CN101933852B

CN101933852B - 主被动运动相结合的动力膝关节

Info

Publication number: CN101933852B
Application number: CN2010102675588A
Authority: CN
Inventors: 朱金营; 王启宁; 袁克彬; 王龙
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2010-08-30
Filing date: 2010-08-30
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2030-08-30
Also published as: CN101933852A

Abstract

本发明涉及一种主被动运动相结合的动力膝关节，其特征在于：它包括一大腿连接架、一小腿连接架和一膝关节运动机构；膝关节运动机构包括一膝关节连接架、一同步带轮连接机构和一电机；电机固定连接在大腿连接架上，其输出端通过一联轴器连接一主动轴的一端，主动轴的另一端通过一主动轴轴承与大腿连接架固定连接；膝关节连接架上通过膝关节轴承固定支撑一膝关节轴，膝关节轴的两端固定连接在小腿连接架上；膝关节轴通过一膝关节轴连接键与一单向离合器的内圈固定连接，单向离合器的外圈通过同步带轮连接机构与主动轴连接。本发明可广泛应用于假肢柔性动力关节的研究，服务于残疾人事业。

Description

主被动运动相结合的动力膝关节

技术领域

本发明涉及智能仿生机械技术领域，特别是关于一种既能提供动力又能充分利用人行走时动能和惯性的主被动运动相结合的动力膝关节。

背景技术

每年因为各种自然灾难、疾病及交通事故造成下肢截肢的残疾人数以万计，其中很大一部分是大腿截肢患者。这些大腿截肢患者因失去下肢而丧失了工作能力，甚至生活不能自理。为了恢复他们的工作能力，改善他们的生活质量，他们急需要安装人工假肢。

膝关节是大腿假肢最重要的一部分，因为膝关节直接影响着截肢患者能完成的日常活动(如行走、上下台阶)、运动效率和步态的自然性。目前，传统大腿假肢的膝关节都是被动的，即膝关节均是没有动力驱动的。概括来讲，传统的大腿假肢可以分为三类：连杆结构膝关节、液压膝关节和气压膝关节。连杆结构膝关节只是从机构学上简单地模仿人的膝关节运动，这样的膝关节在穿戴行走时需要借助截肢者残肢的力量去控制膝关节的弯曲。因此，穿戴者行走非常吃力，且步态很不自然。并且由于膝关节没有动力，所以不能帮助截肢患者完成上下台阶等日常活动。液压和气压膝关节可以通过阀门等来控制膝关节的弯曲，这样确保了膝关节在负重弯曲时的安全性，即这样的膝关节可以帮助截肢患者完成下台阶等日常活动。但是由于气压缸和液压缸阻尼很大(特别是在冬天)，所以膝关节在摆腿阶段弯曲很困难，这样大大影响了穿戴者的行走效率和步态的自然性。同样，由于液压和气压膝关节都没有动力，所以不能帮助截肢患者完成上台阶等日常活动。

现在一些科研结构也开始尝试设计具有动力膝关节的大腿假肢，但是均处于摸索阶段。他们设计的膝关节主要分为四类：人造肌肉膝关节、气压驱动膝关节、液压驱动膝关节、电机驱动膝关节。人造肌肉膝关节、气压驱动膝关节和液压驱动膝关节虽然能提供足够的动力，但是体积太大、噪音太大，且控制精度低。电机驱动膝关节均是由电机直接驱动的，这样的膝关节虽然可以精确地控制膝关节的角度，但是膝关节时刻需要电机控制，步态不自然。并且由于其不能充分利用人行走时的动能和惯性，所以效率很低。

