CN109223264B - 一种膝关节假肢及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种膝关节假肢及控制方法，涉及膝关节假肢技术领域。该膝关节假肢，包括小腿组件；及动力推杆组件，动力推杆组件的一端与小腿组件转动连接，另一端与连接件的第一端转动连接，连接件的第二端与小腿组件转动连接；通过改变动力推杆组件的两端的距离能够带动小腿组件绕动力推杆组件转动。该膝关节假肢，结构简单，可靠性高，能够实现自然的行走状态。该控制方法采用上述的膝关节假肢，能够根据使用者的需要，自动调节不同的行走模式，用户体验更好。

Description

一种膝关节假肢及控制方法
技术领域
本发明涉及膝关节假肢技术领域，尤其涉及一种膝关节假肢及控制方法。
背景技术
创伤和疾病等因素导致下肢截肢后，穿戴适当的假肢系统是辅助截肢者实现功能康复和回归日常生活及社会的关键。对于下肢截肢患者而言，安装假肢的目的除了代替行走功能，更重要的是要模拟正常人体关节运动，以求达到最自然的步态。在下肢假肢系统中，膝关节是最重要的组成部分，它的性能直接影响着膝上假肢的整体性能。按照下肢假肢的操控模式，现有技术中的下肢假肢系统可以分为：被动型假肢(或无动力型假肢)和主动型假肢(或动力/智能型假肢)两类。其中，主动型假肢能为使用者提供额外的辅助动力，使用者可以不需要残存下肢、臀部或躯体的摆/扭动等动作就能操控假肢实现行走，因此能够最大程度地帮助使用者恢复到原有的、自然的行走功能。
现有技术中的膝关节假肢，通常仅采用电机作为动力源，通过弹簧的弹性形变产生的弹性力来抵抗使用者在不同行走模式下的动作，不仅结构复杂，体积大，较为笨重，而且仅靠弹簧的形变无法真正实现膝关节的动作与自然的行走状态下的动作相匹配。
发明内容
针对上述问题，本发明的一个目的在于提出一种膝关节假肢，结构简单，可靠性高，能够实现自然的行走状态。
本发明的一个目的在于提出一种膝关节假肢的控制方法，能够根据使用者的需要，自动调节不同的行走模式，用户体验更好。
本发明采用以下技术方案：
一种膝关节假肢，包括：
小腿组件；及
动力推杆组件，动力推杆组件的一端与小腿组件转动连接，另一端与连接件的第一端转动连接，连接件的第二端与小腿组件转动连接；
通过改变动力推杆组件的两端的距离能够带动小腿组件绕动力推杆组件转动。
作为本发明的一种优选方案，动力推杆组件包括电机和连接在电机输出端的传动件和与传动件连接的伸缩部，电机带动传动件转动，传动件带动伸缩部伸长或缩短以改变动力推杆组件的两端的距离。
作为本发明的一种优选方案，伸缩部为相互配合的丝杆和丝杆螺母，丝杆螺母与小腿组件转动连接，传动件与丝杆连接，电机带动传动件转动以驱动丝杆旋入或旋出丝杆螺母。
作为本发明的一种优选方案，动力推杆组件为液压缸或气缸，液压缸或气缸的输出端伸出或缩回以改变动力推杆组件的两端的距离。
作为本发明的一种优选方案，连接件包括第一连杆，第一连杆的一端与丝杆通过第一转轴可转动连接，第一连杆的另一端通过第三转轴与小腿组件可转动连接。
作为本发明的一种优选方案，丝杆的轴线与电机的输出端的轴线平行设置。
作为本发明的一种优选方案，小腿组件包括间隔设置的两块侧板且通过多个连接柱固定连接，两块侧板之间形成容纳空间，容纳空间能容纳动力推杆组件和连接件。
作为本发明的一种优选方案，还包括脚组件，脚组件与小腿组件的下部可拆卸连接。
作为本发明的一种优选方案，第三转轴的一端设置有角位移传感器。
一种膝关节假肢的控制方法，采用上述的膝关节假肢，包括以下步骤：
在正常人在多种行走情况下，采集膝盖处的转动速度和转动加速度数据；
将采集到的数据导入控制器中，控制器对应形成不同的行走模型选项；
使用者选择其中一种行走模型，控制器读取对应行走模式的数据，控制器控制动力推杆组件的动作，以改变动力推杆组件与小腿组件的相对转动的速度和加速度的大小。
本发明的有益效果为：
