一种无动力踝关节锁定支承外骨骼及外骨骼机器人的制作方法

1.本实用新型涉及助行外骨骼机器人技术领域，尤其涉及一种无动力踝关节锁定支承外骨骼及外骨骼机器人。


背景技术：

2.目前现有的可穿戴式助力外骨骼机器人绝大部分有动力驱动来实现助力，需要具有减速电机组、供电电池等，这两大部分的重量约占机器人总体重量的三分之一，另外，减速电机组、驱动器、传感器、控制系统、电池等集成成本约占整机成本的70％～80％。更为重要的是，现有的有动力驱动的助力外骨骼机器人普遍存在人机耦合度差，不能有效感知人体的运动意图。另外，从事物流搬运、建筑搬运、汽车装配、飞机装配等产业的作业人员，由于各个工种不同，有的工种需要长期处于全蹲或半蹲姿势作业。特别是半蹲姿势，人体感受很疲劳，对膝关节膝盖压力很大。
3.申请专利“cn201710820057.x
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一种无动力人体外骨骼助行器”提供了一种将人体重量支承起来的支架，但是只在人体站立时提供支撑作用，对蹲姿和弯腰作业人员无法提供支撑作用。申请专利“cn201710796962.6
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一种无动力可穿载的助力机器人”提供了一种利用弹力支承杆来助力的可穿戴设备，由于没有涉及到限位功能，所以仅仅针对人群行走动态过程提供弹力助行，对长期处于屈膝、蹲姿固定姿势或接近固定姿势作业的人群无效，不能提供支承作用。现有技术主要针对人体行走过程如何省力、如何助行而设计支承外骨骼，对从事物流搬运、建筑搬运、汽车装配、飞机装配等产业的作业人员无效，由于这些作业人员需要长期处于蹲姿或半蹲姿等屈膝姿势作业，需要一种具有固定位置支承的装置来支承人体重量，消除作业姿势对踝关节所造成的压力，减轻踝关节劳损。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种无动力踝关节锁定支承外骨骼及外骨骼机器人，为长期从事蹲姿作业的产业人员提供一种踝关节助力和防护装置，减轻产业人员长期从事蹲姿作业所带来的踝关节劳损，无需使用动力，设备轻便。
5.为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：
6.一方面，提供一种无动力踝关节锁定支承外骨骼，包括：
7.护脚组件，所述护脚组件被配置为绑缚于穿戴者的脚掌；
8.踝关节支撑板，所述踝关节支撑板固定连接于所述护脚组件；
9.踝关节支撑垫，所述踝关节支撑垫可拆卸连接于所述踝关节支撑板，所述踝关节支撑垫能够支撑于地面；
10.十字销轴，所述十字销轴滑动连接于所述踝关节支撑板，所述十字销轴包括相互垂直的前后摆动轴和左右摆动轴，所述左右摆动轴转动穿设于所述前后摆动轴，所述前后摆动轴转动连接于所述踝关节支撑板；以及
11.锁定块，所述锁定块通过所述十字销轴铰接于所述踝关节支撑板，所述锁定块能
够沿所述踝关节支撑板上下滑动，所述锁定块包括：
12.第一折弯架，所述第一折弯架转动连接于所述左右摆动轴；
13.第二折弯架，所述第二折弯架连接于所述第一折弯架，所述第二折弯架包括相互平行的第一锁定壁和第二锁定壁，所述第一锁定壁和所述第二锁定壁能够分别卡接所述踝关节支撑板的两侧，所述第一锁定壁的长度大于所述第二锁定壁的长度。
14.作为本实用新型的一种优选结构，所述锁定块还包括连接板，所述连接板的两端分别固定连接所述第一折弯架和所述第二折弯架，所述第一折弯架和所述第二折弯架折弯于所述连接板的同一侧。
15.作为本实用新型的一种优选结构，所述第一折弯架包括卷耳和容纳槽，所述卷耳套设于所述左右摆动轴上，所述前后摆动轴穿设在所述容纳槽内。
16.作为本实用新型的一种优选结构，所述护脚组件包括：
17.脚底连接板，所述脚底连接板被配置为支撑所述穿戴者的脚掌，所述踝关节支撑板固定连接于所述脚底连接板；
18.鞋履绑缚带，所述鞋履绑缚带可拆卸连接于所述脚底连接板，所述鞋履绑缚带被配置为抵接所述穿戴者的脚背。
19.作为本实用新型的一种优选结构，所述踝关节支撑板包括：
20.固定板，所述固定板固定连接于所述脚底连接板，所述固定板设有连接孔，所述前后摆动轴滑动连接于所述连接孔；
21.支撑板，所述支撑板固定连接于所述固定板，所述支撑板可拆卸连接于所述踝关节支撑垫上。
22.作为本实用新型的一种优选结构，所述连接孔为长圆孔。
23.作为本实用新型的一种优选结构，所述脚底连接板上设置有两个绑缚孔，所述绑缚孔倾斜设置，所述鞋履绑缚带的两端分别可拆卸连接于所述绑缚孔。
24.作为本实用新型的一种优选结构，所述踝关节支撑垫的材料包括橡胶。
