CN101336849B - 一种气缸固定式四杆机构智能假肢膝关节 - Google Patents
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Abstract
一种气缸固定式四杆机构智能假肢膝关节，属于生物医学工程和康复辅具技术领域。本发明包括大腿假肢部件，膝关节前臂，膝关节后臂，小腿假肢部件，气缸部件以及用于提供智能驱动输出的直线电机和针阀。气缸部件通过定位销固定在小腿假肢部件上，在活塞杆的上端与大腿假肢部件之间增设一个摆杆，并在摆杆上轴上装配一个扭转弹簧。本发明在膝关节运动过程中只随小腿假肢运动，而无自身摆动，避免了由于膝关节运动过程中，缸体的相对摆动带来的占用空间较大且会产生较大附加回转惯量，影响步态控制的不足和缺陷。同时将直线电机和针阀集成于缸体下端部，减少了中间部件，降低了制造和维护成本，提高了运行精度和效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种假肢膝关节，特别涉及一种气缸固定式四杆机构智能假肢膝关节，属于生物医学工程和康复辅具技术领域。
背景技术
带有智能膝关节的下肢假肢，因可以随着步行速度、关节角度变化自动调整假肢膝关节控制力矩，使假肢步态在对称性和跟随性等方面更接近健康人步态，具有体力消耗少、安全性和仿生性好，而得到推广应用。
目前市场上较多的智能膝关节产品是带有摆动气缸的智能膝关节，日本纳博克、英国英中耐、台湾德林等公司都生产这类产品。这些产品都是在日本兵库康复中心中川昭夫等人研究成果基础上发展而来的，其工作原理：通过光电传感器测量步速，单片机根据步速自动选取预先存储的相应力矩模式，气压缸两端分别与大腿和小腿的假肢部件相铰接，当膝关节转动时，推动缸体内的气体通过节流阀流出，形成阻尼，步进电机依据单片机选定的力矩模式，通过滚珠丝杠组成的传动系统带动气缸阀门运动，调节节流阀截面积大小，使气缸的抵力或阻力发生变化，实现对膝关节摆动期力矩的自动控制。在这个过程中缸体自身相对某一铰接部件(大腿或小腿的假肢部件)在一定范围内做摆动运动，相对另一铰接部件做含有摆动运动的复合运动。该技术目前存在的不足是由于气缸体相对某一铰接部件摆动，会导致占用空间较大且会产生较大附加回转惯量，影响步态控制。
直线电机由于将电机和丝杠传动系统集成为一个部件，能够在不借助外部传动装置的情况下直接进行驱动，因此与传统的电机加上丝杆的方式相比较，具有动态特性好、精度高、尺寸小、重量轻、零件少、效率高、制造和维护成本低等优点，因此在许多领域已经得到了广泛应用。采用直线电机来控制假肢膝关节气缸针阀的运动虽然能带来减轻重量、降低制造和维护成本等优点，但如果仍然采用常用的缸体摆动式安装结构，反而会造成气缸体增长，导致占用空间过大，从而加大假肢膝关节的长度。因此研究用于提供智能驱动输出的直线电机的安装位置也是需要解决的技术问题。
发明内容
发明的目的是提供一种气缸固定式四杆机构智能假肢膝关节，以避免由于气缸体相对某一铰接部件摆动，导致占用空间较大且会产生较大附加回转惯量，影响步态控制的不足和缺陷。
本发明的技术方案如下：
一种气缸固定式四杆机构智能假肢膝关节，包括大腿假肢部件1，膝关节前臂3，膝关节后臂4，小腿假肢部件9，设置在小腿假肢部件内的气缸组件，以及用于提供智能驱动输出的直线电机29和针阀28；膝关节前臂和膝关节后臂的上端分别与大腿假肢部件铰接，所述的气缸部件含有气缸筒22，活塞41，活塞杆11，气缸上盖14和气缸下盖25，其特征在于：所述的气缸部件通过定位销固定在小腿假肢部件9上；在活塞杆11的上端与大腿假肢部件1之间增设一个摆杆5，该摆杆的上端与大腿假肢部件铰接，摆杆的下端与活塞杆铰接，并在摆杆上轴32上装配一扭转弹簧33，该扭转弹簧下端与摆杆连接，另一端与大腿假肢部件固定。
本发明所述的气缸部件通过设置在气缸下盖上的定位销固定在小腿假肢部件上。
本发明的技术特征还在于：在摆摆杆5与大腿假肢部件铰接处嵌有滑动轴承二。所述的直线电机的应用及安装在气缸下盖上。
本发明与现有技术相比具有以下优点及突出性效果：①缸体通过两个销轴直接与小腿假肢部件固结为一体(也可直接在小腿假肢部件上加工出缸体)，当膝关节运动时，缸体将只随小腿假肢部件运动，而不会产生相对小腿假肢的摆动，节省了摆动空间，同时提高了对安装在其上的控制部件的保护及易操作性。②在大腿假肢部件上通过铰链连接一摆杆，该摆杆另一端通过铰链与气缸的活塞杆铰接，当膝关节运动时，大腿假肢部件通过带动该摆杆运动，从而推动摆杆另一端活塞作沿缸体轴线的往复运动，为膝关节提供阻尼(屈曲)力矩。③将用于提供智能驱动输出的直线电机和针阀集成于缸体底端，从而减少了中间部件，提高控制精度及稳定性，降低能耗和制造维护成本。
