專利名稱：主動型仿生踝關(guān)節(jié)假肢的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種仿生結(jié)構(gòu)，特別涉及一種主動型仿生踝關(guān)節(jié)假肢。
背景技術(shù)：
人體踝關(guān)節(jié)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)決定其運(yùn)動形式包括矢狀面內(nèi)的屈伸運(yùn)動、額狀面內(nèi)的 內(nèi)外翻運(yùn)動及水平面內(nèi)的內(nèi)外旋運(yùn)動。人體踝關(guān)節(jié)屬于滑車關(guān)節(jié)，在正常的步行運(yùn)動中，踝 關(guān)節(jié)的仿生距骨在踝窩中的放置中心是不斷改變的，其運(yùn)動軌跡呈橢圓形，踝關(guān)節(jié)的活動 軸線具有一定傾斜度，并經(jīng)常處在變化中。步行運(yùn)動時(shí)，踝關(guān)節(jié)瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心落在仿生距骨 體附近一個(gè)小范圍內(nèi)。踝關(guān)節(jié)的主要運(yùn)動為矢狀面內(nèi)的屈伸，而內(nèi)外旋及內(nèi)外翻運(yùn)動幅度 相對較小。因此，在設(shè)計(jì)踝關(guān)節(jié)假肢時(shí)，主要提供矢狀面的屈伸活動，并且具有一固定的旋 轉(zhuǎn)中心和旋轉(zhuǎn)軸，同時(shí)又設(shè)計(jì)成非制約式，能夠進(jìn)行一定程度的微側(cè)向活動和旋轉(zhuǎn)活動。基于踝關(guān)節(jié)自身的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特性，研制一款接近于人體踝關(guān)節(jié)運(yùn)動功能的 仿生型踝關(guān)節(jié)，考慮主動控制和被動控制相結(jié)合的方式。能夠更好的滿足殘疾人患者對下 肢踝關(guān)節(jié)假肢的需求，保證患者以正確的方式自由的行走和穩(wěn)定的站立。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的，就是為了解決上述問題，提供一種主動型仿生踝關(guān)節(jié)假肢。本實(shí)用新型的目的通過以下的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)一種主動型仿生踝關(guān)節(jié)假肢，其 包括腳板；踝關(guān)節(jié)座，連接在腳板上，其前部設(shè)有導(dǎo)引槽；轉(zhuǎn)動軸，安裝在踝關(guān)節(jié)座上；仿生距骨，安裝在轉(zhuǎn)動軸上；第一桿端關(guān)節(jié)，套裝在仿生距骨上并與仿生距骨之間留有間隙；第一屈伸桿，下端與第一桿端關(guān)節(jié)相連，上端用于與小腿相連，中間設(shè)有一段平面 齒條；第二桿端關(guān)節(jié)，下端連接有滾動軸，滾動軸兩端連接有滾動軸承，滾動軸承設(shè)置在 踝關(guān)節(jié)座的導(dǎo)引槽內(nèi)并可沿導(dǎo)引槽前后移動；第二屈伸桿，連接在第二桿端關(guān)節(jié)的上方；電機(jī)支座，安裝在第一屈伸桿的上部；步進(jìn)電機(jī)，安裝在電機(jī)支座上；絲桿傳動機(jī)構(gòu)，上端與電機(jī)主軸傳動相連，下端與第二屈伸桿相連并可帶動第二 屈伸桿作上下屈伸運(yùn)動；屈伸桿定位連接件，連接在第一屈伸桿和第二屈伸桿之間將第一屈伸桿和第二屈 伸桿之間的橫向距離定位固定，并與第一屈伸桿固定相連、與第二屈伸桿滑動相連；非線性壓簧機(jī)構(gòu)，下端固定在轉(zhuǎn)動軸上，上端卡在第一屈伸桿兩側(cè)的屈伸桿定位連接件上；齒輪座，安裝在第二屈伸桿上；齒輪，安裝在齒輪座上并與第一屈伸桿的平面齒條嚙合傳動相連，齒輪的運(yùn)動帶 動第一屈伸桿作上下屈伸運(yùn)動；角度傳感器，共兩個(gè)分別設(shè)置在轉(zhuǎn)動軸的兩端；數(shù)據(jù)采集機(jī)構(gòu)，與角度傳感器電信相連；數(shù)據(jù)控制機(jī)構(gòu)，與步進(jìn)電機(jī)電信相連。