本發明專利技術公開了一種主被動式雙自由度踝關節假肢，包括碳纖維儲能腳板、電機、減速器、電機固定支座、帶輪傳動裝置、碳纖維管、滾珠絲杠、儲能彈簧、關節軸承、儲能橡膠圈、關節支撐座；所述碳纖維儲能腳板通過所述關節支撐座與所述碳纖維管連接；所述電機固定支座通過活動銷與所述碳纖維管連接；所述電機固定支座一端固定所述電機，一端固定所述滾珠絲杠，兩端通過所述帶輪傳動裝置連接；所述儲能彈簧與所述滾珠絲杠螺母連接；所述儲能橡膠圈通過軸與所述關節軸承以及所述關節支撐座連接。本發明專利技術中的踝關節假肢不僅可以完全提供人體步態所需的能量，還可以適應不同的地形地貌。此外，該踝關節假肢可以完全模擬人體踝關節在矢狀面以及冠狀面上的活動角度，因此可以更好的滿足截肢患者的正常行走要求。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及人體假肢，尤其涉及一種能夠模擬人體踝關節肌肉群驅動和儲能功能的主被動式雙自由度踝關節假肢及其運動方式。
技術介紹
假肢是截肢患者日常生活的必備裝置。以下肢踝關節假肢為例，其主要功能是代替殘缺肢體，輔助患者正常行走。人體踝足不僅具有主動驅動功能，還具有儲能和緩沖功能。最為理想的踝關節假肢應該能充分模擬人體踝足的主動驅動、儲能特性，以及人體踝關節步態特性。然而，到目前為止市場上絕大多數踝關節假肢都是被動的。盡管碳纖維腳底板的引入可以實現步態過程中的能量存儲和釋放，但是依舊不能滿足人體正常步態中所需的能量。此外，人體踝關節是多自由度關節。起主要作用的是矢狀面的背屈/趾屈和冠狀面的內翻/外翻。多自由度的關節保證了人體步態的靈活性和環境適應性?，F在市場上大多數踝關節假肢均為單自由度或者類單自由度，只能保證截肢患者在矢狀面的運動，因此環境適應性較差。主動式踝關節假肢的研究目前最具有代表性的是美國麻省理工學院H. Herr課題組研發的主動式踩足假肢，(S. Au, J. Weber, and H. Herr, “Powered ankle-footprosthesis improves walking metabolic economy,，，IEEE Trans. Robotics, vol. 25,no. I,pp. 51-66, Feb. 2009.)，此外，Ossur公司也開始研究主動式踝足假肢。盡管他們的假肢可以提供人體步態時所需的能量，但是他們的踝關節假肢也都是單自由度。到目前為止，電機驅動依舊是實現主動式假肢的有效且成熟的手段，然而由于電機的大質量，大體積，實現雙自由度主動踝關節假肢將很困難和笨重。因此，本領域的技術人員致力于開發一種主被動式雙自由度踝關節假肢。
技術實現思路
有鑒于現有技術的上述缺陷，本專利技術所要解決的技術問題是提供一種主被動式雙自由度踝關節假肢。為實現上述目的，本專利技術提供了一種主被動式踝關節假肢，包括碳纖維儲能腳板、 電機、減速器、電機固定支座、帶輪傳動裝置、碳纖維管、滾珠絲杠、儲能彈簧、關節軸承、儲能橡膠圈、關節支撐座；所述碳纖維儲能腳板通過所述關節支撐座與所述碳纖維管連接；所述電機固定支座通過活動銷與所述碳纖維管連接；所述電機固定支座一端固定所述電機，一端固定所述滾珠絲杠，兩端通過所述帶輪傳動裝置連接；所述儲能彈簧與所述滾珠絲杠螺母連接；所述儲能橡膠圈通過軸與所述關節軸承以及所述關節支撐座連接。所述關節軸承為三自由度關節軸承。所述關節軸承為前關節軸承和后關節軸承，且兩者并聯設置。所述儲能橡膠圈為四個。所述關節軸承以及所述滾珠絲杠裝置通過軸相連接組成四連桿機構，用以實現踝關節假肢的雙自由度。所述踝關節假肢具有兩個自由度，分別是可以實現矢狀面的腳板的背屈趾屈以及冠狀面的內翻外翻；所述矢狀面的腳板的背屈趾屈是主動運動，所述冠狀面的內翻外翻是被動運動。所述假肢在矢狀面上的背屈趾屈直接驅動力來源于所述碳纖維儲能腳板和所述儲能彈黃I)在步態前期，腳跟著地時，身體重心的下移和前傾將重力勢能轉換成所述碳纖維腳板的彈性勢能；2)在步態中期，所述電機轉動所述帶動帶輪及所述滾珠絲杠壓縮所述儲能彈簧， 在步態后期，腳尖離地之前，儲存在所述碳纖維儲能腳板和儲能彈簧的能量同時瞬間釋放， 提供給假肢足夠的蹬地能量；3)在步態后期，假肢擺動過程中，所述電機恢復初始狀態，為下一步腳跟著地做準備，從而實現循環主動步態。所述假肢在所述冠狀面上的內翻/外翻通過假肢關節以及所述儲能橡膠圈的緩沖實現假肢關節兩側分別墊有大小不同的所述儲能橡膠圈，當假肢內翻或者外翻時，處于內側或者外側的所述儲能橡膠圈受到擠壓并存儲能量，假肢離地時，所述儲能橡膠圈恢復原狀，假肢亦恢復原狀。