CN113524254B - 一种仿生髁型膝关节 - Google Patents

Abstract

一种仿生髁型膝关节属机器人关节技术领域，本发明由双电机同轴系统、关节上端、关节下端、连杆和韧带组件组成，根据人体膝关节参数建立关节的数学模型，从而计算得出了仿生髁型股骨结构和仿生半月板结构的曲面形状，将关节弯曲运动转变成滚动与滑动相结合的运动形式，更自然地模拟人体膝关节弯曲的运动效果。同时，使用双电机同轴系统独立输入控制信号以及接收反馈信号，能分别控制关节上端和连杆转动角度和速度，进而连杆将转动传递给关节下端，实现关节上下端的独立控制，更好地实现关节的运动控制。

Description

一种仿生髁型膝关节

技术领域

本发明属机器人关节技术领域，具体涉及一种仿生髁型膝关节。

背景技术

现有机器人膝关节主要由单轴或者连杆结构来实现关节的弯曲和伸展，然而，该类型的关节与人体膝关节运动方式差别较大。人体膝关节的最显著的特征是通过其骨骼结构和周围的软组织共同维持关节的运动和稳定。其中，关节的骨骼结构主要承受压力，是关节接触方向的承力元件，半月板、韧带和关节囊(被动元件)主要承受拉力，是关节剪切方形的承力元件。两者分工明确共同作用，维持膝关节的运动稳定性。为此，本发明模拟人体膝关节骨骼韧带系统的结构特征和动态连接作用的原理，设计了一种仿生髁型膝关节，包含具有髁型接触表面结构仿生骨骼和匹配关节运动特征的仿生韧带群组，实现了膝关节特有的滚动与滑动相结合的运动效果。本发明旨在开发一个结构和运动功能更接近人体膝关节仿生机械关节结构。

发明内容

本发明的目的是为了使机器人膝关节更贴近人体膝关节的结构和运动方式，设计了一种仿生髁型膝关节，结构上模拟了骨骼、韧带和半月板等人体膝关节元件，使膝关节弯曲变为滚动与滑动相结合的运动效果，并且通过双电机同轴驱动系统，实现仿生髁型膝关节的运动控制。

本发明的一种仿生髁型膝关节由双电机同轴驱动系统A、关节上端B、关节下端C、韧带组件D和连杆E组成，其中双电机同轴驱动系统A的纵梁20固接于关节上端B的上关节管43上面；连杆E中轴承座Ⅰ68的中心孔与双电机同轴驱动系统A的销轴Ⅰ26活动连接；连杆E中轴承座Ⅱ70的中心孔与关节下端C的销轴Ⅱ65活动连接；韧带组件D中仿生外侧副韧带组71的2根尼龙线的上端与关节上端B的左螺栓对Ⅰ47固接；韧带组件D中仿生外侧副韧带组71的2根尼龙线的中部穿过左螺栓对Ⅱ55；韧带组件D中仿生外侧副韧带组71的2根尼龙线的下端与关节下端C的高硬度弹簧对Ⅱ52固接；韧带组件D中仿生内侧副韧带组72的2根尼龙线的上端与关节上端B的右螺栓对Ⅰ50固接；韧带组件D中仿生内侧副韧带组72的2根尼龙线的中部穿过右螺栓对Ⅱ61；韧带组件D中仿生内侧副韧带组72的2根尼龙线的下端与关节下端C的高硬度弹簧对Ⅱ52固接；韧带组件D中仿生前交叉韧带组73的12根尼龙线的上端与关节上端B中弹簧组45固接；韧带组件D中仿生前交叉韧带组73的12根尼龙线的中部穿过上螺栓组49；韧带组件D中仿生前交叉韧带组73的12根尼龙线的下端与关节下端C的下螺栓组59固接；韧带组件D中仿生后交叉韧带组74的6根尼龙线的上端与关节上端B中弹簧组45固接；韧带组件D中仿生后交叉韧带组74的6根尼龙线的中部穿过上螺栓组49；韧带组件D中仿生后交叉韧带组74的6根尼龙线的下端与关节下端C的下螺栓组59固接。

所述的双电机同轴驱动系统A由右转动控制电机F、螺栓组ⅠG、上端连接体H、上端连接座I、螺栓组ⅡJ、连杆连接体K、螺栓组ⅢL、左转动控制电机M组成。其中右转动电机F由侧板Ⅰ1、控制器Ⅰ2、电机安装板Ⅰ3、电机芯Ⅰ4、轴承Ⅰ5、电机输出轴Ⅰ6、罩壳Ⅰ7、编码器安装板Ⅰ8、磁编码器读数头Ⅰ9、磁环Ⅰ10、传动轴Ⅰ11和螺栓组ⅣN组成，其中控制器Ⅰ2固接于侧板Ⅰ1的上部左面；电机芯Ⅰ4固接于电机安装板Ⅰ3的左面；电机芯Ⅰ4、电机输出轴Ⅰ6、编码器安装板Ⅰ8、磁环Ⅰ10和传动轴Ⅰ11自右至左顺序排列，其中电机输出轴Ⅰ6的外圈与轴承Ⅰ5内圈过盈连接；磁编码器读数头Ⅰ9固接于编码器安装板Ⅰ8左面；磁环Ⅰ10外圈与编码器安装板Ⅰ8内圈活动连接；电机输出轴Ⅰ6左部的阶梯轴外圈与磁环Ⅰ10内圈过盈连接；电机输出轴Ⅰ6左部的阶梯轴中心设有梅花齿状凹槽，与传动轴Ⅰ11右面中心的梅花齿状结构匹配；电机输出轴Ⅰ6的右面固接于电机芯Ⅰ4的左面；罩壳Ⅰ7罩于电机芯Ⅰ4、电机输出轴Ⅰ6、编码器安装板Ⅰ8、磁环Ⅰ10和传动轴Ⅰ11，并经螺栓组ⅣN的四个螺栓与其右面的电机安装板Ⅰ3和侧板Ⅰ1固接。