25.作为本实用新型的一种优选结构，所述鞋履绑缚带的材料包括皮革。
26.另一方面，提供一种外骨骼机器人，包括上述的无动力踝关节锁定支承外骨骼，还包括膝关节支撑外骨骼，所述膝关节支撑外骨骼包括小腿支撑板，所述小腿支撑板固定连接于锁定块。
27.本实用新型的有益效果：本实用新型所提供的无动力踝关节锁定支承外骨骼及外骨骼机器人，左右摆动轴的转动保证人体踝关节在额状面的自由度，前后摆动轴的转动保证在矢状面的自由度，十字销轴的上下移动提供锁止功能，因此可通过十字销轴支持锁定块的前后摆动、左右摆动和上下运动，使得穿戴者在抬腿行走时，其脚掌可以随意带动无动力踝关节锁定支承外骨骼自由活动而不被约束。当穿戴者处于蹲姿状态时，十字销轴的前后摆动轴、左右摆动轴和锁定块同时沿踝关节支撑板向下滑动，第一锁定壁和第二锁定壁锁止踝关节支撑板，阻止锁定块的左右摆动，能在踝关节处自动锁定，对穿戴者蹲姿状态下提供稳定支承，针对从事物流搬运、建筑搬运、汽车装配、飞机装配等需要长期处于屈膝、蹲姿或半蹲姿等姿势的作业人员提供固定位置来支承人体重量，消除作业姿势对踝关节所造成的压力；结构简单，不使用电力驱动，轻便环保。第一锁定壁的长度大于第二锁定壁的长度可避开对踝关节支撑板的干涉，锁定块能够顺利卡入踝关节支撑板，锁定支撑更为稳固。
附图说明
28.图1是本实用新型实施例提供的无动力踝关节锁定支承外骨骼的结构示意图；
29.图2是本实用新型实施例提供的无动力踝关节锁定支承外骨骼的结构分解示意图；
30.图3是本实用新型实施例提供的锁定块的结构示意图；
31.图4是本实用新型实施例提供的锁定块的侧视图；
32.图5是本实用新型实施例提供的穿戴者穿戴外骨骼机器人站立时的结构示意图一；
33.图6是本实用新型实施例提供的穿戴者穿戴外骨骼机器人站立时的结构示意图二；
34.图7是本实用新型实施例提供的穿戴者穿戴外骨骼机器人全蹲时的结构示意图；
35.图8是本实用新型实施例提供的穿戴者穿戴外骨骼机器人半蹲时的结构示意图。
36.图中：
37.1、护脚组件；11、脚底连接板；111、绑缚孔；12、鞋履绑缚带；
38.2、踝关节支撑板；21、固定板；211、连接孔；22、支撑板；
39.3、踝关节支撑垫；
40.4、十字销轴；41、前后摆动轴；42、左右摆动轴；
41.5、锁定块；51、第一折弯架；511、卷耳；512、容纳槽；52、第二折弯架；521、第一锁定壁；522、第二锁定壁；53、连接板；
42.100、小腿支撑板。
具体实施方式
43.下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步地详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。
44.在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
45.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
46.在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限
制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
47.如图1
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图8所示，本实用新型实施例提供一种无动力踝关节锁定支承外骨骼，包括护脚组件1、踝关节支撑板2、踝关节支撑垫3、十字销轴4和锁定块5。护脚组件1被配置为绑缚于穿戴者的脚掌。踝关节支撑板2固定连接于护脚组件1。踝关节支撑垫3可拆卸连接于踝关节支撑板2，踝关节支撑垫3能够支撑于地面。十字销轴4滑动连接于踝关节支撑板2，十字销轴4包括相互垂直的前后摆动轴41和左右摆动轴42，左右摆动轴42转动穿设于前后摆动轴41，前后摆动轴41转动连接于所述踝关节支撑板2。锁定块5通过十字销轴4铰接于踝关节支撑板2，锁定块5能够沿踝关节支撑板2上下滑动，锁定块5包括第一折弯架51、第二折弯架52。第一折弯架51转动连接于左右摆动轴42；第二折弯架52连接于第一折弯架51，第二折弯架52包括相互平行的第一锁定壁521和第二锁定壁522，第一锁定壁521和第二锁定壁522能够分别卡接踝关节支撑板2的两侧，第一锁定壁521的长度大于第二锁定壁522的长度。
48.需要说明是的，根据人体生物工程学研究，人体可以划分为额状面、矢状面、水平面，为便于论述，本实用新型实施例的上下运动指的是相对于人体身高方向的自由度，左右摆动指的是人体踝关节在额状面的自由度，前后摆动指的是人体踝关节在矢状面的自由度。
