專利名稱：主動型仿生踝關節(jié)假肢的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種仿生結構，特別涉及一種主動型仿生踝關節(jié)假肢。
背景技術：
人體踝關節(jié)的復雜結構決定其運動形式包括矢狀面內的屈伸運動、額狀面內的 內外翻運動及水平面內的內外旋運動。人體踝關節(jié)屬于滑車關節(jié)，在正常的步行運動中，踝 關節(jié)的仿生距骨在踝窩中的放置中心是不斷改變的，其運動軌跡呈橢圓形，踝關節(jié)的活動 軸線具有一定傾斜度，并經常處在變化中。步行運動時，踝關節(jié)瞬時旋轉中心落在仿生距骨 體附近一個小范圍內。踝關節(jié)的主要運動為矢狀面內的屈伸，而內外旋及內外翻運動幅度 相對較小。因此，在設計踝關節(jié)假肢時，主要提供矢狀面的屈伸活動，并且具有一固定的旋 轉中心和旋轉軸，同時又設計成非制約式，能夠進行一定程度的微側向活動和旋轉活動。基于踝關節(jié)自身的運動學和動力學特性，研制一款接近于人體踝關節(jié)運動功能的 仿生型踝關節(jié)，考慮主動控制和被動控制相結合的方式。能夠更好的滿足殘疾人患者對下 肢踝關節(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。

實用新型內容本實用新型的目的，就是為了解決上述問題，提供一種主動型仿生踝關節(jié)假肢。本實用新型的目的通過以下的技術方案來實現(xiàn)一種主動型仿生踝關節(jié)假肢，其 包括腳板；踝關節(jié)座，連接在腳板上，其前部設有導引槽；轉動軸，安裝在踝關節(jié)座上；仿生距骨，安裝在轉動軸上；第一桿端關節(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，下端與第一桿端關節(jié)相連，上端用于與小腿相連，中間設有一段平面 齒條；第二桿端關節(jié)，下端連接有滾動軸，滾動軸兩端連接有滾動軸承，滾動軸承設置在 踝關節(jié)座的導引槽內并可沿導引槽前后移動；第二屈伸桿，連接在第二桿端關節(jié)的上方；電機支座，安裝在第一屈伸桿的上部；步進電機，安裝在電機支座上；絲桿傳動機構，上端與電機主軸傳動相連，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；非線性壓簧機構，下端固定在轉動軸上，上端卡在第一屈伸桿兩側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，齒輪的運動帶 動第一屈伸桿作上下屈伸運動；角度傳感器，共兩個分別設置在轉動軸的兩端；數(shù)據(jù)采集機構，與角度傳感器電信相連；數(shù)據(jù)控制機構，與步進電機電信相連。所述的絲桿傳動機構包括絲桿和絲桿螺母，絲桿的上端與電機主軸相連，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構包括成對對稱設置的兩個壓簧座和兩個壓簧，兩個壓簧座 分別固定在轉動軸的兩端，兩個壓簧的一端分別連接在對應位置的壓簧座上，另一端分別 連接在屈伸桿定位連接件的兩側。本實用新型利用步進電機與絲桿連接帶動滾子做上下運動實現(xiàn)關節(jié)屈伸運動，導 引槽保證絲桿帶動關節(jié)做旋轉運動時有足夠的水平移動，桿端關節(jié)可以提供多自由度的關 節(jié)運動，非線性壓簧機構保證踝關節(jié)在做屈伸運動時的穩(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)來實現(xiàn)接近正常人體踝關節(jié)角度變化的運 動規(guī)律。本實用新型是一款能方便提供主動力的主動型仿生踝關節(jié)假肢，采用主動控制與 被動控制相結合的方式，有利于降低能量損耗，并且能實現(xiàn)接近正常人體踝關節(jié)角度變化 的運動規(guī)律，同時滿足人體踝關節(jié)運動時具有靈活性和穩(wěn)定性的要求。

圖1是本實用新型主動型仿生踝關節(jié)假肢的立體結構主視圖；圖2是本實用新型的側視結構(不含腳板)示意圖；圖3是本實用新型的局部結構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖及具體實施例，對本實用新型作進一步說明。參見圖1，配合參見圖2、圖3。本實用新型的主動型仿生踝關節(jié)假肢，包括腳板1、 踝關節(jié)座2、轉動軸3、仿生距骨4、第一桿端關節(jié)5、第一屈伸桿6、第二桿端關節(jié)7、第二屈 伸桿8、電機支座9、步進電機10、絲桿傳動機構11、屈伸桿定位連接件12、非線性壓簧機構 13、齒輪座14、齒輪15、角度傳感器16、數(shù)據(jù)采集機構17和數(shù)據(jù)控制機構18。踝關節(jié)座2連接在腳板1上，其前部設有導引槽21。轉動軸3活動安裝在踝關節(jié)座2上并向兩端伸出。仿生距骨4安裝在轉動軸3上。第一桿端關節(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節(jié)5相連，上端用于與小腿相連，中間設有一段 平面齒條61。