專利名稱：具有主縮肌-拮抗肌激勵的動力人造膝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于假體、外骨骼、矯正或機(jī)器人裝置中的人造關(guān)節(jié)和肢體，特別地， 涉及動力人造膝關(guān)節(jié)。
背景技術(shù)：
大多數(shù)商品化的下肢假體和矯形器是被動的，并且不能提供主動機(jī)械能，以在步態(tài)周期中復(fù)制關(guān)節(jié)生物力學(xué)。動力膝系統(tǒng)設(shè)計(jì)的現(xiàn)存方法主要集中在利用單馬達(dá)傳動系統(tǒng)直接與關(guān)節(jié)耦接。然而，為了甚至在平地步行期間完全模擬生物膝關(guān)節(jié)的機(jī)械特性，這種直接驅(qū)動設(shè)計(jì)需要高電能消耗。缺乏能量節(jié)約的一個原因在于對腿的被動動力以及腱類結(jié)構(gòu)的彈性能量存儲和恢復(fù)利用不充分。用于膝上截肢者的膝假體可以被分為三個主要類型被動型、可變阻尼型和動力型。被動型膝假體不需要為它們的操作提供能量，并且通常比可變阻尼型假體對環(huán)境干擾的適應(yīng)能力要差?？勺冏枘嵝拖ゴ_實(shí)需要能量源，但僅能調(diào)整阻尼水平，而動力型膝假體能夠起到非守恒的主動膝的作用?？勺冏枘嵝拖ピ跈C(jī)械被動設(shè)計(jì)方面提供了很多優(yōu)勢，包括增強(qiáng)膝對于不同步行速度的穩(wěn)定性和適應(yīng)性。雖然可變阻尼型膝在純被動膝結(jié)構(gòu)方面提供了一些優(yōu)勢，但是，它們卻不能產(chǎn)生主動機(jī)械能，并因此不能復(fù)制人類膝關(guān)節(jié)的主動工作階段，例如站一坐動作、平地行走以及樓梯/斜坡上升行走。這并不奇怪，經(jīng)股截肢者在使用可變阻尼型膝技術(shù)時會遇到臨床問題，例如，不對稱的步態(tài)型、緩慢的步速，以及相比于非截肢者而言需要更高的代謝能量。
發(fā)明內(nèi)容
當(dāng)前設(shè)計(jì)動力型假體、矯形器、外骨骼和機(jī)器人腿部系統(tǒng)的方法主要集中在利用單馬達(dá)傳動系統(tǒng)直接與關(guān)節(jié)耦接。這樣的直接驅(qū)動設(shè)計(jì)需要高電能消耗，以完全模擬人腿的機(jī)械特性。這里提出的仿生膝利用被動動力學(xué)，并利用腱類結(jié)構(gòu)的彈性能量存儲和恢復(fù)， 以使所需電能最小化。膝能夠在平地行走時以板載電源所提供的低電能消耗復(fù)制類似人膝力學(xué)。一方面，本發(fā)明提出一種膝假體，其包括由相互平行的兩個串聯(lián)彈性致動器構(gòu)成的主縮肌(主動肌)一拮抗肌裝置。假體膝的設(shè)計(jì)由包括兩個串聯(lián)彈性離合器機(jī)構(gòu)和一個可變阻尼器的可變阻抗假體膝模型所誘發(fā)。人的步態(tài)數(shù)據(jù)被用于限制模型的關(guān)節(jié)進(jìn)行生物學(xué)的運(yùn)動。接著利用使一定時間內(nèi)模型膝關(guān)節(jié)力矩和生物學(xué)上的膝數(shù)值之間的方差總和最小化的優(yōu)化方案來獲得模型參數(shù)。然后，優(yōu)化后的數(shù)值被用于指定主縮肌一拮抗肌膝假體的機(jī)械設(shè)計(jì)和有限態(tài)控制設(shè)計(jì)。已經(jīng)研究出兩個優(yōu)選實(shí)施例。由于其結(jié)構(gòu)，根據(jù)本發(fā)明的膝能夠被控制為在步態(tài)周期的站立階段表現(xiàn)為主縮肌一拮抗肌、串聯(lián)彈性離合器元件，在擺動階段表現(xiàn)為可變阻尼器，從而形成平地行走時的耗能節(jié)約型人造膝裝置。