專利名稱：帶膝力矩控制裝置的六桿機構膝關節(jié)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種衛(wèi)生學中人體假肢體的設計，尤其涉及一種帶膝力矩控制裝置的六桿機構膝關節(jié)的結構設計。
目前，在已有的技術中，膝關節(jié)機構一般采用單軸，四桿機構或六桿機構。美國的Total Knee(專利5314498)涉及的是一種六桿機構膝關節(jié)，但它在擺動期無力矩控制，無法保證實現理想步態(tài)，其支撐期的穩(wěn)定是靠機械擋塊實現的，如

圖1所示。日本冰庫縣康復中心Akio Nakagawa等人于1989年提出了一種具有擺動期控制功能的氣動智能單軸膝關節(jié)，并已開發(fā)成產品(圖2)，其關節(jié)的阻尼是由安裝在小腿管內的氣缸實現的，通過微機和步進電機控制節(jié)流閥開口的大小以調整氣缸的阻尼力。這種膝力矩控制方法的缺點是結構體積大。此外由于是單軸結構，在實現大小腿運動規(guī)律和踝關節(jié)軌跡方面受到限制。
本發(fā)明采用如下技術方案一種帶膝力矩控制裝置的六桿機構膝關節(jié)，包括大腿桿，小腿桿，六個構件組成的六桿機構及其鉸鏈軸，其特征在于在構件5與構件6構成的鉸鏈軸上設置一膝力矩控制裝置，該裝置是由步進電機，安裝在步進電機軸上的傳動齒輪以及可控的摩擦力矩系統(tǒng)所組成，所述摩擦力矩系統(tǒng)采用以其中心線為軸的左右對稱結構，該結構主要包括兩端帶左右螺旋的螺桿，左、右旋螺母，壓縮彈簧以及設置在螺桿上的摩擦錐體；其摩擦錐體與構件6周向固定，其外錐面與構件5內錐面形成錐面摩擦。
為使大小腿相對運動規(guī)律和踝關節(jié)軌跡盡可能接近理想步態(tài)，同時保證在直立時機構處于自鎖位置，本發(fā)明利用優(yōu)化設計方法確定以下設計變量，其優(yōu)化結果為大腿桿與構件1之間的夾角θ＝88°；小腿桿與構件5之間的夾角β＝11°。各桿長比為L/l1＝[1，2.864，1.6，1.516，1.12，0.872，1.268，0.76，0.68，1.4，1.28，15.32，0.56，10.68]TL＝[l1，l2，……l14]T樣品實驗表明，本發(fā)明的膝關節(jié)力矩控制裝置運轉靈活，具有很好的可控性，實驗測定力矩調整范圍可達0.2～5.8Nm。整個膝關節(jié)小巧靈活，可很好的實現擺動期的運動規(guī)律和支撐期的穩(wěn)定。
圖2為現有技術中另一種具有擺動期控制功能的氣動智能單軸膝關節(jié)的結構示意圖。
圖3為本發(fā)明的膝關節(jié)機構在下肢假肢中的位置示意圖。
圖4是對該機構進行優(yōu)化設計時的變量示意圖。
圖5為膝關節(jié)力矩控制裝置的結構示意圖。
大腿桿10和構件1相固接，小腿桿11和構件5相固接。當大、小腿桿相平行時(圖3)，機構能夠自鎖，具有可靠的穩(wěn)定性。
l1～l10分別表示六桿機構的桿長。
l11大腿桿10與構件1(AB)的固結點I距A點的距離l12大腿桿HI的長度θHI與AB的夾角l13小腿桿11與FG構件的固結點J距F的距離l14小腿桿JP的長度
βJP與FG的夾角。
