專利名稱：仿生踝關節的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種仿生結構，特別涉及一種仿生踝關節。
背景技術：
人體踝關節的復雜結構決定其運動形式包括矢狀面內的屈伸運動、額狀面內的內外翻運動及水平面內的內外旋運動。人體踝關節屬于滑車關節，在正常的步行運動中，踝關節的仿生距骨在踝窩中的放置中心是不斷改變的，其運動軌跡呈橢圓形，踝關節的活動軸線具有一定傾斜度，并經常處在變化中。步行運動時，踝關節瞬時旋轉中心落在仿生距骨體附近一個小范圍內。踝關節的主要運動為矢狀面內的屈伸，而內外旋及內外翻運動幅度相對較小。因此，在設計踝關節假肢時，主要提供矢狀面的屈伸活動，并且具有一固定的旋轉中心和旋轉軸，同時又設計成非制約式，能夠進行一定程度的微側向活動和旋轉活動。基于踝關節自身的運動學和動力學特性，研制一款接近于人體踝關節運動功能的仿生型踝關節，考慮主動控制和被動控制相結合的方式。能夠更好的滿足殘疾人患者對下肢踝關節假肢的需求，保證患者以正確的方式自由的行走和穩定的站立。
發明內容
本發明的目的，就是為了解決上述問題，提供一種仿生踝關節。本發明的目的通過以下的技術方案來實現一種仿生踝關節，其包括腳板；踝關節座，連接在腳板上，其前部設有導引槽；轉動軸，安裝在踝關節座上；仿生距骨，安裝在轉動軸上；第一桿端關節，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，下端與第一桿端關節相連，上端用于與小腿相連，中間設有一段平面齒條；第二桿端關節，下端連接有滾動軸，滾動軸兩端連接有滾動軸承，滾動軸承設置在踝關節座的導引槽內并可沿導引槽前后移動；第二屈伸桿，連接在第二桿端關節的上方；電機支座，安裝在第一屈伸桿的上部；步進電機，安裝在電機支座上；絲桿傳動機構，上端與電機主軸傳動相連，下端與第二屈伸桿相連并可帶動第二屈伸桿作上下屈伸運動；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、與第二屈伸桿滑動相連；非線性壓簧機構，下端固定在轉動軸上，上端卡在第一屈伸桿兩側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相連，齒輪的運動帶動第一屈伸桿作上下屈伸運動；角度傳感器，共兩個分別設置在轉動軸的兩端；數據采集機構，與角度傳感器電信相連；數據控制機構，與步進電機電信相連。所述的絲桿傳動機構包括絲桿和絲桿螺母，絲桿的上端與電機主軸相連，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構包括成對對稱設置的兩個壓簧座和兩個壓簧，兩個壓簧座分別固定在轉動軸的兩端，兩個壓簧的一端分別連接在對應位置的壓簧座上，另一端分別連接在屈伸桿定位連接件的兩側。所述的導引槽的行程為5. 17mm，所述的絲桿的行程為30. 05mm。本發明利用步進電機與絲桿連接帶動滾子做上下運動實現關節屈伸運動，導引槽保證絲桿帶動關節做旋轉運動時有足夠的水平移動，桿端關節可以提供多自由度的關節運動，非線性壓簧機構保證踝關節在做屈伸運動時的穩定性，角度傳感器提供角度變化的反饋信號，通過數據采集系統和數據控制系統來實現接近正常人體踝關節角度變化的運動規律。本發明是一款能方便提供主動力的仿生踝關節，采用主動控制與被動控制相結合的方式，有利于降低能量損耗，并且能實現接近正常人體踝關節角度變化的運動規律，同時滿足人體踝關節運動時具有靈活性和穩定性的要求。
圖1是本發明仿生踝關節的立體結構主視圖；圖2是本發明的側視結構(不含腳板)示意圖；圖3是本發明的局部結構示意圖；圖4是本發明仿生踝關節在一個步態周期的運動角度變化實驗數據曲線圖。
具體實施例方式下面結合附圖及具體實施例，對本發明作進一步說明。參見圖1，配合參見圖2、圖3。本發明的仿生踝關節，包括腳板1、踝關節座2、轉動軸3、仿生距骨4、第一桿端關節5、第一屈伸桿6、第二桿端關節7、第二屈伸桿8、電機支座 9、步進電機10、絲桿傳動機構11、屈伸桿定位連接件12、非線性壓簧機構13、齒輪座14、齒輪15、角度傳感器16、數據采集機構17和數據控制機構18。踝關節座2連接在腳板1上，其前部設有導引槽21。轉動軸3活動安裝在踝關節座2上并向兩端伸出。仿生距骨4安裝在轉動軸3上。第一桿端關節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節5相連，上端用于與小腿相連，中間設有一段平面齒條61。
