基于柔性驱动器的踝关节假肢的制作方法

本发明属于机器人领域,具体的说是涉及一种踝关节假肢，特别涉及一种基于柔性驱动器的踝关节假肢。

背景技术：

早期的假肢多采用一些简单的弹性结构被动的辅助截肢患者行走，随着微电子技术、计算机控制技术及传感器技术的发展及相互融合，人们尝试在早期的踝关节假肢的基础上恢复人体踝关节的主动摆动的功能，制造出能够实现任意步态轨迹的踝关节假肢，这种假肢一般由电机作为驱动装置，通过控制算法实现对穿戴者的运动协调，称为主动式假肢。尽管主动式假肢能有效的辅助截肢者实现行走运动，但这类假肢也存在能量消耗大，效率不高，步态不自然，对驱动器的性能要求较高等缺陷。人体的肌肉骨骼系统在长期的自然进化中，形成了卓越非凡的运动控制能力。人体在进行各种动作中而遇到外界环境模式变化时，肌肉的粘弹性特征使得肌肉带动关节做出灵活的调整以适应外部环境的变化，也就是肌肉具有调节其刚度以适应环境变化的能力，而假肢要实现与使用者良好匹配，也应具备人体肌肉的性能特征。故借鉴人体行走运动机理，通过在假肢中添加可控的柔性驱动器，使其具有类似人体生物关节的柔顺性和运动特性，实现假肢的变刚度驱动。

技术实现要素：

针对踝关节假肢存在的不足及踝关节假肢对不同行走环境的需求，本发明提供了一种主、被动相结合，同时可实现系统刚度动态可调的踝关节假肢，以匹配穿戴者的不同运动模式，实现较为自然的行走运动。

为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的：

本发明是一种基于柔性驱动器的踝关节假肢，踝关节假肢包括外部框架、踝关节主驱动电机、曲柄摇杆机构、丝杆滚珠传动机构、锥齿轮传动机构、滑块，踝关节主驱动电机驱动锥齿轮传动机构，并带动曲柄摇杆机构运动，曲柄摇杆机构作运动时带动滑块压缩弹簧，使弹簧产生弹性形变，从而使踝关节获得弹性势能，实现踝关节屈伸。

优选地，外部框架由脚底板、小基座、大基座、核心外壳以及主电机支撑上板组成。

优选地，曲柄摇杆机构由力臂a和连杆a连接，力臂b和连杆b连接而成。

优选地，丝杆滚珠传动机构由弹簧串联丝杆，滚珠以及丝杆电机组合而成。其中丝杆电机驱动丝杆转动。

优选地，锥齿轮传动机构由锥齿轮a和锥齿轮b啮合而成，其中锥齿轮a通过键槽与关节轴a连接，关节轴a与外部框架的核心外壳通过螺纹连接，关节轴a通过轴承与力臂a连接，电机驱动锥齿轮b转动，锥齿轮a静止，锥齿轮b在锥齿轮a上啮合转动时带动曲柄摇杆机构的力臂a、力臂b转动。

优选地，核心外壳与力臂b通过关节轴b连接，关节轴b与力臂b通过轴承连接，踝关节主驱动电机设置在主电机支撑上板上。

优选地，锥齿轮a通过键槽与关节轴a相连，关节轴a与核心外壳通过螺纹连接，关节轴a与力臂a通过轴承连接，踝关节主驱动电机驱动锥齿轮b在锥齿轮a上作啮合运动时，带动力臂a与力臂b运动，主电机支撑上板此时还具有同步力臂a和力臂b运动的作用。

优选地，丝杆的底端与脚底板相连，丝杆的顶端与丝杆电机相连，丝杆电机安装在核心外壳上。

优选地，电机驱动有两种驱动方式，在正常的行走情况下，踝关节主驱动电机工作；在行走模式进行切换时，如平地行走变为楼梯行走，丝杆电机驱动丝杆转动，滚珠在丝杆上向前滑动压缩弹簧，改变弹簧的形变量，以便对弹簧进行预紧力调整，改变系统刚度，为行走提供额外的能量。

本发明的有益效果是：本发明的基于柔性驱动器的踝关节假肢包含主动驱动的动力单元，所以能帮助穿戴者负担假肢体本身的重量，同时会实时补充人在行走过程中所消耗的能量，也就是说穿戴者在行走的过程中，消耗的大部分能量是来至于动力踝关节机构，而穿戴者本身不需要消耗或者消耗很少的体能就能完成行走移动；同时，踝关节假肢中还存在被动的弹性单元，能有效缓冲假肢与地面之间的冲击力，提高穿戴舒适性，改善穿戴者的行走能力；此外，基于柔性驱动器的踝关节假肢还通过调节弹簧元件的预紧力来匹配不同的行走的运动模式，实现类人体肌肉的变刚度调整。

基于柔性驱动器的踝关节假肢具有传统假肢的支撑及动力驱动等功能，同时借鉴了人体肌肉在不同运动状态下的其硬度平顺变化的特征，通过调整弹簧的预紧力实现系统刚度的动态可调，进而实现踝关节假肢在运动过程中的动作行为的有效性和稳健性，改善了穿戴者的运动舒适性，使得他们能像正常人一样行走。

与现有技术相比，本发明进行机械传动结构的设计，采用电机带动曲柄摇杆机构，同时滑块压缩弹簧，实现踝关节的屈伸运动，并通过调整弹簧预紧力的方式实现假肢的变刚度驱动，旨在实现足部对不同运动模式的有效响应，充分利用储能器件在行走阶段储能、释能的功能，变刚度弹簧的伺服驱动电机仅在适时阶段实施驱动，具有低功耗的特点。

