CN116919682B - 一种动力膝关节假肢及四杆机构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动力膝关节假肢及四杆机构设计方法，属于仿生假肢技术领域。解决了现有技术中液压膝关节假肢难以实现完整步态轨迹的问题；本发明包括电液直驱系统、控制模块、四杆机构、大腿连接架、膝关节轴、外壳、角度传感器和连接杆；四杆机构的杆件通过膝关节轴相连，四杆机构与大腿连接架和外壳相连；电液直驱系统用于驱动四杆机构运行；角度传感器安装在大腿连接架内，用于为控制模块提供数据信号及时调整参数；动力膝关节假肢的四杆机构设计方法采用瞬心轨迹法进行设计。本发明拟合了人体膝关节瞬心轨迹，使假肢穿戴者的步态更加自然，且电液直驱系统采用集成液压阀块，可以补油和补压，减少了油液能量损失，提高了膝关节假肢的稳定性。

Description

一种动力膝关节假肢及四杆机构设计方法

技术领域

本发明涉及一种动力假肢及四杆机构设计方法，尤其涉及一种动力膝关节假肢及四杆机构设计方法，属于仿生假肢技术领域。

背景技术

目前，全球有超过六百万的下肢残疾患者，由于交通事故、身体疾病、自然灾害、意外工伤等原因，下肢截肢患者的数量在逐年增高，这严重阻碍了患者的日常生活，还会给患者心理和生理上乃至家庭社会带来巨大负担。

膝关节是一种随着时间的推移、运动弯曲角度非线性变化、强耦合的复杂系统，合理的膝关节结构能够保证下肢假肢在支撑期的稳定性和摆动期的灵活性。

目前市场中大部分假肢产品为被动式假肢膝关节，主动型假肢膝关节需要动力源，即大容量储能电池，其质量重、体积大，降低了使用体验感，至今为止极少有主动型假肢膝关节，随着计算机控制技术及电液伺服系统的迅速发展，人们开始逐渐将两种技术相融合，推出液压假肢膝关节，但其大部分产品中液压缸仅能实现在行走过程中调节阻尼的作用，而仍不能提供主动力矩，因此急需一种可以实现完整步态轨迹并且行走更加自然的动力膝关节假肢。

发明内容

在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

鉴于此，为解决现有技术中液压膝关节假肢难以实现完整步态轨迹的问题，本发明提供一种动力膝关节假肢及四杆机构设计方法。

技术方案一如下：一种动力膝关节假肢及四杆机构设计方法，包括电液直驱系统、控制模块、四杆机构、大腿连接架、膝关节轴、外壳、角度传感器和连接杆；

所述四杆机构包括通过膝关节轴首尾相连的第一杆件、第二杆件、第三杆件和第四杆件，且第四杆件与大腿连接架相连，第二杆件与外壳相连；

所述电液直驱系统外部设置有外壳，电液直驱系统包括直流无刷电机、联轴器、双向齿轮泵、液压缸和液压阀块；

所述液压缸集成在液压阀块油路中，直流无刷电机通过联轴器与双向齿轮泵相连，双向齿轮泵与液压阀块相连，所述液压缸的活塞杆通过连接杆与第二杆件和第三杆件相连；

所述角度传感器安装在大腿连接架上，角度传感器和直流无刷电机分别与控制模块相连。

进一步地，所述液压阀块内设置第一液控单向阀和第二液控单向阀，双向齿轮泵的一端油口与第一液控单向阀的进油口和液压缸的一端油口相连，双向齿轮泵的另一端油口与第二液控单向阀的进油口相连；