所述的絲桿傳動機(jī)構(gòu)包括絲桿和絲桿螺母，絲桿的上端與電機(jī)主軸相連，下端與 絲桿螺母螺紋連接，絲桿螺母固定在第二屈伸桿的上端。所述的非線性壓簧機(jī)構(gòu)包括成對對稱設(shè)置的兩個(gè)壓簧座和兩個(gè)壓簧，兩個(gè)壓簧座 分別固定在轉(zhuǎn)動軸的兩端，兩個(gè)壓簧的一端分別連接在對應(yīng)位置的壓簧座上，另一端分別 連接在屈伸桿定位連接件的兩側(cè)。本實(shí)用新型利用步進(jìn)電機(jī)與絲桿連接帶動滾子做上下運(yùn)動實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動，導(dǎo) 引槽保證絲桿帶動關(guān)節(jié)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時(shí)有足夠的水平移動，桿端關(guān)節(jié)可以提供多自由度的關(guān) 節(jié)運(yùn)動，非線性壓簧機(jī)構(gòu)保證踝關(guān)節(jié)在做屈伸運(yùn)動時(shí)的穩(wěn)定性，角度傳感器提供角度變化 的反饋信號，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)接近正常人體踝關(guān)節(jié)角度變化的運(yùn) 動規(guī)律。本實(shí)用新型是一款能方便提供主動力的主動型仿生踝關(guān)節(jié)假肢，采用主動控制與 被動控制相結(jié)合的方式，有利于降低能量損耗，并且能實(shí)現(xiàn)接近正常人體踝關(guān)節(jié)角度變化 的運(yùn)動規(guī)律，同時(shí)滿足人體踝關(guān)節(jié)運(yùn)動時(shí)具有靈活性和穩(wěn)定性的要求。

圖1是本實(shí)用新型主動型仿生踝關(guān)節(jié)假肢的立體結(jié)構(gòu)主視圖；圖2是本實(shí)用新型的側(cè)視結(jié)構(gòu)(不含腳板)示意圖；圖3是本實(shí)用新型的局部結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施例，對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。參見圖1，配合參見圖2、圖3。本實(shí)用新型的主動型仿生踝關(guān)節(jié)假肢，包括腳板1、 踝關(guān)節(jié)座2、轉(zhuǎn)動軸3、仿生距骨4、第一桿端關(guān)節(jié)5、第一屈伸桿6、第二桿端關(guān)節(jié)7、第二屈 伸桿8、電機(jī)支座9、步進(jìn)電機(jī)10、絲桿傳動機(jī)構(gòu)11、屈伸桿定位連接件12、非線性壓簧機(jī)構(gòu) 13、齒輪座14、齒輪15、角度傳感器16、數(shù)據(jù)采集機(jī)構(gòu)17和數(shù)據(jù)控制機(jī)構(gòu)18。踝關(guān)節(jié)座2連接在腳板1上，其前部設(shè)有導(dǎo)引槽21。轉(zhuǎn)動軸3活動安裝在踝關(guān)節(jié)座2上并向兩端伸出。仿生距骨4安裝在轉(zhuǎn)動軸3上。第一桿端關(guān)節(jié)5套裝在仿生距骨4上并與仿生距骨4之間留有間隙。第一屈伸桿6的下端與第一桿端關(guān)節(jié)5相連，上端用于與小腿相連，中間設(shè)有一段 平面齒條61。