專利名稱：主被動運動相結(jié)合的動力膝關(guān)節(jié)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及智能仿生機械技術(shù)領(lǐng)域，特別是關(guān)于一種既能提供動力又能充分利用 人行走時動能和慣性的主被動運動相結(jié)合的動力膝關(guān)節(jié)。
背景技術(shù)：
每年因為各種自然災難、疾病及交通事故造成下肢截肢的殘疾人數(shù)以萬計，其中 很大一部分是大腿截肢患者。這些大腿截肢患者因失去下肢而喪失了工作能力，甚至生活 不能自理。為了恢復他們的工作能力，改善他們的生活質(zhì)量，他們急需要安裝人工假肢。膝關(guān)節(jié)是大腿假肢最重要的一部分，因為膝關(guān)節(jié)直接影響著截肢患者能完成的日 ?；顒?如行走、上下臺階)、運動效率和步態(tài)的自然性。目前，傳統(tǒng)大腿假肢的膝關(guān)節(jié)都是 被動的，即膝關(guān)節(jié)均是沒有動力驅(qū)動的。概括來講，傳統(tǒng)的大腿假肢可以分為三類連桿結(jié) 構(gòu)膝關(guān)節(jié)、液壓膝關(guān)節(jié)和氣壓膝關(guān)節(jié)。連桿結(jié)構(gòu)膝關(guān)節(jié)只是從機構(gòu)學上簡單地模仿人的膝 關(guān)節(jié)運動，這樣的膝關(guān)節(jié)在穿戴行走時需要借助截肢者殘肢的力量去控制膝關(guān)節(jié)的彎曲。 因此，穿戴者行走非常吃力，且步態(tài)很不自然。并且由于膝關(guān)節(jié)沒有動力，所以不能幫助截 肢患者完成上下臺階等日常活動。液壓和氣壓膝關(guān)節(jié)可以通過閥門等來控制膝關(guān)節(jié)的彎 曲，這樣確保了膝關(guān)節(jié)在負重彎曲時的安全性，即這樣的膝關(guān)節(jié)可以幫助截肢患者完成下 臺階等日?；顒印５怯捎跉鈮焊缀鸵簤焊鬃枘岷艽?特別是在冬天)，所以膝關(guān)節(jié)在擺腿 階段彎曲很困難，這樣大大影響了穿戴者的行走效率和步態(tài)的自然性。同樣，由于液壓和氣 壓膝關(guān)節(jié)都沒有動力，所以不能幫助截肢患者完成上臺階等日?；顒印，F(xiàn)在一些科研結(jié)構(gòu)也開始嘗試設(shè)計具有動力膝關(guān)節(jié)的大腿假肢，但是均處于摸索 階段。他們設(shè)計的膝關(guān)節(jié)主要分為四類人造肌肉膝關(guān)節(jié)、氣壓驅(qū)動膝關(guān)節(jié)、液壓驅(qū)動膝關(guān) 節(jié)、電機驅(qū)動膝關(guān)節(jié)。人造肌肉膝關(guān)節(jié)、氣壓驅(qū)動膝關(guān)節(jié)和液壓驅(qū)動膝關(guān)節(jié)雖然能提供足夠 的動力，但是體積太大、噪音太大，且控制精度低。電機驅(qū)動膝關(guān)節(jié)均是由電機直接驅(qū)動的， 這樣的膝關(guān)節(jié)雖然可以精確地控制膝關(guān)節(jié)的角度，但是膝關(guān)節(jié)時刻需要電機控制，步態(tài)不 自然。并且由于其不能充分利用人行走時的動能和慣性，所以效率很低。為了解決以上傳統(tǒng)膝關(guān)節(jié)和動力膝關(guān)節(jié)的缺點，設(shè)計既能幫助截肢者上下樓梯， 又能充分利用人行走時的動能和慣性的主被動相結(jié)合的動力膝關(guān)節(jié)成為迫切的需要。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種既能提供動力，又能充分利用人行走時 動能和慣性的主被動相結(jié)合的動力膝關(guān)節(jié)。