CN115192276A - 一种膝踝一体化仿生下肢假肢 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种膝踝一体化仿生下肢假肢，包括：膝关节为具有动力输出的假肢，从而带动膝关节传动装置，结合三连杆组成的连杆结构，带动被动式踝关节，其中，连杆结构包括膝踝连杆上侧杆、膝踝连杆中间杆、膝踝连杆下侧杆、膝踝连杆离合装置、膝踝连杆锁止机构和膝踝连杆弹簧，膝踝连杆离合装置用于膝踝连杆上侧杆与膝踝连杆中间杆间可旋转且滑动的接合或分离；膝踝连杆锁止机构用于膝踝连杆中间杆和膝踝连杆下侧杆间的锁止或相对移动；膝踝连杆弹簧套设在膝踝连杆下侧杆的外侧，且膝踝连杆弹簧设置在膝踝连杆中间杆和膝踝连杆锁止机构之间，同时实现向前迈步时踝关节的蹬地和即将触地时踝关节的主动背屈。

Description

一种膝踝一体化仿生下肢假肢

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，更具体的是，本发明涉及一种膝踝一体化仿生下肢假肢。

背景技术

在正常行走过程中，可以将人体步态划分成循环的周期。而在每个步态内，当脚尖即将离地时，人体的踝关节具有蹬地促进下肢向前迈步的作用；当下肢向前迈进的过程中，人体的踝关节具有主动背屈的功能，使得脚尖上扬，可以提高人体跨域障碍能力，避免摔倒。对于膝上截肢者而言，由于失去了踝关节和膝关节，为了能够恢复接近正常人的步态，需要穿戴的假肢在膝关节和踝关节处均有动力输出，这就要求所穿戴的假肢要有足够的能量储备，以满足穿戴者的正常生活需要，同时，所穿戴的假肢重量不能太大，尽可能小于人体下肢组织的重量，这样可以减轻穿戴者的能量消耗，提高穿戴舒适性。

而当前由于电池功率密度和电机性能的限制，如果要同时满足膝踝行走能量的需求，则电池的体积和重量会很大，电机的重量会很高。因此，对于膝上截肢者而言，无法同时穿戴具有动力的膝关节和踝关节下肢假肢，主动下肢假肢多数是采取膝关节具有动力输出，踝关节为被动形式。由于被动踝关节无法像人体踝关节一样向外输出能量，使得截肢者步态不对称，为了正常行走，需要人体髋关节做更多的功，消耗更多的体能；并且在向前迈步过程中，由于脚尖无法主动上扬，需要大腿抬的更高，以防止脚尖触地被绊倒。

发明内容

本发明的目的是设计开发了一种膝踝一体化仿生下肢假肢，基于具有动力输出的膝关节假肢，结合膝踝连杆离合装置、膝踝连杆上侧杆和膝踝连杆中间杆，实现膝踝连杆上侧杆旋转运动的制动与分离，进而实现两杆之间的接合与分离，节省空间的同时减小两杆间的轴向载荷，实现了能量的储存、转化和传递。

本发明提供的技术方案为：

一种膝踝一体化仿生下肢假肢，包括：

假肢机架，其与脚掌相连接；以及

驱动电机，其设置在所述假肢机架内；

膝关节传动装置，其可滑动的设置在所述假肢机架的内部，所述膝关节传动装置的一端与所述驱动电机的输出端相连接，用于带动膝关节的弯曲和伸展；

膝踝连杆，其一端与所述膝关节传动装置的另一端相连接，另一端与脚踝相连接，用于带动脚掌的背屈或跖屈；

所述膝踝连杆包括：

膝踝连杆离合装置，其一端与所述膝关节传动装置的另一端相连接；

膝踝连杆上侧杆，其与所述膝踝连杆离合装置的另一端相连接；

膝踝连杆中间杆，其一端与所述膝踝连杆上侧杆可旋转且滑动的连接；

膝踝连杆下侧杆，其一端可滑动的设置在所述膝踝连杆中间杆中，另一端与脚踝相连接；

膝踝连杆锁止机构，其设置在所述膝踝连杆中间杆和膝踝连杆下侧杆之间，用于所述膝踝连杆中间杆和膝踝连杆下侧杆间的锁止或相对移动；

膝踝连杆弹簧，其套设在所述膝踝连杆下侧杆的外侧，且所述膝踝连杆弹簧设置在所述膝踝连杆中间杆和膝踝连杆锁止机构之间；

其中，所述膝踝连杆离合装置可选择的带动所述膝踝连杆上侧杆旋转，所述膝踝连杆弹簧为原始状态时，所述膝踝连杆中间杆和膝踝连杆下侧杆间可相对移动，所述膝踝连杆弹簧为压缩状态时，所述膝踝连杆中间杆和膝踝连杆下侧杆间锁止且储能。

