CN107361886B - 一种假腿结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种假腿结构，包括基板、通过第一转轴与基板转动连接的脚板、置于基板上的驱动机构，驱动机构包括沿基板上下移动的移动件，基板的上端还通过第二转轴转动连接有转接块，假腿结构还包括第一传动机构和第二传动机构，第一传动机构的上端通过第一轴线与转接块转动连接，第一传动机构的下端通过第二轴线与移动件转动连接，第二传动机构的上端与设置在基板上的第一支撑座通过第三轴线转动连接，第二传动机构的下端通过第四轴线与脚板转动连接。本申请通过同时设置驱动机构及传动机构，实现对下肢假肢进行主被动混合驱动，能够实现不同的步态控制效果。

Description

一种假腿结构

技术领域

本发明属于康复医疗器械技术领域，具体涉及一种假腿结构。

背景技术

由第二次全国残疾人抽样调查可知，我国残疾人种类、总数庞大，占全国总人口的6.34％。其中，肢体残疾占29.07％，居各类残疾的第一位。其中截肢者约为226万，占残疾人数的8％。同时，在226万截肢者中，约150万人能够安装假肢，63万人迫切需要安装假肢，其中70％为下肢截肢者，因此，下肢假肢的普及和安装，是当前解决截肢者基本需要的重要手段。下肢假肢可以弥补截肢者肢体缺损，代偿其失去的肢体功能。安装假肢不仅可以使患者残缺肢体基本恢复原有的形态和功能，而且可以避免截肢给患者身心带来的恶劣影响。

目前，国内针对大腿截肢者的治疗方案主要为膝踝一体化假肢，其主要实现方式有两种：一种为设计机械结构将膝踝关节动作关联，另一种为设计控制系统协调膝踝关节运动。前者是将膝、踝两个关节通过机械结构连接在一起，两个关节能按一定的关系进行运动，但这样的设计牺牲了一个自由度，膝踝角度关系单一，无法灵活变化，通常纯机械结构式假肢会使用这种设计；后者的膝关节以及踝关节在机械结构上可以独立自由运动，膝踝的耦合运动是由控制系统对两个关节按照正常人行走的步态规律进行共同控制实现，这样的设计使膝踝关节的协调控制难以把握。

现阶段阻尼式下肢假肢为智能下肢假肢的主流，这类下肢假肢能够在平地、坡道甚至楼梯上实现行走，但无法适应需要主动力矩的场合，同时行走步态与正常相比较仍有较大差距。

发明内容

基于上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是：提供一种主动与被动混合驱动的假腿结构。

本发明的一种假腿结构，包括基板、通过第一转轴与所述基板转动连接的脚板、置于所述基板上的驱动机构，所述驱动机构包括沿所述基板上下移动的移动件，所述基板的上端还通过第二转轴转动连接有转接块，所述假腿结构还包括第一传动机构和第二传动机构，所述第一传动机构的上端通过第一轴线与所述转接块转动连接，所述第一传动机构的下端通过第二轴线与所述移动件转动连接，所述第二传动机构的上端与设置在基板上的第一支撑座通过第三轴线转动连接，所述第二传动机构的下端通过第四轴线与所述脚板转动连接。

进一步的，所述第一传动机构和第二传动机构分别为第一双作用液压缸和第二双作用液压缸，

所述的第一传动机构包括第一缸体、位于第一缸体内的第一活塞体、与所述的第一活塞体连接的第一活塞杆，位于所述第一活塞体两侧的第一油口和第二油口；

所述第二传动机构包括第二缸体、位于第二缸体内的第二活塞体、与所述第二活塞体连接的第二活塞杆，位于所述的第二活塞体两侧的第三油口和第四油口，

所述假腿结构还包括用于控制所述第一传动机构和第二传动机构油路连接的电磁阀，

所述的电磁阀具有第一状态、第二状态和第三状态，

当电磁阀处于第一状态时，所述第一油口与所述第二油口不连通，所述第三油口与所述第四油口连通；

当电磁阀处于第二状态时，所述第一油口与所述第二油口连通，所述第三油口与所述第四油口连通；

当电磁阀处于第三状态时，所述第一油口与所述第四油口连通，所述第二油口与所述第三油口连通。

进一步的，所述第一双作用液压缸和第二双作用液压缸分别为第一双活塞杆双作用液压缸和第二双活塞杆双作用液压缸，所述缸体包括缸筒和分别位于所述缸筒两侧的缸盖，所述缸盖其中一者设有与缸盖内活塞杆相抵的弹簧，所述弹簧的另一侧作用于缸盖，设有弹簧的缸盖上还设有吊环。