膝的實(shí)施例被完全機(jī)動化為感測串聯(lián)彈性力，因此，對于需要耗能更多的任務(wù)，例如樓梯和斜坡上升步態(tài)以及從坐姿站起，膝關(guān)節(jié)力矩能夠直接被控制。因此，膝的結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)為適應(yīng)非守恒的、高機(jī)械能運(yùn)動，同時仍然提供高度經(jīng)濟(jì)的平地步行模式。一方面，本發(fā)明公開的動力膝假體包括膝關(guān)節(jié)，其是可旋轉(zhuǎn)的，并且能夠與人造腿構(gòu)件耦接；串聯(lián)彈性彎曲致動器，其與腿構(gòu)件平行地連接到膝關(guān)節(jié)，用于施加力以引起膝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致腿構(gòu)件的彎曲；串聯(lián)彈性伸展致動器，其與腿構(gòu)件平行地連接至膝關(guān)節(jié)，位于腿構(gòu)件的與彎曲致動器相反的一側(cè)，用于施加力以引起膝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致腿構(gòu)件的伸展；以及控制器，用于在不同的時間獨(dú)立地為彎曲馬達(dá)和伸展馬達(dá)供能，以控制膝關(guān)節(jié)和耦接的腿構(gòu)件的運(yùn)動。彎曲致動器包括彎曲馬達(dá)和彎曲彈性元件的串聯(lián)組合，伸展致動器包括伸展馬達(dá)和伸展彈性元件的串聯(lián)組合。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，利用至少一個傳感器為控制器提供反饋。優(yōu)選地，傳感器包括、但不限于能夠感測或響應(yīng)膝關(guān)節(jié)的角位移和加速度、膝關(guān)節(jié)的力矩、彎曲彈性元件的壓縮、伸展彈性元件的壓縮、彎曲馬達(dá)的轉(zhuǎn)動、伸展馬達(dá)的轉(zhuǎn)動和/或接觸步行表面的傳感器。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，彎曲致動器和伸展致動器是單向的，彎曲彈性元件和伸展彈性元件是串聯(lián)彈簧。在另一優(yōu)選實(shí)施例中，彎曲致動器是單向的，伸展致動器是雙向的， 彎曲彈性元件是串聯(lián)彈簧，伸展彈性元件是預(yù)壓縮的串聯(lián)彈簧組。在另一優(yōu)選實(shí)施例中，特別適于可變速度行走，彎曲彈性元件是非線性軟化彈簧，伸展彈性元件是非線性硬化彈簧。
當(dāng)結(jié)合附圖來考慮時，本發(fā)明的其他方面、優(yōu)勢和新穎性特征從下面的本發(fā)明詳述中變得更加顯而易見，其中圖IA和IB以圖解法描繪了平地行走中代表性的膝生物力學(xué)，圖IA描繪的是具有未受損傷的膝關(guān)節(jié)的研究參與者在以自選速度平地行走時相對于步態(tài)周期百分?jǐn)?shù)所繪制的膝角度、力矩和能量曲線，圖IB是膝力矩相對于膝的角坐標(biāo)的圖表，示出了五個步態(tài)階段；圖2A是根據(jù)本發(fā)明的一個方面的可變阻抗假體膝模型的典型實(shí)施例；圖2B描繪了從圖2A的模型中得到的優(yōu)化結(jié)果，是針對圖IA-B中的生物學(xué)力矩?cái)?shù)據(jù)描繪的；圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個方面、動力型主縮肌一拮抗肌膝的簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖；圖4A-C分別是根據(jù)本發(fā)明的主動膝假體的典型實(shí)施例的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