CN115701796A - 一种用于人体下肢外骨骼、假肢、矫形器的智能膝关节 - Google Patents

一种用于人体下肢外骨骼、假肢、矫形器的智能膝关节 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种用于人体下肢外骨骼、假肢、矫形器的智能膝关节。智能膝关节通过采用电机驱动单元配合基于磁流变阻尼器的可控弹簧储能单元，或采用可控阻力单元配合基于磁流变阻尼器的可控弹性储能单元来复现人体膝关节的部分或全部生物力学特征，从而帮助穿戴者更好的降低行走负担，重获或修复行走功能。电机驱动单元在发电机模式和驱动器模式下工作，通过采用能量回收技术降低了智能膝关节的功耗，延长了装置的工作时间。另外，基于磁流变阻尼器的可控弹性储能单元的使用进一步降低了智能膝关节的能耗，同时也简化了膝关节的控制难度。

Description

一种用于人体下肢外骨骼、假肢、矫形器的智能膝关节
技术领域
本申请涉及一种智能膝关节，更具体地，涉及一种用于人体下肢外骨骼、假肢、矫形器的智能膝关节。另外，本申请还涉及一种辅助膝关节的方法。
背景技术
随着经济的快速发展，人们的生活水平逐步提高，社会对残障人士的生活关注度逐渐增加。由于身体部分关节的运动功能丧失，残障人士的生活自理能力下降，导致生活幸福感和自我认可度大大降低。目前，为帮助下肢截肢或中风偏瘫的残障人士恢复部分或全部行走功能，研究机构和商业公司提出了下肢假肢、外骨骼和矫形器。该类人体运动辅助/助力设备通过主动或被动复现对应关节的生物力学特征，如力矩-角度曲线复现、或角度跟踪，帮助穿戴者重获或修复行走功能。
下肢外骨骼目前得到了科学界和工业界的广泛关注，研究者提出了多种主动和被动下肢骨骼。该类装置目前已初步应用于帮助下肢截瘫者从轮椅上再次站起来独立行走，或用于提高单兵军人的负重能力。另外，动力下肢假肢近20年来也得到了长足的发展。传统的被动假肢结构简单，质量轻，价格便宜。但由于该类假肢不包括可调组件，导致机构力学特性固定，因而不能很好地复现对应关节的生物力学特征，进而致使穿戴者的步态适应性差、步态不对称和新陈代谢明显增加等临床问题。
为了改善传统被动假肢的缺陷，动力假肢通过采用驱动器、控制器、传感器和电源实时控制调整假肢输出特性，进而完全模仿或接近对应人体关节的功能。临床实验表明，与传统被动假肢相比，动力下肢假肢可大大改善截肢者的行走步态，降低他们的行走负担，
然而，对于动力辅助设备而言，目前由于科学技术的限制，驱动器和电源仍然面临巨大挑战。目前现有的商业驱动器，如直流电机等，功重比不高，在满足移动设备的重量和尺寸的限制情况下，提供足够的驱动力将是目前工程实现中的一大挑战。
另外，由于锂电池能量密度的限制，移动式人体辅助设备中驱动器的能耗也是设备研发过程中主要考虑的问题之一。
基于智能材料的复合驱动器具有自身的特点与优势，如基于磁流变阻尼器/磁流变旋转制动器的复合驱动器，在考虑对应关节的力学特性的情况下，巧妙的设计复合驱动器能在满足所需驱动性能下，与电机驱动相比具有相对较低的功耗，从而明显降低电池的尺寸和重量，延长电池的充电间隔时间。另外，复合驱动器中的各个动力单元的性能互补，也可明显降低系统的控制难度，大大提高系统的鲁棒性。
因此，寻求一种包括基于智能材料的复合驱动器的智能膝关节来改善人体下肢外骨骼、假肢、矫形器是必要且有意义的。
发明内容