优选的是，还包括：

四棱台座，其可转动的设置在所述假肢机架的一端。

优选的是，还包括：

压力传感器，其一端与所述假肢机架的另一端相连接，另一端与所述脚掌相连接。

优选的是，所述膝关节传动装置包括：

弹性致动器框架，其可滑动的设置在所述假肢机架内；

膝关节弯曲弹簧座，其可滑动的设置在所述弹性致动器框架上；

滚珠丝杠，其一端与所述驱动电机的输出端相连接，另一端设置在所述弹性致动器框架内，且所述滚珠丝杠的螺母与所述膝关节弯曲弹簧座固定连接；

其中，所述弹性致动器框架与所述膝踝连杆离合装置的一端相连接。

优选的是，所述膝关节传动装置还包括：

膝关节伸展弹簧，其设置在所述滚珠丝杠的螺母和弹性致动器框架的一端之间；

膝关节弯曲弹簧，其设置在所述膝关节弯曲弹簧座和弹性致动器框架的另一端之间。

优选的是，所述膝关节传动装置还包括：

两个连杆，其对称设置在所述弹性致动器框架和四棱台座之间，用于带动所述四棱台座的转动。

优选的是，所述膝踝连杆离合装置包括：

连接件，其一端与所述弹性致动器框架的另一端相连接；

电磁制动器，其一端与所述连接件的另一端相连接；

支撑件，其套设在所述电磁制动器的外侧；

轴承座，其与所述电磁制动器的另一端相连接，且所述轴承座包括相连接的第一部分和第二部分；

其中，所述第一部分的直径大于所述第二部分的直径，所述第一部分内设置有推力球轴承，所述第二部分内设置有两个深沟球轴承。

优选的是，所述膝踝连杆上侧杆包括：

连接杆，其一端与所述电磁制动器的法兰盘相连接；

上侧杆杆架，其一端与所述连接杆的另一端相连接，且所述上侧杆杆架周向设置有螺旋槽；

其中，所述连接杆可转动的穿过所述轴承座。

优选的是，所述膝踝连杆中间杆包括：

中间杆杆架，其一端设置在所述上侧杆杆架的内部；

滑块，其固定在所述中间杆杆架的外侧，且所述滑块可滑动的设置在所述螺旋槽中；

底盖，其设置在所述中间杆杆架的另一端，且所述底盖与所述中间杆杆架形成容纳腔。

优选的是，所述膝踝连杆锁止机构包括：

环形导轨，其固定在所述容纳腔内，且所述环形导轨内等间隔设置有多个纵向轨道，所述环形导轨的下端周向间隔设置有多个锁止槽；

压杆，其固定在所述膝踝连杆下侧杆的一端，且所述压杆上设置有多个凸起滑块，所述压杆的下端为锯齿状结构；

锁止件，其周向设置有多个斜面齿；

其中，所述多个凸起滑块一一对应可滑动的设置在所述多个纵向轨道内，所述多个斜面齿的厚度大于所述多个凸起滑块的厚度；

其中，所述膝踝连杆弹簧设置在所述底盖和所述锁止件之间，所述膝踝连杆弹簧为原始状态时，所述锁止件可滑动的设置在初始的纵向轨道内，且所述多个斜面齿与所述锯齿状结构的顶端相接触，所述膝踝连杆弹簧为压缩状态时，所述锁止件可滑动的设置在与所述初始的纵向轨道相邻的左侧纵向轨道内，且所述多个斜面齿卡合在所述多个锁止槽内。

本发明所述的有益效果：

(1)、本发明设计开发的一种膝踝一体化仿生下肢假肢，通过带有螺旋槽的且可主动离合的膝踝连杆机构，将两杆的直线滑动改变为膝踝连杆上侧杆的旋转运动，通过电磁制动器的通断电，实现膝踝连杆上侧杆旋转运动的制动与分离，进而实现两杆之间的接合与分离；螺旋连接极大减小了连杆的设计尺寸，不需要冗余的传动装置即可实现两杆之间的接合与分离功能；并且通过合适的螺旋角设计，可以一定程度上减小两杆之间轴向载荷，结构简单，无需额外机械装置，节省空间，便于控制。