为了解决以上传统膝关节和动力膝关节的缺点，设计既能帮助截肢者上下楼梯，又能充分利用人行走时的动能和惯性的主被动相结合的动力膝关节成为迫切的需要。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种既能提供动力，又能充分利用人行走时动能和惯性的主被动相结合的动力膝关节。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种主被动运动相结合的动力膝关节，其特征在于：它包括一大腿连接架、一小腿连接架和一膝关节运动机构；所述膝关节运动机构包括一膝关节连接架、一同步带轮连接机构和一电机；所述电机固定连接在所述大腿连接架上，其输出端通过一联轴器连接一主动轴的一端，所述主动轴的另一端通过一主动轴轴承与所述大腿连接架固定连接；所述膝关节连接架上通过膝关节轴承固定支撑一膝关节轴，所述膝关节轴的两端固定连接在所述小腿连接架上；所述膝关节轴通过一膝关节轴连接键与一单向离合器的内圈固定连接，所述单向离合器的外圈通过所述同步带轮连接机构与所述主动轴连接。

所述大腿连接架包括通过螺栓固定连接在一起的大腿左挡板、大腿右挡板和大腿中间挡板；所述大腿左挡板和大腿右挡板的顶部通过螺栓固定连接一大腿接收腔连接头和一接收腔，所述接收腔和残疾人的大腿残肢固定连接；所述电机固定连接在所述大腿左挡板的侧壁上。

所述主动轴轴承的内圈与所述主动轴过盈配合，所述主动轴轴承的外圈与一主动轴轴承固定块过盈配合，所述主动轴轴承固定块与所述大腿右挡板通过螺栓固定连接。

所述小腿连接架包括通过螺栓固定连接在一起的小腿左挡板和小腿右挡板，所述小腿左挡板和小腿右挡板的底部通过螺栓固定连接一小腿连接头，所述小腿连接头和假肢小腿固定连接；所述膝关节轴的两端分别与所述小腿左挡板和小腿右挡板固定连接。

所述膝关节连接架包括通过螺栓与所述大腿中间挡板固定在一起的膝关节左挡板和膝关节右挡板。

所述膝关节轴承包括一膝关节左轴承和一膝关节右轴，所述膝关节左轴承和膝关节右轴承的内圈与所述膝关节轴过盈配合，外圈分别与一膝关节轴轴承固定块过盈配合，所述膝关节轴轴承固定块与所述膝关节左挡板和膝关节右挡板通过螺栓固定连接。

所述同步带轮连接机构包括一主动轴同步带轮、一膝关节同步带轮和一同步带；所述主动轴同步带轮通过一主动轴连接键与所述主动轴固定连接，所述膝关节同步带轮固定连接所述单向离合器的外圈；所述同步带连接所述主动轴同步带轮和膝关节同步带轮。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明在人行走时的摆腿阶段能够充分利用人的动能和惯性，不但步态自然，而且大大提高了行走效率。2、本发明在负重弯曲(如下台阶)时，电机慢速正转来控制膝关节慢速地负重弯曲，使截肢者可以安全的下楼梯。在负重弯曲时，膝关节所需要的阻抗扭矩不是由电机提供的，而是由单向离合器的单向自锁特性提供的，这样大大提高了电机的能量效率。3、本发明在负重伸直(如上台阶)时，电机慢速反转，驱动膝关节负重伸直。在此过程中，电机可以为膝关节提供足够的动力，帮助截肢者完成上台阶等日常活动。当膝关节在惯性或动能作用下快速伸直时，可以超越单向离合器的外圈的反转转速，使膝关节及小腿摆动更加自然，且使行走时的动能和惯性得到充分的利用。4、本发明具有一定的柔性，具有一定的抗冲击性。本发明可广泛应用于假肢柔性动力关节的研究，服务于残疾人事业。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图

图2是图1的A-A向剖视图

图3是图1的俯视图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1～图3所示，本发明包括一大腿连接架1、一小腿连接架2和一膝关节运动机构3。大腿连接架1包括通过螺栓固定连接在一起的大腿左挡板11、大腿右挡板12和大腿中间挡板13，大腿左挡板11和大腿右挡板12的顶部通过螺栓固定连接一大腿接收腔连接头14，大腿接收腔连接头14和一接收腔(图中未示出)固定连接，接收腔和残疾人的大腿残肢固定连接。