进一步地，所述液压阀块内还设置有蓄能器，蓄能器连接在第二液控单向阀与液压缸之间。

技术方案二如下：一种技术方案一所述的动力膝关节假肢的四杆机构设计方法，其采用瞬心轨迹法进行设计，包括以下步骤：

S1.建立四杆机构的数学模型；

具体的：

S11.将四杆机构的杆件矢量组成一个封闭的四边形，得到四杆机构矢量关系；

S12.将四杆机构的杆件矢量向坐标轴进行投影，得到四杆机构在坐标轴的投影关系；

S2.根据三心定理确定瞬心的位置；

具体的：

S21.确定四杆机构的数学模型中各杆件交点的位置，得到各杆件交点的坐标；

S22.根据四杆机构各杆件的交点的坐标通过斜率关系建立辅助方程，得到瞬心的位置坐标；

S3.对四杆机构各杆件长度和瞬心的位置坐标进行约束，设定四杆机构的仿生性约束条件、连杆机构约束条件和轨迹相似性约束条件。

进一步地，所述S11中，四杆机构矢量关系表示为：

l₁+l₂+l₃+l₄＝0

其中，l₁为第一杆件矢量，l₂为第二杆件矢量，l₃为第三杆件矢量，l₄为第四杆件矢量，；

所述S12中，四杆机构在坐标轴的投影关系表示为：

其中，θ₁为第一杆件的结构角，θ₂为第二杆件的结构角，θ₃为第三杆件的结构角，θ₄为第四杆件的结构角；

将四杆机构在坐标轴的投影关系表达式中第三杆件的结构角θ₃消去，得到第四杆件的结构角θ₄；

第四杆件的结构角θ₄表示为：

其中，Q＝2l₁l₄sinθ₁-2l₂l₄sinθ₂，M＝2l₁l₄cosθ₁-2l₂l₄cosθ₂， Q、M、N为实数。

进一步地，所述S21中，杆件交点的坐标表示为：

x_A＝l₁cosθ₁，y_A＝l₁sinθ₁

x_B＝x_A+l₄cosθ₄，y_B＝y_A+l₄sinθ₄

x_D＝l₂cosθ₂，y_D＝l₂sinθ₂

其中，A点坐标为(x_A，y_A)，B点坐标为(x_B，y_B)，D点坐标为(x_D，y_D)，A点为第一杆件和第四杆件的交点，B点为第三杆件和第四杆件的交点，D点为第二杆件和第三杆件的交点；

所述S22中，辅助方程表示为：

其中，瞬心的位置坐标为(x_P，y_P)；

通过辅助方程，得到瞬心的位置坐标；

瞬心的位置坐标表示为：

其中，瞬心的位置坐标即实际瞬心。

进一步地，所述仿生性约束条件中，仿生性约束条件表示为：

所述连杆机构约束条件中，根据机械原理，四杆机构采用双摇杆机构设计，其最长杆和最短杆之和小于其余两杆之和，得到连杆机构约束条件；

连杆机构约束条件表示为：

所述轨迹相似性约束条件中，采用最小二乘法函数进行拟合校验，得到最小二乘法函数的结果，即理想瞬心；

最小二乘法函数的结果表示为：

轨迹相似性约束条件表示为：实际瞬心和理想瞬心的误差小于设定值。

本发明的有益效果如下：本发明采用瞬心轨迹法设计的四杆机构作为膝关节假肢的执行机构，通过合理设计四杆机构的参数，更好的拟合人体膝关节瞬心轨迹，使假肢穿戴者的步态更加接近正常人体，步态更加的自然，对于假肢穿戴者能更好的恢复正常行走功能，且具有更好的适应环境的能力，可以更好的适应地形及坡度，能在崎岖的地面行走；动力源采用电液直驱系统，该系统具有高功率密度比，可以提供膝关节所需的驱动力矩，同时可以保证膝关节假肢的轻量化，让假肢穿戴者的体验更好，避免了传统动力重量大的问题；本发明可以实现个性化穿戴，根据不同的使用者进行参数调整，可以在约束范围内调节四杆机构各杆件长度和第二杆件结构角，使膝关节假肢满足不同穿戴者的不同的步速和膝关节角度变化；采用集成液压阀块，缩短了管路，减少了油液在管路的能量损失，并且还可以进行补油和补压，让电液直驱系统更加的稳定，提高膝关节假肢在使用时的稳定性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是一种动力膝关节假肢的膝关节假肢轴测示意图；

