一种基于电机驱动的仿生膝关节

1.本发明属于用于主动式假肢膝关节技术领域，特别涉及一种基于电机驱动的仿生膝关节。


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而无法长时间使用和电机转速高导致高频噪声而舒适性低的问题。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种基于电机驱动的仿生膝关节，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.本发明提供了一种基于电机驱动的仿生膝关节，本发明的另一个目的是能够降低仿生膝关节的噪声，克服当前主动式假肢膝关节噪声高的缺点。
5.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。
6.本发明提供的技术方案为：
7.一种基于电机驱动的仿生膝关节，包括：
8.假肢机架；
9.驱动电机，其固定设置在所述假肢机架上；
10.滚珠丝杠，其与所述驱动电机的动力输出轴连接；
11.滚珠丝杠螺母，其匹配连接在所述滚珠丝杠上；
12.弹簧座，其空套在所述滚珠丝杠上，并且与所述滚珠丝杠螺母固定连接；
13.致动器框架，其靠近所述假肢支架的一端设置；所述致动器框架为顶板、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杠上；
14.其中，所述滚珠丝杠螺母位于所述顶板和所述底板之间；所述弹簧座和所述致动器框架能够分别沿所述滚珠丝杠的轴向移动；
15.膝关节伸展弹簧，其套设在所述滚珠丝杠上，并且所述膝关节伸展弹簧的一端抵靠在所述底板上，另一端抵靠在所述弹簧座上；
16.膝关节弯曲弹簧，其套设在所述滚珠丝杠上，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杠螺母上；
17.接受腔连接体，其可转动的连接在所述假肢机架的另一端；
18.两个连杆，其对称设置在所述滚珠丝杠的两侧；所述连杆一端与所述接受腔连接体铰接，另一端与所述致动器框架铰接。
19.优选的是，所述假肢机架上沿所述滚珠丝杠的轴向设置有第一直线滑轨，所述致动器框架可移动的连接在所述第一直线滑轨上。
20.优选的是，所述的基于电机驱动的仿生膝关节，还包括：
21.第二直线导轨，其固定设置在所述致动器框架上，并且沿所述滚珠丝杠的轴向设置；
22.其中，所述弹簧座可移动的连接在所述第二直线导轨上。
23.优选的是，所述滚珠丝杠与所述动力输出轴通过联轴器连接。
24.优选的是，所述的基于电机驱动的仿生膝关节，还包括：
25.轴承座，其固定安装在所述假肢机架上；
26.轴承，其安装在所述轴承座上；
27.其中，所述滚珠丝杠可转动的支撑在所述轴承中。
28.优选的是，所述轴承采用角接触轴承。
29.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。
30.优选的是，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。
31.优选的是，所述的基于电机驱动的仿生膝关节，还包括：
32.踝关节连接体，其设置在所述假肢机架的另一端。
33.优选的是，所述的基于电机驱动的仿生膝关节，还包括：
34.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；
35.膝关节编码器，其包括pcb板和转子磁环；
36.其中，所述pcb板固定连接在所述接受腔连接体上，所述转子磁环固定设置所述连杆与接受腔连接体的铰接点处；
37.压力传感器，其设置在所述踝关节连接体和所述假肢机架之间。
38.本发明的有益效果是：
39.(1)本发明提供的基于电机驱动的仿生膝关节，通过驱动电机与滚珠丝杠直接连接，结构紧凑，传动效率高，且由于电机扭矩密度较高，仅通过较小的传动比即可满足扭矩需求，同时，小传动比容易实现滚珠丝杠的反向运动，可以在摆动相利用下肢假肢摆动拖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。
40.(2)本发明提供的基于电机驱动的仿生膝关节，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。
