CN107625565B - 基于变胞机构的可穿戴式主动型仿生假肢踝关节机构 - Google Patents

Abstract

本发明属于仿生机械学及康复医疗领域，涉及基于变胞机构的可穿戴式主动型仿生假肢踝关节机构，包括主动型可双向锁死机构、动力屈伸机构、小腿护板及足部弹性支撑机构；主动型可双向锁死机构采用变胞机构原理改变踝关节自由度，实现踝轴的顺时针单向旋转锁死、逆时针单向旋转锁死、双向锁死及完全自由四种运动状态；动力屈伸机构利用绳索与弹簧机构的非线性运动特性，满足关节不同运动相的关节非线性刚度要求和运动轨迹要求，提高仿生踝关节的实际能量效率和使用安全性；足部弹性支撑机构和小腿护板，可提供多种运动步态所需的能量并满足不同人的穿戴特性。本发明有多种运动步态特性、运动稳定、能量利用率高、安全可靠，可提高康复性假肢的性能。

Description

基于变胞机构的可穿戴式主动型仿生假肢踝关节机构

技术领域

本发明主要涉及仿生机械学技术领域以及康复医疗领域，具体设计了一种基于变胞机构的可穿戴式主动型仿生假肢踝关节机构。

背景技术

当前，我国的智能仿生假肢市场主要依赖国外产品进口，这导致智能仿生假肢价格相对昂贵，因而致使仅有少数残疾人士才有机会装配此类智能仿生假肢。为改变国内假肢医疗用品行业的形式，以及缓解国内诸多残疾人士在生活中的不便等等问题，我国科研人员肩负的研究任务繁重而紧迫。相较于被动型踝关节机构，具备主动型仿生踝关节机构的假肢具备更多的优势，例如更好的环境适应能力，能够更加可靠的步态协调性能，并且有效提高使用者的舒适度。

在人体运动系统中，踝关节是一对极其重要的负重关节。作为足部与小腿间的枢纽，踝关节起着至关重要的作用。其主要功能在于减缓冲击、支撑重量、稳定人体、保持平衡以及储存能量的作用。目前假肢踝关节的研究重点在其机械结构设计上，在此研究基础上，按结构可分为被动踝关节与主动踝关节。其中，被动踝关节即结构无法自由运动，仅通过简单螺栓固定使足部与小腿连接为一体，这种被动结构由于一定程度上结构简单，功能单一，无法适应不同的运动步态以及提供辅助运动所需的能量。而基于变胞机构的主动型仿生踝关节结构，可以允许较大程度上的跖屈和背伸等多种运动形式，且可以很大程度的上提高能量的使用效率，能够为装配具有此类机构的智能仿生假肢的残疾人士提供更加舒适的行走状态。

早期情况下，装配假肢的患者只能采用被动式假肢来弥补身体功能上的缺失和获取正常的行走功能。然而由于被动式假肢机构上简单，适应能力差等特点，令患者步态僵硬迟缓，无法像正常人一样顺畅行走。因而对于截肢或腿部患疾的残疾人士而言，主动式仿生踝关节假肢对于其康复训练过程具有重要的意义，其可以通过提供主动的驱动力、踝轴转向控制和弹性板储能机构，使穿戴者获得类似人体运动特性的行走步态，提高截肢或腿部患疾的残疾人士在使用过程中的舒适度。目前在主动式仿生踝关节机构的研究过程中，如果依靠直接驱动踝关节则需要相对大功率的驱动，而使用直接驱动的大功率电机会导致整体机构系统的体积和质量较大，因此必须借助弹性元件协调能量在整个运动周期内的不匹配关系，减小运动周期内关节力矩和功率峰值，从而实现小功率电机驱动，提高运动周期内的能量效率。另外，借助主动型可双向锁死机构可以有效的保证步行运动中踝关节的转向锁定，并且能够在检测有摔倒趋势时，在短时间内完成机构的双向锁死，稳定机构状态，从而提供额外的安全保护。所以主动式仿生假肢可以最大程度上保证和提高患者在整个行走运动过程中的安全性和舒适度。

在专利【CN 106625617 A】中，公开了一种用于外骨骼机器人的防摔自锁机构，机器人包括第一连杆、第二连杆，防摔自锁机构包括电磁铁、棘爪、棘轮、弹簧，棘轮固定设置在第二连杆的上端，电磁铁固定设置在第一连杆上，电磁铁底部设有一个向下的伸缩杆，伸缩杆与电磁铁的触头连接，伸缩杆下端转动连接有棘爪，第一连杆上固定设置有第一销轴，棘爪的末端转动连接在第一销轴上，棘爪的前端与棘轮配合，弹簧的上下两端分别与棘爪和棘轮相连接，在弹簧的拉动作用下，棘爪与棘轮保持贴合；通过电磁铁的通电或断电实现伸缩杆的伸缩，从而带动棘爪脱离或贴合棘轮。本发明采用棘轮棘爪的自锁方式，在断电时能够单向自锁，使人腿往直立方向运动，安全性、可靠性高。但是该机构的设计只能保证机器人的单向自锁，没有考虑能量的锁定释放，能量的利用效率不高。在专利【CN 106625605A】中，提供一种轻型踝关节外骨骼，可在踝关节处为人体行走提供助力，减少人体行走耗能。本发明中采用电机连续工作，通过助力弹簧储存能量，在瞬时释放的工作模式，代替了已有外骨骼电机直接瞬时助力的模式，降低了对电机功率的要求，实现用低功率电机提供高功率助力的效果，从而降低了电机系统的重量和尺寸，实现外骨骼的轻型化。但是本发明需要电机持续工作，利用效率低，没有锁死功能稳定性不高，不便于装配调整。在专利【CN106625751 A】中，涉及一种自锁型关节并联弹性驱动器，采用电机垂直轴布置，减速器外壳本身属于驱动器的一部分而非电机减速的普通套接。第二级减速机构采用蜗轮蜗杆机构，降低横向尺寸并满足机械自锁。上壳与下壳的连接处横向尺寸小以安装蜗轮，而其他部分安装蜗杆和第一级减速机构。关节驱动器的最大弯曲角和最大伸展角被外壳尺寸限制以保护外骨骼使用者安全。储能机构采用扭簧，布置在上下壳的连接处并由机械凸台定位。蜗轮轴作为输出轴使上壳与下壳连接，下壳与上壳分别与动力外骨骼或人形机器人的下肢和上肢相连。但是结构设计比较复杂，自锁机构设计繁琐，没有双向自锁功能。本发明中利用棘轮棘爪的自锁特点，采用棘轮棘爪结构，在人的步行状态中控制踝关节运动方向的顺时针单向锁死、逆时针单向锁死、双向锁死及完全自由四种状态，保障明确的步态运动方向，并提高使用者在整个运动过程的安全性和可靠性。

