CN111437083B - 一种肌电信号控制的单自由度假肢肘关节状态控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种肌电信号控制的单自由度假肢肘关节状态控制方法，涉及假肢领域，包括驱动电机、传动系统、滑移齿轮、直线伺服电机、拨叉连接机构。当大臂腔和小臂腔成180度且肘关节仍接收到大臂腔中持续伸的肌电信号时，直线伺服电机驱动拨叉连接机构带动滑移齿轮脱离与传动系统的啮合，进入自由摆动状态；在自由摆动状态，当肘关节接收到大臂腔中持续屈的肌电信号时，直线伺服电机驱动拨叉连接机构带动滑移齿轮与传动系统啮合，进入电动屈伸状态。本发明自动实现肌电假肢肘关节在电动屈伸和自由摆动之间切换，具有及时响应、稳定可靠、方便易用的优点。

Description

一种肌电信号控制的单自由度假肢肘关节状态控制方法

技术领域

本发明涉及假肢领域，尤其涉及一种肌电信号控制的单自由度假肢肘关节状态控制方法。

背景技术

肢残患者是社会上具有特殊困难的弱势群体。由于工伤事故、交通事故、自然灾害、疾病病变和先天性缺陷等各种因素，不可避免产生数量不少的上肢缺失者，其中有一部分是肘离断或上臂截肢患者。如何提高这些肢残患者的生活质量和工作质量，尤其是提高那些截肢者的生活质量，是全社会的责任。发展康复事业、服务残障者是社会进步的体现，也是我国民生科技的一个重要组成部分。

假肢技术经过长期的发展，具有电动肘关节的肌电控制上臂假肢已广泛使用。目前国内外上肢假肢肘关节的设计，大多都是由多级齿轮减速实现关节驱动，以便患者在需要时电动抬起或放下前臂。但若患者正常步行时，肘关节需要自由屈伸以实现前臂自由摆动。而这种肘关节由于无离合装置，不能像正常人手臂那样随意摆动，使得患者在形象上显得僵硬，不自然。为此，市场上出现了带有被动切换离合器的电动肘关节，通过操纵离合器切换电动肘关节工作状态，由于是被动切换，因此在使用上不便于患者操作。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种肌电信号控制的单自由度假肢肘关节状态控制方法，实现肘关节状态的自由切换。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是能够实现肘关节的伸屈功能，又能在不需要伸屈时，使前臂能像正常人一样自由摆动，而不需要被动切换。

为实现上述目的，本发明提供了一种肌电信号控制的单自由度假肢肘关节状态控制方法，通过驱动电机经传动系统驱动滑移齿轮，滑移齿轮连接输出轴，带动小臂腔转动，在肌电信号的控制下，直线伺服电机经拨叉连接机构驱动滑移齿轮轴向运动，与传动系统啮合或脱离，肘关节相应进入电动屈伸或自由摆动状态。

进一步地，肘关节处于电动屈伸状态时，当小臂腔达到向下伸展的极限位置且肘关节仍接收到大臂腔中持续伸的肌电信号时，直线伺服电机驱动拨叉连接机构带动滑移齿轮与传动系统脱离，肘关节进入自由摆动状态。

