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1、(10)申请公布号 CN 103006357 A (43)申请公布日 2013.04.03 CN 103006357 A *CN103006357A* (21)申请号 201210554084.4 (22)申请日 2012.12.19 A61F 2/66(2006.01) A61F 2/70(2006.01) (71)申请人 南京工程学院 地址 211167 江苏省南京市江宁科学园弘景 大道 1 号 (72)发明人 韩亚丽 朱松青 高海涛 许有熊 (74)专利代理机构 南京知识律师事务所 32207 代理人 蒋海军 (54) 发明名称 一种主被动相结合的低功耗踝关节假肢 (57) 摘要 本发明。
2、公开了一种主被动相结合的低功耗踝 关节假肢， 属于假肢与矫形器技术领域。 本发明包 括支撑架机构、 主动驱动机构、 踝轴关节机构、 串 联弹性驱动机构、 并联弹簧机构和弹性脚板机构， 支撑架机构位于弹性脚板机构的上方， 其驱动部 件是由主动驱动机构、 踝轴关节机构、 串联弹性驱 动机构和并联弹簧机构组合而成的主被动相结合 的驱动系统。本发明充分利用了串联弹性驱动机 构和并联弹簧机构在行走阶段储能、 释能的功能， 主动驱动机构仅在行走过程中的适时阶段进行驱 动， 也即是电机仅在背屈阶段进行驱动， 使得整个 踝关节假肢具有低功耗的优点 ； 且本发明基于人 体运动生物力学研究而进行运动仿生设计的， 。
3、能 满足人体运动实际要求， 且结构简单。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 4 页 1/1 页 2 1. 一种主被动相结合的低功耗踝关节假肢， 其特征在于 ： 包括支撑架机构、 主动驱动 机构、 踝轴关节机构、 串联弹性驱动机构、 并联弹簧机构和弹性脚板机构， 所述的支撑架机 构与弹性脚板机构相连接， 所述的主动驱动机构、 踝轴关节机构、 串联弹性驱动机构、 并联 弹簧机构固连于支撑架机构中， 其中 ： 所述的支撑架机构包括上支撑架 （101） 和下支撑。
4、架 （102） ， 该上支撑架 （101） 与下支撑 架 （102） 在所述的踝轴关节机构处相连 ； 所述的主动驱动机构包括编码器、 电机 （3） 、 减速器 （4） 、 主动锥齿轮套环 （5） 和主动锥 齿轮 （6） ， 上述的编码器与电机 （3） 连接， 所述的电机 （3） 通过减速器 （4） 、 主动锥齿轮轴与 主动锥齿轮 （6） 相连， 所述的减速器 （4） 下方设置有主动锥齿轮套环 （5） ， 该主动锥齿轮套 环 （5） 与上支撑架 （101） 相固连 ； 所述的踝轴关节机构包括从动锥齿轮 （7） 、 踝轴 （8） 和踝轴轴承 （9） ， 所述的踝轴轴承 （9） 与上支撑架 （101。
5、） 、 下支撑架 （102） 相连， 所述的从动锥齿轮 （7） 与踝轴 （8） 相固连， 该 从动锥齿轮 （7） 与上述的主动锥齿轮 （6） 相啮合 ； 所述的串联弹性驱动机构包括曲柄 （10） 、 串联弹簧连杆 （11） 、 跖屈弹簧 （12） 、 串联弹 簧导套 （13） 、 第一摇块 （14） 、 第一摇块轴承 （15） 、 背屈弹簧 （16） 、 串联弹簧导杆 （17） 和弹簧 压缩板 （18） ， 所述的曲柄 （10） 一端与上述的踝轴 （8） 相固连， 曲柄 （10） 另一端与串联弹簧 连杆 （11） 相铰接， 所述的串联弹簧导杆 （17） 一端连接串联弹簧连杆 （11） ， 另一。
6、端固连有弹 簧压缩板 （18） ， 该串联弹簧导杆 （17） 中部设置有第一摇块 （14） ， 所述的第一摇块 （14） 一侧 的串联弹簧导杆 （17） 上串接有跖屈弹簧 （12） 和串联弹簧导套 （13） ， 所述的第一摇块 （14） 另一侧的串联弹簧导杆 （17） 两侧面设置有两个背屈弹簧 （16） ， 该背屈弹簧 （16） 通过各自 的弹簧导杆安装于第一摇块 （14） 和弹簧压缩板 （18） 之间， 所述的第一摇块 （14） 通过第一 摇块轴、 第一摇块轴承 （15） 与下支撑架 （102） 相连 ； 所述的并联弹簧机构包括并联弹簧连杆 （19） 、 并联弹簧 （20） 、 并联弹簧导套。
