CN103271783B - 一种具有助力功能的假肢膝关节 - Google Patents
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Abstract
本发明属于生物医学工程和康复辅具技术领域，特别涉及一种具有助力功能的假肢膝关节。该假肢膝关节的上端与假肢接收腔连接，下端通过小腿连接杆、踝关节与脚板连接，包括做为假肢关节功能性组件的固定气缸多轴假肢膝关节组件、做为假肢关节智能性组件的气缸节流阀开度控制机构、做为假肢关节主动供能组件的膝关节助力伸展驱动机构三大部分。本发明在功能上能够实现智能主动控制，稳定性好，噪声小，能够适应更多的地形特点，能够帮助截肢患者自主坐起，自主交替上下楼梯等功能，兼顾被动式和主动式假肢膝关节的功能优势。
Description
技术领域
本发明属于生物医学工程和康复辅具技术领域，涉及一种假肢膝关节，特别涉及一种由电机驱动丝杠和弹簧推动气缸活塞运动的具有助力功能的假肢膝关节。
背景技术
大腿假肢按照驱动方式区分可以分为两种类型：一种是以截肢患者残端为动力源的被动式大腿假肢，一种是由外部动力源驱动关节屈伸的主动式大腿假肢。目前市场上大部分大腿假肢为被动式，被动式大腿假肢又可分为普通型和智能型两种。普通型被动式大腿假肢膝关节阻尼力矩大小在安装时设定，难以适应步速等外部环境的变化。智能型被动式大腿假肢通过具有自适应功能的阻尼器，当步速等外部环境变化时，假肢关节阻尼力矩动态调节使得假肢侧能够快速响应健侧步态及外部环境的变化，具有很好的动态跟随性和步态对称性。主动式大腿假肢由外部动力源为假肢膝关节提供伸缩力矩，控制假肢膝关节的屈伸，因此实现被动式大腿假肢难以实现的功能，如可以不借助其它力量站起来，以交替步伐上楼梯等。
专利US6764520B2发明了一种磁流变智能型被动式下肢假肢，其核心技术为磁流变液假肢膝关节。该关节利用磁流变液可以通过调整电磁场大小控制液体的粘度实现对假肢膝关节阻尼力矩的自适应控制。专利US201100873391A1发明了一种液压缸式的智能型被动式下肢假肢膝关节，利用微电机调节液压节流阀开口大小实现对假肢膝关节阻尼力矩的自适应控制。专利CN101336849A发明了一种气缸固定式四杆机构假肢膝关节，通过微型直线电机调节节流阀开口大小实现对假肢膝关节阻尼力矩的自适应控制。由于气体的可压缩性比液体大，因此通常气缸的假肢膝关节只能控制摆动期的步态，液压缸的假肢膝关节即可控制摆动期，也可以控制支撑期的步态。专利US20100312363A1发明了一种具有拮抗肌和反拮抗肌功能的主动式下肢假肢膝关节，该假肢膝关节由两个电机控制膝关节的屈伸运动，能够为关节运动提供动力，实现交替步伐上楼梯等功能。
综上所述，被动式智能大腿假肢在平地行走时具有较好的步态跟随性和对称性，且体积和噪声都很小。主动式大腿假肢关节因驱动电机的功率很大，使得电池和噪声都较大。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种具有助力功能的假肢膝关节，它不仅具备被动式智能大腿假肢在平地行走时良好的步态对称性和步态跟随性，也具备主动式假肢膝关节能够交替上楼梯和不借助外力站起来的优点。本发明兼顾被动式和主动式假肢膝关节的功能优势，克服主动式大腿假肢能耗大，噪声大等缺点。
为了达到上述目的，采用的技术方案为：