本發(fā)明用優(yōu)化設計方法確定上述這些設計變量。優(yōu)化的目標是使大小腿相對運動規(guī)律和踝關節(jié)軌跡盡可能接近理想步態(tài)，同時保證在直立時機構處于自鎖位置。設計結果，其中θ＝88°，β＝11°，各桿長比為L/l1＝[1，2.864，1.6，1.516，1.12，0.872，1.268，0.76，0.68，1.4，1.28，15.32，0.56，10.68]TL＝[l1，l2，……l14]T膝關節(jié)力矩控制裝置如圖5所示。膝關節(jié)力矩控制裝置安裝在構件5與構件6的鉸鏈軸F上，作為控制力矩的施加位置(圖4)。該裝置由步進電機9，傳動齒輪7、8和變摩擦力矩系統(tǒng)組成。變摩擦力矩系統(tǒng)采用以中心線為軸的左右對稱結構。摩擦錐體17與構件6通過鍵14周向固定，可沿軸向滑動。其外錐面與構件5的內錐面形成錐面摩擦。左、右旋螺母16、19在螺桿12的帶動下可在構件5的孔內軸向移動；螺桿支撐在軸承13和21上，兩頭有左、右螺旋。15是軸承端蓋，10是固定齒輪的緊定螺釘。當步進電機通過齒輪帶動螺桿轉動時，左、右螺母16，19將相對(或相背)移動，通過滾珠20和碟形彈簧18將錐體的外錐面壓向(或離開)內錐面，從而提高(或減少)摩擦錐的壓力，實現對構件5和構件6間摩擦力矩的控制。步進電機可由計算機通過控制器控制，按所需要的規(guī)律轉動。
權利要求
1.一種帶膝力矩控制裝置的六桿機構膝關節(jié)，包括大腿桿(10)，小腿桿(11)，六個構件組成的六桿機構及其鉸鏈軸，其特征在于在構件(5)與構件(6)的鉸鏈軸F上設置一膝力矩控制裝置，該裝置是由步進電機(9)，安裝在步進電機軸上的傳動齒輪(7)、(8)以及可控的摩擦力矩系統(tǒng)所組成，所述摩擦力矩系統(tǒng)采用以其中心線為軸的左右對稱結構，該結構主要包括兩端帶左右螺旋的螺桿(12)，左、右旋螺母，壓縮彈簧(18)以及設置在螺桿上的摩擦錐體(17)；其摩擦錐體與構件(6)周向固定，其外錐面與構件(5)內錐面形成錐面摩擦。
2.按照權利要求1所述的一種帶膝力矩控制裝置的六桿機構膝關節(jié)，其特征在于上述各構件的桿長比為L/l1＝[1，2.864，1.6，1.516，1.12，0.872，1.268，0.76，0.68，1.4，1.28，15.32，0.56，10.68]T
3.按照權利要求1或2所述的一種帶膝力矩控制裝置的六桿機構膝關節(jié)，其特征在于大腿桿(10)與構件(1)之間的夾角θ＝88°；小腿桿(11)與構件(5)之間的夾角為β＝11°。
全文摘要
帶膝力矩控制裝置的六桿機構膝關節(jié),涉及一種帶膝力矩控制裝置的六桿機構膝關節(jié)的結構設計。本發(fā)明的特點是在構件(5)與構件(6)構成的鉸鏈軸上設置一膝力矩控制裝置,該裝置是由步進電機,安裝在步進電機軸上的傳動齒輪以及可控的摩擦力矩系統(tǒng)所組成,所述摩擦力矩系統(tǒng)采用以其中心線為軸的左右對稱結構,該結構主要包括兩端帶左右螺旋的螺桿,左、右旋螺母,壓縮彈簧以及設置在螺桿上的摩擦錐體;其摩擦錐體與構件(6)周向固定,其外錐面與構件(5)內錐面形成錐面摩擦。本發(fā)明設計的膝關節(jié)力矩控制裝置運轉靈活,具有很好的可控性,實驗測定力矩調整范圍可達0.2～5.8Nm。整個膝關節(jié)小巧靈活,可很好的實現擺動期的運動規(guī)律和支撐期的穩(wěn)定。
文檔編號A61F2/64GK1348744SQ0113486
公開日2002年5月15日 申請日期2001年11月16日 優(yōu)先權日2001年11月16日
發(fā)明者金德聞, 張瑞紅, 張濟川, 王人成 申請人:清華大學