7、 （21） 、 第 二摇块 （22） 、 并联弹簧导杆 （23） 和第二摇块轴承 （24） ， 所述的第二摇块 （22） 上并列固连有 两并联弹簧导杆 （23） ， 该并联弹簧导杆 （23） 上套设有并联弹簧导套 （21） 和并联弹簧 （20） ， 所述的并联弹簧导杆 （23） 下端与并联弹簧连杆 （19） 相连接， 所述的并联弹簧连杆 （19） 与 下支撑架 （102） 相固连， 所述的第二摇块 （22） 通过第二摇块轴、 第二摇块轴承 （24） 与上支 撑架 （101） 相连 ； 所述的弹性脚板机构包括下脚板 （201） 和上脚板 （202） ， 所述的下脚板 （201） 和上脚板 （20。
8、2） 相固连。 2. 根据权利要求 1 所述的一种主被动相结合的低功耗踝关节假肢， 其特征在于 ： 还 包括压力传感器， 所述的下脚板 （201） 和上脚板 （202） 通过螺钉固连组成脚板， 该下脚板 （201） 和上脚板 （202） 的材质为碳纤维材料， 整个脚板的前部与脚跟处内嵌有压力传感器。 3. 根据权利要求 2 所述的一种主被动相结合的低功耗踝关节假肢， 其特征在于 ： 所述 的主动驱动机构竖直设置， 所述的踝轴关节机构水平设置， 上述的电机 （3） 、 减速器 （4） 、 主 动锥齿轮套环 （5） 、 主动锥齿轮 （6） 的中轴线与从动锥齿轮 （7） 、 踝轴 （8） 、 踝轴轴。
9、承 （9） 的中 轴线相垂直。 权 利 要 求 书 CN 103006357 A 2 1/4 页 3 一种主被动相结合的低功耗踝关节假肢 技术领域 0001 本发明涉及假肢与矫形器技术领域， 更具体地说， 涉及一种主被动相结合的低功 耗踝关节假肢。 背景技术 0002 当今社会， 由于交通事故、 疾病等原因使得膝下截肢的群体逐渐增多， 而对于下肢 截肢者目前最常见的补偿其行走能力缺陷的方式是轮椅、 拐杖和假肢。 轮椅占地面积较大， 且受限于轮式机器无法到达的地方， 如楼梯行走等。 拐杖的使用占用了双手的功能， 降低了 穿戴者的身体功能。穿戴假肢可以达到人体缺失功能的代偿， 且在装饰性和行走舒适。
10、性等 方面具有优势。 0003 目前， 踝关节假肢的种类很多， 按驱动方式分类， 主要有被动和主动踝关节假肢。 被动踝关节假肢是采用橡胶、 碳纤维等材料制作脚板， 或在机构中引入弹簧等储能器件使 得脚整体具有一定弹性。被动踝关节假肢具有机构简单、 重量轻、 能量消耗低等优点， 但由 于被动踝关节假肢无动力源， 存在截肢患者行走与正常肢体运动轨迹不匹配问题。主动踝 关节假肢是在假肢机构中引入了电机等主动驱动器件， 有单轴踝关节假肢和万向踝关节假 肢， 单轴踝关节假肢仅具有跖屈与背屈一个自由度， 而万向踝关节假肢则能实现与人体相 同的跖屈和背屈、 内翻与外翻及旋转三个自由度的运动。主动踝关节假肢的。
11、主要优点是使 得穿戴者的步态较自然， 且能适应不同路况， 但主动式踝关节假肢则由于引入了驱动单元， 存在假肢系统重量大、 能耗高等缺点。 0004 如中国专利申请号 201010286882.4， 申请日为 2010 年 9 月 19 日， 发明创造名称 为 ： 仿生踝关节， 该申请案提供了一种仿生踝关节， 它包括脚板、 踝关节座、 转动轴、 仿生距 骨、 第一杆端关节、 第一屈伸杆、 第二杆端关节、 第二屈伸杆、 电机支座、 步进电机、 丝杆传动 机构、 屈伸杆定位连接件、 非线性压簧机构、 齿轮座、 齿轮、 角度传感器、 数据采集机构和数 据控制机构， 利用步进电机与丝杆连接带动滚子做上下。
