一种仿生主动膝关节

1.本发明属于用于主动式假肢膝关节技术领域，特别涉及一种仿生主动膝关节。


背景技术：

2.膝上假肢作为可以恢复大腿截肢患者行走功能、回归社会的唯一手段，其性能对膝上截肢患者恢复正常步态及提升行走能力至关重要。根据驱动形式，膝上假肢主要可以分为两种类型：一种是被动式假肢膝关节，一种是主动式假肢膝关节。被动假肢可以满足下肢截肢者的基本运动需求(在平地以相对固定的速度行走)，但随着截肢者对生活品质提高的需求，其活动范围有所扩大，需要能够适应变步速、上下坡以及上下台阶的行走需求，而这些场景下应用被动假肢可能导致步态不对称、二次伤害以及截肢者的代谢成本更高。主动假肢通过采用外接动力的方式来实现膝关节的屈曲运动，不仅可以满足不同步速下的平地行走要求，也可以满足上楼梯、爬坡等需要大扭矩输出的场景需求，但目前的动力假肢普遍存在能量消耗大，无法长时间使用的问题。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种仿生主动膝关节，本发明的一个目的是能够降低仿生膝关节的能耗，克服现有主动式假肢膝关节能耗高的缺陷。
4.本发明还有一个目的是使仿生膝关节运动时有效模仿人体下肢平地行走时的步态，从而适应更多的生活场景，提高使用者的舒适度。
5.本发明提供的技术方案为：
6.一种仿生主动膝关节，包括：
7.两个支撑架，其对称间隔设置；
8.驱动电机，其固定安装在所述两个支撑架上；
9.滚珠丝杆，其设置在所述两个支撑架之间，并且与所述驱动电机的动力输出轴传动连接；
10.滚珠丝杆螺母，其匹配连接在所述滚珠丝杆上；
11.致动器框架，其为顶板、底板和两个侧板围合形成的框架结构；所述顶板和所述底板同时空套在所述滚珠丝杆上；
12.其中，所述滚珠丝杆螺母位于所述顶板和所述底板之间；所述滚珠丝杆螺母和所述致动器框架能够分别沿所述滚珠丝杆的轴向移动；
13.膝关节弯曲弹簧，其套设在所述滚珠丝杆上，并且所述膝关节弯曲弹簧的一端抵靠在所述顶板上，另一端抵靠在所述滚珠丝杆螺母上；
14.膝关节伸展弹簧，其套设在所述滚珠丝杆上，并且所述膝关节伸展弹簧的一端抵靠在所述底板上，另一端抵靠在所述滚珠丝杆螺母上；
15.第一同步带轮，其可转动的同时连接在所述两个支撑架的上端；
16.其中，所述第一同步带轮的轴线与所述滚珠丝杆的轴线垂直；
17.第二同步带轮，其与所述第一同步带轮平行设置；可转动的同时连接在所述两个支撑架的下端；
18.同步带，其与第一同步带轮和所述第二同步带轮分别啮合，并且与所述致动器框架固定连接；
19.接受腔连接体，其与所述第一同步带轮固定连接。
20.优选的是，所述驱动电机位于所述致动器框架的一侧，并与所述滚珠丝杆间隔设置；
21.其中，所述驱动电机固定安装在驱动电机座上，所述驱动电机座同时固定连接在所述两个支撑架上。
22.优选的是，所述的仿生主动膝关节，还包括：
23.同步带导向架，其固定连接在所述驱动电机座上；所述同步带导向架的上端和下端分别设置有可转动的导向轮；
24.其中，所述驱动电机位于所述滚珠丝杆与所述同步带导向架之间，所述同步带同时绕过两个所述导向轮，并且支撑在两个所述导向轮上。
25.优选的是，所述的仿生主动膝关节，还包括：
26.同步带连接板，其固定连接在所述致动器框架的另一侧；
27.其中，所述同步带连接板包括对称设置的第一压板和第二压板，所述同步带固定连接在所述第一压板和所述第二压板之间。
28.优选的是，所述驱动电机的动力输出轴与所述滚珠丝杆平行设置，并且通过减速同步带传动。
29.优选的是，所述驱动电机的动力输出轴上同轴固定连接有主动带轮，所述滚珠丝杆上同轴固定连接有从动带轮；
30.其中，所述减速同步带同时套设在所述主动带轮和所述从动带轮上，并且分别与所述主动带轮和所述从动带轮啮合传动。
31.优选的是，所述膝关节伸展弹簧和膝关节弯曲弹簧均采用模具弹簧；
32.其中，所述膝关节伸展弹簧刚度为419n/mm，所述膝关节弯曲弹簧刚度为380n/mm。