上端连接体H由罩壳Ⅱ12、轴承Ⅱ13、转动轴Ⅰ14、磁环Ⅱ15、磁编码器读数头Ⅱ16组成，其中轴承Ⅱ13固接于转动轴Ⅰ14右部阶梯轴；转动轴Ⅰ14固接于上端连接座I的右板17的右侧；磁环Ⅱ15和磁编码器读数头Ⅱ16固接于上端连接座I的右板17的左侧。

上端连接座I由右板17、左板19、横梁18和纵梁20组成，其中纵梁20垂直固接于横梁18正中下面，左板19和右板17对称固接于横梁18中心的左右两侧。

连杆连接体K由磁编码器安装座Ⅰ21、磁编码器读数头Ⅲ22、罩壳Ⅲ23、磁环Ⅲ24、转动轴Ⅱ25、销轴Ⅰ26、轴承Ⅲ27、固定环Ⅰa28、固定环Ⅰb31、固定板Ⅰ29和固定板Ⅱ30组成，磁编码器安装座Ⅰ21、磁编码器读数头Ⅲ22、磁环Ⅲ24、固定板Ⅱ30、转动轴Ⅱ25、固定板Ⅰ29和轴承Ⅲ27自右至左顺序排列，磁编码器读数头Ⅲ22固接于磁编码器安装座Ⅰ21左面，转动轴Ⅱ25左端经固定板Ⅰ29的上端孔与轴承Ⅲ27内圈过盈连接；转动轴Ⅱ25右端经固定板Ⅱ30的上端孔与磁环Ⅲ24、磁编码器读数头Ⅲ22固接；磁编码器安装座Ⅰ21、磁编码器读数头Ⅲ22、磁环Ⅲ24、固定板Ⅱ30上部、转动轴Ⅱ25、固定板Ⅰ29上部位于罩壳Ⅲ23内，轴承Ⅲ27外圈与罩壳Ⅲ23左板的中心孔固接；销轴Ⅰ26经固定环Ⅰb31和固定环Ⅰa28固接于固定板Ⅱ30和固定板Ⅰ29下端之间。

左转动电机M由传动轴Ⅱ32、磁编码器读数头Ⅳ33、磁环Ⅳ34、编码器安装板Ⅱ35、罩壳Ⅳ36、电机输出轴Ⅱ37、轴承Ⅳ38、电机芯Ⅱ39、电机安装板Ⅱ40、控制器Ⅱ41、侧板Ⅱ42和螺栓组ⅤO组成，其中控制器Ⅱ41固接于侧板Ⅱ42的上部右面；电机芯Ⅱ39固接于电机安装板Ⅱ40的右面；传动轴Ⅱ32、磁环Ⅳ34、编码器安装板Ⅱ35、电机输出轴Ⅱ37、电机芯Ⅱ39自右至左顺序排列，其中电机输出轴Ⅱ37的外圈与轴承Ⅳ38内圈过盈连接；磁编码器读数头Ⅳ33固接于编码器安装板Ⅱ35左面；磁环Ⅳ34外圈与编码器安装板Ⅱ35内圈活动连接；电机输出轴Ⅱ37右部的阶梯轴外圈与磁环Ⅳ34的内圈过盈连接；电机输出轴Ⅱ37右部的阶梯轴中心设有梅花齿状凹槽，与传动轴Ⅱ32左面中心的梅花齿状结构匹配；电机输出轴Ⅱ37的左面固接于电机芯Ⅱ39的右面；罩壳Ⅳ36罩于电机芯Ⅱ39、电机输出轴Ⅱ37、编码器安装板Ⅱ35、磁环Ⅳ34和传动轴Ⅱ32，经螺栓组ⅤO的四个螺栓与其左面的电机安装板Ⅱ40和侧板Ⅱ42固接。

右转动控制电机F和上端连接体H经螺栓组ⅠG固接；上端连接体H和连杆连接体K经螺栓组ⅡJ固连；连杆连接体K和左转动控制电机M经螺栓组ⅢL固接；上端连接座I的右板17固接于上端连接体H中转动轴Ⅰ14的左侧；上端连接座I的左板19固接于连杆连接体K中转动轴Ⅱ25的右侧。

所述的关节上端B由上关节管43、高硬度弹簧对Ⅰ44、弹簧组45、上关节座46、左螺栓对Ⅰ47、髁型股骨对48、上螺栓组49、右螺栓对Ⅰ50组成，其中上关节管43固接于上关节座46的上端正方形法兰盘中心；高硬度弹簧对Ⅰ44的两个高硬度弹簧固接于上端正方形法兰盘上面，且于上关节管43的左右两侧；弹簧组45的10个弹簧固接于上端正方形法兰盘上面，且于正方形法兰盘四边均布；左螺栓对Ⅰ47固接于上关节座46下端的右侧；右螺栓对Ⅰ50固接于上关节座46下端的左侧；髁型股骨对48的两个髁型股骨固接于上关节座46下端后侧的左右两边；上螺栓组49的20个螺栓固接于上关节座46的底部，且按前后中心线左右对称设置。

所述的关节下端C由下关节管51、高硬度弹簧对Ⅱ52、纵架53、螺母对54、左螺栓对Ⅱ55、减阻台a56、减阻台b58、半月板对57、下螺栓组59、横架60、右螺栓对Ⅱ61、长螺栓组62、固定侧板Ⅰ63、固定侧板Ⅱ67、固定环Ⅱa64、固定环Ⅱb66、销轴Ⅱ65、下关节管51组成，其中横架60固接于纵架53上端平台