该假肢膝关节的上端与假肢接收腔连接，下端通过小腿连接杆、踝关节与脚板连接，包括固定气缸多轴假肢膝关节组件、气缸节流阀开度控制机构、膝关节助力伸展驱动机构三大部分；
所述固定气缸多轴假肢膝关节组件由上关节体、关节前臂、关节后臂、气缸及其相关零部件组成；上关节体与假肢接收腔相连，关节前臂和关节后臂分别与上关节体、气缸连接，共同组成铰链多杆机构；气缸内设置活塞和可压缩弹簧，活塞的输出端为活塞支柱，通过螺纹与上关节体连接固定；活塞在气缸中往复运动，进而推动上关节体屈伸运动，活塞向下运动，可压缩弹簧被压缩，储存能量，活塞向上运动，被压紧的可压缩弹簧被释放，释放能量，关节转动并带动关节从屈曲状态变为伸展状态；可压缩弹簧在假肢组件中起到了助力弹簧的作用；
所述气缸节流阀开度控制机构由直线电机和节流阀组成；节流阀为针式节流阀，其阀头部分为圆锥形，***气缸进气口中；直线电机推动节流阀进行直线往复运动，阀头***气缸进气口的深度往复变化，使进气口的开合程度不断变化，进而调节气体的阻尼大小；气体阻尼大小跟气缸进（出）气口的开合程度有关，开口越大，气体阻尼越小，开口越小，气体阻尼越大。
所述膝关节助力伸展驱动机构包括直流无刷电机、齿轮传动组件、丝杠、气缸下端盖，其下端通过小腿端盖组件与小腿连接杆连接，为假肢提供外力；丝杠与直流无刷电机的输出端相连，将电机的旋转运动转换为直线往复运动；丝杠螺母通过导向杆与气缸下端盖连为一体，当直流无刷电机转动时，丝杠螺母推动气缸下端盖，进而压缩气缸中的可压缩弹簧，可压缩弹簧推动活塞在气缸中做直线往复运动，推动上关节体运动。
所述膝关节助力伸展驱动机构的直流无刷电机采用Maxon EC30高功率直流无刷电机。
所述固定气缸多轴假肢膝关节组件中的活塞由活塞体、密封圈、活塞支柱、活塞直杆和活塞弯杆组成；活塞直杆和活塞弯杆通过螺纹连接或过盈配合固定为一体，活塞弯杆的上端与活塞支柱形成铰链连接。
本发明的有益效果为：
本发明中，固定气缸多轴假肢膝关节组件为假肢关节功能性组件，气缸节流阀开度控制机构组件为假肢关节智能性组件，膝关节助力伸展驱动机构组件为假肢关节主动供能组件。该假肢膝关节特点鲜明，功能完备，在功能上能够实现智能主动控制，稳定性好，噪声小，能够适应更多的地形特点，能够帮助截肢患者自主坐起，自主交替上下楼梯等功能，兼顾被动式和主动式假肢膝关节的功能优势。
附图说明
图1（a）和图1（b）分别是本发明的轴测图和假肢外观示意图；
图2（a）和图2（b）是本发明的主视图和侧视图；
图3是多轴膝关节及气缸相关零部件的***图；
图4（a）、图4（b）分别是假肢关节特殊角度示意图；
图5是气缸及其相关零部件***图；
图6（a）和图6（b）分别是气缸节流阀开度控制机构组件示意图及图中区域A的局部放大图；
图7（a）和图7（b）分别是膝关节助力伸展驱动机构组件的剖视图和***图；
附图标记说明：
1-多轴膝关节；2-气缸；3-关节屈伸助力组件；4-小腿端盖组件；5-气缸节流阀开度控制机构组件；6-假肢接收腔；7-小腿连接杆；8-踝关节；9-脚板；11-上关节体；12-关节前臂；13-关节后臂；14-活塞支柱；15-活塞弯杆；16-活塞直杆；21-气缸缸体；22-气缸上端盖；23-活塞；24-可压缩弹簧；25-气孔塞；31-小腿腔；32-助伸电机；33-气缸下端盖；34-丝杠；35-丝杠导杆；36-圆螺母；37-丝杠轴深沟球轴承；41-小腿端盖；42-丝杠端齿轮；43-介轮；44-电机端齿轮；45-小轴；46-齿轮轴深沟球轴承；47-小腿端盖螺栓；51-针阀；52-直线电机；111-前臂上铰链轴组件；112-后臂上铰链轴组件；121-关节前臂螺栓；141-活塞支柱固定螺栓；142-销轴；151-活塞弯杆轴承；211-前臂下铰链轴组件；212-后臂下铰链轴组件；213-端盖定位螺栓；231-活塞底部螺栓；232-活塞X型密封圈；233-活塞导向环；331-端盖X型密封圈；332-端盖导向环。
