一種膝踝關節一體化主動假肢及其控制方法技術

本發明專利技術涉及一種膝踝關節一體化主動假肢及其控制方法，主動假肢包括膝關節、踝關節、假肢支撐桿、腳板、同軸設置的膝關節驅動源和踝關節驅動源，膝關節驅動源和踝關節驅動源設置在假肢支撐桿遠離腳板一側的端部，其中：膝關節驅動源設置在膝關節的回轉中心，膝關節驅動源帶動膝關節相對于假肢支撐桿轉動；踝關節驅動源通過假肢連接桿與踝關節、假肢支撐桿組合構成四連桿結構，踝關節驅動源通過假肢連接桿帶動踝關節相對于假肢支撐桿轉動。本發明專利技術膝關節動力單元和踝關節動力單元同軸設置在更靠近患者殘肢端的原膝關節位置，在假肢支撐桿上沒有設置動力單元，使得假肢支撐桿質量更輕，轉動慣量更低，從而減小對運動控制系統的動態性能的影響。性能的影響。性能的影響。

【技術實現步驟摘要】
一種膝踝關節一體化主動假肢及其控制方法


[0001]本專利技術涉及假肢
，尤其是指一種膝踝關節一體化主動假肢及其控制方法。

技術介紹

[0002]現有的人體關節假肢機構依據是否提供動力源，可分為主動式假肢機構、被動式假肢機構和主被動混合式假肢機構。傳統假肢大多數是被動式假肢，被動假肢沒有任何動力源，需要用戶自己提供驅動力，帶動假肢運動，這增加了患者的負擔，不便于行走和運動，殘疾人穿戴這類假肢行走,要比健康人多耗費20％～30％的能量,且健肢側和患肢側的運動表現出明顯的不對稱性。主被動混合式和主動式膝踝假肢引入了電機，液壓缸和減速器等各種動力源來提供人體所需的速度和扭矩，實現人體的各種運動。但是這類假肢同時也面臨著機構復雜，重量大，控制難度高，價格成本昂貴等問題，而且大多數假肢為單一的膝關節假肢或踝關節假肢，能實現由控制器控制膝關節和踝關節聯動的假肢很少。
[0003]現有的主被動混合式和主動式膝踝假肢在結構上一般采用電機+滾珠絲杠分別為膝關節和踝關節提供動力，或采用減速器或者電機+滾珠絲杠+液壓缸的形式為膝關節提供動力，然后采用彈性碳纖維材料和液壓阻尼的被動形式為踝關節提供動力，這兩類假肢都有著機構復雜，重量大，控制難度高的問題，并且，無論采用何種形式，都需要在踝關節的位置設置主動或被動的驅動源，這樣，當運動變化幅度大時，導致轉動慣量較大，而轉動慣量是直接影響運動控制系統動態性能的一個參數，轉動慣量變化幅度大對運動控制系統的動態性能影響較大。