进一步地，向下伸展的极限位置为小臂腔和大臂腔成180度。

进一步地，输出轴上安装有凸轮，肘关节上安装有微动开关，当小臂腔和大臂腔成180度时，凸轮触动微动开关。

进一步地，肘关节处于自由摆动状态时，当肘关节接收到大臂腔中持续屈的肌电信号时，直线伺服电机驱动拨叉连接机构带动滑移齿轮与传动系统啮合，肘关节进入电动屈伸状态。

进一步地，拨叉连接机构包括U形连接件、拨叉、滑块。

进一步地，直线伺服电机、U形连接件、拨叉、滑块、滑移齿轮依次连接，当直线伺服电机直线运动时，带动拨叉转动，带动滑块沿滑移齿轮的轴向运动。

进一步地，拨叉可绕U形连接件转动。

进一步地，拨叉可绕滑块转动。

进一步地，传动系统为二级齿轮传动。

进一步地，肘关节还包括顶盖、肘关节外壳。

进一步地，二级齿轮传动为双联齿轮传动，驱动电机的涡轮与双联齿轮齿一啮合，组成一级齿轮传动，双联齿轮齿二与滑移齿轮啮合，组成二级齿轮传动。

进一步地，滑移齿轮通过键槽固定在输出轴上。

进一步地，输出轴通过舵盘与小臂腔装配。

进一步地，输出轴由两端的角接触球轴承实现轴向与径向定位。

进一步地，拨叉的上端通过插销与U形连接件连接。

进一步地，滑块包括连接头，连接头插入拨叉下端的连接孔中，使拨叉可绕连接头转动。

本发明的一种肌电信号控制的单自由度假肢肘关节状态控制方法，与现有技术相比，采用一个电机驱动，一个电机进行状态控制，可实现小臂电动屈伸和自由摆动状态的主动切换，使患者行走时姿态更自然，平衡感与舒适感更强，结构简单可靠，易于控制，特别适合用于肌电仿人假肢手臂。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明较佳实施例的内部结构示意图；

图2是本发明较佳实施例的顶盖示意图；

图3是本发明较佳实施例的驱动电机示意图；

图4是本发明较佳实施例的双联齿轮示意图；

图5是本发明较佳实施例的输出轴示意图；

图6是本发明较佳实施例的滑移齿轮示意图；

图7是本发明较佳实施例的二级齿轮传动系统示意图；

图8是本发明较佳实施例的拨叉连接机构示意图；

图9是本发明较佳实施例的轴承透盖示意图；

图10是本发明直线伺服电机示意图；

图11是本发明较佳实施例的滑移齿轮脱离示意图；

图12是本发明较佳实施例的微动开关示意图；

图13是本发明较佳实施例的肘关节外壳示意图；

图14是本发明微动开关位置示意图；

图15是本发明较佳实施例的舵盘示意图；

图16是本发明较佳实施例的大臂腔示意图；

图17是本发明较佳实施例的小臂腔示意图；

图18本发明较佳实施例的总装(90度)示意图；

图19是本发明转动极限位置1(45度)示意图；

图20是本发明转动极限位置2(180度)示意图。

其中，

1—顶盖，1-1—电机定位孔，1-2—顶盖弧形槽，1-3—齿轮定位孔，1-4—顶盖方形槽，1-51—顶盖出线孔一，1-52—顶盖出线孔二，1-6—顶盖安装孔；

2—驱动电机，2-1—驱动电机圆周面，2-2—电机蜗杆，2-3—驱动电机定位孔；

3—双联齿轮，3-1—双联齿轮齿一，3-2—双联齿轮齿二；

4—挡圈；

5—输出轴，5-1—导向键，5-2—D形轴端，5-3—凸轮；

6—滑移齿轮，6-1—外圆面，6-2—导向槽；

7—滑块，7-1—连接头，7-2—弧形面；

8—角接触球轴承；

9—轴承透盖，9-1—轴承盖安装孔；

10—拨叉，10-1—连接孔一，10-2—连接孔二；

11—U形连接件，11-1—直线电机连接孔，11-2—拨叉连接孔；

12—直线伺服电机；

13-1—插销一，13-2—插销二；

14—微动开关，14-1—拨动片，14-2—开关安装孔；

15—肘关节外壳，15-1—轴承安装孔，15-2—开关固定孔，15-3—轴承盖固定孔，15-4—出线孔，15-5—顶盖固定孔，15-6—大臂连接孔；

16—舵盘，16-1—D形孔，16-2—小臂连接孔；

17—大臂腔，17-1—大臂安装孔；

18—小臂腔，18-1—小臂安装孔。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

如图1内部结构示意图所示，肌电信号控制的单自由度假肢肘关节，包括顶盖1，驱动电机2，双联齿轮3，挡圈4，输出轴5，滑移齿轮6，滑块7，角接触球轴承8，轴承透盖9，拨叉10，U形连接件11，直线伺服电机12。