图2是一种动力膝关节假肢的膝关节假肢正视示意图；

图3是一种动力膝关节假肢的膝关节假肢阀块示意图；

图4是一种动力膝关节假肢的电液直驱系统示意图；

图5是四杆机构设计流程示意图；

图6是四杆机构数学模型矢量示意图；

图7是一种动力膝关节假肢的实际瞬心与理想瞬心对比示意图；

图8是四杆机构设计变量参数示意图。

附图标记：1、直流无刷电机；2、联轴器；3、双向齿轮泵；4、第一液控单向阀；5、第二液控单向阀；6、蓄能器；7、液压缸；8、液压阀块；9、控制模块；10、活塞杆；11、大腿连接架；12、第三杆件；13、膝关节轴；14、外壳；15、第一杆件；16、第二杆件；17、第四杆件；18、连接杆。

具体实施方式

为了使本发明实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1：参考图1-图4详细说明本实施例，一种动力膝关节假肢及四杆机构设计方法，包括电液直驱系统、控制模块9、四杆机构、大腿连接架11、膝关节轴13、外壳14、角度传感器和连接杆18；

所述四杆机构包括通过膝关节轴13首尾相连的第一杆件15、第二杆件16、第三杆件12和第四杆件17，且第四杆件17与大腿连接架11相连，第二杆件16与外壳14相连；

所述电液直驱系统外部设置有外壳14，电液直驱系统包括直流无刷电机1、联轴器2、双向齿轮泵3、液压缸7和液压阀块8；

所述液压缸7集成在液压阀块8油路中，直流无刷电机1通过联轴器2与双向齿轮泵3连接，双向齿轮泵3与液压阀块8连接，液压缸7的活塞杆10通过连接杆18与第二杆件16和第三杆件12相连；

所述角度传感器安装在大腿连接架11上，角度传感器和直流无刷电机1分别与控制模块9相连；

具体的，膝关节假肢运作过程中，活塞杆10通过连接杆18带动第三杆件12进行转动，同时第一杆件15随之转动带动第四杆件17，最终带动大腿连接架11进行转动。

进一步地，所述液压阀块8内设置第一液控单向阀4和第二液控单向阀5，双向齿轮泵3的一端油口与第一液控单向阀4的进油口和液压缸7的一端油口相连，双向齿轮泵3的另一端油口与第二液控单向阀5的进油口相连。

进一步地，所述液压阀块8内还设置有蓄能器6，蓄能器6连接在第二液控单向阀5与液压缸7之间；

具体的，当直流无刷电机1运转时膝关节假肢处于主动状态，直流无刷电机1驱动双向齿轮泵3工作，液压缸7提供主动力矩，当直流无刷电机1不运转时膝关节假肢处于停止状态，第一液控单向阀4和第二液控单向阀5保持关闭状态，液压缸7处于静止状态；角度传感器可以检测膝关节的角度变化，同时监测步态的阶段，将检测的信号传给控制模块9，控制模块9控制直流无刷电机1，进而控制第三杆件12进行运作；因此膝关节假肢在行走过程中可以实现全主动状态，提供主动出力，驱动人体前进，同时检测步态，使膝关节假肢可以与健肢协调运动。