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種主被動運動相結(jié)合的動力膝關(guān) 節(jié)，其特征在于它包括一大腿連接架、一小腿連接架和一膝關(guān)節(jié)運動機構(gòu)；所述膝關(guān)節(jié)運 動機構(gòu)包括一膝關(guān)節(jié)連接架、一同步帶輪連接機構(gòu)和一電機；所述電機固定連接在所述大 腿連接架上，其輸出端通過一聯(lián)軸器連接一主動軸的一端，所述主動軸的另一端通過一主 動軸軸承與所述大腿連接架固定連接；所述膝關(guān)節(jié)連接架上通過膝關(guān)節(jié)軸承固定支撐一膝關(guān)節(jié)軸，所述膝關(guān)節(jié)軸的兩端固定連接在所述小腿連接架上；所述膝關(guān)節(jié)軸通過一膝關(guān)節(jié) 軸連接鍵與一單向離合器的內(nèi)圈固定連接，所述單向離合器的外圈通過所述同步帶輪連接 機構(gòu)與所述主動軸連接。所述大腿連接架包括通過螺栓固定連接在一起的大腿左擋板、大腿右擋板和大腿 中間擋板；所述大腿左擋板和大腿右擋板的頂部通過螺栓固定連接一大腿接收腔連接頭和 一接收腔，所述接收腔和殘疾人的大腿殘肢固定連接；所述電機固定連接在所述大腿左擋 板的側(cè)壁上。所述主動軸軸承的內(nèi)圈與所述主動軸過盈配合，所述主動軸軸承的外圈與一主動 軸軸承固定塊過盈配合，所述主動軸軸承固定塊與所述大腿右擋板通過螺栓固定連接。所述小腿連接架包括通過螺栓固定連接在一起的小腿左擋板和小腿右擋板，所述 小腿左擋板和小腿右擋板的底部通過螺栓固定連接一小腿連接頭，所述小腿連接頭和假肢 小腿固定連接；所述膝關(guān)節(jié)軸的兩端分別與所述小腿左擋板和小腿右擋板固定連接。所述膝關(guān)節(jié)連接架包括通過螺栓與所述大腿中間擋板固定在一起的膝關(guān)節(jié)左擋 板和膝關(guān)節(jié)右擋板。所述膝關(guān)節(jié)軸承包括一膝關(guān)節(jié)左軸承和一膝關(guān)節(jié)右軸，所述膝關(guān)節(jié)左軸承和膝關(guān) 節(jié)右軸承的內(nèi)圈與所述膝關(guān)節(jié)軸過盈配合，外圈分別與一膝關(guān)節(jié)軸軸承固定塊過盈配合， 所述膝關(guān)節(jié)軸軸承固定塊與所述膝關(guān)節(jié)左擋板和膝關(guān)節(jié)右擋板通過螺栓固定連接。所述同步帶輪連接機構(gòu)包括一主動軸同步帶輪、一膝關(guān)節(jié)同步帶輪和一同步帶； 所述主動軸同步帶輪通過一主動軸連接鍵與所述主動軸固定連接，所述膝關(guān)節(jié)同步帶輪固 定連接所述單向離合器的外圈；所述同步帶連接所述主動軸同步帶輪和膝關(guān)節(jié)同步帶輪。本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明在人行走時的擺腿階 段能夠充分利用人的動能和慣性，不但步態(tài)自然，而且大大提高了行走效率。2、本發(fā)明在負 重彎曲(如下臺階)時，電機慢速正轉(zhuǎn)來控制膝關(guān)節(jié)慢速地負重彎曲，使截肢者可以安全的 下樓梯。在負重彎曲時，膝關(guān)節(jié)所需要的阻抗扭矩不是由電機提供的，而是由單向離合器的 單向自鎖特性提供的，這樣大大提高了電機的能量效率。3、本發(fā)明在負重伸直(如上臺階) 時，電機慢速反轉(zhuǎn)，驅(qū)動膝關(guān)節(jié)負重伸直。在此過程中，電機可以為膝關(guān)節(jié)提供足夠的動力， 幫助截肢者完成上臺階等日常活動。當膝關(guān)節(jié)在慣性或動能作用下快速伸直時，可以超越 單向離合器的外圈的反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，使膝關(guān)節(jié)及小腿擺動更加自然，且使行走時的動能和慣性 得到充分的利用。4、本發(fā)明具有一定的柔性，具有一定的抗沖擊性。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于 假肢柔性動力關(guān)節(jié)的研究，服務(wù)于殘疾人事業(yè)。


圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意2是圖1的A-A向剖視3是圖1的俯視圖