进一步的，所述第一轴线、所述第二轴线、所述第三轴线、所述第四轴线、所述第一转轴、所述第二转轴均平行，所述第一转轴与所述第四轴线不共线，所述第二转轴与所述第一轴线不共线。

进一步的，所述驱动机构还包括抱闸、电机、减速器、丝杠螺母副，所述抱闸与电机连接，电机的输出轴与减速器连接，所述抱闸、所述电机与所述减速器为一体式同轴设置并固定于所述基板上的第二支撑座上，减速器的输出轴穿过第二支撑座通过联轴器与丝杠螺母副的丝杠连接，所述丝杠螺母副的上、下端分别通过第一支撑座、第三支撑座设置在基板上，所述移动件与所述丝杠螺母固定连接。

进一步的，所述移动件上设有滑块，所述滑块随移动件沿设置在基板上的滑轨上下移动。

进一步的，还包括控制单元、设置在脚板上的多个压力传感器、分别设置在所述第一转轴与所述第二转轴上的第一旋转电位计和第二旋转电位计，所述控制单元用于接收所述压力传感器和所述旋转电位计的采集数据并通过驱动器控制所述驱动机构和/或所述传动机构，所述控制单元还包括判断模块和显示模块。

进一步的，所述判断模块根据所述压力传感器与所述旋转电位计采集的数据对步态相位进行判断并作为控制驱动器的依据。

进一步的，所述转接块与所述基板之间通过设置在基板上的连接块连接。

进一步的，所述第一双活塞杆双作用液压缸远离套筒的缸体抵持在第一支撑座上，与其对应的活塞杆穿过第一支撑座。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：

1)本申请通过同时设置驱动机构及传动机构，实现对下肢假肢进行主被动混合驱动，将液压阻尼式驱动与电机主动式驱动融合在假腿的设计中，采用液压阻尼驱动，可以满足假肢在被动行走时的步态动作，同时通过液压回路进行膝踝关节的耦合与解耦，达到了膝踝耦合的目的，同时也简化了控制方法，采用电机驱动，满足了假肢上楼梯等动作时对主动力矩的需要。

2)通过控制单元对压力传感器与旋转电位计采集的数据对人体在不同情况下不同相位的识别，控制电磁阀切换液压回路，使假肢以最合适的方式进行运动，在需要主动力的时候控制电机转动来满足行走时动力的需求，从而大大减少了能量的消耗。

3)本申请通过在液压缸中设置弹簧，具有储能功能。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明假腿结构与电磁阀连接示意图；