如图2、图3所示，驱动电机圆周面2-1放置在顶盖1上的顶盖弧形槽1-2中，驱动电机定位孔2-3与顶盖1上的电机定位孔1-1相配合，通过两个螺钉安装在顶盖1上。

如图3-图7所示，肘关节采用二级齿轮传动系统、包括一级齿轮传动，二级齿轮传动。双联齿轮3通过插销一13-1与顶盖1的齿轮定位孔1-3固定；电机蜗杆2-2与双联齿轮3中的双联齿轮齿一3-1啮合，组成一级齿轮传动；同时双联齿轮齿二3-2与滑移齿轮6啮合，组成二级齿轮传动。

滑移齿轮6通过键槽固定在输出轴5上。输出轴5的导向键5-1通过导向槽6-2和滑移齿轮6连接，实现与滑移齿轮6同步转动。

如图5、图15、图17所示，输出轴5的D形轴端5-2与舵盘16的D形孔16-1配合，同时舵盘16上的小臂连接孔16-2用螺钉与小臂18连接，使小臂18与输出轴5同步转动。

如图1、图9、图13所示，输出轴5由两端的角接触球轴承8实现轴向与径向定位。角接触球轴承8置于肘关节外壳15的轴承安装孔15-1中，内圈由挡圈4定位，外圈由轴承透盖9定位。轴承盖安装孔9-1与肘关节外壳15的轴承盖固定孔15-3通过螺钉固定；螺钉连接大臂安装孔17-1与肘关节外壳15的大臂连接孔15-6，使大臂腔17固定在肘关节外壳15上。

肘关节接收到持续的肌电信号时，驱动电机2的蜗杆2-2转动，带动与之啮合的双联齿轮齿一3-1转动；从而，双联齿轮齿二3-2带动滑移齿轮6转动，由于导向槽6-2和导向键5-1的配合，带动输出轴5转动，经过输出轴5的D形轴端5-2与舵盘16的D形孔16-1配合，带动小臂18转动。

当肘关节接收到大臂腔17中持续屈的肌电信号时，驱动电机2正转，带动小臂腔18向上弯曲；小臂腔18向上弯曲达到和大臂腔17成30度角时，达到向上弯曲的极限位置，如图19所示。当肘关节接收到大臂腔17中持续伸的肌电信号时，驱动电机2反转，带动小臂腔18向下伸展；小臂腔18向下伸展和大臂腔17成180度角时，达到向下伸展的极限位置，如图20所示。

如图1、图10所示，直线伺服电机12安装在顶盖1上的顶盖方形槽1-4中，直线伺服电机12的输出轴与U形连接件11的直线电机连接孔11-1连接；如图8所示，U形连接件11通过插销二13-2、拨叉连接孔11-2、连接孔二10-2与拨叉10连接，使拨叉10可绕插销二13-2转动。

滑块7的连接头7-1插入拨叉11的连接孔一中，使拨叉10可绕连接头7-1转动。

滑块7的弧形面7-2与滑移齿轮6的外圆面6-1贴合。

如图11所示，直线伺服电机12的驱动轴向下运动时，通过U形连接件11带动拨叉10转动，进而带动滑移齿轮6沿轴向位移，使滑移齿轮6与双联齿轮齿二3-2脱离啮合。

如图5，图12，图13，图14所示，肘关节的驱动轴5上还包括凸轮5-3，当肘关节带动小臂腔18转动至与大臂腔17成180度时，输出轴5上的凸轮5-3碰触微动开关14的拨动片14-1，微动开关14通过开关安装孔14-2与开关固定孔15-2固定在肘关节外壳15内。

如果此时肘关节接收到大臂腔17中持续伸的肌电信号时，直线伺服电机12带动U形连接件11向下做垂直直线运动，在拨叉连接机构下转化为滑移齿轮6沿输出轴5的轴向直线运动，使滑移齿轮6与双联齿轮齿二3-2脱离啮合，使输出轴5不再受驱动电机2控制，从而实现小臂的自由摆动。

