專利名稱：仿生踝關(guān)節(jié)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種仿生結(jié)構(gòu)，特別涉及一種仿生踝關(guān)節(jié)。
背景技術(shù)：
人體踝關(guān)節(jié)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)決定其運(yùn)動(dòng)形式包括矢狀面內(nèi)的屈伸運(yùn)動(dòng)、額狀面內(nèi)的內(nèi)外翻運(yùn)動(dòng)及水平面內(nèi)的內(nèi)外旋運(yùn)動(dòng)。人體踝關(guān)節(jié)屬于滑車關(guān)節(jié)，在正常的步行運(yùn)動(dòng)中，踝關(guān)節(jié)的仿生距骨在踝窩中的放置中心是不斷改變的，其運(yùn)動(dòng)軌跡呈橢圓形，踝關(guān)節(jié)的活動(dòng)軸線具有一定傾斜度，并經(jīng)常處在變化中。步行運(yùn)動(dòng)時(shí)，踝關(guān)節(jié)瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心落在仿生距骨體附近一個(gè)小范圍內(nèi)。踝關(guān)節(jié)的主要運(yùn)動(dòng)為矢狀面內(nèi)的屈伸，而內(nèi)外旋及內(nèi)外翻運(yùn)動(dòng)幅度相對(duì)較小。因此，在設(shè)計(jì)踝關(guān)節(jié)假肢時(shí)，主要提供矢狀面的屈伸活動(dòng)，并且具有一固定的旋轉(zhuǎn)中心和旋轉(zhuǎn)軸，同時(shí)又設(shè)計(jì)成非制約式，能夠進(jìn)行一定程度的微側(cè)向活動(dòng)和旋轉(zhuǎn)活動(dòng)?；邗钻P(guān)節(jié)自身的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性，研制一款接近于人體踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)功能的仿生型踝關(guān)節(jié)，考慮主動(dòng)控制和被動(dòng)控制相結(jié)合的方式。能夠更好的滿足殘疾人患者對(duì)下肢踝關(guān)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。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，就是為了解決上述問題，提供一種仿生踝關(guān)節(jié)。本發(fā)明的目的通過以下的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)一種仿生踝關(guān)節(jié)，其包括腳板；踝關(guān)節(jié)座，連接在腳板上，其前部設(shè)有導(dǎo)引槽；轉(zhuǎn)動(dòng)軸，安裝在踝關(guān)節(jié)座上；仿生距骨，安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上；第一桿端關(guān)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(guān)節(jié)相連，上端用于與小腿相連，中間設(shè)有一段平面齒條；第二桿端關(guān)節(jié)，下端連接有滾動(dòng)軸，滾動(dòng)軸兩端連接有滾動(dòng)軸承，滾動(dòng)軸承設(shè)置在踝關(guān)節(jié)座的導(dǎo)引槽內(nèi)并可沿導(dǎo)引槽前后移動(dòng)；第二屈伸桿，連接在第二桿端關(guān)節(jié)的上方；電機(jī)支座，安裝在第一屈伸桿的上部；步進(jìn)電機(jī)，安裝在電機(jī)支座上；絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，上端與電機(jī)主軸傳動(dòng)相連，下端與第二屈伸桿相連并可帶動(dòng)第二屈伸桿作上下屈伸運(yùn)動(dòng)；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(dòng)相連；非線性壓簧機(jī)構(gòu)，下端固定在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，上端卡在第一屈伸桿兩側(cè)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(dòng)相連，齒輪的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)第一屈伸桿作上下屈伸運(yùn)動(dòng)；角度傳感器，共兩個(gè)分別設(shè)置在轉(zhuǎn)動(dòng)軸的兩端；數(shù)據(jù)采集機(jī)構(gòu)，與角度傳感器電信相連；數(shù)據(jù)控制機(jī)構(gòu)，與步進(jìn)電機(jī)電信相連。所述的絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括絲桿和絲桿螺母，絲桿的上端與電機(jī)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(jī)構(gòu)包括成對(duì)對(duì)稱設(shè)置的兩個(gè)壓簧座和兩個(gè)壓簧，兩個(gè)壓簧座分別固定在轉(zhuǎn)動(dòng)軸的兩端，兩個(gè)壓簧的一端分別連接在對(duì)應(yīng)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(cè)。所述的導(dǎo)引槽的行程為5. 17mm，所述的絲桿的行程為30. 05mm。本發(fā)明利用步進(jìn)電機(jī)與絲桿連接帶動(dòng)滾子做上下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)引槽保證絲桿帶動(dòng)關(guān)節(jié)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)有足夠的水平移動(dòng)，桿端關(guān)節(jié)可以提供多自由度的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，非線性壓簧機(jī)構(gòu)保證踝關(guān)節(jié)在做屈伸運(yùn)動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性，角度傳感器提供角度變化的反饋信號(hào)，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)接近正常人體踝關(guān)節(jié)角度變化的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。本發(fā)明是一款能方便提供主動(dòng)力的仿生踝關(guān)節(jié)，采用主動(dòng)控制與被動(dòng)控制相結(jié)合的方式，有利于降低能量損耗，并且能實(shí)現(xiàn)接近正常人體踝關(guān)節(jié)角度變化的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，同時(shí)滿足人體踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)具有靈活性和穩(wěn)定性的要求。