12、运动实现关节屈伸运动， 导引槽保 证丝杆带动关节做旋转运动时有足够的水平移动， 杆端关节可以提供多自由度的关节运 动， 非线性压簧机构保证踝关节在做屈伸运动时的稳定性， 角度传感器提供角度变化的反 馈信号， 通过数据采集系统和数据控制系统来实现接近正常人体踝关节角度变化的运动规 律。 该申请案结构复杂， 且非线性压簧机构用于保证踝关节在做屈伸运动时的稳定性， 整体 能耗高， 有待进一步改善。 发明内容 0005 发明要解决的技术问题 本发明的目的在于克服现有技术中被动踝关节假肢与主动踝关节假肢技术存在的不 足， 提供了一种主被动相结合的低功耗踝关节假肢， 本发明将主动驱动与被动驱动相结合， 基。
13、于人体运动生物力学研究设计了包含支撑架机构、 主动驱动机构、 踝轴关节机构、 串联弹 性驱动机构、 并联弹簧机构和弹性脚板机构的踝关节假肢， 能满足人体运动要求， 且具有低 说 明 书 CN 103006357 A 3 2/4 页 4 功耗的特点。 0006 技术方案 为达到上述目的， 本发明提供的技术方案为 ： 本发明的一种主被动相结合的低功耗踝关节假肢， 包括支撑架机构、 主动驱动机构、 踝 轴关节机构、 串联弹性驱动机构、 并联弹簧机构和弹性脚板机构， 所述的支撑架机构与弹性 脚板机构相连接， 所述的主动驱动机构、 踝轴关节机构、 串联弹性驱动机构、 并联弹簧机构 固连于支撑架机构中， 。
14、其中 ： 所述的支撑架机构包括上支撑架和下支撑架， 该上支撑架与下支撑架在所述的踝轴 关节机构处相连 ； 所述的主动驱动机构包括编码器、 电机、 减速器、 主动锥齿轮套环和主动 锥齿轮， 上述的编码器与电机连接， 所述的电机通过减速器、 主动锥齿轮轴与主动锥齿轮相 连， 所述的减速器下方设置有主动锥齿轮套环， 该主动锥齿轮套环与上支撑架相固连 ； 所述 的踝轴关节机构包括从动锥齿轮、 踝轴和踝轴轴承， 所述的踝轴轴承与上支撑架、 下支撑架 相连， 所述的从动锥齿轮与踝轴相固连， 该从动锥齿轮与上述的主动锥齿轮相啮合 ； 所述的 串联弹性驱动机构包括曲柄、 串联弹簧连杆、 跖屈弹簧、 串联弹簧导。
15、套、 第一摇块、 第一摇块 轴承、 背屈弹簧、 串联弹簧导杆和弹簧压缩板， 所述的曲柄一端与上述的踝轴相固连， 曲柄 另一端与串联弹簧连杆相铰接， 所述的串联弹簧导杆一端连接串联弹簧连杆， 另一端固连 有弹簧压缩板， 该串联弹簧导杆中部设置有第一摇块， 所述的第一摇块一侧的串联弹簧导 杆上串接有跖屈弹簧和串联弹簧导套， 所述的第一摇块另一侧的串联弹簧导杆两侧面设置 有两个背屈弹簧， 该背屈弹簧通过各自的弹簧导杆安装于第一摇块和弹簧压缩板之间， 所 述的第一摇块通过第一摇块轴、 第一摇块轴承与下支撑架相连 ； 所述的并联弹簧机构包括 并联弹簧连杆、 并联弹簧、 并联弹簧导套、 第二摇块、 并联弹。
16、簧导杆和第二摇块轴承， 所述的 第二摇块上并列固连有两并联弹簧导杆， 该并联弹簧导杆上套设有并联弹簧导套和并联弹 簧， 所述的并联弹簧导杆下端与并联弹簧连杆相连接， 所述的并联弹簧连杆与下支撑架相 固连， 所述的第二摇块通过第二摇块轴、 第二摇块轴承与上支撑架相连 ； 所述的弹性脚板机 构包括下脚板和上脚板， 所述的下脚板和上脚板相固连。 0007 更进一步地， 还包括压力传感器， 所述的下脚板和上脚板通过螺钉固连组成脚板， 该下脚板和上脚板的材质为碳纤维材料， 整个脚板的前部与脚跟处内嵌有压力传感器。 0008 更进一步地， 所述的主动驱动机构竖直设置， 所述的踝轴关节机构水平设置， 上述 。
17、的电机、 减速器、 主动锥齿轮套环、 主动锥齿轮的中轴线与从动锥齿轮、 踝轴、 踝轴轴承的中 轴线相垂直。 0009 有益效果 采用本发明提供的技术方案， 与已有的公知技术相比， 具有如下显著效果 ： （1） 本发明的一种主被动相结合的低功耗踝关节假肢， 其驱动部件是由主动驱动机构、 踝轴关节机构、 串联弹性驱动机构和并联弹簧机构组合而成的主被动相结合的驱动系统， 充分利用了串联弹性驱动机构和并联弹簧机构在行走阶段储能、 释能的功能， 主动驱动机 构仅在行走过程中的适时阶段进行驱动， 也即是电机仅在背屈阶段进行驱动， 本发明的踝 关节假肢充分利用了储能器件的优点使得整个踝关节假肢具有低功耗的优。
