CN112206079A - 一种主被动仿生假肢膝关节 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种主被动仿生假肢膝关节，包括底座、阻尼缸、前连杆、接受腔连接件、上连杆座、两个后连杆、两个伸缩杆组件、滚珠丝杠组件、直线导轨组件、支撑座、同步带组件、小腿连接件和电机，采用舵机控制的伸缩杆结构进行主被动模式的切换，舵机技术成熟、可靠性高、体积小、实用性强，在主被动模式切换过程中更加可靠和迅速，在被动模式下为等效四杆阻尼缸结构，在主动模式下创新地应用包括伸缩杆在内的五杆结构，瞬心位置随膝关节弯曲角度的变化而变化，无论在主动还是被动模式下都具有模拟人步态的优点，且在主动模式下，此舵机伸缩杆结构可以提供更大的扭矩。

Description

一种主被动仿生假肢膝关节
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仿生假肢膝关节。
背景技术
在截肢残疾人中，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。作为下肢假肢中的核心部件，膝关节在行走步态中起到关键作用。现有的假肢膝关节可以分为主动式假肢膝关节、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，不携带能量源，不提供主动驱动力矩，完全由残肢来带动膝关节进行运动，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需要主动力矩驱动的状态下，则不能很好地行走；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，而在诸如上楼梯、爬坡等需要主动力矩的运动状态下切换为主动驱动方式，融合了主动和被动膝关节的优点，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：主动模式下和被动模式下多为单轴转动的机械结构，单轴结构不能很好地模拟健康人体膝关节运动轨迹，容易使人的步态不协调；主动模式和被动模式的机械结构相互耦合，切换过程复杂，并且存在主动驱动力臂较小而导致主动驱动力小的情况。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提出了一种主被动仿生假肢膝关节。
本发明通过控制舵机的输出轴转动角度来使伸缩杆的长度固定或自由伸缩，以此进行主被动模式间的切换，在主动和被动模式下都是由多杆机构组成，可以有效模拟健康人的步态，在主动模式下可以产生较大的驱动扭矩，在被动模式下，电机不工作，伸缩杆自由伸缩，通过多杆阻尼缸结构使步态更加协调。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种主被动仿生假肢膝关节，其特征在于：包括底座、阻尼缸、前连杆、接受腔连接件、上连杆座、两个后连杆、两个伸缩杆组件、滚珠丝杠组件、直线导轨组件、支撑座、同步带组件、小腿连接件和电机；
所述前连杆的下端与底座通过台阶螺丝连接形成转动副，阻尼缸的下端与底座的凸耳朵结构连接形成转动副，后连杆下端与底座通过台阶螺丝连接形成转动副，前连杆的上端与上连杆座通过台阶螺丝连接形成转动副，阻尼缸的上端与上连杆座通过转轴连接形成转动副，后连杆的上端与上连杆座通过台阶螺丝连接形成转动副，前连杆、上连杆座、后连杆和底座形成四连杆结构，并与阻尼缸配合形成被动模式下的四杆阻尼缸结构，这样的四杆结构瞬心位置是随人步态周期的变化而变化，具有仿生学特点，能够有效模拟人的步态，接受腔连接件固定在上连杆座上，接受腔连接件通过上部的四棱台与接受腔连接，阻尼缸可以为气动或者液压阻尼缸。
所述伸缩杆组件包括伸缩杆母头、伸缩杆公头和舵机，伸缩杆母头上端与上连杆座通过台阶螺丝连接形成转动副，伸缩杆公头下端和螺母支撑件通过台阶螺丝连接形成转动副，伸缩杆母头和伸缩杆公头可以相对滑动以改变伸缩杆的长度，舵机的输出轴插入伸缩杆母头和伸缩杆公头的侧面，舵机固定安装在伸缩杆母头的侧面，通过控制舵机的输出轴转角使伸缩杆固定长度或自由伸缩，主动模式下舵机输出轴将伸缩杆公头和母头卡死(即固定长度)，被动模式下舵机输出轴在转动一定角度后可以在伸缩杆公头的槽里滑动(即自由伸缩)。