智能主动式仿生踝关节的出现不仅弥补了被动式假肢的缺陷，而且保留了传统踝关节假肢的阻抗特性，并具备自动调整系统参数的特性。智能主动式仿生踝关节假肢可以根据外界环境变化和工作要求来主动调整系统的参数以适应需求。这种特性能够更好的还原人体踝关节的运动机理，并提高使用者行走中的舒适度。

综上所述，现今研发一种基于变胞机构的可穿戴式主动型仿生假肢踝关节机构的需求关键而紧迫，并且对于我国康复性智能假肢市场的发展极为重要。

发明内容

基于以上技术问题，本发明提供了基于变胞机构的可穿戴式主动型仿生假肢踝关节机构，以解决现有技术中康复性假肢性能贫乏，无法适应复杂地形环境行走的技术问题。

为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案如下：

基于变胞机构的可穿戴式主动型仿生假肢踝关节机构，包括足部弹性支撑机构、小腿护板、主动型可双向锁死机构及动力屈伸机构，

所述主动型可双向锁死机构包括锁死机构箱体，锁死机构箱体外壳上通过锁死驱动电机安装孔使用连接件固定安装有锁死驱动电机，锁死驱动电机的输出轴连接有驱动斜齿轮，驱动斜齿轮啮合有传动斜齿轮，所述锁死机构箱体内设有棘轮主轮，棘轮主轮的左、右上方分别安装有顺时针棘爪挡块和逆时针棘爪挡块，两棘爪挡块上方均设有齿轮-滚轮连接杆，齿轮-滚轮连接杆上方均固定连接有传动齿轮，传动齿轮上方设有驱动轴，齿轮-滚轮连接杆下方均连接有滚轮定位轴，滚轮定位轴两侧均设有锁死控制轮；所述棘轮主轮的轴配合于箱体上棘轮主轮安装孔a和端盖上棘轮主轮安装孔内，棘轮主轮可绕孔轴自由转动，并且通过足部机构连接轴承与足部弹性支撑机构进行连接；所述顺时针棘爪挡块和逆时针棘爪挡块交叉并通过定位螺栓固定于箱体上棘爪挡块定位孔和端盖上棘爪挡块定位孔形成均可转动的两构件，顺时针棘爪挡块和逆时针棘爪挡块之间设有挡块弹簧固定块，挡块弹簧固定块安装于箱体上挡块弹簧固定槽和端盖上挡块弹簧固定槽，挡块弹簧固定块与两棘爪挡块之间分别设有挡块弹簧a和挡块弹簧b；所述顺时针棘爪挡块上方设有齿轮-滚轮连接杆 b，齿轮-滚轮连接杆b上方固定连接有传动齿轮b，齿轮-滚轮连接杆b下方连接有滚轮定位轴b，并通过滚轮定位轴b定位于箱体上滚轮定位沟槽b和端盖上滚轮定位沟槽b中，滚轮定位轴b两侧分别设有顺时针锁死控制滚轮a和顺时针锁死控制滚轮b；所述逆时针棘爪挡块上方设有齿轮-滚轮连接杆a，齿轮-滚轮连接杆a上方固定连接有传动齿轮a，齿轮- 滚轮连接杆a下方连接有滚轮定位轴a，并通过滚轮定位轴a定位于箱体上滚轮定位沟槽a 和端盖上滚轮定位沟槽a中，滚轮定位轴a两侧分别设有逆时针锁死控制滚轮a和逆时针锁死控制滚轮b；所述传动齿轮a轴配合于传动齿轮a安装孔内，传动齿轮a左上方设有单向阻块a，单向阻块a对应安装于单向阻块a安装孔，单向阻块a与锁死机构箱体之间设有阻块弹簧a，所述传动齿轮b的轴配合于传动齿轮b安装孔内，传动齿轮b右上方设有单向阻块b，单向阻块b对应安装于单向阻块b安装孔，单向阻块b与锁死机构箱体之间设有阻块弹簧b；所述驱动轴内设有驱动轴固定轴承a和驱动轴固定轴承b，驱动轴固定轴承a套接安装于驱动轴固定轴承a安装孔内，驱动轴固定轴承b套接安装于驱动轴固定轴承b安装孔内，驱动轴通过驱动轴固定轴承a和驱动轴固定轴承b固定位置；驱动轴上依次套设有单向轴承a与单向轴承b，驱动轴、单向轴承a及单向轴承b之间通过垫圈a和垫圈b相隔，驱动轴的一端通过平键与传动斜齿轮相接；单向轴承a与驱动轴通过平键d相接，外圈齿轮a与单向轴承a通过平键c相接，单向轴承b与驱动轴通过平键b相接，外圈齿轮b 与单向轴承b通过平键a相接；