图2是本发明假腿结构的示意图；

图3是本发明假腿结构的简图；

图4是本发明驱动机构结构简图；

图5是本发明传动机构结构简图；

图6是本发明液压缸与弹簧连接示意图；

图7是本发明电磁阀三种状态连接简图；

图8是本发明控制系统示意图。

其中：

1是基板、101是踝关节支撑座、102是连接块、2是第一转轴、3是脚板、301是脚板支撑座、302是活塞杆支撑座、4是移动件、5是第二转轴、6是转接块、7是第一传动机构、701是第一轴线、702是第二轴线、7-1是第一油口、7-2是第二油口、8是第二传动机构、801是第三轴线、802是第四轴线、8-1是第三油口、8-4是第四油口、9是第一支撑座、10是电磁阀、10-1是第Ⅰ油口、10-2是第Ⅱ油口、10-3是第Ⅲ油口、10-4是第Ⅳ油口、11是第二支撑座、12是第三支撑座、14是伺服电机、15是减速器、16是联轴器、17是丝杠、18是丝杠螺母、19是滑块、20是滑轨、21是压力传感器、22是旋转电位计、23是抱闸、24是套筒、24-1是左缸盖、24-2是右缸盖、24-3是左活塞杆、24-4是右活塞杆、25是弹簧、26是吊环、27是吊耳。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参见图1和图7，本发明一较佳实施例所述的一种假腿结构，包括用于安装大部分零部件的基板1、通过第一转轴2与所述基板1转动连接的脚板3、置于所述基板1上的驱动机构。本实施例优选脚板与基板的连接方式为：在脚板上设置脚板支撑座301，在基板上设置踝关节支撑座101，所述踝关节支撑座101与所述脚板支撑座301之间通过第一转轴2进行转动连接。所述驱动机构可以选择直流无刷电机或步进电机或伺服电机，本实施例优选伺服电机，则所述驱动机构包括抱闸23、伺服电机14、减速器15、丝杠螺母副、沿所述基板1上下移动的移动件4，所述抱闸23与伺服电机14连接，伺服电机14的输出轴与减速器15连接，所述抱闸23、所述伺服电机14与所述减速器15为一体式同轴设置并固定于所述基板1上的第二支撑座11上，减速器15的输出轴穿过第二支撑座11通过联轴器16与丝杠螺母副的丝杠17连接，所述丝杠螺母副的上、下端分别通过第一支撑座9、第三支撑座12设置在基板1上，优选移动件4为丝杠螺母连接块，丝杠螺母固定连接在移动件4上。所述基板的上端通过固定在基板上的连接块102连接有用于与大腿连接的转接块6，所述转接块与所述基板通过第二转轴5转动连接。进一步的，本申请所述的一种假腿结构还包括第一传动机构7和第二传动机构8，本实施例优选在转接块上设有一转轴，所述第一传动机构的上端通过转轴所在的第一轴线701与所述转接块6转动连接，所述第一传动机构7的下端通过第二轴线702与所述移动件4转动连接，所述第二传动机构8的上端与设置在基板上的第一支撑座9通过第三轴线12转动连接，所述第二传动机构8的下端通过第四轴线802与所述脚板3转动连接，优选在脚板上设置活塞杆支撑座302，第二传动机构8的下端通过活塞杆支撑座302与所述脚板3转动连接，本实施例所述的传动机构可以选用液压传动也可以选用气压传动来实现所需要的效果，本实施例优选所述第一传动机构7和第二传动机构8分别为代表膝关节液压缸和踝关节液压缸。本实施例优选所述膝关节、所述踝关节液压缸选用双作用液压缸，所述的膝关节液压缸包括第一缸体、位于第一缸体内的第一活塞体、与所述的第一活塞体连接的第一活塞杆，位于所述的第一活塞体两侧的第一油口7-1和第二油口7-2；所述的踝关节液压缸包括第二缸体、位于第二缸体内的第二活塞体、与所述的第二活塞体连接的第二活塞杆，位于所述的第二活塞体两侧的第三油口8-1和第四油口8-2。

所述的假腿结构还包括用于控制所述膝关节液压缸和踝关节液压缸的油路连接的电磁阀10，本实施例优选所述电磁阀10的第Ⅰ油口10-1、第Ⅲ油口10-3分别与第三油口8-1和第四油口8-2连接，电磁阀10的第Ⅱ油口10-2、第Ⅳ油口10-4分别与第一油口7-1和第二油口7-2连接，所述电磁阀具有第一状态、第二状态和第三状态。

当电磁阀处于第一状态时，此时电磁阀处于右位，所述第一油口7-1与所述第二油口7-2堵死，此时膝关节液压缸变成一个几乎不可伸缩的刚性连杆，膝关节液压缸的运动由移动件带动，踝关节液压缸的第三油口8-1和第四油口8-2相连接，继续做被动的阻尼运动；

当电磁阀处于第二状态时，此时电磁阀处于中位，所述第一油口7-1与所述第二油口7-2连通，所述第三油口8-1与所述第四油口8-2连通，此时所述膝关节液压缸与所述踝关节液压缸实现各自独立的阻尼运动；

