CN120022112B - 一种踝关节及其控制方法、假腿及机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种踝关节及其控制方法、假腿及机器人，踝关节包括：脚连接结构；腿连接结构，与所述脚连接结构转动连接；驱动机构，设置于所述腿连接结构，并与所述脚连接结构连接；归位机构，与所述驱动机构连接；所述驱动机构被配置为驱动所述脚连接结构相对于所述腿连接结构沿脚的前后方向转动；所述归位机构被配置为将所述脚连接结构回归初始位置。在行走过程中，真实的脚前后转动呈现不同姿态。本申请通过驱动机构驱动脚连接结构前后转动，并结合归位机构的回归作用，使得脚呈现不同姿态，本申请踝关节与真实的脚的踝关节更加接近，提高了踝关节和脚的仿生效果。

Description

一种踝关节及其控制方法、假腿及机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及的是一种踝关节及其控制方法、假腿及机器人。

背景技术

在假肢或机器人领域，关节是各种姿态展示的重要部件，在人的行走的每一个步态周期过程中，踝关节的运动都起到了不可或缺的作用，以及在人行走，跑步等生活的多种姿态下都扮演着很重要的角色。

现有技术中主要聚焦于膝关节而忽略了踝关节，小腿和脚板通常采用刚性连接，使得踝关节的仿生效果较差。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种踝关节及其控制方法、假腿及机器人，旨在解决现有技术中踝关节的仿生效果较差的问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种踝关节，其中，包括：