(2)、本发明设计开发的一种膝踝一体化仿生下肢假肢，以微型电磁制动器控制膝踝连杆上侧杆和膝踝连杆中间杆间的接合与分离，来控制两杆间长度的变化，电磁制动器功率仅5w，能量消耗少，体积小，响应速度快，被动锁止机构与弹簧相互作用，顺应人体行走步态过程，可在特定的步态时刻被动触发并存储能量，在需要的时刻被动解锁释放能量，以满足行走过程中的能量转化，无需额外控制装置。

(3)、本发明设计开发的一种膝踝一体化仿生下肢假肢，将膝踝连杆机构与主动膝关节假肢的运动控制规律相结合，在满足膝关节正常行走步态规律的同时，将一部分重力势能通过膝关节和膝踝连杆机构进行储存，然后再通过膝踝连杆传递到踝关节，可以在蹬地时将存储的能量释放，起到节省能量辅助蹬地的作用，有助于降低穿戴者的能量消耗，恢复正常人体对称步态。另外通过控制三连杆的伸缩可直接控制踝关节背屈或跖屈，在人体步态行走过程中避障，稳定等方面发挥积极作用。

附图说明

图1为本发明所述膝踝一体化仿生下肢假肢的高度调节装置的轴测结构示意图。

图2为本发明所述膝踝一体化仿生下肢假肢的主视结构示意图。

图3为本发明所述膝踝一体化仿生下肢假肢的局部放大结构示意图。

图4为本发明所述膝关节传动装置的结构示意图。

图5为本发明所述膝踝连杆的结构示意图。

图6为本发明所述膝踝连杆的局部剖面结构示意图。

图7为本发明所述A-A剖面结构示意图。

图8为本发明所述膝踝连杆的爆炸结构示意图。

图9为本发明所述膝踝连杆锁止机构的装配结构示意图。

图10为本发明所述环形导轨的剖面结构示意图。

图11为本发明所述压杆和锁止件的初始装配结构示意图。

图12为本发明所述膝踝连杆弹簧的状态示意图。

图13为本发明所述膝踝连杆长度变化示意图。

图14为本发明所述膝关节运动周期示意图。

具体实施方式

下面结合对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1、图2、图3、图4所示，本发明提供的一种膝踝一体化仿生下肢假肢包括：

四棱台座111、2个连杆112、2个膝关节铰链销113、2个连杆上端铰链销114、2个连杆下端铰链销115、驱动器冷却器座131、驱动器冷却器132、电机驱动器133、假肢机架141、压力传感器142、脚踝151、脚掌152、电池座161、电池162、膝踝连杆170、2个膝踝连杆上端铰链销171、膝踝连杆下端铰链销172、驱动电机181、电机座182和膝关节传动装置，所述假肢机架141为U型结构；所述四棱台座111通过2个膝关节铰链销113可转动的固定在所述假肢机架141的开口端；所述压力传感器142一端固定在所述假肢机架141的U型端，另一端通过踝关节铰链销与脚踝151相连接，用于采集假肢膝关节所承受载荷；脚踝151固定在所述脚掌152上；所述驱动电机181通过电机座182固定在所述假肢机架141内部的上端，且在驱动电机181的内部嵌入电机编码器，可用于采集电机转动角度；所述膝关节传动装置可滑动的设置在所述假肢机架141的内部，所述膝关节传动装置的一端与所述驱动电机181的输出端相连接，用于带动膝关节的弯曲和伸展；所述膝关节传动装置的上端分别通过2个连杆下端铰链销115可转动与2个连杆112的一端相连接，2个连杆112的另一端分别通过2个连杆上端铰链销114可转动的与四棱台座111相连接，用于带动四棱台座111的转动；所述电机驱动器133与所述驱动电机181相连接，且所述电机驱动器133固定在所述驱动器冷却器132上，所述驱动器冷却器132固定在驱动器冷却器座131上，驱动器冷却器座131固定在所述假肢机架141的后部；所述电池162与所述驱动电机181相连接，用于对驱动电机181供电，所述电池162固定在所述电池座161上，电池座161固定在所述假肢机架141的后部；所述膝踝连杆170的一端通过2个膝踝连杆上端铰链销171与所述膝关节传动装置的另一端相连接，另一端通过膝踝连杆下端铰链销172可转动的与所述脚踝151相连接，用于带动脚掌152的背伸或跖屈。

所述膝关节传动装置包括：联轴器183、角接触轴承184、轴承端盖185、角接触轴承座186、滚珠丝杠191、滚珠丝杠螺母192、膝关节弯曲弹簧座193、微型直线导轨滑块194、微型直线导轨195、弹性致动器框架196、线性滑轨197、膝关节伸展弹簧198和膝关节弯曲弹簧199。