高硬度弹簧对Ⅱ52的两个弹簧对称固接于纵架53下部平台下面的左右两边；

左螺栓对Ⅱ55的两个螺栓固接于横架60的左侧端面，右螺栓对Ⅱ61的两个螺栓固接于横架60的右侧端面；减阻台a56和减阻台b58分别固接于横架60上端面的左右两侧；半月板对57的两个半月板分别与减阻台a56和减阻台b58上部滑动连接；下螺栓组59的20个螺栓固接于横架60上端面的中间位置；长螺栓对62的两个螺栓经固定侧板Ⅰ63、固定侧板Ⅱ67的前部孔和纵架53的中部柱体孔与螺母对54的两个螺母固接；销轴Ⅱ65两端分别经固定环Ⅱa64、固定环Ⅱb66与固定侧板Ⅰ63、固定侧板Ⅱ67的后部孔固接；下关节管51固接于纵架53下端柱体。

所述的韧带组件D由仿生外侧副韧带组71、仿生内侧副韧带组72、仿生前交叉韧带组73和仿生后交叉韧带组74组成，仿生外侧副韧带组71由2根尼龙线组成，且设于仿生髁型膝关节的左面；仿生内侧副韧带组72由2根尼龙线组成，且设于仿生髁型膝关节的右面；仿生前交叉韧带组73由12根尼龙线组成，且设于仿生髁型膝关节的前面；仿生后交叉韧带组74由6根尼龙线组成，且设于仿生髁型膝关节的后面。

所述的连杆E由轴承座Ⅰ68、连杆管69和轴承座Ⅱ70组成，其中轴承座Ⅰ68、连杆管69和轴承座Ⅱ70自上而下顺序排列并固接。

本发明的有益效果在于：本发明根据人体膝关节结构，使用耐磨性好且刚性大的尼龙线来模拟膝关节韧带，且根据人体采集的数据建立了仿生髁型股骨和半月板的模型，形成滚动与滑动相结合的运动效果，使关节结构更贴近人体膝关节的结构；同时利用双电机同轴驱动，可控制关节灵活运动。

附图说明

图1为仿生髁型膝关节的立体图；

图2为仿生髁型膝关节的分解图；

图3为仿生髁型膝关节的主视图；

图4为仿生髁型膝关节的左视图；

图5为双电机同轴驱动系统A的分解图；

图6为右转动控制电机F的分解图；

图7为上端连接体H的分解图；

图8为上端连接座I的分解图；

图9为连杆连接体J的分解图；

图10为左转动控制电机L的分解图；

图11为关节上端B的分解图；

图12为图11中a所指的放大图；

图13为关节下端C的分解图；

图14为图13中b所指的放大图；

图15为连杆D的分解图；

图16为人体韧带的结构图；

图17为前交叉韧带、后交叉韧带和仿生髁型股骨结构的数学模型图；

图18为增加半月板结构的数学模型图；

图19为髁型结构配合半月板运动数学模型图；

图20为仿生髁型结构配合半月板的运动状态图；

图21为膝关节韧带的数学模型图；

图22为为运动过程中韧带张力的情况图；

图23为图1中圈出韧带部分的仿生髁型膝关节图；

图24为图23中b所指的放大图；

图25为图24中仿生韧带结构a-a方向的剖视图；

图26为图24中仿生韧带结构b-b方向的剖视图；

图27为单个仿生韧带的安装结构图；

图28为仿生韧带安装的定滑轮弹簧的模型图；

其中：A.双电机同轴驱动系统 B.关节上端 C.关节下端 D.韧带组件 E.连杆 F.右转动控制电机 G.螺栓组Ⅰ H.上端连接体 I.上端连接座 J.螺栓组Ⅱ K.连杆连接体 L.螺栓组Ⅲ M.左转动控制电机 N.螺栓组Ⅳ O.螺栓组Ⅴ 1.侧板Ⅰ 2.控制器Ⅰ 3.电机安装板Ⅰ 4.电机芯Ⅰ 5.轴承Ⅰ 6.电机输出轴Ⅰ 7.罩壳Ⅰ 8.编码器安装板Ⅰ 9.磁编码器读数头Ⅰ10.磁环Ⅰ 11.传动轴Ⅰ 12.罩壳Ⅱ 13.轴承Ⅱ 14.转动轴Ⅰ 15.磁环Ⅱ 16.磁编码器读数头Ⅱ 17.右板 18.横梁19.左板 20.纵梁 21.磁编码器安装座Ⅰ 22.磁编码器读数头Ⅲ23.罩壳Ⅲ 24.磁环Ⅲ 25.转动轴Ⅱ 26.销轴Ⅰ 27.轴承Ⅲ 28.固定环Ⅰa 29.固定板Ⅰ 30.固定板Ⅱ 31.固定环Ⅰb 32.传动轴Ⅱ 33.磁编码器读数头Ⅳ 34.磁环Ⅳ 35.编码器安装板Ⅱ 36.罩壳Ⅳ 37.电机输出轴Ⅱ 38.轴承Ⅳ 39.电机芯Ⅱ 40.电机安装板Ⅱ 41.控制器Ⅱ 42.侧板Ⅱ 43.上关节管 44.高硬度弹簧对Ⅰ 45.弹簧组 46.上关节座 47.左螺栓对Ⅰ 48.髁型股骨对 49.上螺栓组 50.右螺栓对Ⅰ 51.下关节管 52.高硬度弹簧对Ⅱ 53.纵架 54.螺母对 55.左螺栓对Ⅱ 56.减阻台a 57.半月板对 58.减阻台b 59.下螺栓组 60.横架 61.右螺栓对Ⅱ 62.长螺栓组 63.固定侧板Ⅰ 64.固定环Ⅱa 65.销轴Ⅱ 66.固定环Ⅱb 67.固定侧板Ⅱ 68.轴承座Ⅰ 69.连杆管 70.轴承座Ⅱ 71.仿生外侧副韧带组 72.仿生内侧副韧带组 73.仿生前交叉韧带组 74.仿生后交叉韧带组。