附图说明

图1是本发明的的轴测图。

图2是本发的主视图。

图3本发明的右视图。

其中，1-踝关节主驱动电机；2-锥齿轮传动机构；3-力臂b；4-丝杆；5-连杆a；6-连杆b；7-滑块；8-滚珠；9-弹簧；10-脚底板；11-小基座；12-大基座；13-核心外壳；14-关节轴b；15-丝杆电机；16-人体载重；17-锥齿轮b；18-锥齿轮a；19-关节轴a；20-行星齿轮箱；21-力臂a；22-主电机支撑上板。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

如图1-3所示，本发明是一种基于柔性驱动器的踝关节假肢，是一个主、被动相结合的假肢，主动器件是踝关节主驱动电机，被动器件是锥齿轮传动机构2、曲柄摇杆机构以及丝杆滚珠传动机构电机驱动有两种驱动方式，在正常的行走情况下，踝关节主驱动电机1工作；在行走模式进行切换时，如平地行走变为楼梯行走，丝杆电机15驱动丝杆4转动，滚珠8在丝杆4上向前滑动压缩弹簧，改变弹簧9的形变量，以便对弹簧9进行预紧力调整，改变系统刚度，为行走提供额外的能量，踝关节主驱动电机1驱动锥齿轮b17在锥齿轮a18上作啮合运动，并由曲柄摇杆机构带动滑块7运动，进而压缩弹簧9产生弹性变形，从而使踝关节获得势能实现踝关节屈伸，进而提供人体行走时消耗的能量。

所述外部框架由脚底板10、小基座11、大基座12、核心外壳13以及主电机支撑上板22组成，所述踝关节主驱动电机1设置在所述主电机支撑上板22上小基座11设置在所述脚底板10的一端，大基座12设置在所述小基座11的一侧，核心外壳13设置在大基座12的上方，丝杆4的底端与脚底板10相连，丝杆4的顶端与丝杆电机15相连，丝杆电机15安装在核心外壳13上；曲柄摇杆机构由力臂a21和连杆a5连接，力臂b3和连杆b6连接而成，力臂a与力臂b对称设置，连杆a与所述连杆b对称设置，连杆a与所述连杆b的一端连接滑块7，丝杆滚珠传动机构由所述弹簧9串联丝杆4，滚珠8以及丝杆电机15组合而成，丝杆4的顶端与丝杆电机15相连，所述丝杆电机15驱动所述丝杆4转动，所述锥齿轮传动机构2由锥齿轮a18和锥齿轮b17啮合而成，锥齿轮a18通过键槽与关节轴a19连接，所述关节轴a19与外部框架的核心外壳通过螺纹连接，关节轴a19通过轴承与力臂a21连接，所述主驱动电机1驱动锥齿轮b17转动，锥齿轮a18静止，锥齿轮b17在锥齿轮a18上啮合转动时带动曲柄摇杆机构的力臂a和力臂b转动，踝关节主驱动电机1驱动锥齿轮b17在锥齿轮a18上作啮合运动时，带动力臂a21与力臂b3运动，主电机支撑上板22此时还具有同步力臂a21和力臂b3运动的作用，核心外壳13与力臂b3通过关节轴b14固连，关节轴b14与力臂b3通过轴承连接，

本发明的丝杆电机15驱动丝杆4传动运动，进而使滚珠8在丝杆4上移动，更大程度的压缩弹簧9，满足踝关节需要更大的弹性势能以适应不同的行走环境，充分利用储能器件在不同行走环境储能、释能的功能，丝杆电机仅在适时阶段实施驱动，具有低功耗的特点。

本发明的踝关节假肢由外部框架、丝杆电机15、踝关节主驱电机1、曲柄摇杆机构、丝杆滚珠机构、锥齿轮传动机构2组成。丝杆电机15驱动丝杆4转动，滚珠8在丝杆4上运动，滑块7压缩弹簧9，通过调节弹簧9预紧力的方式，满足踝关节需要更大的弹性势能以适应不同的行走环境。

在工作过程中，该踝关节假肢充分利用了弹簧9储能、释能的特点，丝杆电机15仅在踝关节行走过程中的适时阶段进行动力补偿，故多模式驱动基于柔性驱动器的踝关节假肢具有低功耗的优点。

本发明组合了主动驱动元件也就是踝关节主驱动电机1与弹性元件也就是弹簧9，通过滑块7压缩弹簧9，改变弹簧9的形变量，实现柔性驱动器的变刚度效果，在此踝关节假肢中利用这种结构，在驱动过程中能量具有存储和放大作用；同时，丝杆电机15仅在踝关节行走过程中的适时阶段进行动力补偿，丝杆电机15带动丝杆滚珠传动机构，滚珠8在丝杆4上运动，滑块7压缩弹簧9以此调整弹簧9预紧力的方式，满足踝关节需要更大的弹性势能以适应不同的行走环境。因此，此种基于柔性驱动器的踝关节假肢关键技术及能量放大特性具有很高的研究价值，且随着人口老龄化的加剧，踝关节假肢需求的日益增加，此种基于柔性驱动器的踝关节假肢也具有广阔的应用前景。

与现有技术相比，本发明采用电机带动曲柄摇杆机构，并串联弹簧，实现踝关节的屈伸运动，拟通过调整弹簧预紧力的方式实现假肢的变刚度驱动。本发明采用主被动相结合的方式，充分利用弹簧在行走阶段储能、释能的功能，实现脚踝屈伸，主动驱动电机仅在适时阶段实施驱动，具有低功耗的特点。