所述主动型可双向锁死机构上部设有锁死机构连接小腿护板安装孔a和锁死机构连接小腿护板安装孔b；所述小腿护板下部设有锁死机构安装孔a和锁死机构安装孔b，小腿护板上部设有屈伸机构安装孔a和屈伸机构安装孔b；所述动力屈伸机构上部设有屈伸机构连接小腿护板安装孔a和屈伸机构连接小腿护板安装孔b，动力屈伸机构下部设有屈伸连接杆支座；所述足部弹性支撑机构上部设有足部机构连接轴承，足部弹性支撑机构下部设有屈伸连接杆支座安装孔a和屈伸连接杆支座安装孔b；所述锁死机构连接小腿护板安装孔a和锁死机构安装孔a通过连接件固定连接，锁死机构连接小腿护板安装孔b和锁死机构安装孔b通过连接件固定连接，并将主动型可双向锁死机构与小腿护板连接并固定；所述屈伸机构连接小腿护板安装孔a与屈伸机构安装孔a通过连接件固定连接，屈伸机构连接小腿护板安装孔b与屈伸机构安装孔b通过连接件固定连接，并将小腿护板与动力屈伸机构连接并固定；所述屈伸连接杆支座通过连接件与屈伸连接杆支座安装孔a和屈伸连接杆支座安装孔b固定连接，并将动力屈伸机构与足部弹性支撑机构连接并固定；所述足部弹性支撑机构通过足部机构连接轴承与主动型可双向锁死机构连接并固定。

在以上技术方案基础上：所述动力屈伸机构包括屈伸机构支撑背板，屈伸机构支撑背板上部设有定滑轮安装孔，定滑轮安装孔通过连接件固定连接有定滑轮，所述屈伸机构支撑背板中部设有联轴器，联轴器的一端套接有屈伸驱动电机，联轴器的另一端套接有滚珠丝杆，滚珠丝杆通过丝杆固定轴承套结在丝杆固定轴承安装孔内，丝杆固定轴承通过轴承金属固定片a和轴承金属固定片b封固于丝杆固定轴承安装孔之中，滚珠丝杆的上端通过丝杆顶端固定轴承套接在丝杆顶端固定轴承安装孔内，滚珠丝杆可以转动；滚珠丝杆带螺纹处连接有丝杆滑块，丝杆滑块上设有绳索连接件，绳索连接件连接有绳索，绳索绕过定滑轮另一端固定连接有屈伸弹簧支柱，屈伸弹簧支柱套设有屈伸弹簧，屈伸弹簧的一端与屈伸弹簧支柱的上端固定连接，屈伸弹簧另一端与屈伸连接杆相接并固定于屈伸弹簧固定孔中，屈伸弹簧可沿支柱轴向拉伸变形；屈伸连接杆通过屈伸连接杆固定孔与屈伸连接杆支座连接，屈伸连接杆可以绕安装孔转动。

在以上技术方案基础上：所述足部弹性支撑机构包括足部弹性缓冲结构，足部弹性缓冲结构上左右两侧分别设有足部绑带卡扣a和足部绑带卡扣b，穿过足部绑带卡扣a和足部绑带卡扣b设有松紧可调节的足部绑带，所述足部弹性缓冲结构外侧设有足部连接支座，足部连接支座轴孔内设有足部机构连接轴承。

在以上技术方案基础上：所述小腿护板包括护板，护板中部套设有小腿绑带，小腿绑带上设有小腿绑带卡扣。

在以上技术方案基础上：所述足部弹性缓冲结构采用碳纤维材质。

在以上技术方案基础上：所述小腿绑带为柔性绑带，且小腿绑带可以通过小腿绑带卡扣调节其大小。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明中，主动型可双向锁死机构中的两个棘爪挡块交叉安装，当左侧控制滚轮到达上端时，挡块弹簧的弹性势能使其与棘轮主轮不接触，当左侧控制滚轮到达下端时，挤压挡块弹簧，使逆时针棘爪挡块与棘轮主轴接触，从而锁死棘轮主轮的逆时针转动运动；同理，当右侧控制滚轮到达下端时，锁死棘轮主轮的顺时针转动运动；当左右两侧控制滚轮都在上端时，棘轮主轮可自由转动；当左右两侧控制滚轮都在下端时，棘轮主轮双向锁死，从而可以完成棘轮主轮的顺时针转动锁死，逆时针转动锁死，双向锁死和自由转动；因此，主动型可双向锁死机构利用变胞机构原理改变踝关节自由度，可以达到踝轴的自由活动踝轴状态、行走步态中从脚后跟触地到脚尖离地的过程的踝轴顺时针状态、行走步态中从脚尖离地至脚后跟落地的过程的踝轴逆时针状态、行走步态中的静止行走的踝轴锁死状态的4种运动状态；

2、本发明中，传动齿轮、齿轮-滚轮连接杆、锁死控制滚轮和滚轮定位轴构成曲柄滑块机构，根据曲柄滑块机构特点，传动齿轮在旋转一周的周期内即可完成控制滚轮的往复运动，即棘爪挡块与棘轮主轮的一次接触和脱离，所以可以在短时间内通过控制锁死驱动电机的正反转切换完成双向锁死的控制，因此可在紧急情况下完成任意状态下短时间内机构的完全双向锁死，从而保证使用者的安全；此类机构有助于进一步控制假肢的步态，并提高使用安全性，对康复性假肢技术的创新有显著贡献；