其中，所述滚珠丝杠191的一端通过联轴器183与所述驱动电机181的输出轴相连接，且所述滚珠丝杠191通过角接触轴承184、轴承端盖185和角接触轴承座186可转动的固定在所述假肢机架141的内部，滚珠丝杆螺母192通过螺纹与滚珠丝杠191配合；所述弹性致动器框架196通过线性滑轨197可滑动的与假肢机架141连接，使得弹性致动器框架196相对于假肢机架141仅可作直线运动；微型直线导轨195通过螺钉与弹性致动器框架196紧固连接；膝关节弯曲弹簧座193通过螺钉与滚珠丝杠螺母192紧固连接且膝关节弯曲弹簧座193通过螺钉与微型直线导轨滑块194进行紧固连接，使得膝关节弯曲弹簧座193相对于弹性致动器框架196仅可作直线运动；膝关节伸展弹簧198的一端安装在滚珠丝杠螺母192上，另一端固定在弹性致动器框架196的一端；膝关节弯曲弹簧199一端安装在膝关节弯曲弹簧座193上，另一端固定在弹性致动器框架196的另一端。

其中，弹性致动器框架196分别通过2个连杆下端铰链销115与2个连杆112相连。

在本实施例中，所述膝关节伸展弹簧198和膝关节弯曲弹簧199均采用模具弹簧。

基于集成化的原因，所述驱动器冷却器座131固定在联轴器183、角接触轴承184、轴承端盖185和角接触轴承座186的后侧，所述电池座161固定在所述膝关节传动装置的后侧。

膝关节编码器122的PCB板通过膝关节编码器座121安装在假肢机架141上，膝关节编码器122的转子磁环通过径向限位螺钉与四棱台座111连接。

将膝关节完全伸直规定为膝关节编码器122的0度位置，驱动电机181驱动滚珠丝杠91带动滚珠丝杠螺母192上移，膝关节伸展弹簧198推动弹性致动器框架196向上运动，弹性驱动器框架196带动2个连杆112，最终推动四棱台座111绕膝关节铰链销113进行转动，实现膝关节的弯曲，膝关节角度逐渐增大；反之，则实现膝关节的伸展，膝关节角度逐渐减小，同时，通过膝关节角度对时间的一阶导数求得膝关节的转动角速度，通过膝关节的转动角速度能够判断当前穿戴者的步态处于哪一个运动状态，并为不同步态间运动切换提供判断依据。

其中，电机转动角度和膝关节编码器角度组合起来，可以计算出膝关节传动装置中的弹簧变形量，为驱动电机181扭矩控制提参考，如果弹簧变形量超出弹簧允许的最大变形量(弹簧无法再被压缩)，则按照最大变形量对应的传动比进行驱动电机181的需求扭矩换算；如果弹簧变形量不超过弹簧允许的最大变形量，则按照实际传动比进行驱动电机181的需求扭矩换算。

如图5、图6所示，所述膝踝连杆170包括：膝踝连杆离合装置210、膝踝连杆上侧杆220、膝踝连杆中间杆230、膝踝连杆下侧杆240和膝踝连杆锁止机构250和膝踝连杆弹簧260。

如图6、图7、图8所示，膝踝连杆离合装置210包括：连接件211、电磁制动器212、支撑件213、轴承座214、推力球轴承215和2个深沟球轴承216，所述连接件211的上端通过2个膝踝连杆上端铰链销171与弹性致动器框架196的下端铰接，用于跟随弹性致动器框架196移动；连接件211下端通过螺钉与电磁制动器212的底座连接；电磁制动器212通过螺钉和自锁螺母与轴承座214连接，电磁制动器通过电池供电；轴承座214包括相连接的第一部分和第二部分，所述第一部分的直径大于第二部分的直径，在第一部分内匹配设置有一个推力球轴承215，在第二部分内匹配设置有2个深沟球轴承216，且推力球轴承215和2个深沟球轴承216均同轴设置，支撑件213在电磁制动器212和轴承座214之间，用于支撑和保证电磁制动器212和法兰盘之间的离合间隙。

所述膝踝连杆上侧杆220包括：连接杆221和上侧杆杆架222，所述连接杆221一端通过2个深沟球轴承216可转动的穿过轴承座214，且连接杆221一端通过机米螺丝与电磁制动器212的法兰盘相连接；上侧杆杆架222的一端与所述连接杆221的另一端固定连接，另一端为开口结构，且所述上侧杆杆架222周向设置有螺旋槽；