本发明提出的一种膝关节假肢，通过设置动力推杆组件和连接件，使得当动力推杆组件动作时，能够改变动力推杆组件的长度，进而实现动力推杆组件与小腿组件的相对转动，这个主动驱动下产生的相对转动就能够起到正常膝盖动作时的完全作用，无需使用者发力，即可实现膝关节假肢的弯曲动作。同时，该膝关节假肢结构简单，可靠性高。
本发明提出的一种膝关节假肢，采用上述的膝关节假肢，通过，首先采集正常人在多种行走情况下，膝盖处的转动速度和转动加速度数据，并进行处理得到不同的行走模型选项，在实际使用时，使用者就可以根据需要选择其中一种行走模型，控制器读取对应行走模式的数据，控制器控制动力推杆组件的动作，通过改变动力推杆组件与小腿组件的相对转动的速度和加速度的大小来模拟这种情况下正常人的行走步态，用户体验更好。
附图说明
图1是本发明实施例中膝关节假肢的结构示意图；
图2是本发明实施例中膝关节假肢隐去部分侧板和连接柱后的结构示意图；
图3是本发明实施例中动力推杆组件和连接件配合的结构示意图。
图中：
1、小腿组件；2、动力推杆组件；3、连接件；4、脚组件；5、角位移传感器；
11、侧板；12、连接柱；
21、电机；22、传动件；23、伸缩部；
31、第一连杆；32、第一转轴；33、第三转轴；34、第二转轴；
41、支撑杆；42、卡紧件；43、脚踝部；
221、第一齿轮；222、第二齿轮；
231、丝杆；232、丝杆螺母。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案做进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
图1是本发明实施例中膝关节假肢的结构示意图，图2是本发明实施例中膝关节假肢隐去部分侧板和连接柱后的结构示意图，综合图1和图2所示，该膝关节假肢主要包括：小腿组件1和动力推杆组件2和连接件3。其中，动力推杆组件2和连接件3的配合能模拟“人的膝盖”，小腿组件1模拟的是“人的小腿”，因此可以模拟正常人行走时，动力推杆组件2通过连接件3带动小腿组件1弯曲的动作。进一步地，通过改变动力推杆组件2的两端的距离能够带动小腿组件1绕动力推杆组件2转动，达到主动驱动膝关节转动的目的，无需使用者发力，结构简单，可靠性高。
进一步地，如图1中所示，小腿组件1包括间隔设置的两块侧板11，以及两块侧板11直接设置的多个连接柱12。即多个连接柱12将间隔设置的两块侧板11连接和固定，形成类似“小腿”的主体结构，两块侧板11之间形成容纳空间，容纳空间能容纳动力推杆组件2和连接件3。
进一步地，还包括脚组件4，脚组件4与小腿组件1的下部可拆卸连接，脚组件4相当于人体的“脚”，通过设置脚组件4与小腿组件1的下部可拆卸连接来实现调节整个膝关节假肢的长度。具体地，卡紧件42与两块侧板11之间固定连接，卡紧件42将支撑杆41卡紧在内部，支撑杆41为杆状结构，支撑杆41通过深入卡紧件42内的长度来调节整个膝关节假肢的高度；支撑杆41的下端连接有脚踝部43，图1中脚踝部43底端呈平面结构，相当于“脚掌”，还设置有弹簧作为缓冲。动力推杆组件2和连接件3设置在小腿组件1的顶端，相当于人体结构中膝盖和小腿的位置关系；脚组件4设置在小腿组件1的底端，相当于人体结构中脚掌和小腿的位置关系。
为了实现通过改变动力推杆组件2的两端的距离，以带动小腿组件1绕动力推杆组件2转动，需要将推杆组件2设置成为长度可调的结构，因本发明并不具体限定推杆组件2的结构形式。例如，推杆组件2可以直接设置为液压缸或气缸，液压缸或气缸的输出端伸出或缩回，就可以改变动力推杆组件2的两端的距离。推杆组件2也可以包括电机21和连接在电机21输出端的传动件22和与传动件22连接的伸缩部23，电机21带动传动件22转动，传动件22带动伸缩部23伸长或缩短以改变动力推杆组件2的两端的距离，即通过将旋转运动转化为直线运动实现长度可调。本发明优选保护后一种方案，其占用提交小，结构稳定，可靠性高。
