CN102397118B - 仿生踝关节 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种仿生踝关节，它包括脚板、踝关节座、转动轴、仿生距骨、第一杆端关节、第一屈伸杆、第二杆端关节、第二屈伸杆、电机支座、步进电机、丝杆传动机构、屈伸杆定位连接件、非线性压簧机构、齿轮座、齿轮、角度传感器、数据采集机构和数据控制机构。本发明是一款能方便提供主动力的仿生踝关节，采用主动控制与被动控制相结合的方式，有利于降低能量损耗，并且能实现接近正常人体踝关节角度变化的运动规律，同时满足人体踝关节运动时具有灵活性和稳定性的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种仿生结构，特别涉及一种仿生踝关节。
背景技术
人体踝关节的复杂结构决定其运动形式包括：矢状面内的屈伸运动、额状面内的内外翻运动及水平面内的内外旋运动。人体踝关节属于滑车关节，在正常的步行运动中，踝关节的仿生距骨在踝窝中的放置中心是不断改变的，其运动轨迹呈椭圆形，踝关节的活动轴线具有一定倾斜度，并经常处在变化中。步行运动时，踝关节瞬时旋转中心落在仿生距骨体附近一个小范围内。踝关节的主要运动为矢状面内的屈伸，而内外旋及内外翻运动幅度相对较小。因此，在设计踝关节假肢时，主要提供矢状面的屈伸活动，并且具有一固定的旋转中心和旋转轴，同时又设计成非制约式，能够进行一定程度的微侧向活动和旋转活动。
基于踝关节自身的运动学和动力学特性，研制一款接近于人体踝关节运动功能的仿生型踝关节，考虑主动控制和被动控制相结合的方式。能够更好的满足残疾人患者对下肢踝关节假肢的需求，保证患者以正确的方式自由的行走和稳定的站立。
发明内容
本发明的目的，就是为了解决上述问题，提供一种仿生踝关节。
本发明的目的通过以下的技术方案来实现：一种仿生踝关节，其包括：
脚板；
踝关节座，连接在脚板上，其前部设有导引槽；
转动轴，安装在踝关节座上；
仿生距骨，安装在转动轴上；
第一杆端关节，套装在仿生距骨上并与仿生距骨之间留有间隙；
第一屈伸杆，下端与第一杆端关节相连，上端用于与小腿相连，中间设有一段平面齿条；
第二杆端关节，下端连接有滚动轴，滚动轴两端连接有滚动轴承，滚动轴承设置在踝关节座的导引槽内并可沿导引槽前后移动；
第二屈伸杆，连接在第二杆端关节的上方；
电机支座，安装在第一屈伸杆的上部；
步进电机，安装在电机支座上；
丝杆传动机构，上端与电机主轴传动相连，下端与第二屈伸杆相连并可带动第二屈伸杆作上下屈伸运动；
屈伸杆定位连接件，连接在第一屈伸杆和第二屈伸杆之间将第一屈伸杆和第二屈伸杆之间的横向距离定位固定，并与第一屈伸杆固定相连、与第二屈伸杆滑动相连；
非线性压簧机构，下端固定在转动轴上，上端卡在第一屈伸杆两侧的屈伸杆定位连接件上；
齿轮座，安装在第二屈伸杆上；
齿轮，安装在齿轮座上并与第一屈伸杆的平面齿条啮合传动相连，齿轮的运动带动第一屈伸杆作上下屈伸运动；
角度传感器，共两个分别设置在转动轴的两端；
数据采集机构，与角度传感器电信相连；
数据控制机构，与步进电机电信相连。
所述的丝杆传动机构包括丝杆和丝杆螺母，丝杆的上端与电机主轴相连，下端与丝杆螺母螺纹连接，丝杆螺母固定在第二屈伸杆的上端。
所述的非线性压簧机构包括成对对称设置的两个压簧座和两个压簧，两个压簧座分别固定在转动轴的两端，两个压簧的一端分别连接在对应位置的压簧座上，另一端分别连接在屈伸杆定位连接件的两侧。
