[发明专利]一种主被动仿生假肢膝关节

说明书

本发明公开了一种主被动仿生假肢膝关节，包括底座、阻尼缸、前连杆、接受腔连接件、上连杆座、两个后连杆、两个伸缩杆组件、滚珠丝杠组件、直线导轨组件、支撑座、同步带组件、小腿连接件和电机，采用舵机控制的伸缩杆结构进行主被动模式的切换，舵机技术成熟、可靠性高、体积小、实用性强，在主被动模式切换过程中更加可靠和迅速，在被动模式下为等效四杆阻尼缸结构，在主动模式下创新地应用包括伸缩杆在内的五杆结构，瞬心位置随膝关节弯曲角度的变化而变化，无论在主动还是被动模式下都具有模拟人步态的优点，且在主动模式下，此舵机伸缩杆结构可以提供更大的扭矩。

技术领域

本发明属于康复辅具技术领域，具体涉及一种主被动仿生假肢膝关节。

背景技术

在截肢残疾人中，下肢假肢作为一种代偿人体行走的康复辅具已经被广泛应用。作为下肢假肢中的核心部件，膝关节在行走步态中起到关键作用。现有的假肢膝关节可以分为主动式假肢膝关节、被动式假肢膝关节和主被动混合式假肢膝关节。其中，被动式膝关节采用阻尼机械结构来模拟人体膝关节的屈伸运动，不携带能量源，不提供主动驱动力矩，完全由残肢来带动膝关节进行运动，可以在平路行走时较好地满足膝上截肢患者对于行走的需求，但是在诸如上楼梯等需要主动力矩驱动的状态下，则不能很好地行走；主动驱动式膝关节采用外接动力源来控制膝关节的屈伸运动，可以在上楼梯、爬坡等需要大扭矩的运动时满足膝上截肢患者的需求，但是其运动能耗较大，无法长时间使用。主被动混合式假肢膝关节则可以在平路行走等简单运动状态下使用被动阻尼机械系统来满足截肢患者的需求，而在诸如上楼梯、爬坡等需要主动力矩的运动状态下切换为主动驱动方式，融合了主动和被动膝关节的优点，在满足多运动状态需求的同时，还可以节省能量，延长截肢患者的穿戴使用时间。

文献调研表明，目前的主被动混合假肢膝关节，普遍存在如下不足：主动模式下和被动模式下多为单轴转动的机械结构，单轴结构不能很好地模拟健康人体膝关节运动轨迹，容易使人的步态不协调；主动模式和被动模式的机械结构相互耦合，切换过程复杂，并且存在主动驱动力臂较小而导致主动驱动力小的情况。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提出了一种主被动仿生假肢膝关节。

本发明通过控制舵机的输出轴转动角度来使伸缩杆的长度固定或自由伸缩，以此进行主被动模式间的切换，在主动和被动模式下都是由多杆机构组成，可以有效模拟健康人的步态，在主动模式下可以产生较大的驱动扭矩，在被动模式下，电机不工作，伸缩杆自由伸缩，通过多杆阻尼缸结构使步态更加协调。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种主被动仿生假肢膝关节，其特征在于：包括底座、阻尼缸、前连杆、接受腔连接件、上连杆座、两个后连杆、两个伸缩杆组件、滚珠丝杠组件、直线导轨组件、支撑座、同步带组件、小腿连接件和电机；

所述前连杆的下端与底座通过台阶螺丝连接形成转动副，阻尼缸的下端与底座的凸耳朵结构连接形成转动副，后连杆下端与底座通过台阶螺丝连接形成转动副，前连杆的上端与上连杆座通过台阶螺丝连接形成转动副，阻尼缸的上端与上连杆座通过转轴连接形成转动副，后连杆的上端与上连杆座通过台阶螺丝连接形成转动副，前连杆、上连杆座、后连杆和底座形成四连杆结构，并与阻尼缸配合形成被动模式下的四杆阻尼缸结构，这样的四杆结构瞬心位置是随人步态周期的变化而变化，具有仿生学特点，能够有效模拟人的步态，接受腔连接件固定在上连杆座上，接受腔连接件通过上部的四棱台与接受腔连接，阻尼缸可以为气动或者液压阻尼缸。

所述伸缩杆组件包括伸缩杆母头、伸缩杆公头和舵机，伸缩杆母头上端与上连杆座通过台阶螺丝连接形成转动副，伸缩杆公头下端和螺母支撑件通过台阶螺丝连接形成转动副，伸缩杆母头和伸缩杆公头可以相对滑动以改变伸缩杆的长度，舵机的输出轴插入伸缩杆母头和伸缩杆公头的侧面，舵机固定安装在伸缩杆母头的侧面，通过控制舵机的输出轴转角使伸缩杆固定长度或自由伸缩，主动模式下舵机输出轴将伸缩杆公头和母头卡死(即固定长度)，被动模式下舵机输出轴在转动一定角度后可以在伸缩杆公头的槽里滑动(即自由伸缩)。