CN110721011A - 一种主被动混合式假肢膝关节 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种主被动混合式假肢膝关节，包括支撑固定组件、电机、假肢小腿固定件、同步带轮组件、丝杠组件、阻尼缸、六个自保持式电磁铁、连杆组件和膝上接受腔固定件，采用自保持式电磁铁控制的伸缩杆结构进行主被动模式的切换，被动伸缩杆的应用，使被动模式下的多杆结构能够模拟人步态，主动伸缩杆结构的应用，能够使主动驱动时大腿固定件的转动拥有较大力臂，被动结构采用阻尼缸多杆结构，可以更好地模拟人的步态，主动驱动结构采用电机带动同步带轮，进而带动丝杠驱动的方式，传动精准，方便维修。

Description

一种主被动混合式假肢膝关节
技术领域
本发明属于康复辅具技术领域，具体涉及一种主被动混合式假肢膝关节。
背景技术
下肢假肢作为一种代偿人体行走的康复辅具，已经被广泛应用于下肢截肢患者人群。作为下肢假肢中的核心关键部件，膝关节的研发是下肢假肢研究中的技术难点。现有的假肢膝关节可以分为主动驱动式假肢膝关节、被动式假肢膝关节和主被动混合式假肢膝关节。其中，被动式膝关节采用阻尼机械结构来模拟人体膝关节的屈伸运动，可以在平路行走时较好地满足膝上截肢患者对于行走的需求，但是在诸如上楼梯等复杂运动状态下，则不能很好地辅助行走；主动驱动式膝关节采用外接动力源来控制膝关节的屈伸运动，可以在上楼梯、爬坡等需要大扭矩的运动时，满足膝上截肢患者的需求，但是其运动能耗较大，无法长时间使用。主被动混合式假肢膝关节则可以在平路行走等简单运动状态下使用被动阻尼机械系统来满足截肢患者的需求，在诸如上楼梯、爬坡等需要大扭矩的运动状态下采用主动驱动方式，在满足多运动状态需求的同时，还可以节省能量，延长截肢患者的穿戴使用时间。
文献调研表明，目前的主被动混合假肢膝关节，普遍存在如下不足：首先，在主被动模式切换时，多采用离合器结构，导致主动结构与被动结构之间相互耦合、相互影响，不能完全发挥主动结构和被动结构分别作用时的优势；其次，被动模式下多采用单轴转动，膝关节在屈伸运动时的瞬心固定，不能很好地与健肢侧形成对称步态，导致患者佩戴假肢后，行走不自然，步态不对称，进而也增大了运动能耗。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提出了一种主被动混合式假肢膝关节。
本发明采用自保持式电磁铁控制的伸缩杆结构进行主被动模式间的切换，被动伸缩杆的应用，使被动模式下的多杆结构能够模拟人步态功能，主动伸缩杆结构的应用，能够使主动驱动时膝上接受腔固定件的转动拥有较大力臂；被动结构采用阻尼缸多杆结构，可以更好地模拟人的步态，且可以由电机来调节被动伸缩杆的初始位置，进而调节膝上接受腔固定件的初始角度，以模拟人正常行走时膝关节并非完全伸直的状态；主动驱动结构采用电机带动同步带轮，进而带动丝杠驱动的方式，传动精准，方便维修。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种主被动混合式假肢膝关节，包括支撑固定组件、电机、假肢小腿固定件、同步带轮组件、丝杠组件、阻尼缸、六个自保持式电磁铁、连杆组件和膝上接受腔固定件；
所述的支撑固定组件包括电磁铁固定件、两个轴座、支撑座、第一丝杠支撑座、两个阻尼缸固定座、第二丝杠支撑座、电机座和小腿座。电磁铁固定件为L型结构并固定连接在支撑座上，自保持式电磁铁固定在电磁铁固定件上，自保持式电磁铁通正向电流时，铁芯伸出，通反向电流时，铁芯缩回，断电后保持铁芯为上一时刻所在位置。两个轴座为T型结构并平行固定在支撑座上，第二底座连杆轴穿过两个轴座可以转动。第一丝杠支撑座和第二丝杠支撑座相互平行固定在支撑座上，用来固定丝杠。两个阻尼缸固定座关于阻尼缸对称固定在支撑座上，电机座与第二丝杠支撑座相对分布固定在支撑座的左右面上，小腿座固定在支撑座的下侧。