的示意性側(cè)視圖、矢狀面剖視圖和后視圖；圖5是圖4A-C的主動膝假體的典型實(shí)施例的主要組件的分解圖；圖6是圖4A-C的主動膝假體的典型實(shí)施例的主要組件的另一分解圖；圖7A是根據(jù)本發(fā)明的一方面、用于在平地行走時復(fù)制圖IA-B中所示的未受損傷的膝的行為的有限態(tài)控制器的示意圖；圖7B以圖解法描繪了在截肢者平地行走時用于圖7A中的控制器的膝有限態(tài)控制轉(zhuǎn)變；圖8A-E描繪了根據(jù)本發(fā)明的一方面、從動力假體以自選速度平地行走期間的初步的步態(tài)估計(jì)中獲得的結(jié)果；圖9A-C分別是根據(jù)本發(fā)明的主動膝假體的另一典型實(shí)施例的機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的示意性側(cè)視圖、矢狀面剖視圖和后視圖；圖10是圖9A-C的主動膝假體的典型實(shí)施例的主要組件的分解圖；圖IlA是針對根據(jù)本發(fā)明的主動膝的串聯(lián)彈性元件的力相對于位移的變化而進(jìn)行的最優(yōu)化非線性多項(xiàng)式擬合的結(jié)果繪圖；圖IlB描繪了根據(jù)本發(fā)明的一個方面、用于可變速度行走的可變阻抗型假體膝模型的典型實(shí)施例；以及圖IlC-E以圖解法描繪了在三個不同的步行速度下利用圖IlB中的模型與生物學(xué)膝力矩?cái)?shù)據(jù)相比較的假體膝模型輸出力矩。
具體實(shí)施例方式根據(jù)本發(fā)明，可變阻尼型膝假體具有兩個串聯(lián)彈性致動器，它們在主縮肌一拮抗肌裝置(配置)中平行地排列。假體膝模型包括可變阻尼器和橫跨膝關(guān)節(jié)的兩個串聯(lián)彈性離合器單元?？勺冏枘峥刂圃O(shè)計(jì)在穩(wěn)態(tài)平地行走時產(chǎn)生類似人膝的機(jī)械結(jié)構(gòu)。由于假體的可變阻尼特性，其在行走時所需的電能是適中的，其考慮到了耗能節(jié)約型動力膝。在一種應(yīng)用中，根據(jù)本發(fā)明的可變阻抗膝假體有利地被用作非系縛型(非限制型)生物學(xué)機(jī)器人腿的一部分。正如此處所使用的，以下術(shù)語特別包括，但不限于如下面所定義的，“致動器”指的是一種類型的馬達(dá)?！爸骺s肌”指的是被另一元件、拮抗肌抵制或?qū)沟氖湛s元件?！爸骺s肌一拮抗肌致動器”指的是一種機(jī)構(gòu)，其包括(至少)兩個彼此相反地運(yùn)行的致動器當(dāng)主縮肌致動器被激勵時，將兩個元件吸引在一起；當(dāng)拮抗肌致動器被激勵時， 迫使兩個元件分離?！稗卓辜 敝傅氖潜涣硪辉⒅骺s肌抵制或?qū)沟臄U(kuò)張?jiān)??！胺律敝傅氖悄７律斫Y(jié)構(gòu)或機(jī)構(gòu)、例如關(guān)節(jié)或肢體的性能和行為的人造結(jié)構(gòu)或機(jī)構(gòu)?！氨城?，指的是使踝關(guān)節(jié)彎曲以使腳的末端向上運(yùn)動?！皬椥浴敝傅氖窃谏煺够驂嚎s變形后能夠恢復(fù)原始形狀?！吧煺埂敝傅氖菄@肢體內(nèi)關(guān)節(jié)的彎曲運(yùn)動，能夠使關(guān)節(jié)處肢體的骨骼之間的角度增加?！皬澢敝傅氖菄@肢體內(nèi)關(guān)節(jié)的彎曲運(yùn)動，能夠使關(guān)節(jié)處肢體的骨骼之間的角度減小。“馬達(dá)”指的是通過將供能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能來產(chǎn)生或賦予運(yùn)動的激勵元件，包括電的、氣動的或液壓的馬達(dá)和致動器?！磅徘?，，指的是使踝關(guān)節(jié)彎曲以使腳的末端向下運(yùn)動?！