第二桿端關節(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設置在踝關節(jié)座的導引槽21內并可沿導引槽前后移動。第二屈伸桿8連接在第二桿端關節(jié)7的上方。電機支座9安裝在第一屈伸桿6的上部。步進電機10安裝在電機支座9上，其電機主軸向下方伸出。絲桿傳動機構11包括絲桿111和絲桿螺母112，絲桿111的上端與電機主軸相連， 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。絲桿傳動機構11可 帶動第二屈伸桿8作上下屈伸運動。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。非線性壓簧機構13包括成對對稱設置的兩個壓簧座131和兩個壓簧132，兩個壓 簧座131分別固定在轉動軸3的兩端，兩個壓簧132的一端分別連接在對應位置的壓簧座 131上，另一端分別連接在第一屈伸桿兩側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的運動帶動第一屈伸桿6作上下屈伸運動。角度傳感器16共兩個分別安裝在相應的傳感器支架161上，并設置在轉動軸3的兩端。數(shù)據(jù)采集機構17與角度傳感器16電信相連。數(shù)據(jù)控制機構18與步進電機10電信相連。本實用新型利用步進電機的驅動力通過絲桿的旋轉作用實現(xiàn)關節(jié)屈伸運動，導引 槽保證步進電機絲桿帶動關節(jié)做旋轉運動時有足夠的水平移動，桿端關節(jié)可以提供多自由 度的關節(jié)運動，非線性壓簧機構保證踝關節(jié)在做屈伸運動時的穩(wěn)定性。踝關節(jié)運動角度變 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)來實現(xiàn)接近正常人體 踝關節(jié)角度變化的運動規(guī)律。本實用新型中的導引槽的最大設計行程為5. 17mm ；絲桿的行程為30. 05mm。它們 的作用是限制踝關節(jié)背屈和拓屈的轉動角度在人體踝關節(jié)正常生理范圍之內。在腳板著地以后，由于路況的原因使得腳板兩側受到不平衡力，第二桿端關節(jié)7 可以提供冠狀面的關節(jié)運動，非線性壓簧機構13通過轉動軸3與第一桿端關節(jié)5連接，兩 個壓簧132在壓簧座131上通過調整自身的收縮度來調整角度變化大小以及壓簧回復力的 大小，保證其在矢狀面內平穩(wěn)運動的同時也能在其他方向分運動。
權利要求1.一種主動型仿生踝關節(jié)假肢，其特征在于包括 腳板；踝關節(jié)座，連接在腳板上，其前部設有導引槽； 轉動軸，安裝在踝關節(jié)座上； 仿生距骨，安裝在轉動軸上；第一桿端關節(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，下端與第一桿端關節(jié)相連，上端用于與小腿相連，中間設有一段平面齒條；第二桿端關節(jié)，下端連接有滾動軸，滾動軸兩端連接有滾動軸承，滾動軸承設置在踝關 節(jié)座的導引槽內并可沿導引槽前后移動；第二屈伸桿，連接在第二桿端關節(jié)的上方； 電機支座，安裝在第一屈伸桿的上部； 步進電機，安裝在電機支座上；絲桿傳動機構，上端與電機主軸傳動相連，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；非線性壓簧機構，下端固定在轉動軸上，上端卡在第一屈伸桿兩側的屈伸桿定位連接 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，齒輪的運動帶動第 一屈伸桿作上下屈伸運動；角度傳感器，共兩個分別設置在轉動軸的兩端； 數(shù)據(jù)采集機構，與角度傳感器電信相連； 數(shù)據(jù)控制機構，與步進電機電信相連。
2.根據(jù)權利要求1所述的主動型仿生踝關節(jié)假肢，其特征在于所述的絲桿傳動機構 包括絲桿和絲桿螺母，絲桿的上端與電機主軸相連，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)權利要求1所述的主動型仿生踝關節(jié)假肢，其特征在于所述的非線性壓簧機 構包括成對對稱設置的兩個壓簧座和兩個壓簧，兩個壓簧座分別固定在轉動軸的兩端，兩 個壓簧的一端分別連接在對應位置的壓簧座上，另一端分別連接在屈伸桿定位連接件的兩 側。
專利摘要本實用新型提供了一種主動型仿生踝關節(jié)假肢，它包括腳板、踝關節(jié)座、轉動軸、仿生距骨、第一桿端關節(jié)、第一屈伸桿、第二桿端關節(jié)、第二屈伸桿、電機支座、步進電機、絲桿傳動機構、屈伸桿定位連接件、非線性壓簧機構、齒輪座、齒輪、角度傳感器、數(shù)據(jù)采集機構和數(shù)據(jù)控制機構。本實用新型是一款能方便提供主動力的主動型仿生踝關節(jié)假肢，采用主動控制與被動控制相結合的方式，有利于降低能量損耗，并且能實現(xiàn)接近正常人體踝關節(jié)角度變化的運動規(guī)律，同時滿足人體踝關節(jié)運動時具有靈活性和穩(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