第二桿端關(guān)節(jié)7的下端連接有滾動軸71，滾動軸71兩端連接有滾動軸承72，滾動軸承72設(shè)置在踝關(guān)節(jié)座的導(dǎo)引槽21內(nèi)并可沿導(dǎo)引槽前后移動。第二屈伸桿8連接在第二桿端關(guān)節(jié)7的上方。電機(jī)支座9安裝在第一屈伸桿6的上部。步進(jìn)電機(jī)10安裝在電機(jī)支座9上，其電機(jī)主軸向下方伸出。絲桿傳動機(jī)構(gòu)11包括絲桿111和絲桿螺母112，絲桿111的上端與電機(jī)主軸相連， 下端與絲桿螺母112螺紋連接，絲桿螺母固定在第二屈伸桿8的上端。絲桿傳動機(jī)構(gòu)11可 帶動第二屈伸桿8作上下屈伸運(yùn)動。屈伸桿定位連接件12連接在第一屈伸桿6和第二屈伸桿8之間將第一屈伸桿和 第二屈伸桿之間的橫向距離定位固定，并與第一屈伸桿6固定相連、與第二屈伸桿8滑動相 連。非線性壓簧機(jī)構(gòu)13包括成對對稱設(shè)置的兩個(gè)壓簧座131和兩個(gè)壓簧132，兩個(gè)壓 簧座131分別固定在轉(zhuǎn)動軸3的兩端，兩個(gè)壓簧132的一端分別連接在對應(yīng)位置的壓簧座 131上，另一端分別連接在第一屈伸桿兩側(cè)的屈伸桿定位連接件12上。齒輪座14安裝在第二屈伸桿8上。齒輪15安裝在齒輪座14上并與第一屈伸桿6的平面齒條61嚙合傳動相連，齒輪 15的運(yùn)動帶動第一屈伸桿6作上下屈伸運(yùn)動。角度傳感器16共兩個(gè)分別安裝在相應(yīng)的傳感器支架161上，并設(shè)置在轉(zhuǎn)動軸3的兩端。數(shù)據(jù)采集機(jī)構(gòu)17與角度傳感器16電信相連。數(shù)據(jù)控制機(jī)構(gòu)18與步進(jìn)電機(jī)10電信相連。本實(shí)用新型利用步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動力通過絲桿的旋轉(zhuǎn)作用實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動，導(dǎo)引 槽保證步進(jìn)電機(jī)絲桿帶動關(guān)節(jié)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時(shí)有足夠的水平移動，桿端關(guān)節(jié)可以提供多自由 度的關(guān)節(jié)運(yùn)動，非線性壓簧機(jī)構(gòu)保證踝關(guān)節(jié)在做屈伸運(yùn)動時(shí)的穩(wěn)定性。踝關(guān)節(jié)運(yùn)動角度變 化的反饋信號由角度傳感器提供，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)接近正常人體 踝關(guān)節(jié)角度變化的運(yùn)動規(guī)律。本實(shí)用新型中的導(dǎo)引槽的最大設(shè)計(jì)行程為5. 17mm ；絲桿的行程為30. 05mm。它們 的作用是限制踝關(guān)節(jié)背屈和拓屈的轉(zhuǎn)動角度在人體踝關(guān)節(jié)正常生理范圍之內(nèi)。在腳板著地以后，由于路況的原因使得腳板兩側(cè)受到不平衡力，第二桿端關(guān)節(jié)7 可以提供冠狀面的關(guān)節(jié)運(yùn)動，非線性壓簧機(jī)構(gòu)13通過轉(zhuǎn)動軸3與第一桿端關(guān)節(jié)5連接，兩 個(gè)壓簧132在壓簧座131上通過調(diào)整自身的收縮度來調(diào)整角度變化大小以及壓簧回復(fù)力的 大小，保證其在矢狀面內(nèi)平穩(wěn)運(yùn)動的同時(shí)也能在其他方向分運(yùn)動。