圖1是本發(fā)明仿生踝關(guān)節(jié)的立體結(jié)構(gòu)主視圖；圖2是本發(fā)明的側(cè)視結(jié)構(gòu)(不含腳板)示意圖；圖3是本發(fā)明的局部結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明仿生踝關(guān)節(jié)在一個(gè)步態(tài)周期的運(yùn)動(dòng)角度變化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。參見圖1，配合參見圖2、圖3。本發(fā)明的仿生踝關(guān)節(jié)，包括腳板1、踝關(guān)節(jié)座2、轉(zhuǎn)動(dòng)軸3、仿生距骨4、第一桿端關(guān)節(jié)5、第一屈伸桿6、第二桿端關(guān)節(jié)7、第二屈伸桿8、電機(jī)支座 9、步進(jìn)電機(jī)10、絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)11、屈伸桿定位連接件12、非線性壓簧機(jī)構(gòu)13、齒輪座14、齒輪15、角度傳感器16、數(shù)據(jù)采集機(jī)構(gòu)17和數(shù)據(jù)控制機(jī)構(gòu)18。踝關(guān)節(jié)座2連接在腳板1上，其前部設(shè)有導(dǎo)引槽21。轉(zhuǎn)動(dòng)軸3活動(dòng)安裝在踝關(guān)節(jié)座2上并向兩端伸出。仿生距骨4安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)軸3上。第一桿端關(guān)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(guān)節(jié)5相連，上端用于與小腿相連，中間設(shè)有一段平面齒條61。
第二桿端關(guān)節(jié)7的下端連接有滾動(dòng)軸71，滾動(dòng)軸71兩端連接有滾動(dòng)軸承72，滾動(dòng)軸承72設(shè)置在踝關(guān)節(jié)座的導(dǎo)引槽21內(nèi)并可沿導(dǎo)引槽前后移動(dòng)。第二屈伸桿8連接在第二桿端關(guān)節(jié)7的上方。電機(jī)支座9安裝在第一屈伸桿6的上部。步進(jìn)電機(jī)10安裝在電機(jī)支座9上，其電機(jī)主軸向下方伸出。絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)11包括絲桿111和絲桿螺母112，絲桿111的上端與電機(jī)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(dòng)機(jī)構(gòu)11可帶動(dòng)第二屈伸桿8作上下屈伸運(yùn)動(dòng)。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(dòng)相連。非線性壓簧機(jī)構(gòu)13包括成對(duì)對(duì)稱設(shè)置的兩個(gè)壓簧座131和兩個(gè)壓簧132，兩個(gè)壓簧座131分別固定在轉(zhuǎn)動(dòng)軸3的兩端，兩個(gè)壓簧132的一端分別連接在對(duì)應(yīng)位置的壓簧座 131上，另一端分別連接在第一屈伸桿兩側(cè)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(dòng)相連，齒輪 15的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)第一屈伸桿6作上下屈伸運(yùn)動(dòng)。角度傳感器16共兩個(gè)分別安裝在相應(yīng)的傳感器支架161上，并設(shè)置在轉(zhuǎn)動(dòng)軸3的兩端。數(shù)據(jù)采集機(jī)構(gòu)17與角度傳感器16電信相連。
數(shù)據(jù)控制機(jī)構(gòu)18與步進(jìn)電機(jī)10電信相連。本發(fā)明利用步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力通過絲桿的旋轉(zhuǎn)作用實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)引槽保證步進(jìn)電機(jī)絲桿帶動(dòng)關(guān)節(jié)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)有足夠的水平移動(dòng)，桿端關(guān)節(jié)可以提供多自由度的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，非線性壓簧機(jī)構(gòu)保證踝關(guān)節(jié)在做屈伸運(yùn)動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性。踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度變化的反饋信號(hào)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(shí)現(xiàn)接近正常人體踝關(guān)節(jié)角度變化的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。本發(fā)明中的導(dǎo)引槽的最大設(shè)計(jì)行程為5. 17mm ；絲桿的行程為30. 05mm。它們的作用是限制踝關(guān)節(jié)背屈和拓屈的轉(zhuǎn)動(dòng)角度在人體踝關(guān)節(jié)正常生理范圍之內(nèi)。在腳板著地以后，由于路況的原因使得腳板兩側(cè)受到不平衡力，第二桿端關(guān)節(jié)7 可以提供冠狀面的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，非線性壓簧機(jī)構(gòu)13通過轉(zhuǎn)動(dòng)軸3與第一桿端關(guān)節(jié)5連接，兩個(gè)壓簧132在壓簧座131上通過調(diào)整自身的收縮度來調(diào)整角度變化大小以及壓簧回復(fù)力的大小，保證其在矢狀面內(nèi)平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)也能在其他方向分運(yùn)動(dòng)。