自适应可变瞬心人工膝关节

1.本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种自适应可变瞬心人工膝关节。


背景技术：

2.随着人口老龄化的加剧以及伤残人数的逐年累加，人们迫切需要一款能够满足人体运动参数的下肢康复机器人，从而辅助老年人或伤残人士进行术后康复、锻炼。
3.传统的假腿、下肢外骨骼等设备简单的将人体膝关节的运动看作是一种单铰链型式运动，并通过电机等驱动设备驱动关节运动。然而，人体膝关节的运动是较为复杂的空间运动，其瞬时转动中心（icr）会随关节旋转角度的变化而变化、轨迹类似j形曲线；由于人体膝关节瞬心轨迹可变这一特性，单纯采用固定旋转中心的假肢必然导致与人腿协调性配合较差，不利于患者的康复与正常行走，拖慢患者的康复、锻炼进程，或造成患者的行走不便。
4.同时，现有技术还存在一类瞬心可变的人工膝关节，如中国专利文献cn110302036a公开了一种旋转瞬心可变的膝关节运动仿生机构，其利用大腿连接件与小腿连接件之间采用的齿轮啮合转动，模拟膝关节中上下关节面的面接触转动与平动，能够使齿轮旋转轴心始终与人体解剖学中膝关节的转动轴心贴合；利用运动缓冲限位组件模拟髌骨韧带对股骨与胫骨的限位及膝关节转动的缓冲，进行屈伸动作时能够良好的与人体膝关节吻合；利用关节连接支撑件为刚体部件，在整个膝关节屈伸过程中对膝关节起到免荷作用，达到应力屏蔽效果。然而，如上所述：瞬时转动中心（icr）的旋转轨迹类似j形曲线、并非是纯圆弧曲线，因此该文献的膝关节结构无法真实模拟人体膝关节的瞬心改变轨迹；此外，不同人体膝关节的瞬心旋转轨迹曲线存在差异性，该文献的膝关节机构适应性差，在机构尺寸确定后，其瞬心轨迹就无法改变，无法满足不同人体膝关节的需求。


技术实现要素：

5.针对以上现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种自适应可变瞬心人工膝关节，该人工膝关节能够解决现有人工膝关节与人腿协调性差的问题，同时，该人工膝关节能够满足大多数用户的需求、及适应不同人体膝关节的瞬心旋转轨迹，适用范围广。
6.本发明的目的通过以下技术方案实现：一种自适应可变瞬心人工膝关节，其特征在于：包括气动肌肉驱动组件与膝关节总成；膝关节总成包括大腿、小腿、第一连杆机构、调节杆、第二连杆机构与转动杆，大腿与小腿两侧分别通过转动杆进行连接（即转动杆设置为两根且同一转动杆的两端分别与大腿、小腿转动连接），第一连杆机构设置在大腿之间、第二连杆机构设置在小腿之间，且第一连杆机构与第二连杆机构通过中心轴连接，调节杆上设置第一滑槽、小腿设置第二滑槽，中心轴依次卡接在第一滑槽与第二滑槽内且滑动连接，调节杆远离滑槽的一端与第一连接机构同轴设置、转动杆位于小腿的一端与第二连接机构同轴设置。
7.作进一步优化，所述第一滑槽中线与第二滑槽中线呈一定角度且该角度不小于30
°
。
8.作进一步优化，所述大腿中部设置第一中空槽，小腿设置在第一中空槽内，小腿中部设置第二中空槽，第一连杆机构、调节杆、第二连杆机构设置在第二中空槽内；大腿两侧分别设置转动槽，转动杆设置在转动槽内。
