底板固定。

进一步地，上述左支撑架或右支撑架上设有第一编码器，第一编码器用于检测背屈/跖屈的旋转角度。

进一步地，上述中转支架上设有第二编码器，第二编码器用于检测内翻/外翻的旋转角度；所述上支撑架上设有第三编码器，第三编码器用于检测内翻/外翻的旋转角度。

进一步地，上述第一驱动分支、第二驱动分支、第三驱动分支结构相同。