具体实施方式
本发明提供了一种具有助力功能的假肢膝关节，下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细的说明。
本发明的整体结构如图1（a）和图1（b）所示，由多轴膝关节1、气缸2、关节屈伸助力组件3、小腿端盖组件4、气缸节流阀开度控制机构组件5、假肢接收腔6、小腿连接杆7、踝关节8和脚板9等组装而成。其中多轴膝关节1和气缸2构成了固定气缸多轴假肢膝关节组件。
结合图2（a）和图2（b），上关节体11和假肢接收腔6通过标准件固连在一起，接收腔用于穿戴在截肢患者残端上，接收腔的型号因残端的形状和尺寸而定。小腿端盖41与小腿连接杆7通过特定接头固连在一起，小腿连接杆7与脚板9铰接在一起形成踝关节8。本发明只给出接收腔6，小腿连接杆7，踝关节8和脚板9的示意图，具体结构不做详细讨论。
人体正常膝关节和腿的结构复杂，假肢的设计目标之一是能够更加真实的模拟正常关节的步态特征，首要条件是需要模拟关节的运动瞬心。所以，本发明采用固定气缸多轴假肢膝关节组件来实现这一功能，使假肢步态更接近于正常步态。固定气缸多轴假肢膝关节组件由多轴膝关节1和气缸及其相关零部件2组成。
相对于单轴膝关节，多轴膝关节的运动瞬心实时变化，通过这一特点，本发明对杆长进行设计，使其能够更加真实的模拟正常人体膝关节的运动。本发明中的四杆机构膝关节的角度变化范围为0°～135°。运动瞬心与正常膝关节瞬心高度一致。多轴膝关节1（如四杆机构膝关节）主要由上关节体11、关节前臂12、关节后臂13和气缸缸体21组成。上关节体11和关节前臂12通过前臂上铰链轴组件111（空心轴和滚针轴承的组合）形成铰链，关节前臂螺栓121穿过铰链轴防止关节前臂与上关节体脱开。上关节体11和关节后臂13通过后臂上铰链轴组件112形成四杆机构的另外一个铰链。关节前臂12和关节后臂13分别通过前臂下铰链轴组件211和后臂下铰链轴组件212与气缸缸体21形成铰链。四杆机构的原动件为上关节体11，通过用活塞支柱螺栓141固连在上关节体11上的活塞支柱14与气缸中的活塞组件相连。活塞支柱14和活塞弯杆15通过销轴142和活塞弯杆轴承151形成铰链，同时，活塞弯杆15和活塞直杆16通过销轴142和活塞弯杆轴承151也形成一个铰链。将活塞直杆16下端穿过带有圆形密封圈气缸上端盖22，并通过活塞底部螺栓231与活塞23固连在一起。通过上述连接，当活塞23在汽缸中运动时，便可推动上关节体11绕铰链转动，气缸缸体21便成为四杆机构的机架，上关节体11为原动件。
端盖定位螺栓213将气缸上端盖22固定在气缸壁上。采用○型密封圈进行密封。活塞23与活塞直杆16固连在一起形成的活塞组件从气缸上端盖22的中心孔中穿过。将可压缩弹簧24置于活塞23之下，在支撑相，弹簧压缩储能，保持支撑相稳定性，并在支撑相末期伸展，释放能量，在本发明中起到了助力功能。图1（b）、图4（a）和图4（b）给出了膝关节转动的三个特殊位置的示意图：分别为膝关节角度（大腿与小腿之间的夹角）0°、90°和135°时的位置示意图。