所述的电机固定在电机座上，小腿固定件固定在小腿座上，假肢小腿固定件用来连接小腿假肢；同步带轮组件包括电机同步带轮，同步带和丝杠同步带轮，电机同步带轮固定在电机的输出轴上，丝杠同步带轮固定在丝杠的下端，同步带缠绕在电机同步带轮和丝杠同步带轮上。
所述的丝杠组件包括丝杠固定件、丝杠、丝杠螺母和丝杠支持件，丝杠固定件固定在第二丝杠支撑座上，丝杠的下端连接丝杠固定件，丝杠的上端连接丝杠支持件，丝杠螺母连接在丝杠上，丝杠支持件固定在第一丝杠支撑座上；阻尼缸的下端固定在两个阻尼缸固定座上，阻尼缸的中部穿过第一丝杠支撑座，主动工作模式下，电机带动同步带轮组件运动，进而带动丝杠组件运动。
所述的连杆组件包括伸缩杆、两个阻尼缸连杆、两个底座连杆、两个连杆支撑件、连杆座、阻尼缸连杆座和轴组件，轴组件包括两个主动伸缩杆轴、两个被动伸缩杆轴、第一阻尼缸轴、第二阻尼缸轴、第一底座连杆轴、第二底座连杆轴和两个丝杠螺母轴，主动伸缩杆轴、被动伸缩杆轴和丝杠螺母轴为悬臂销，第一底座连杆轴和第二底座连杆轴为带螺帽铰链销，主动伸缩杆轴和被动伸缩杆轴固定在连杆支撑件上，丝杠螺母轴固定在丝杠螺母上。
所述的伸缩杆包括两个被动模式伸缩杆和两个主动模式伸缩杆，在每个被动模式伸缩杆和主动模式伸缩杆上固定自保持式电磁铁，每个主动模式伸缩杆和每个被动模式伸缩杆在与电磁铁铁芯正对位置设置有卡槽。在主动模式下，主动模式伸缩杆上的自保持式电磁铁铁芯伸出，将主动模式伸缩杆卡住，主动模式伸缩杆长度此时固定；同理，在被动模式下，被动模式伸缩杆会被自保持式电磁铁卡住。被动模式伸缩杆的一端通过被动伸缩杆轴与连杆支撑件铰接，另一端通过丝杠螺母轴与丝杠螺母铰接，主动模式伸缩杆的一端通过主动伸缩杆轴与连杆支撑件铰接，另一端通过丝杠螺母轴与丝杠螺母铰接，阻尼缸连杆的一端通过第一阻尼缸轴与阻尼缸连杆座铰接，另一端通过第二阻尼缸轴与阻尼缸铰接，底座连杆的一端通过第一底座连杆轴与连杆支撑件铰接，另一端通过第二底座连杆轴和轴座铰接，底座连杆在与自保持式电磁铁铁芯对应位置开有卡槽，主动模式下，铁芯伸出，卡住底座连杆，使其固定不能运动。连杆座固定在连杆支撑件上，膝上接受腔固定件固定在连杆座上，膝上接受腔固定件用来连接截肢患者大腿残肢部分。
阻尼缸为液压阻尼缸，或者为气动阻尼缸；丝杠为滚珠丝杠，或者为滚柱丝杠，丝杠螺母为滚珠丝杠螺母，或者为滚柱丝杠螺母。
膝上接受腔固定件水平时，膝关节处于完全伸直状态。主动和被动模式的切换在膝上接受腔固定件水平位置时切换。
本发明的有益效果：
(1)本发明采用自保持式电磁铁控制的伸缩杆结构进行主被动模式间的切换，被动伸缩杆的应用，使被动模式下的多杆结构能够保持原有的模拟人步态功能，主动伸缩杆结构能够使主动驱动时膝上接受腔固定件的转动拥有较大力臂，便于力矩施加。
(2)被动驱动时采用阻尼缸多杆结构，可以更好地模拟人的步态，且可以由电机来调节被动伸缩杆的初始位置，进而调节膝上接受腔固定件的初始角度，以模拟人正常行走时膝关节并非完全伸直的状态。
(3)主动驱动时采用电机带动同步带轮，进而带动丝杠驱动的方式，传动精准，方便维修。
附图说明
图1是本发明的轴测图。
图2是本发明的主视图。
图3是本发明的右视图。
图4是本发明的被动模式工作示意图。
图5是本发明的主动模式工作示意图。
具体实施方式
请参阅图1所示，一种主被动混合式假肢膝关节，其特征在于包括：支撑固定组件1、电机2、假肢小腿固定件3、同步带轮组件4、丝杠组件5、阻尼缸6、六个自保持式电磁铁7、连杆组件8和膝上接受腔固定件9。
请参阅图2和图3所示，所述的支撑固定组件1包括两个电磁铁固定件11、两个轴座12、支撑座13、第一丝杠支撑座14、两个阻尼缸固定座15、第二丝杠支撑座16、电机座17和小腿座18；电磁铁固定件11为L型结构并固定连接在支撑座13上，自保持式电磁铁7固定在电磁铁固定件11上，两个轴座12为T型结构并平行固定在支撑座13上，第一丝杠支撑座14和第二丝杠支撑座16相互平行固定在支撑座13上，两个阻尼缸固定座15关于阻尼缸6对称固定在支撑座13上，电机座17与第二丝杠支撑座16相对分布固定在支撑座13的左右面上，小腿座18固定在支撑座13的下侧。
