CN110522538A - 一种基于含约束支链的髋假体并联机构的下肢假肢 - Google Patents
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Abstract
一种基于含约束支链的髋假体并联机构的下肢假肢，它主要由定平台、驱动支链、约束支链、末端操作平台、过渡安装座、小腿二元杆和足踝假体所组成，用以实现髋关节的屈伸与内外展运动，以及膝关节与踝关节的屈伸运动。本发明设计的含约束支链的髋假体并联机构中，末端操作平台通过驱动支链的伸缩和约束支链的运动限制可实现空间二自由度纯转动，模仿人体髋关节的屈伸与内外展运动，驱动支链仿效大腿骨骼肌群，通过伸缩给机构提供动能，驱动移动副可用滚珠丝杠，该髋假体并联机构涉及医疗康复机器人并适用于髋断离截肢患者。并联机构具有结构简单，采用约束支链不仅能提高结构刚度和承载能力，还能减少电机使用和生产成本，简化控制结构的难度。
Description
技术领域
本发明属于医疗康复机器人技术和人工智能装备领域，特别涉及一种基于含约束支链的髋假体并联机构的下肢假肢，它能补偿高位截肢患者或髋关节断离患者失去的髋关节运动能力，使患者能恢复髋关节的运动特性和日常生活的运动能力。
背景技术
近些年，随着全球气候变暖引发的一系列自然灾害、糖尿病患者并发症、交通事故及其它意外事故等频繁发生，尤其导致下肢截肢患者的数目也逐年增长。对于下肢截肢患者而言，失去的肢体相当于失去了自主运动能力，甚至是日常生活的自理能力，它不仅会使截肢患者的身心遭受到沉重的打击，还会增加社会的负担。髋关节作为躯干与下肢连接的活动关节，在人体结构中具有重要作用，它不仅能使下肢承受躯干重要，空间转动能力还能实现下肢如行走、跳跃和平移等运动特性。然而，据不完全统计，全球每年约有100万人次进行下肢截肢及假肢安装，且髋关节假肢和置换的患者约占80％，因此，代偿髋关节截肢患者的髋假体机构的设计具有重要的作用和广泛的应用前景。
随着科技水平地不断提升，随着机器人技术在不同领域中的广泛应用，使基于机器人机构的下肢假肢机构的研究与设计成为国内外医疗康复机器人技术研究中的热点研究之一，同时，国内由于技术研发和加工制造工艺等水平的限制，机器人技术在康复机器人的应用中具有较大的市场前景。目前，市场上存在的髋关节假肢机构种类较多，但各构件连接均采用串联形式，该传统假肢机构的刚度特性较差，运动可靠性难以保证，且串联型机构需增加构件才能确保多个自由度，常导致假肢机构的尺寸和重量偏大。因此，设计出一款能符合患者多个自由度的运动意图，又具备良好性能的下肢假肢机构是亟待解决的问题。
基于此，本发明设计了一种基于含约束支链的髋假体并联机构的下肢假肢，主要对应用于髋假体的含约束支链并联机构构型综合方法及具体模型建模。本发明中主要采用了含约束支链的并联机构作为髋假体的本体机构，它不仅能提高假肢机构的刚度和承载能力，还能使机构简单化、整体尺寸紧凑和低成本的情况下满足多自由度的运动特性。同时，约束支链的引入不仅增加了机构的刚度特性，还能使机构采用较少的低能耗驱动电机，利于后续控制策略的实施。
发明内容
本发明的技术问题在于设计了一种基于含约束支链的髋假肢并联机构的下肢假肢，主要对应用于髋假体的含约束支链并联机构构型综合方法及具体模型建模。该机构解决了已有的髋关节假肢机构中普遍存在的结构体积大、质量中、运动稳定性差、承载能力不足和仅能实现单个自由度等问题。由于髋关节机构的内外旋运动在实际生活中用处非常少，在髋假体机构的设计可忽略该运动特性，仅需实现髋关节的屈伸和内外展运动。因此，该机构的末端操作平台可通过两条驱动支链的推拉和一条被动支链的运动限制可实现空间二自由度纯转动，用以模仿髋关节的屈伸运动和内外展运动，使其与人体髋关节具有高度的仿生特性。
本发明采用如下的技术方案实现：
一种基于含约束支链的髋假体并联机构的下肢假肢，其特征在于：包括定平台(1)、驱动支链(2.1，2.2)、约束支链(3)、末端操作平台(4)、过渡安装座(5)、小腿二元杆(6)和足踝假体(7)。
