[发明专利]一种具有助力功能的假肢膝关节

说明书

技术领域

本发明属于生物医学工程和康复辅具技术领域，涉及一种假肢膝关节，特别涉及一种由电机驱动丝杠和弹簧推动气缸活塞运动的具有助力功能的假肢膝关节。

背景技术

大腿假肢按照驱动方式区分可以分为两种类型：一种是以截肢患者残端为动力源的被动式大腿假肢，一种是由外部动力源驱动关节屈伸的主动式大腿假肢。目前市场上大部分大腿假肢为被动式，被动式大腿假肢又可分为普通型和智能型两种。普通型被动式大腿假肢膝关节阻尼力矩大小在安装时设定，难以适应步速等外部环境的变化。智能型被动式大腿假肢通过具有自适应功能的阻尼器，当步速等外部环境变化时，假肢关节阻尼力矩动态调节使得假肢侧能够快速响应健侧步态及外部环境的变化，具有很好的动态跟随性和步态对称性。主动式大腿假肢由外部动力源为假肢膝关节提供伸缩力矩，控制假肢膝关节的屈伸，因此实现被动式大腿假肢难以实现的功能，如可以不借助其它力量站起来，以交替步伐上楼梯等。

专利US6764520B2发明了一种磁流变智能型被动式下肢假肢，其核心技术为磁流变液假肢膝关节。该关节利用磁流变液可以通过调整电磁场大小控制液体的粘度实现对假肢膝关节阻尼力矩的自适应控制。专利US201100873391A1发明了一种液压缸式的智能型被动式下肢假肢膝关节，利用微电机调节液压节流阀开口大小实现对假肢膝关节阻尼力矩的自适应控制。专利CN101336849A发明了一种气缸固定式四杆机构假肢膝关节，通过微型直线电机调节节流阀开口大小实现对假肢膝关节阻尼力矩的自适应控制。由于气体的可压缩性比液体大，因此通常气缸的假肢膝关节只能控制摆动期的步态，液压缸的假肢膝关节即可控制摆动期，也可以控制支撑期的步态。专利US20100312363A1发明了一种具有拮抗肌和反拮抗肌功能的主动式下肢假肢膝关节，该假肢膝关节由两个电机控制膝关节的屈伸运动，能够为关节运动提供动力，实现交替步伐上楼梯等功能。

综上所述，被动式智能大腿假肢在平地行走时具有较好的步态跟随性和对称性，且体积和噪声都很小。主动式大腿假肢关节因驱动电机的功率很大，使得电池和噪声都较大。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种具有助力功能的假肢膝关节，它不仅具备被动式智能大腿假肢在平地行走时良好的步态对称性和步态跟随性，也具备主动式假肢膝关节能够交替上楼梯和不借助外力站起来的优点。本发明兼顾被动式和主动式假肢膝关节的功能优势，克服主动式大腿假肢能耗大，噪声大等缺点。

为了达到上述目的，采用的技术方案为：

该假肢膝关节的上端与假肢接收腔连接，下端通过小腿连接杆、踝关节与脚板连接，包括固定气缸多轴假肢膝关节组件、气缸节流阀开度控制机构、膝关节助力伸展驱动机构三大部分；

所述固定气缸多轴假肢膝关节组件由上关节体、关节前臂、关节后臂、气缸及其相关零部件组成；上关节体与假肢接收腔相连，关节前臂和关节后臂分别与上关节体、气缸连接，共同组成铰链多杆机构；气缸内设置活塞和可压缩弹簧，活塞的输出端为活塞支柱，通过螺纹与上关节体连接固定；活塞在气缸中往复运动，进而推动上关节体屈伸运动，活塞向下运动，可压缩弹簧被压缩，储存能量，活塞向上运动，被压紧的可压缩弹簧被释放，释放能量，关节转动并带动关节从屈曲状态变为伸展状态；可压缩弹簧在假肢组件中起到了助力弹簧的作用；

所述气缸节流阀开度控制机构由直线电机和节流阀组成；节流阀为针式节流阀，其阀头部分为圆锥形，插入气缸进气口中；直线电机推动节流阀进行直线往复运动，阀头插入气缸进气口的深度往复变化，使进气口的开合程度不断变化，进而调节气体的阻尼大小；气体阻尼大小跟气缸进（出）气口的开合程度有关，开口越大，气体阻尼越小，开口越小，气体阻尼越大。

所述膝关节助力伸展驱动机构包括直流无刷电机、齿轮传动组件、丝杠、气缸下端盖，其下端通过小腿端盖组件与小腿连接杆连接，为假肢提供外力；丝杠与直流无刷电机的输出端相连，将电机的旋转运动转换为直线往复运动；丝杠螺母通过导向杆与气缸下端盖连为一体，当直流无刷电机转动时，丝杠螺母推动气缸下端盖，进而压缩气缸中的可压缩弹簧，可压缩弹簧推动活塞在气缸中做直线往复运动，推动上关节体运动。

所述膝关节助力伸展驱动机构的直流无刷电机采用Maxon EC30高功率直流无刷电机。

所述固定气缸多轴假肢膝关节组件中的活塞由活塞体、密封圈、活塞支柱、活塞直杆和活塞弯杆组成；活塞直杆和活塞弯杆通过螺纹连接或过盈配合固定为一体，活塞弯杆的上端与活塞支柱形成铰链连接。

本发明的有益效果为：