33.优选的是，所述接受腔连接体包括：
34.顶座，其设置在所述第一同步带轮上方，所述顶座的顶部设置有四棱锥连接件，用于连接接受腔；
35.两个连接盘，其对称固定设置在所述顶座的两侧；
36.其中，所述两个连接盘分别与所述第一同步带轮的两端固定连接。
37.优选的是，所述的仿生主动膝关节，还包括：
38.踝关节连接体，其固定设置在所述支撑架的下端；所述踝关节连接体的下端设置有四棱锥连接件，用于连接踝关节假肢。
39.优选的是，所述的仿生主动膝关节，还包括：
40.驱动电机编码器，其安装在所述驱动电机上，用于采集所述驱动电机的转动角度；
41.关节编码器，其包括pcb板和转子磁环；
42.其中，所述pcb板固定连接在所述支撑架上，所述转子磁环固定设置所述第二同步带轮的带轮轴上；
43.压力传感器，其具有底座，所述压力传感器的底座同时固定连接在所述两个支撑架的下端；并且所述压力传感器位于所述踝关节连接体与所述支撑架之间。
44.本发明的有益效果是：
45.(1)本发明提供的仿生主动膝关节，通过同步带驱动膝关节，在满足结构紧凑的条件下，可以实现主动膝关节更大的屈曲角度，适应更多的生活场景，同时，可以在摆动相利用下肢假肢摆动拖动驱动电机转动进行发电，对蓄电池进行充电，降低对蓄电池容量的要求。
46.(2)本发明提供的仿生主动膝关节，通过弹簧储能，减少驱动电机对能量的消耗，降低对蓄电池容量的消耗，减轻蓄电池重量，实现膝关节假肢高效和轻量化。
47.(3)本发明提供的仿生主动膝关节，所使用的弹簧刚度与人体膝关节的屈曲刚度和伸展刚度相对应，在驱动电机不驱动时便可有效模仿人体下肢平地行走时的步态，降低髋关节能量输出，提高使用者的舒适度。
附图说明
48.图1为本发明所述的仿生主动膝关节的总体结构示意图。
49.图2为本发明所述的仿生主动膝关节的侧视图。
50.图3为本发明所述的仿生主动膝关节未安装同步带时的结构示意图。
51.图4为本发明所述的仿生主动膝关节未安装同步带时的后视图。
52.图5为本发明所述的仿生主动膝关节未安装同步带时的侧视图。
53.图6为本发明所述的接受腔连接体的分解示意图。
54.图7为本发明所述的驱动电机与电机座的分解示意图。
55.图8为本发明所述的第一同步带轮总成的分解示意图。
56.图9为本发明所述的第二同步带轮总成的分解示意图。
57.图10平地行走过程中膝关节的角度示意图。
具体实施方式
58.下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
59.如图1～9所示，本发明提供了一种仿生主动膝关节，其主要包括：顶座1，连接盘2，支撑架3，滚珠丝杆4，同步带5，微型直线导轨滑块6，滚珠丝杆螺母7，微型直线导轨8，驱动电机座9，轴承座10，关节编码器11，压力传感器底座12，第二同步带轮总成13，下侧导向轮14，驱动电机15，导向轮支架16，上侧导向轮17，驱动电机编码器18，致动器框架19，线性滑轨20，支撑架21，第一同步带轮总成22，线性滑轨滑块23，膝关节弯曲弹簧24，第一压板25，第二压板26，膝关节伸展弹簧27，从动带轮28，主动带轮29，减速同步带30，驱动电机轴轴承端盖31，滚珠丝杆轴轴承端盖32，支撑轴承33，驱动电机轴轴承34，角接触轴承35以及轴承定位螺母36。
60.支撑架3和支撑架21沿竖直方向对称间隔设置。驱动电机15通过驱动电机座9同时固定安装在支撑架3和支撑架21上。驱动电机座9的两端分别固定连接在支撑架3和支撑架21的侧边上，驱动电机15位于支撑架3和支撑架21的前侧，并靠近支撑架3和支撑架21的下
部设置，驱动电机15的动力输出轴沿竖直方向设置。