脚连接结构；

腿连接结构，与所述脚连接结构转动连接；

驱动机构，设置于所述腿连接结构，并与所述脚连接结构连接；

归位机构，与所述驱动机构连接；

其中，所述驱动机构被配置为驱动所述脚连接结构相对于所述腿连接结构沿脚的前后方向转动；

所述归位机构被配置为将所述脚连接结构回归初始位置。

所述的踝关节，其中，所述踝关节还包括：

运动传感器，设置于所述腿连接结构；

其中，所述运动传感器被配置为检测所述腿连接结构的运动状态。

所述的踝关节，其中，所述驱动机构包括：

第一驱动件，设置于所述腿连接结构；

第一连杆，与所述第一驱动件的输出轴连接；

第二连杆，与所述第一连杆转动连接；

第三连杆，与所述第二连杆转动连接；

其中，所述第三连杆与所述脚连接结构连接，并相对于腿连接结构转动。

所述的踝关节，其中，所述归位机构包括：

第一弹性结构，分别与所述腿连接结构、所述第一连杆连接；

其中，所述第一弹性结构提供所述第一连杆回归的弹性力。

所述的踝关节，其中，所述脚连接结构包括：

第一连接结构，与所述腿连接结构转动连接；

第二连接结构，与所述第一连接结构转动连接；

第二弹性结构，分别连接所述第一连接结构、所述第二连接结构；

其中，所述第一连接结构相对于所述腿连接结构沿脚的前后方向转动；

所述第二连接结构相对于所述第一连接结构沿脚的左右方向转动。

所述的踝关节，其中，所述踝关节还包括：

阻尼机构，转动设置于所述腿连接结构，并与所述脚连接结构连接。

所述的踝关节，其中，所述阻尼机构包括：

第四连杆，与所述脚连接结构转动连接；

第五连杆，分别与所述第四连杆、所述腿连接结构转动连接；

阻尼结构，转动设置于所述腿连接结构，并与所述第五连杆转动连接；

调节结构，转动设置于所述腿连接结构，并与所述阻尼结构连接；

其中，所述调节结构被配置为调节所述阻尼结构的阻尼。

一种假腿，其中，其包括如上任意一项所述的踝关节。

一种机器人，其中，其包括如上任意一项所述的踝关节，或如上所述的假腿。

一种如上任意一项所述的踝关节的控制方法，其中，包括步骤：

基于运动传感器，确定腿连接结构的运动状态；所述运动状态包括：向前运动状态和稳定状态；

根据所述腿连接结构的向前运动状态，通过驱动机构控制脚连接结构向前转动，并在所述腿连接结构变为稳定状态后，通过所述驱动机构控制所述脚连接结构向后转动。

所述的踝关节的控制方法，其中，所述运动状态还包括：向后运动状态；所述控制方法还包括：

根据所述腿连接结构的向后运动状态，通过驱动机构控制脚连接结构向后转动，并在所述腿连接结构变为稳定状态后，通过所述驱动机构控制所述脚连接结构向前转动。

所述的踝关节的控制方法，其中，所述控制方法还包括：

根据所述腿连接结构的运动状态，通过调节结构控制阻尼结构的阻尼。

有益效果：在行走过程中，真实的脚前后转动呈现不同姿态。本申请通过驱动机构驱动脚连接结构前后转动，并结合归位机构的回归作用，使得脚呈现不同姿态，本申请踝关节与真实的脚的踝关节更加接近，提高了踝关节和脚的仿生效果。

附图说明

图1是本发明实施例中踝关节和脚板结构的第一结构示意图。

图2是本发明实施例中踝关节和脚板结构的第二结构示意图。

图3是图2中踝关节的放大图。

图4是本发明实施例中驱动机构和脚连接结构的第一结构示意图。

图5是本发明实施例中驱动机构和脚连接结构的第二结构示意图。

图6是本发明实施例中踝关节和脚板结构的侧视图。

图7是本发明实施例中踝关节的截面图。

图8是本发明实施例中踝关节和脚板结构的第三结构示意图。

图9是本发明实施例中踝关节的剖视图。

图10是本发明实施例中阻尼机构和脚连接结构的第一结构示意图。

图11是本发明实施例中阻尼机构和脚连接结构的第二结构示意图。

图12是本发明实施例中脚板结构的结构示意图。

图13是本发明实施例中脚板结构呈勾脚尖状态的示意图。

图14是本发明实施例中脚板结构呈踮脚尖状态的示意图。

附图标记说明：

10、脚连接结构；11、第一连接结构；12、第二连接结构；13、第二弹性结构；20、腿连接结构；30、驱动机构；31、第一驱动件；32、第一连杆；33、第二连杆；34、第三连杆；40、归位机构；51、运动传感器；52、控制器；60、阻尼机构；61、第四连杆；62、第五连杆；63、阻尼结构；64、调节结构；641、第二驱动件；642、主动齿轮；643、从动齿轮；70、脚板结构；71、背部；72、掌部；73、跟部。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请同时参阅图1-图14，本发明提供了一种踝关节的一些实施例。

如图1-图2所示，本发明的踝关节，包括：

脚连接结构10；

腿连接结构20，与所述脚连接结构10转动连接；

驱动机构30，设置于所述腿连接结构20，并与所述脚连接结构10连接；

归位机构40，与所述驱动机构30连接；

其中，所述驱动机构30被配置为驱动所述脚连接结构10相对于所述腿连接结构20沿脚的前后方向转动；

所述归位机构40被配置为将所述脚连接结构10回归初始位置。

具体地，脚连接结构10用于连接脚板结构70，腿连接结构20用于连接腿结构，脚连接结构10和腿连接结构20相互转动，从而改变整体结构的姿态。驱动机构30用于驱动脚连接结构10相对于腿连接结构20转动，具体转动方向为脚的前后方向。归位机构40用于将脚连接结构10相对于腿连接结构20转动而回归至初始位置，初始位置为脚连接结构10的中心轴线和腿链接结构的中心轴线重合的位置，则脚板结构70和腿结构大致呈垂直状态。

在脚板结构70呈自然状态下，脚连接结构10位于初始位置，脚连接结构10的中心轴线和腿链接结构的中心轴线重合。如图13所示，当驱动机构30驱动脚连接结构10朝脚的前方转动后，脚板结构70呈勾脚尖状态；如图14所示，当驱动结构驱动脚连接结构10朝脚的后方转动后，脚板结构70呈踮脚尖状态。脚板结构70不论是呈勾脚尖状态还是踮脚尖状态，驱动机构30停止驱动后，归位机构40会将脚连接结构10回归初始位置，使得脚连接结构10呈现自然状态。