如图8所示，膝踝连杆中间杆230包括：中间杆杆架231、滑块232和底盖233，所述中间杆杆架231的一端设置在所述上侧杆杆架222的内部；滑块232为圆柱形结构且固定在所述中间杆杆架231一端的外侧，且所述滑块232可滑动的匹配设置在所述螺旋槽中，当膝踝连杆中间杆230沿滑螺旋槽运动时，带动膝踝连杆上侧杆220转动；底盖233设置在所述中间杆杆架231的另一端，且所述底盖233与所述中间杆杆架231形成容纳腔，在所述底盖233中心设置有通孔。

当弹性致动器框架196带动膝踝连杆离合装置210运动时，膝踝连杆上侧杆220由于相对膝踝连杆中间杆230运动而产生旋转，进而带动电磁制动器212的法兰盘旋转；当电磁制动器212通电时，法兰盘被吸合并停止转动，膝踝连杆上侧杆220和膝踝连杆中间杆230无法相对运动，起到彼此接合作用；反之，电磁制动器212断电时，法兰盘被释放且可以自由转动，膝踝连杆上侧杆220和膝踝连杆中间杆230可相对运动，起到彼此分离作用。

如图9、图10、图11所示，膝踝连杆锁止机构250包括：环形导轨251、压杆252和锁止件253，环形导轨251与中间杆杆架231内壁紧固连接，且所述环形导轨251内等间隔设置有多个纵向轨道，所述纵向轨道的长度与膝踝连杆弹簧260的最大压缩量相同，所述环形导轨251的下端周向间隔设置有多个锁止槽；压杆252通过螺钉与膝踝连杆下侧杆240上端紧固连接，压杆252上设置有多个凸起滑块，且所述多个凸起滑块与环形导轨251上的多个纵向轨道一一对应的配合可做直线滑动，所述压杆252的下端为锯齿状结构；锁止件253的周向设置有多个斜面齿，多个斜面齿的厚度大于所述多个凸起滑块的厚度，使得锁止件能够在环形导轨251的锁止槽中卡合，且多个斜面齿可在环形导轨251的多个纵向轨道内做直线运动，锁止件253的初始位置为多个斜面齿与压杆252下端锯齿状结构的顶端相接触；锁止件253下端与膝踝连杆弹簧260上端平面接触，膝踝连杆弹簧260下端设置在底盖233上；如图12所示，当膝踝连杆弹簧260的长度为l₀时(膝踝连杆弹簧260为原始状态)，膝踝连杆锁止机构250不工作，当压杆252沿环形导轨251的纵向轨道向下运动时，锁止件253有向左旋转趋势，此时膝踝连杆弹簧260被压缩，当膝踝连杆弹簧260长度为l_l时(膝踝连杆弹簧260为压缩状态)，膝踝连杆锁止机构250工作，锁止件253向左旋转且锁止在环形导轨251锁止槽处，将膝踝连杆下侧杆240锁止住，使膝踝连杆弹簧260保持压缩状态并存储能量；当膝踝连杆上侧杆220与膝踝连杆中侧杆220接合相对膝踝连杆下侧杆240向上移动时，锁止件253继续向左旋转并脱离环形导轨251锁止槽，此时膝踝连杆弹簧260释放弹性势能，使膝踝连杆下侧杆240相对于膝踝连杆中间杆230向上运动。

所述推力球轴承215的主要作用是抵抗膝踝连杆弹簧260压缩所产生的轴向力。

在本实施例中，所述凸起滑块为8个，所述纵向轨道为8个，所述斜面齿为4个，所述锁止槽为4个。

所述膝踝连杆下侧杆240上端穿过底盖233的中心通孔后，通过螺钉与压杆252连接，下端通过圆环孔结构和膝踝连杆下端铰链销172相配合实现可转动的与脚踝151铰接，膝踝连杆下侧杆240可相对于膝踝连杆中间杆230进行直线运动。

如图13所示，取步态周期中关键的8个时刻，依次用A到G表示，其中时刻A对应脚后跟着地，时刻D’对应脚尖蹬地，不同时刻膝踝连杆锁止机构250和膝踝连杆离合装置210的工作状态见表一所示：