所述的导引槽的行程为5.17mm，所述的丝杆的行程为30.05mm。
本发明利用步进电机与丝杆连接带动滚子做上下运动实现关节屈伸运动，导引槽保证丝杆带动关节做旋转运动时有足够的水平移动，杆端关节可以提供多自由度的关节运动，非线性压簧机构保证踝关节在做屈伸运动时的稳定性，角度传感器提供角度变化的反馈信号，通过数据采集系统和数据控制系统来实现接近正常人体踝关节角度变化的运动规律。
本发明是一款能方便提供主动力的仿生踝关节，采用主动控制与被动控制相结合的方式，有利于降低能量损耗，并且能实现接近正常人体踝关节角度变化的运动规律，同时满足人体踝关节运动时具有灵活性和稳定性的要求。
附图说明
图1是本发明仿生踝关节的立体结构主视图；
图2是本发明的侧视结构(不含脚板)示意图；
图3是本发明的局部结构示意图；
图4是本发明仿生踝关节在一个步态周期的运动角度变化实验数据曲线图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例，对本发明作进一步说明。
参见图1，配合参见图2、图3。本发明的仿生踝关节，包括脚板1、踝关节座2、转动轴3、仿生距骨4、第一杆端关节5、第一屈伸杆6、第二杆端关节7、第二屈伸杆8、电机支座9、步进电机10、丝杆传动机构11、屈伸杆定位连接件12、非线性压簧机构13、齿轮座14、齿轮15、角度传感器16、数据采集机构17和数据控制机构18。
踝关节座2连接在脚板1上，其前部设有导引槽21。
转动轴3活动安装在踝关节座2上并向两端伸出。
仿生距骨4安装在转动轴3上。
第一杆端关节5套装在仿生距骨4上并与仿生距骨4之间留有间隙。
第一屈伸杆6的下端与第一杆端关节5相连，上端用于与小腿相连，中间设有一段平面齿条61。
第二杆端关节7的下端连接有滚动轴71，滚动轴71两端连接有滚动轴承72，滚动轴承72设置在踝关节座的导引槽21内并可沿导引槽前后移动。
第二屈伸杆8连接在第二杆端关节7的上方。
电机支座9安装在第一屈伸杆6的上部。
步进电机10安装在电机支座9上，其电机主轴向下方伸出。
丝杆传动机构11包括丝杆111和丝杆螺母112，丝杆111的上端与电机主轴相连，下端与丝杆螺母112螺纹连接，丝杆螺母固定在第二屈伸杆8的上端。丝杆传动机构11可带动第二屈伸杆8作上下屈伸运动。
屈伸杆定位连接件12连接在第一屈伸杆6和第二屈伸杆8之间将第一屈伸杆和第二屈伸杆之间的横向距离定位固定，并与第一屈伸杆6固定相连、与第二屈伸杆8滑动相连。
非线性压簧机构13包括成对对称设置的两个压簧座131和两个压簧132，两个压簧座131分别固定在转动轴3的两端，两个压簧132的一端分别连接在对应位置的压簧座131上，另一端分别连接在第一屈伸杆两侧的屈伸杆定位连接件12上。
齿轮座14安装在第二屈伸杆8上。
齿轮15安装在齿轮座14上并与第一屈伸杆6的平面齿条61啮合传动相连，齿轮15的运动带动第一屈伸杆6作上下屈伸运动。
角度传感器16共两个分别安装在相应的传感器支架161上，并设置在转动轴3的两端。
数据采集机构17与角度传感器16电信相连。
数据控制机构18与步进电机10电信相连。