所述由定平台(1)、两条驱动支链(2.1，2.2)、一条约束支链(3)盒末端操作平台(4)组成的髋假体并联机构构型设计中，采用了螺旋理论方法分别对驱动支链和约束支链进行了构型综合，表1和表2分别给出了符合本发明设计目标的支链结构形式。其中，表中()⊥表示括号内两转动轴线相互正交且两个运动副安装在一起等效于U副，⊥表示运动副轴线与定平台所在面垂直，*表示运动副轴线方向沿着支链方向。
所述的驱动支链(2.1，2.2)包含：下支座(2-1)，U型座(2-2)，带电机的圆柱筒(2-3)，带电机的活塞杆(2-4)，方接头(2-5)，上支座(2-6)；
构成驱动支链的零部件间的连接：下支座(2-1)与定平台(1)通过螺钉连接成固定副；下支座(2-1)与U型座(2-2)形成转动副，U型座(2-2)与带电机的圆柱筒(2-3)形成转动副，同时，两个转动副轴线正交等效于一个虎克副；带电机的圆柱筒(2-3)和带电机的活塞杆(2-4)形成驱动移动副，可采用电推杆或滚珠丝杠，模仿依附于大腿股骨表面的骨骼肌群，用以驱动髋假体机构绕髋关节的转动；带电机的活塞杆(2-4)与方接头(2-5)通过螺纹连接形成固定副；方接头(2-5)与上支座(2-6)形成转动副，同时，该转动副轴线方向与U型座(2-2)与带电机的圆柱筒(2-3)形成的转动轴线平行；上支座(2-6)与末端操作平台(4)通过螺钉连接成固定副；本设计中将驱动支链(2.1，2.2)仿效大腿股骨表面骨骼肌群的生物力学特性，主要作为末端操作平台实现空间转动运动的动力源。
所述约束支链(3)包含：下较座(3-1)，U型座(3-2)，约束下杆(3-3)，约束上杆(3-4)，盖板(3-5)，方接头(3-6)，上铰座(3-7)；
构成约束支链的零部件间的连接：下铰座(3-1)与定平台(1)通过螺钉连接成固定副；下铰座(3-1)与U型座(3-2)形成转动副，U型座(3-2)与约束下杆(3-3)形成转动副，同时，两个转动副轴线正交等效于一个虎克副；约束下杆(3-3)与约束上杆(3-4)形成一个转动副，转动副轴线方向沿约束支链的方向，盖板(3-5)穿过约束上杆(3-4)并与约束下杆(3-3)通过螺钉连接，限制约束上杆(3-4)沿约束支链方向的移动；约束上杆(3-4)与方接头(3-6)通过螺纹连接形成固定副；方接头(3-6)与上铰座(3-7)形成转动副，同时，该转动副轴线方向与U型座(3-2)与约束下杆(3-3)形成的转动轴线垂直；上铰座(3-7)与末端操作平台(4)通过螺钉连接成固定副；本设计中将约束支链(3)仿效大腿股骨的二元杆特性，且仅能在两端分别绕髋关节与膝关节转动，并在两条驱动支链的推拉作用下，实现末端操作平台在空间的二自由度转动运动，模仿髋关节的屈伸运动和内外展运动。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
本发明设计了一种基于含约束支链的髋假体并联机构的下肢假肢，主要用于模仿人体髋关节的屈伸运动和内外展运动等运动特性。由于髋关节的内外旋运动在实际生活中用处非常少，因此，对于本发明的髋假体机构设计，仅以实现髋关节的屈伸运动和内外展运动为目标。该髋假体并联机构涉及医疗康复机器人并适用于下肢高位截肢或髋关节断离的患者人群，具有结构简单、刚度高、承载能力强、成本低和易加工制造特点，同时，并联机构中引入的约束支链，不仅能提高机构整体刚度，还能减少电机的使用，简化控制系统的设计难度。
附图说明
图1一种基于含约束支链的髋假体并联机构的下肢假肢结构模型图；
图2基于含约束支链的髋假体并联机构结构模型图；
图3驱动支链的结构模型爆炸图；
图4约束支链的结构模型爆炸图；