为了消除或降低下肢外骨骼、假肢、矫形器中膝关节在动力、功耗和控制方面所面临的问题，本申请通过采用能量回收技术，利用弹性储能组件和智能驱动器，提出了一种智能膝关节。该智能膝关节能复现部分或全部人体膝关节的生物力学特征，同时具有较低的功耗。另外，该智能膝关节的机械结构设计也降低了膝关节的控制难度。
根据本申请的一个方面，提供了一种用于人体下肢外骨骼、假肢、矫形器的智能膝关节。该智能膝关节附接至膝关节，并可包括：
1)电机驱动单元或可控阻力单元，所述电机驱动单元可包括电机和传动减速装置，所述电机驱动单元有两种工作模式：发电机模式和驱动器模式，所述电机驱动单元可根据所述膝关节的运动模式和运动状态调整到对应工作模式；
2)弹性储能单元，可包括弹性元件、传动装置以及工作模式调节器，所述弹性储能单元有三种工作模式：锁住储能模式、自由释放模式、能量耗散模式，所述弹性储能单元可根据所述膝关节的运动模式和运动状态调整到对应工作模式；
3)传感器，用于检测所述膝关节的运动信号；
4)控制器，基于所述传感器的反馈信号，实时监测所述膝关节的运动模式和运动状态，为所述弹性储能单元和所述电机驱动单元或所述可控阻力单元提供控制信号；
5)电源，为所述电机驱动单元、所述可控阻力单元、所述弹性储能单元、所述传感器和所述控制器供电，同时用于储存所述电机回收的电能，所述电源为电池或超级电容中的一种或两种；以及
6)连接装置，可包括大腿连接装置和小腿连接装置。
根据本申请的示例性实施方式，所述电机驱动单元可包括电机、齿轮减速箱以及锥齿轮传动装置。
根据本申请的示例性实施方式，所述电机驱动单元可包括电机和谐波齿轮传动装置。
根据本申请的示例性实施方式，所述电机驱动单元可包括电机、齿轮传动装置、滚珠丝杆传动装置以及曲柄滑块机构。
根据本申请的示例性实施方式，所述电机驱动单元可包括电机、同步带轮传动装置、滚珠丝杆传动装置以及曲柄滑块机构。
根据本申请的示例性实施方式，所述弹性储能单元可与所述电机驱动单元并联配置。
根据本申请的示例性实施方式，所述弹性元件、传动装置和工作模式调节器可串联配置。
根据本申请的示例性实施方式，所述弹性储能单元中的所述弹性元件可为螺旋弹簧、叶片弹簧、气体弹簧和橡胶弹簧中的一种或多种。
根据本申请的示例性实施方式，所述弹性储能单元中的所述传动装置可为滑轮绳索机构、曲柄滑块机构、凸轮机构中的一种或多种。
根据本申请的示例性实施方式，所述凸轮的凸轮面可设置为满足特定的弹性力矩-角度曲线。
根据本申请的示例性实施方式，所述弹性储能单元中的所述工作模式调节器可包括电机、以及滚珠丝杆传动装置或螺纹丝杆传动装置。
根据本申请的示例性实施方式，当所述弹性储能单元工作在锁住储能模式下时，所述弹性元件可被压缩或拉伸储能，所述工作模式调节器中的所述电机通电保持位置不变。
根据本申请的示例性实施方式，当所述弹性储能单元工作在自由释放模式下时，所述工作模式调节器中的所述电机可断电，所述电机可自由转动。
根据本申请的示例性实施方式，当所述弹性储能单元工作在能量耗散模式时，所述工作模式调节器中的所述电机通电可提供阻力。
根据本申请的示例性实施方式，所述电机可当发电机使用，回收电能。
根据本申请的示例性实施方式，所述工作模式调节器可包括离合器、齿轮传动装置、滚珠丝杆传动装置以及弹簧复位机构。
根据本申请的示例性实施方式，所述离合器可在断电或通电情况下抱住结合。
根据本申请的示例性实施方式，所述弹性储能单元工作可在锁住储能模式下时，所述工作模式调节器中的所述离合器通电或断电抱住结合，所述工作模式调节器中的所述滚珠丝杆传动装置被锁住。