总装如图1-图20所示，顶盖1通过螺钉连接顶盖安装孔1-6与肘关节外壳15上的顶盖固定孔15-5与肘关节外壳15固结；顶盖出线孔1-51顶盖出线孔二1-52用于肌电信号和控制信号的走线。

肘关节组装完之后，输出轴5通过舵盘16与小臂装配，并且通过肘关节外壳15顶部侧面的大臂连接孔15-6与大臂接受腔装配使用。

肘关节存在两种工作状态，电动屈伸状态与自由摆动状态。两种状态受小臂腔18与大臂腔17的角度以及肌电信号的控制，可以实现自由转换。

当肘关节工作在电动屈伸状态时，如果当小臂腔18与大臂腔17成180度且肘关节仍接收到大臂腔17中持续伸的肌电信号时，直线伺服电机12驱动拨叉连接机构带动滑移齿轮6脱离与双联齿轮齿二3-2的啮合，肘关节进入自由摆动状态。

在自由摆动状态下，当肘关节接收到大臂腔17中持续屈的肌电信号时，直线伺服电机12带动U形连接件11向上做垂直直线运动，在拨叉连接机构下转化为滑移齿轮6沿输出轴5的轴向直线运动，使滑移齿轮6与双联齿轮齿二3-2啮合，肘关节进入电动屈伸状态。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种肌电信号控制的单自由度假肢肘关节状态控制方法，其特征在于，驱动电机经传动系统驱动滑移齿轮，所述滑移齿轮连接输出轴带动小臂腔转动，直线伺服电机在肌电信号的控制下，经拨叉连接机构驱动所述滑移齿轮轴向运动，与所述传动系统啮合或脱离，所述肘关节相应进入电动屈伸或自由摆动状态；

所述肘关节处于电动屈伸状态时，当所述肘关节接收到大臂腔中持续屈的肌电信号时，所述驱动电机正转，带动小臂腔向上弯曲；当所述肘关节接收到大臂腔中持续伸的肌电信号时，所述驱动电机反转，带动小臂腔向下伸展；当所述小臂腔达到向下伸展的极限位置且所述肘关节仍接收到大臂腔中持续伸的肌电信号时，所述直线伺服电机驱动所述拨叉连接机构带动所述滑移齿轮与所述传动系统脱离，所述肘关节进入自由摆动状态；

所述肘关节处于自由摆动状态时，当所述肘关节接收到大臂腔中持续屈的肌电信号时，所述直线伺服电机驱动所述拨叉连接机构带动所述滑移齿轮与所述传动系统啮合，所述肘关节进入电动屈伸状态；

所述向下伸展的极限位置为所述小臂腔和所述大臂腔成180度；所述输出轴上安装有凸轮，所述肘关节上安装有微动开关，当所述小臂腔和所述大臂腔成180度时，所述凸轮触动所述微动开关。

2.如权利要求1所述的肌电信号控制的单自由度假肢肘关节状态控制方法，其特征在于，所述拨叉连接机构包括U形连接件、拨叉、滑块。

3.如权利要求2所述的肌电信号控制的单自由度假肢肘关节状态控制方法，其特征在于，所述直线伺服电机、所述U形连接件、所述拨叉、所述滑块、所述滑移齿轮依次连接，当所述直线伺服电机直线运动时，带动所述拨叉转动，带动所述滑块沿所述滑移齿轮的轴向运动。

4.如权利要求3所述的肌电信号控制的单自由度假肢肘关节状态控制方法，其特征在于，所述拨叉可绕U形连接件转动。

5.如权利要求3所述的肌电信号控制的单自由度假肢肘关节状态控制方法，其特征在于，所述拨叉可绕所述滑块转动。

6.如权利要求1所述的肌电信号控制的单自由度假肢肘关节状态控制方法，其特征在于，所述传动系统为二级齿轮传动。

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