通過選用標(biāo)準(zhǔn)踝關(guān)節(jié)角度變化數(shù)據(jù)作為控制信號(hào)，本發(fā)明仿生踝關(guān)節(jié)跟隨實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。圖中細(xì)實(shí)線代表標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，粗實(shí)線代表實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由圖4可以看出，系統(tǒng)控制仿生踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，在跟隨人體標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)時(shí)，隨著步態(tài)幅度變大，跟隨出現(xiàn)了延遲，而且峰值達(dá)不到就進(jìn)行后面的運(yùn)動(dòng)，我們通過軟件進(jìn)行了修正， 使延遲現(xiàn)象得到了一定的改善，但沒有完全消除，這是系統(tǒng)延遲、機(jī)械構(gòu)造、誤差以及步進(jìn)電機(jī)等原因造成的系統(tǒng)誤差，可以通過另外的途徑校正。從整個(gè)跟隨運(yùn)動(dòng)過程來看，除了中期有一點(diǎn)延遲誤差外，仿生踝關(guān)節(jié)已經(jīng)能夠完全跟隨標(biāo)準(zhǔn)曲線運(yùn)動(dòng)，可基本實(shí)現(xiàn)仿生踝關(guān)
5節(jié)跟隨運(yùn)動(dòng)的預(yù)期目標(biāo)。
權(quán)利要求
1.一種仿生踝關(guān)節(jié)，其特征在于包括 腳板；踝關(guān)節(jié)座，連接在腳板上，其前部設(shè)有導(dǎo)引槽； 轉(zhuǎn)動(dòng)軸，安裝在踝關(guān)節(jié)座上； 仿生距骨，安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上；第一桿端關(guān)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(guān)節(jié)相連，上端用于與小腿相連，中間設(shè)有一段平面齒條；第二桿端關(guān)節(jié)，下端連接有滾動(dòng)軸，滾動(dòng)軸兩端連接有滾動(dòng)軸承，滾動(dòng)軸承設(shè)置在踝關(guān)節(jié)座的導(dǎo)引槽內(nèi)并可沿導(dǎo)引槽前后移動(dòng)；第二屈伸桿，連接在第二桿端關(guān)節(jié)的上方； 電機(jī)支座，安裝在第一屈伸桿的上部； 步進(jìn)電機(jī)，安裝在電機(jī)支座上；絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，上端與電機(jī)主軸傳動(dòng)相連，下端與第二屈伸桿相連并可帶動(dòng)第二屈伸桿作上下屈伸運(yùn)動(dòng)；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(dòng)相連；非線性壓簧機(jī)構(gòu)，下端固定在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，上端卡在第一屈伸桿兩側(cè)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(dòng)相連，齒輪的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)第一屈伸桿作上下屈伸運(yùn)動(dòng)；角度傳感器，共兩個(gè)分別設(shè)置在轉(zhuǎn)動(dòng)軸的兩端； 數(shù)據(jù)采集機(jī)構(gòu)，與角度傳感器電信相連； 數(shù)據(jù)控制機(jī)構(gòu)，與步進(jìn)電機(jī)電信相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿生踝關(guān)節(jié)，其特征在于所述的絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括絲桿和絲桿螺母，絲桿的上端與電機(jī)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(quán)利要求1所述的仿生踝關(guān)節(jié)，其特征在于所述的非線性壓簧機(jī)構(gòu)包括成對(duì)對(duì)稱設(shè)置的兩個(gè)壓簧座和兩個(gè)壓簧，兩個(gè)壓簧座分別固定在轉(zhuǎn)動(dòng)軸的兩端，兩個(gè)壓簧的一端分別連接在對(duì)應(yīng)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(cè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿生踝關(guān)節(jié)，其特征在于所述的導(dǎo)引槽的行程為5.17mm，所述的絲桿的行程為30. 05mm。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種仿生踝關(guān)節(jié)，它包括腳板、踝關(guān)節(jié)座、轉(zhuǎn)動(dòng)軸、仿生距骨、第一桿端關(guān)節(jié)、第一屈伸桿、第二桿端關(guān)節(jié)、第二屈伸桿、電機(jī)支座、步進(jìn)電機(jī)、絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、屈伸桿定位連接件、非線性壓簧機(jī)構(gòu)、齒輪座、齒輪、角度傳感器、數(shù)據(jù)采集機(jī)構(gòu)和數(shù)據(jù)控制機(jī)構(gòu)。本發(fā)明是一款能方便提供主動(dòng)力的仿生踝關(guān)節(jié)，采用主動(dòng)控制與被動(dòng)控制相結(jié)合的方式，有利于降低能量損耗，并且能實(shí)現(xiàn)接近正常人體踝關(guān)節(jié)角度變化的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，同時(shí)滿足人體踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)具有靈活性和穩(wěn)定性的要求。
文檔編號(hào)A61F2/66GK102397118SQ20101028688
公開日2012年4月4日 申請(qǐng)日期2010年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月19日
發(fā)明者尚昆, 曹帥, 王禎祥, 趙偉欽, 趙改平, 郭丹, 阮超, 陳二云 申請(qǐng)人:上海理工大學(xué)