9.作进一步优化，所述第一连杆机构包括一根第一驱动轴、两根第一连杆、两根第二连杆与一根第一从动轴，第一驱动轴贯穿大腿两侧侧壁且与大腿侧壁转动连接，第一驱动轴位于第二中空槽之间的外壁固定套接两根第一连杆且第一连杆对称设置，两根第一连杆远离第一驱动轴的一端通过同一根第一从动轴连接，第一从动轴位于两根第一连杆相互远离一侧侧面的外壁分别套接第二连杆，第二连杆远离第一从动轴的一端套接在中心轴外壁；第二连杆机构包括一根第二驱动轴、两根第三连杆、两根第四连杆与一根第二从动轴，第二驱动轴贯穿小腿两侧侧壁且与小腿侧壁转动连接，第二驱动轴位于第二中空槽之间的外壁固定套接两根第三连杆，两根第三连杆远离第二驱动轴的一端通过同一根第二从动轴连接，第二从动轴位于两根第三连杆相互靠近一侧侧面的外壁分别套接第四连杆，第四连杆远离第二从动轴的一端套接在中心轴外壁；调节杆为两根、其一端转动套接在第一驱动轴外壁、另一端通过辅助轴连接，且调节杆远离第一驱动轴的一端设置第一滑槽；转动杆远离大腿的一端转动套接在第二驱动轴外壁。
10.优选的，所述第二连杆位于两根调节杆之间，第四连杆位于两根第二连杆之间。
11.作进一步优化，所述大腿侧壁且对应第一驱动轴设置第一电机、用于驱动第一驱动轴转动；所诉小腿侧壁且对应第二驱动轴设置第二电机、用于驱动第二驱动轴转动。
12.作进一步优化，所述大腿侧壁且对应第一驱动轴设置第一角度传感器，大腿侧壁且对应转动杆位于大腿端的转轴设置第二角度传感器，小腿侧壁且对应第二驱动轴设置第三角度传感器，分别用于检测各个转轴的转动角度。
13.作进一步优化，所述气动肌肉驱动组件为两组，包括气动驱动器与驱动绳，气动驱动器与驱动绳一端连接、用于控制驱动绳的伸缩；两根驱动绳远离气动驱动器的一端分别与第二驱动轴、中心轴连接。通过气动驱动器控制两根驱动绳分别进行伸长与缩短，从而控制膝关节总成完成屈膝动作（即大腿与小腿之间的相对转动）。
14.本发明具有如下技术效果：本技术通过气动肌肉驱动组件的控制，实现小腿与大腿之间的相对顺时针或相对逆时针转动，从而完成屈膝运动；通过第一连杆机构的转动实现中心轴在调节杆的第一滑槽内的滑动、配合通过第二连杆机构的转动实现中心轴在小腿的第二滑槽内的滑动、从而实现调节杆的相对运动长度与小腿的相对运动长度进行改变的目的，即通过引入额外的自由度间接改变关节处的连杆长度，进而实现对调节杆与转动杆之间的交点、即瞬时转动中心（icr）的调节，保证膝关节总成在屈膝转动过程中贴合人体膝关节瞬心曲线（即j形曲线），确保膝关节总成与人体膝关节的适应程度，提高康复、锻炼的效果以及辅助人体行走的效果。同时，本技术通过第一连杆机构、第二连杆结构、第一滑槽与第二滑槽的配合，能够适应不同人体膝关节的瞬心曲线，适用范围广、可靠性高。此外，本技术通过气动肌肉驱动组件与连杆拮抗式的布置、确保关节具有一定的刚度且能够根据实际需求进行关节刚度的改变，结构具有多样性与适应性的特点。
附图说明
15.图1为本发明实施例中人工膝关节的整体结构示意图。
16.图2为本发明实施例中人工膝关节的膝关节总成的正面立体示意图。
17.图3为本发明实施例中人工膝关节的膝关节总成的背面立体示意图。
18.图4为本发明实施例中人工膝关节的膝关节总成的正面平面示意图。
19.图5为本发明实施例中人工膝关节的第一连杆机构、调节杆、第二连杆机构与转动杆的正面结构示意图。
20.图6为本发明实施例中人工膝关节的第一连杆机构、调节杆、第二连杆机构与转动杆的背面结构示意图。
21.图7为本发明实施例中调节杆与小腿优化后的变化规律；其中，a表示小腿长度变化，b表示调节杆长度变化。
22.图8为本发明实施例中膝关节总成瞬心轨迹曲线与人体膝关节理想瞬心轨迹曲线比较图。