小腿连接架2包括通过螺栓固定连接在一起的小腿左挡板21和小腿右挡板22，小腿左挡板21和小腿右挡板22的底部通过螺栓固定连接一小腿连接头23，小腿连接头23和假肢小腿(图中未示出)固定连接。

膝关节运动机构3包括一膝关节连接架31、一同步带轮连接机构32和一电机33。膝关节连接架31包括通过螺栓与大腿中间挡板13固定在一起的膝关节左挡板311和膝关节右挡板312。同步带轮连接机构32包括一主动轴同步带轮321、一膝关节同步带轮322和一同步带323。主动轴同步带轮321通过一主动轴连接键4与一主动轴34固定连接，主动轴34的一端与一主动轴轴承35的内圈过盈配合，主动轴轴承35的外圈与一主动轴轴承固定块36过盈配合，主动轴轴承固定块36和大腿右挡板12通过螺栓固定连接。主动轴34的另一端通过一联轴器5与电机33的输出端固定连接，电机33固定连接在大腿左挡板11的的侧壁上。膝关节同步带轮322固定连接一单向离合器37的外圈，单向离合器37的内圈通过一膝关节轴连接键4′与一膝关节轴38固定连接。膝关节轴38分别与一膝关节左轴承39和一膝关节右轴承39′的内圈过盈配合，膝关节左轴承39和膝关节右轴承39′的外圈分别与一膝关节轴轴承固定块36′过盈配合，膝关节轴轴承固定块36′与膝关节左挡板311和膝关节右挡板312通过螺栓固定连接。膝关节轴38的两端分别通过螺栓与小腿左挡板21和小腿右挡板22固定连接。同步带323连接主动轴同步带轮321和膝关节同步带轮322。

本发明在使用时，其运动原理如下：

膝关节弯曲：

当电机33正转时，通过联轴器5将转动传递给主动轴34；主动轴34通过主动轴接键4驱动主动轴同步带轮321；主动轴同步带轮321将运动传递给同步带323；同步带323驱动膝关节同步带轮322；膝关节同步带轮322带动单向离合器37的外圈正转。单向离合器37的内圈在膝关节轴38，小腿左、右挡板21、22，假肢小腿(图中未示出)的惯性和动能及外力的作用下正转。由于单向离合器37的单向自锁特性，单向离合器37的内圈的转动速度等于或小于外圈的转动速度。

当膝关节负重弯曲(如下台阶)时，电机33慢速正转来控制膝关节慢速地负重弯曲，确保了人在负重弯曲时的安全性。在负重弯曲时，膝关节所需要的阻抗扭矩不是由电机33提供的，而是由单向离合器37的单向自锁特性提供的，这样大大提高了电机33的能量效率。

当膝关节在摆腿弯曲(如人行走时的摆腿弯曲)时，电机33可以快速正转，确保膝关节能够快速顺畅的弯曲。

膝关节伸直：

当电机33反转时，通过联轴器5将转动传递给主动轴34；主动轴34通过主动轴连接键4驱动主动轴同步带轮321；主动轴同步带轮321将运动传递给同步带323；同步带323驱动膝关节同步带轮322；膝关节同步带轮322带动单向离合器37的外圈反转。由于单向离合器37的单向特性，内圈在外圈的驱动下一起反转，并通过膝关节轴连接键4′带动膝关节轴38及假肢小腿(图中未示出)一起转动，从而使膝关节伸直。单向离合器37的内圈的反转速度可以等于或大于外圈的反转速度。