具体实施方式

下面结合附图描述本发明。

如图1至图4所示，本发明的一种三功能轴可调膝关节假肢，由双电机同轴驱动系统A、关节上端B、关节下端C、韧带组件D和连杆E组成，其中双电机同轴驱动系统A的纵梁20固接于关节上端B的上关节管43上面；连杆E中轴承座Ⅰ68的中心孔与双电机同轴驱动系统A的销轴Ⅰ26活动连接；连杆E中轴承座Ⅱ70的中心孔与关节下端C的销轴Ⅱ65活动连接；韧带组件D中仿生外侧副韧带组71的2根尼龙线的上端与关节上端B中左螺栓对Ⅰ47固接；韧带组件D中仿生外侧副韧带组71的2根尼龙线的中部穿过左螺栓对Ⅱ55；韧带组件D中仿生外侧副韧带组71的2根尼龙线的下端与关节下端C的高硬度弹簧组Ⅱ52固接；韧带组件D中仿生内侧副韧带组72的2根尼龙线的上端与关节上端B中右螺栓对Ⅰ50固接；韧带组件D中仿生内侧副韧带组72的2根尼龙线的中部穿过右螺栓对Ⅱ61；韧带组件D中仿生内侧副韧带组72的2根尼龙线的下端与关节下端C的高硬度弹簧组Ⅱ52固接；韧带组件D中仿生前交叉韧带组73的12根尼龙线的上端与关节上端B中弹簧组45固接；韧带组件D中仿生前交叉韧带组73的12根尼龙线的中部穿过上螺栓组49；韧带组件D中仿生前交叉韧带组73的12根尼龙线的下端与关节下端C的下螺栓组59固接；韧带组件D中仿生后交叉韧带组74的6根尼龙线的上端与关节上端B中弹簧组45固接；韧带组件D中仿生后交叉韧带组74的6根尼龙线的中部穿过上螺栓组49；韧带组件D中仿生后交叉韧带组74的6根尼龙线的下端与关节下端C的下螺栓组59固接。

如图5至图10所示，所述的双电机同轴驱动系统A由右转动控制电机F、螺栓组ⅠG、上端连接体H、上端连接座I、螺栓组ⅡJ、连杆连接体K、螺栓组ⅢL、左转动控制电机M组成。其中右转动电机F由侧板Ⅰ1、控制器Ⅰ2、电机安装板Ⅰ3、电机芯Ⅰ4、轴承Ⅰ5、电机输出轴Ⅰ6、罩壳Ⅰ7、编码器安装板Ⅰ8、磁编码器读数头Ⅰ9、磁环Ⅰ10、传动轴Ⅰ11和螺栓组ⅣN组成，其中控制器Ⅰ2固接于侧板Ⅰ1的上部左面；电机芯Ⅰ4固接于电机安装板Ⅰ3的左面；电机芯Ⅰ4、电机输出轴Ⅰ6、编码器安装板Ⅰ8、磁环Ⅰ10和传动轴Ⅰ11自右至左顺序排列，其中电机输出轴Ⅰ6的外圈与轴承Ⅰ5内圈过盈连接；磁编码器读数头Ⅰ9固接于编码器安装板Ⅰ8左面；磁环Ⅰ10外圈与编码器安装板Ⅰ8内圈活动连接；电机输出轴Ⅰ6左部的阶梯轴外圈与磁环Ⅰ10内圈过盈连接；电机输出轴Ⅰ6左部的阶梯轴中心设有梅花齿状凹槽，与传动轴Ⅰ11右面中心的梅花齿状结构匹配；电机输出轴Ⅰ6的右面固接于电机芯Ⅰ4的左面；罩壳Ⅰ7罩于电机芯Ⅰ4、电机输出轴Ⅰ6、编码器安装板Ⅰ8、磁环Ⅰ10和传动轴Ⅰ11，并经螺栓组ⅣN的四个螺栓与其右面的电机安装板Ⅰ3和侧板Ⅰ1固接。

上端连接体H由罩壳Ⅱ12、轴承Ⅱ13、转动轴Ⅰ14、磁环Ⅱ15、磁编码器读数头Ⅱ16组成，其中轴承Ⅱ13固接于转动轴Ⅰ14右部阶梯轴；转动轴Ⅰ14固接于上端连接座I的右板17的右侧；磁环Ⅱ15和磁编码器读数头Ⅱ16固接于上端连接座I的右板17的左侧。

上端连接座I由右板17、左板19、横梁18和纵梁20组成，其中纵梁20垂直固接于横梁18正中下面，左板19和右板17对称固接于横梁18中心的左右两侧。

连杆连接体K由磁编码器安装座Ⅰ21、磁编码器读数头Ⅲ22、罩壳Ⅲ23、磁环Ⅲ24、转动轴Ⅱ25、销轴Ⅰ26、轴承Ⅲ27、固定环Ⅰa28、固定环Ⅰb31、固定板Ⅰ29和固定板Ⅱ30组成，磁编码器安装座Ⅰ21、磁编码器读数头Ⅲ22、磁环Ⅲ24、固定板Ⅱ30、转动轴Ⅱ25、固定板Ⅰ29和轴承Ⅲ27自右至左顺序排列，磁编码器读数头Ⅲ22固接于磁编码器安装座Ⅰ21左面，转动轴Ⅱ25左端经固定板Ⅰ29的上端孔与轴承Ⅲ27内圈过盈连接；转动轴Ⅱ25右端经固定板Ⅱ30的上端孔与磁环Ⅲ24、磁编码器读数头Ⅲ22固接；磁编码器安装座Ⅰ21、磁编码器读数头Ⅲ22、磁环Ⅲ24、固定板Ⅱ30上部、转动轴Ⅱ25、固定板Ⅰ29上部位于罩壳Ⅲ23内，轴承Ⅲ27外圈与罩壳Ⅲ23左板的中心孔固接；销轴Ⅰ26经固定环Ⅰb31和固定环Ⅰa28固接于固定板Ⅱ30和固定板Ⅰ29下端之间。