附图说明
图1是气缸固定式四杆机构智能假肢膝关节的结构示意图。
图2是图1的左视图。
图3是图2上部的局部放大图。
图中：1-大腿假肢部件；2-限位销；3-膝关节前臂；4-膝关节后臂；5-摆杆；8-连接销轴一；9-小腿假肢部件；10-调节阀；11-活塞杆；12连接销轴二；14-气缸上盖；16-导气管；22-气缸筒；24-固定销轴一；25-气缸下盖；26-固定销轴二；28-针阀；29-直线电机；32-摆杆上轴；33-扭转弹簧；34-滑动轴承一；35-摆杆下轴；36-气缸部件；37-滑动轴承二；38-滑动轴承三；41-活塞；42-活塞杆连接环。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构、原理和工作过程做进一步的说明。
图1是气缸固定式四杆机构智能假肢膝关节的结构示意图。四杆机构智能假肢膝关节包括大腿假肢部件1，膝关节前臂3，膝关节后臂4，小腿假肢部件9，设置在小腿假肢部件内的气缸组件，以及用于提供智能驱动输出的直线电机29和针阀28；膝关节前臂和膝关节后臂的上端分别与大腿假肢部件铰接，所述的气缸部件36含有气缸筒22，活塞41，活塞杆11，气缸上盖14和气缸下盖25。气缸部件通过固定销轴固定在小腿假肢部件9上；为了安装方便起见，气缸部件36可通过设置在气缸下盖上的固定销轴-24和固定销轴二26固定在小腿假肢部件9上。在活塞杆11的上端与大腿假肢部件1之间增设一个摆杆5，该摆杆的上端通过摆杆上轴32与大腿假肢部件铰接，摆杆的下端通过摆杆下轴35与活塞杆11铰接，并在摆杆上轴32上装配一扭转弹簧33，该扭转弹簧下端与摆杆连接，扭转弹簧另一端与大腿假肢部件固定，以提供回复力及抵消铰链间隙引起的精度误差。大腿假肢部件1分别通过连接销轴一8和接销轴二12与膝关节前臂3和膝关节后臂4上端铰接，并在铰接处嵌有滑动轴承一34以减小摩擦。同样在摆杆5与大腿假肢部件铰接处嵌有滑动轴承二37，以减小摩擦。摆杆5的下端通过摆杆下轴35和活塞杆连接环42与活塞杆铰接，活塞杆连接环42与活塞杆11以螺纹固连，铰接处嵌有滑动轴承三38。膝关节前臂3、膝关节后臂4的下端分别通过连接销轴与小腿假肢部件9固连，铰接处嵌有滑动轴承。连接销轴的作用是对铰接部位的部件进行轴向定位，并保证铰接部件相对转动灵活。气缸上盖14上安装有调节阀10，以便对气缸内的气体循环压力作预调整。
本发明中用于提供智能驱动输出的直线电机29和针阀28安装在气缸下盖25上，这种结构有利于减少中间部件，便于维护和提高稳定性。
使用者行走时，将大腿假肢部件1与大腿假肢残端连接，在大腿残端的带动下，大腿假肢部件1、膝关节后臂4、膝关节前臂3、小腿假肢部件9组成的四连杆机构(机械膝关节)作膝屈曲运动，从而带动由大腿假肢部件1、摆杆5、活塞杆11及活塞41组成的曲柄滑块机构沿气缸筒22作往复运动，使气缸内气体被压缩；智能控制装置通过对使用者步态数据的实时分析，控制直线电机29作动，使与直线电机29的输出轴相固连的针阀28相对阀孔作开合动作，产生适当阻尼(屈曲)力矩，从而控制小腿假肢自适应于使用者的步态要求。
Claims (4)
1.一种气缸固定式四杆机构智能假肢膝关节，包括大腿假肢部件(1)，膝关节前臂(3)，膝关节后臂(4)，小腿假肢部件(9)，设置在小腿假肢部件内的气缸部件以及用于提供智能驱动输出的直线电机(29)和针阀(28)；所述的膝关节前臂和膝关节后臂的上端分别与大腿假肢部件铰接，所述的气缸部件含有气缸筒(22)，活塞(41)，活塞杆(11)，气缸上盖(14)和气缸下盖(25)，其特征在于：所述的气缸部件通过定位销固定在小腿假肢部件(9)上；在活塞杆(11)的上端与大腿假肢部件(1)之间增设一个摆杆(5)，该摆杆(5)的上端与大腿假肢部件铰接，摆杆的下端与活塞杆铰接，并在摆杆上轴(32)上装配一个扭转弹簧(33)，该扭转弹簧下端与摆杆连接，另一端与大腿假肢部件固定。
2.按照权利要求1所述的一种气缸固定式四杆机构智能假肢膝关节，其特征在于：气缸部件通过设置在气缸下盖上的定位销固定在小腿假肢部件。
3.按照权利要求1所述的一种气缸固定式四杆机构智能假肢膝关节，其特征在于：在摆杆(5)与大腿假肢部件铰接处嵌有滑动轴承。
4.按照权利要求1、2或3所述的一种气缸固定式四杆机构智能假肢膝关节，其特征在于：所述的直线电机(29)和针阀(28)安装在气缸下盖(25)上。
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