CN113827381B - 一种双驱动踝关节假肢 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双驱动踝关节假肢，包括小腿连接模块、关节控制模块、双驱动踝关节模块、脚踝连接模块和脚板模块，小腿连接模块、关节控制模块、双驱动踝关节模块、脚踝连接模块和脚板连接模块至上而下依次连接；双驱动踝关节模块与脚踝连接模块连接，且双驱动踝关节模块包括两个电机，两个电机设置为可同时同角度运动，实现假肢的矢状面运动控制，两个电机设置为可不同角度运动，实现假肢的冠状面运动控制。本发明的一种双驱动踝关节假肢，通过紧凑的双驱动能力的关节设计解决了以往主动假肢由于驱动数量增加带来的结构笨重、行走不稳定等问题，能够产生足够的扭矩，同时又相对轻巧，适应各种地形和运动任务，并与用户有效地交互。

Description

一种双驱动踝关节假肢

技术领域

本发明涉及步行辅助工具，尤其涉及一种双驱动踝关节假肢。

背景技术

2006年的全国人口普查显示我国现有残疾人8296万人，其中肢体残疾人数约为2412万人。其中每年大约一半多下肢截肢患者经历二次摔倒。被动假肢穿戴截肢者半数以上有跌倒恐惧，60％截肢者无法在非结构化环境行走。步态的不对称性和关节负荷增加常常导致疼痛，跌倒和其它伤害的风险的增加，严重降低了截肢患者的活动能力和生活质量。另据报道，由于肥胖症和糖尿病的发病率不断上升，预计到2050年，截肢的人数就将翻两番，因此急需智能化主动假肢的得到开发应用。

现有假肢通常很难在非平整或松软地面稳定行走，为在不确定的环境下保持稳定，截肢者膝屈肌和伸肌共收缩水平增加，行走速度降低10％～65％，跌倒风险增加，大大限制的截肢者的活动范围。假肢穿戴者的行走稳定性差、生物力学不协调，很大程度上是因为现有假肢结构本体与人体下肢结构上的差异性问题。假肢结构上的本质问题在于，人体下肢行走的膝踝关节本身不是一个单旋转关节，特别是踝关节不仅具有前进方向的驱动力，也还具有侧向方向的驱动运动。人体踝侧向运动对行走稳定性、协调性以及推进运动都起重要作用，尤其是在非平整或松软地面行走。现有假肢大部分只研究在室内结构化环境行走，踝侧向运动控制功能的假肢鲜有研究，原因可能是假肢大部分研究只在结构化环境中，主要研究假肢主动推进的作用。增加假肢踝侧向驱动自由度会增加结构的复杂和整体假肢的质量，使得假肢变得笨重。

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现有的常规假肢行走稳定性差、生物力学不协调、仅具有单旋转关节等问题，而具有侧向自由度的假肢结构复杂、增加假肢的重量使得假肢笨重等问题。本发明提供了一种双驱动踝关节假肢，通过紧凑的双驱动能力的关节设计解决了以往主动假肢由于驱动数量增加带来的结构笨重、行走不稳定等问题，能够产生足够的扭矩，同时又相对轻巧，适应各种地形和运动任务，并与用户有效地交互。

为实现上述目的，本发明提供了一种双驱动踝关节假肢，包括小腿连接模块、关节控制模块、双驱动踝关节模块、脚踝连接模块和脚板模块，小腿连接模块、关节控制模块、双驱动踝关节模块、脚踝连接模块和脚板连接模块至上而下依次连接；双驱动踝关节模块与脚踝连接模块连接，且双驱动踝关节模块包括两个电机，两个电机设置为可同时同角度运动，实现假肢的矢状面运动控制，两个电机设置为可不同角度运动，实现假肢的冠状面运动控制。

进一步地，小腿连接模块包括小腿连接件，小腿连接件设置为标准带四棱柱母头碳纤维管，下端穿过关节控制模块通过四棱柱母头与双驱动踝关节模块的顶端连接。

进一步地，关节控制模块包括关节控制器、散热片结构、散热风扇和电机驱动器，散热片结构具有中空部分，中空部分用于套设小腿连接件并与双驱动关节模块的顶端固定连接，关节控制器、散热风扇和电机驱动器安装在散热片结构的外侧；关节控制器和电机驱动器分别用于控制和驱动双驱动踝关节模块。