图中：定平台(1)、驱动支链(2.1，2.2)、约束支链(3)、末端操作平台(4)、过渡安装座(5)、小腿二元杆(6)和足踝假体(7)。驱动支链(2.1，2.2)包含：下支座(2-1)，U型座(2-2)，带电机的圆柱筒(2-3)，带电机的活塞杆(2-4)，方接头(2-5)，上支座(2-6)；约束支链(3)包含：下较座(3-1)，U型座(3-2)，约束下杆(3-3)，约束上杆(3-4)，盖板(3-5)，方接头(3-6)，上铰座(3-7)。
具体实施方式
为进一步了解本发明提供的一种基于含约束支链的髋假体并联机构的下肢假肢，下面结合附图和详细实施例对本发明进行具体阐述。
图1为本发明设计的一种基于含约束支链的髋假体并联机构的下肢假肢结构模型图，包括：定平台(1)、驱动支链(2.1，2.2)、约束支链(3)、末端操作平台(4)、过渡安装座(5)、小腿二元杆(6)和足踝假体(7)。该下肢假肢机构中，髋假体并联机构的末端操作平台在两条驱动支链和一条约束支链的耦合作用下，可实现空间二自由度纯转动，该运动特性仿效了人体髋关节的屈伸运动和内外展运动。此外，膝踝关节假肢机构采用一根小腿二元杆和足踝假体，并与髋假体假肢机构的末端通过转动副串联而成，形成一条含多自由度的下肢假肢机构。并联机构在下肢假肢机构的应用能极大地简化假肢机构的结构复杂性，提高其结构刚度和机构的承载能力，降低机构的设计成本等。
图2为本发明提供的基于含约束支链的髋假体并联机构结构模型图，包括：定平台(1)、驱动支链(2.1，2.2)、约束支链(3)和操作末端平台(4)；该并联机构主要由一个含约束支链且能实现空间二自由度转动的并联机构作为髋假体机构的本体机构，并依次与单自由度的小腿二元杆(6)和足踝假体(7)串联形成一条下肢假肢；对于含约束支链的髋假肢并联机构，两条驱动支链中的驱动移动副均可采用滚珠丝杠或直线电机，模仿依附于大腿股骨表面骨骼肌的伸缩，髋假肢绕髋关节的运动提供动能；约束支链模仿大腿股骨的二元杆特性，与两条驱动支链的运动耦合过程中，实现末端操作平台(4)的空间二自由度转动，仿效人体髋关节的屈伸运动和内外展运动。
图3为本发明提供的驱动支链的结构模型爆炸图，包括：下支座(2-1)，U型座(2-2)，带电机的圆柱筒(2-3)，带电机的活塞杆(2-4)，方接头(2-5)，上支座(2-6)。下支座(2-1)与定平台(1)通过螺钉连接成固定副；下支座(2-1)与U型座(2-2)形成转动副，U型座(2-2)与带电机的圆柱筒(2-3)形成转动副，同时，两个转动副轴线正交等效于一个虎克副；带电机的圆柱筒(2-3)和带电机的活塞杆(2-4)形成驱动移动副，可采用电推杆或滚珠丝杠，模仿依附于大腿股骨表面的骨骼肌群，用以驱动髋关节转动；带电机的活塞杆(2-4)与方接头(2-5)通过螺纹连接形成固定副；方接头(2-5)与上支座(2-6)形成转动副，同时，该转动副轴线方向与U型座(2-2)与带电机的圆柱筒(2-3)形成的转动轴线平行；上支座(2-6)与末端操作平台(4)通过螺钉连接成固定副；本设计中将驱动支链(2.1，2.2)仿效大腿股骨表面骨骼肌群的生物力学特性，主要作为末端操作平台实现空间转动运动的动力源。
图4为本发明提供的约束支链的结构模型爆炸图，包括：下较座(3-1)，U型座(3-2)，约束下杆(3-3)，约束上杆(3-4)，盖板(3-5)，方接头(3-6)，上铰座(3-7)。下铰座(3-1)与U型座(3-2)形成转动副，U型座(3-2)与约束下杆(3-3)形成转动副，同时，两个转动副轴线正交等效于一个虎克副；约束下杆(3-3)与约束上杆(3-4)形成一个转动副，转动副轴线方向沿约束支链的方向，盖板(3-5)穿过约束上杆(3-4)并与约束下杆(3-3)通过螺钉连接，限制约束上杆(3-4)沿约束支链方向的移动；约束上杆(3-4)与方接头(3-6)通过螺纹连接形成固定副；方接头(3-6)与上铰座(3-7)形成转动副，同时，该转动副轴线方向与U型座(3-2)与约束下杆(3-3)形成的转动轴线垂直；上铰座(3-7)与末端操作平台(4)通过螺钉连接成固定副；本设计中将约束支链(3)仿效大腿股骨的二元杆特性，且仅能在两端分别绕髋关节与膝关节转动，并在两条驱动支链的推拉作用下，实现末端操作平台在空间的二自由度转动运动，模仿髋关节的屈伸运动和内外展运动。
