具有连杆储能与重心自调节的主动型踝关节假肢机构制造技术

本发明专利技术设计了具有连杆储能与重心自调节的主动型踝关节假肢机构，基本结构含驱动电机、基座、类肌肉三回路连杆机构的串联弹簧系统、类肌肉柔顺曲柄滑块机构的并联弹簧系统、压力传感器、碳纤维假脚、脚后跟缓冲弹簧系统、重心自调节块系统角度传感器、主动轴。两种连杆型弹簧系统能实现连续地储能和释能，为假肢机构提供能量，减少电机的能量输出。此外，连杆机构具有结构简单，易加工制造，生产成本低等优点。因生物关节为非均匀几何体，体现了踝关节屈伸转动轴线的非恒定，重心自调节块系统能实现该功能，起到人体重心与踝关节假肢机构的自调节功能，符合踝关节的运动特性，提高了假肢机构在行走中的舒适度，延长踝关节假肢机构的使用寿命。

Active ankle prosthesis mechanism with connecting rod energy storage and self-adjusting center of gravity

【技术实现步骤摘要】
具有连杆储能与重心自调节的主动型踝关节假肢机构
本专利技术属于康复医疗机器人
，特别涉及具有连杆储能与重心自调节的主动型踝关节假肢机构。
技术介绍
依据第二次全国残疾人普查的数据分析所得，目前，国内截肢患者的数目已达到约2412万人次，约占国内总残疾人数目的三分之一。假肢能补偿截肢患者失去的肢体，因此，对于假肢机构的研发和制造，仍具有较大的国内外市场前景。然而，目前市场上现有的假肢均为被动型或主被动型，此外，国内市场中对于踝关节假肢的开发还属于初级阶段，远落后膝关节假肢等的开发。基于此，学者们对踝关节运动机理等进行了研究，并对其假肢机构进行了一些结构设计和改进，但大多仅考虑的是的运动单一的被动型踝关节假肢机构，在行走过程中，该机构常需截肢患者消耗自身的代谢能。近年来，随着科学技术地不断提升，学者们开发了一些智能型踝关节假肢机构，这些机构虽结构进行了改进设计，但仍较复杂。此外，对于该机构中的控制方法不够成熟和成本较高，使低廉的被动踝关节假肢在市场上仍较受欢迎。基于此，设计了一款具有连杆储能与重心自调节主动型踝关节假肢机构，该机构结构简单且可控，制造成本低。引入了基于新型多连杆机构的仿肌肉的变刚度弹簧储能装置，对于截肢患者在步行过程中能实现踝关节假肢的储能和能量释放作业，该踝关节假肢机构具有较高的仿生效果。
技术实现思路
本专利技术的技术问题在于设计了一种具有连杆储能与重心自调节的主动型踝关节假肢机构，解决了当前亟待解决的主动型踝关节假肢机构中弹簧装置的结构不稳定性高、弹簧储能装置与踝关节假肢运动适应性差和踝关节与人体重心不协调等问题。该机构补充了市场上现有主动型假肢机构与人体下肢运动及人体重心适应性差等技术性设计结构的不足之处，使踝关节假肢机构的设计与人体踝关节高度仿生化，推导假肢机构的仿生设计。本专利技术采用如下的技术方案实现：具有连杆储能与重心自调节的主动型踝关节假肢机构，其特征在于：包括驱动电机(1)，基座(2)，类肌肉六连杆的串联弹簧系统(3)，类肌肉柔顺曲柄滑块机构的并联弹簧系统(4),压力传感器(5)，碳纤维假脚(6)，脚后跟缓冲弹簧系统(7)，重心自调节块系统(8)，角度传感器(9)，主动轴(10)。