3、本发明中，动力屈伸机构中，屈伸驱动电机通过联轴器带动滚珠丝杆转动，滚珠丝杆的转动带动丝杆滑块沿滚珠丝杆的轴向做直线上下运动，丝杆滑块的运动拉动绳索做直线上下运动，以压缩和释放屈伸弹簧；在步态前期，脚跟着地时，身体重心的下移和前倾将重力势能转换成碳纤维足部弹性支撑机构的弹性势能以及部分转化成屈伸弹簧的弹性势能；在步态中期，屈伸驱动电机驱动滚珠丝杠转动，通过丝杆滑块拉动绳索压缩屈伸弹簧储能，在步态后期，脚尖离地之前，储存在碳纤维足部弹性支撑机构和屈伸弹簧中的能量同时释放,提供给假肢足够的蹬地能量；在步态后期假肢摆动过程中，所述电机恢复初始状态，为下一步脚跟着地做准备，从而实现循环主动步态；此动力屈伸机构能够充分完成对步态的调节反馈，同时，动力屈伸机构中的屈伸弹簧可以有效的提高能量利用效率；

4、本发明中，假肢在行走的过程中，锁死驱动电机可以提供主动的机械力，减少行走过程中人体腿部用力；同时主动型可双向锁死机构可根据变胞机构原理提供多种行走步态特性，并能在运动中根据环境等需要进行调节，从而适应复杂的地形环境；

5、本发明中，基于变胞机构的可穿戴式主动型仿生假肢踝关节机构提出的锁死装置，能够在踝轴转动一定角度时锁死，使能量能够保持并且不增加人体的负作用力矩，这种锁死装置能有效提高工作效率；

6、本发明中，该结构为穿戴式假肢，能直接穿戴在人体身上，可以同时为没有截肢的行走障碍患者服务，同时，通过小腿绑带和足部绑带对患者的穿戴进行调节，极大增强了假肢的适应性及适用性。

附图说明

图1为基于变胞机构的可穿戴式主动型仿生假肢踝关节机构的整体示意图；

图2为主动型可双向锁死机构的整体示意图；

图3为动力屈伸机构的整体示意图；

图4为足部弹性支撑机构的整体示意图；

图5为主动型可双向锁死机构中齿轮传动部分的机构示意图；

图6为小腿护板结构的三视图；

图7为足部弹性缓冲结构的三视图；

图8为动力屈伸机构支撑背板结构的三视图；

图9为主动型可双向锁死机构箱体结构的三视图；

图10为主动型可双向锁死机构箱体端盖结构的三视图；

图中的标号分别是：1、护板；2、小腿绑带；3、小腿绑带卡扣；4、锁死驱动电机； 5、锁死机构箱体；6、足部绑带；7、足部绑带卡扣a；8、足部弹性缓冲结构；9、足部连接支座；10、屈伸连接杆支座；11、屈伸连接杆；12、屈伸驱动电机；13、屈伸弹簧；14、屈伸弹簧支柱；15、联轴器；16、轴承金属固定片a；17、轴承金属固定片 b；18、丝杆固定轴承；19、滚珠丝杆；20、丝杆滑块；21、绳索连接件；22、绳索； 23、定滑轮；24、丝杆顶端固定轴承；25、屈伸机构支撑背板；26、传动斜齿轮；27、驱动斜齿轮；28、棘轮主轮；29、顺时针锁死棘爪挡块；30、逆时针锁死棘爪挡块；31、挡块弹簧b；32、挡块弹簧固定块；33、挡块弹簧a；34、锁死装置箱体端盖；35、滚轮定位轴a；36、逆时针锁死控制滚轮a；37、逆时针锁死控制滚轮b；38、齿轮-滚轮连接杆a；39、传动齿轮a；40、阻块弹簧a；41、单向阻块a；42、阻块弹簧b；43、单向阻块b；44、传动齿轮b；45、齿轮-滚轮连接杆b；46、顺时针锁死控制滚轮a；47、滚轮定位轴b；48、顺时针锁死控制滚轮b；49、驱动轴固定轴承a；50、驱动轴；51、驱动轴固定轴承b；52、外圈齿轮a；53、单向轴承a；54、外圈齿轮b；55、单向轴承b； 56、平键a；57、平键b；58、平键c；59、平键d；60、垫圈a；61、垫圈b；62、足部机构连接轴承；63、足部绑带卡扣b；64、屈伸连接杆支座安装孔a；65、屈伸连接杆支座安装孔b；66、足部连接支座安装孔a；67、足部连接支座安装孔b；68、锁死机构安装孔a； 69、锁死机构安装孔b；70、屈伸机构安装孔a；71、屈伸机构安装孔b；72、锁死机构连接小腿护板安装孔a；73、锁死机构连接小腿护板安装孔b；74、锁死驱动电机安装孔； 75、箱体上棘轮主轮安装孔a；76、箱体上棘爪挡块定位孔；77、箱体上滚轮定位沟槽b；78、箱体上滚轮定位沟槽a；79、箱体上挡块弹簧固定槽；80、传动齿轮b安装孔；81、单向阻块b安装孔；82、驱动轴固定轴承b安装孔；83、端盖上棘轮主轮安装孔；84、端盖上棘爪挡块定位孔；85、传动齿轮a安装孔；86、驱动轴固定轴承a安装孔；87、单向阻块a安装孔；88、端盖上滚轮定位沟槽a；89、端盖上滚轮定位沟槽b；90、端盖上挡块弹簧固定槽；91、屈伸机构连接小腿护板安装孔a；92、屈伸机构连接小腿护板安装孔b；93、丝杆顶端固定轴承安装孔；94、丝杆固定轴承安装孔；95、屈伸驱动电机安装孔；96、定滑轮安装孔；97、屈伸弹簧固定孔；98、屈伸连接杆固定孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