權(quán)利要求1.一種主動型仿生踝關(guān)節(jié)假肢，其特征在于包括 腳板；踝關(guān)節(jié)座，連接在腳板上，其前部設(shè)有導(dǎo)引槽； 轉(zhuǎn)動軸，安裝在踝關(guān)節(jié)座上； 仿生距骨，安裝在轉(zhuǎn)動軸上；第一桿端關(guān)節(jié)，套裝在仿生距骨上并與仿生距骨之間留有間隙； 第一屈伸桿，下端與第一桿端關(guān)節(jié)相連，上端用于與小腿相連，中間設(shè)有一段平面齒條；第二桿端關(guān)節(jié)，下端連接有滾動軸，滾動軸兩端連接有滾動軸承，滾動軸承設(shè)置在踝關(guān) 節(jié)座的導(dǎo)引槽內(nèi)并可沿導(dǎo)引槽前后移動；第二屈伸桿，連接在第二桿端關(guān)節(jié)的上方； 電機(jī)支座，安裝在第一屈伸桿的上部； 步進(jìn)電機(jī)，安裝在電機(jī)支座上；絲桿傳動機(jī)構(gòu)，上端與電機(jī)主軸傳動相連，下端與第二屈伸桿相連并可帶動第二屈伸 桿作上下屈伸運(yùn)動；屈伸桿定位連接件，連接在第一屈伸桿和第二屈伸桿之間將第一屈伸桿和第二屈伸桿 之間的橫向距離定位固定，并與第一屈伸桿固定相連、與第二屈伸桿滑動相連；非線性壓簧機(jī)構(gòu)，下端固定在轉(zhuǎn)動軸上，上端卡在第一屈伸桿兩側(cè)的屈伸桿定位連接 件上；齒輪座，安裝在第二屈伸桿上；齒輪，安裝在齒輪座上并與第一屈伸桿的平面齒條嚙合傳動相連，齒輪的運(yùn)動帶動第 一屈伸桿作上下屈伸運(yùn)動；角度傳感器，共兩個(gè)分別設(shè)置在轉(zhuǎn)動軸的兩端； 數(shù)據(jù)采集機(jī)構(gòu)，與角度傳感器電信相連； 數(shù)據(jù)控制機(jī)構(gòu)，與步進(jìn)電機(jī)電信相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的主動型仿生踝關(guān)節(jié)假肢，其特征在于所述的絲桿傳動機(jī)構(gòu) 包括絲桿和絲桿螺母，絲桿的上端與電機(jī)主軸相連，下端與絲桿螺母螺紋連接，絲桿螺母固 定在第二屈伸桿的上端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的主動型仿生踝關(guān)節(jié)假肢，其特征在于所述的非線性壓簧機(jī) 構(gòu)包括成對對稱設(shè)置的兩個(gè)壓簧座和兩個(gè)壓簧，兩個(gè)壓簧座分別固定在轉(zhuǎn)動軸的兩端，兩 個(gè)壓簧的一端分別連接在對應(yīng)位置的壓簧座上，另一端分別連接在屈伸桿定位連接件的兩 側(cè)。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種主動型仿生踝關(guān)節(jié)假肢，它包括腳板、踝關(guān)節(jié)座、轉(zhuǎn)動軸、仿生距骨、第一桿端關(guān)節(jié)、第一屈伸桿、第二桿端關(guān)節(jié)、第二屈伸桿、電機(jī)支座、步進(jìn)電機(jī)、絲桿傳動機(jī)構(gòu)、屈伸桿定位連接件、非線性壓簧機(jī)構(gòu)、齒輪座、齒輪、角度傳感器、數(shù)據(jù)采集機(jī)構(gòu)和數(shù)據(jù)控制機(jī)構(gòu)。本實(shí)用新型是一款能方便提供主動力的主動型仿生踝關(guān)節(jié)假肢，采用主動控制與被動控制相結(jié)合的方式，有利于降低能量損耗，并且能實(shí)現(xiàn)接近正常人體踝關(guān)節(jié)角度變化的運(yùn)動規(guī)律，同時(shí)滿足人體踝關(guān)節(jié)運(yùn)動時(shí)具有靈活性和穩(wěn)定性的要求。
文檔編號A61F2/70GK201814690SQ20102053550
公開日2011年5月4日 申請日期2010年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月19日
發(fā)明者尚昆, 曹帥, 沈力行, 王禎祥, 趙偉欽, 趙改平, 郭丹, 阮超, 陳二云 申請人:上海理工大學(xué)