49.十字销轴4滑动连接于踝关节支撑板2上，左右摆动轴42的转动保证人体踝关节在额状面的自由度，前后摆动轴41的转动保证人体踝关节在矢状面的自由度，十字销轴4的上下移动用于提供锁止功能，也即，可使锁定块5与踝关节支撑板2之间锁止或者脱离；通过十字销轴4可支持锁定块5前后摆动、左右摆动和上下运动，使得穿戴者在抬腿行走时，其脚掌可以随意带动无动力踝关节锁定支承外骨骼自由活动而不被约束。如图5、图6所示，穿戴者在站立姿势时，锁定块5脱离踝关节支撑板2；如图7、图8所示，当穿戴者处于蹲姿状态时，十字销轴4的前后摆动轴41、左右摆动轴42和锁定块5三者同时沿踝关节支撑板2往下滑动，第一锁定壁521和第二锁定壁522卡接踝关节支撑板2的两侧，锁定块5锁止踝关节支撑板2，阻止锁定块5的左右摆动，但此时仍可以前后摆动。优选地，第一锁定壁521和第二锁定壁522的水平错位距离等于踝关节支撑板2的厚度。第一锁定壁521的长度大于第二锁定壁522的长度，可对踝关节支撑板2进行避让，避开对踝关节支撑板2的干涉，锁定块5能够顺利卡入踝关节支撑板，锁定支撑更为稳固。优选地，锁定块5采用钣金冲压进行加工，也可以采用压力铸造、去材料切削等方式进行加工，本实施例在此不做限制。
50.本实施例的无动力踝关节锁定支承外骨骼，穿戴者蹲姿状态下能在踝关节处自动锁定，对穿戴者蹲姿状态下提供稳定支承，针对从事物流搬运、建筑搬运、汽车装配、飞机装配等需要长期处于屈膝、蹲姿、或半蹲姿等姿势的作业人员提供固定位置来支承人体重量，消除作业姿势对踝关节所造成的压力，消除踝关节劳损；结构简单，不使用电力驱动，轻便环保。
51.进一步地，锁定块5还包括连接板53，连接板53的两端分别固定连接第一折弯架51和第二折弯架52，第一折弯架51和第二折弯架52折弯于连接板53的同一侧，便于加工，结构紧凑。
52.进一步地，第一折弯架51包括卷耳511和容纳槽512，卷耳511套设于左右摆动轴42上，前后摆动轴41穿过容纳槽512。卷耳511便于连接左右摆动轴42，容纳槽512可供前后摆动轴41穿过，结构紧凑，使得锁定块5的转动更为灵活。
53.进一步地，护脚组件1包括脚底连接板11和鞋履绑缚带12。脚底连接板11被配置为支撑穿戴者的脚掌，踝关节支撑板2固定连接于脚底连接板11；鞋履绑缚带12可拆卸连接于脚底连接板11，鞋履绑缚带12被配置为抵接穿戴者的脚背，通过鞋履绑缚带12绑缚于穿戴者的前脚掌。优选地，踝关节支撑板2和脚底连接板11可以采用焊接或者螺丝连接，本实施例在此不做限制。优选地，脚底连接板11采用弹簧钢板制作，结构强度高，成本低廉，经济性好。
54.进一步地，踝关节支撑板2包括固定板21和支撑板22。固定板21固定连接于脚底连接板11，固定板21设有连接孔211，前后摆动轴41滑动连接于连接孔211。支撑板22固定连接于连接板53，支撑板22可拆卸连接于踝关节支撑垫3上，踝关节支撑垫3可通过胶粘或螺钉连接等方式与支撑板22固定连接，本实施例在此不做限制。优选地，连接孔211为长圆孔，使得十字销轴4既可以转动，也可以上下移动，活动更为灵活。
55.进一步地，脚底连接板11上设置有两个绑缚孔111，绑缚孔111倾斜设置，鞋履绑缚带12的两端分别可拆卸连接于绑缚孔111。倾斜设置的绑缚孔111可使鞋履绑缚带12穿戴于穿戴者的脚掌中前部位置，对脚掌的固定更为可靠，不会勒伤脚背。
56.进一步地，踝关节支撑垫3的材料包括橡胶。在本实施例中，踝关节支承垫3的材料为软性橡胶材料，可使穿戴者行走时不产生噪音，不损伤地面。
57.进一步地，鞋履绑缚带12的材料包括皮革。皮革材料具有天然的柔性，例如牛皮面料或者人造革面料，也可以为其它柔性织物面料，本实施例在此不再一一列举。
58.本实施例还提供一种外骨骼机器人，包括上述的无动力踝关节锁定支承外骨骼，除此之外，还包括膝关节支撑外骨骼，膝关节支撑外骨骼包括小腿支撑板100，小腿支撑板100固定连接于锁定块5。小腿支撑板100与锁定块5的连接方式可以为焊接或者螺钉连接，可基于加工成本进行选择，本实施例在此不做限制。穿戴者穿戴上外骨骼机器人，当处于蹲姿状态时，膝关节和踝关节能得到支撑和防护，其中，无动力踝关节锁定支承外骨骼对踝关节提供助力，膝关节支撑外骨骼对膝关节提供助力，以减轻或消除长期从事蹲姿作业所带来的踝关节和膝关节的压力劳损。
59.显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为了清楚说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。