基于变胞并联机构的主动型膝踝关节假肢机构.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910728366.3 (22)申请日 2019.08.08 (71)申请人 北京交通大学 地址 100044 北京市海淀区西直门外上园 村3号 (72)发明人 宋马军郭盛王向阳陈光荣 曲海波赵福群 (74)专利代理机构 北京市诚辉律师事务所 11430 代理人 杨帅峰 (51)Int.Cl. A61H 1/02(2006.01) A61F 2/64(2006.01) A61F 2/66(2006.01) A61F 2/68(2006.01) (54)发明名称 一种基于变胞。

2、并联机构的主动型膝踝关节 假肢机构 (57)摘要 一种基于变胞并联机构的主动型膝踝关节 假肢机构， 它主要由定平台、 主动支链、 变胞支 链、 动平台和主动型足踝假体所组成， 实现膝踝 关节的多自由度转动功能。 本发明设计的变胞并 联机构中， 主动支链的驱动移动副采用滚珠丝 杠， 仿效小腿骨骼肌群的伸缩运动。 由于人体膝 关节的内外旋运动并不是时刻存在的， 仅当屈膝 时才被激活， 此外， 生活中对于内外旋运动的依 赖性较少。 当变胞运动副为固定时， 变胞支链与 两条主动支链的耦合下， 动平台仅能实现膝关节 的屈伸和踝关节的内外翻运动； 当变胞运动副为 驱动转动副时， 动平台还能实现膝关节的内外。

3、旋 运动。 该假肢机构涉及医疗康复机器人， 具有承 载能力高、 刚度高、 结构简单、 易加工制造和生产 成本低等要求。 权利要求书1页 说明书4页 附图3页 CN 110353949 A 2019.10.22 CN 110353949 A 1.一种基于变胞并联机构的主动型膝踝关节假肢机构， 基本机构包含： 定平台(1)、 主 动支链(2.1， 2.2)、 变胞支链(3)、 动平台(4)和主动型足踝假体(5)， 该机构分别由一个少自 由度变胞并联机构和一个单自由度主动型足踝假体串联形成的膝踝关节假肢机构； 其中， 变胞并联机构中主动支链的驱动移动副为滚珠丝杠， 用以仿效小腿骨骼肌群的伸缩运动； 。

4、由于人体膝关节的内外旋运动并不是时刻存在的， 仅当屈膝时才被激活， 此外， 生活中对于 内外旋运动的依赖性较少， 当变胞运动副为固定时， 在变胞支链和两条定支链的耦合下， 动 平台(4)仅能实现空间两个转动运动， 以仿效人体膝关节的屈曲运动和踝关节的内外翻运 动； 当变胞运动副为转角限制的驱动转动副时， 在变胞支链和两条定支链的耦合下， 动平台 (4)能实现三个纯转动， 以仿效人体膝关节的屈曲运动和内外旋运动及踝关节的内外翻运 动； 该假肢机构能有效地补偿截肢患者受损的膝关节和踝关节的生物运动特性。 2.根据权利要求1所述的一种基于变胞并联机构的主动型膝踝关节假肢机构， 其特征 在于： 所述的。

5、主动支链(2.1， 2.2)包含： 下脚座(2-1)， 下U型座(2-2)， 含驱动的圆柱筒(2- 3)， 含驱动的活塞杆(2-4)， 接头(2-5)， 上U型座(2-6)， 上脚座(2-7)。 3.根据权利要求2所述的主动支链的零部件间的连接： 下脚座(2-1)与定平台(1)通过 螺钉连接成固定副； 下脚座(2-1)与下U型座(2-2)形成转动副， 下U型座(2-2)与含驱动的圆 柱筒(2-3)形成转动副， 同时， 两个转动副轴线正交等效于一个虎克副； 含驱动的圆柱筒(2- 3)和含驱动的活塞杆(2-4)形成驱动移动副， 可采用电推杆或滚珠丝杠； 含驱动的活塞杆 (2-4)与接头(2-5)通。

6、过螺纹连接形成固定副； 接头(2-5)与上U型座(2-6)形成转动副， 上U 型座(2-6)与上脚座(2-7)形成转动副， 同时， 两个转动副轴线正交等效于一个虎克副； 上脚 座(2-7)与动平台(4)通过螺钉连接成固定副； 本设计中将主动支链(2.1， 2.2)仿效为胫腓 骨表面的骨骼肌群的生物力学特性， 通过驱动移动副的伸缩， 实现支链末端在空间的两个 转动和沿支链方向的移动。 4.根据权利要求1所述的一种基于变胞并联机构的主动型膝踝关节假肢机构， 其特征 在于： 所述的变胞支链(3)包含下脚座(3-1)， 大套筒(3-2)， 限转动角下杆(3-3)， 盖板(3- 4)， 限转动角上杆(3。