所述滚珠丝杠组件包括丝杠螺母、螺母支撑件、丝杠和丝杠固定座，丝杠螺母与螺母支撑件固定连接，丝杠固定座固定在支撑座上，丝杠由丝杠固定座限制轴向和径向位移，丝杠转动可使丝杠螺母和螺母支撑件产生沿丝杠轴向的运动，所述丝杠螺母可以为滚珠丝杠螺母，丝杠为滚珠丝杠；或者丝杠螺母为滚柱丝杠螺母，丝杠为滚柱丝杠。
所述直线导轨组件包括滑块、滑轨和滑轨固定座，滑轨的一端固定在底座上，另一端固定在滑轨固定座上，滑轨固定座固定在支撑座上，滑块与螺母支撑件固定连接，滑块可沿滑轨移动，直线导轨组件的作用在于保持丝杠组件运动时的稳定性，保证螺母支撑件稳定地沿丝杠轴向运动，减少扰动。
所述同步带组件包括电机带轮、同步带、免键轴衬和丝杠带轮，电机带轮通过内部的止动螺丝与电机的输出轴固定，丝杠带轮通过免键轴衬固定在丝杠的下端，免键轴衬起到固定丝杠带轮的作用，电机带轮和丝杠带轮通过同步带传递扭矩。
所述小腿连接件的三个爪子分别与支撑座和底座固定连接，小腿连接件下端的四棱台可与标准管材连接件固定，进而连接假脚，电机固定在支撑座上，电机内部装有绝对值编码器。
接受腔连接件水平时，膝关节处于完全伸直状态。主动和被动模式的切换在接受腔连接件水平位置时切换。
本发明的有益效果：
1、本发明在主动和被动模式下都采用多杆结构，在被动模式下为等效四杆阻尼缸结构，在主动模式下创新地应用包括伸缩杆在内的五杆结构，瞬心位置随膝关节弯曲角度的变化而变化，无论在主动还是被动模式下都具有模拟人步态的优点。
2、舵机技术成熟、可靠性高、体积小，创新地采用舵机控制的伸缩杆结构进行主被动模式切换，具有结构简单、占用体积小的优点，并且能够保证主动模式下具有足够力矩。
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是本发明的伸缩杆剖视图及主被动切换示意图。
图5是本发明的主动模式下运动示意图。
图6是本发明的被动模式下运动示意图。
具体实施方式
请参阅图1所示，一种主被动仿生假肢膝关节，包括底座1、阻尼缸2、前连杆3、接受腔连接件4、上连杆座5、两个后连杆6、两个伸缩杆组件7、丝杠组件8、直线导轨组件9、支撑座10、同步带组件11、小腿连接件12和电机13；
请参阅图2和图3所示，前连杆3的下端与底座1通过台阶螺丝的光滑台阶部分连接形成转动副，台阶螺丝的螺纹部分旋转固定在底座1的螺纹孔里，阻尼缸2的下端与底座1的凸耳朵结构通过转轴连接形成转动副，后连杆6的下端与底座1通过台阶螺丝连接形成转动副，前连杆3的上端与上连杆座5通过台阶螺丝连接形成转动副，阻尼缸2的上端与上连杆座5通过转轴连接形成转动副，后连杆6的上端与上连杆座5通过台阶螺丝连接形成转动副，接受腔连接件4通过螺丝固定在上连杆座5上并可以根据不同人的需求调整前后位置，接受腔连接件4通过上部的四棱台与接受腔连接。
所述伸缩杆组件7包括伸缩杆母头71、伸缩杆公头73和舵机72，伸缩杆母头71上端与上连杆座5通过台阶螺丝连接形成转动副，伸缩杆公头73下端和螺母支撑件82通过台阶螺丝连接形成转动副，伸缩杆母头71和伸缩杆公头73可以相对滑动以改变伸缩杆的长度，舵机72由螺丝固定安装在伸缩杆母头71的侧面，舵机72的输出轴插入伸缩杆母头71和伸缩杆公头73中，通过控制舵机72的输出轴转角使伸缩杆固定长度或自由伸缩。
所述丝杠组件8包括丝杠螺母81、螺母支撑件82、丝杠83和丝杠固定座84，丝杠螺母81与螺母支撑件82固定连接，丝杠固定座84固定在支撑座10上，丝杠83由丝杠固定座84限制轴向和径向位移，丝杠83转动可使丝杠螺母81和螺母支撑件82产生沿丝杠83轴向的运动；
所述直线导轨组件9包括滑块91、滑轨92和滑轨固定座93，滑轨92的一端固定在底座1上，另一端固定在滑轨固定座93上，滑轨固定座93固定在支撑座10上，滑块91与螺母支撑件82的侧面固定连接，滑块91可沿滑轨92移动；
所述同步带组件11包括电机带轮111、同步带112、免键轴衬113和丝杠带轮114，电机带轮111通过止动螺丝与电机13的输出轴固定，丝杠带轮114通过免键轴衬113胀紧固定在丝杠83的下端，电机带轮111和丝杠带轮114通过同步带112传递扭矩；
所述小腿连接件12的三个爪子分别与支撑座10和底座1固定连接，电机13固定在支撑座10上。
本发明的工作原理如下：