具体实施例

如图1-10所示，基于变胞机构的可穿戴式主动型仿生假肢踝关节机构，包括足部弹性机构、小腿护板、主动型可双向锁死机构及动力屈伸机构，

所述主动型可双向锁死机构包括锁死机构箱体5，锁死机构箱体5外壳上通过锁死驱动电机安装孔74使用连接件固定安装有锁死驱动电机4，锁死驱动电机4的输出轴连接有驱动斜齿轮27，驱动斜齿轮27啮合有传动斜齿轮26，所述锁死机构箱体5内设有棘轮主轮28，棘轮主轮28的左、右上方分别安装有顺时针棘爪挡块29和逆时针棘爪挡块30，两棘爪挡块上方均设有齿轮-滚轮连接杆，齿轮-滚轮连接杆上方均固定连接有传动齿轮，传动齿轮上方设有驱动轴50，齿轮-滚轮连接杆下方均连接有滚轮定位轴，滚轮定位轴两侧均设有锁死控制轮；所述棘轮主轮28的轴配合于箱体上棘轮主轮安装孔a75和端盖上棘轮主轮安装孔83内，棘轮主轮28可绕孔轴自由转动，并且通过足部机构连接轴承62与足部弹性支撑机构进行连接；所述顺时针棘爪挡块29和逆时针棘爪挡块30交叉并通过定位螺栓固定于箱体上棘爪挡块定位孔76和端盖上棘爪挡块定位孔84形成均可转动的两构件，顺时针棘爪挡块29和逆时针棘爪挡块30之间设有挡块弹簧固定块32，挡块弹簧固定块32安装于箱体上挡块弹簧固定槽79和端盖上挡块弹簧固定槽90，挡块弹簧固定块32与两棘爪挡块之间分别设有挡块弹簧a33和挡块弹簧b31；所述顺时针棘爪挡块29上方设有齿轮-滚轮连接杆b45，齿轮-滚轮连接杆b45上方固定连接有传动齿轮b44，齿轮-滚轮连接杆b45下方连接有滚轮定位轴b47，并通过滚轮定位轴b47定位于箱体上滚轮定位沟槽b77和端盖上滚轮定位沟槽b89中，滚轮定位轴b47两侧分别设有顺时针锁死控制滚轮a46和顺时针锁死控制滚轮b48；所述逆时针棘爪挡块30上方设有齿轮-滚轮连接杆a38，齿轮-滚轮连接杆a38上方固定连接有传动齿轮a39，齿轮-滚轮连接杆a38下方连接有滚轮定位轴a35，并通过滚轮定位轴a35定位于箱体上滚轮定位沟槽a78和端盖上滚轮定位沟槽a88中，滚轮定位轴a35两侧分别设有逆时针锁死控制滚轮a36和逆时针锁死控制滚轮b37；所述传动齿轮a39轴配合于传动齿轮a安装孔85内，传动齿轮a39左上方设有单向阻块a41，单向阻块a41对应安装于单向阻块a安装孔87，单向阻块a41与锁死机构箱体5之间设有阻块弹簧a40，所述传动齿轮b44的轴配合于传动齿轮b安装孔80内，传动齿轮b44右上方设有单向阻块b43，单向阻块b43对应安装于单向阻块b安装孔81，单向阻块b43与锁死机构箱体5之间设有阻块弹簧b42；所述驱动轴50内设有驱动轴固定轴承a49和驱动轴固定轴承b51，驱动轴固定轴承a49套接安装于驱动轴固定轴承a安装孔86内，驱动轴固定轴承b51套接安装于驱动轴固定轴承b安装孔82内，驱动轴50通过驱动轴固定轴承a49和驱动轴固定轴承b51固定位置；驱动轴50上依次套设有单向轴承a53与单向轴承b55，驱动轴50、单向轴承a53及单向轴承b55之间通过垫圈a60和垫圈b61相隔，驱动轴50的一端通过平键与传动斜齿轮26相接；单向轴承a53与驱动轴50通过平键d59相接，外圈齿轮a52与单向轴承a53通过平键c58相接，单向轴承b55与驱动轴50通过平键b57相接，外圈齿轮b54与单向轴承b55通过平键a56相接；

本实施例使用时，锁死驱动电机4通过驱动斜齿轮27和传动斜齿轮26的啮合实现对驱动轴50的动力驱动，驱动轴的正转和反转分别带动单向轴承a53和单向轴承b55的转动；单向轴承a53带动外圈齿轮a52转动，同时外圈齿轮a52与传动齿轮a39啮合带动传动齿轮a39转动，单向阻块a41可以保证传动齿轮a39的单向转动，同时传动齿轮a39、齿轮- 滚轮连接杆a38、逆时针锁死控制滚轮a36、逆时针锁死控制滚轮b37和滚轮定位轴a35构成曲柄滑块机构，使得控制滚轮可以在箱体上滚轮定位沟槽a78和端盖上滚轮定位沟槽a88 内随传动齿轮a39的转动做直线往复运动，当控制滚轮接触并挤压逆时针锁死棘爪挡块30 时，逆时针棘爪挡块30绕定位轴孔旋转，下端与棘轮主轮28接触，从而达到逆时针转向的锁死；单向轴承b55带动外圈齿轮b54转动，同时外圈齿轮b54与传动齿轮b44啮合带动传动齿轮b44转动，单向阻块b43可以保证传动齿轮b44单向转动，同时传动齿轮b44、齿轮-滚轮连接杆b45、顺时针锁死控制滚轮a46、顺时针锁死控制滚轮b47和滚轮定位轴 b48构成曲柄滑块机构，使得控制滚轮可以在箱体上滚轮定位沟槽b77和端盖上滚轮定位沟槽b89内随传动齿轮b54的转动做直线往复运动，当控制滚轮接触并挤压顺时针锁死棘爪挡块29时，顺时针棘爪挡块29绕定位轴孔旋转，下端与棘轮主轮28接触，从而达到顺时针转向的锁死；当所有控制滚轮都处于定位沟槽上端时，挡块弹簧a33和挡块弹簧b31利用弹性势能使顺时针锁死棘爪挡块29和逆时针锁死棘爪挡块30与棘轮主轮28不接触，从而达到双向自由状态；当逆时针锁死控制滚轮a36和逆时针锁死控制滚轮b37到达沟槽下端时，接触并挤压逆时针锁死棘爪挡块30时，逆时针锁死棘爪挡块30绕定位轴孔旋转，下端与棘轮主轮28接触，从而达到逆时针转向的锁死；当顺时针锁死控制滚轮a46和顺时针锁死控制滚轮b48到达沟槽下端时，接触并挤压顺时针锁死棘爪挡块29时，顺时针锁死棘爪挡块29绕定位轴孔旋转，下端与棘轮主轮28接触，从而达到顺时针转向的锁死；分别通过传动齿轮a39和传动齿轮b44驱动左右两侧的锁死控制滚轮，可以完成棘轮主轮28 的顺时针转向锁死、逆时针转向锁死及双向锁死状态；当需要双向锁死状态时，通过驱动控制滚轮依次锁死顺时针方向和逆时针方向，根据曲柄滑块机构特点，传动齿轮在旋转一周的周期内即可完成控制滚轮的往复运动，即棘爪挡块与棘轮主轮28的一次接触和脱离，所以可以在短时间内通过控制锁死驱动电机4的正反转切换完成双向锁死的控制；综上，该机构可以实现四种锁死状态，分别是顺时针转向锁死，逆时针转向锁死，双向完全锁死及双向自由状态；当双向锁死时，棘轮主轮28不可以进行转动，即假肢踝轴不可转动，此时能够将踝足锁死不动，并且能够将弹簧的弹性势能保持住。