根据本申请的示例性实施方式，所述弹性储能单元工作可在自由释放模式下时，所述工作模式调节器中的所述离合器通电或断电全部释放切离，所述工作模式调节器中的所述滚珠丝杆传动装置可自由传动。
根据本申请的示例性实施方式，所述弹性储能单元工作在在能量耗散模式时，所述工作模式调节器中的所述离合器通电部分释放切离，通过调节通电电流控制所述离合器的摩擦阻力。
根据本申请的示例性实施方式，所述工作模式调节器可包括磁流变阻尼器和弹簧复位机构。
根据本申请的示例性实施方式，所述弹性储能单元工作可在锁住储能模式下时，所述工作模式调节器中的所述磁流变阻尼器通电，所述磁流变阻尼器被锁住。
根据本申请的示例性实施方式，所述弹性储能单元工作可在自由释放模式下时，所述工作模式调节器中的所述磁流变阻尼器断电。
根据本申请的示例性实施方式，所述弹性储能单元工作在能量耗散模式下时，所述工作模式调节器中的所述磁流变阻尼器可通电，通过调节所述磁流变阻尼器的通电电流调节所述磁流变阻尼器的阻力，所述磁流变阻尼器的活塞和所述磁流变阻尼器的活塞缸可相对移动。
根据本申请的示例性实施方式，所述工作模式调节器可包括液压缸、液压控制阀以及弹簧复位机构，通过控制所述液压控制阀来调节所述弹性储能单元的工作模式。
根据本申请的示例性实施方式，所述传感器可包括轴向力传感器、力矩传感器、膝关节角度传感器、大腿运动惯性测量单元、小腿运动惯性测量单元、肌电信号传感器中的一个或多个。
根据本申请的示例性实施方式，所述控制器可基于所述传感器的反馈信号检测所述膝关节的运动模式和运动状态，为所述电机驱动单元提供参考角度或参考力矩中的一种或两种。
根据本申请的示例性实施方式，通过控制所述电机驱动单元、所述可控阻力单元和所述弹性储能单元可使所述膝关节能完全或部分复现人体膝关节的生物力学特征。
根据本申请的示例性实施方式，人体膝关节的生物力学特征可在站立阶段时为力矩-角度特征，在摆动阶段时可为角度跟踪特征。
根据本申请的示例性实施方式，所述可控阻力单元为磁流变旋转制动器，所述磁流变旋转制动器可通过控制供电电流调节所述可控阻力单元的阻抗力矩。
根据本申请的示例性实施方式，所述可控阻力单元包括磁流变阻尼器和曲柄滑块机构，所述磁流变阻尼器可通过控制供电电流调节所述可控阻力单元的阻抗力矩。
根据本申请的示例性实施方式，所述磁流变旋转制动器的输出可为转动运动，通过控制所述磁流变旋转制动器的供电电流，可控制所述磁流变旋转制动器的输出力矩。
根据本申请的示例性实施方式，所述磁流变阻尼器的输出可为直线运动，通过控制所述磁流变阻尼器的供电电流，可控制所述磁流变阻尼器的输出阻力。
根据本申请的示例性实施方式，所述可控阻力单元可包括液压缸、液压控制阀以及曲柄滑块机构，通过调节所述液压控制阀控制所述可控阻力单元的阻抗力矩。
根据本申请的示例性实施方式，所述可控阻力单元可与所述弹性储能单元并联连接。
根据本申请的另一方面，提供了一种辅助膝关节的方法，该方法可包括：通过传感器检测所述膝关节的运动；基于所述传感器的反馈信号，根据所述膝关节的运动，为所述弹性储能单元以及所述电机驱动单元和/或所述可控阻力单元提供控制信号，其中所述电机驱动单元用于驱动和发电，所述弹性储能单元用于存储和释放能量，所述可控阻力单元用于提供阻抗力矩；其中，采用弹性储能单元存储和释放能量，以及采用电能存储单元来储存所述电机驱动单元回收的电能以及为所述电机驱动单元、所述弹性储能单元、所述传感器和所述控制器供电。