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細的描述。如圖1 圖3所示，本發(fā)明包括一大腿連接架1、一小腿連接架2和一膝關(guān)節(jié)運動機構(gòu)3。大腿連接架1包括通過螺栓固定連接在一起的大腿左擋板11、大腿右擋板12和大 腿中間擋板13，大腿左擋板11和大腿右擋板12的頂部通過螺栓固定連接一大腿接收腔連 接頭14，大腿接收腔連接頭14和一接收腔(圖中未示出)固定連接，接收腔和殘疾人的大 腿殘肢固定連接。小腿連接架2包括通過螺栓固定連接在一起的小腿左擋板21和小腿右擋板22， 小腿左擋板21和小腿右擋板22的底部通過螺栓固定連接一小腿連接頭23，小腿連接頭23 和假肢小腿(圖中未示出)固定連接。膝關(guān)節(jié)運動機構(gòu)3包括一膝關(guān)節(jié)連接架31、一同步帶輪連接機構(gòu)32和一電機33。 膝關(guān)節(jié)連接架31包括通過螺栓與大腿中間擋板13固定在一起的膝關(guān)節(jié)左擋板311和膝關(guān) 節(jié)右擋板312。同步帶輪連接機構(gòu)32包括一主動軸同步帶輪321、一膝關(guān)節(jié)同步帶輪322 和一同步帶323。主動軸同步帶輪321通過一主動軸連接鍵4與一主動軸34固定連接，主 動軸34的一端與一主動軸軸承35的內(nèi)圈過盈配合，主動軸軸承35的外圈與一主動軸軸承 固定塊36過盈配合，主動軸軸承固定塊36和大腿右擋板12通過螺栓固定連接。主動軸34 的另一端通過一聯(lián)軸器5與電機33的輸出端固定連接，電機33固定連接在大腿左擋板11 的的側(cè)壁上。膝關(guān)節(jié)同步帶輪322固定連接一單向離合器37的外圈，單向離合器37的內(nèi) 圈通過一膝關(guān)節(jié)軸連接鍵4'與一膝關(guān)節(jié)軸38固定連接。膝關(guān)節(jié)軸38分別與一膝關(guān)節(jié)左 軸承39和一膝關(guān)節(jié)右軸承39'的內(nèi)圈過盈配合，膝關(guān)節(jié)左軸承39和膝關(guān)節(jié)右軸承39'的 外圈分別與一膝關(guān)節(jié)軸軸承固定塊36'過盈配合，膝關(guān)節(jié)軸軸承固定塊36'與膝關(guān)節(jié)左 擋板311和膝關(guān)節(jié)右擋板312通過螺栓固定連接。膝關(guān)節(jié)軸38的兩端分別通過螺栓與小 腿左擋板21和小腿右擋板22固定連接。同步帶323連接主動軸同步帶輪321和膝關(guān)節(jié)同 步帶輪322。本發(fā)明在使用時，其運動原理如下膝關(guān)節(jié)彎曲當電機33正轉(zhuǎn)時，通過聯(lián)軸器5將轉(zhuǎn)動傳遞給主動軸34 ；主動軸34通過主動軸接 鍵4驅(qū)動主動軸同步帶輪321 ；主動軸同步帶輪321將運動傳遞給同步帶323 ；同步帶323 驅(qū)動膝關(guān)節(jié)同步帶輪322 ；膝關(guān)節(jié)同步帶輪322帶動單向離合器37的外圈正轉(zhuǎn)。單向離合 器37的內(nèi)圈在膝關(guān)節(jié)軸38，小腿左、右擋板21、22，假肢小腿(圖中未示出)的慣性和動能 及外力的作用下正轉(zhuǎn)。由于單向離合器37的單向自鎖特性，單向離合器37的內(nèi)圈的轉(zhuǎn)動 速度等于或小于外圈的轉(zhuǎn)動速度。當膝關(guān)節(jié)負重彎曲(如下臺階)時，電機33慢速正轉(zhuǎn)來控制膝關(guān)節(jié)慢速地負重彎 曲，確保了人在負重彎曲時的安全性。在負重彎曲時，膝關(guān)節(jié)所需要的阻抗扭矩不是由電機 33提供的，而是由單向離合器37的單向自鎖特性提供的，這樣大大提高了電機33的能量效率。當膝關(guān)節(jié)在擺腿彎曲(如人行走時的擺腿彎曲)時，電機33可以快速正轉(zhuǎn)，確保 膝關(guān)節(jié)能夠快速順暢的彎曲。