7、-5)， 接头(3-6)， 小套筒(3-7)， 上脚座(3-8)。 5.根据权利要求4所述的变胞支链的零部件间的连接： 下脚座(3-1)与定平台(1)通过 螺钉连接成固定副； 下脚座(3-1)与限转动角下杆(3-3)形成转动副， 且在间隙位置配有大 套筒(3-2)； 限转动角下杆(3-3)与限转动角上杆(3-5)形成一个变胞运动副， 该变胞运动副 具有角度限制， 避免其过渡旋转而产生机构的奇异现象； 由于人体膝关节的内外旋运动并 不是时刻存在的， 仅当屈膝时才被激活， 此外， 生活中对于内外旋运动的依赖性较少， 变胞 支链(3)的引入为了使假肢机构能更好仿效人体膝关节的运动特性， 通过变胞运动。

8、副的固 定或驱动转动的模式切换， 动平台(4)在变胞支链(3)与两条主动支链(2.1， 2.2)的耦合下 能实现空间二自由度纯转动和三自由度纯转动的运动特性， 用以模仿人体膝关节的屈伸运 动、 踝关节的内外翻运动和膝关节的内外旋运动； 盖板(3-4)穿过限转动角上杆(3-5)， 与限 转动角下杆(3-3)通过螺钉连接， 为了约束限转动角上杆(3-5)沿支链方向的移动； 限转动 角上杆(3-5)与接头(3-6)通过螺纹连接形成固定副； 接头(3-6)与上脚座(3-8)形成转动 副， 且在间隙位置配有大套筒(3-2)， 套筒的使用为了使变胞支链具有良好的对中性， 确保 机构灵活的转动。 权利要求书。

9、 1/1 页 2 CN 110353949 A 2 一种基于变胞并联机构的主动型膝踝关节假肢机构 技术领域 0001 本发明属于医疗康复机器人技术和人工智能装备领域， 特别涉及一种基于变胞并 联机构的主动型膝踝关节假肢机构， 它能补偿膝踝截肢患者失去膝踝关节的运动能力， 使 患者恢复膝关节与踝关节的多自由度运动特性和日常生活运动能力。 背景技术 0002 依据2006年公布全国第二次残疾人人数的普查数据， 残疾人已达8242万人次， 约 占总人口的6.34， 同时， 残肢患者约为2412万人次， 且下肢截肢患者已达160万人次。 近年 来， 随着自然灾害、 交通事故、 疾病和其它意外事故等事件。

10、的增多， 导致不同程度截肢患者 的数目发生逐年的增长， 这不仅使患者们失去日常生活能力， 遭受心灵折磨， 还极大地增加 了社会的负担。 目前， 随着科学技术和工业制造业地不端发展， 机器人技术在国内各大工程 领域中得到了广泛的应用。 为了补偿截肢患者所失去的肢体， 使患者们恢复原有的日常生 活能力， 属于医疗康复机器人的假肢机器人已成为国内研究的热点之一。 然而， 由于一些技 术研发和制造工艺水平的限制， 假肢机器人在国内外仍具有较大的市场前景。 0003 由于膝踝关节受损的截肢患者在下肢截肢患者中占比最大， 因此， 市场上对于膝 踝关节假肢机构产品相比较多。 现有的人体关节假肢机构依据是否提。

11、供动力源， 可分为主 动型假肢机构、 被动型假肢机构和主被动混合型假肢机构。 相比较国外的假肢机构， 国内的 研究起步晚， 技术较为落后， 国内市场对于下肢假肢机构的研发尚属初级阶段。 目前， 国内 膝踝关节假肢机构的研发已从传统的单自由度和单支撑杆结构的形式， 改进到智能型多自 由度多关节的形式， 然而， 这种假肢机构因串联较多的构件导致机构整体尺寸、 重量偏大和 承载能力差， 且机构较为复杂导致控制算法不稳定， 假肢机构成本较高， 使这类智能型假肢 机构仍不是市面上的主要产品。 0004 基于此， 本发明设计了一种基于变胞并联机构的主动型膝踝关节假肢机构， 该假 肢机构主要由一个少自由度变。