皬椈伞敝傅氖菑椥匝b置，例如金屬線圈或葉片結(jié)構(gòu)，其在被壓縮或拉伸后能夠恢復(fù)其原始形狀。平地行走中的人膝生物力學(xué)。圖IA和IB以圖解法描繪了平地行走中代表性的人膝生物力學(xué)。在圖IA中，描繪了一男性研究參與者(體重=81. 9kg)在以自選速度(1. 31m/ sec)平地行走時膝的角度、力矩和能量相對于步態(tài)周期百分?jǐn)?shù)的曲線。畫出的是在一標(biāo)準(zhǔn)差(虛線)附近的平均值(實(shí)線；N= 10步態(tài)試驗(yàn))。在圖IB中，相對于膝的角坐標(biāo)畫出的膝力矩表示了步態(tài)的五個相位。主要步態(tài)事件將五個相位分開，它們是腳跟著地0B) 105、 最大站立姿勢彎曲(MSF) 110、最大站立姿勢伸展(MSE) 115、腳趾離地(TO) 120和最大擺動彎曲(MWF) 125。如圖IA和IB中所示，五個不同的階段或步態(tài)相位已被用于描述在平地行走中的
6膝生物力學(xué)。這些步態(tài)相位描述如下(1)在腳跟著地0B) 105處開始，站立姿勢的膝開始輕微彎曲( 15度)。該站立姿勢彎曲相位130容許對碰撞的緩沖。在該相位，膝蓋能夠被模型化為一個彈簧(線性力矩相對于角度斜面；參看圖1B)，其存儲能量，為站立姿勢伸展相位135做準(zhǔn)備。(2)到達(dá)最大站立姿勢彎曲(MSF) 110后，膝關(guān)節(jié)開始伸展(15%步態(tài)周期)，直到達(dá)到最大站立姿勢伸展(MSE) 115(42%步態(tài)周期)。該膝伸展階段被稱為站立姿勢伸展相位135。在站立姿勢伸展135期間，膝起到一彈簧的作用(線性力矩相對于角度斜率；參看圖1B)，其具有與站立姿勢彎曲130類似的剛度。這里，剛度不是實(shí)際的關(guān)節(jié)剛度，而是準(zhǔn)靜態(tài)的剛度，定義為力矩相對于角度的曲線的斜率。(3)在后期站立姿勢或預(yù)擺動140(從42%到62%步態(tài)周期)期間，支撐腿的膝蓋開始其快速彎曲階段，為擺動彎曲相位145做準(zhǔn)備。在預(yù)擺動140期間，當(dāng)膝蓋開始彎曲準(zhǔn)備腳趾離地120時，膝起到一彈簧的作用(線性力矩相對于角度斜率；參看圖1B)，但具有相對于站立姿勢彎曲130和伸展135時更低的剛度。(4)隨著髖關(guān)節(jié)彎曲，腿離開地面，膝蓋繼續(xù)彎曲。在腳趾離地120時，步態(tài)的擺動彎曲相位145開始。在整個該階段(從62%到73%步態(tài)周期)，由于膝的力矩阻止膝的轉(zhuǎn)動速率(參看圖1A)，膝的能量通常是負(fù)的。因此，在擺動彎曲145期間，膝蓋能夠被模型化為一可變阻尼器。(5)在擺動彎曲145期間到達(dá)最大彎曲角度( 60度)后，膝蓋開始向前伸展。 在擺動伸展150期間(從73%到100%步態(tài)周期)，膝蓋的能量通常是負(fù)的，以降低擺動中的腿的速度，為下一個站立姿勢階段做準(zhǔn)備。因此，由于存在擺動彎曲145，處于擺動伸展 150期間的膝蓋能夠被模型化為一可變阻尼器。當(dāng)膝蓋達(dá)到完全伸展時，腳再一次地置于地面上，下一個步行周期開始。半被動假體膝模型及其優(yōu)化。給定所描述的膝生物力學(xué)，對于可變阻抗膝假體的需求是清楚存在的，它能夠使阻尼和剛度均發(fā)生變化，從而在穩(wěn)態(tài)平地步行中產(chǎn)生類似人膝的生物力學(xué)。這種假體的一個例子是圖2A中所示的典型的膝模型，包括兩個對抗的單一關(guān)節(jié)的串聯(lián)彈性離合器205、210(用于模仿站立姿勢相位的膝力學(xué))和一可變阻尼元件 215(用于模仿擺動相位力學(xué))。在該模型中，串聯(lián)彈簧220、225中的每一個都能通過激勵其各自的離合器205、225被接合，或者通過打開該離合器而脫離接合。正如模型所限定的， 每個離合器在每個步態(tài)周期中僅能接合一次。此外，一旦離合器被接合，它僅在串聯(lián)彈簧被釋放出它所有的能量、并且施加在離合器上的力為零時被脫離接合。該串聯(lián)彈性離合器模型參數(shù)可以改變，從而與膝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)特性相匹配。模