膝關(guān)節(jié)伸直當電機33反轉(zhuǎn)時，通過聯(lián)軸器5將轉(zhuǎn)動傳遞給主動軸34 ；主動軸34通過主動軸 連接鍵4驅(qū)動主動軸同步帶輪321 ；主動軸同步帶輪321將運動傳遞給同步帶323 ；同步帶 323驅(qū)動膝關(guān)節(jié)同步帶輪322 ；膝關(guān)節(jié)同步帶輪322帶動單向離合器37的外圈反轉(zhuǎn)。由于單向離合器37的單向特性，內(nèi)圈在外圈的驅(qū)動下一起反轉(zhuǎn)，并通過膝關(guān)節(jié)軸連接鍵4'帶 動膝關(guān)節(jié)軸38及假肢小腿(圖中未示出)一起轉(zhuǎn)動，從而使膝關(guān)節(jié)伸直。單向離合器37 的內(nèi)圈的反轉(zhuǎn)速度可以等于或大于外圈的反轉(zhuǎn)速度。當膝關(guān)節(jié)負重伸直(如上臺階)時，電機33慢速反轉(zhuǎn)，驅(qū)動膝關(guān)節(jié)負重伸直。在 此過程中，電機33可以為膝關(guān)節(jié)提供足夠的動力。當膝關(guān)節(jié)擺腿伸直(如行走時擺腿伸直)時，電機33反轉(zhuǎn)，驅(qū)動膝關(guān)節(jié)伸直，當膝 關(guān)節(jié)在慣性或動能作用下快速伸直時，可以超越單向離合器37的外圈的反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，使膝關(guān) 節(jié)及小腿擺動更加自然，且使行走時的動能和慣性得到充分的利用。本發(fā)明僅以上述實施例進行說明，各部件的結(jié)構(gòu)、設(shè)置位置、及其連接都是可以有 所變化的，在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，凡根據(jù)本發(fā)明原理對個別部件進行的改進和等同 變換，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護范圍之外。
權(quán)利要求
一種主被動運動相結(jié)合的動力膝關(guān)節(jié)，其特征在于它包括一大腿連接架、一小腿連接架和一膝關(guān)節(jié)運動機構(gòu)；所述膝關(guān)節(jié)運動機構(gòu)包括一膝關(guān)節(jié)連接架、一同步帶輪連接機構(gòu)和一電機；所述電機固定連接在所述大腿連接架上，其輸出端通過一聯(lián)軸器連接一主動軸的一端，所述主動軸的另一端通過一主動軸軸承與所述大腿連接架固定連接；所述膝關(guān)節(jié)連接架上通過膝關(guān)節(jié)軸承固定支撐一膝關(guān)節(jié)軸，所述膝關(guān)節(jié)軸的兩端固定連接在所述小腿連接架上；所述膝關(guān)節(jié)軸通過一膝關(guān)節(jié)軸連接鍵與一單向離合器的內(nèi)圈固定連接，所述單向離合器的外圈通過所述同步帶輪連接機構(gòu)與所述主動軸連接。
2.如權(quán)利要求1所述的主被動運動相結(jié)合的動力膝關(guān)節(jié)，其特征在于所述大腿連接 架包括通過螺栓固定連接在一起的大腿左擋板、大腿右擋板和大腿中間擋板；所述大腿左 擋板和大腿右擋板的頂部通過螺栓固定連接一大腿接收腔連接頭和一接收腔，所述接收腔 和殘疾人的大腿殘肢固定連接；所述電機固定連接在所述大腿左擋板的側(cè)壁上。
3.如權(quán)利要求2所述的主被動運動相結(jié)合的動力膝關(guān)節(jié)，其特征在于所述主動軸軸 承的內(nèi)圈與所述主動軸過盈配合，所述主動軸軸承的外圈與一主動軸軸承固定塊過盈配 合，所述主動軸軸承固定塊與所述大腿右擋板通過螺栓固定連接。
4.如權(quán)利要求1或2或3所述的主被動運動相結(jié)合的動力膝關(guān)節(jié)，其特征在于所述小 腿連接架包括通過螺栓固定連接在一起的小腿左擋板和小腿右擋板，所述小腿左擋板和小 腿右擋板的底部通過螺栓固定連接一小腿連接頭，所述小腿連接頭和假肢小腿固定連接； 所述膝關(guān)節(jié)軸的兩端分別與所述小腿左擋板和小腿右擋板固定連接。
5.如權(quán)利要求1或2或3所述的主被動運動相結(jié)合的動力膝關(guān)節(jié)，其特征在于所述 膝關(guān)節(jié)連接架包括通過螺栓與所述大腿中間擋板固定在一起的膝關(guān)節(jié)左擋板和膝關(guān)節(jié)右 擋板。