根据本申请的又一方面，提供了一种辅助行走的设备，该辅助行走的设备包括如上所述的智能膝关节。
附图说明
以下结合附图，通过描述本申请的非限制性实施方式来解释本申请构思的原理。应当理解，附图旨在示出本申请的示例性实施方式而非对其进行限制。其中，附图用于提供对本申请发明构思的进一步理解，并且并入说明书中构成本说明书的一部分。附图中相同的附图标记表示相同的特征。在附图中：
图1示出了根据本申请的示例性实施方式的智能膝关节；
图2示出了根据本申请的示例性实施方式的智能膝关节的主视图和左视图；
图3示出了根据本申请的示例性实施方式的智能膝关节的内部部分组件细节；
图4示出了根据本申请的示例性实施方式的智能膝关节的电机驱动单元立体分解图；
图5示出了根据本申请的示例性实施方式的智能膝关节的膝关节轴向力测量装置；
图6示出了根据本申请的示例性实施方式的智能膝关节的驱动原理图，其中包括电机驱动单元；
图7示出了根据本申请的示例性实施方式的智能膝关节的驱动原理图，其中包括阻力单元-磁流变旋转制动器；
图8示出了人体膝关节在平地行走、上楼和下楼过程中的一个周期内的角度曲线、力矩曲线和功率曲线；
图9示出了人体膝关节在平地行走、上楼和下楼过程中的力矩-角度曲线；
图10示出了根据本申请的示例性实施方式的智能膝关节在平地行走过程中的工作原理，智能膝关节包括电机、弹性单元和磁流变阻尼器的工作原理；
图11示出了根据本申请的示例性实施方式的智能膝关节在上楼过程中的工作原理，智能膝关节包括电机、弹性单元和磁流变阻尼器的工作原理；
图12示出了根据本申请的示例性实施方式的智能膝关节在下楼程中的工作原理，智能膝关节包括电机、弹性单元和磁流变阻尼器；以及
图13示出了凸轮-叶片弹簧-磁流变阻尼器装置的原理图以及对应三种工作模式下的力矩-角度曲线输出。
具体实施方式
为了更好地理解本申请，下文将参考附图所示的示例性实施方式对本申请的各个方面做出更详细的说明。应理解，这些详细说明只是对本申请的示例性实施方式的描述，而非以任何方式限制本申请的范围。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。表述“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个的任何和全部组合。
应注意，在本说明书和权利要求书中，第一、第二等的表述仅用于将一个特征与另一个特征区分开来，而不表示对特征的任何限制。因此，在不背离本申请的教导的情况下，文中讨论的第一转子、第一导槽也可被称作第二转子、第二导槽，反之亦然。
在附图中，为了便于说明，已稍微夸大了各部件的厚度、尺寸和形状。因此，附图仅为示例而并非严格按比例绘制。
应当理解的是，表述“包括”、“包括有”、“具有”、“包括”和/或“包括有”，当在本说明书中使用时表示存在所列举的特征、元件、部件和/或步骤，但不排除存在或附加有一个或多个其他特征、元件、部件、步骤和/或它们的组合。另外，当诸如“...中的至少一个”的表述出现在所列特征的列表之后时，修饰整个所列特征，而不是修饰列表中的单独元件。另外，当描述本申请的实施方式时，使用“可”表示“本申请的一个或多个实施方式”。并且，表述“示例性的”旨在指代实施方式的示例或对实施方式进行举例说明。