左转动电机M由传动轴Ⅱ32、磁编码器读数头Ⅳ33、磁环Ⅳ34、编码器安装板Ⅱ35、罩壳Ⅳ36、电机输出轴Ⅱ37、轴承Ⅳ38、电机芯Ⅱ39、电机安装板Ⅱ40、控制器Ⅱ41、侧板Ⅱ42和螺栓组ⅤO组成，其中控制器Ⅱ41固接于侧板Ⅱ42的上部右面；电机芯Ⅱ39固接于电机安装板Ⅱ40的右面；传动轴Ⅱ32、磁环Ⅳ34、编码器安装板Ⅱ35、电机输出轴Ⅱ37、电机芯Ⅱ39自右至左顺序排列，其中电机输出轴Ⅱ37的外圈与轴承Ⅳ38内圈过盈连接；磁编码器读数头Ⅳ33固接于编码器安装板Ⅱ35左面；磁环Ⅳ34外圈与编码器安装板Ⅱ35内圈活动连接；电机输出轴Ⅱ37右部的阶梯轴外圈与磁环Ⅳ34的内圈过盈连接；电机输出轴Ⅱ37右部的阶梯轴中心设有梅花齿状凹槽，与传动轴Ⅱ32左面中心的梅花齿状结构匹配；电机输出轴Ⅱ37的左面固接于电机芯Ⅱ39的右面；罩壳Ⅳ36罩于电机芯Ⅱ39、电机输出轴Ⅱ37、编码器安装板Ⅱ35、磁环Ⅳ34和传动轴Ⅱ32，经螺栓组ⅤO的四个螺栓与其左面的电机安装板Ⅱ40和侧板Ⅱ42固接；右转动控制电机F和上端连接体H经螺栓组ⅠG固接；上端连接体H和连杆连接体K经螺栓组ⅡJ固连；连杆连接体K和左转动控制电机M经螺栓组ⅢL固接；上端连接座I的右板17固接于上端连接体H中转动轴Ⅰ14的左侧；上端连接座I的左板19固接于连杆连接体K中转动轴Ⅱ25的右侧。

右转动控制电机受控制器Ⅰ2的输入信号控制，输出转动，经行星齿轮减速增大扭矩，由增量式编码器检测转动角度和速度，形成负反馈，控制关节上端达到预定角度。相似的，左转动控制电机受控制器Ⅱ41的输入信号控制，输出转动，经行星齿轮减速增大扭矩，由增量式编码器检测转动角度和速度，形成负反馈，控制连杆转动，从而带动关节下端达到预定角度。

如图11和图12所示，所述的关节上端B由上关节管43、高硬度弹簧对Ⅰ44、弹簧组45、上关节座46、左螺栓对Ⅰ47、髁型股骨对48、上螺栓组49、右螺栓对Ⅰ50组成，其中上关节管43固接于上关节座46的上端正方形法兰盘中心；高硬度弹簧对Ⅰ44的两个高硬度弹簧固接于上端正方形法兰盘上面，且于上关节管43的左右两侧；弹簧组45的10个弹簧固接于上端正方形法兰盘上面，且于正方形法兰盘四边均布；左螺栓对Ⅰ47固接于上关节座46下端的右侧；右螺栓对Ⅰ50固接于上关节座46下端的左侧；髁型股骨对48的两个髁型股骨固接于上关节座46下端后侧的左右两边；上螺栓组49的20个螺栓固接于上关节座46的底部，且按前后中心线左右对称设置。

如图13和图14所示，所述的关节下端C由下关节管51、高硬度弹簧对Ⅱ52、纵架53、螺母对54、左螺栓对Ⅱ55、减阻台a56、减阻台b58、半月板对57、下螺栓组59、横架60、右螺栓对Ⅱ61、长螺栓组62、固定侧板Ⅰ63、固定侧板Ⅱ67、固定环Ⅱa64、固定环Ⅱb66、销轴Ⅱ65、下关节管51组成，其中横架60固接于纵架53上端平台；高硬度弹簧对Ⅱ52的两个弹簧对称固接于纵架53下部平台下面的左右两边；左螺栓对Ⅱ55的两个螺栓固接于横架60的左侧端面，右螺栓对Ⅱ61的两个螺栓固接于横架60的右侧端面；减阻台a56和减阻台b58分别固接于横架60上端面的左右两侧；半月板对57的两个半月板分别与减阻台a56和减阻台b58上部滑动连接；下螺栓组59的20个螺栓固接于横架60上端面的中间位置；长螺栓对62的两个螺栓经固定侧板Ⅰ63、固定侧板Ⅱ67的前部孔和纵架53的中部柱体孔与螺母对54的两个螺母固接；销轴Ⅱ65两端分别经固定环Ⅱa64、固定环Ⅱb66与固定侧板Ⅰ63、固定侧板Ⅱ67的后部孔固接；下关节管51固接于纵架53下端柱体。

如图15所示，所述的连杆E由轴承座Ⅰ68、连杆管69和轴承座Ⅱ70组成，其中轴承座Ⅰ68、连杆管69和轴承座Ⅱ70自上而下顺序排列并固接。

如图16和图17所示，展示了人体膝关节的结构。对于膝关节前/后向位移、内/外翻角度和内/外旋等运动来说，韧带是维持关节稳定的主要因素。膝关节主要有前交叉韧带(ACL)、后交叉韧带(PCL)、外侧副韧带(LCL)和内侧副韧带(MCL)。前交叉韧带主要限制胫骨前移；后交叉韧带主要限制胫骨向后移动；外侧副韧带主要限制内翻的角度；内侧副韧带主要限制外翻角度。人体的膝关节中，只有非常细小的一部分韧带在运动中保持恒定张力，这部分韧带纤维的长度在关节伸展和屈曲过程中都保持不变，这部分韧带被称作“导向韧带”(Guiding Bundles)；膝关节运动过程中，两个连接点距离等于该纤维的允许长度时，该纤维处于张紧状态从而限制膝关节进一步地运动，确保膝关节在有限的范围内移动，保证关节的稳定性，这部分韧带被叫做“限制韧带”(Limiting Bundles)。

