一种主动式智能假肢

摘要

本发明公开了一种主动式智能假肢，包括从上而下依次连接的肢体固定机构、检测机构、膝关节固定杆、膝关节连杆、第一储能机构、踝关节连杆和脚掌；膝关节固定杆上设有膝关节驱动机构，膝关节驱动机构用于驱动膝关节连杆绕膝关节固定杆转动；还包括第二储能机构，第二储能机构与第一储能机构之间通过单通管连通，第二储能机构的一端与膝关节连杆相连，另一端通过固定杆与膝关节固定杆相连。本发明具有结构简单、成本更低、能量可回收利用、功率损耗小等优点。

说明书

技术领域

本发明主要涉及康复辅助技术领域，特指一种主动式智能假肢。

背景技术

随着下肢截肢患者的增多以及微电子、控制等技术的不断发展，智能假肢逐渐成为康复机器人领域的研究热点。目前使用的假肢主要分为被动式假肢和主动式假肢。被动式假肢由于动力不足导致步态不自然，不能辅助患者上楼梯，长时间穿戴会使截肢者产生疲劳感；主动式假肢能提供额外的辅助动力，能够代替腿部肌肉提供力矩，使佩戴者更好地完成上楼梯等需要主动力矩的行走模式，现有的主动式智能假肢多采用电机驱动，而使用者在上下楼梯等过程中需要的关节力矩很高，这就对主动式假肢驱动电机的选型提出了更高的要求，单纯从提高驱动电机功率的角度选型，势必会带来使用成本增加，耗能提高以及体积质量增加等问题，因此如何降低驱动电机所需的功率，减轻假肢的质量、降低驱动机构的能耗是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、成本更低、能量可回收利用、功率损耗小的主动式智能假肢。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种主动式智能假肢，包括从上而下依次连接的肢体固定机构、检测机构、膝关节固定杆、膝关节连杆、第一储能机构、踝关节连杆和脚掌；所述膝关节固定杆上设有膝关节驱动机构，所述膝关节驱动机构用于驱动膝关节连杆绕膝关节固定杆转动；还包括第二储能机构，所述第二储能机构与第一储能机构之间通过单通管连通，所述第二储能机构的一端与膝关节连杆相连，另一端通过固定杆与膝关节固定杆相连。

作为本发明的进一步改进：所述踝关节连杆上设有踝关节驱动机构，所述踝关节驱动机构用于驱动脚掌转动。

作为本发明的进一步改进：还包括弹性件，所述弹性件一端连接第二储能机构，另一端连接固定杆。

作为本发明的进一步改进：所述弹性件为弹簧。

作为本发明的进一步改进：所述第一储能机构和第二储能机构为液压缸或气缸。

作为本发明的进一步改进：所述第一储能机构的缸体的直径与第二储能机构的缸体的直径比为：D

作为本发明的进一步改进：所述检测机构为力传感器。

作为本发明的进一步改进：所述膝关节驱动机构为驱动电机。

作为本发明的进一步改进：所述踝关节驱动机构为驱动电机。

作为本发明的进一步改进：所述的驱动电机为直流谐波减速电机或者直流无刷电机。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的主动式智能假肢，设有第一储能机构和第二储能机构，第一储能机构和第二储能机构之间通过单通管连通，本发明利用使用者行走过程中支撑期人体自身重力产生向下的压力，第一储能机构中的储能介质受压通过单通管传递至第二储能机构，第二储能机构将能量存储转化为膝关节连杆的辅助驱动力，第二储能机构在假肢摆动期释放能量，此时，第二储能机构中的储能介质通过单通管进入第一储能机构，使得第一储能机构拉伸恢复到原始位置，确保假肢在摆动期不需要驱动机构额外的驱动力也能使膝关节复位，实现了能量回收利用，降低膝关节驱动机构的额外损耗，减轻了膝关节驱动电机的功率，有效降低成本，减轻了使用者的负担。

2、本发明的主动式智能假肢，在第二储能机构的末端串联弹性件，通过弹性件能有效防止第二储能机构在拉伸时出现卡死，并利用弹性件自身的弹力实现人体行走支撑期将能量储存，摆动期释放能量，第二储能机构受压使储能介质通过单通管进入第一储能机构，使第一储能机构拉伸恢复到原始位置，确保假肢在摆动期也能使膝关节复位，提高了假肢运动时的安全性和可靠性，还能更高效地实现能量回收利用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图例说明：

1、肢体固定机构；2、检测机构；3、膝关节固定杆；4、膝关节连杆；5、第一储能机构；6、踝关节连杆；7、脚掌；8、膝关节驱动机构；9、第二储能机构；10、单通管；11、固定杆；12、踝关节驱动机构；13、弹性件。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例一

如图1所示，本发明公开了一种主动式智能假肢，包括从上而下依次连接的肢体固定机构1、检测机构2、膝关节固定杆3、膝关节连杆4、第一储能机构5、踝关节连杆6和脚掌7；膝关节固定杆3上设有膝关节驱动机构8，膝关节驱动机构8用于驱动膝关节连杆4绕膝关节固定杆3转动；还包括第二储能机构9，第二储能机构9通过单通管10与第一储能机构5连通，第二储能机构9的一端与膝关节连杆4相连，另一端通过固定杆11与膝关节固定杆3相连。