23.其中，100、机架；101、滑轮组；10、气动肌肉驱动组件；11、气动驱动器；12、驱动绳；20、膝关节总成；200、中心轴；21、大腿；211、第一中空槽；212、转动槽；213、第一电机；214、第一角度传感器；215、第二角度传感器；22、小腿；221、第二中空槽；222、第二滑槽；223、第二电机；224、第三角度传感器；23、第一连杆机构；231、第一驱动轴；232、第一连杆；233、第二连杆；234、第一从动轴；24、调节杆；241、第一滑槽；242、辅助轴；25、第二连杆机构；251、第二驱动轴；252、第三连杆；253、第四连杆；254、第二从动轴；26、转动杆。
具体实施方式
24.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
25.实施例1：如图1～6所示，一种自适应可变瞬心人工膝关节，其特征在于：包括气动肌肉驱动组件10与膝关节总成20；膝关节总成20包括大腿21、小腿22、第一连杆机构23、调节杆24、第二连杆机构25与转动杆26，大腿21与小腿22两侧分别通过转动杆26进行连接（即转动杆26设置为两根且同一转动杆26的两端分别与大腿21、小腿22转动连接），大腿21中部设置第一中空槽211，小腿22设置在第一中空槽211内（如图2、图4所示），小腿22中部设置第二中空槽221，第一连杆机构23、调节杆24、第二连杆机构25设置在第二中空槽221内，且第一连杆机构23对应大腿21设置、第二连杆机构25对应小腿22设置；大腿21两侧分别设置转动槽212，转动杆26（即转动杆26与大腿21连接端）设置在转动槽212内。
26.如图5、图6所示：第一连杆机构23包括一根第一驱动轴231、两根第一连杆232、两根第二连杆233与一根第一从动轴234，第一驱动轴231贯穿大腿21两侧侧壁且与大腿21侧壁转动连接（如图2～3所示：第一驱动轴231两端分别贯穿大腿21两侧侧壁与转动槽213），第一驱动轴231位于第二中空槽221之间的外壁固定套接两根第一连杆232且第一连杆232对称设置，两根第一连杆232远离第一驱动轴231的一端通过同一根第一从动轴234连接，第一从动轴234位于两根第一连杆232相互远离一侧侧面的外壁分别套接第二连杆233，第二连杆233远离第一从动轴234的一端套接在中心轴200外壁；第二连杆机构25包括一根第二
驱动轴251、两根第三连杆252、两根第四连杆253与一根第二从动轴254，第二驱动轴251两端分别贯穿小腿22两侧侧壁且与小腿22侧壁转动连接，第二驱动轴251位于第二中空槽221之间的外壁固定套接两根第三连杆252，两根第三连杆252远离第二驱动轴251的一端通过同一根第二从动轴254连接，第二从动轴254位于两根第三连杆252相互靠近一侧侧面的外壁分别套接第四连杆253，第四连杆253远离第二从动轴254的一端套接在中心轴200外壁；调节杆24为两根、其一端转动套接在第一驱动轴231外壁、另一端通过辅助轴242连接，且调节杆24远离第一驱动轴231的一端设置第一滑槽241；转动杆26远离大腿21的一端转动套接在第二驱动轴251外壁；第二连杆233位于两根调节杆24之间，第四连杆253位于两根第二连杆233之间。小腿22设置第二滑槽222，中心轴200（即中心轴200位于第二连杆233的两端）依次卡接在第一滑槽241与第二滑槽222内且滑动连接；所述第一滑槽241中线与第二滑槽222中线呈一定角度且该角度不小于30
°
（如图3所示，本实施例中第一滑槽241与第二滑槽222中线的角度为90～120
°
）。
