CN112515824A - 一种主被动结合的下肢假肢膝关节 - Google Patents
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Abstract
一种主被动结合的下肢假肢膝关节，属于康复辅具技术领域。本发明包括接受腔体、转动关节轴、控制面板、蓝牙通讯模块、动力膝关节、小腿杆及炭纤维储能脚；接受腔体下端与转动关节轴上端固定连接，转动关节轴与动力膝关节固定连接，转动关节轴驱动动力膝关节转动，小腿杆上端与动力膝关节下端固定连接，小腿杆下端与炭纤维储能脚上端固定连接，动力膝关节外壁上固定有控制面板和蓝牙通讯模块，控制面板用于控制转动关节轴的电机启停，控制面板的驱动器驱动所述电机调整转速和转角。本发明采用主被动结合的方式，在中空关节轴中加入电机驱动，解决了被动阻尼式假肢无法提供主动力矩的问题，同时利用阻尼油缸在无需主动力矩情况下较好的阻尼性能。
Description
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结合的下肢假肢膝关节。
背景技术
下肢假肢的安装和普及，是当前解决截肢者基本需要的重要手段。安装假肢不仅可以使患者残缺肢体基本恢复原有的形态和功能，而且可以避免截肢给患者带来的不良影响。现有假肢产品按其控制方式可分为:主动型假肢、被动型假肢和半主动型假肢。主动型假肢主要采用电机、液压、气压控制,体积大,能耗高。被动型假肢采用残肢控制,步速固定、协调性差、阻尼要求高。半主动型假肢采用步进电机控制,响应慢、力矩不连续、耗能高。
目前市场主流的假肢通常都是无动力型，其屈伸运动都是由大腿残端带动的，由于佩戴者自身状况不一，可能会出现走路或上楼吃力的情况。主流假肢膝关节弯曲程度大约为0～120°，限制了假肢使用者的活动。目前主流假肢的重量较重、尺寸偏大。
在控制方式上，利用肌电、脑电等人体生物信号以及人体动力学、运动学信息对人体步态模式识别和环境信息判断，结合智能控制技术实现自然、对称的步态，也将成为未来假肢研究的热点。
发明内容
本发明的目的在于为弥补被动阻尼式假肢无法提供主动力矩的不足，提供一种主被动结合的下肢假肢膝关节。
本发明利用其在无需主动力矩情况下较好的阻尼性能，将主动驱动与被动驱动相结合，设计主被动混合驱动的智能下肢假肢。
本发明的一种主被动结合的下肢假肢膝关节，采用主被动结合的方式。使用时，接受腔体包裹使用者的大腿根部，当使用者大腿根部用力向前迈步时，假肢下肢被动受力的同时，陀螺仪捕获动作姿态并且将信号传递给控制面板，控制器再根据角度传感器输入的信息判断运动模式和步速识别，并输出相应的脉冲控制电机的占空比，改变电机的转速和转动角度，主动提供驱动力矩，转动关节轴转动带动阻尼油缸伸缩完成假肢预定动作。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种主被动结合的下肢假肢膝关节，包括接受腔体、转动关节轴、控制面板、蓝牙通讯模块、动力膝关节、小腿杆及炭纤维储能脚；
所述接受腔体下端与转动关节轴上端固定连接，所述转动关节轴与动力膝关节固定连接，转动关节轴驱动动力膝关节转动，所述小腿杆上端与动力膝关节下端固定连接，小腿杆下端与炭纤维储能脚上端固定连接，所述动力膝关节外壁上固定有控制面板和蓝牙通讯模块，所述控制面板用于控制转动关节轴的电机启停，所述控制面板的驱动器驱动所述电机调整转速和转角。
本发明相对于现有技术的有益效果是：本发明采用主被动结合的方式，在中空关节轴中加入电机驱动，解决了被动阻尼式假肢无法提供主动力矩的问题，同时利用阻尼油缸在无需主动力矩情况下较好的阻尼性能。在动力膝关节处，装有蓝牙通讯模块，可连接手机、电脑等设备，选择行走模式，更好发挥假肢的行走特性。假肢脚底板使用炭纤维储能脚，炭纤维储能脚的上脚板与下脚板于脚肚部分固定在一起,上脚板脚掌部分为向下凸出的弧形,上脚板与下脚板从脚肚部分分开,上脚板向上弯折,弯折处为弧形；下脚板从脚肚部分向脚跟部分延伸,脚肚与脚跟之间为向上凸出的弧形,脚跟部分为向下突出的弧形；脚掌部分凸出的下表面与脚跟部分突出的下表面齐平。具有使用舒适、省力且结实耐用的特点。假肢工作时其弯曲角度可达到130°，更好的完成假肢行走过程中的行走动作，使假肢佩戴者活动范围更大。动力膝关节中装有阻尼油缸，它在人腿屈伸的过程中展现出不同的阻尼特性，使行走动作更加顺畅。
附图说明
图1是本发明的一种主被动结合的下肢假肢膝关节的爆炸图；
图2是本发明的一种主被动结合的下肢假肢膝关节的外观轴测图；
图3是本发明的一种主被动结合的下肢假肢膝关节的主视剖视图；