61.滚珠丝杆4设置在支撑架3和支撑架21之间，滚珠丝杆4沿竖直方向设置(即与驱动电机15的动力输出轴平行设置)。轴承座10设置在支撑架3和支撑架21之间，轴承座10的两端分别通过螺钉与支撑架3和支撑架21固定连接。角接触轴承35通过轴承定位螺母36固定安装在滚珠丝杆4的下端；滚珠丝杆4通过角接触轴承35与轴承座10连接。驱动电机15的动力输出轴的下端通过驱动电机轴轴承34安装在轴承座10中。轴承座10的下侧对应驱动电机轴轴承34和角接触轴承35处分别设置有驱动电机轴轴承端盖31，和滚珠丝杆轴轴承端盖32。
62.驱动电机15的动力输出轴上同轴固定连接有主动带轮29，滚珠丝杆4上同轴固定连接有从动带轮28；减速同步带30同时套设在主动带轮29和从动带轮28上，并且分别与主动带轮29和从动带轮28啮合传动。驱动电机15通过减速同步带30将动力传递至滚珠丝杆4，从而驱动滚珠丝杆4转动。通过设置减速同步带30能够起到减速增扭的作用。其中，主动带轮29通过顶丝紧固在驱动电机15的动力输出轴上。
63.滚珠丝杆螺母7匹配连接在滚珠丝杆4上。致动器框架19设置在支撑架3和支撑架21之间，致动器框架19为由顶板19a、底板19b和两个侧板19c、19d围合形成的矩形框架结构；致动器框架19的顶板19a和底板19b的中心处分别开设有通孔，并且顶板19a和底板19b分别通过所述通孔同时空套在滚珠丝杆4上。其中，滚珠丝杆螺母7位于顶板19a和底板19b之间。
64.膝关节伸展弹簧27套设在滚珠丝杆4上，并且位于滚珠丝杆螺母7的下方，膝关节伸展弹簧27的一端抵靠在底板19b上，另一端抵靠在滚珠丝杆螺母7上；膝关节弯曲弹簧24套设在滚珠丝杆4上，并且位于滚珠丝杆螺母7的上方，膝关节弯曲弹簧24的一端抵靠在顶板14b上，另一端抵靠滚珠丝杆螺母7上。
65.支撑架3和支撑架21的内侧分别设置有线性滑轨20，两个线性滑轨20分别沿滚珠丝杆4的轴线设置；致动器框架19的两个侧板19c、19d的外侧分别设置有线性滑轨滑块23，并通过线性滑轨滑块23可移动的连接在两个线性滑轨20上。通过设置线性滑轨20，使致动器框架19仅能够沿线性滑轨20(滚珠丝杆4的轴向)做直线运动。
66.致动器框架19的两个侧板19c、19d的前侧分别固定连接有微型直线导轨8，两个微型直线导轨8均沿滚珠丝杆4的轴向设置。滚珠丝杠螺母7通过螺钉与两个微型直线导轨滑块22进行紧固连接，并通两个微型直线导轨滑块22可移动的连接在微型直线导轨8上，使得滚珠丝杠螺母7仅能够沿微型直线导轨8(滚珠丝杆4的轴向)相对于弹性致动器框架19做直线运动。
67.第一同步带轮总成22设置在支撑架3和支撑架21之间，并且可转动的同时连接在支撑架3和支撑架21的上端。第一同步带轮总成22主要由带轮盘2201、第一同步带轮2202、带轮固定销2203、带轮轴2204和带轮盘2205组成。其中，带轮轴2204通过花键与带轮盘2201和带轮盘2205连接，2202上侧带轮通过2203上侧带轮固定销与2201上侧右端带轮盘和2205上侧左端带轮盘连接。其中，第一同步带轮2202的轴线与滚珠丝杆4的轴线方向垂直。
68.第二同步带轮总成13设置在支撑架3和支撑架21之间，并且可转动的同时连接在支撑架3和支撑架21的下端。第二同步带轮总成13主要由带轮轴1301、带轮支撑轴承1302、带轮盘1303、带轮紧固螺母1304、第二同步带轮1305、带轮固定销1306和带轮盘1307组成。
其中，第二同步带轮1305通过带轮固定销1306与带轮盘1303和带轮盘1307连接；第二同步带轮1305其与第一同步带轮2202平行设置。
69.致动器框架19通过螺钉与第一压板25和第二压板26连接，同步带5安装在第一压板25和第二压板26之间，使得致动器框架19可以拖动同步带5运动。同步带5同时安装在第一同步带轮总成22和第二同步带轮总成13上，并且与第一同步带轮2202和所述第二同步带轮1305分别啮合；同步带5运动可以带动第一同步带轮2202和所述第二同步带轮1305转动。