表一

时刻A处，膝踝连杆离合装置210的状态通过主动控制由分离变为接合，膝踝连杆锁止机构250未锁止，膝踝连杆弹簧260处于原长状态；在时刻A到时刻B的过程中，膝踝连杆170的长度逐渐增长，由于膝踝连杆离合装置210已经将膝踝连杆上侧杆220和膝踝连杆中间杆230结合为一体，所以此时膝踝连杆下侧杆240相对于膝踝连杆中间杆230向下运动，压缩膝踝连杆弹簧260，当膝踝连杆弹簧260压缩到最大变形量后(选择弹簧时，其最大变形量要比时刻A到时刻B伸长行程略小一些，以保证可以将弹簧压缩到极限位置，无法继续被压缩)，则接近时刻B；时刻B处，膝踝连杆离合装置210的状态通过主动控制由接合变为分离，膝踝连杆锁止机构250锁止，且膝踝连杆弹簧260达到最大压缩量；时刻C处，膝踝连杆离合装置210保持分离状态，膝踝连杆锁止机构250处于锁止状态，膝踝连杆弹簧260保持储能状态；时刻D处，膝踝连杆离合装置210保持接合状态并保持短暂的时间Δt，锁止件253脱离环形导轨251的锁止槽，膝踝连杆锁止机构250开始解锁；时刻D’处，膝踝连杆锁止机构250解锁，膝踝连杆弹簧260将释放能量，通过膝踝连杆下侧杆240向上拉脚踝151，产生蹬地力；时刻E处，膝踝连杆离合装置210通过主动控制由分离变为接合，膝踝连杆锁止机构250未锁止；时刻F处，膝踝连杆离合装置210通过主动控制由接合变为分离，膝踝连杆锁止机构250未锁止；时刻G处，膝踝连杆离合装置210保持分离状态，膝踝连杆锁止机构250未锁止，随后往返进入时刻A，膝踝连杆离合装置210通过主动控制进行接合。

如图14所示，平地行走时，膝关节运动可以分为站立相和摆动相，其中，站立相又可根据触地事件细分为触地屈曲期、触地伸展期以及预摆动期；摆动相可以细分为摆动屈曲期和摆动伸展期。

平地行走站立相，以3601足跟触地作为起始位置，在足跟即将触地前，通过驱动电机181将膝关节屈曲角度调整为4度左右，当压力传感器142采集的数据大于人体体重的5％，假肢穿戴者完成足跟触地，进入触地屈曲期，在触地屈曲期，驱动电机181通过电机驱动器133进行位置环控制保持固定的位置，由于滚珠丝杠191具有较大的传动比，此时驱动电机181仅需提供较小的扭矩即可实现滚珠丝杠螺母192锁止，随着膝关节屈曲角度的增大，膝关节弯曲弹簧199逐渐被压缩，将人体的重力势能部分转化为膝关节弯曲弹簧199的弹性势能；同时膝踝连杆离合装置210通过主动控制将膝踝连杆上侧杆220和膝踝连杆中间杆230接合，由于这个过程中膝关节在屈曲，弹性致动器框架196沿着假肢机架141向膝关节靠近，而脚掌152与地面接触，无法自由转动，这时弹性致动器框架196会拉着膝踝连杆170使其长度增加，这使得膝踝连杆下侧杆240相对于膝踝连杆中间杆230向下运动，从而压缩膝踝连杆弹簧260，将一部分重力势能也存储在膝踝连杆弹簧260中；根据正常行走步态，当膝关节角度达到20度左右，膝关节完成触地屈曲期，此时，对应时刻B，膝踝连杆弹簧260也达到最大压缩量，膝踝连杆锁止机构250锁止，膝关节角速度由正变为负，即3602膝关节角速度小于0度/秒，膝踝连杆离合装置210通过主动控制分离，即膝踝连杆上侧杆220和膝踝连杆中间杆230之间可以自由滑动；进入触地伸展期，伴随着人体重心前移，膝关节在膝关节弯曲弹簧199作用下逐渐伸展，直至膝关节角度接近0度；当膝关节弯曲屈曲时，膝关节角速度由负变为正，即3603膝关节角速度大于0度/秒，进入预摆动期，膝关节继续屈曲，当屈曲角度到达20度左右时，驱动电机181通过控制继续驱动膝关节屈曲，弹性致动器框架196会拉着膝踝连杆170使其长度增加，由于膝踝连杆锁止机构250已将膝踝连杆中间杆230和膝踝连杆下侧杆240锁止，为了满足膝踝连杆170长度增大的需求，则膝踝连杆上侧杆220相对于膝踝连杆中间杆230向上运动；在脚尖离地时刻，电磁制动器212通电，即膝踝连杆上侧杆220与膝踝连杆中间杆230接合，相对于膝踝连杆下侧杆240向上运动，此时膝踝连杆锁止机构250解锁，使膝踝连杆弹簧260将弹性势能释放出来，在膝踝连杆弹簧260弹性力的作用下，推动膝踝连杆下侧杆240向上运动，从而拉动脚踝151，为穿戴者提供蹬地力，当脚趾完全离地，此时压力传感器142采集的数据接近0牛顿，完成站立相。