所述的电机2固定在电机座17上；假肢小腿固定件3固定在小腿座18上；同步带轮组件4包括电机同步带轮41，同步带42和丝杠同步带轮43，电机同步带轮41固定在电机2的输出轴上，丝杠同步带轮43固定在丝杠52的下端，同步带42缠绕在电机同步带轮41和丝杠同步带轮43上。
所述的丝杠组件5包括丝杠固定件51、丝杠52、丝杠螺母53和丝杠支持件54，丝杠固定件51固定在第二丝杠支撑座16上，丝杠52的下端连接丝杠固定件51，丝杠52的上端连接丝杠支持件54，丝杠螺母53连接在丝杠52上，丝杠支持件54固定在第一丝杠支撑座14上；阻尼缸6的下端固定在两个阻尼缸固定座15上，阻尼缸6的中部穿过第一丝杠支撑座14。
所述的连杆组件8包括伸缩杆81、两个阻尼缸连杆82、两个底座连杆83、两个连杆支撑件84、连杆座85、阻尼缸连杆座86和轴组件87；轴组件87包括两个主动伸缩杆轴871、两个被动伸缩杆轴874、第一阻尼缸轴872、第二阻尼缸轴875、第一底座连杆轴873、第二底座连杆轴876和两个丝杠螺母轴877，主动伸缩杆轴871、被动伸缩杆轴874和丝杠螺母轴877采用悬臂销，第一底座连杆轴873和第二底座连杆轴876采用带螺帽铰链销，主动伸缩杆轴871和被动伸缩杆轴874固定在连杆支撑件84上，丝杠螺母轴877固定在丝杠螺母53上。
所述的伸缩杆81包括两个被动模式伸缩杆811和两个主动模式伸缩杆812，在每个被动模式伸缩杆811和主动模式伸缩杆812上固定自保持式电磁铁7，被动模式伸缩杆811的一端通过被动伸缩杆轴874与连杆支撑件84铰接，另一端通过丝杠螺母轴877与丝杠螺母53铰接，主动模式伸缩杆812的一端通过主动伸缩杆轴871与连杆支撑件84铰接，另一端通过丝杠螺母轴877与丝杠螺母53铰接，阻尼缸连杆82的一端通过第一阻尼缸轴872与阻尼缸连杆座86铰接，另一端通过第二阻尼缸轴875与阻尼缸6铰接，底座连杆83的一端通过第一底座连杆轴873与连杆支撑件84铰接，另一端通过第二底座连杆轴876和轴座12铰接，连杆座85固定在连杆支撑件84上，膝上接受腔固定件9固定在连杆座85上。
所述阻尼缸6为液压阻尼缸，或者为气动阻尼缸。
所述丝杠52为滚珠丝杠，或者为滚柱丝杠；所述丝杠螺母53为滚珠丝杠螺母，或者为滚柱丝杠螺母。
本发明的工作原理如下：
如图4所示，为被动模式下的膝关节运动。假肢膝关节工作在被动模式时，固定在电磁铁固定件11上的自保持式电磁铁7铁芯缩回电磁铁内部，主动模式伸缩杆812上的自保持式电磁铁7铁芯缩回电磁铁内部，被动模式伸缩杆811上的自保持式电磁铁7铁芯伸出，将被动模式伸缩杆811卡住使其长度不会变，此时电机2不工作，丝杠螺母53的位置固定。此时由被动模式伸缩杆811、阻尼缸连杆82、底座连杆83、连杆支撑件84和阻尼缸6进行多杆协同运动，当膝关节弯曲时，阻尼缸6压缩，提供阻尼力，当膝关节伸直时，阻尼缸6伸展提供动力。
图5所示，为主动模式下的膝关节运动。假肢膝关节工作在主动模式时，固定在电磁铁固定件11上的自保持式电磁铁7铁芯伸出，将底座连杆83卡住，使其不能运动。主动模式伸缩杆812上的自保持式电磁铁7铁芯伸出，将主动模式伸缩杆812卡住使其不能伸缩。被动模式伸缩杆811上的自保持式电磁铁7铁芯缩回电磁铁内部，被动模式伸缩杆811可以自由伸缩。此时电机2工作带动同步带轮组件4和丝杠组件5运动，丝杠螺母53带动主动模式伸缩杆812运动，通过主动模式伸缩杆812将力传递到连杆支撑件84上，由于底座连杆83固定，连杆支撑件84便绕第一底座连杆轴873转动。主动模式下阻尼缸连杆82跟随运动。