18、点 ； （2） 本发明的一种主被动相结合的低功耗踝关节假肢， 该假肢结构是基于人体运动生 物力学研究而进行运动仿生设计的， 能满足人体运动实际要求， 且结构简单。 说 明 书 CN 103006357 A 4 3/4 页 5 附图说明 0010 图 1 是本发明的一种主被动相结合的低功耗踝关节假肢的结构示意图 ； 图 2 是本发明中主动驱动机构的结构示意图 ； 图 3 是本发明中踝轴关节机构的结构示意图 ； 图 4 是本发明中串联弹性驱动机构的结构示意图 ； 图 5 是本发明中并联弹簧机构的结构示意图。 0011 示意图中的标号说明 ： 101、 上支撑架 ； 102、 下支撑架 ； 201、。
19、 下脚板 ； 202、 上脚板 ； 3、 电机 ； 4、 减速器 ； 5、 主动 锥齿轮套环 ； 6、 主动锥齿轮 ； 7、 从动锥齿轮 ； 8、 踝轴 ； 9、 踝轴轴承 ； 10、 曲柄 ； 11、 串联弹簧 连杆 ； 12、 跖屈弹簧 ； 13、 串联弹簧导套 ； 14、 第一摇块 ； 15、 第一摇块轴承 ； 16、 背屈弹簧 ； 17、 串联弹簧导杆 ； 18、 弹簧压缩板 ； 19、 并联弹簧连杆 ； 20、 并联弹簧 ； 21、 并联弹簧导套 ； 22、 第二摇块 ； 23、 并联弹簧导杆 ； 24、 第二摇块轴承。 具体实施方式 0012 为进一步了解本发明的内容， 结合附图和。
20、实施例对本发明作详细描述。 0013 实施例 1 结合图 1、 图 2、 图 3、 图 4 和图 5， 本实施例的一种主被动相结合的低功耗踝关节假肢， 包括支撑架机构、 主动驱动机构、 踝轴关节机构、 串联弹性驱动机构、 并联弹簧机构和弹性 脚板机构， 支撑架机构与弹性脚板机构相连接， 且支撑架机构位于弹性脚板机构的上方， 主 动驱动机构、 踝轴关节机构、 串联弹性驱动机构、 并联弹簧机构固连于支撑架机构中。 0014 如图 1 所示， 支撑架机构包括上支撑架 101 和下支撑架 102， 该上支撑架 101 与下 支撑架 102 在踝轴关节机构处相连， 共同形成连接穿戴者、 踝轴关节机构、 。
21、并联弹簧机构及 弹性脚板机构等的支撑机构。图 1 中， 弹性脚板机构包括下脚板 201、 上脚板 202 和压力传 感器 （图中为示出） ， 下脚板 201 和上脚板 202 通过螺钉固连组成脚板， 该下脚板 201 和上脚 板 202 的材质为碳纤维材料， 整个脚板的前部与脚跟处内嵌有压力传感器， 用于人体运动 状态的检测。 0015 如图 2 所示， 主动驱动机构包括编码器 （图中未标号示出） 、 电机 3、 减速器 4、 主动 锥齿轮套环 5 和主动锥齿轮 6， 上述的编码器与电机 3 连接， 编码器与控制系统连接， 电机 3 通过减速器 4、 主动锥齿轮轴与主动锥齿轮 6 相连， 所述。
22、的减速器 4 下方设置有主动锥齿轮 套环 5， 该主动锥齿轮套环 5 与上支撑架 101 内的固定台相固定。 0016 如图 3 所示， 踝轴关节机构包括从动锥齿轮 7、 踝轴 8 和踝轴轴承 9， 所述的踝轴轴 承9与上支撑架101、 下支撑架102相连， 所述的从动锥齿轮7与踝轴8通过键相固连， 该从 动锥齿轮 7 与上述的主动锥齿轮 6 相啮合。本实施例中主动驱动机构竖直设置， 所述的踝 轴关节机构水平设置， 上述的电机3、 减速器4、 主动锥齿轮套环5、 主动锥齿轮6的中轴线与 从动锥齿轮 7、 踝轴 8、 踝轴轴承 9 的中轴线相垂直， 如图 1 所示。 0017 如图 4 所示， 。