41.(3)本发明提供的基于电机驱动的仿生膝关节，屈曲弹簧和伸展弹簧均采用压缩的模具弹簧，具有高密度，可以有效降低膝关节尺寸，提高膝关节的可穿戴性。
42.(4)本发明提供的基于电机驱动的仿生膝关节，通过驱动电机与滚珠丝杠直接连接，传动比较小，在相同的膝关节摆动角速度情况下，有效降低驱动电机的转速，降低假肢驱动系统的噪声，提高舒适性。
43.(5)本发明提供的基于电机驱动的仿生膝关节，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
44.图1为本发明所述的基于电机驱动的仿生膝关节的总体结构示意图。
45.图2为本发明所述的基于电机驱动的仿生膝关节的后视图。
46.图3为本发明所述的基于电机驱动的仿生膝关节的主视图。
47.图4为本发明所述的接受腔连接体的结构示意图。
48.图5为平地行走过程中膝关节的角度示意图。
具体实施方式
49.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。
50.如图1～4所示，本发明提供了一种基于电机驱动的仿生膝关节，其主要包括：电机编码器1，驱动电机2，联轴器3，轴承4，滚珠丝杠5，第一线性滑轨6，膝关节弯曲弹簧7，滚珠丝杠螺母8，弹簧座9，膝关节伸展弹簧10，压力传感器11，踝关节连接体12，致动器框架13，假肢机架14，连杆15，轴承座16，轴承端盖17，电机座18，接受腔连接体19，四棱锥连接部20，第二直线导轨21，滑块22，连杆下端铰链销23，连杆上端铰链销24，膝关节铰链销25、膝关节编码器26及蓄电池。
51.假肢机架14为框架结构，包括两个对称间隔设置的侧板14a、14b和底板14c；其中，底板14c沿水平方向设置，两个侧板14a和14b沿竖直方向设置。驱动电机2位于两个侧板14a和14b之间，并且通过电机座18固定安装在假肢机架14上。所述蓄电池(图中未示出)安装在假肢机架14上，用于为驱动电机2供电。
52.驱动电机2的动力输出轴通过联轴器3与滚珠丝杠5的固定端(上端)连接；滚珠丝杠螺母8匹配连接在滚珠丝杠5上。弹簧座9空套在滚珠丝杠上5，弹簧座9位于滚珠丝杠螺母8的下方，并且通过螺钉与滚珠丝杠螺母8固定连接；使滚珠丝杠螺母8与弹簧座9同步运动。
53.致动器框架13靠近假肢支架14的下端设置；致动器框架13为由顶板13a、底板13b和两个侧板13c、13d围合形成的矩形框架结构；致动器框架13的顶板13a和底板13b的中心处分别开设有通孔，并且顶板13a和底板13b分别通过所述通孔同时空套在滚珠丝杠5上。其中，滚珠丝杠螺母8连同弹簧座9位于顶板13a和底板13b之间；弹簧座9和致动器框架13能够分别沿滚珠丝杠5的轴向移动。
54.膝关节弯曲弹簧7套设在滚珠丝杠5上，并且膝关节弯曲弹簧7的一端抵靠在顶板13a上，另一端抵靠在滚珠丝杠螺母8上；膝关节伸展弹簧10套设在滚珠丝杠5上，并且膝关节伸展弹簧10的一端抵靠在底板13b上，另一端抵靠在弹簧座9上。致动器框架13、膝关节弯曲弹簧7和膝关节伸展弹簧10组成了串联弹性驱动器。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要求，减轻蓄电池重量，实现膝关节假肢高效和轻量化。
55.接受腔连接体19的两侧分别通过膝关节铰链销25可转动的连接在假肢机架14的两个侧板14a、14b的上端，接受腔连接体19的上端固定设置有四棱锥连接部20，用于连接膝
关节上部的假肢接受腔。其中，四棱锥连接部20通过螺纹与接受腔连接体19连接。在接受腔连接体19朝向电机的一侧，设置有两个连杆连接部19a；两个连杆连接部19a对称设置在驱动电机2的两侧。两个连杆15对称设置在滚珠丝杠5的两侧。其中，致动器框架13的顶板13a上侧设置有连杆连接部13aa；两个连杆连接部13aa分别位于滚珠丝杠5的两侧。两个连杆15的上端分别通过连杆上端铰链销24与其对应的连杆连接部19a铰接，两个连杆15的下端分别通过连杆下端铰链销23与其对应的连杆连接部13aa铰接。
56.轴承座16固定安装在假肢机架14上，轴承4安装在轴承座16上；轴承4的上方设置有轴承端盖17。其中，轴承4位于致动器框架13与联轴器3之间。滚珠丝杠5可转动的支撑在轴承4中。作为优选，轴承4采用角接触轴承。