图4是转动关节轴与动力膝关节装配的主视剖视图，机械适配器和机械适配器未表示；
图5是转动关节轴与动力膝关节装配的后视剖视图；
图6是转动关节轴与动力膝关节装配的外观轴测图；
图7是控制流程图；
图8是本发明的一种主被动结合的下肢假肢膝关节的运行流程图；
图9是图3的A处局部放大图。
上述图中涉及的部件名称及标号如下：
接受腔体100、转动关节轴200、左端端盖固定螺钉201、减速器202、花键轴203、中空关节轴204、轴承端盖205、电机206、右端盖207、右端端盖固定螺钉208、机械适配器209、角度传感器210、控制面板300、控制器301、电源模块302、驱动器303、蓝牙通讯模块400、动力膝关节500、小腿壳体501、长轴502、螺帽503、小腿连接套504、螺栓505、阻尼油缸506、导杆507、小腿杆600、炭纤维储能脚700、假肢脚底701、上脚板7011、下脚板7012、假肢脚踝702。
具体实施方式
具体实施方式一：如图2、图4-图7所示，本实施方式披露了一种主被动结合的下肢假肢膝关节，包括接受腔体100、转动关节轴200、控制面板300、蓝牙通讯模块400、动力膝关节500、小腿杆600及炭纤维储能脚700；
所述接受腔体100下端与转动关节轴200上端固定连接，所述转动关节轴200与动力膝关节500固定连接，转动关节轴200驱动动力膝关节500转动，所述小腿杆600上端与动力膝关节500下端固定连接，小腿杆600下端与炭纤维储能脚700上端固定连接，所述动力膝关节500外壁上固定有控制面板300和蓝牙通讯模块400，所述控制面板300用于控制转动关节轴200的电机206启停，所述控制面板300的驱动器303驱动所述电机206调整转速和转角。
具体实施方式二：如图1-图6所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述转动关节轴200包括减速器202、花键轴203、中空关节轴204、轴承端盖205、电机206、右端盖207、机械适配器209及角度传感器210；
所述中空关节轴204水平设置，中空关节轴204外壁上端通过机械适配器209与接受腔体100下端固定连接，所述减速器202(利用左端端盖固定螺钉201)轴向固定于中空关节轴204内的左端，所述电机206和右端盖207(利用右端端盖固定螺钉208)轴向固定于中空关节轴204内的右端，所述角度传感器210固定于电机206右侧面，电机206输出轴与减速器202输入轴连接，减速器202输出轴外端面沿轴向设有花键孔，所述花键轴203与减速器202输出轴的花键孔传动连接，花键轴203一端设有花键端盖，花键轴203的花键端盖与动力膝关节500的小腿壳体501左侧壁的上端固定连接(动力膝关节500的小腿壳体501左侧壁的上端设有通孔一，花键轴203的花键端盖通过螺钉一与所述小腿壳体501的通孔一固定连接)，所述轴承端盖205与所述小腿壳体501右侧壁的上端以及右端盖207固定连接(小腿壳体501右侧壁的上端与通孔一相对应的位置设有通孔二，轴承端盖205通过螺钉二与小腿壳体501的通孔二固定连接)，所述右端盖207与中空关节轴204右端固定连接，右端盖207与轴承端盖205之间设置有轴承(减速器202、中空关节轴204、电机206、右端盖207及角度传感器210均设置在小腿壳体501内)；所述电机206为步进电机。如图5所示，转动关节轴200内部从左到右依次为，轴承端盖205、电机206、减速器202、花键轴203同轴配置。
具体实施方式三：如图1-图6所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述动力膝关节500包括小腿壳体501、长轴502、小腿连接套504、阻尼油缸506及导杆507；
所述导杆507上端与中空关节轴204外壁转动连接，导杆507下端与阻尼油缸506的活塞杆上端连接，所述阻尼油缸506设置在小腿壳体501内，阻尼油缸506的缸体下端通过长轴502与小腿壳体501下侧侧壁连接；
所述小腿连接套504为两个对称的分体结构，小腿连接套504上端与小腿壳体501下端滑动连接(小腿壳体501下端面平行设有两个滑道，小腿连接套504上端与两个滑道滑道连接)，所述小腿杆600上端设置在小腿连接套504内，并通过与小腿连接套504连接固定的螺栓505、螺帽503夹紧固定小腿杆600；
所述控制面板300和蓝牙通讯模块400均固定在小腿壳体501外壁上。
具体实施方式四：如图1所示，本实施方式是对具体实施方式三作出的进一步说明，所述中空关节轴204外壁的中部设有一对凸耳，所述一对凸耳上同轴设有两个销孔，所述两个销孔的轴线与中空关节轴204的轴线平行设置，所述导杆507上端设置在所述一对凸耳内并通过销轴转动连接。