所述主动型可双向锁死机构上部设有锁死机构连接小腿护板安装孔a72和锁死机构连接小腿护板安装孔b73；所述小腿护板下部设有锁死机构安装孔a68和锁死机构安装孔b69，小腿护板上部设有屈伸机构安装孔a70和屈伸机构安装孔b71；所述动力屈伸机构上部设有屈伸机构连接小腿护板安装孔a91和屈伸机构连接小腿护板安装孔b92，动力屈伸机构下部设有屈伸连接杆支座10；所述足部弹性支撑机构上部设有足部机构连接轴承62，足部弹性支撑机构下部设有屈伸连接杆支座安装孔a64和屈伸连接杆支座安装孔b65；所述锁死机构连接小腿护板安装孔a72和锁死机构安装孔a68通过连接件固定连接，锁死机构连接小腿护板安装孔b73和锁死机构安装孔b69通过连接件固定连接，并将主动型可双向锁死机构与小腿护板连接并固定；所述屈伸机构连接小腿护板安装孔a91与屈伸机构安装孔a70通过连接件固定连接，屈伸机构连接小腿护板安装孔b92与屈伸机构安装孔b71通过连接件固定连接，并将小腿护板与动力屈伸机构连接并固定；所述屈伸连接杆支座10通过连接件与屈伸连接杆支座安装孔a64和屈伸连接杆支座安装孔b65固定连接，并将动力屈伸机构与足部弹性支撑机构连接并固定；所述足部弹性支撑机构通过足部机构连接轴承62与主动型可双向锁死机构连接并固定；

本实施例使用时，主动型可双向锁死机构、动力屈伸机构、小腿护板及动力屈伸机构之间相互固定连接可以保证整体机构的一体性与稳定性，可防止机构之间发生相对运动对使用者的使用造成不利影响。

作为上述实施例的进一步描述：所述动力屈伸机构包括屈伸机构支撑背板25，屈伸机构支撑背板25上部设有定滑轮安装孔96，定滑轮安装孔96通过连接件固定连接有定滑轮 23，所述屈伸机构支撑背板25中部设有联轴器15，联轴器15的一端套接有屈伸驱动电机12，联轴器15的另一端套接有滚珠丝杆19，滚珠丝杆19通过丝杆固定轴承18套结在丝杆固定轴承安装孔94内，丝杆固定轴承18通过轴承金属固定片a16和轴承金属固定片b17 封固于丝杆固定轴承安装孔94之中，滚珠丝杆19的上端通过丝杆顶端固定轴承24套接在丝杆顶端固定轴承安装孔93内，滚珠丝杆19可以转动；滚珠丝杆19带螺纹处连接有丝杆滑块20，丝杆滑块20上设有绳索连接件21，绳索连接件21连接有绳索22，绳索22绕过定滑轮23另一端固定连接有屈伸弹簧支柱14，屈伸弹簧支柱14套设有屈伸弹簧13，屈伸弹簧13的一端与屈伸弹簧支柱14的上端固定连接，屈伸弹簧13另一端与屈伸连接杆11 相接并固定于屈伸弹簧固定孔97中，屈伸弹簧13可沿支柱轴向拉伸变形；屈伸连接杆11 通过屈伸连接杆固定孔98与屈伸连接杆支座10连接，屈伸连接杆11可以绕安装孔转动；

本实施例使用时，屈伸驱动电机12通过联轴器15带动滚珠丝杆19的转动，滚珠丝杆 19的转动带动丝杆滑块20沿滚珠丝杆19的轴向做直线上下运动，丝杆滑块20的运动通过绳索连接件21拉动绳索22绕定滑轮23做直线上下运动，以压缩和释放屈伸弹簧13；绳索22的另一端连接屈伸弹簧支柱14，而屈伸弹簧13套在屈伸弹簧支柱14上，屈伸弹簧13 的上端固定于屈伸弹簧支柱14的顶端，另一端固定于屈伸连接杆11的一端，屈伸弹簧13 在屈伸弹簧支柱14轴向拉伸和压缩时，可以拉动屈伸连接杆11，从而拉动足部弹性支承机构；在步态中期，屈伸驱动电机12驱动滚珠丝杆19转动，从而带动丝杆滑块20沿轴向向上运动并拉动绳索22压缩屈伸弹簧13储能，在步态后期，脚尖离地之前，储存在足部弹性支撑机构和屈伸弹簧13的能量同时释放,提供给假肢足够的蹬地能量，在步态后期假肢摆动过程中，屈伸驱动电机12恢复初始状态，为下一步脚跟着地做准备，从而实现循环主动步态和运动储能。