技術實現思路

[0004]為此，本專利技術所要解決的技術問題在于克服現有技術中膝踝一體化假肢存在的機構復雜，重量大，轉動慣量大的缺點，提供膝踝關節一體化主動假肢及其控制方法，其中，膝關節動力單元和踝關節動力單元同軸設置在更靠近患者殘肢端的原膝關節位置，在假肢支撐桿上沒有設置動力單元，使得假肢支撐桿質量更輕，轉動慣量更低，從而減小對運動控制系統的動態性能的影響。
[0005]為解決上述技術問題，本專利技術提供了一種膝踝關節一體化主動假肢，包括膝關節、踝關節、設置在膝關節與踝關節之間的假肢支撐桿以及與所述踝關節連接的腳板，還包括：同軸設置的膝關節驅動源和踝關節驅動源，所述膝關節驅動源和踝關節驅動源設置在假肢支撐桿遠離腳板一側的端部，其中：
[0006]所述膝關節驅動源設置在所述膝關節的回轉中心，所述膝關節驅動源帶動所述膝關節相對于所述假肢支撐桿轉動；
[0007]所述踝關節驅動源通過假肢連接桿與踝關節、假肢支撐桿組合構成四連桿結構，所述踝關節驅動源通過四連桿結構帶動所述踝關節相對于所述假肢支撐桿轉動。
[0008]在本專利技術的一個實施例中，還包括支撐組件，所述膝關節驅動源和踝關節驅動源
均安裝在所述支撐組件上，所述支撐組件包括：
[0009]支撐殼體，具有分隔板，在所述分隔板的兩側分別設置有膝關節驅動源容置槽和踝關節驅動源容置槽；
[0010]膝關節簡支梁，設置在所述支撐殼體的側面，所述膝關節簡支梁與所述支撐殼體配合構成支撐所述膝關節驅動源的膝關節簡支結構；
[0011]踝關節簡支梁，與所述膝關節簡支梁對應設置在所述支撐殼體的另一側面，所述踝關節簡支梁與所述支撐殼體配合構成支撐所述踝關節驅動源的踝關節簡支結構。
[0012]在本專利技術的一個實施例中，所述膝關節驅動源和膝關節驅動源和踝關節驅動源均為電磁驅動結構，所述膝關節驅動源和踝關節驅動源均包括回轉磁鋼片陣列、電磁線圈、齒盤、偏心結構、驅動輸出件、固定架、驅動電路板、控制電路板。
[0013]在本專利技術的一個實施例中，還包括線圈供電電源和電路板供電電源，所述線圈供電電源分別為所述膝關節驅動源中和踝關節驅動源中的電磁線圈供電；所述電路板供電電源分別為所述膝關節驅動源中和踝關節驅動源中的驅動電路板供電。
[0014]在本專利技術的一個實施例中，還包括中空走線結構，所述線圈供電電源和電路板供電電源與膝關節驅動源和踝關節驅動源之間的電路走線均從所述中空走線結構中穿過。
[0015]為解決上述技術問題，本專利技術還提供了一種膝踝關節一體化主動假肢的控制方法，包括以下步驟：
[0016]步驟S1、在腳板底部與地面接觸的平面上陣列設置多組壓力傳感器；
[0017]步驟S2、通過多組壓力傳感器觸發的位置和檢測的數值，計算足底壓力中心的位置，判斷當前腳板的行走狀態；
[0018]步驟S3、根據腳板的行走狀態，進行運動學和動力學分析，確定當前行走狀態下膝關節和踝關節轉動的角度、角速度和角加速度；
[0019]步驟S4、根據角度、角速度和角加速度，計算得到下一行走狀態的膝關節和踝關節的關節控制力矩，將關節控制力矩傳遞給驅動電路板，控制假肢行走。
[0020]在本專利技術的一個實施例中，根據實際的行走情況，將腳板的行走狀態分為足跟著地、全足放平、足尖著地三個行走支撐期，在步驟S1中，根據行走支撐期將多組壓力傳感器分為后足、足中及前足三個區域。
[0021]在本專利技術的一個實施例中，在步驟S2中，先模擬正常行走的狀態，得到正常行走時，腳板的行走狀態經過足跟著地、全足放平、足尖著地的動作變換的過程中，后足、足中及前足三個區域的壓力傳感器觸發的位置和檢測的閾值，確定足底壓力中心的移動軌跡，在控制過程中，通過實時檢測得到的多組壓力傳感器觸發的位置和檢測的數值與模擬時得到的壓力傳感器觸發的位置和檢測的閾值比較，確定腳板的行走狀態。