除非另外限定，否则本文中使用的所有用语(包括技术用语和科学用语)均具有与本申请所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。还应理解的是，用语(例如在常用词典中定义的用语)应被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义，并且将不以理想化或过度正式意义来解释，除非本文中明确如此限定。
以下参考附图结合具体实施方式对本申请的各个方面进行更详细的说明，但是本申请的实施方式不限于此。
图1示出了根据本申请的示例性实施方式的智能膝关节。图2至图5根据本申请的示例性实施方式的智能膝关节。如图5所示，在该实施方式中，直流电机8通过安装架9安装在电机套筒7上，电机套筒7与右支架11联接。直流电机8的输出轴通过联轴器10与谐波齿轮6的输入轴联接，谐波齿轮6的输出轴与膝关节外壳3联接。
膝关节外壳3安装在轴承2的转动轴上，而轴承2安装在固定件1上。固定件1安装在左支架12上。右支架11和左支架12同时安装在底部固定件14上。大腿连接头13安装在膝关节外壳3上，小腿连接头51安装在底部固定件14上。凸轮3x安装在膝关节外壳3上。膝关节角度传感器32通过传感器固定件47安装在固定件1上，膝关节角度传感器32的转动轴通过连接轴46与轴承2的转动轴连接。膝关节角度传感器32用于测量膝关节外壳3相对于左支架的转动角度。
转动架17安装在底部固定件14上，可绕转动轴31转动。角度传感器32可测量转动架17相对于底部固定件14的转动角度。叶片弹簧18的一端安装在转动架17的左端，叶片弹簧18的另一端装有滚子支架19。滚子20可在滚子支架上19绕固定轴转动，同时与凸轮3x接触。
磁流变阻尼器的活塞连接轴23与转动架17右端通过铰链连接，磁流变阻尼器的外壳21与阻尼器固定架28铰链连接，阻尼器固定器28安装在左支架12上。小型回复弹簧42与磁流变阻尼器并联安装，用于帮助磁流变阻尼器回到初始位置。
图5示出了根据本申请的示例性实施方式的智能膝关节的膝关节轴向力测量装置。底部固定件14上设置有一个悬臂梁结构，小腿连接头51安装在悬臂梁上。应变片52安装在悬臂梁固定端的根部。当膝关节轴向力作用于小腿连接头51上时，悬臂梁产生变形。此时，应变片52的电阻产生变化，使得可根据电阻的变化来计算膝关节轴向力的大小。
图6示出了根据本申请的示例性实施方式的智能膝关节的驱动原理图，其中包括电机驱动单元。电机驱动单元可做驱动器使用为智能膝关节提供动力，也可作为发电机使用回收膝关节的机械负功而发电。当膝关节弯曲或伸展时，凸轮会相对于机架相对转动，此时的叶片弹簧端部的滚子会沿着凸轮表面滑动。
当磁流变阻尼器通电锁住时，转动支架固定，此时的叶片弹簧将由凸轮压缩，从而为膝关节提供一个偏置力矩。
当磁流变阻尼器断电时，转动支架将自由转动，此时的叶片弹簧不会压缩。
当磁流变阻尼器通电且阻尼器活塞与阻尼器外壳可相对滑动时，此时叶片弹簧可由凸轮压缩，但磁流变阻尼器会消耗部分机械能。
图7示出了根据本申请的示例性实施方式的智能膝关节的驱动原理图，其中包括阻力单元-磁流变旋转制动器。磁流变旋转制动器，通过控制其供电电流，调节其阻抗力矩。当膝关节弯曲或伸展时，凸轮会相对于机架相对转动，此时的叶片弹簧端部的滚子会沿着凸轮表面滑动。
当磁流变阻尼器通电锁住时，转动支架固定，此时的叶片弹簧将由凸轮压缩，从而为膝关节提供一个偏置力矩。
当磁流变阻尼器断电时，转动支架将自由转动，此时的叶片弹簧不会压缩。
当磁流变阻尼器通电且阻尼器活塞与阻尼器外壳可相对滑动时，此时叶片弹簧可由凸轮压缩，但磁流变阻尼器会消耗部分机械能。