基于此结构，本发明使用反向四杆机构，运用数学模型表征交叉韧带的长度和关节表面形状之间的关系、推导关节滚动和滑动组合的运动模式，其中上部的杆

代表股骨(Femur),下部的杆

代表胫骨(Tibiae)，交叉的前杆

代表ACL,交叉的后杆

代表PCL。在

线段上选择一条水平线表征胫骨平台，p₅为杆

和杆

的旋转中心，p₅在杆

旋转过程中位置不断发生变化，形成瞬心轨迹，将所有的旋转中心都偏移到胫骨平台上，则产生了许多与旋转中心等距离的点，即为股骨轮廓点。

如图18所示，若均为点接触则会造成应力集中，致使本发明的寿命下降，因此本发明设计一个半月板对57，扩大接触面积，同时将产生在胫骨平台的所有偏移旋转中心点拟合成曲线，即为髁型股骨结构48的曲面形状。

如图19和图20所示，展示了髁型股骨结构48和半月板对59配合的运动状态。当关节弯曲时，髁型股骨结构48产生旋转，但由于其曲面为非规则圆形，髁型股骨结构48发生转动的同时半月板对59沿胫骨平台向后运动。因此关节的弯曲变为髁型股骨结构48和半月板对59的滚动与滑动相结合的运动形式。

如图21和图22所示，展示了韧带的立体数学模型，其中

和

为外侧副韧带和内侧副韧带，限制关节的内外翻角度。在前交叉韧带

和后交叉韧带

增加为多组韧带，其中一组表征导向韧带，其他几组表征限制韧带。在弯曲过程中，导向韧带的长度基本不变，限制韧带则会因所处位置不同而形成或张紧或松弛的状态。例如，在弯曲初期，后交叉韧带组的左侧韧带呈松弛状态，而右侧的韧带呈张紧状态；弯曲过程中，由于股骨和胫骨的相对位置发生改变，左侧韧带因股骨和胫骨的距离增大而逐渐呈现张紧状态，右侧韧带因股骨和胫骨的距离减小而逐渐呈现松弛状态；运动到弯曲终期，后交叉韧带组的左侧韧带全部过渡到张紧状态，而右侧的韧带全部过渡到松弛状态。同时弯曲期间，后交叉韧带组的中间位置的韧带两端的距离基本没有改变，因此受力基本不变。

如图23至图26所示，展示本发明中仿生韧带结构的设计，使用尼龙线表示韧带，尼龙线固连到弹簧上，用弹簧的伸展表示仿生韧带的张紧，同时使用穿孔螺栓来固定尼龙线的位置，保证了在受力时不会因弹簧变形而改变韧带固定点位置。为保证受力均衡，本发明在前交叉韧带左右两侧各放置一套后交叉韧带。上螺栓组和下螺栓组交错排列，使得韧带呈现错位交叉状态。将内侧副韧带和外侧副韧带设计在关节两侧，限制关节的内翻外翻。

所述的韧带组件D由仿生外侧副韧带组71、仿生内侧副韧带组72、仿生前交叉韧带组73和仿生后交叉韧带组74组成，仿生外侧副韧带组71由2根尼龙线组成，且设于仿生髁型膝关节的左面；仿生内侧副韧带组72由2根尼龙线组成，且设于仿生髁型膝关节的右面；仿生前交叉韧带组73由12根尼龙线组成，且设于仿生髁型膝关节的前面；仿生后交叉韧带组74由6根尼龙线组成，且设于仿生髁型膝关节的后面。

如图27和图28所示，展示了仿生韧带连接的状态。其中尼龙线从下螺栓的上孔穿出，经上螺栓的孔，穿入下螺栓的下孔，然后经上螺栓下侧的凹槽进行限位，最终固定于弹簧下端。此结构类似定滑轮加弹簧结构，定滑轮两端分别固定于关节的上下端，当两端的距离发生变化时，则依靠弹簧变形补偿线的长度，来表征韧带的张紧和松弛。并且此结构改变了力的方向但不改变力的大小。

Claims (3)