12、胞并联机构和一个单自由度主动型足踝假体所组成， 可实现 膝关节的屈伸运动、 踝关节的内外翻运动与屈伸运动以及变胞运动副激活状态下膝关节的 内外旋运动； 基于并联机构的假肢机构， 不仅能使机构具有刚度高和承载能力强等结构力 学特性， 还能简化整体结构、 减少机构整体尺寸和生产成本等。 与此同时， 简化的机构还具 有易控制和低能耗等优点， 该膝踝关节假肢机构具有高度的仿生效果， 适用于人体膝踝截 肢患者。 发明内容 0005 本发明的技术问题在于设计了一种基于变胞并联机构的主动型膝踝关节假肢机 构， 该机构解决了先前研发的假肢机构中存在的结构复杂、 体积大、 质量偏重、 运动能耗高、 稳定性大和承。

13、载能力不足等问题。 该机构采用的变胞并联机构不仅能实现膝踝关节的多自 由度运动特性， 又具有承载能力大和运动能耗低等特点， 使其与人体膝踝关节相比具有高 度的仿生特性。 说明书 1/4 页 3 CN 110353949 A 3 0006 本发明采用如下的技术方案实现： 0007 一种基于变胞并联机构的主动型膝踝关节假肢机构， 其特征在于： 包括定平台 (1)、 主动支链(2.1， 2.2)、 变胞支链(3)、 动平台(4)和主动型足踝假体(5)。 0008 所述的主动支链(2.1， 2.2)包含： 下脚座(2-1)， 下U型座(2-2)， 含驱动的圆柱筒 (2-3)， 含驱动的活塞杆(2-4)。

14、， 接头(2-5)， 上U型座(2-6)， 上脚座(2-7)； 0009 构成主动支链的零部件间的连接： 下脚座(2-1)与定平台(1)通过螺钉连接成固定 副； 下脚座(2-1)与下U型座(2-2)形成转动副， 下U型座(2-2)与含驱动的圆柱筒(2-3)形成 转动副， 同时， 两个转动副轴线正交等效于一个虎克副； 含驱动的圆柱筒(2-3)和含驱动的 活塞杆(2-4)形成驱动移动副， 可采用电推杆或滚珠丝杠； 含驱动的活塞杆(2-4)与接头(2- 5)通过螺纹连接形成固定副； 接头(2-5)与上U型座(2-6)形成转动副， 上U型座(2-6)与上脚 座(2-7)形成转动副， 同时， 两个转动副。

15、轴线正交等效于一个虎克副； 上脚座(2-7)与动平台 (4)通过螺钉连接成固定副； 本设计中将主动支链(2.1， 2.2)仿效为胫腓骨表面的骨骼肌群 的生物力学特性， 通过驱动移动副的伸缩， 实现末端在空间的两个转动和沿支链方向的移 动； 0010 所述变胞支链(3)包含： 下脚座(3-1)， 大套筒(3-2)， 限转动角下杆(3-3)， 盖板(3- 4)， 限转动角上杆(3-5)， 接头(3-6)， 小套筒(3-7)， 上脚座(3-8)； 0011 构成变胞支链的零部件间的连接： 下脚座(3-1)与定平台(1)通过螺钉连接成固定 副； 下脚座(3-1)与限转动角下杆(3-3)形成转动副， 且。

16、在间隙位置配有大套筒(3-2)； 限转 动角下杆(3-3)与限转动角上杆(3-5)形成一个变胞运动副， 该变胞运动副具有角度限制， 避免其过渡旋转而产生机构的奇异现象； 由于人体膝关节的内外旋运动并不是时刻存在 的， 仅当屈膝时才被激活， 此外， 生活中对于内外旋运动的依赖性较少， 变胞支链(3)的引入 为了使假肢机构能更好仿效人体膝关节的运动特性， 通过变胞运动副的固定或驱动转动的 模式切换， 动平台(4)在变胞支链(3)与两条主动支链(2.1， 2.2)的耦合下能实现空间二自 由度纯转动和三自由度纯转动的运动特性； 当变胞运动副为固定时， 动平台(4)能仿效人体 膝关节的屈曲运动和踝关节的。

17、内外翻运动； 当变胞运动副切换成转角限制的驱动转动副 时， 动平台(4)还能仿效人体膝关节的内外旋运动； 盖板(3-4)穿过限转动角上杆(3-5)， 与 限转动角下杆(3-3)通过螺钉连接， 为了约束限转动角上杆(3-5)沿支链方向的移动； 限转 动角上杆(3-5)与接头(3-6)通过螺纹连接形成固定副； 接头(3-6)与上脚座(3-8)形成转动 副， 且在间隙位置配有大套筒(3-2)， 套筒的使用为了使变胞支链具有良好的对中性， 确保 机构灵活的转动； 0012 本发明与现有技术相比具有如下有益效果： 0013 本发明设计并应用于膝踝关节假肢机构中的变胞并联机构可执行空间的二自由 度或三自由。