本实施例中，第一储能机构5和第二储能机构9均采用液压缸。本实施例设计第一储能机构5(即第一液压缸)和第二储能机构9(即第二液压缸)，第一液压缸通过单通管10(即单通路液压管)与第二液压缸连通，利用使用者行走过程中人体自身重力产生向下的压力，第一液压缸受压后，液压油通过单通路液压管传递至第二液压缸，根据液压平衡，传递的液压油驱动第二液压缸拉伸，转化为膝关节的辅助驱动力，第二液压缸在摆动期释放能量，第二液压缸的液压油通过单通管10进入第一液压缸，使得第一液压缸拉伸恢复到原始位置，使得假肢在摆动期不需要驱动机构额外的驱动力也能使膝关节复位，实现了能量回收利用，降低膝关节驱动机构8的额外损耗，减轻了膝关节驱动机构8的功率，有效降低成本，减轻了使用者的负担。

本实施例中还包括弹性件13(如弹簧)，弹性件13一端连接第二液压缸，另一端连接固定杆11。在第二液压缸的末端串联弹性件13，能有效防止第二液压缸卡死，并利用弹性件13自身的弹力实现人体行走支撑期将能量储存，摆动期释放能量，第二液压缸受压使液压油通过单通管10进入第一液压缸，使得第一液压缸拉伸恢复到原始位置，确保假肢在摆动期也能使膝关节复位，不仅提高了假肢运动时的安全性和可靠性，通过设置弹性件13还能更高效地实现能量回收利用。

本实施例中，第二储能机构9提供辅助驱动力的同时，膝关节驱动机构8仍可以正常驱动膝关节连杆4，从而能实现主动驱动和被动驱动并行进行。相比主动模式与被动模式分离，本实施例中的智能假肢驱动方式更加灵活，智能程度更高。

本实施例中，踝关节连杆6上设有踝关节驱动机构12，踝关节驱动机构12用于驱动脚掌7转动。通过踝关节驱动机构12可以实现脚掌7主动转动，提高了假肢运动的灵活性。

本实施例中，第一液压缸与第二液压缸的油路为单管单通路连接，在整个液压辅助助力过程中总的油量不变，液压缸的油量变化与液压缸的油缸直径和位移变化量有关。为了使液压辅助助力效能最大化，则要求在假肢从支撑期完成到刚进入摆动期的过程中，第一液压缸压缩位移达到最大的同时第二液压缸的拉伸位移变化量也达到膝关节从支撑期完成到刚进入摆动期的过程转动最大膝关节角度所对应的第二液压缸最大位移。因此，根据液压平衡，存在以下关系式：D

本实施例中，检测机构2为力传感器，通过力传感器能检测人体对假肢产生的压力大小。

本实施例中，膝关节驱动机构8和踝关节驱动机构12均为驱动电机，在优选实施例中，驱动电机为直流谐波减速电机或者直流无刷电机。通过驱动电机能实现膝关节连杆4和脚掌7主动转动，灵活性高，能帮助假肢佩戴者正常、平稳、自然地行走与运动。

具体应用时，使用者利用肢体固定机构1固定好假肢，通过力传感器检测到受力信息，从而使膝关节驱动机构8与踝关节驱动机构12分别驱动膝关节和踝关节模拟正常人体关节转动，从而达到助力行走的效果。行走过程中，当脚掌7触底处于支撑期时，由于假肢受到人体的压力，使得第一液压缸压缩，通过单通路液压管使得第二液压缸拉伸，从而助力膝关节转动，为膝关节驱动机构8减轻了负担，同时第二液压缸串联的弹性件13压缩，储存能量；当支撑期结束进入抬腿摆动期时，弹性件13将储存的能量释放，使得第二液压缸压缩，通过单通路液压管使得第一液压缸拉伸，恢复到原始位置。通过这种周期性的运动，减轻了膝关节驱动机构8的功率，进而减轻了使用者的负担。

实施例二

本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于，本实施例中，第一储能机构5和第二储能机构9均采用气缸。第一储能机构5(即第一气缸)通过单通管10与第二储能机构9(即第二气缸)连通，利用使用者行走过程中人体自身重力产生向下的压力，第一气缸受压后，受压气体通过单通管10传递至第二气缸，根据气压平衡，传递的受压气体驱动第二气缸拉伸，转化为一部分膝关节辅助驱动力，第二气缸在摆动期释放能量，第二气缸的受压气体通过单通管10进入第一气缸，使得第一气缸拉伸恢复到原始位置，使得假肢在摆动期不需要驱动机构额外的驱动力也能使膝关节复位，实现了能量回收利用，降低膝关节驱动机构8的额外损耗，减轻了膝关节驱动机构8的功率，有效降低了成本，减轻了使用者的负担。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。