所述矢狀面的關節轉角達到正負20度。所述冠狀面的關節轉角達到正負10度。本專利技術中的踝關節假肢不僅可以完全提供人體步態所需的能量，還可以適應不同的地形地貌。此外，該踝關節假肢可以完全模擬人體踝關節在矢狀面以及冠狀面上的活動角度，因此可以更好的滿足截肢患者的正常行走要求。附圖說明圖I是本專利技術的踝關節假肢的主視圖2是本專利技術的踝關節假肢的左視圖3是本專利技術的踝關節假肢的俯視圖。具體實施方式以下將結合附圖對本專利技術的構思、具體結構及產生的技術效果作進一步說明，以充分地了解本專利技術的目的、特征和效果。如圖I所示，本專利技術的主被動式雙自由度踝關節假肢包括碳纖維腳板9、電機4、減速器3、電機固定座2、主動帶輪19、從動帶輪15、傳送帶I、滾珠絲杠16、儲能彈簧13、碳纖維管18、碳纖維管支撐座5、關節左支撐座7、關節右支撐座24、腳板連接座8。電機固定座2分別固定電機和滾珠絲杠15，固定座2通過活動銷與碳纖維管18連接。儲能彈簧13分別固定在滾珠絲杠傳動螺母14和關節軸承連接座12之間。前關節軸承11 一端與關節軸承連接座12固定連接，另一端通過軸10固定于關節左支撐座7和關節右支撐座24之間。碳纖維支撐座5與后關節軸承一端25連接，軸關節軸承另一端通過軸6固定于關節左支撐座7和關節右支撐座24之間。關節左支撐座7和關節右支撐座24分別固定于腳板連接座 8上，腳板連接座8固定于碳纖維腳板9上。如圖2以及圖3所示，前左橡膠圈22和前右橡膠圈23分別緊扣在軸10上，分布于前關節軸承11兩端。后左橡膠圈20和后右橡膠圈21分別緊扣在軸6上，分布于后關節軸承25兩端。所有橡膠圈均分布并固定在左支撐座7和關節右支撐座24之間。該假肢具有雙自由度，通過兩個并聯的三自由度關節軸承(前關節軸承和后關節軸承)、軸17以及滾珠絲杠裝置所組成的四連桿機構所實現。其中矢狀面上的背屈趾屈運動由電機主動驅動四連桿機構實現，而冠狀面上的內翻外翻則有兩個并聯的關節軸承實現。矢狀面上的運動屬于主動運動，冠狀面上的運動屬于被動運動此外，主動運動能量不僅來自于電機驅動，還來自于碳纖維儲能腳和儲能彈簧的能量釋放。在步態前期，電機4運動依次帶動帶輪19、15和滾珠絲杠16，螺母14以及彈簧 13，調整腳板的方位保證腳跟著地。步態中期，人體重心的下移將重力勢能轉變成腳板的彈性勢能，此外，電機反轉壓縮儲能彈簧13，將電機產生的機械能轉變成儲能彈簧13的彈性勢能。在步態后期腳尖離地之前，存儲在彈簧以及腳板的彈性勢能同時釋放，從而為腳板離地提供足夠的蹬離能量，從而完成整個步態循環。在假肢矢狀面的背屈趾屈運動中，其驅動能量分別來自于碳纖維儲能腳版9和儲能彈簧13。在步態前期，電機4運動依次帶動帶輪19、15和滾珠絲杠16，螺母14以及彈簧 13，調整腳板的方位保證腳跟著地。步態中期，人體重心的下移將重力勢能轉變成腳板的彈性勢能，此外，電機反轉壓縮儲能彈簧13，將電機產生的機械能轉變成儲能彈簧13的彈性勢能。在步態后期腳尖離地之前，存儲在彈簧以及腳板的彈性勢能同時釋放，從而為腳板離地提供足夠的蹬離能量，從而完成整個步態循環。此外，矢狀面的關節轉角達到正負20度， 遠遠大于常規假肢的關節轉角。假肢冠狀面的內外翻被動運動通過關節軸承11和25以及彈性橡膠圈20、21、22、 23實現。當腳板處在不平整的道路環境中，比如上下坡，腳板9內翻時，前左橡膠圈22和后左橡膠圈20同時受壓儲能，起到一定的緩沖作用，從而保證了環境的適本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種主被動式踝關節假肢，其特征在于，包括碳纖維儲能腳板、電機、減速器、電機固定支座、帶輪傳動裝置、碳纖維管、滾珠絲杠、儲能彈簧、關節軸承、儲能橡膠圈、關節支撐座；所述碳纖維儲能腳板通過所述關節支撐座與所述碳纖維管連接；所述電機固定支座通過活動銷與所述碳纖維管連接；所述電機固定支座一端固定所述電機，一端固定所述滾珠絲杠，兩端通過所述帶輪傳動裝置連接；所述儲能彈簧與所述滾珠絲杠螺母連接；所述儲能橡膠圈通過軸與所述關節軸承以及所述關節支撐座連接。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：殷躍紅，張健軍，朱劍英，
申請(專利權)人：上海交通大學，
類型：發明
國別省市：
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