23、串联弹性驱动机构包括曲柄 10、 串联弹簧连杆 11、 跖屈弹簧 12、 串联 弹簧导套 13、 第一摇块 14、 第一摇块轴承 15、 背屈弹簧 16、 串联弹簧导杆 17 和弹簧压缩板 18， 所述的曲柄 10 一端与上述的踝轴 8 相固连， 曲柄 10 另一端与串联弹簧连杆 11 相铰接， 说 明 书 CN 103006357 A 5 4/4 页 6 所述的串联弹簧导杆17一端连接串联弹簧连杆11， 另一端固连有弹簧压缩板18， 该串联弹 簧导杆17中部设置有第一摇块14， 所述的第一摇块14一侧的串联弹簧导杆17上串接有跖 屈弹簧12和串联弹簧导套13， 所述的第一摇块14另一侧的串联。
24、弹簧导杆17两侧面设置有 两个背屈弹簧 16， 该背屈弹簧 16 通过各自的弹簧导杆安装于第一摇块 14 和弹簧压缩板 18 之间， 所述的第一摇块 14 通过第一摇块轴、 第一摇块轴承 15 与下支撑架 102 相连。 0018 如图 5 所示， 并联弹簧机构包括并联弹簧连杆 19、 并联弹簧 20、 并联弹簧导套 21、 第二摇块 22、 并联弹簧导杆 23 和第二摇块轴承 24， 所述的第二摇块 22 上并列固连有两并 联弹簧导杆 23， 该并联弹簧导杆 23 上套设有并联弹簧导套 21 和并联弹簧 20， 所述的并联 弹簧导杆 23 下端与并联弹簧连杆 19 相连接， 所述的并联弹簧连。
25、杆 19 与下支撑架 102 相固 连， 所述的第二摇块 22 通过第二摇块轴、 第二摇块轴承 24 与上支撑架 101 相连。值得说明 的是， 本实施例中， 上支撑架101、 下支撑架102、 踝轴8、 曲柄10、 串联弹簧导杆17、 并联弹簧 导杆 23、 第一摇块 14、 第二摇块轴承 24、 弹簧压缩板 18 等零件的材料均采用轻质铝合金材 料。 0019 按照一个步态周期内人体的运动相位对本发明的工作过程进行描述。 在一个步态 周期内人体踝关节的运动相可分为支撑相及摆动相， 其中在支撑相内又分为 ： 脚跟着地到 脚板放平的跖屈阶段、 脚底放平到脚跟离地的背屈阶段、 脚跟离地到脚尖离地。
26、的需施加动 力驱动的跖屈阶段。结合上述步态周期内的运动相位关系， 本发明工作时， 首先脚跟着地 后， 踝关节假肢随着人体残肢对串联弹性驱动机构中的跖屈弹簧 12 进行压缩储能直至脚 底放平 ； 在脚底放平至脚根离地的过程中， 跖屈弹簧 12 伸展释能推动脚跟离地， 且并联弹 簧 20 压缩， 对踝关节进行刚度补偿， 同时背屈弹簧 16 压缩储能， 背屈弹簧 16 在脚跟离地至 脚尖登离地面的过程中伸展释能， 且并联弹簧 20 在脚跟离地至脚尖登离地面过程中同样 伸展释放能量， 但在此过程中， 踝关节需要做功推动人体的向前向上运动， 紧靠背屈弹簧 16 及并联弹簧20释放的能量显然不足， 此时主。
27、动驱动机构中的电机3带动从动锥齿轮7， 适时 地对踝关节进行动力补偿， 进而实现踝关节登离地面的运动。进入摆动阶段后仅需控制其 脚板的合理摆动相位直至进入下一次的脚跟着地运动。 0020 本发明充分利用了串联弹性驱动机构和并联弹簧机构在行走阶段储能、 释能的功 能， 主动驱动机构仅在行走过程中的适时阶段进行驱动， 使得整个踝关节假肢具有低功耗 的优点。 0021 以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述， 该描述没有限制性， 附图中所 示的也只是本发明的实施方式之一， 实际的结构并不局限于此。 所以， 如果本领域的普通技 术人员受其启示， 在不脱离本发明创造宗旨的情况下， 不经创造性的设计出与该技术方案 相似的结构方式及实施例， 均应属于本发明的保护范围。 说 明 书 CN 103006357 A 6 1/4 页 7 图 1 说 明 书 附 图 CN 103006357 A 7 2/4 页 8 图 2 说 明 书 附 图 CN 103006357 A 8 3/4 页 9 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103006357 A 9 4/4 页 10 图 5 说 明 书 附 图 CN 103006357 A 10 。