活塞23和气缸下端盖33需要在气缸中运动，所以需要进行导向和动密封。本发明采用活塞X型密封圈232进行动密封，采用活塞导向环233进行导向，采用气孔塞对气路进行密封。
气缸缸壁上分别开有进气孔和出气孔。进气孔和出气孔均为细长小孔，为了方便加工，本发明将其设计为通孔。与外界相通的孔洞用气孔塞25堵住进行密封。
一个步态周期可以分为支撑相和摆动相两个阶段。支撑相为脚与地面接触的过程，摆动相为小腿自由摆动的过程。其中支撑相为整个步态周期的前60%左右，摆动相为步态周期的后40%。由于大小腿多组肌肉的协同作用，小腿绕大腿的旋转运动并非自由旋转，并按照一定的运动规律转动。为了模拟这种特殊的运动规律，本发明通过可调节气体阻尼的气缸节流阀开度控制机构组件来实现健侧步态跟随功能。气体阻尼大小跟气缸进（出）气口的开合程度有关，开口越大，气体阻尼越小，开口越小，气体阻尼越大。图5是气缸及其相关零部件***图；图6（a）和图6（b）分别是气缸节流阀开度控制机构组件示意图及图中区域A的局部放大图。气缸节流阀开度控制机构组件由针阀51和直线电机52组成。直线电机52通过自身螺纹旋入关节组件中气缸缸体一侧的螺纹孔中。直线电机52的主轴和针阀51通过成形连接固连在一起，图6中的局部放大剖视图A表示针阀与气孔的相对位置关系。直线电机52推动针阀51前进，节流面积逐渐减小，关节组件中的气缸阻尼逐渐增大，以提供足够的支撑力，协同关节组件中多轴关节瞬心的位置特征，保证了支撑相的稳定性。支撑相结束后，步态周期进入摆动相，直线电机52带动针阀51后退，节流面积逐渐增大，关节组件中的气缸阻尼逐渐减小，使膝关节转动更加灵活。膝关节的阻尼可以根据支撑相和摆动相的不同时期实时调节。而且直线电机52可以根据行走速度及关节角度变化调节关节组件中气缸上下两个腔室的气压，即当步速快时，直线电机52后退，节流面积逐渐增大，关节组件中的气缸阻尼逐渐减小，即当步速慢时，直线电机前进，节流面积逐渐减小，关节组件中的气缸阻尼逐渐增大，使得膝关节阻尼可以根据步速变化实时调节，以适应不同步速对膝关节阻尼力的要求，实现健侧步态的跟随功能。
人体下肢运动多种多样，如平地行走，上下楼梯，上下坡道，跨越障碍，坐起等。为了完成上述下肢运动动作，大小腿的肌肉骨骼***需要为关节提供一定的关节力矩和能量。大腿截肢患者由于肢体残疾，下肢不能够正常的为下肢运动提供关节力矩和能量。在平地行走过程中，穿戴本发明的残疾人可以通过下肢残端提供平地行走步态，即通过假肢步态支撑相稳定性组件和假肢步态跟随组件即可以实现平地行走的下肢运动。通过对正常人的步态分析可知，下肢在完成上下楼梯和不借助外力坐起动作时，关节需要的驱动力矩和能量远远大于平地行走时所需力矩和能量。此时，单凭假肢步态支撑相稳定性组件，假肢步态跟随组件和截肢患者残端所提供的力无法完成上下楼梯和坐起的动作。所以，本发明采用关节屈伸助力组件为假肢提供助伸力矩。关节屈伸助力组件3采用助伸电机（直流无刷电机）间接推动活塞来实现助力的功能。助伸电机在丝杠的帮助下将旋转运动转化为直线运动。丝杠螺母与气缸下端盖固连在一起，推动弹簧和活塞向上运动便可以起到助伸的作用。例如，截肢患者穿戴本发明在坐起运动中，坐在椅子上时，膝关节角度为90度，活塞处于气缸底部，需要起立时，直流电机转动，在电机提供的外力作用下，推动气缸下端盖向上运动，间接推动活塞向上运动，由于四杆机构杆长的设定，膝关节角度轨迹将从90度逐渐变为0度，当膝关节角度变为0度时，截肢患者将处于站立状态，电机反转，将气缸下端盖退回原始位置。交替上下楼梯时，助伸功能方法和坐起相同，此处不做累述。