图8示出了人体膝关节在平地行走、上楼和下楼过程中的一个周期内的角度曲线、力矩曲线和功率曲线。图9示出了人体膝关节在平地行走、上楼和下楼过程中的力矩-角度曲线。在图8至图9中，实线表示站立阶段，虚线表示摆动阶段。
图10示出了根据本申请的示例性实施方式的智能膝关节在平地行走过程中的工作原理。在前期的站立弯曲和伸展阶段，磁流变阻尼器通电锁住，叶片弹簧被凸轮压缩变形，从而储存和释放机械能。另外，在该过程中，直流电机断电。
在后期的站立弯曲阶段和摆动阶段，磁流变阻尼器断电，叶片弹簧可自由转动，不会被凸轮压缩。在该过程中，直流电机做发电机使用，回收膝关节的机械负功来发电。
在平地行走过程中的站立阶段，膝关节将模仿图9当中的平地行走力矩-角度曲线(实线)。在平地行走的摆动阶段，膝关节将做图8中平地行走的角度跟踪。在整个步态周期内，可通过控制直流电机电流和磁流变阻尼器电流来实现上述的力矩-角度曲线跟踪和角度跟踪。
图11示出了根据本申请的示例性实施方式的智能膝关节在上楼过程中的工作原理。由于整个步态周期中膝关节的功率均为正功，因而直流电机一直做驱动器使用，以提供正功输入。
另外，在整个步态周期内中，磁流变阻尼器断电，叶片弹簧可自由转动，不会由凸轮压缩。在上楼过程中的站立阶段中，膝关节将模仿图9当中的上楼力矩-角度曲线(实线)。在上楼过程中的摆动阶段中，膝关节将执行图8中上楼的角度跟踪。在整个步态周期内，可通过控制直流电机的电流来实现上述的力矩-角度曲线跟踪和角度跟踪。
图12示出了根据本申请的示例性实施方式的智能膝关节在下楼程中的工作原理。在前期的站立弯曲阶段，磁流变阻尼器通电被锁住，叶片弹簧被凸轮压缩，以提供偏置力矩，从而支承穿戴者的重量。随后在后期的站立弯曲阶段，磁流变阻尼器仍然通电，但阻尼器的活塞可相对阻尼器外壳运动，以消耗储存在叶片弹簧内的机械能，从而降低叶片弹簧提供的偏置力矩。
在摆动阶段，磁流变阻尼器断电，叶片弹簧可自由转动，不会被凸轮压缩。在整个步态周期内，由于膝关节的功为负功，直流电机可一直做发电机使用，以回收膝关节的机械负功，从而进行发电。
在下楼过程中的站立阶段，膝关节将模仿图9中下楼力矩-角度曲线(实线)。在下楼过程中的摆动阶段，膝关节将执行图8中的下楼角度跟踪。在整个步态周期内，可通过控制直流电机电流和磁流变阻尼器电流来实现上述的力矩-角度曲线跟踪和角度跟踪。
应注意的是，在上坡和下坡过程中，膝关节的运动原理与平地行走相近。此时各个组件的工作原理与上述的平地过程中基本相同，只需在各个阶段对应修改力矩-角度曲线或角度跟踪曲线。
图13示出了凸轮-叶片弹簧-磁流变阻尼器装置的原理图以及对应三种工作模式下的力矩-角度曲线输出。通过控制磁流变阻尼器，该凸轮-叶片弹簧-磁流变阻尼器装置可用作非线性弹簧机构，用于储存和释放机械能(①)；也可做非线性阻尼器使用，用于耗散机械能(②)；或自由转动(③)。
以上参照附图对本申请的示例性实施方式进行了描述。本领域技术人员应该理解，上述实施方式仅是为了说明的目的而所举的示例，而不是用来限制本申请的范围。本申请的范围应由所附权利要求及其等同物限定。凡在本申请的教导和权利要求保护范围下所作的任何修改、等同替换等，均应包括在本申请要求保护的范围内。

Claims (35)

1.一种用于人体下肢外骨骼、假肢、矫形器的智能膝关节，附接至膝关节，包括：
1)电机驱动单元或可控阻力单元，所述电机驱动单元包括电机和传动减速装置，所述电机驱动单元有两种工作模式：发电机模式和驱动器模式，所述电机驱动单元根据所述膝关节的运动模式和运动状态调整到对应工作模式；