27.大腿21侧壁且对应第一驱动轴231设置第一电机213、用于驱动第一驱动轴231转动；所诉小腿22侧壁且对应第二驱动轴251设置第二电机223、用于驱动第二驱动轴251转动；大腿21侧壁且对应第一驱动轴231设置第一角度传感器214，大腿21侧壁且对应转动杆26位于大腿21端的转轴设置第二角度传感器215，小腿22侧壁且对应第二驱动轴251设置第三角度传感器224，分别用于检测各个转轴的转动角度。
28.气动肌肉驱动组件10为两组，包括气动驱动器11与驱动绳12，如图1所示：气动驱动器11与大腿21远离小腿22的一端均固定设置在机架100上；且机架100上对应气动驱动器11设置滑轮组101。气动驱动器11与驱动绳12一端连接、用于控制驱动绳12的伸缩；两根驱动绳12远离气动驱动器11的一端经对应的滑轮组101后，分别与第二驱动轴251、中心轴200（或辅助轴242）连接。通过气动驱动器11控制两根驱动绳12分别进行伸长与缩短，从而控制膝关节总成20完成屈膝动作（即大腿21与小腿22之间的相对转动）。
29.工作原理：使用时，通过图1所示左侧的气动驱动器11控制其对应的驱动绳12伸长、同时通过图1所示右侧的气动驱动器11控制其对应的驱动绳12收缩，从而带动小腿22相对于大腿21进行逆时针转动；反之，当通过图1所示左侧的气动驱动器11控制其对应的驱动绳12收缩、同时通过图1所示右侧的气动驱动器11控制其对应的驱动绳12伸长，会带动小腿22相对于大腿进行顺时针转动，从而完成0～120
°
的屈膝动作。
30.通过启动第一电机213控制第一驱动轴231转动，从而通过第一连杆232、第一从动轴234与第二连杆233的配合实现中心轴200在调节杆24的第一滑槽241内的滑动，即可改变调节杆24的实际长度；通过启动第二电机223控制第二驱动轴251转动，从而通过第三连杆252、第二从动轴254与第四连杆253的配合实现中心轴200在第二滑槽222内的滑动，即可实现小腿22长度的调节。通过调节杆24的实际长度与小腿22长度的调节，控制调节杆24与转动杆26之间的交点的改变，从而完成关节瞬心的调节。
31.实施例2：作为对本技术方案的进一步优化，在实施例1的基础上，本技术还提供一种自适应可变瞬心膝关节轨迹的获取方法，采用上述人工膝关节，具体步骤为：步骤一：首先，建立人工膝关节运动学系统；
步骤二：根据运动约束建立人体膝关节理想瞬心轨迹方程；步骤三：选取实施例1中人工膝关节部件数据，如大腿21、小腿22、调节杆24、转动杆26的尺寸及关节初始运动位置等，作为优化参数；步骤四：以人体膝关节理想瞬心轨迹方程为参考建立粒子群算法的目标函数，并进行粒子群优化；优化后的结果即为人工膝关节初始结构尺寸；步骤五：保持大腿21、转动杆26和关节初始运动位置不变，以调节杆24和小腿22为优化参数，再次构建新的目标函数，进而第二次粒子群优化，即可获得人工膝关节屈膝0～120
°
过程中，调节杆24和小腿22的实际变化规律，如图7所示。
32.最终，本实施例中的自适应可变瞬心人工膝关节在屈膝过程中的瞬心轨迹与人体理想瞬心轨迹的对比结果如图8所示；由图8知晓：该人工膝关节在屈膝过程中的瞬心轨迹与人体理想瞬心轨迹具有很好的匹配度；同时调节杆24和小腿22的可调整性，能够在不同用户人腿实际瞬心轨迹有所差异的情况下进行调整，使其能够尽可能地满足绝大多数用户。
33.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。