1.一种仿生髁型膝关节，其特征在于：由双电机同轴驱动系统(A)、关节上端(B)、关节下端(C)、韧带组件(D)和连杆(E)组成，其中所述的双电机同轴驱动系统(A)由右转动控制电机(F)、螺栓组Ⅰ(G)、上端连接体(H)、上端连接座(I)、螺栓组Ⅱ(J)、连杆连接体(K)、螺栓组Ⅲ(L)、左转动控制电机(M)组成，其中右转动电机(F)由侧板Ⅰ(1)、控制器Ⅰ(2)、电机安装板Ⅰ(3)、电机芯Ⅰ(4)、轴承Ⅰ(5)、电机输出轴Ⅰ(6)、罩壳Ⅰ(7)、编码器安装板Ⅰ(8)、磁编码器读数头Ⅰ(9)、磁环Ⅰ(10)、传动轴Ⅰ(11)和螺栓组Ⅳ(N)组成，其中控制器Ⅰ(2)固接于侧板Ⅰ(1)的上部左面；电机芯Ⅰ(4)固接于电机安装板Ⅰ(3)的左面；电机芯Ⅰ(4)、电机输出轴Ⅰ(6)、编码器安装板Ⅰ(8)、磁环Ⅰ(10)和传动轴Ⅰ(11)自右至左顺序排列，其中电机输出轴Ⅰ(6)的外圈与轴承Ⅰ(5)内圈过盈连接；磁编码器读数头Ⅰ(9)固接于编码器安装板Ⅰ(8)左面；磁环Ⅰ(10)外圈与编码器安装板Ⅰ(8)内圈活动连接；电机输出轴Ⅰ(6)左部的阶梯轴外圈与磁环Ⅰ(10)内圈过盈连接；电机输出轴Ⅰ(6)左部的阶梯轴中心设有梅花齿状凹槽，与传动轴Ⅰ(11)右面中心的梅花齿状结构匹配；电机输出轴Ⅰ(6)的右面固接于电机芯Ⅰ(4)的左面；罩壳Ⅰ(7)罩于电机芯Ⅰ(4)、电机输出轴Ⅰ(6)、编码器安装板Ⅰ(8)、磁环Ⅰ(10)和传动轴Ⅰ(11)，并经螺栓组Ⅳ(N)的四个螺栓与其右面的电机安装板Ⅰ(3)和侧板Ⅰ(1)固接；上端连接体(H)由罩壳Ⅱ(12)、轴承Ⅱ(13)、转动轴Ⅰ(14)、磁环Ⅱ(15)、磁编码器读数头Ⅱ(16)组成，其中轴承Ⅱ(13)固接于转动轴Ⅰ(14)右部阶梯轴；转动轴Ⅰ(14)固接于上端连接座(I)的右板(17)的右侧；磁环Ⅱ(15)和磁编码器读数头Ⅱ(16)固接于上端连接座(I)的右板(17)的左侧；上端连接座(I)由右板(17)、左板(19)、横梁(18)和纵梁(20)组成，其中纵梁(20)垂直固接于横梁(18)正中下面，左板(19)和右板(17)对称固接于横梁(18)中心的左右两侧；连杆连接体(K)由磁编码器安装座Ⅰ(21)、磁编码器读数头Ⅲ(22)、罩壳Ⅲ(23)、磁环Ⅲ(24)、转动轴Ⅱ(25)、销轴Ⅰ(26)、轴承Ⅲ(27)、固定环Ⅰa(28)、固定环Ⅰb(31)、固定板Ⅰ(29)和固定板Ⅱ(30)组成，磁编码器安装座Ⅰ(21)、磁编码器读数头Ⅲ(22)、磁环Ⅲ(24)、固定板Ⅱ(30)、转动轴Ⅱ(25)、固定板Ⅰ(29)和轴承Ⅲ(27)自右至左顺序排列，磁编码器读数头Ⅲ(22)固接于磁编码器安装座Ⅰ(21)左面，转动轴Ⅱ(25)左端经固定板Ⅰ(29)的上端孔与轴承Ⅲ(27)内圈过盈连接；转动轴Ⅱ(25)右端经固定板Ⅱ(30)的上端孔与磁环Ⅲ(24)、磁编码器读数头Ⅲ(22)固接；磁编码器安装座Ⅰ(21)、磁编码器读数头Ⅲ(22)、磁环Ⅲ(24)、固定板Ⅱ(30)上部、转动轴Ⅱ(25)、固定板Ⅰ(29)上部位于罩壳Ⅲ(23)内，轴承Ⅲ(27)外圈与罩壳Ⅲ(23)左板的中心孔固接；销轴Ⅰ(26)经固定环Ⅰb(31)和固定环Ⅰa(28)固接于固定板Ⅱ(30)和固定板Ⅰ(29)下端之间；左转动电机(M)由传动轴Ⅱ(32)、磁编码器读数头Ⅳ(33)、磁环Ⅳ(34)、编码器安装板Ⅱ(35)、罩壳Ⅳ(36)、电机输出轴Ⅱ(37)、轴承Ⅳ(38)、电机芯Ⅱ(39)、电机安装板Ⅱ(40)、控制器Ⅱ(41)、侧板Ⅱ(42)和螺栓组Ⅴ(O)组成，其中控制器Ⅱ(41)固接于侧板Ⅱ(42)的上部右面；电机芯Ⅱ(39)固接于电机安装板Ⅱ(40)的右面；传动轴Ⅱ(32)、磁环Ⅳ(34)、编码器安装板Ⅱ(35)、电机输出轴Ⅱ(37)、电机芯Ⅱ(39)自右至左顺序排列，其中电机输出轴Ⅱ(37)的外圈与轴承Ⅳ(38)内圈过盈连接；磁编码器读数头Ⅳ(33)固接于编码器安装板Ⅱ(35)左面；磁环Ⅳ(34)外圈与编码器安装板Ⅱ(35)内圈活动连接；电机输出轴Ⅱ(37)右部的阶梯轴外圈与磁环Ⅳ(34)的内圈过盈连接；电机输出轴Ⅱ(37)右部的阶梯轴中心设有梅花齿状凹槽，与传动轴Ⅱ(32)左面中心的梅花齿状结构匹配；电机输出轴Ⅱ(37)的左面固接于电机芯Ⅱ(39)的右面；罩壳Ⅳ(36)罩于电机芯Ⅱ(39)、电机输出轴Ⅱ(37)、编码器安装板Ⅱ(35)、磁环Ⅳ(34)和传动轴Ⅱ(32)，经螺栓组Ⅴ(O)的四个螺栓与其左面的电机安装板Ⅱ(40)和侧板Ⅱ(42)固接；右转动控制电机(F)和上端连接体(H)经螺栓组Ⅰ(G)固接；上端连接体(H)和连杆连接体(K)经螺栓组Ⅱ(J)固连；连杆连接体(K)和左转动控制电机(M)经螺栓组Ⅲ(L)固接；上端连接座(I)的右板(17)固接于上端连接体(H)中转动轴Ⅰ(14)的左侧；上端连接座(I)的左板(19)固接于连杆连接体(K)中转动轴Ⅱ(25)的右侧；