2)弹性储能单元，包括弹性元件、传动装置以及工作模式调节器，所述弹性储能单元有三种工作模式：锁住储能模式、自由释放模式、能量耗散模式，所述弹性储能单元根据所述膝关节的运动模式和运动状态调整到对应工作模式；
3)传感器，用于检测所述膝关节的运动信号；
4)控制器，基于所述传感器的反馈信号，实时监测所述膝关节的运动模式和运动状态，为所述弹性储能单元和所述电机驱动单元或所述可控阻力单元提供控制信号；
5)电源，为所述电机驱动单元、所述可控阻力单元、所述弹性储能单元、所述传感器和所述控制器供电，同时用于储存所述电机回收的电能，所述电源为电池或超级电容中的一种或两种；以及
6)连接装置，包括大腿连接装置和小腿连接装置。
2.根据权利要求1所述的智能膝关节，其特征在于，所述电机驱动单元包括电机、齿轮减速箱以及锥齿轮传动装置。
3.根据权利要求1所述的智能膝关节，其特征在于，所述电机驱动单元包括电机和谐波齿轮传动装置。
4.根据权利要求1所述的智能膝关节，其特征在于，所述电机驱动单元包括电机、齿轮传动装置、滚珠丝杆传动装置以及曲柄滑块机构。
5.根据权利要求1所述的智能膝关节，其特征在于，所述电机驱动单元包括电机、同步带轮传动装置、滚珠丝杆传动装置以及曲柄滑块机构。
6.根据权利要求1所述的智能膝关节，其特征在于，所述弹性储能单元与所述电机驱动单元并联配置。
7.根据权利要求1所述的智能膝关节，其特征在于，所述弹性元件、传动装置和工作模式调节器串联配置。
8.根据权利要求1所述的智能膝关节，其特征在于，所述弹性储能单元中的所述弹性元件为螺旋弹簧、叶片弹簧、气体弹簧和橡胶弹簧中的一种或多种。
9.根据权利要求1所述的智能膝关节，其特征在于，所述弹性储能单元中的所述传动装置为滑轮绳索机构、曲柄滑块机构、凸轮机构中的一种或多种。
10.根据权利要求9所述的智能膝关节，其特征在于，所述凸轮的凸轮面设置为满足特定的弹性力矩-角度曲线。
11.根据权利要求1所述的智能膝关节，其特征在于，所述弹性储能单元中的所述工作模式调节器包括电机、以及滚珠丝杆传动装置或螺纹丝杆传动装置。
12.根据权利要求11所述的智能膝关节，其特征在于，当所述弹性储能单元工作在锁住储能模式下时，所述弹性元件被压缩或拉伸储能，所述工作模式调节器中的所述电机通电保持位置不变。
13.根据权利要求11所述的智能膝关节，其特征在于，当所述弹性储能单元工作在自由释放模式下时，所述工作模式调节器中的所述电机断电，所述电机可自由转动。
14.根据权利要求11所述的智能膝关节，其特征在于，当所述弹性储能单元工作在能量耗散模式时，所述工作模式调节器中的所述电机通电提供阻力。
15.根据权利要求14所述的智能膝关节，其特征在于，所述电机当发电机使用，回收电能。
16.根据权利要求1所述的智能膝关节，其特征在于，所述工作模式调节器包括离合器、齿轮传动装置、滚珠丝杆传动装置以及弹簧复位机构。
17.根据权利要求16所述的智能膝关节，其特征在于，所述离合器在断电或通电情况下抱住结合。
18.根据权利要求16所述的智能膝关节，其特征在于，所述弹性储能单元工作在锁住储能模式下时，所述工作模式调节器中的所述离合器通电或断电抱住结合，所述工作模式调节器中的所述滚珠丝杆传动装置被锁住。
19.根据权利要求16所述的智能膝关节，其特征在于，所述弹性储能单元工作在自由释放模式下时，所述工作模式调节器中的所述离合器通电或断电全部释放切离，所述工作模式调节器中的所述滚珠丝杆传动装置可自由传动。