作为上述实施例的进一步描述：所述足部弹性支撑机构包括足部弹性缓冲结构8，足部弹性缓冲结构8上左右两侧分别设有足部绑带卡扣a7和足部绑带卡扣b63，穿过足部绑带卡扣a7和足部绑带卡扣b63设有松紧可调节的足部绑带6，所述足部弹性缓冲结构8外侧设有足部连接支座9，足部连接支座9轴孔内设有足部机构连接轴承62；所述足部弹性缓冲结构8采用碳纤维板材质；

本实施例使用时，足部绑带卡扣中设有松紧可调的足部绑带6，通过绑带卡扣调节足部绑带6的松紧以使人体的足部与足部弹性支撑机构保持相对固定，从而保证安全；足部弹性支撑机构通过足部机构连接轴承62与主动型可双向锁死机构连接，并能以足部机构连接轴承62的轴线为基准转动，模拟人体踝关节的踝轴的运动特性；足部弹性缓冲结构8采用碳纤维材质，通过弹性缓冲的结构设计提供行走过程中所需要的能量，并通过结构设计，使其具有良好的弹性缓冲性能以减缓足部受到的冲击，并且结构符合人体足部形状，从而保障行走状态中的舒适。

作为上述实施例的进一步描述：所述小腿护板包括护板1，护板1中部套设有小腿绑带 2，小腿绑带2上设有小腿绑带卡扣3；所述小腿绑带2为柔性绑带，且小腿绑带2可以通过小腿绑带卡扣3调节其大小；

本发明使用时，小腿护板1采用仿生机械学领域相关知识，结构设计为适应正常人的小腿形状，通过柔性的小腿绑带2以固定人的小腿与护板，并利用小腿绑带卡扣3实现松紧的调节；可以保证小腿护板与人小腿之间的适应性与稳定性，从而保障行走过程中的舒适性。

如上所述即为本发明的实施例。前文所述为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.基于变胞机构的可穿戴式主动型仿生假肢踝关节机构，包括足部弹性支撑机构、小腿护板、主动型可双向锁死机构及动力屈伸机构，其特征在于：

所述主动型可双向锁死机构包括锁死机构箱体(5)，锁死机构箱体(5)外壳上通过锁死驱动电机安装孔(74)使用连接件固定安装有锁死驱动电机(4)，锁死驱动电机(4)的输出轴连接有驱动斜齿轮(27)，驱动斜齿轮(27)啮合有传动斜齿轮(26)，所述锁死机构箱体(5)内设有棘轮主轮(28)，棘轮主轮(28)的左、右上方分别安装有顺时针棘爪挡块(29)和逆时针棘爪挡块(30)，两棘爪挡块上方均设有齿轮-滚轮连接杆，齿轮-滚轮连接杆上方均固定连接有传动齿轮，传动齿轮上方设有驱动轴(50)，齿轮-滚轮连接杆下方均连接有滚轮定位轴，滚轮定位轴两侧均设有锁死控制轮；所述棘轮主轮(28)的轴配合于箱体上棘轮主轮安装孔a(75)和端盖上棘轮主轮安装孔(83)内，棘轮主轮(28)可绕孔轴自由转动，并且通过足部机构连接轴承(62)与足部弹性支撑机构进行连接；所述顺时针棘爪挡块(29)和逆时针棘爪挡块(30)交叉并通过定位螺栓固定于箱体上棘爪挡块定位孔(76)和端盖上棘爪挡块定位孔(84)形成均可转动的两构件，顺时针棘爪挡块(29)和逆时针棘爪挡块(30)之间设有挡块弹簧固定块(32)，挡块弹簧固定块(32)安装于箱体上挡块弹簧固定槽(79)和端盖上挡块弹簧固定槽(90)，挡块弹簧固定块(32)与两棘爪挡块之间分别设有挡块弹簧a(33)和挡块弹簧b(31)；所述顺时针棘爪挡块(29)上方设有齿轮-滚轮连接杆b(45)，齿轮-滚轮连接杆b(45)上方固定连接有传动齿轮b(44)，齿轮-滚轮连接杆b(45)下方连接有滚轮定位轴b(47)，并通过滚轮定位轴b(47)定位于箱体上滚轮定位沟槽b(77)和端盖上滚轮定位沟槽b(89)中，滚轮定位轴b(47)两侧分别设有顺时针锁死控制滚轮a(46)和顺时针锁死控制滚轮b(48)；所述逆时针棘爪挡块(30)上方设有齿轮-滚轮连接杆a(38)，齿轮-滚轮连接杆a(38)上方固定连接有传动齿轮a(39)，齿轮-滚轮连接杆a(38)下方连接有滚轮定位轴a(35)，并通过滚轮定位轴a(35)定位于箱体上滚轮定位沟槽a(78)和端盖上滚轮定位沟槽a(88)中，滚轮定位轴a(35)两侧分别设有逆时针锁死控制滚轮a(36)和逆时针锁死控制滚轮b(37)；所述传动齿轮a(39)轴配合于传动齿轮a安装孔(85)内，传动齿轮a(39)左上方设有单向阻块a(41)，单向阻块a(41)对应安装于单向阻块a安装孔(87)，单向阻块a(41)与锁死机构箱体(5)之间设有阻块弹簧a(40)，所述传动齿轮b(44)的轴配合于传动齿轮b安装孔(80)内，传动齿轮b(44)右上方设有单向阻块b(43)，单向阻块b(43)对应安装于单向阻块b安装孔(81)，单向阻块b(43)与锁死机构箱体(5)之间设有阻块弹簧b(42)；所述驱动轴(50)内设有驱动轴固定轴承a(49)和驱动轴固定轴承b(51)，驱动轴固定轴承a(49)套接安装于驱动轴固定轴承a安装孔(86)内，驱动轴固定轴承b(51)套接安装于驱动轴固定轴承b安装孔(82)内，驱动轴(50)通过驱动轴固定轴承a(49)和驱动轴固定轴承b(51)固定位置；驱动轴(50)上依次套设有单向轴承a(53)与单向轴承b(55)，驱动轴(50)、单向轴承a(53)及单向轴承b(55)之间通过垫圈a(60)和垫圈b(61)相隔，驱动轴(50)的一端通过平键与传动斜齿轮(26)相接；单向轴承a(53)与驱动轴(50)通过平键d(59)相接，外圈齿轮a(52)与单向轴承a(53)通过平键c(58)相接，单向轴承b(55)与驱动轴(50)通过平键b(57)相接，外圈齿轮b(54)与单向轴承b(55)通过平键a(56)相接；