实施例2：参考图5-图8详细说明本实施例，一种动力膝关节假肢的四杆机构设计方法，其采用瞬心轨迹法进行设计，包括以下步骤：

S1.建立四杆机构的数学模型；

具体的：

S11.将四杆机构的杆件矢量组成一个封闭的四边形，得到四杆机构矢量关系；

S12.将四杆机构的杆件矢量向坐标轴进行投影，得到四杆机构在坐标轴的投影关系；

S2.根据三心定理确定瞬心的位置；

具体的：

S21.确定四杆机构的数学模型中各杆件交点的位置，得到各杆件交点的坐标；

S22.根据四杆机构各杆件的交点的坐标通过斜率关系建立辅助方程，得到瞬心的位置坐标；

S3.对四杆机构各杆件长度和瞬心的位置坐标进行约束，设定四杆机构的仿生性约束条件、连杆机构约束条件和轨迹相似性约束条件。

进一步地，所述S11中，四杆机构矢量关系表示为：

l₁+l₂+l₃+l₄＝0

其中，l₁为第一杆件矢量，l₂为第二杆件矢量，l₃为第三杆件矢量，l₄为第四杆件矢量；

所述S12中，四杆机构在坐标轴的投影关系表示为：

其中，θ₁为第一杆件的结构角，θ₂为第二杆件的结构角，θ₃为第三杆件的结构角，θ₄为第四杆件的结构角；

将四杆机构在坐标轴的投影关系表达式中第三杆件的结构角θ₃消去，得到第四杆件的结构角θ₄；

第四杆件的结构角θ₄表示为：

其中，Q＝2l₁l₄sinθ₁-2l₂l₄sinθ₂，M＝2l₁l₄cosθ₁-2l₂l₄cosθ₂， Q、M、N为实数。

进一步地，所述S21中，杆件交点的坐标表示为：

x_A＝l₁cosθ₁，y_A＝l₁sinθ₁

x_B＝x_A+l₄cosθ₄，y_B＝y_A+l₄sinθ₄

x_D＝l₂cosθ₂，y_D＝l₂sinθ₂

其中，A点坐标为(x_A，y_A)，B点坐标为(x_B，y_B)，D点坐标为(x_D，y_D)，A点为第一杆件和第四杆件的交点，B点为第三杆件和第四杆件的交点，D点为第二杆件和第三杆件的交点；

所述S22中，辅助方程表示为：

其中，瞬心的位置坐标为(x_P，y_P)；

通过辅助方程，得到瞬心的位置坐标；

瞬心的位置坐标表示为：

其中，瞬心的位置坐标即实际瞬心；

具体的，膝关节假肢的执行机构采用四杆机构，四杆机构在运动过程中它的瞬心轨迹是变化的，同时正常人体在运动过程中膝关节的瞬心轨迹也是变化的，所以四杆机构的设计方法可以采用瞬心轨迹法，四杆机构需要建立四杆机构的数学模型获得人体膝关节的瞬心轨迹曲线，设计变量为四个杆的杆长l₁、l₂、l₃、l₄和第二杆件结构角θ₂，本实施例中，第二杆件结构角θ₂设置为42°，数学模型中的其余参数会随着假肢的运动而改变，随后根据三心定理确定瞬心的位置。

进一步地，所述仿生性约束条件中，仿生性约束条件表示为：

所述连杆机构约束条件中，根据机械原理，四杆机构采用双摇杆机构设计，其最长杆和最短杆之和小于其余两杆之和，得到连杆机构约束条件；

连杆机构约束条件表示为：

所述轨迹相似性约束条件中，采用最小二乘法函数进行拟合校验，得到最小二乘法函数的结果，即理想瞬心；

最小二乘法函数的结果表示为：

轨迹相似性约束条件表示为：实际瞬心和理想瞬心的误差小于设定值；

具体的，本实施例中，在约束条件下设置最优的设计变量，将第一杆件杆长l₁设置为56mm，第一杆件杆长l₂设置为51mm，第三杆件杆长l₃设置为48mm，第四杆件杆长l₄设置为30mm，具体参见图8；运用最小二乘法函数构建理想瞬心，对理想瞬心和实际瞬心进行比较，得到最大误差为2mm，但是随着膝关节假肢的运动误差逐渐缩小，满足设定值的要求，即满足人体行走的要求。

尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (1)

1.一种动力膝关节假肢及四杆机构设计方法，其特征在于，所述动力膝关节假肢包括电液直驱系统、控制模块(9)、四杆机构、大腿连接架(11)、膝关节轴(13)、外壳(14)、角度传感器和连接杆(18)；

所述四杆机构包括通过膝关节轴(13)首尾相连的第一杆件(15)、第二杆件(16)、第三杆件(12)和第四杆件(17)，且第四杆件(17)与大腿连接架(11)相连，第二杆件(16)与外壳(14)相连；