进一步地，双驱动踝关节模块的顶端设置为四棱柱连接板，下端与脚踝连接模块连接。

进一步地，脚踝连接模块包括小腿支架、十字球铰踝关节、力传感器和力传感器连接块，小腿支架通过十字球铰踝关节与力传感器连接，力传感器安装在力传感器连接块上；十字球铰踝关节的两个轴端分别设置有矢状面编码器和冠状面编码器。

进一步地，双驱动踝关节模块通过左右拉杆分别与力传感器连接块的两侧连接。

进一步地，左右拉杆的上端设置有拉杆球轴承，下端设置有拉杆十字铰链，左右拉杆的上端通过拉杆球轴承与双驱踝关节模块连接，下端通过拉杆十字铰链与力传感器连接块连接。

进一步地，脚板模块设置为标准的碳纤维脚板，碳纤维脚板通过螺钉与力传感器连接块固定连接。

进一步地，双驱动踝关节模块采用对称的驱动结构，左侧驱动结构与右侧驱动结构对称且一致。

进一步地，双驱动踝关节模块的左侧驱动结构包括四棱柱连接板、电机定子端盖、中间连接端盖、电机定子、电机转子、电机转子左端盖、电机定子右端盖、谐波组件和编码器；其中，

四棱柱连接板用于固定两侧的电机定子端盖，同时与小腿连接件1相连；中间连接端盖左右分别与电机定子端盖连接，电机转子通过电机转子左端盖和电机定子右端盖固定；电机定子右端盖通过轴承与钢轮连接件形成相对转动连接；电机转子左端盖通过轴承与中间连接端盖形成相对转动连接；钢轮连接件通过轴承与谐波组件的谐波固定端盖形成相对转动连接；编码器安装在谐波固定端盖上，其磁铁安装在电机定子右端盖上，用于测量电机转动信号。

技术效果

本发明提供的一种双驱动踝关节假肢，其踝关节具有矢状面(行走前进平面)和冠状面(行走侧向平面)双主动调节功能，可提高截肢者步态协调能力和实现户外非平整地面环境行走。本发明提出的双驱动踝关节假肢，通过紧凑的双驱动能力的关节设计解决了以往主动假肢由于驱动数量增加带来的结构笨重、行走不稳定等问题，扩大了截肢者活动范围，有望实现动力假肢的户外应用，大大提高截肢患者的生活质量。

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是本发明的一个较佳实施例的一种双驱动踝关节假肢的示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的一种双驱动踝关节假肢的示意图；

图3是本发明的一个较佳实施例的一种双驱动踝关节假肢的双驱动踝关节的剖视图；

图4是本发明的一个较佳实施例的一种双驱动踝关节假肢的运动示意图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定内部程序、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

本发明提供了一种双驱动踝关节假肢，包括小腿连接模块、关节控制模块、双驱动踝关节模块、脚踝连接模块和脚板，小腿连接模块、关节控制模块、双驱动踝关节模块、脚踝连接模块和脚板连接模块至上而下依次连接；双驱动踝关节模块与脚踝连接模块通过双拉杆连接，且双驱动踝关节模块包括两个电机，两个电机设置为可同时同角度运动，实现假肢的矢状面运动控制，两个电机设置为可不同角度运动，实现假肢的冠状面运动控制。

以下将结合附图具体说明本发明的一种双驱动踝关节假肢的具体结构。

如图1所示，本发明一具体实施例提供了一种双驱动踝关节假肢，包括：小腿连接件1、关节控制器2、散热片结构3、散热风扇4、电机驱动器5、双驱动踝关节模块6、小腿支架7、矢状面编码器8、冠状面编码器9、十字球铰踝关节10、力传感器11、力传感器连接块12、脚板13、左右拉杆14、拉杆球轴承15、拉杆十字铰接16等。