本发明利用步进电机的驱动力通过丝杆的旋转作用实现关节屈伸运动，导引槽保证步进电机丝杆带动关节做旋转运动时有足够的水平移动，杆端关节可以提供多自由度的关节运动，非线性压簧机构保证踝关节在做屈伸运动时的稳定性。踝关节运动角度变化的反馈信号由角度传感器提供，通过数据采集系统和数据控制系统来实现接近正常人体踝关节角度变化的运动规律。
本发明中的导引槽的最大设计行程为5.17mm；丝杆的行程为30.05mm。它们的作用是限制踝关节背屈和拓屈的转动角度在人体踝关节正常生理范围之内。
在脚板着地以后，由于路况的原因使得脚板两侧受到不平衡力，第二杆端关节7可以提供冠状面的关节运动，非线性压簧机构13通过转动轴3与第一杆端关节5连接，两个压簧132在压簧座131上通过调整自身的收缩度来调整角度变化大小以及压簧回复力的大小，保证其在矢状面内平稳运动的同时也能在其他方向分运动。
通过选用标准踝关节角度变化数据作为控制信号，本发明仿生踝关节跟随实验结果如图4所示。图中细实线代表标准数据，粗实线代表实验结果。
由图4可以看出，系统控制仿生踝关节运动，在跟随人体标准步态时，随着步态幅度变大，跟随出现了延迟，而且峰值达不到就进行后面的运动，我们通过软件进行了修正，使延迟现象得到了一定的改善，但没有完全消除，这是系统延迟、机械构造、误差以及步进电机等原因造成的系统误差，可以通过另外的途径校正。从整个跟随运动过程来看，除了中期有一点延迟误差外，仿生踝关节已经能够完全跟随标准曲线运动，可基本实现仿生踝关节跟随运动的预期目标。
Claims (2)
1.一种仿生踝关节，包括脚板、踝关节座、电机支座、步进电机和丝杆传动机构；所述踝关节座连接在脚板上，其前部设有导引槽；其特征在于，还包括：
转动轴，安装在踝关节座上；
仿生距骨，安装在转动轴上；
第一杆端关节，套装在仿生距骨上并与仿生距骨之间留有间隙；
第一屈伸杆，下端与第一杆端关节相连，上端用于与小腿相连，中间设有一段平面齿条；
第二杆端关节，下端连接有滚动轴，滚动轴两端连接有滚动轴承，滚动轴承设置在踝关节座的导引槽内并可沿导引槽前后移动；
第二屈伸杆，连接在第二杆端关节的上方；
屈伸杆定位连接件，连接在第一屈伸杆和第二屈伸杆之间将第一屈伸杆和第二屈伸杆之间的横向距离定位固定，并与第一屈伸杆固定相连、与第二屈伸杆滑动相连；
非线性压簧机构，下端固定在转动轴上，上端卡在第一屈伸杆两侧的屈伸杆定位连接件上；
齿轮座，安装在第二屈伸杆上；
齿轮，安装在齿轮座上并与第一屈伸杆的平面齿条啮合传动相连，齿轮的运动带动第一屈伸杆作上下屈伸运动；
角度传感器，共两个分别设置在转动轴的两端；
数据采集机构，与角度传感器电信相连；
数据控制机构，与步进电机电信相连；
其中，所述电机支座安装在第一屈伸杆的上部；所述步进电机安装在电机支座上；所述丝杆传动机构的上端与电机主轴传动相连，下端与第二屈伸杆相连并可带动第二屈伸杆作上下屈伸运动；
所述的丝杆传动机构包括丝杆和丝杆螺母，丝杆的上端与电机主轴相连，下端与丝杆螺母螺纹连接，丝杆螺母固定在第二屈伸杆的上端；
所述的非线性压簧机构包括成对对称设置的两个压簧座和两个压簧，两个压簧座分别固定在转动轴的两端，两个压簧的一端分别连接在对应位置的压簧座上，另一端分别连接在屈伸杆定位连接件的两侧。
2.根据权利要求1所述的仿生踝关节，其特征在于：所述的导引槽的行程为5.17mm，所述的丝杆的行程为30.05mm。
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