[发明专利]一种弹性驱动的动力型仿生膝关节

说明书

一种弹性驱动的动力型仿生膝关节包括主动力驱动端、缓冲机构、刚度调节机构、膝关节动力输出端、小腿连接端。所述主动力驱动端用于提供关节主动力，所述缓冲机构连接于所述主动力驱动端和所述膝关节动力输出端之间，用于将驱动端的主动力传输至所述膝关节动力输出端，所述缓冲机构包括弹性元件，所述刚度调节机构运动连接至所述缓冲机构，所述刚度调节机构通过朝向所述缓冲机构运动来改变所述弹性元件的预压缩量，实现对所述关节的刚度调节，所述小腿连接端与膝关节动力输出端相连。本发明的弹性驱动膝关节能够有效减缓外部冲击，关节刚度连续可调，以适应不同运动需求，能够为假肢佩戴者提供主动力，减少假肢患者的肌肉耗能且提高穿戴的舒适性。

技术领域

本发明属于生物医学工程和康复辅具技术领域，具体为一种下肢假肢中使用的动力型仿生膝关节。

背景技术

由于战争、疾病、工伤、交通事故及自然灾害等各种原因，致使数以百万计的人失去健康的下肢，一些人失去了劳动能力，阻碍了他们进行正常社会交往，承受着巨大的身心压力；另一方面，肢体残疾往往影响人的日常生活，降低他们生存质量的同时也为护理他们的家人以及社会带来沉重的负担。由于目前医疗水平尚不能使肢体再生，因此，为这些截肢者安装假肢也就成为了代偿缺损肢体的重要手段。

现有的假肢膝关节主要为被动型和半主动型假肢膝关节，普遍采用复杂的气压/液压阻尼系统模拟人体肌肉-肌腱组织，靠残端带动膝关节运动，在能量提供方面存在缺陷，不能主动上、下楼梯和爬斜坡，长时间穿戴会使截肢者产生疲劳感。如中国发明专利公布第102065799A号揭露了一种半驱动式大腿假肢膝关节，可在驱动和非驱动模式下工作，在驱动模式时，通过电机带动液压泵提供工作液流，使液压扭矩发生器产生膝关节所需的主动扭矩，在非驱动模式下，则用液压阀回路调节扭矩发生器中液流的阻力。该专利虽然也能为佩戴者提供主动力矩，但液压控制方式存在漏油、受温度影响较大等问题。

当前，在仿生关节的研究中，弹性驱动技术成为机器人关节驱动技术的研究热点。弹性驱动是指在执行器与负载之间加入弹性模块，使关节具有柔顺性、低能耗、低阻抗等特性，能够根据所受外部冲击力的大小改变关节刚度，关节自调整接触实现自我缓冲。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种弹性驱动的仿生膝关节，该柔性关节能够有效减缓外部冲击力，根据负载大小进行刚度调节，为假肢佩戴者提供主动力，能有效减少假肢患者的肌肉耗能，提高穿戴者的舒适性。

为解决上述技术问题，本发明首先提供一种弹性驱动的仿生膝关节，包括主动力驱动端、缓冲机构、刚度调节机构、膝关节动力输出端、小腿连接端。所述主动力驱动端用于提供关节主动力，所述缓冲机构连接于所述主动力驱动端和所述膝关节动力输出端之间，用于将驱动端的主动力传输至所述膝关节动力输出端，所述缓冲机构包括弹性元件，所述刚度调节机构运动连接至所述缓冲机构，所述刚度调节机构通过朝向所述缓冲机构运动来改变所述弹性元件的预压缩量，实现对所述关节的刚度调节。

进一步地，所述主动力驱动端包括主驱动电机、主电机基座、主动直齿轮、从动直齿轮、主动力输入轴，所述主驱动电机包括与电机相连的行星减速器，所述主驱动电机安装于主电机基座上，在所述主动直齿轮与主驱动电机输出轴固连，所述从动直齿轮与主动直齿轮齿合，所述主动力输入轴与从动直齿轮固连，且所述主动力输入轴连接所述缓冲机构。

进一步地，所述缓冲机构包括斜面盘、花键滑块、花键导向轴、滚子保持架、滚子销、滚子、矩形弹簧、弹簧上支撑。所述主动力输入轴与斜面盘固连，所述斜面盘均匀加工有3个圆弧状斜面滑槽，所述花键滑块内圈与所述花键导向轴滑动连接，所述花键滑块外圈法兰与所述滚子保持架连接。所述滚子保持架下端外侧沿圆周方向均匀加工有3个螺纹孔，用于安装所述滚子销，所述滚子销与所述滚子之间采取销钉连接方式，所述滚子能在斜面盘的圆弧状斜面滑槽上滚动，使得来自斜面盘的扭力通过滚子间接传动到花键导向轴上。