如图1和2所示，小腿连接件1为标准带四棱柱母头碳纤维管，下端通过四棱柱母头连接与四棱柱连接板601(四棱柱连接板601为双驱动踝关节模块6的上端)上。散热片结构3通过螺钉固定于四棱柱连接板601上，关节控制器2、散热风扇4和电机驱动器5安装在散热片结构3上。双驱动踝关节模块6上端为四棱柱连接板601，下端与小腿支架7连接。小腿支架7通过十字球铰踝关节10与力传感器11连接。十字球铰踝关节10的两个轴端分别安装矢状面编码器8和冠状面编码器9，用于测量行走时矢状面和冠状面踝关节运动角度，矢状面和冠状面踝关节运动角度测量出来用于踝关节的控制，行走时电机运转角度由矢状面编码器和冠状面编码器提供跟踪的误差型号。力传感器11安装于力传感器连接块12上，力传感器连接块12与脚板连接。通过力传感器连接块12可间接测量踝关节矢状面和冠状面运动的扭矩。双驱动踝关节模块6通过左右拉杆14分别连接于力传感器连接块12两侧。左右拉杆14上端安装拉杆球轴承15，下单安装拉杆十字铰接16。当双驱动踝关节模块6的两侧电机同时同角度运动，可实现假肢的矢状面控制；当双驱动踝关节模块6的两侧电机不同角度运动，可协调实现假肢的左右外翻内收控制，即冠状面内的运动。

如图3所示，双驱动踝关节模块6两侧采用驱动结构采用对称结构形式。四棱柱连接板601用于固定两侧的电机定子端盖603，同时与小腿连接件1相连。中间连接端盖602左右分别与电机定子端盖603连接，用于夹紧电机定子605。电机转子606则通过电机转子左端盖608和电机定子右端盖609固定。电机定子右端盖609通过轴承610与钢轮连接件612形成相对转动连接。电机转子左端盖608通过轴承611与中间连接端盖602形成相对转动连接。钢轮连接件612通过轴承615与谐波组件616的谐波固定端盖604形成相对转动连接。编码器613安装在谐波固定端盖604上，其磁铁安装在电机定子右端盖609上，用于测量电机转动信号。关节盖614用于密封关节。双驱动踝关节模块6左侧驱动结构与右侧完全一致。

如图4所示，踝关节运动示意图从左到右依次表示为踝关节背屈、踝关节趾屈、踝关节外翻、踝关节内翻运动示意图。当双驱动踝关节模块6的两侧电机同时顺时针运动，带动拉杆向下运动，可实现假肢的矢状面背屈控制；当双驱动踝关节模块6的两侧电机同时逆时针旋转，带动拉杆向上运动，可实现假肢的矢状面趾屈控制；当双驱动踝关节模块6的两侧电机不同角度协调运动，可分别实现假肢的冠状面内外翻和内收控制。其中，如何进行控制实现假肢的冠状面内外翻和内收可采用2种方式：方式一：本发明实施例的双驱动踝关节假肢还包括视觉识别模块，视觉识别到前方路面高低不平参数，然后主动控制适应地面变化；方式二，当用户踩下去，由足底力传感器检测高低不平，然后启动电机调节外翻和内收角度，适应地面变化。。

进一步的解释，图4为本发明实施例的一种双驱动踝关节假肢可以适应地形变化而实现的运动。本设计的踝关节假肢主要依靠足底六维力信号和编码器信号来检测地形变化。水平行走时，足底六维力信号的内外翻弯矩一致(数值接近)，脚离地和接触地面时刻的角度跟正常人行走角度一致。当地面左右(冠状面内)高度不一致时，足底六维力信号的内外翻弯矩变化，内外翻弯矩变化比例与左右(冠状面内)高度差成正相关，通过内外翻弯矩变化比例判定高度差。同样，当地面前后(矢状面内)高度不一致时，足底六维力信号的前后弯矩变化，编矢状面编码器检测的脚离地和接触地面时刻的角度发生变化，变化的比例与左右(矢状面)高度差成正相关，通过综合足底六维力信号的前后弯矩变化和矢状面编码器检测的脚离地和接触地面时刻的角度变化的信号，可推测出前后高度差。

