[发明专利]主被动式踝关节假肢及其运动方式

说明书

技术领域

本发明涉及人体假肢，尤其涉及一种能够模拟人体踝关节肌肉群驱动和储能功能的主被动式双自由度踝关节假肢及其运动方式。

背景技术

假肢是截肢患者日常生活的必备装置。以下肢踝关节假肢为例，其主要功能是代替残缺肢体，辅助患者正常行走。人体踝足不仅具有主动驱动功能，还具有储能和缓冲功能。最为理想的踝关节假肢应该能充分模拟人体踝足的主动驱动、储能特性，以及人体踝关节步态特性。然而，到目前为止市场上绝大多数踝关节假肢都是被动的。尽管碳纤维脚底板的引入可以实现步态过程中的能量存储和释放，但是依旧不能满足人体正常步态中所需的能量。此外，人体踝关节是多自由度关节。起主要作用的是矢状面的背屈/趾屈和冠状面的内翻/外翻。多自由度的关节保证了人体步态的灵活性和环境适应性。现在市场上大多数踝关节假肢均为单自由度或者类单自由度，只能保证截肢患者在矢状面的运动，因此环境适应性较差。

主动式踝关节假肢的研究目前最具有代表性的是美国麻省理工学院H.Herr课题组研发的主动式踝足假肢，(S.Au，J.Weber，and H.Herr，“Powered ankle-footprosthesis improves walking metabolic economy，”IEEE Trans.Robotics，vol.25，no.1，pp.51-66，Feb.2009.)，此外，公司也开始研究主动式踝足假肢。尽管他们的假肢可以提供人体步态时所需的能量，但是他们的踝关节假肢也都是单自由度。

到目前为止，电机驱动依旧是实现主动式假肢的有效且成熟的手段，然而由于电机的大质量，大体积，实现双自由度主动踝关节假肢将很困难和笨重。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种主被动式双自由度踝关节假肢。

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提供一种主被动式双自由度踝关节假肢。

为实现上述目的，本发明提供了一种主被动式踝关节假肢，包括碳纤维储能脚板、电机、减速器、电机固定支座、带轮传动装置、碳纤维管、滚珠丝杠、储能弹簧、关节轴承、储能橡胶圈、关节支撑座；

所述碳纤维储能脚板通过所述关节支撑座与所述碳纤维管连接；所述电机固定支座通过活动销与所述碳纤维管连接；所述电机固定支座一端固定所述电机，一端固定所述滚珠丝杠，两端通过所述带轮传动装置连接；所述储能弹簧与所述滚珠丝杠螺母连接；所述储能橡胶圈通过轴与所述关节轴承以及所述关节支撑座连接。

所述关节轴承为三自由度关节轴承。

所述关节轴承为前关节轴承和后关节轴承，且两者并联设置。

所述储能橡胶圈为四个。

所述关节轴承以及所述滚珠丝杠装置通过轴相连接组成四连杆机构，用以实现踝关节假肢的双自由度。

所述踝关节假肢具有两个自由度，分别是可以实现矢状面的脚板的背屈趾屈以及冠状面的内翻外翻；所述矢状面的脚板的背屈趾屈是主动运动，所述冠状面的内翻外翻是被动运动。

所述假肢在矢状面上的背屈趾屈直接驱动力来源于所述碳纤维储能脚板和所述储能弹簧：

1)在步态前期，脚跟着地时，身体重心的下移和前倾将重力势能转换成所述碳纤维脚板的弹性势能；

2)在步态中期，所述电机转动所述带动带轮及所述滚珠丝杠压缩所述储能弹簧，在步态后期，脚尖离地之前，储存在所述碳纤维储能脚板和储能弹簧的能量同时瞬间释放，提供给假肢足够的蹬地能量；

3)在步态后期，假肢摆动过程中，所述电机恢复初始状态，为下一步脚跟着地做准备，从而实现循环主动步态。

所述假肢在所述冠状面上的内翻/外翻通过假肢关节以及所述储能橡胶圈的缓冲实现：

假肢关节两侧分别垫有大小不同的所述储能橡胶圈，当假肢内翻或者外翻时，处于内侧或者外侧的所述储能橡胶圈受到挤压并存储能量，假肢离地时，所述储能橡胶圈恢复原状，假肢亦恢复原状。

所述矢状面的关节转角达到正负20度。

所述冠状面的关节转角达到正负10度。

本发明中的踝关节假肢不仅可以完全提供人体步态所需的能量，还可以适应不同的地形地貌。此外，该踝关节假肢可以完全模拟人体踝关节在矢状面以及冠状面上的活动角度，因此可以更好的满足截肢患者的正常行走要求。

附图说明

图1是本发明的踝关节假肢的主视图；

图2是本发明的踝关节假肢的左视图；

图3是本发明的踝关节假肢的俯视图。

具体实施方式