18、度纯转动， 用以模拟膝踝关节的多自由度转动特性。 由于人体膝关节的内外旋 运动并不是时刻存在的， 仅当屈膝时才被激活， 此外， 生活中对于内外旋运动的依赖性较 少， 变胞支链的引入为了使假肢机构能更好的对人体膝关节进行仿生设计。 当变胞支链的 变胞运动副为固定(螺栓贯穿连接)时， 动平台(4)在变胞支链(3)与两条主动支链(2.1， 2.2)的耦合下可仿效人体膝关节的屈伸运动和踝关节的内外翻运动。 当变胞支链的变胞运 动副为驱动转动副(释放贯穿连接的螺栓)时， 动平台(4)还能模仿人体膝关节的内外旋运 动。 该假肢机构的结构简单， 运动学易于分析， 机构易加工制造， 该机构的设计可为其他关 说。

19、明书 2/4 页 4 CN 110353949 A 4 节假肢机构的设计乃至精密机构的设计中提供重要的借鉴。 附图说明 0014 图1一种基于变胞并联机构的主动型膝踝关节假肢机构结构模型图； 0015 图2二自由度与三自由度纯转动模式切换的变胞并联机构结构模型图； 0016 图3主动支链的结构模型爆炸图； 0017 图4变胞支链的结构模型爆炸图； 0018 图中： 定平台(1)、 主动支链(2.1， 2.2)、 变胞支链(3)、 动平台(4)和主动型足踝假 体(5)。 主动支链(2.1， 2.2)包含： 下脚座(2-1)， 下U型座(2-2)， 含驱动的圆柱筒(2-3)， 含驱 动的活塞杆(2。

20、-4)， 接头(2-5)， 上U型座(2-6)， 上脚座(2-7)； 变胞支链(3)包含： 下脚座(3- 1)， 大套筒(3-2)， 限转动角下杆(3-3)， 盖板(3-4)， 限转动角上杆(3-5)， 接头(3-6)， 小套筒 (3-7)， 上脚座(3-8)。 具体实施方式 0019 为进一步了解本发明提供的一种基于变胞并联机构的主动型膝踝关节假肢机构， 下面结合附图和详细实施例对本发明进行具体阐述。 0020 图1为本发明设计的一种基于变胞并联机构的主动型膝踝关节假肢机构结构模型 图， 其基本结构包括定平台(1)、 主动支链(2.1， 2.2)、 变胞支链(3)、 动平台(4)和主动型踝 。

21、关节假肢机构(5)。 该膝踝关节假肢机构由一个少自由度变胞并联机构和一个单自由度主 动型足踝假体串联形成， 变胞并联机构能使假肢机构仿效人体的膝关节屈伸运动、 踝关节 的内外翻运动及一定条件下的膝关节内外旋运动， 主动型足踝假体能使假肢机构仿效人体 的踝关节屈伸运动。 变胞并联机构的应用能大大地简化假肢机构的复杂结构， 降低假肢机 构的设计成本， 还能提高假肢机构整体的刚度特性和承载力。 0021 图2为本发明提供的二自由度与三自由度纯转动模式切换的变胞并联机构结构模 型图， 定平台(1)、 主动支链(2.1， 2.2)、 变胞支链(3)和动平台(4)； 当变胞支链(3)的变胞运 动副为固定(。

22、螺栓贯穿连接)时， 两条主动支链(2.1， 2.2)中的直线驱动电机输出力相同时， 它将通过拉伸含驱动的活塞杆(2-4)， 致使动平台(4)模仿人体的膝关节屈伸运动； 两条主 动支链(2.1， 2.2)中的直线驱动电机输出力相反时， 它将通过拉伸含驱动的活塞杆(2-4)， 致使动平台(4)模仿人体的踝关节的内外翻运动； 此时， 两条主动支链的作用等同于人体胫 腓骨后表面的腓肠肌和比目鱼肌。 由于人体膝关节的内外旋运动并不是时刻存在的， 仅当 屈膝时才被激活， 此外， 生活中对于内外旋运动的依赖性较少， 变胞支链(3)的引入为了使 假肢机构能更好的对人体膝关节进行仿生设计。 当变胞支链(3)的变。