20.根据权利要求16所述的智能膝关节，其特征在于，所述弹性储能单元工作在在能量耗散模式时，所述工作模式调节器中的所述离合器通电部分释放切离，通过调节通电电流控制所述离合器的摩擦阻力。
21.根据权利要求1所述的智能膝关节，其特征在于，所述工作模式调节器包括磁流变阻尼器和弹簧复位机构。
22.根据权利要求21所述的智能膝关节，其特征在于，所述弹性储能单元工作在锁住储能模式下时，所述工作模式调节器中的所述磁流变阻尼器通电，所述磁流变阻尼器被锁住。
23.根据权利要求21所述的智能膝关节，其特征在于，所述弹性储能单元工作在自由释放模式下时，所述工作模式调节器中的所述磁流变阻尼器断电。
24.根据权利要求21所述的智能膝关节，其特征在于，所述弹性储能单元工作在能量耗散模式下时，所述工作模式调节器中的所述磁流变阻尼器通电，通过调节所述磁流变阻尼器的通电电流调节所述磁流变阻尼器的阻力，所述磁流变阻尼器的活塞和所述磁流变阻尼器的活塞缸能够相对移动。
25.根据权利要求1所述的智能膝关节，其特征在于，所述工作模式调节器包括液压缸、液压控制阀以及弹簧复位机构，通过控制所述液压控制阀来调节所述弹性储能单元的工作模式。
26.根据权利要求1所述的智能膝关节，其特征在于，所述传感器包括轴向力传感器、力矩传感器、膝关节角度传感器、大腿运动惯性测量单元、小腿运动惯性测量单元、肌电信号传感器中的一个或多个。
27.根据权利要求1所述的智能膝关节，其特征在于，所述控制器基于所述传感器的反馈信号检测所述膝关节的运动模式和运动状态，为所述电机驱动单元提供参考角度或参考力矩中的一种或两种。
28.根据权利要求1所述的智能膝关节，其特征在于，通过控制所述电机驱动单元、所述可控阻力单元和所述弹性储能单元使所述膝关节能完全或部分复现人体膝关节的生物力学特征。
29.根据权利要求28所述的智能膝关节，其特征在于，所述人体膝关节的生物力学特征在站立阶段时为力矩-角度特征，在摆动阶段时为角度跟踪特征。
30.根据权利要求1所述的智能膝关节，其特征在于，所述可控阻力单元为磁流变旋转制动器，所述磁流变旋转制动器可通过控制供电电流调节所述可控阻力单元的阻抗力矩。
31.根据权利要求1所述的智能膝关节，其特征在于，所述可控阻力单元包括磁流变阻尼器和曲柄滑块机构，所述磁流变阻尼器可通过控制供电电流调节所述可控阻力单元的阻抗力矩。
32.根据权利要求1所述的智能膝关节，其特征在于，所述可控阻力单元包括液压缸、液压控制阀以及曲柄滑块机构，通过调节所述液压控制阀控制所述可控阻力单元的阻抗力矩。
33.根据权利要求1所述的智能膝关节，其特征在于，所述可控阻力单元与所述弹性储能单元并联连接。
34.一种辅助膝关节的方法，包括：
通过传感器检测所述膝关节的运动；
基于所述传感器的反馈信号，根据所述膝关节的运动，为所述弹性储能单元以及所述电机驱动单元和/或所述可控阻力单元提供控制信号，其中所述电机驱动单元用于驱动和发电，所述弹性储能单元用于存储和释放能量，所述可控阻力单元用于提供阻抗力矩；
其中，采用弹性储能单元存储和释放能量，以及采用电能存储单元来储存所述电机驱动单元回收的电能以及为所述电机驱动单元、所述弹性储能单元、所述传感器和所述控制器供电。
35.一种辅助行走的设备，包括如权利要求1至33中的任一项所述的智能膝关节。
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