CN111631847B - 一种基于气动人工肌肉的变刚度柔性下肢假肢转弯器 - Google Patents
一种基于气动人工肌肉的变刚度柔性下肢假肢转弯器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于气动人工肌肉的变刚度柔性下肢假肢转弯器，包括上盖，下盖，滚珠，两个气动人工肌肉，两个弹簧和两个导气管。气体经导气管分别通过第一固定梁和第二固定梁中的通孔进入气动人工肌肉，根据不同转弯角度，调节进气量的大小，可以改变气动人工肌肉的刚度，进而调节转弯器的刚度。本发明采用基于气动人工肌肉的柔性变刚度系统，可以改善假肢穿戴者在转弯时的刚性冲击，提高残疾人行走舒适性，减少残肢皮肤磨损，根据不同转弯角度，进行刚度的实时调节，使假肢更好地模拟了人的步态。
Description
技术领域
本发明属于人体仿生假肢技术领域，具体涉及一种基于气动人工肌肉的变刚度柔性下肢假肢转弯器。
背景技术
在世界上，有许多因为疾病、外伤或者战争而失去双腿的人。下肢假肢作为一种可以帮助残疾人行走的康复器械，在经过几十年的发展，已经能够成熟地应用于残疾人。传统下肢假肢包含接受腔、膝关节、连接杆、假脚等部件。安装假肢的残疾人在行走时，不但要直线行走，更要经常转弯进行曲线行走。现有的假肢在膝踝之间的连接件多采用如碳纤维连接杆和四棱台适配器等刚性结构，因此尤其在转弯时候，截肢者往往会比较生硬地转动假肢，对残肢带来较大的刚性冲击，穿戴舒适性不好，并且使假肢更容易磨损残疾人的残肢皮肤，给残疾人带来一定的困扰。
人在行走时下肢横截面需要有扭矩载荷的作用。现有的假肢穿戴者在进行曲线行走过程中，传统的刚性结构会产生较大的峰值载荷和不必要的冲击。人在转弯时的角度往往是不断变化的，单一刚度的转弯器并不能针对不同转动角度实现瞬时的载荷响应调节。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提出一种基于气动人工肌肉的变刚度柔性下肢假肢转弯器，以解决截肢者在转弯时下肢假肢刚性冲击较大和不能瞬时调节刚度的缺点。气动人工肌肉为硅胶材质，通过调节充气量的大小，可以实现刚度的调节。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于气动人工肌肉的变刚度柔性下肢假肢转弯器，包括上盖、下盖、滚珠、两个气动人工肌肉、两个弹簧和两个导气管。所述上盖包括膝关节连接件、第一固定梁和第二固定梁，膝关节连接件可以通过标准管连接膝关节，标准管为假肢常用钢管或者碳纤维管，第一固定梁的一侧固定连接气动人工肌肉，第一固定梁的另一侧固定连接导气管。第二固定梁的一侧固定连接气动人工肌肉，第二固定梁的另一侧固定连接导气管，气体经导气管分别通过第一固定梁和第二固定梁中的通孔进入气动人工肌肉，导气管可以从膝关节连接件内部穿过而接入气泵。第一气动人工肌肉被第一弹簧包裹，第二气动人工肌肉被第二弹簧包裹。如图4所示，气动人工肌肉为内部中空圆柱形，硅胶材质，弹簧的作用为加强气动人工肌肉强度并提供一定刚度，防止人工肌肉断裂。根据不同的转弯角度，调节气动人工肌肉的进气量，改变气动人工肌肉的刚度，进而调节整个转弯器的刚度。第一弹簧的两端分别与第一固定梁和下盖内部凸台固定连接，第二弹簧的两端分别与第二固定梁和下盖内部凸台固定连接，气动人工肌肉的另一端固定连接在下盖内部的凸台上；上盖与下盖之间嵌入滚珠，上盖和下盖可以相对转动。下盖上的踝关节连接件为管型，用于连接假肢踝关节。
气动人工肌肉进气量的不同会使其形变不同，进而刚度会随着进气量的改变而改变，整个转弯器的刚度因此改变。
本发明的有益效果：
(1)假肢转弯器使用柔性弹簧-气动人工肌肉系统，能够有效减轻刚性假肢在转弯时的刚性冲击，改善传统假肢的舒适性，减少残肢皮肤的磨损，并可以增加刚性假肢的使用寿命。
(2)采用变刚度的气动人工肌肉，可以根据不同的转弯角度来调节系统刚度的大小，实现假肢横截面的瞬时载荷调节，可以更好地模拟人的步态。