所述电液直驱系统外部设置有外壳(14)，电液直驱系统包括直流无刷电机(1)、联轴器(2)、双向齿轮泵(3)、液压缸(7)和液压阀块(8)；

所述液压缸(7)集成在液压阀块(8)油路中，直流无刷电机(1)通过联轴器(2)与双向齿轮泵(3)连接，双向齿轮泵3与液压阀块8连接，液压缸(7)的活塞杆(10)通过连接杆(18)与第二杆件(16)和第三杆件(12)相连；

所述角度传感器安装在大腿连接架(11)上，角度传感器和直流无刷电机(1)分别与控制模块(9)相连；

所述液压阀块(8)内设置第一液控单向阀(4)和第二液控单向阀(5)，双向齿轮泵(3)的一端油口与第一液控单向阀(4)的进油口和液压缸(7)的一端油口相连，双向齿轮泵(3)的另一端油口与第二液控单向阀(5)的进油口相连；

所述液压阀块(8)内还设置有蓄能器(6)，蓄能器(6)连接在第二液控单向阀(5)与液压缸(7)之间；

所述的动力膝关节假肢的四杆机构设计方法，其采用瞬心轨迹法进行设计，包括以下步骤：

S1.建立四杆机构的数学模型；

具体的：

S11.将四杆机构的杆件矢量组成一个封闭的四边形，得到四杆机构矢量关系；

S12.将四杆机构的杆件矢量向坐标轴进行投影，得到四杆机构在坐标轴的投影关系；

S2.根据三心定理确定瞬心的位置；

具体的：

S21.确定四杆机构的数学模型中各杆件交点的位置，得到各杆件交点的坐标；

S22.根据四杆机构各杆件的交点的坐标通过斜率关系建立辅助方程，得到瞬心的位置坐标；

S3.对四杆机构各杆件长度和瞬心的位置坐标进行约束，设定四杆机构的仿生性约束条件、连杆机构约束条件和轨迹相似性约束条件；

所述S11中，四杆机构矢量关系表示为：

l₁+l₂+l₃+l₄＝0

其中，l₁为第一杆件矢量，l₂为第二杆件矢量，l₃为第三杆件矢量，l₄为第四杆件矢量；

所述S12中，四杆机构在坐标轴的投影关系表示为：

其中，θ₁为第一杆件的结构角，θ₂为第二杆件的结构角，θ₃为第三杆件的结构角，θ₄为第四杆件的结构角；

将四杆机构在坐标轴的投影关系表达式中第三杆件的结构角θ₃消去，得到第四杆件的结构角θ₄；

第四杆件的结构角θ₄表示为：

其中，Q＝2l₁l₄sinθ₁-2l₂l₄sinθ₂，M＝2l₁l₄cosθ₁-2l₂l₄cosθ₂， Q、M、N为实数；

所述S21中，杆件交点的坐标表示为：

x_A＝l₁cosθ₁，y_A＝l₁sinθ₁

x_B＝x_A+l₄cosθ₄，y_B＝y_A+l₄sinθ₄

x_D＝l₂cosθ₂，y_D＝l₂sinθ₂

其中，A点坐标为(x_A，y_A)，B点坐标为(x_B，y_B)，D点坐标为(x_D，y_D)，A点为第一杆件和第四杆件的交点，B点为第三杆件和第四杆件的交点，D点为第二杆件和第三杆件的交点；

所述S22中，辅助方程表示为：

其中，瞬心的位置坐标为(x_P，y_P)；

通过辅助方程，得到瞬心的位置坐标；

瞬心的位置坐标表示为：

其中，瞬心的位置坐标即实际瞬心；

所述仿生性约束条件中，仿生性约束条件表示为：

所述连杆机构约束条件中，根据机械原理，四杆机构采用双摇杆机构设计，其最长杆和最短杆之和小于其余两杆之和，得到连杆机构约束条件；

连杆机构约束条件表示为：

所述轨迹相似性约束条件中，采用最小二乘法函数进行拟合校验，得到最小二乘法函数的结果，即理想瞬心；

最小二乘法函数的结果表示为：

轨迹相似性约束条件表示为：实际瞬心和理想瞬心的误差小于设定值。