所述类肌肉三回路连杆机构的串联弹簧系统(3)包含：脚座(3-1)，小安装接头(3-2)，螺杆(3-3)，盖板(3-4)，滑块座(3-5)，无油轴承(3-6)，压簧一(3-7)，调节螺母(3-8)，大安装接头(3-9)，安装螺母(3-10)，小铰座(3-11)，大铰座(3-12)，连杆一(3-13)，连杆二(3-14)，连杆三(3-15)，圆柱筒(3-16)，压簧二(3-17)，调节圆螺母(3-18)，活塞杆(3-19)；构成类肌肉三回路连杆机构的串联弹簧系统的零部件间的连接：当驱动电机(1)带动碳纤维假脚(6)做屈伸运动时，与其安装的螺杆(3-3)进行相同的随动运动；螺杆(3-3)与小安装接头(3-2)和大安装接头(3-9)通过螺纹连接，且小安装接头(3-2)和大安装接头(3-9)分别与脚座(3-1)和小铰座(3-11)形成转动副；滑块座(3-5)与无油轴承(3-6)装配一起并与螺杆(3-3)形成移动副，无油轴承(3-6)的引入提高了滑块座的导向性；脚座(3-1)和大铰座(3-12)与活塞杆(3-19)和圆柱筒(3-16)分别形成转动副，且活塞杆(3-19)与圆柱筒(3-16)形成移动副；对于三回路连杆机构中，连杆一(3-13)、连杆二(3-14)和连杆三(3-15)形成一个公共的转动副，且另一端分别与大铰座(3-12)、圆柱筒(3-16)和滑块座(3-5)形成三个转动副。此外，该弹簧储能机构中引入的调节螺母(3-8)和调节圆螺母(3-18)均能调节弹簧刚度，改变弹簧系统的刚度特性使其接近相关肌肉的生物力学特性。所述类肌肉柔顺曲柄滑块机构的并联弹簧系统(4)包含：柔性转铰(4-1)，虚主动杆(4-2)，安装座一(4-3)，连杆(4-4)，安装座二(4-5)，盖板(4-6)，滑块(4-7)，无油轴承(4-8)，压簧(4-9)，调节圆螺母(4-10)，螺杆(4-11)，螺母(4-12)，安装座三(4-13)。构成类肌肉柔顺曲柄滑块机构的零部件间的连接：安装座一(4-3)固定于碳纤维假脚(6)并与连杆(4-4)形成转动副；连杆(4-4)与滑块(4-7)形成转动副；滑块(4-7)与无油轴承(4-8)装配一起并与螺杆(4-11)形成移动副，无油轴承(4-8)的引入提高了滑块的导向性；当脚掌平地到脚趾离地过程中，碳纤维假脚(6)在柔性转铰(4-1)实现转动，从而带动滑块(4-7)斜向上滑动。此外，调节圆螺母(4-10)能调节弹簧刚度，改变弹簧系统的刚度特性使其接近相关肌肉的生物力学特性。所述脚后跟缓冲弹簧系统(7)包含：脚座(7-1)，圆柱筒(7-2)，调节圆螺母(7-3)，压缩弹簧(7-4)，活塞杆(7-5)。构成脚后跟缓冲弹簧系统的零部件间的连接：脚座(7-1)分别和圆柱筒(7-2)与活塞杆(7-5)形成转动副；圆柱筒(7-2)与活塞杆(7-5)形成一个移动副，通过移动副的伸缩对压缩弹簧的压缩和还原操作，即实现脚跟着地时的缓冲储能作用和脚跟离地时的助力作用。所述重心自调节块系统(8)包含：脚座(8-1)，对心凹垫块(8-2)，对心凸块(8-3)，压盖板(8-4)，高刚度压簧(8-5)。构成重心自调节块系统的零部件间的连接：对心凹垫块(8-2)和对心凸块(8-3)同心配合形成一个类球副，并与脚座(8-1)装配；压盖板(8-4)安装于脚座(8-1)，其与高刚度压簧(8-5)共同限制对心凸块(8-3)的大角度转动并保留一定的转角余地。由于生物关节均为非均匀几何形状，对踝关节解剖分析可得其屈伸转动轴线为非恒定轴线，基于此，该块系统的引入使踝关节屈伸运动的转动轴线随人体重心位置的改变而做小角度的自调节作用，符合踝关节处的生物运动特性。本专利技术与现有技术相比具有如下有益效果：(1)串联弹簧储能系统中引入了三回路连杆机构，实现了一个单输入多输出的功能。多输出模式能分别为踝关节假肢在跖屈和背屈运动中提供所需的能量，减少电机能量的输出，此外，三回路连杆机构具有较优的运动特性，具有运动的稳定性。(2)并联弹簧储能系统中引入了柔顺曲柄滑块机构，当脚尖离地蹬腿阶段时，脚趾与脚掌间的转动由柔性铰链实现，该运动完全适应人体脚趾的运动。