当电磁阀处于第三状态时，此时电磁阀处于左位，所述第一油口7-1与所述第四油口8-2连通，所述第二油口7-2与所述第三油口8-1连通，此时膝关节液压缸与所述踝关节液压缸的油路被串联，膝关节液压缸运动时会带动踝关节液压缸运动，反之亦可，实现膝踝液压缸联动，从而使膝踝关节耦合联动，即膝关节弯曲时，踝关节伸展。

更具体的，为实现液压缸进出油量一致，本实施例进一步优选所述膝关节液压缸与所述踝关节液压缸均选用双活塞杆双作用液压缸，所述液压缸的缸体包括缸筒24和位于所述缸筒两侧的左缸盖24-1、右缸盖24-2，所述缸盖内分别设有左活塞杆24-3、右活塞杆24-4，为实现假腿结构的储能功能，本实施例优选右活塞杆24-4伸出右缸盖24-2，左活塞杆24-3置于左缸盖24-1内腔中，右活塞杆24-4的杆端设有用于悬挂液压缸的吊耳27，左缸盖24-1中还设有弹簧25，所述弹簧的一端作用于左活塞杆的杆端，弹簧的另一端作用于左缸盖，为实现液压缸的悬挂，左缸盖上还设有吊环26。

具体的，为实现假腿结构平稳运行，本实施例优选所述第一轴线701、所述第二轴线702、所述第三轴线801、所述第一转轴2、所述第二转轴5均平行，为实现转接环6和脚板3能分别够随驱动机构或传动机构的运动而转动，所述第一转轴2与所述第四轴线802不共线，所述第二转轴5与所述第一轴线701不共线。

具体的，为使丝杠螺母随丝杠的转动在沿基板上下移动时运动更平稳，在所述移动件4上设有滑块19，在所述基板上设有供滑块随丝杠螺母18上下移动的滑轨20。

具体的，所述一种假腿结构还包括控制单元、设置在脚板上的多个用于检测足部着地情况的压力传感器21、分别设置在所述第一转轴与所述第二转轴上用于测量膝、踝关节旋转角度的第一旋转电位计和第二旋转电位计，各所述压力传感器与旋转电位计组成步态相位识别系统，所述步态相位识别系统也可以选择陀螺仪与加速度计来实现，优选在足跟处安装一个压力传感器检测足跟着地情况，在脚掌的足尖、第一跖骨及第四跖骨处分别安装三个压力传感器，只要三个传感器中的任意一个检测到有信号即可判断脚尖着地状态，所述控制单元接收压力传感器21与旋转电位计22采集的信号数据由显示模块实时显示，并由判断模块进行判断步态相位以及膝、踝关节的旋转角度，并控制驱动器驱动第一传动机构、第二传动机构和驱动机构工作。

为实现对第一传动机构的支撑，所述第一双活塞杆双作用液压缸远离套筒的缸体抵持在第一支撑座上，与其对应的活塞杆穿过第一支撑座。

本发明的工作原理如下：

设置在足跟处、脚掌的足尖处、第一跖骨及第四跖骨处的压力传感器与分别设置在第一转轴与所述第二转轴处的第一旋转电位计和第二旋转电位计将检测的信号发送给控制单元，控制单元根据检测到的数据信号进行判断步态相位，当判断为需要主动力矩的场合时，控制单元发出指令，驱动器驱动驱动机构工作，此时驱动器控制电磁阀设置在第一状态，此时膝关节的液压缸第一油口、第二油口被堵死，则整个膝关节液压缸变成一个不可伸缩的刚性连杆，踝关节液压缸的油口继续相连，由于人体本身的重量对脚板有压力，以及膝关节液压缸中的弹簧具有储能功能，所述踝关节液压缸继续做被动阻尼运动，电机旋转带动丝杠转动从而带动丝杠螺母沿基板上下移动，由于膝关节液压缸此时不可伸缩，所以带动转接块沿着第二转轴的轴心转动；当判断为需要被动运动的场合时，控制单元发出指令，驱动器控制电磁阀设置在第二状态，并同时控制电机抱闸锁死，第一油口与第二油口连通，第三油口与第四油口连通，此时第一传动机构与第二传动机构各自独立的阻尼运动，由于人体本身的重量压迫假腿结构，从而使膝关节液压缸与踝关节液压缸的活塞杆伸缩，带动转接块与脚板转动；当判断为需要耦合运动的场合时，控制单元发出指令，驱动器控制电磁阀设置在第三状态，并同时控制电机抱闸锁死，第一油口与第四油口连通，第二油口与第三油口连通，此时膝踝液压缸的油路串联，实现膝踝液压缸耦合联动。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种假腿结构，其特征在于，包括基板、通过第一转轴与所述基板转动连接的脚板、置于所述基板上的驱动机构，所述驱动机构包括沿所述基板上下移动的移动件，所述基板的上端还通过第二转轴转动连接有转接块，所述假腿结构还包括第一传动机构和第二传动机构，所述第一传动机构的上端通过第一轴线与所述转接块转动连接，所述第一传动机构的下端通过第二轴线与所述移动件转动连接，所述第二传动机构的上端与设置在基板上的第一支撑座通过第三轴线转动连接，所述第二传动机构的下端通过第四轴线与所述脚板转动连接；