在行走时，第一只真实的脚向前迈步时，第一只真实的脚呈勾脚尖状态，第一只真实的脚触地之后，第一只真实的脚逐渐回到自然状态，并在第二只真实的脚向前迈步时，第一只真实的脚由自然状态逐渐变成踮脚尖状态，并在第一只真实的脚离地后，第一只真实的脚逐渐回到自然状态。可见，在行走过程中，真实的脚前后转动呈现不同姿态。本申请通过驱动机构30驱动脚连接结构10前后转动，并结合归位机构40的回归作用，使得脚呈现不同姿态，本申请踝关节与真实的脚的踝关节更加接近，提高了踝关节和脚的仿生效果。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图1-图2所示，所述踝关节还包括：

运动传感器51，设置于所述腿连接结构20；

其中，所述运动传感器51被配置为检测所述腿连接结构20的运动状态。

具体地，腿连接结构20还配置有运动传感器51，运动传感器51检测腿连接结构20的运动状态，运动状态包括：向前运动状态、向后运动状态、稳定状态中的至少一种。腿连接结构20离地且向前迈步时，呈向前运动状态；腿连接结构20离地且向后迈步时，呈向后运动状态；腿连接结构20接触地面时，呈稳定状态。通过运动传感器51可以确定脚连接结构10的运动状态，从而根据运动状态控制驱动机构30，驱动脚连接结构10前后转动。

踝关节还包括：控制器52，分别与驱动机构30、运动传感器51电连接。通过控制器52获取运动传感器51感知的运动状态，以及控制驱动机构30。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图3-图6所示，所述驱动机构30包括：

第一驱动件31，设置于所述腿连接结构20；

第一连杆32，与所述第一驱动件31的输出轴连接；

第二连杆33，与所述第一连杆32转动连接；

第三连杆34，与所述第二连杆33转动连接；

其中，所述第三连杆34与所述脚连接结构10连接，并相对于腿连接结构20转动。

具体地，第一驱动件31驱动第一连杆32转动，并带动第二连杆33和第三连杆34转动，从而通过第三连杆34带动脚连接结构10相对于腿连接结构20转动。腿连接结构20上设置有两个环结构，环结构套设在第三连杆34外。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图3-图5所示，所述归位机构40包括：

第一弹性结构，分别与所述腿连接结构20、所述第一连杆32连接；

其中，所述第一弹性结构提供所述第一连杆32回归的弹性力。

具体地，归位机构40采用第一弹性结构，第一弹性结构分别与腿连接结构20、第一连杆32连接。在脚连接结构10相对于腿连接结构20位于初始位置时，第一弹性结构处于自然状态；若第一驱动件31驱动第一连杆32转动后，第一弹性结构发生形变，第一弹性结构提供的弹性力，使得第一连杆32回归自然状态。第一弹性结构可以采用扭簧，第一连杆32顺时针转动或逆时针转动时，扭簧均提供弹性力。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图1-图4所示，所述脚连接结构10包括：

第一连接结构11，与所述腿连接结构20转动连接；

第二连接结构12，与所述第一连接结构11转动连接；

第二弹性结构13，分别连接所述第一连接结构11、所述第二连接结构12；

其中，所述第一连接结构11相对于所述腿连接结构20沿脚的前后方向转动；所述第二连接结构12相对于所述第一连接结构11沿脚的左右方向转动。

具体地，脚连接结构10分为两部分，分别为第一连接结构11和第二连接结构12，第一连接结构11和第二连接结构12相互转动连接，第一连接结构11与腿连接结构20相互转动连接。在第一连接结构11和第二连接结构12之间配置第二弹性结构13，第二弹性结构13提供第一连接结构11相对于第二连接结构12回归的弹性力。第一连接结构11相对于第二连接结构12沿脚的左右方向转动，第一连接结构11相对于腿连接结构20沿脚的前后方向转动。通过第一弹性结构和第二弹性结构13提供的弹性力，脚板结构70相对于腿结构在一定角度范围内活动。

第一连接结构11和第二连接结构12相互转动连接处具有转动中心轴，第二弹性结构13有两组，两组第二弹性结构13分别位于转动中心轴的两侧，第一连接结构11相对于第二连接结构12朝左转动会迫使一组第二弹性结构13发生形变，第一连接结构11相对于第二连接结构12朝右转动会迫使另一组第二弹性结构13发生形变。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图7-图11所示，所述踝关节还包括：