57.在本实施例中，假肢机架的两个侧板14a和14b的内侧分别设置有直线滑轨6，两个直线导轨6分别沿滚珠丝杠5的轴线设置；致动器框架13的两个侧板13c、13d的外侧分别具有滑块，并通过所述滑块可移动的连接在第一直线滑轨6上。通过设置直线导轨6，使致动器框架13仅能够沿滚珠丝杠5的轴向做直线运动。
58.致动器框架13的两个侧板13c、13d的后侧分别固定连接有第二直线导轨21，两个第二直线导轨21均沿滚珠丝杠5的轴向设置。弹簧座9的两侧分别通过螺钉固定连接滑块22，滑块22匹配设置在第二直线导轨21上，弹簧座9通过滑块22可移动的连接在第二直线导轨21上。通过设置第二直线导轨21，使弹簧座9和滚珠丝杠螺母8仅能够沿滚珠丝杠5的轴向做直线运动。
59.作为优选，所述膝关节弯曲弹簧7和膝关节伸展弹簧10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10的刚度为419n/mm，所述膝关节弯曲弹簧7的刚度为380n/mm。弹簧刚度设置为与人体膝关节的屈曲刚度和伸展刚度相对应，在电机不驱动时便可有效模仿人体下肢平地行走时的步态，从而能适应更多的生活场景，并且提高使用者的舒适度。
60.踝关节连接体12固定设置在假肢机架14的下端，踝关节连接体12的下端具有四棱锥连接部，用于连接踝关节假肢。
61.电机编码器1安装在驱动电机2上，用于采集驱动电机2的转动角度；膝关节编码器26的pcb板通过螺钉固定连接在接受腔连接体19上，膝关节编码器26的转子磁环通过径向限位螺钉固定在膝关节铰链销25上。压力传感器11设置在踝关节连接体12和假肢机架14之间，用于采集所述仿生膝关节所承受载荷。
62.将膝关节完全伸直规定为膝关节编码器26的0度位置，驱动电机2驱动滚珠丝杠5带动滚珠丝杠螺母8上移，膝关节弯曲弹簧7推动弹性致动器框架13向上运动，弹性驱动器框架13带动15连杆，最终推动接受腔连接体19绕膝关节铰链销25进行转动，实现膝关节的弯曲，膝关节角度逐渐增大；反之，则实现膝关节的伸展，膝关节角度逐渐减小。通过膝关节角度对时间的一阶导数可求得膝关节的转动角速度。
63.如图5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。
64.平地行走站立相以2701足跟触地作为起始位置，在足跟即将触地前，通过驱动电机2将膝关节屈曲角度调整为4度左右，当压力传感器11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2通过位置环控制保持固定的位置，由于滚子丝杆具有较大的传动比，此时驱动电机2仅需提供较小的扭矩即可实现滚珠丝杠螺母8锁止，随着膝关节屈曲角度的增大，膝关节伸展弹簧10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10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2702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10膝关节伸展弹簧作用下逐渐伸展，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2703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2通过速度环控制继续驱动膝关节屈曲，直至事件2705脚趾离地发生，此时压力传感器11采集的数据接近0牛顿，完成站立相。
65.当压力传感器11采集的数据为0牛顿时，事件2705完成，进入摆动相，驱动电机2通过转速环控制，当膝关节转角到达60度左右时，驱动电机2的转速为0度/秒，然后驱动电机2反向转动，此时角速度值为负，事件2706发生，进入摆动伸展期，通过电流环控制，实现电机先加速，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7，最终当屈曲角度接近0度时，将膝关节弯曲弹簧7的弹性势能通过滚珠丝杠螺母8转移到膝关节伸展弹簧10中，为下一步态周期中的膝关节伸展储配能量。
66.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。