当压力传感器142采集的数据为0牛顿时，事件3605完成，进入摆动相，驱动电机181通过电机驱动器133进行控制，当膝关节转角到达60度左右时，驱动电机181的转速为0度/秒，随着驱动电机181反向转动，此时角速度值为负，事件3606发生，进入摆动伸展期，弹性致动器框架196向下运动，此时通过主动控制将膝踝连杆离合装置210接合，膝踝连杆上侧杆220与膝踝连杆中间杆230固定连接，而由于膝踝连杆下侧杆240受环形导轨251限制，膝踝连杆170无法被压缩，而随着弹性致动器框架196一直向下运动，脚掌152将被推到背屈的极限位置(提高了跨越障碍的能力)，当脚掌152运动到背屈极限位置时，膝踝连杆离合装置210通过主动控制将膝踝连杆上侧杆220和膝踝连杆中间杆230进行分离，由于膝踝连杆170一直被压缩，所以此时膝踝连杆上侧杆220相对于膝踝连杆中间杆230向下运动直到时刻G，同时在这个过程中，通过控制，实现电机先加速，再减速，并起到阻尼作用，达到阻抗控制的目的，并且将一部分动能用于压缩膝关节伸展弹簧198，最终当屈曲角度接近0度时，将膝关节伸展弹簧198的弹性势能通过滚珠丝杠螺母192转移到膝关节弯曲弹簧199中，为下一步态周期中的膝关节伸展储配能量。

本发明设计开发的一种膝踝一体化仿生下肢假肢，采用可转动的主动离合装置、被动锁止机构和膝踝连杆弹簧构成膝踝三连杆机构，主动离合装置由一个微型电磁制动器主动控制，通过带有螺旋槽的膝踝连杆上侧杆，将两杆的直线滑动改变为膝踝连杆上侧杆的旋转运动，通过电磁制动器的通断电，实现膝踝连杆上侧杆旋转运动的制动与分离，进而实现两杆之间的接合与分离，螺旋连接极大减小了连杆的设计尺寸，不需要冗余的传动装置即可实现两杆之间的接合与分离功能；并且通过合适的螺旋角设计，可以一定程度上减小两杆之间轴向载荷，结构简单，无需额外机械装置，节省空间，便于控制。

微型电磁制动器的峰值功率仅5W，能量消耗小，体积小；被动锁止机构与膝踝连杆弹簧相互作用，顺应人体行走步态过程，可在特定的步态时刻通过两杆的相对运动被动触发并存储能量，在需要的时刻被动解锁释放能量，以满足步态行走过程中的能量转化，无需额外控制装置。

将膝踝连杆机构与主动膝关节假肢的运动控制规律相结合，在满足膝关节正常行走步态规律的同时，将一部分重力势能通过膝关节和膝踝连杆机构进行储存，然后再通过膝踝连杆传递到踝关节，可以在蹬地时将存储的能量释放，起到节省能量辅助蹬地的作用，有助于降低穿戴者的能量消耗，恢复正常人体对称步态。另外通过控制三连杆的伸缩可直接控制踝关节背屈或跖屈，在人体步态行走过程中避障，稳定等方面发挥积极作用。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。

Claims (10)

1.一种膝踝一体化仿生下肢假肢，其特征在于，包括：

假肢机架，其与脚掌相连接；以及

驱动电机，其设置在所述假肢机架内；

膝关节传动装置，其可滑动的设置在所述假肢机架的内部，所述膝关节传动装置的一端与所述驱动电机的输出端相连接，用于带动膝关节的弯曲和伸展；

膝踝连杆，其一端与所述膝关节传动装置的另一端相连接，另一端与脚踝相连接，用于带动脚掌的背屈或跖屈；

所述膝踝连杆包括：

膝踝连杆离合装置，其一端与所述膝关节传动装置的另一端相连接；

膝踝连杆上侧杆，其与所述膝踝连杆离合装置的另一端相连接；

膝踝连杆中间杆，其一端与所述膝踝连杆上侧杆可旋转且滑动的连接；

膝踝连杆下侧杆，其一端可滑动的设置在所述膝踝连杆中间杆中，另一端与脚踝相连接；

膝踝连杆锁止机构，其设置在所述膝踝连杆中间杆和膝踝连杆下侧杆之间，用于所述膝踝连杆中间杆和膝踝连杆下侧杆间的锁止或相对移动；

膝踝连杆弹簧，其套设在所述膝踝连杆下侧杆的外侧，且所述膝踝连杆弹簧设置在所述膝踝连杆中间杆和膝踝连杆锁止机构之间；

其中，所述膝踝连杆离合装置可选择的带动所述膝踝连杆上侧杆旋转，所述膝踝连杆弹簧为原始状态时，所述膝踝连杆中间杆和膝踝连杆下侧杆间可相对移动，所述膝踝连杆弹簧为压缩状态时，所述膝踝连杆中间杆和膝踝连杆下侧杆间锁止且储能。