所述主动型可双向锁死机构上部设有锁死机构连接小腿护板安装孔a(72)和锁死机构连接小腿护板安装孔b(73)；所述小腿护板下部设有锁死机构安装孔a(68)和锁死机构安装孔b(69)，小腿护板上部设有屈伸机构安装孔a(70)和屈伸机构安装孔b(71)；所述动力屈伸机构上部设有屈伸机构连接小腿护板安装孔a(91)和屈伸机构连接小腿护板安装孔b(92)，动力屈伸机构下部设有屈伸连接杆支座(10)；所述足部弹性支撑机构上部设有足部机构连接轴承(62)，足部弹性支撑机构下部设有屈伸连接杆支座安装孔a(64)和屈伸连接杆支座安装孔b(65)；所述锁死机构连接小腿护板安装孔a(72)和锁死机构安装孔a(68)通过连接件固定连接，锁死机构连接小腿护板安装孔b(73)和锁死机构安装孔b(69)通过连接件固定连接，并将主动型可双向锁死机构与小腿护板连接并固定；所述屈伸机构连接小腿护板安装孔a(91)与屈伸机构安装孔a(70)通过连接件固定连接，屈伸机构连接小腿护板安装孔b(92)与屈伸机构安装孔b(71)通过连接件固定连接，并将小腿护板与动力屈伸机构连接并固定；所述屈伸连接杆支座(10)通过连接件与屈伸连接杆支座安装孔a(64)和屈伸连接杆支座安装孔b(65)固定连接，并将动力屈伸机构与足部弹性支撑机构连接并固定；所述足部弹性支撑机构通过足部机构连接轴承(62)与主动型可双向锁死机构连接并固定。

2.根据权利要求1所述的基于变胞机构的可穿戴式主动型仿生假肢踝关节机构，其特征在于：所述动力屈伸机构包括屈伸机构支撑背板(25)，屈伸机构支撑背板(25)上部设有定滑轮安装孔(96)，定滑轮安装孔(96)通过连接件固定连接有定滑轮(23)，所述屈伸机构支撑背板(25)中部设有联轴器(15)，联轴器(15)的一端套接有屈伸驱动电机(12)，联轴器(15)的另一端套接有滚珠丝杆(19)，滚珠丝杆(19)通过丝杆固定轴承(18)套结在丝杆固定轴承安装孔(94)内，丝杆固定轴承(18)通过轴承金属固定片a(16)和轴承金属固定片b(17)封固于丝杆固定轴承安装孔(94)之中，滚珠丝杆(19)的上端通过丝杆顶端固定轴承(24)套接在丝杆顶端固定轴承安装孔(93)内，滚珠丝杆(19)可以转动；滚珠丝杆(19)带螺纹处连接有丝杆滑块(20)，丝杆滑块(20)上设有绳索连接件(21)，绳索连接件(21)连接有绳索(22)，绳索(22)绕过定滑轮(23)另一端固定连接有屈伸弹簧支柱(14)，屈伸弹簧支柱(14)套设有屈伸弹簧(13)，屈伸弹簧(13)的一端与屈伸弹簧支柱(14)的上端固定连接，屈伸弹簧(13)另一端与屈伸连接杆(11)相接并固定于屈伸弹簧固定孔(97)中，屈伸弹簧(13)可沿支柱轴向拉伸变形；屈伸连接杆(11)通过屈伸连接杆固定孔(98)与屈伸连接杆支座(10)连接，屈伸连接杆(11)可以绕安装孔转动。

3.根据权利要求1所述的基于变胞机构的可穿戴式主动型仿生假肢踝关节机构，其特征在于：所述足部弹性支撑机构包括足部弹性缓冲结构(8)，足部弹性缓冲结构(8)上左右两侧分别设有足部绑带卡扣a(7)和足部绑带卡扣b(63)，穿过足部绑带卡扣a(7)和足部绑带卡扣b(63)设有松紧可调节的足部绑带(6)，所述足部弹性缓冲结构(8)外侧设有足部连接支座(9)，足部连接支座(9)轴孔内设有足部机构连接轴承(62)。

4.根据权利要求1所述的基于变胞机构的可穿戴式主动型仿生假肢踝关节机构，其特征在于：所述小腿护板包括护板(1)，护板(1)中部套设有小腿绑带(2)，小腿绑带(2)上设有小腿绑带卡扣(3)。

5.根据权利要求3所述的基于变胞机构的可穿戴式主动型仿生假肢踝关节机构，其特征在于：所述足部弹性缓冲结构(8)采用碳纤维材质。

6.根据权利要求4所述的基于变胞机构的可穿戴式主动型仿生假肢踝关节机构，其特征在于：所述小腿绑带(2)为柔性绑带，且小腿绑带(2)可以通过小腿绑带卡扣(3)调节其大小。