所述的关节上端(B)由上关节管(43)、高硬度弹簧对Ⅰ(44)、弹簧组(45)、上关节座(46)、左螺栓对Ⅰ(47)、髁型股骨对(48)、上螺栓组(49)、右螺栓对Ⅰ(50)组成，其中上关节管(43)固接于上关节座(46)的上端正方形法兰盘中心；高硬度弹簧对Ⅰ(44)的两个高硬度弹簧固接于上端正方形法兰盘上面，且于上关节管(43)的左右两侧；弹簧组(45)的10个弹簧固接于上端正方形法兰盘上面，且于正方形法兰盘四边均布；左螺栓对Ⅰ(47)固接于上关节座(46)下端的右侧；右螺栓对Ⅰ(50)固接于上关节座(46)下端的左侧；髁型股骨对(48)的两个髁型股骨固接于上关节座(46)下端后侧的左右两边；上螺栓组(49)的20个螺栓固接于上关节座(46)的底部，且按前后中心线左右对称设置；

所述的关节下端(C)由下关节管(51)、高硬度弹簧对Ⅱ(52)、纵架(53)、螺母对(54)、左螺栓对Ⅱ(55)、减阻台a(56)、减阻台b(58)、半月板对(57)、下螺栓组(59)、横架(60)、右螺栓对Ⅱ(61)、长螺栓组(62)、固定侧板Ⅰ(63)、固定侧板Ⅱ(67)、固定环Ⅱa(64)、固定环Ⅱb(66)、销轴Ⅱ(65)、下关节管(51)组成，其中横架(60)固接于纵架(53)上端平台；高硬度弹簧对Ⅱ(52)的两个弹簧对称固接于纵架(53)下部平台下面的左右两边；左螺栓对Ⅱ(55)的两个螺栓固接于横架(60)的左侧端面，右螺栓对Ⅱ(61)的两个螺栓固接于横架(60)的右侧端面；减阻台a(56)和减阻台b(58)分别固接于横架(60)上端面的左右两侧；半月板对(57)的两个半月板分别与减阻台a(56)和减阻台b(58)上部滑动连接；下螺栓组(59)的20个螺栓固接于横架(60)上端面的中间位置；长螺栓对(62)的两个螺栓经固定侧板Ⅰ(63)、固定侧板Ⅱ(67)的前部孔和纵架(53)的中部柱体孔与螺母对(54)的两个螺母固接；销轴Ⅱ(65)两端分别经固定环Ⅱa(64)、固定环Ⅱb(66)与固定侧板Ⅰ(63)、固定侧板Ⅱ(67)的后部孔固接；下关节管(51)固接于纵架(53)下端柱体；

双电机同轴驱动系统(A)的纵梁(20)固接于关节上端(B)的上关节管(43)上面；连杆(E)中轴承座Ⅰ(68)的中心孔与双电机同轴驱动系统(A)的销轴Ⅰ(26)活动连接；连杆(E)中轴承座Ⅱ(70)的中心孔与关节下端(C)的销轴Ⅱ(65)活动连接；韧带组件(D)中仿生外侧副韧带组(71)的2根尼龙线的上端与关节上端(B)的左螺栓对Ⅰ(47)固接；韧带组件(D)中仿生外侧副韧带组(71)的2根尼龙线的中部穿过左螺栓对Ⅱ(55)；韧带组件(D)中仿生外侧副韧带组(71)的2根尼龙线的下端与关节下端(C)的高硬度弹簧对Ⅱ(52)固接；韧带组件(D)中仿生内侧副韧带组(72)的2根尼龙线的上端与关节上端(B)的右螺栓对Ⅰ(50)固接；韧带组件(D)中仿生内侧副韧带组(72)的2根尼龙线的中部穿过右螺栓对Ⅱ(61)；韧带组件(D)中仿生内侧副韧带组(72)的2根尼龙线的下端与关节下端(C)的高硬度弹簧对Ⅱ(52)固接；韧带组件(D)中仿生前交叉韧带组(73)的12根尼龙线的上端与关节上端(B)中弹簧组(45)固接；韧带组件(D)中仿生前交叉韧带组(73)的12根尼龙线的中部穿过上螺栓组(49)；韧带组件(D)中仿生前交叉韧带组(73)的12根尼龙线的下端与关节下端(C)的下螺栓组(59)固接；韧带组件(D)中仿生后交叉韧带组(74)的6根尼龙线的上端与关节上端(B)中弹簧组(45)固接；韧带组件(D)中仿生后交叉韧带组(74)的6根尼龙线的中部穿过上螺栓组(49)；韧带组件(D)中仿生后交叉韧带组(74)的6根尼龙线的下端与关节下端(C)的下螺栓组(59)固接。

2.根据权利要求1所述的仿生髁型膝关节，其特征在于：所述的韧带组件(D)由仿生外侧副韧带组(71)、仿生内侧副韧带组(72)、仿生前交叉韧带组(73)和仿生后交叉韧带组(74)组成，仿生外侧副韧带组(71)由2根尼龙线组成，且设于仿生髁型膝关节的左面；仿生内侧副韧带组(72)由2根尼龙线组成，且设于仿生髁型膝关节的右面；仿生前交叉韧带组(73)由12根尼龙线组成，且设于仿生髁型膝关节的前面；仿生后交叉韧带组(74)由6根尼龙线组成，且设于仿生髁型膝关节的后面。

3.根据权利要求1所述的仿生髁型膝关节，其特征在于：所述的连杆(E)由轴承座Ⅰ(68)、连杆管(69)和轴承座Ⅱ(70)组成，其中轴承座Ⅰ(68)、连杆管(69)和轴承座Ⅱ(70)自上而下顺序排列并固接。

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