附图说明
图1是本发明的轴测图。
图2是本发明的横向剖视图。
图3是本发明的纵向剖视图。
图4是本发明的人工肌肉剖视图。
具体实施方式
参照图1、图2、图3和图4所示，一种基于气动人工肌肉的变刚度柔性下肢假肢转弯器，包括上盖1，下盖2，滚珠3，两个气动人工肌肉4，两个弹簧5和两个导气管6；上盖1包括膝关节连接件11、第一固定梁12和第二固定梁13，膝关节连接件11通过标准管连接膝关节，第一固定梁12的一侧固定粘接气动人工肌肉41，第一固定梁12的另一侧固定粘接导气管6；第二固定梁13的一侧固定粘接气动人工肌肉42，第二固定梁13的另一侧固定粘接导气管6，气体经导气管6分别通过第一固定梁12和第二固定梁13中的通孔进入气动人工肌肉4；第一气动人工肌肉41被第一弹簧51包裹，第二气动人工肌肉42被第二弹簧52包裹，第一弹簧51的两端分别与第一固定梁12和下盖2内部凸台固定焊接，第二弹簧52的两端分别与第二固定梁13和下盖2内部凸台固定焊接，气动人工肌肉4的另一端固定粘接在下盖2内部的凸台上；上盖1与下盖2之间嵌入滚珠3，下盖2上的踝关节连接件21为管型，用于连接假肢踝关节。
本发明的工作原理为：
根据转弯角度的变化，系统通过调节气动人工肌肉4通气量的大小，可以实现整个系统刚度的变化。
参照图2，从上往下看，当人的大腿抬起带动膝关节顺时针转动，进而带动膝关节连接件11顺时针转动。膝关节连接件11带动上盖1的第一固定梁12顺时针转动，进而压缩第一气动人工肌肉41和第一弹簧51，此时第二气动人工肌肉42和第二弹簧52因顺时针转动而拉伸。根据转动角度的大小，改变气动人工肌肉4的进气量，进行转动刚度的实时调节，进而调节转动扭矩的大小，以此模拟健康人腿行走时的横截面扭矩变化，使假肢步态更接近健康人的步态。此后下盖2由于气动人工肌肉4和弹簧5的作用而顺时针转动，下盖2的踝关节连接件21顺时针转动，进而带动假脚顺时针转动。
当大腿完成转弯动作，上盖1停止顺时针转动。下盖2在转过和上盖2相同的角度后，下盖2和假脚由于惯性的作用会继续顺时针转动，此过程中也需要根据转动角度来实时调节气动人工肌肉4进气量的大小。此后第一气动人工肌肉41和第一弹簧51拉伸，第二气动人工肌肉42和第二弹簧52压缩，对下盖2产生一个逆时针的作用力，下盖2又会向逆时针方向轻微转动。
由于惯性，下盖2和假脚会往复振动几次达到稳态，等待下盖2和假脚稳定后，完成人的转弯动作，脚踩向地面。
当大腿带动膝关节逆时针转动时，工作原理相同。
Claims (1)
1.一种基于气动人工肌肉的变刚度柔性下肢假肢转弯器，其特征在于：包括上盖（1）、下盖（2）、滚珠（3）、两个气动人工肌肉（4）包括第一气动人工肌肉（41）和第二气动人工肌肉（42）、两个弹簧（5）包括第一弹簧（51）和第二弹簧（52）、和两个导气管（6）；
所述上盖（1）包括膝关节连接件（11）、第一固定梁（12）和第二固定梁（13），膝关节连接件（11）通过标准管连接膝关节，第一固定梁（12）的一侧固定连接气动人工肌肉（41），第一固定梁（12）的另一侧固定连接导气管（6）；第二固定梁（13）的一侧固定连接气动人工肌肉（42），第二固定梁（13）的另一侧固定连接导气管（6），气体经导气管（6）分别通过第一固定梁（12）和第二固定梁（13）中的通孔进入气动人工肌肉（4）；第一气动人工肌肉（41）被第一弹簧（51）包裹，第二气动人工肌肉（42）被第二弹簧（52）包裹，第一弹簧（51）的两端分别与第一固定梁（12）和下盖（2）内部凸台固定连接，第二弹簧（52）的两端分别与第二固定梁（13）和下盖（2）内部凸台固定连接，气动人工肌肉（4）的另一端固定连接在下盖（2）内部的凸台上；上盖（1）与下盖（2）之间嵌入滚珠（3）；
所述下盖（2）上的踝关节连接件（21）为管型，用于连接假肢踝关节。
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