具体地，图3是本发明实施例中动力推杆组件和连接件配合的结构示意图，综合图2和图3可以看出，动力推杆组件2主要包括电机21、传动件22和伸缩部23。其中，电机21作为主动驱动的动力单元，传动件22连接在电机21输出端，传动件22用于将电机21的转矩传递给伸缩部23，传动件22带动伸缩部23伸长或缩短以改变动力推杆组件2的两端的距离。
进一步地，伸缩部23为相互配合的丝杆231和丝杆螺母232，通过丝杆螺母232与小腿组件1转动连接，传动件22与丝杆231连接，电机21带动传动件22转动以驱动丝杆231旋入或旋出丝杆螺母232，本实施例并不局限这种形式。进一步地。传动件22优选设置为相互啮合的第一齿轮221和第二齿轮222。如图2和图3中可见，电机21通过安装板固定在伸缩部23上，其中丝杆231的轴线与电机21的输出端的轴线平行设置，这种设置能够节省空间。第一齿轮221套设在电机21的输出端，第二齿轮222套设在丝杆231上，第一齿轮221和第二齿轮222相互啮合，传递扭矩。
即当电机21驱动时，带动第一齿轮221转动，第一齿轮221和第二齿轮222相互啮合，扭矩传递给第二齿轮222上的丝杆231，丝杆231转动实现旋入或旋出丝杆螺母232以实现伸缩部23长度可调。可以预计地是，电机21的转速的大小、方向和功率，能够决定伸缩部23长度变化的快慢，最终体现在动力推杆组件2与小腿组件1实现相对转动的速度和加速度的大小。
进一步地，连接件3包括第一连杆31，第一连杆31的一端与丝杆231通过第一转轴32可转动连接，第一连杆31的另一端通过第三转轴33与小腿组件1可转动连接。具体地，如图2所示，第二转轴34的两端分别连接在两块侧板11上，即第二转轴34为一固定的支点，丝杆螺母232远离第一转轴32的一端可转动连接在第二转轴34上。因此，伸缩部23和第一连杆31，通过第三转轴33、第一转轴32和第二转轴34组成了一个连杆机构，由于伸缩部23的长度可调，使得连杆机构中的第一转轴32能够在空间中摆动。
具体地，如图2和图3中可见，丝杆螺母232的一端与第二转轴34连接，而第二转轴34连接在两块侧板11上，因此丝杆螺母232的位置不会改变，丝杆螺母232能以第二转轴34为轴进行摆动。当丝杆231旋入丝杆螺母232时，伸缩部23的长度缩短；当丝杆231旋出丝杆螺母232时，伸缩部23的长度增长。
举例说明，当伸缩部23伸长时，第一转轴32以第三转轴33为转动轴，以第一连杆31为转动臂做逆时针转动；反之当伸缩部23缩短时，第一转轴32以第三转轴33为转动轴，以第一连杆31为转动臂做顺时针转动。
在本实施例中，第一转轴32为自由端，因此电机21为主动驱动力，最终的执行机构为第一转轴32，表现为第一转轴32在空间的摆动。可以预计地是，当第一转轴32与外部的部件连接时，当电机21主动驱动时，如果第一转轴32不动，那么对应地，本实施例的膝关节假肢就会以第一转轴32为轴进行摆动。
由于在本发明实施例中，动力推杆组件2与小腿组件1能够实现相对转动，即小腿组件1相对静止，动力推杆组件2中的第一转轴32受力做摆动运动；那么相反地，如果将第一转轴32设置为静止，那么第一转轴32受到的力就会返过来作用在小腿组件1上，带动小腿组件1摆动，这种情况就类似与正常人体的膝盖带动小腿摆动的情况。具体地，可以将第一转轴32与类似“大腿”的部件连接，此时第一转轴32在空间内的位置不动，当电机21主动驱动时，本实施例的膝关节假肢，以第一转轴32为轴带动小腿组件1进行摆动，形成了类似正常人走路时，小腿以膝盖为轴线，相对大腿转动，最终实现主动驱动下的膝关节功能。
进一步地，为了检测膝关节假肢中相对转动的参数，在第三转轴33的一端优选设置角位移传感器5，以测量角加速度或角加速度。通过设置角位移传感器5，实时采集数据，还能够反馈给控制器，使得控制器能够根据实际情况进行控制。