阻尼机构60，转动设置于所述腿连接结构20，并与所述脚连接结构10连接。

具体地，第一弹性结构的弹性系数小于第二弹性结构13的弹性系数，脚板结构70不容易左右转动，而较容易前后转动。配置阻尼机构60对脚板结构70的前后转动提供阻力，阻碍脚连接结构10相对于腿连接结构20沿脚的前后方向转动。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图9-图11所示，所述阻尼机构60包括：

第四连杆61，与所述脚连接结构10转动连接；

第五连杆62，分别与所述第四连杆61、所述腿连接结构20转动连接；

阻尼结构63，转动设置于所述腿连接结构20，并与所述第五连杆62转动连接；

调节结构64，转动设置于所述腿连接结构20，并与所述阻尼结构63连接；

其中，所述调节结构64被配置为调节所述阻尼结构63的阻尼。

具体地，阻尼机构60为阻尼可调的机构，具体通过调节结构64调节阻尼结构63的阻尼。脚连接结构10和腿连接结构20相互转动时，脚连接结构10带动第四连杆61和第五连杆62转动，从而带动阻尼结构63伸缩，并提供阻碍脚连接结构10和腿连接结构20相互转动的阻力。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图9-图10所示，调节结构64包括：

第二驱动件641，转动设置于所述腿连接结构20；

主动齿轮642，设置于第二驱动件641的输出轴；

从动齿轮643，设置于阻尼结构63，并与主动齿轮642啮合。

具体地，通过第二驱动件641驱动主动齿轮642转动，并带动从动齿轮643转动，从而转动阻尼结构63的旋钮，以调节阻尼结构63的阻尼。

基于上述任意一实施例所述的踝关节，本发明还提供了一种踝关节的控制方法的较佳实施例。

本发明实施例的踝关节的控制方法，包括以下步骤：

步骤S100、基于运动传感器，确定腿连接结构的运动状态；所述运动状态包括：向前运动状态、向后运动状态、稳定状态中的至少一种；

步骤S200、根据所述腿连接结构的向前运动状态，通过驱动机构控制脚连接结构向前转动，并在所述腿连接结构变为稳定状态后，通过所述驱动机构控制所述脚连接结构向后转动。

具体地，运动状态按照加速度大小可以分为较大加速度的向前运动状态和较大加速度的向后运动状态，较小加速度的稳定状态。较大加速度的向前运动状态还可以较大加速度的步行状态和更大加速度的跑步状态。

脚可以是向前行走，踝关节需要在脚板结构离地后向前转动脚连接结构，使得脚板结构呈勾脚尖状态，便于之后的脚后跟着地。在脚板结构触地后，缓慢向后转动脚连接结构，使得脚板结构呈踮脚尖状态，便于脚尖接触地面。

控制方法还包括：

步骤S300、根据所述腿连接结构的向后运动状态，通过驱动机构控制脚连接结构向后转动，并在所述腿连接结构变为稳定状态后，通过所述驱动机构控制所述脚连接结构向前转动。

具体地，脚还可以是向后行走，踝关节需要在脚板结构离地后向后转动脚连接结构，使得脚板结构呈踮脚尖状态，便于之后的脚尖着地。在脚板结构触地后，缓慢向前转动脚连接结构，使得脚板结构呈勾脚尖状态，便于脚尖离地。

控制方法还包括：

步骤S400、根据所述腿连接结构的运动状态，通过调节结构控制阻尼结构的阻尼。

具体地，还可以根据运动状态，调节阻尼结构的阻尼。在步行状态下，阻尼结构采用较小阻尼，方便通过第一驱动件控制脚连接结构的向前或向后转动；在跑步状态下，阻尼结构采用较大阻尼，方便缓冲身体对踝关节的冲击，使得跑步时脚板结构更稳定，不容易摔倒。

基于上述任意一实施例所述的踝关节，本发明还提供了一种假腿的实施例。

如图1和图2所示，本发明的假腿包括：如上述任意一实施例的踝关节。假腿还包括脚板结构70和腿结构。脚连接结构10与脚板结构70连接，腿结构与腿连接结构20连接。如图12所示，脚板结构70包括：