本发明所述的一种基于含约束支链的髋假体并联机构的下肢假肢，采用含有空间二自由度纯转动的并联机构作为髋假体机构，不仅能模仿人体髋关节的屈伸运动和内外展等多自由度运动特性，约束支链的引入还能有效地提高下肢假肢机构的刚度特性和机构承载能力，利于简化后续控制结构的设计。
Claims (5)
1.一种基于含约束支链的髋假体并联机构的下肢假肢，基本机构包含：定平台(1)、驱动支链(2.1，2.2)、约束支链(3)、末端操作平台(4)、过渡安装座(5)、小腿二元杆(6)和足踝假体(7)所组成；该下肢假肢分别由一个含约束支链的二自由度纯转动并联机构作为髋假体机构，并依次与单自由度的小腿二元杆和足踝假体串联形成一条下肢假肢；由于髋关节机构的内外旋运动在实际生活中用处非常少，在髋假体机构的设计可忽略该运动特性，本发明中以实现髋关节的屈伸运动和内外展运动为设计目标，采用螺旋理论作为机构构型综合的数学工具，设计了符合髋假体机构的所有驱动支链和约束支链的构型；综合可得驱动支链末端的运动特性分别为2R1T(R代表转动，T代表移动，下同)和3R1T的支链构型，约束支链末端的运动特性分别为2R和3R的支链构型，并通过交运算所得到的并联机构符合该设计目标。
2.根据权利要求1所述的一种基于含约束支链的髋假体并联机构的下肢假肢，其特征在于：所述的驱动支链(2.1，2.2)包含：下支座(2-1)，U型座(2-2)，带电机的圆柱筒(2-3)，带电机的活塞杆(2-4)，方接头(2-5)，上支座(2-6)。
3.根据权利要求2所述的驱动支链的零部件间的连接：下支座(2-1)与定平台(1)通过螺钉连接成固定副；下支座(2-1)与U型座(2-2)形成转动副，U型座(2-2)与带电机的圆柱筒(2-3)形成转动副，同时，两个转动副轴线正交等效于一个虎克副；带电机的圆柱筒(2-3)和带电机的活塞杆(2-4)形成驱动移动副，可采用滚珠丝杠或电推杆，模仿依附于大腿股骨表面骨骼肌的伸缩，为髋假体绕髋关节的转动提供动能；带电机的活塞杆(2-4)与方接头(2-5)通过螺纹连接形成固定副；方接头(2-5)与上支座(2-6)形成转动副，同时，该转动副轴线方向与U型座(2-2)与带电机的圆柱筒(2-3)形成的转动轴线平行；上支座(2-6)与末端操作平台(4)通过螺钉连接成固定副；本设计中将驱动支链(2.1，2.2)仿效大腿股骨表面骨骼肌群的生物力学特性，主要作为末端操作平台实现空间转动运动的动力源。
4.根据权利要求1所述的一种基于含约束支链的髋假体并联机构的下肢假肢，其特征在于：所述的约束支链(3)包含：下较座(3-1)，U型座(3-2)，约束下杆(3-3)，约束上杆(3-4)，盖板(3-5)，方接头(3-6)，上铰座(3-7)。
5.根据权利要求4所述的约束支链的零部件间的连接：下铰座(3-1)与定平台(1)通过螺钉连接成固定副；下铰座(3-1)与U型座(3-2)形成转动副，U型座(3-2)与约束下杆(3-3)形成转动副，同时，两个转动副轴线正交等效于一个虎克副；约束下杆(3-3)与约束上杆(3-4)形成一个转动副，转动副轴线方向沿约束支链的方向，盖板(3-5)穿过约束上杆(3-4)并与约束下杆(3-3)通过螺钉连接，限制约束上杆(3-4)沿约束支链方向的移动；约束上杆(3-4)与方接头(3-6)通过螺纹连接形成固定副；方接头(3-6)与上铰座(3-7)形成转动副，同时，该转动副轴线方向与U型座(3-2)与约束下杆(3-3)形成的转动轴线垂直；上铰座(3-7)与末端操作平台(4)通过螺钉连接成固定副；本设计中将约束支链(3)仿效大腿股骨的二元杆特性，且仅能在两端分别绕髋关节与膝关节转动，并在两条驱动支链的推拉作用下，实现末端操作平台在空间的二自由度转动运动，模仿人体髋关节的屈伸运动和内外展运动。
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