并联弹簧储能系统的引入为踝关节假体在连续步态中实现连续的、稳定的能量储存和释放模式，符合人体踝关节运动时能量补给。(3)由于生物关节均为非均匀几何形状，对踝关节解剖分析可得其屈伸转动轴线为非恒定轴线。重心自调节块系统的引入，能实现踝关节假肢的屈伸转动轴线与人体重心的高度自适应性特征，保持脚踝相对受力方向且对质心的力矩不变，有利于延长假肢机构的使用寿命。此外，连杆机构的运动学相对简单，易于生产加工制造，该机构的设计可为其他关节假肢机构的设计乃至精密机构的设计中提供重要的借鉴。附图说明图1具有连杆储能与重心自调节主动型踝关节假肢机构和重心自调节块系统结构模型图；图2类肌肉三回路连杆机构的串联弹簧系统结构模型图；图3类肌肉柔顺曲柄滑块机构的并联弹簧系统结构模型图；图4脚后跟缓冲弹簧系统结构模型图；图中：本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.具有连杆储能与重心自调节的主动型踝关节假肢机构，基本机构包含：驱动电机(1)，基座(2)，类肌肉六连杆的串联弹簧系统(3)，类肌肉柔顺曲柄滑块机构的并联弹簧系统(4),压力传感器(5)，碳纤维假脚(6)，脚后跟缓冲弹簧系统(7)，重心自调节块系统(8)，角度传感器(9)，主动轴(10)，该机构属单转动自由度的踝关节假肢机构，能有效补偿截肢患者的踝关节屈伸运动。

【技术特征摘要】
1.具有连杆储能与重心自调节的主动型踝关节假肢机构，基本机构包含：驱动电机(1)，基座(2)，类肌肉六连杆的串联弹簧系统(3)，类肌肉柔顺曲柄滑块机构的并联弹簧系统(4),压力传感器(5)，碳纤维假脚(6)，脚后跟缓冲弹簧系统(7)，重心自调节块系统(8)，角度传感器(9)，主动轴(10)，该机构属单转动自由度的踝关节假肢机构，能有效补偿截肢患者的踝关节屈伸运动。2.根据权利要求1所述的具有连杆储能与重心自调节主动型踝关节假肢机构，其特征在于：所述的类肌肉三回路连杆机构的串联弹簧系统包含脚座(3-1)，小安装接头(3-2)，螺杆(3-3)，盖板(3-4)，滑块座(3-5)，无油轴承(3-6)，压簧一(3-7)，调节螺母(3-8)，大安装接头(3-9)，安装螺母(3-10)，小铰座(3-11)，大铰座(3-12)，连杆一(3-13)，连杆二(3-14)，连杆三(3-15)，圆柱筒(3-16)，压簧二(3-17)，调节圆螺母(3-18)，活塞杆(3-19)。3.根据权利要求2所述的类肌肉三回路连杆机构的串联弹簧系统的零部件间的连接：螺杆(3-3)与小安装接头(3-2)和大安装接头(3-9)通过螺纹连接，小安装接头(3-2)和大安装接头(3-9)分别与脚座(3-1)和小铰座(3-11)形成转动副，滑块座(3-5)与无油轴承(3-6)装配一起并与螺杆(3-3)形成移动副，无油轴承(3-6)的引入提高了滑块座的导向性，脚座(3-1)和大铰座(3-12)与活塞杆(3-19)和圆柱筒(3-16)分别形成转动副，活塞杆(3-19)与圆柱筒(3-16)形成移动副，三回路连杆机构中的连杆一(3-13)、连杆二(3-14)和连杆三(3-15)形成一个公共的转动副，另一端分别与大铰座(3-12)、圆柱筒(3-16)和滑块座(3-5)形成三个转动副，该弹簧储能机构中引入调节螺母(3-8)和调节圆螺母(3-18)均能调节弹簧刚度，改变弹簧...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋马军，郭盛，曲海波，王向阳，赵福群，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：北京,11