如图7（a）和图7（b）所示，自带减速器的助伸电机32的输出轴与电机端齿轮44通过成形连接和螺纹销固连在一起。介轮43和小腿端盖41通过齿轮深沟球轴承46和小轴45连接在一起，介轮43与电机端齿轮44啮合。丝杠34和丝杠端齿轮42通过成形连接固连在一起，并与介轮43啮合。丝杠34顶端通过丝杠轴深沟球轴承37连接小腿腔31顶端，其中三个齿轮为同一规格的齿轮。圆螺母36套在丝杠上，并通过120°均布的丝杠导杆35穿过小腿腔31上端光滑小孔与气缸下端盖33固连在一起，直流无刷电机带动丝杠34转动，丝杠34便带动圆螺母36和气缸下端盖33构成滑块，在关节组件中的气缸中直线往复运动，推动关节组件中的活塞23上下运动，实现假肢伸展助力功能。由于助伸组件仅用于助伸，不连续工作，有耗能小，噪声小的优点。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (3)
1.一种具有助力功能的假肢膝关节，上端与假肢接收腔连接，下端通过小腿连接杆、踝关节与脚板连接，其特征在于，包括固定气缸多轴假肢膝关节组件、气缸节流阀开度控制机构、膝关节助力伸展驱动机构三大部分；
所述固定气缸多轴假肢膝关节组件由上关节体、关节前臂、关节后臂、气缸及相关零部件组成；上关节体与假肢接收腔相连，关节前臂和关节后臂分别与上关节体、气缸连接，共同组成铰链多杆机构；气缸内设置活塞和可压缩弹簧，活塞的输出端为活塞支柱，通过螺纹与上关节体连接固定；活塞在气缸中往复运动，进而推动上关节体屈伸运动，活塞向下运动，可压缩弹簧被压缩，储存能量，活塞向上运动，被压紧的可压缩弹簧被释放，释放能量，关节转动并带动关节从屈曲状态变为伸展状态；
所述气缸节流阀开度控制机构由直线电机和节流阀组成；节流阀为针式节流阀，其阀头部分为圆锥形，***气缸进气口中；直线电机推动节流阀进行直线往复运动，阀头***气缸进气口的深度往复变化，使进气口的开合程度不断变化，进而调节气体的阻尼大小；
所述膝关节助力伸展驱动机构包括直流无刷电机、齿轮传动组件、丝杠、气缸下端盖，膝关节助力伸展驱动机构下端通过小腿端盖组件与小腿连接杆连接，为假肢提供外力；丝杠与直流无刷电机的输出端相连，将电机的旋转运动转换为直线往复运动；丝杠螺母通过导向杆与气缸下端盖连为一体，当直流无刷电机转动时，丝杠螺母推动气缸下端盖，进而压缩气缸中的可压缩弹簧，可压缩弹簧推动活塞在气缸中做直线往复运动，推动上关节体运动。
2.根据权利要求1所述的一种具有助力功能的假肢膝关节，其特征在于，所述膝关节助力伸展驱动机构的直流无刷电机采用Maxon EC30高功率直流无刷电机。
3.根据权利要求1所述的一种具有助力功能的假肢膝关节，其特征在于，所述固定气缸多轴假肢膝关节组件中的活塞由活塞体、密封圈、活塞支柱、活塞直杆和活塞弯杆组成；活塞直杆和活塞弯杆通过螺纹连接或过盈配合固定为一体，活塞弯杆的上端与活塞支柱形成铰链连接。
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