背部71，与脚连接结构10连接；

掌部72，与所述背部71连接；

跟部73，与所述背部71连接；

其中，掌部72和跟部73相互间隔。

具体地，背部71具体与第二连接结构12连接。背部71具有一定强度且可以变形，在行走和跑步时，掌部72着地且跟部73离地，则背部71会弯曲，掌部72和跟部73之间的距离变大。通过掌部72支撑，脚更加稳定。

基于上述任意一实施例所述的踝关节，本发明还提供了一种机器人的实施例。

本发明的机器人包括：如上述任意一实施例的踝关节或如上述任意一实施例的假腿。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (11)

1.一种踝关节，其特征在于，包括：

脚连接结构；

腿连接结构，与所述脚连接结构转动连接；

驱动机构，设置于所述腿连接结构，并与所述脚连接结构连接；

归位机构，与所述驱动机构连接；

其中，所述驱动机构被配置为驱动所述脚连接结构相对于所述腿连接结构沿脚的前后方向转动；

所述归位机构被配置为将所述脚连接结构回归初始位置；

所述脚连接结构包括：

第一连接结构，与所述腿连接结构转动连接；

第二连接结构，与所述第一连接结构转动连接；

第二弹性结构，分别连接所述第一连接结构、所述第二连接结构；

其中，所述第一连接结构相对于所述腿连接结构沿脚的前后方向转动；

所述第二连接结构相对于所述第一连接结构沿脚的左右方向转动；

所述第一连接结构和所述第二连接结构相互转动连接处具有转动中心轴，所述第二弹性结构有两组，两组所述第二弹性结构分别位于所述转动中心轴的两侧。

2.根据权利要求1所述的踝关节，其特征在于，所述踝关节还包括：

运动传感器，设置于所述腿连接结构；

其中，所述运动传感器被配置为检测所述腿连接结构的运动状态。

3.根据权利要求2所述的踝关节，其特征在于，所述驱动机构包括：

第一驱动件，设置于所述腿连接结构；

第一连杆，与所述第一驱动件的输出轴连接；

第二连杆，与所述第一连杆转动连接；

第三连杆，与所述第二连杆转动连接；

其中，所述第三连杆与所述脚连接结构连接，并相对于腿连接结构转动。

4.根据权利要求3所述的踝关节，其特征在于，所述归位机构包括：

第一弹性结构，分别与所述腿连接结构、所述第一连杆连接；

其中，所述第一弹性结构提供所述第一连杆回归的弹性力。

5.根据权利要求2所述的踝关节，其特征在于，所述踝关节还包括：

阻尼机构，转动设置于所述腿连接结构，并与所述脚连接结构连接。

6.根据权利要求5所述的踝关节，其特征在于，所述阻尼机构包括：

第四连杆，与所述脚连接结构转动连接；

第五连杆，分别与所述第四连杆、所述腿连接结构转动连接；

阻尼结构，转动设置于所述腿连接结构，并与所述第五连杆转动连接；

调节结构，转动设置于所述腿连接结构，并与所述阻尼结构连接；

其中，所述调节结构被配置为调节所述阻尼结构的阻尼。

7.一种假腿，其特征在于，其包括如权利要求1至6中任意一项所述的踝关节。

8.一种机器人，其特征在于，其包括如权利要求1至6中任意一项所述的踝关节，或权利要求7所述的假腿。

9.一种如权利要求2至6任意一项所述的踝关节的控制方法，其特征在于，包括步骤：

基于运动传感器，确定腿连接结构的运动状态；所述运动状态包括：向前运动状态和稳定状态；

根据所述腿连接结构的向前运动状态，通过驱动机构控制脚连接结构向前转动，并在所述腿连接结构变为稳定状态后，通过所述驱动机构控制所述脚连接结构向后转动。

10.根据权利要求9所述的踝关节的控制方法，其特征在于，所述运动状态还包括：向后运动状态；所述控制方法还包括：

根据所述腿连接结构的向后运动状态，通过驱动机构控制脚连接结构向后转动，并在所述腿连接结构变为稳定状态后，通过所述驱动机构控制所述脚连接结构向前转动。

11.根据权利要求9所述的踝关节的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：

根据所述腿连接结构的运动状态，通过调节结构控制阻尼结构的阻尼。