当膝关节负重伸直(如上台阶)时，电机33慢速反转，驱动膝关节负重伸直。在此过程中，电机33可以为膝关节提供足够的动力。

当膝关节摆腿伸直(如行走时摆腿伸直)时，电机33反转，驱动膝关节伸直，当膝关节在惯性或动能作用下快速伸直时，可以超越单向离合器37的外圈的反转转速，使膝关节及小腿摆动更加自然，且使行走时的动能和惯性得到充分的利用。

本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置、及其连接都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims

1.一种主被动运动相结合的动力膝关节，其特征在于：它包括一大腿连接架、一小腿连接架和一膝关节运动机构；所述膝关节运动机构包括一膝关节连接架、一同步带轮连接机构和一电机；所述电机固定连接在所述大腿连接架上，其输出端通过一联轴器连接一主动轴的一端，所述主动轴的另一端通过一主动轴轴承与所述大腿连接架固定连接；所述膝关节连接架上通过膝关节轴承固定支撑一膝关节轴，所述膝关节轴的两端固定连接在所述小腿连接架上；所述膝关节轴通过一膝关节轴连接键与一单向离合器的内圈固定连接，所述单向离合器的外圈通过所述同步带轮连接机构与所述主动轴连接；所述同步带轮连接机构包括一主动轴同步带轮、一膝关节同步带轮和一同步带；所述主动轴同步带轮通过一主动轴连接键与所述主动轴固定连接，所述膝关节同步带轮固定连接所述单向离合器的外圈；所述同步带连接所述主动轴同步带轮和膝关节同步带轮。

2.如权利要求1所述的主被动运动相结合的动力膝关节，其特征在于：所述大腿连接架包括通过螺栓固定连接在一起的大腿左挡板、大腿右挡板和大腿中间挡板；所述大腿左挡板和大腿右挡板的顶部通过螺栓固定连接一大腿接收腔连接头和一接收腔，所述接收腔和残疾人的大腿残肢固定连接；所述电机固定连接在所述大腿左挡板的侧壁上。

3.如权利要求2所述的主被动运动相结合的动力膝关节，其特征在于：所述主动轴轴承的内圈与所述主动轴过盈配合，所述主动轴轴承的外圈与一主动轴轴承固定块过盈配合，所述主动轴轴承固定块与所述大腿右挡板通过螺栓固定连接。

4.如权利要求2或3所述的主被动运动相结合的动力膝关节，其特征在于：所述小腿连接架包括通过螺栓固定连接在一起的小腿左挡板和小腿右挡板，所述小腿左挡板和小腿右挡板的底部通过螺栓固定连接一小腿连接头，所述小腿连接头和假肢小腿固定连接；所述膝关节轴的两端分别与所述小腿左挡板和小腿右挡板固定连接。

5.如权利要求2或3所述的主被动运动相结合的动力膝关节，其特征在于：所述膝关节连接架包括通过螺栓与所述大腿中间挡板固定在一起的膝关节左挡板和膝关节右挡板。

6.如权利要求4所述的主被动运动相结合的动力膝关节，其特征在于：所述膝关节连接架包括通过螺栓与所述大腿中间挡板固定在一起的膝关节左挡板和膝关节右挡板。

7.如权利要求5所述的主被动运动相结合的动力膝关节，其特征在于：所述膝关节轴承包括一膝关节左轴承和一膝关节右轴承，所述膝关节左轴承和膝关节右轴承的内圈与所述膝关节轴过盈配合，外圈分别与一膝关节轴轴承固定块过盈配合，所述膝关节轴轴承固定块与所述膝关节左挡板和膝关节右挡板通过螺栓固定连接。

8.如权利要求6所述的主被动运动相结合的动力膝关节，其特征在于：所述膝关节轴承包括一膝关节左轴承和一膝关节右轴承，所述膝关节左轴承和膝关节右轴承的内圈与所述膝关节轴过盈配合，外圈分别与一膝关节轴轴承固定块过盈配合，所述膝关节轴轴承固定块与所述膝关节左挡板和膝关节右挡板通过螺栓固定连接。