2.如权利要求1所述的膝踝一体化仿生下肢假肢，其特征在于，还包括：

四棱台座，其可转动的设置在所述假肢机架的一端。

3.如权利要求2所述的膝踝一体化仿生下肢假肢，其特征在于，还包括：

压力传感器，其一端与所述假肢机架的另一端相连接，另一端与所述脚掌相连接。

4.如权利要求3所述的膝踝一体化仿生下肢假肢，其特征在于，所述膝关节传动装置包括：

弹性致动器框架，其可滑动的设置在所述假肢机架内；

膝关节弯曲弹簧座，其可滑动的设置在所述弹性致动器框架上；

滚珠丝杠，其一端与所述驱动电机的输出端相连接，另一端设置在所述弹性致动器框架内，且所述滚珠丝杠的螺母与所述膝关节弯曲弹簧座固定连接；

其中，所述弹性致动器框架与所述膝踝连杆离合装置的一端相连接。

5.如权利要求4所述的膝踝一体化仿生下肢假肢，其特征在于，所述膝关节传动装置还包括：

膝关节伸展弹簧，其设置在所述滚珠丝杠的螺母和弹性致动器框架的一端之间；

膝关节弯曲弹簧，其设置在所述膝关节弯曲弹簧座和弹性致动器框架的另一端之间。

6.如权利要求5所述的膝踝一体化仿生下肢假肢，其特征在于，所述膝关节传动装置还包括：

两个连杆，其对称设置在所述弹性致动器框架和四棱台座之间，用于带动所述四棱台座的转动。

7.如权利要求6所述的膝踝一体化仿生下肢假肢，其特征在于，所述膝踝连杆离合装置包括：

连接件，其一端与所述弹性致动器框架的另一端相连接；

电磁制动器，其一端与所述连接件的另一端相连接；

支撑件，其套设在所述电磁制动器的外侧；

轴承座，其与所述电磁制动器的另一端相连接，且所述轴承座包括相连接的第一部分和第二部分；

其中，所述第一部分的直径大于所述第二部分的直径，所述第一部分内设置有推力球轴承，所述第二部分内设置有两个深沟球轴承。

8.如权利要求7所述的膝踝一体化仿生下肢假肢，其特征在于，所述膝踝连杆上侧杆包括：

连接杆，其一端与所述电磁制动器的法兰盘相连接；

上侧杆杆架，其一端与所述连接杆的另一端相连接，且所述上侧杆杆架周向设置有螺旋槽；

其中，所述连接杆可转动的穿过所述轴承座。

9.如权利要求8所述的膝踝一体化仿生下肢假肢，其特征在于，所述膝踝连杆中间杆包括：

中间杆杆架，其一端设置在所述上侧杆杆架的内部；

滑块，其固定在所述中间杆杆架的外侧，且所述滑块可滑动的设置在所述螺旋槽中；

底盖，其设置在所述中间杆杆架的另一端，且所述底盖与所述中间杆杆架形成容纳腔。

10.如权利要求9所述的膝踝一体化仿生下肢假肢，其特征在于，所述膝踝连杆锁止机构包括：

环形导轨，其固定在所述容纳腔内，且所述环形导轨内等间隔设置有多个纵向轨道，所述环形导轨的下端周向间隔设置有多个锁止槽；

压杆，其固定在所述膝踝连杆下侧杆的一端，且所述压杆上设置有多个凸起滑块，所述压杆的下端为锯齿状结构；

锁止件，其周向设置有多个斜面齿；

其中，所述多个凸起滑块一一对应可滑动的设置在所述多个纵向轨道内，所述多个斜面齿的厚度大于所述多个凸起滑块的厚度；

其中，所述膝踝连杆弹簧设置在所述底盖和所述锁止件之间，所述膝踝连杆弹簧为原始状态时，所述锁止件可滑动的设置在初始的纵向轨道内，且所述多个斜面齿与所述锯齿状结构的顶端相接触，所述膝踝连杆弹簧为压缩状态时，所述锁止件可滑动的设置在与所述初始的纵向轨道相邻的左侧纵向轨道内，且所述多个斜面齿卡合在所述多个锁止槽内。

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