23、胞运动副为驱动转动 副(释放贯穿连接的螺栓)时， 机构的动平台(4)在主动支链(2.1， 2.2)和变胞支链(3)的驱 动下可模拟人体膝关节的屈伸运动和内外旋运动及踝关节的内外翻运动。 0022 图3为本发明提供的主动支链的结构模型爆炸图， 包括： 下脚座(2-1)， 下U型座(2- 2)， 含驱动的圆柱筒(2-3)， 含驱动的活塞杆(2-4)， 接头(2-5)， 上U型座(2-6)， 上脚座(2- 7)。 下脚座(2-1)与定平台(1)通过螺钉连接成固定副； 下脚座(2-1)与下U型座(2-2)形成转 动副， 下U型座(2-2)与含驱动的圆柱筒(2-3)形成转动副， 同时， 两个转动副轴线正。

24、交等效 于一个虎克副； 含驱动的圆柱筒(2-3)和含驱动的活塞杆(2-4)形成驱动移动副， 可采用电 说明书 3/4 页 5 CN 110353949 A 5 推杆或滚珠丝杠； 含驱动的活塞杆(2-4)与接头(2-5)通过螺纹连接形成固定副； 接头(2-5) 与上U型座(2-6)形成转动副， 上U型座(2-6)与上脚座(2-7)形成转动副， 同时， 两个转动副 轴线正交等效于一个虎克副； 上脚座(2-7)与动平台(4)通过螺钉连接成固定副； 本设计中 将主动支链(2.1， 2.2)仿效为胫腓骨表面的骨骼肌群的生物力学特性， 通过驱动移动副的 伸缩， 实现末端在空间的两个转动和沿支链方向的移动。。

25、 0023 图4为本发明提供的变胞支链的结构模型爆炸图， 包括下脚座(3-1)， 大套筒(3- 2)， 限转动角下杆(3-3)， 盖板(3-4)， 限转动角上杆(3-5)， 接头(3-6)， 小套筒(3-7)， 上脚座 (3-8)。 下脚座(3-1)与定平台(1)通过螺钉连接成固定副； 下脚座(3-1)与限转动角下杆(3- 3)形成转动副， 且在间隙位置配有大套筒(3-2)； 限转动角下杆(3-3)与限转动角上杆(3-5) 形成一个变胞运动副， 该变胞运动副具有角度限制， 避免其过渡旋转而产生机构的奇异现 象； 由于人体膝关节的内外旋运动并不是时刻存在的， 仅当屈膝时才被激活， 此外， 生活中。

26、 对于内外旋运动的依赖性较少， 变胞支链(3)的引入为了使假肢机构能更好仿效人体膝关 节的运动特性， 通过变胞运动副的固定或驱动转动的模式切换， 动平台(4)在变胞支链(3) 与两条主动支链(2.1， 2.2)的耦合下能实现空间二自由度纯转动和三自由度纯转动的运动 特性， 用以模仿人体膝关节的屈伸运动、 踝关节的内外翻运动和膝关节的内外旋运动； 当变 胞运动副为固定(螺栓贯穿连接)时， 动平台(4)在主动支链(2.1， 2.2)的驱动下和变胞支链 的约束下可模拟人体膝关节屈伸运动和踝关节内外翻运动。 当变胞运动副为驱动转动副 (释放贯穿连接的螺栓)时， 动平台(4)在主动支链(2.1， 2.2。

27、)和变胞支链(3)的驱动下还可 模拟人体膝关节内外旋运动。 盖板(3-4)穿过限转动角上杆(3-5)， 与限转动角下杆(3-3)通 过螺钉连接， 为了约束限转动角上杆(3-5)沿支链方向的移动； 限转动角上杆(3-5)与接头 (3-6)通过螺纹连接形成固定副； 接头(3-6)与上脚座(3-8)形成转动副， 且在间隙位置配有 大套筒(3-2)， 套筒的使用为了使变胞支链具有良好的对中性， 确保机构灵活的转动。 0024 本发明所述的一种基于变胞并联机构的主动型膝踝关节假肢机构， 通过变胞运动 副的固定或驱动转动副模式切换， 可仿效人体膝关节的屈伸运动、 踝关节的内外翻运动和 一定条件下的膝关节内外旋运动； 此外， 主动型足踝假体(5)通过独立的转动电机， 实现人 体踝关节的屈伸运动； 该假肢机构具有结构刚度高和承载能力强等特点， 它不仅能实现人 体膝踝关节的多自由度， 还能一定程度上简化机构整体设计的复杂性， 有利于后续控制策 略的布置和优化。 说明书 4/4 页 6 CN 110353949 A 6 图1 说明书附图 1/3 页 7 CN 110353949 A 7 图2 说明书附图 2/3 页 8 CN 110353949 A 8 图3 图4 说明书附图 3/3 页 9 CN 110353949 A 9 。