第二桿端關節7的下端連接有滾動軸71，滾動軸71兩端連接有滾動軸承72，滾動軸承72設置在踝關節座的導引槽21內并可沿導引槽前后移動。第二屈伸桿8連接在第二桿端關節7的上方。電機支座9安裝在第一屈伸桿6的上部。步進電機10安裝在電機支座9上，其電機主軸向下方伸出。絲桿傳動機構11包括絲桿111和絲桿螺母112，絲桿111的上端與電機主軸相連， 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。絲桿傳動機構11可帶動第二屈伸桿8作上下屈伸運動。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滑動相連。非線性壓簧機構13包括成對對稱設置的兩個壓簧座131和兩個壓簧132，兩個壓簧座131分別固定在轉動軸3的兩端，兩個壓簧132的一端分別連接在對應位置的壓簧座 131上，另一端分別連接在第一屈伸桿兩側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嚙合傳動相連，齒輪 15的運動帶動第一屈伸桿6作上下屈伸運動。角度傳感器16共兩個分別安裝在相應的傳感器支架161上，并設置在轉動軸3的兩端。數據采集機構17與角度傳感器16電信相連。
數據控制機構18與步進電機10電信相連。本發明利用步進電機的驅動力通過絲桿的旋轉作用實現關節屈伸運動，導引槽保證步進電機絲桿帶動關節做旋轉運動時有足夠的水平移動，桿端關節可以提供多自由度的關節運動，非線性壓簧機構保證踝關節在做屈伸運動時的穩定性。踝關節運動角度變化的反饋信號由角度傳感器提供，通過數據采集系統和數據控制系統來實現接近正常人體踝關節角度變化的運動規律。本發明中的導引槽的最大設計行程為5. 17mm ；絲桿的行程為30. 05mm。它們的作用是限制踝關節背屈和拓屈的轉動角度在人體踝關節正常生理范圍之內。在腳板著地以后，由于路況的原因使得腳板兩側受到不平衡力，第二桿端關節7 可以提供冠狀面的關節運動，非線性壓簧機構13通過轉動軸3與第一桿端關節5連接，兩個壓簧132在壓簧座131上通過調整自身的收縮度來調整角度變化大小以及壓簧回復力的大小，保證其在矢狀面內平穩運動的同時也能在其他方向分運動。通過選用標準踝關節角度變化數據作為控制信號，本發明仿生踝關節跟隨實驗結果如圖4所示。圖中細實線代表標準數據，粗實線代表實驗結果。由圖4可以看出，系統控制仿生踝關節運動，在跟隨人體標準步態時，隨著步態幅度變大，跟隨出現了延遲，而且峰值達不到就進行后面的運動，我們通過軟件進行了修正， 使延遲現象得到了一定的改善，但沒有完全消除，這是系統延遲、機械構造、誤差以及步進電機等原因造成的系統誤差，可以通過另外的途徑校正。從整個跟隨運動過程來看，除了中期有一點延遲誤差外，仿生踝關節已經能夠完全跟隨標準曲線運動，可基本實現仿生踝關
5節跟隨運動的預期目標。
權利要求
1.一種仿生踝關節，其特征在于包括 腳板；踝關節座，連接在腳板上，其前部設有導引槽； 轉動軸，安裝在踝關節座上； 仿生距骨，安裝在轉動軸上；第一桿端關節，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，下端與第一桿端關節相連，上端用于與小腿相連，中間設有一段平面齒條；第二桿端關節，下端連接有滾動軸，滾動軸兩端連接有滾動軸承，滾動軸承設置在踝關節座的導引槽內并可沿導引槽前后移動；第二屈伸桿，連接在第二桿端關節的上方； 電機支座，安裝在第一屈伸桿的上部； 步進電機，安裝在電機支座上；絲桿傳動機構，上端與電機主軸傳動相連，下端與第二屈伸桿相連并可帶動第二屈伸桿作上下屈伸運動；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、與第二屈伸桿滑動相連；非線性壓簧機構，下端固定在轉動軸上，上端卡在第一屈伸桿兩側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相連，齒輪的運動帶動第一屈伸桿作上下屈伸運動；角度傳感器，共兩個分別設置在轉動軸的兩端； 數據采集機構，與角度傳感器電信相連； 數據控制機構，與步進電機電信相連。
2.根據權利要求1所述的仿生踝關節，其特征在于所述的絲桿傳動機構包括絲桿和絲桿螺母，絲桿的上端與電機主軸相連，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.根據權利要求1所述的仿生踝關節，其特征在于所述的非線性壓簧機構包括成對對稱設置的兩個壓簧座和兩個壓簧，兩個壓簧座分別固定在轉動軸的兩端，兩個壓簧的一端分別連接在對應位置的壓簧座上，另一端分別連接在屈伸桿定位連接件的兩側。
4.根據權利要求1所述的仿生踝關節，其特征在于所述的導引槽的行程為5.17mm，所述的絲桿的行程為30. 05mm。
全文摘要
本發明提供了一種仿生踝關節，它包括腳板、踝關節座、轉動軸、仿生距骨、第一桿端關節、第一屈伸桿、第二桿端關節、第二屈伸桿、電機支座、步進電機、絲桿傳動機構、屈伸桿定位連接件、非線性壓簧機構、齒輪座、齒輪、角度傳感器、數據采集機構和數據控制機構。本發明是一款能方便提供主動力的仿生踝關節，采用主動控制與被動控制相結合的方式，有利于降低能量損耗，并且能實現接近正常人體踝關節角度變化的運動規律，同時滿足人體踝關節運動時具有靈活性和穩定性的要求。
文檔編號A61F2/66GK102397118SQ20101028688
公開日2012年4月4日 申請日期2010年9月19日 優先權日2010年9月19日
發明者尚昆, 曹帥, 王禎祥, 趙偉欽, 趙改平, 郭丹, 阮超, 陳二云 申請人:上海理工大學