所述第一传动机构和第二传动机构分别为第一双作用液压缸和第二双作用液压缸，

所述的第一传动机构包括第一缸体、位于第一缸体内的第一活塞体、与所述的第一活塞体连接的第一活塞杆，位于所述第一活塞体两侧的第一油口和第二油口；

所述第二传动机构包括第二缸体、位于第二缸体内的第二活塞体、与所述第二活塞体连接的第二活塞杆，位于所述的第二活塞体两侧的第三油口和第四油口，

所述假腿结构还包括用于控制所述第一传动机构和第二传动机构油路连接的电磁阀，

所述的电磁阀具有第一状态、第二状态和第三状态，

当电磁阀处于第一状态时，所述第一油口与所述第二油口不连通，所述第三油口与所述第四油口连通；

当电磁阀处于第二状态时，所述第一油口与所述第二油口连通，所述第三油口与所述第四油口连通；

当电磁阀处于第三状态时，所述第一油口与所述第四油口连通，所述第二油口与所述第三油口连通。

2.根据权利要求1所述的一种假腿结构，其特征在于，所述第一双作用液压缸和第二双作用液压缸分别为第一双活塞杆双作用液压缸和第二双活塞杆双作用液压缸，所述缸体包括缸筒和分别位于所述缸筒两侧的缸盖，所述缸盖其中一者设有与缸盖内活塞杆相抵的弹簧，所述弹簧的另一侧作用于缸盖，设有弹簧的缸盖上还设有吊环。

3.根据权利要求1所述的一种假腿结构，其特征在于，所述第一轴线、所述第二轴线、所述第三轴线、所述第四轴线、所述第一转轴、所述第二转轴均平行，所述第一转轴与所述第四轴线不共线，所述第二转轴与所述第一轴线不共线。

4.根据权利要求1所述的一种假腿结构，其特征在于，所述驱动机构还包括抱闸、电机、减速器、丝杠螺母副，所述抱闸与电机连接，电机的输出轴与减速器连接，所述抱闸、所述电机与所述减速器为一体式同轴设置并固定于所述基板上的第二支撑座上，减速器的输出轴穿过第二支撑座通过联轴器与丝杠螺母副的丝杠连接，所述丝杠螺母副的上、下端分别通过第一支撑座、第三支撑座设置在基板上，所述移动件与所述丝杠螺母副固定连接。

5.根据权利要求4所述的一种假腿结构，其特征在于，所述移动件上设有滑块，所述滑块随移动件沿设置在基板上的滑轨上下移动。

6.根据权利要求1所述的一种假腿结构，其特征在于，还包括控制单元、设置在脚板上的多个压力传感器、分别设置在所述第一转轴与所述第二转轴上的第一旋转电位计和第二旋转电位计，所述控制单元用于接收所述压力传感器和所述旋转电位计的采集数据并通过驱动器控制所述驱动机构和/或所述传动机构，所述控制单元还包括判断模块和显示模块。

7.根据权利要求6所述的一种假腿结构，其特征在于，所述判断模块根据所述压力传感器与所述旋转电位计采集的数据对步态相位进行判断并作为控制驱动器的依据。

8.根据权利要求1所述的一种假腿结构，其特征在于，所述转接块与所述基板之间通过设置在基板上的连接块连接。