6.如權(quán)利要求4所述的主被動運動相結(jié)合的動力膝關(guān)節(jié)，其特征在于所述膝關(guān)節(jié)連 接架包括通過螺栓與所述大腿中間擋板固定在一起的膝關(guān)節(jié)左擋板和膝關(guān)節(jié)右擋板。
7.如權(quán)利要求5所述的主被動運動相結(jié)合的動力膝關(guān)節(jié)，其特征在于所述膝關(guān)節(jié)軸 承包括一膝關(guān)節(jié)左軸承和一膝關(guān)節(jié)右軸，所述膝關(guān)節(jié)左軸承和膝關(guān)節(jié)右軸承的內(nèi)圈與所述 膝關(guān)節(jié)軸過盈配合，外圈分別與一膝關(guān)節(jié)軸軸承固定塊過盈配合，所述膝關(guān)節(jié)軸軸承固定 塊與所述膝關(guān)節(jié)左擋板和膝關(guān)節(jié)右擋板通過螺栓固定連接。
8.如權(quán)利要求6所述的主被動運動相結(jié)合的動力膝關(guān)節(jié)，其特征在于所述膝關(guān)節(jié)軸 承包括一膝關(guān)節(jié)左軸承和一膝關(guān)節(jié)右軸，所述膝關(guān)節(jié)左軸承和膝關(guān)節(jié)右軸承的內(nèi)圈與所述 膝關(guān)節(jié)軸過盈配合，外圈分別與一膝關(guān)節(jié)軸軸承固定塊過盈配合，所述膝關(guān)節(jié)軸軸承固定 塊與所述膝關(guān)節(jié)左擋板和膝關(guān)節(jié)右擋板通過螺栓固定連接。
9.如權(quán)利要求4或6或7或8所述的主被動運動相結(jié)合的動力膝關(guān)節(jié)，其特征在于 所述同步帶輪連接機構(gòu)包括一主動軸同步帶輪、一膝關(guān)節(jié)同步帶輪和一同步帶；所述主動 軸同步帶輪通過一主動軸連接鍵與所述主動軸固定連接，所述膝關(guān)節(jié)同步帶輪固定連接所 述單向離合器的外圈；所述同步帶連接所述主動軸同步帶輪和膝關(guān)節(jié)同步帶輪。
10.如權(quán)利要求5所述的主被動運動相結(jié)合的動力膝關(guān)節(jié)，其特征在于所述同步帶輪 連接機構(gòu)包括一主動軸同步帶輪、一膝關(guān)節(jié)同步帶輪和一同步帶；所述主動軸同步帶輪通 過一主動軸連接鍵與所述主動軸固定連接，所述膝關(guān)節(jié)同步帶輪固定連接所述單向離合器 的外圈；所述同步帶連接所述主動軸同步帶輪和膝關(guān)節(jié)同步帶輪。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種主被動運動相結(jié)合的動力膝關(guān)節(jié)，其特征在于它包括一大腿連接架、一小腿連接架和一膝關(guān)節(jié)運動機構(gòu)；膝關(guān)節(jié)運動機構(gòu)包括一膝關(guān)節(jié)連接架、一同步帶輪連接機構(gòu)和一電機；電機固定連接在大腿連接架上，其輸出端通過一聯(lián)軸器連接一主動軸的一端，主動軸的另一端通過一主動軸軸承與大腿連接架固定連接；膝關(guān)節(jié)連接架上通過膝關(guān)節(jié)軸承固定支撐一膝關(guān)節(jié)軸，膝關(guān)節(jié)軸的兩端固定連接在小腿連接架上；膝關(guān)節(jié)軸通過一膝關(guān)節(jié)軸連接鍵與一單向離合器的內(nèi)圈固定連接，單向離合器的外圈通過同步帶輪連接機構(gòu)與主動軸連接。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于假肢柔性動力關(guān)節(jié)的研究，服務(wù)于殘疾人事業(yè)。
文檔編號A61F2/64GK101933852SQ201010267558
公開日2011年1月5日 申請日期2010年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月30日
發(fā)明者朱金營, 王啟寧, 王龍, 袁克彬 申請人:北京大學