70.接受腔连接体包括：顶座1和两个连接盘2；顶座1设置在第一同步带轮总成22上方，顶座1的顶部设置有四棱锥连接件1a，用于连接接受腔。两个连接盘2其对称设置在1顶座的两侧；带轮盘2201和带轮盘2205通过螺钉与分别与两个连接盘2紧固连接，两个连接盘2分别通过螺钉与顶座1紧固连接，两个连接盘2分别通过支撑轴承33与支撑架3和支撑架21连接，使得支撑架3和支撑架21可以绕连接盘2转动。
71.致动器框架19、膝关节伸展弹簧27和膝关节弯曲弹簧24组成了串联弹性致动器。通过弹簧储能，能够减少驱动电机对能量的消耗，降低对蓄电池容量的需求，减轻蓄电池重量，实现膝关节假肢高效和轻量化。
72.作为优选，膝关节伸展弹簧27和膝关节弯曲弹簧24均采用模具弹簧，弹簧刚度根据健康人体行走数据进行匹配；其中，所述膝关节伸展弹簧刚度为419n/mm，所述膝关节弯曲弹簧刚度为380n/mm。
73.所述的仿生主动膝关节，还包括同步带导向架。所述同步带导向架包括：导向轮支架16、下侧导向轮14和上侧导向轮17；导向轮支架16固定连接在驱动电机座9的外侧，即驱动电机15位于所述滚珠丝杆4与导向轮支架16之间；下侧导向轮14和上侧导向轮17分别可转动的安装在导向轮支架16的上端和下端。下侧导向轮14和上侧导向轮17支撑在同步带5内侧，对同步带5起导向作用。
74.所述的仿生主动膝关节还包括踝关节连接体，其固定设置在支撑架3和支撑架21的下端；所述踝关节连接体的下端设置有四棱锥连接件，用于连接踝关节假肢。
75.驱动电机编码器18安装在驱动电机15上，用于采集所述驱动电机的转动角度。关节编码器11包括pcb板和转子磁环；所述pcb板固定连接在支撑架3上，转子磁环通过径向限位螺钉固定设置第二同步带轮的带轮轴1301上。压力传感器12集成有底座，压力传感器12的底座同时固定连接在两个支撑架3和21的下端；并且压力传感器12位于所述踝关节连接体和两个支撑架3、21之间。
76.如图10所示，平地行走时，膝关节运动可以分为站立相和摆动相，其中站立相又可根据触地事件细分为触地屈曲期、触地伸展期以及预摆动期；摆动相可以细分为摆动屈曲期和摆动伸展期。
77.平地行走站立相，以3701足跟触地作为起始位置，在足跟即将触地前，通过驱动电机15将膝关节屈曲角度调整为4度左右，当压力传感器12的底座采集的数据大于人体体重的5％，假肢穿戴者完成足跟触地，进入触地屈曲期；在触地屈曲期，驱动电机15通过位置环控制保持固定的位置，由于通过同步带实现减速增扭且滚珠丝杆具有较大的传动比，此时电机仅需提供较小的扭矩即可实现滚珠丝杠螺母7锁止，随着膝关节屈曲角度的增大，膝关节伸展弹簧27逐渐被压缩，将人体的重力势能部分转化为膝关节伸展弹簧27的弹性势能；根据正常行走步态，当膝关节角度达到20度左右，膝关节完成触地屈曲期，膝关节角速度由
正变为负，即3702膝关节角速度小于0度/秒，进入触地伸展期，伴随着人体重心前移，膝关节在膝关节伸展弹簧27作用下逐渐伸展，直至膝关节角度接近0度；当膝关节弯曲屈曲时，膝关节角速度由负变为正，即3703膝关节角速度大于0度/秒，进入预摆动期，膝关节继续屈曲，当屈曲角度到达20度左右时，驱动电机15通过速度环控制继续驱动膝关节屈曲，直至事件3705脚趾离地发生，此时压力传感器12的底座采集的数据接近0牛顿，完成站立相。
78.当压力传感器12的底座采集的数据为0牛顿时，事件3705完成，进入摆动相，驱动电机15通过转速环控制，当膝关节转角到达60度左右时，驱动电机15的转速为0度/秒，然后驱动电机15反向转动，此时角速度值为负，事件3706发生，进入摆动伸展期，通过电流环控制，实现驱动电机15先加速，再减速，并起到阻尼作用，达到阻抗控制的目的，并且将一部分动能用于压缩膝关节弯曲弹簧24，最终当屈曲角度接近0度时，将膝关节弯曲弹簧24的弹性势能通过滚珠丝杠螺母7转移到膝关节伸展弹簧27中，为下一步态周期中的膝关节伸展储配能量。
79.尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。