本发明还提出了一种膝关节假肢的控制方法，优选采用上述的膝关节假肢，包括以下步骤：
第一步、在正常人在多种行走情况下，采集膝盖处的转动速度和转动加速度数据。
具体地，多种行走情况可以包括慢走、快走、斜坡和上楼梯等多种形式，可以预计地是，多种行走情况下膝盖处的相对转动速度和转动加速度数据是不同的。具体的采集方法在此并不做展开。
第二步、将采集到的数据导入控制器中，控制器对应形成不同的行走模型选项。
具体地，控制器对采集到的数据进行分别处理，对应形成多种不同的行走模型选项，显示在外设的显示模块中，使用者可以根据现在的路况，选择显示模块中不同的行走模型。
第三步、使用者选择其中一种行走模型，控制器读取对应行走模式的数据，控制器控制电机21的动作，以改变动力推杆组件2与小腿组件1的相对转动的速度和加速度的大小。
具体地，控制器通过控制电机21转动的方向、速度等参数，以改变动力推杆组件2与小腿组件1的相对转动的速度和加速度的大小，进而实现控制整个膝关节假肢模拟这种情况下正常人的行走步态，使用户体验更好。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (6)

1.一种膝关节假肢，其特征在于，包括：
小腿组件(1)；及
动力推杆组件(2)，所述动力推杆组件(2)的一端与所述小腿组件(1)转动连接，另一端与连接件(3)的第一端转动连接，所述连接件(3)的第二端与所述小腿组件(1)转动连接；
通过改变所述动力推杆组件(2)的两端的距离能够带动所述小腿组件(1)绕所述动力推杆组件(2)转动；
所述动力推杆组件(2)包括电机(21)和连接在所述电机(21)输出端的传动件(22)和与所述传动件(22)连接的伸缩部(23)，所述电机(21)带动所述传动件(22)转动，所述传动件(22)带动所述伸缩部(23)伸长或缩短以改变所述动力推杆组件(2)的两端的距离；
所述伸缩部(23)为相互配合的丝杆(231)和丝杆螺母(232)，所述丝杆螺母(232)与所述小腿组件(1)转动连接，所述传动件(22)与所述丝杆(231)连接，所述电机(21)带动所述传动件(22)转动以驱动所述丝杆(231)旋入或旋出所述丝杆螺母(232)；
所述连接件(3)包括第一连杆(31)，所述第一连杆(31)的一端与所述丝杆(231)通过第一转轴(32)可转动连接，所述第一连杆(31)的另一端通过第三转轴(33)与所述小腿组件(1)可转动连接；
所述小腿组件(1)包括间隔设置的两块侧板(11)，所述丝杆螺母(232)远离所述第一转轴(32)的一端可转动连接在第二转轴(34)上，所述第二转轴(34)的两端分别连接在两块侧板(11)上。
2.根据权利要求1所述的膝关节假肢，其特征在于，所述丝杆(231)的轴线与所述电机(21)的输出端的轴线平行设置。
3.根据权利要求1所述的膝关节假肢，其特征在于，所述两块侧板(11)通过多个连接柱(12)固定连接，两块所述侧板(11)之间形成容纳空间，所述容纳空间能容纳所述动力推杆组件(2)和所述连接件(3)。
4.根据权利要求1所述的膝关节假肢，其特征在于，还包括脚组件(4)，所述脚组件(4)与所述小腿组件(1)的下部可拆卸连接。
5.根据权利要求1所述的膝关节假肢，其特征在于，所述第三转轴(33)的一端设置有角位移传感器(5)。
6.一种膝关节假肢的控制方法，采用如权利要求1-5任意一项所述的膝关节假肢，其特征在于，包括以下步骤：
在正常人在多种行走情况下，采集膝盖处的转动速度和转动加速度数据；
将采集到的数据导入控制器中，控制器对应形成不同的行走模型选项；
使用者选择其中一种行走模型，控制器读取对应行走模式的数据，控制器控制动力推杆组件的动作，以改变动力推杆组件与小腿组件的相对转动的速度和加速度的大小。
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