上述检测方法检测的行走地面为平地时，假肢采用平地行走模式，即假肢控制采用与正常人平地行走一致的控制参数，此时，主要的运动控制为双驱动踝关节模块的两侧电机同步顺时针运动，带动拉杆向下运动，可实现假肢的矢状面背屈控制；当双驱动踝关节模块的两侧电机同步逆时针旋转，带动拉杆向上运动，可实现假肢的矢状面趾屈控制。当检测方法检测的行走地面为前后高低不平时，假肢采用前后斜坡行走模式，即假肢控制采用与正常人前后斜坡行走一致的控制参数，此时，双驱动踝关节模块的两侧电机也同步顺时针运动或逆时针带动假肢运动，但与平地行走不同的是，不同步态下的同时顺时针运动或逆时针运动角度有所变化，以适应地形变化。当检测方法检测的行走地面为左右高低不平时，假肢采用左右斜坡行走模式，即假肢控制采用与正常人左右斜坡行走一致的控制参数，此时，双驱动踝关节模块的两侧电机不在同步顺时针运动或同时逆时针带动假肢运动。两侧电机不同步运动以适应地形变化。上述地形变化的采用的不同控制方式的最终目的是，在假肢支撑地面时，最大限度增加脚板与地面的接触面积和接触支撑力，保证行走的稳定。以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员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)

1.一种双驱动踝关节假肢，其特征在于，包括小腿连接模块、关节控制模块、双驱动踝关节模块、脚踝连接模块和脚板模块，所述小腿连接模块、所述关节控制模块、所述双驱动踝关节模块、所述脚踝连接模块和所述脚板连接模块至上而下依次连接；所述双驱动踝关节模块与所述脚踝连接模块连接，且所述双驱动踝关节模块包括两个电机，所述两个电机设置为可同时同角度运动，实现假肢的矢状面运动控制，所述两个电机设置为可不同角度运动，实现假肢的冠状面运动控制；所述脚踝连接模块包括小腿支架、十字球铰踝关节、力传感器和力传感器连接块，所述小腿支架通过十字球铰踝关节与所述力传感器连接，所述力传感器安装在所述力传感器连接块上；所述十字球铰踝关节的两个轴端分别设置有矢状面编码器和冠状面编码器；所述双驱动踝关节模块通过左右拉杆分别与所述力传感器连接块的两侧连接；所述双驱动踝关节模块采用对称的驱动结构，左侧驱动结构与右侧驱动结构对称且一致；所述双驱动踝关节模块的左侧驱动结构包括四棱柱连接板、电机定子端盖、中间连接端盖、电机定子、电机转子、电机转子左端盖、电机定子右端盖、谐波组件和编码器；其中，

所述四棱柱连接板用于固定两侧的所述电机定子端盖，同时与小腿连接件相连；所述中间连接端盖左右分别与所述电机定子端盖连接，所述电机转子通过所述电机转子左端盖和所述电机定子右端盖固定；所述电机定子右端盖通过轴承与钢轮连接件形成相对转动连接；所述电机转子左端盖通过轴承与所述中间连接端盖形成相对转动连接；所述钢轮连接件通过所述轴承与所述谐波组件的谐波固定端盖形成相对转动连接；所述编码器安装在谐波固定端盖上，所述编码器的磁铁安装在所述电机定子右端盖上，用于测量电机转动信号。

2.如权利要求1所述的一种双驱动踝关节假肢，其特征在于，所述小腿连接模块包括小腿连接件，所述小腿连接件设置为标准带四棱柱母头碳纤维管，下端穿过所述关节控制模块通过四棱柱母头与所述双驱动踝关节模块的顶端连接。

3.如权利要求2所述的一种双驱动踝关节假肢，其特征在于，所述关节控制模块包括关节控制器、散热片结构、散热风扇和电机驱动器，所述散热片结构具有中空部分，所述中空部分用于套设所述小腿连接件并与所述双驱动关节模块的顶端固定连接，所述关节控制器、所述散热风扇和所述电机驱动器安装在所述散热片结构的外侧；所述关节控制器和所述电机驱动器分别用于控制和驱动所述双驱动踝关节模块。

4.如权利要求3所述的一种双驱动踝关节假肢，其特征在于，所述双驱动踝关节模块的顶端设置为四棱柱连接板，下端与所述脚踝连接模块连接。

5.如权利要求1所述的一种双驱动踝关节假肢，其特征在于，所述左右拉杆的上端设置有拉杆球轴承，下端设置有拉杆十字铰链，所述左右拉杆的上端通过所述拉杆球轴承与所述双驱踝关节模块连接，下端通过所述拉杆十字铰链与所述力传感器连接块连接。

6.如权利要求1所述的一种双驱动踝关节假肢，其特征在于，所述脚板模块设置为标准的碳纤维脚板，所述碳纤维脚板通过螺钉与所述力传感器连接块固定连接。