具体实施方式五：如图1-图3及图9所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述炭纤维储能脚700包括假肢脚底701和假肢脚踝702；所述小腿杆600下端与假肢脚踝702上端固定连接，所述假肢脚底701与假肢脚踝702上表面后端(通过螺钉)固定连接。
具体实施方式六：如图3、图9所示，本实施方式是对具体实施方式五作出的进一步说明，所述假肢脚底701包括上脚板7011和下脚板7012；所述上脚板7011与下脚板7012于脚肚部分固定在一起,上脚板7011的脚掌部分为向下凸出的弧形,上脚板7011与下脚板7012从脚肚部分分开,上脚板7011向上弯折,弯折处为弧形；所述下脚板7012从脚肚部分向脚跟部分延伸,脚肚与脚跟之间为向上凸出的弧形,脚跟部分为向下突出的弧形，脚掌部分凸出的下表面与脚跟部分突出的下表面齐平。
具体实施方式七：如图2、图4及图7所示，本实施方式是对具体实施方式二作出的进一步说明，所述控制面板300包括控制器301、电源模块302及驱动器303；所述电源模块302为控制器301和驱动器303提供电能，所述控制器301接收角度传感器210的位置信息，将控制信号传递给驱动器303，所述驱动器303驱动步进电机调整转速和转角，实现假肢的运动。步进电机由驱动器303供电。
本发明的工作原理是：接受腔体100下端与中空关节轴204上端的机械适配器209相连接，运动时接受腔体100带动转动关节轴200正向转动；编码器(通过动力线与电机206相连)将动作识别信号传输给固定在小腿壳体501上的控制面板300；控制面板300发出指令信号给电机206；电机206转动，将动力传递到减速器202；与减速器202连接的花键轴203将动力传递给小腿壳体501；与小腿壳体501固定的阻尼油缸506正向转动；与阻尼油缸506活塞杆连接的导杆507伸长；动力膝关节500通过小腿连接套504连接小腿杆600，并通过螺栓505和螺帽503固定，小腿杆600通过假肢脚踝702和假肢脚底701连接固定；导杆507伸长，使与动力膝关节500固定连接的小腿杆600和炭纤维储能脚700，向前迈动。
运动时接受腔体100带动转动关节轴200反向转动；编码器将动作识别信号传输给固定于小腿壳体501上的控制面板300；控制面板300发出指令信号给电机206；电机206反向转动，将动力传递到减速器202；与减速器202连接的花键轴203将动力传递给小腿壳体501；与小腿壳体501固定的阻尼油缸506反向转动；与阻尼油缸506活塞杆连接的导杆507收缩，使与动力膝关节500固定连接的小腿杆600和炭纤维储能脚700，向后迈动。
蓝牙通讯模块400可连接外部设备，设定行走模式，并通过控制面板300控制电机206获得不同转速和转动关节轴200的转动角度，满足不同的行走需求。
该假肢的动力膝关节的重量和尺寸比市面上动力型假肢轻便和小巧。具体尺寸参数如下表1所示：
表1
| 性能 | 动力膝关节 |
| 体积 | 长×宽×高＝87×75×200mm |
| 重量 | 2.3kg |
| 电池重量 | 0.23kg |
| 转动角度 | 130° |
| 运动等级 | 低、中、高运动等级 |
本发明的控制流程图如图7所示，电源模块302为控制器301和驱动器303提供电能，控制器301接受角度传感器210的位置信息，将控制信号传递给驱动器303，驱动器303驱动步进电机调整转速和转角，实现假肢的运动。
如图8所示，本发明的运行过程是：接受腔体100包裹大腿根部，当大腿运动迈进时，转动关节轴200受到被动力矩作用，蓝牙通讯模块400接受信号并识别运动模式，陀螺仪(陀螺仪与控制面板300的控制器301相连)捕获此时运动姿态；控制面板300接收信号，判断电机206是否转到预定动作位置，若到达预定位置，则停止转动；若未到达预定位置，则电机206主动转动，驱动小腿杆600工作；编码器(通过动力线与电机206相连)接受电机206转动信号，并将信号反馈给控制面板300，实时控制电机206转动速度和角度。