[0022]在本專利技術的一個實施例中，在步驟S3中，根據假肢中膝關節和踝關節的運動形態與人體行走狀態的對應關系，建立運動學和動力學模型，從而得到當前行走狀態下膝關節和踝關節轉動的角度、角速度和角加速度。
[0023]在本專利技術的一個實施例中，在步驟S4中，根據運動學和動力學模型能夠確定假肢在當前狀態下到下一狀態的變化過程中，膝關節和踝關節的關節力矩與角度、角速度和角加速度變量之間的關系：
[0024]M(q)q'+C(q，q
″
)+G(q)＝τ+τ
d
[0025]其中，q、q
′
和q
″
分別為角度、角速度、角加速度；
[0026]τ、τ
d
為控制力矩和擾動力矩；
[0027]M(q)為下肢假肢慣量矩陣；
[0028]C(q)為離心力和哥式力矢量；
[0029]G(q)為重力矢量。
[0030]本專利技術的上述技術方案相比現有技術具有以下優點：
[0031]本專利技術所述的膝踝關節一體化主動假肢，將膝關節驅動源和踝關節驅動源同軸設置在更靠近患者殘肢端的原膝關節位置，在假肢支撐桿的底部僅設置用于轉動的踝關節和用于行走的腳板，沒有設置其他的動力單元，使整個假肢的質量集中膝關節位置，使得假肢支撐桿質量更輕，在控制假肢支撐桿轉動的時候，其轉動慣量更低，從而減小對運動控制系統的動態性能的影響，使假肢支撐桿更容易被控制；
[0032]并且，膝關節驅動源和踝關節驅動源同軸設置還有一個好處就本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.一種膝踝關節一體化主動假肢，包括膝關節、踝關節、設置在膝關節與踝關節之間的假肢支撐桿以及與所述踝關節連接的腳板，其特征在于，還包括：同軸設置的膝關節驅動源和踝關節驅動源，所述膝關節驅動源和踝關節驅動源設置在假肢支撐桿遠離腳板一側的端部，其中：所述膝關節驅動源設置在所述膝關節的回轉中心，所述膝關節驅動源帶動所述膝關節相對于所述假肢支撐桿轉動；所述踝關節驅動源通過假肢連接桿與踝關節、假肢支撐桿組合構成四連桿結構，所述踝關節驅動源通過四連桿結構帶動所述踝關節相對于所述假肢支撐桿轉動。2.根據權利要求1所述的膝踝關節一體化主動假肢，其特征在于：還包括支撐組件，所述膝關節驅動源和踝關節驅動源均安裝在所述支撐組件上，所述支撐組件包括：支撐殼體，具有分隔板，在所述分隔板的兩側分別設置有膝關節驅動源容置槽和踝關節驅動源容置槽；膝關節簡支梁，設置在所述支撐殼體的側面，所述膝關節簡支梁與所述支撐殼體配合構成支撐所述膝關節驅動源的膝關節簡支結構；踝關節簡支梁，與所述膝關節簡支梁對應設置在所述支撐殼體的另一側面，所述踝關節簡支梁與所述支撐殼體配合構成支撐所述踝關節驅動源的踝關節簡支結構。3.根據權利要求1所述的膝踝關節一體化主動假肢，其特征在于：所述膝關節驅動源和膝關節驅動源和踝關節驅動源均為電磁驅動結構，所述膝關節驅動源和踝關節驅動源均包括回轉磁鋼片陣列、電磁線圈、齒盤、偏心結構、驅動輸出件、固定架、驅動電路板、控制電路板。4.根據權利要求3所述的膝踝關節一體化主動假肢，其特征在于：還包括線圈供電電源和電路板供電電源，所述線圈供電電源分別為所述膝關節驅動源中和踝關節驅動源中的電磁線圈供電；所述電路板供電電源分別為所述膝關節驅動源中和踝關節驅動源中的驅動電路板供電。5.根據權利要求4所述的膝踝關節一體化主動假肢，其特征在于：還包括中空走線結構，所述線圈供電電源和電路板供電電源與膝關節驅動源和踝關節驅動源之間的電路走線均從所述中空走線結構中穿過。6.一種膝踝關節一體化主動假肢的控制方法，其特征在于：包括以下步驟：步驟S1、在腳板底部與地面接觸的平面上陣列設置多組壓力傳感器；步驟S2、通過多組壓力傳感器觸發的...

【專利技術屬性】
技術研發人員：李偉達，
申請(專利權)人：蘇州普瑞川傳動科技有限公司，
類型：發明
國別省市：