图4展示了伸缩杆组件7的横截面剖视图、纵截面剖视图和局部视图，在此视图中说明了如何进行主被动模式切换，伸缩杆公头73内部开有一个长槽，在舵机72的输出轴末端切割有两个平行平面，当输出轴末端平面与伸缩杆公头73的长槽垂直时，为主动模式状态A，此时伸缩杆组件7为固定长度；当输出轴末端平面与伸缩杆公头73的长槽平行时，为被动模式状态B，此时伸缩杆组件7可以自由伸缩，如图4所示，舵机72的输出轴可以在伸缩杆公头73内的长槽里自由滑动。
如图5所示为主动模式下的运动示意图，此时舵机72输出轴末端平面与伸缩杆公头73的长槽垂直，由于输出轴的卡位，所以伸缩杆处于固定长度的状态，此时电机13带动同步带组件11，进而带动丝杠83转动，丝杠螺母81便带动螺母支撑件82沿丝杠83轴向运动，此时伸缩杆组件7便在螺母支撑件82的作用下运动，膝关节弯曲，直线导轨组件9可以保证螺母支撑件82运动的稳定性，由此组成了底座1、前连杆3、上连杆5、后连杆6和伸缩杆组件7组成的五杆机构，阻尼缸2在主动力矩的作用下随动，此结构可以模拟健康人的步态，使残疾人行走更加舒适。
如图6所示位被动模式下的运动示意图，此时舵机72输出轴末端平面与伸缩杆公头73的长槽平行，此时伸缩杆可以自由伸缩，舵机72的输出轴可以在伸缩杆公头73内的长槽里自由滑动，此时电机13、同步带组件11、丝杠组件8和直线导轨组件9不运动，伸缩杆自由伸缩，由底座1、前连杆3、上连杆5、后连杆6和阻尼器2形成传统的等效四杆阻尼结构，可以很好的模拟人的步态。

Claims (3)

1.一种主被动仿生假肢膝关节，其特征在于：包括底座(1)、阻尼缸(2)、前连杆(3)、接受腔连接件(4)、上连杆座(5)、两个后连杆(6)、两个伸缩杆组件(7)、丝杠组件(8)、直线导轨组件(9)、支撑座(10)、同步带组件(11)、小腿连接件(12)和电机(13)；
所述前连杆(3)的下端与底座(1)通过台阶螺丝连接形成转动副，阻尼缸(2)的下端与底座(1)的凸耳朵结构通过转轴连接形成转动副，后连杆(6)的下端与底座(1)通过台阶螺丝连接形成转动副，前连杆(3)的上端与上连杆座(5)通过台阶螺丝连接形成转动副，阻尼缸(2)的上端与上连杆座(5)通过转轴连接形成转动副，后连杆(6)的上端与上连杆座(5)通过台阶螺丝连接形成转动副，接受腔连接件(4)固定在上连杆座(5)上，接受腔连接件(4)通过上部的四棱台与接受腔连接；
所述伸缩杆组件(7)包括伸缩杆母头(71)、伸缩杆公头(73)和舵机(72)，伸缩杆母头(71)上端与上连杆座(5)通过台阶螺丝连接形成转动副，伸缩杆公头(73)下端和螺母支撑件(82)通过台阶螺丝连接形成转动副，伸缩杆母头(71)和伸缩杆公头(73)可以相对滑动以改变伸缩杆的长度，舵机(72)固定安装在伸缩杆母头(71)的侧面，舵机(72)的输出轴插入伸缩杆母头(71)和伸缩杆公头(73)中，通过控制舵机(72)的输出轴转角使伸缩杆固定长度或自由伸缩；
所述丝杠组件(8)包括丝杠螺母(81)、螺母支撑件(82)、丝杠(83)和丝杠固定座(84)，丝杠螺母(81)与螺母支撑件(82)固定连接，丝杠固定座(84)固定在支撑座(10)上，丝杠(83)由丝杠固定座(84)限制轴向和径向位移，丝杠(83)转动可使丝杠螺母(81)和螺母支撑件(82)产生沿丝杠(83)轴向的运动；
所述直线导轨组件(9)包括滑块(91)、滑轨(92)和滑轨固定座(93)，滑轨(92)的一端固定在底座(1)上，另一端固定在滑轨固定座(93)上，滑轨固定座(93)固定在支撑座(10)上，滑块(91)与螺母支撑件(82)固定连接，滑块(91)可沿滑轨(92)移动；
所述同步带组件(11)包括电机带轮(111)、同步带(112)、免键轴衬(113)和丝杠带轮(114)，电机带轮(111)通过止动螺丝与电机(13)的输出轴固定，丝杠带轮(114)通过免键轴衬(113)固定在丝杠(83)的下端，电机带轮(111)和丝杠带轮(114)通过同步带(112)传递扭矩；
所述小腿连接件(12)分别与支撑座(10)和底座(1)固定连接，电机(13)固定在支撑座(10)上。
2.根据权利要求1的一种主被动仿生假肢膝关节，其特征在于：所述的阻尼缸(2)为液压阻尼缸或气动阻尼缸。
3.根据权利要求1的一种主被动仿生假肢膝关节，其特征在于：所述丝杠螺母(81)为滚珠丝杠螺母，丝杠(83)为滚珠丝杠；或者所述丝杠螺母(81)为滚柱丝杠螺母，丝杠(83)为滚柱丝杠。
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