以上仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围，并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种主被动结合的下肢假肢膝关节，其特征在于：包括接受腔体(100)、转动关节轴(200)、控制面板(300)、蓝牙通讯模块(400)、动力膝关节(500)、小腿杆(600)及炭纤维储能脚(700)；所述接受腔体(100)下端与转动关节轴(200)上端固定连接，所述转动关节轴(200)与动力膝关节(500)固定连接，转动关节轴(200)驱动动力膝关节(500)转动，所述小腿杆(600)上端与动力膝关节(500)下端固定连接，小腿杆(600)下端与炭纤维储能脚(700)上端固定连接，所述动力膝关节(500)外壁上固定有控制面板(300)和蓝牙通讯模块(400)，所述控制面板(300)用于控制转动关节轴(200)的电机(206)启停，所述控制面板(300)的驱动器(303)驱动所述电机(206)调整转速和转角。
2.根据权利要求1所述的一种主被动结合的下肢假肢膝关节，其特征在于：所述转动关节轴(200)包括减速器(202)、花键轴(203)、中空关节轴(204)、轴承端盖(205)、电机(206)、右端盖(207)、机械适配器(209)及角度传感器(210)；
所述中空关节轴(204)水平设置，中空关节轴(204)外壁上端通过机械适配器(209)与接受腔体(100)下端固定连接，所述减速器(202)轴向固定于中空关节轴(204)内的左端，所述电机(206)和右端盖(207)轴向固定于中空关节轴(204)内的右端，所述角度传感器(210)固定于电机(206)右侧面，电机(206)输出轴与减速器(202)输入轴连接，减速器(202)输出轴外端面沿轴向设有花键孔，所述花键轴(203)与减速器(202)输出轴的花键孔传动连接，花键轴(203)一端设有花键端盖，花键轴(203)的花键端盖与动力膝关节(500)的小腿壳体(501)左侧壁的上端固定连接，所述轴承端盖(205)与所述小腿壳体(501)右侧壁的上端以及右端盖(207)固定连接，所述右端盖(207)与中空关节轴(204)右端固定连接，右端盖(207)与轴承端盖(205)之间设置有轴承；所述电机(206)为步进电机。
3.根据权利要求1所述的一种主被动结合的下肢假肢膝关节，其特征在于：所述动力膝关节(500)包括小腿壳体(501)、长轴(502)、小腿连接套(504)、阻尼油缸(506)及导杆(507)；
所述导杆(507)上端与中空关节轴(204)外壁转动连接，导杆(507)下端与阻尼油缸(506)的活塞杆上端连接，所述阻尼油缸(506)设置在小腿壳体(501)内，阻尼油缸(506)的缸体下端通过长轴(502)与小腿壳体(501)下侧侧壁连接；所述小腿连接套(504)为两个对称的分体结构，小腿连接套(504)上端与小腿壳体(501)下端滑动连接，所述小腿杆(600)上端设置在小腿连接套(504)内，并通过与小腿连接套(504)连接固定的螺栓(505)、螺帽(503)夹紧固定小腿杆(600)；所述控制面板(300)和蓝牙通讯模块(400)均固定在小腿壳体(501)外壁上。
4.根据权利要求3所述的一种主被动结合的下肢假肢膝关节，其特征在于：所述中空关节轴(204)外壁的中部设有一对凸耳，所述一对凸耳上同轴设有两个销孔，所述两个销孔的轴线与中空关节轴(204)的轴线平行设置，所述导杆(507)上端设置在所述一对凸耳内并通过销轴转动连接。
5.根据权利要求1所述的一种主被动结合的下肢假肢膝关节，其特征在于：所述炭纤维储能脚(700)包括假肢脚底(701)和假肢脚踝(702)；所述小腿杆(600)下端与假肢脚踝(702)上端固定连接，所述假肢脚底(701)与假肢脚踝(702)上表面后端固定连接。
6.根据权利要求5所述的一种主被动结合的下肢假肢膝关节，其特征在于：所述假肢脚底(701)包括上脚板(7011)和下脚板(7012)；所述上脚板(7011)与下脚板(7012)于脚肚部分固定在一起,上脚板(7011)的脚掌部分为向下凸出的弧形,上脚板(7011)与下脚板(7012)从脚肚部分分开,上脚板(7011)向上弯折,弯折处为弧形；所述下脚板(7012)从脚肚部分向脚跟部分延伸,脚肚与脚跟之间为向上凸出的弧形,脚跟部分为向下突出的弧形，脚掌部分凸出的下表面与脚跟部分突出的下表面齐平。
7.根据权利要求2所述的一种主被动结合的下肢假肢膝关节，其特征在于：所述控制面板(300)包括控制器(301)、电源模块(302)及驱动器(303)；所述电源模块(302)为控制器(301)和驱动器(303)提供电能，所述控制器(301)接收角度传感器(210)的位置信息，将控制信号传递给驱动器(303)，所述驱动器(303)驱动步进电机调整转速和转角，实现假肢的运动。
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