[发明专利]一种基于变胞并联机构的主动型膝踝关节假肢机构

说明书

一种基于变胞并联机构的主动型膝踝关节假肢机构，它由定平台、主动支链、变胞支链、动平台和主动型踝关节假肢机构所组成，实现膝踝关节的多自由度运动特性。本发明中设计的变胞并联机构中主动支链的驱动移动副为电推杆提供，不仅能实现膝关节屈伸和踝关节内外翻运动，还能模仿小腿骨骼肌群的伸缩运动；由于人体膝关节内外旋运动仅当屈膝时才被激活，且生活中对于内外旋运动的依赖性较少，采用变胞支链的变胞特性，即当该假肢机构屈膝时，变胞运动副变为驱动转动副，膝关节的内外旋被激活，反之，变胞运动副为固定副，膝关节不具内外旋运动。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。

技术领域

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的膝踝关节运动功能，使患者恢复膝、踝关节的多自由度运动特性和日常生活能力。

背景技术

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。

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。

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，该假肢机构由定平台、主动支链、变胞支链和动平台配置而成的一个少自由度变胞并联机构和一个单自由度转动的主动型踝关节假肢机构所组成。其中，当变胞支链的变胞运动副(上、下杆连接处)中间为固定副时，变胞并联机构仅能模仿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转动副时，变胞并联机构还能模仿膝关节的内外旋运动，该变胞特性符合人体下肢仅在屈膝状态下激活膝关节内外旋的运动特性。此外，单自由度转动的主动型踝关节假肢机构实现了踝关节的屈伸运动。基于并联机构的假肢机构，不仅能体现出机构的刚度高和承载能力强，还能简化整体结构、减少机构整体尺寸和生产成本等，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

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。

本发明采用如下的技术方案实现：

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)和主动型踝关节假肢机构(5)。