Claims (3)

1.一种主被动混合式假肢膝关节，其特征在于：包括支撑固定组件(1)、电机(2)、假肢小腿固定件(3)、同步带轮组件(4)、丝杠组件(5)、阻尼缸(6)、六个自保持式电磁铁(7)、连杆组件(8)和膝上接受腔固定件(9)；
支撑固定组件(1)包括两个电磁铁固定件(11)、两个轴座(12)、支撑座(13)、第一丝杠支撑座(14)、两个阻尼缸固定座(15)、第二丝杠支撑座(16)、电机座(17)和小腿座(18)；电磁铁固定件(11)为L型结构并固定连接在支撑座(13)上，自保持式电磁铁(7)固定在电磁铁固定件(11)上，两个轴座(12)为T型结构并平行固定在支撑座(13)上，第一丝杠支撑座(14)和第二丝杠支撑座(16)相互平行固定在支撑座(13)上，两个阻尼缸固定座(15)关于阻尼缸(6)对称固定在支撑座(13)上，电机座(17)与第二丝杠支撑座(16)相对分布固定在支撑座(13)的左右面上，小腿座(18)固定在支撑座(13)的下侧；
所述的电机(2)固定在电机座(17)上；假肢小腿固定件(3)固定在小腿座(18)上；同步带轮组件(4)包括电机同步带轮(41)、同步带(42)和丝杠同步带轮(43)，电机同步带轮(41)固定在电机(2)的输出轴上，丝杠同步带轮(43)固定在丝杠(52)的下端，同步带(42)缠绕在电机同步带轮(41)和丝杠同步带轮(43)上；
所述的丝杠组件(5)包括丝杠固定件(51)、丝杠(52)、丝杠螺母(53)和丝杠支持件(54)，丝杠固定件(51)固定在第二丝杠支撑座(16)上，丝杠(52)的下端连接丝杠固定件(51)，丝杠(52)的上端连接丝杠支持件(54)，丝杠螺母(53)连接在丝杠(52)上，丝杠支持件(54)固定在第一丝杠支撑座(14)上；阻尼缸(6)的下端固定在两个阻尼缸固定座(15)上，阻尼缸(6)的中部穿过第一丝杠支撑座(14)；
所述的连杆组件(8)包括伸缩杆(81)、两个阻尼缸连杆(82)、两个底座连杆(83)、两个连杆支撑件(84)、连杆座(85)、阻尼缸连杆座(86)和轴组件(87)，轴组件(87)包括两个主动伸缩杆轴(871)、两个被动伸缩杆轴(874)、第一阻尼缸轴(872)、第二阻尼缸轴(875)、第一底座连杆轴(873)、第二底座连杆轴(876)和两个丝杠螺母轴(877)，主动伸缩杆轴(871)和被动伸缩杆轴(874)固定在连杆支撑件(84)上，丝杠螺母轴(877)固定在丝杠螺母(53)上；
所述的伸缩杆(81)包括两个被动模式伸缩杆(811)和两个主动模式伸缩杆(812)，每个被动模式伸缩杆(811)和主动模式伸缩杆(812)上固定自保持式电磁铁(7)，被动模式伸缩杆(811)的一端通过被动伸缩杆轴(874)与连杆支撑件(84)铰接，另一端通过丝杠螺母轴(877)与丝杠螺母(53)铰接；主动模式伸缩杆(812)的一端通过主动伸缩杆轴(871)与连杆支撑件(84)铰接，另一端通过丝杠螺母轴(877)与丝杠螺母(53)铰接；阻尼缸连杆(82)的一端通过第一阻尼缸轴(872)与阻尼缸连杆座(86)铰接，另一端通过第二阻尼缸轴(875)与阻尼缸(6)铰接，底座连杆(83)的一端通过第一底座连杆轴(873)与连杆支撑件(84)铰接，另一端通过第二底座连杆轴(876)和轴座(12)铰接，连杆座(85)固定在连杆支撑件(84)上，膝上接受腔固定件(9)固定在连杆座(85)上。
2.根据权利要求1的一种主被动混合式假肢膝关节，其特征在于：所述的阻尼缸(6)为液压阻尼缸，或者为气动阻尼缸。
3.根据权利要求1的一种主被动混合式假肢膝关节，其特征在于：所述的丝杠(52)为滚珠丝杠，或者为滚柱丝杠，丝杠螺母(53)为滚珠丝杠螺母，或者为滚柱丝杠螺母。
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