型參數(shù)是與伸展和彎曲彈簧剛度相對應(yīng)的兩個彈簧常數(shù)(kE，kF)，以及相應(yīng)的膝伸展和彎
曲角度θ F)，在該角度，伸展和彎曲彈簧在站立姿勢時被接合。按照慣例，伸肌彈簧
傾向于在接合時使膝關(guān)節(jié)伸展，而屈肌彈簧傾向于使膝蓋彎曲。利用使一定時間內(nèi)模型膝
關(guān)節(jié)力矩和膝的生物學(xué)數(shù)據(jù)之間的方差總和最小化的最優(yōu)化方案，使膝模型適合于生物力
學(xué)數(shù)據(jù)。更特別地，用于最優(yōu)化的價值函數(shù)為
100 _/EcosXmw=YZbi。二 f⑴
1=1 T bio其中，τ、。和τ 分別是在步態(tài)周期的百分之i時從生物學(xué)力矩?cái)?shù)據(jù)和膝模型得到的施加在膝關(guān)節(jié)附近的角力矩，Tmaxbi。是步態(tài)周期內(nèi)關(guān)節(jié)處的最大生物學(xué)力矩。價值函數(shù)(1)在伸肌彈簧總是在腳跟著地(θ E = 0)時接合的約束條件下被最小化。該約束條件被用于在腳跟著地時限制膝的屈服，以進(jìn)行截肢者的安全測量。為價值函數(shù)(1)確定期望的總體最小值，首先利用遺傳算法找到包含總體最小值的區(qū)域，接下來利用非約束梯度優(yōu)化器來確定該總體最小值的實(shí)際數(shù)值。通過改變串聯(lián)彈性離合器元件的參數(shù)來使價值函數(shù)(1)最優(yōu)化之后，模型的可變阻尼器被使用，以達(dá)到在串聯(lián)彈性組件不能吸收足夠的負(fù)的機(jī)械能的區(qū)域內(nèi)，假體膝模型和生物學(xué)力矩?cái)?shù)值之間的完全一致。利用來自一位體重81. ^cg、身高1. 87m、以1. 31m/s的速度行走的健康受試者的十次行走試驗(yàn)的動力學(xué)的和運(yùn)動學(xué)的數(shù)據(jù)進(jìn)行逆動力學(xué)計(jì)算，獲得生物學(xué)膝力矩?cái)?shù)值。圖2B示出了來自圖2A的模型的最優(yōu)化結(jié)果，其相對于來自圖IA-B的生物學(xué)力矩?cái)?shù)據(jù)畫出。如圖2B所示，上側(cè)圖M5，膝模型的優(yōu)化后凈力矩輸出250與未受損傷的人膝關(guān)節(jié)的力矩曲線相比較，示出了均值255和一個標(biāo)準(zhǔn)差10步態(tài)試驗(yàn))。從圖 IA-B中采集的生物學(xué)數(shù)據(jù)來自以自選速度(行走速度=1. 31m/sec)行走的具有未受損傷的肢體的研究參與者(重量=81. 9kg)。下側(cè)圖270中示出的是來自串聯(lián)彈性離合器元件的伸展彈簧275和彎曲彈簧觀0、以及來自可變阻尼器285的力矩貢獻(xiàn)。優(yōu)化器提供的伸展彈簧剛度等于kE = 160N. m/rad，彎曲彈簧剛度等于137N. m/rad，彎曲彈簧的膝接合角度等于0. 27弧度(15. 46度)。模型的力矩輸出與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完全一致。在最優(yōu)化過程的約束下，伸展彈簧在腳跟著地時接合，在站立姿勢膝彎曲的開始存儲能量。當(dāng)膝蓋開始伸展時，彎曲彈簧接合，隨著伸展彈簧釋放其能量，彎曲彈簧存儲能量。在擺動相位期間，模型的可變阻尼器與負(fù)能量區(qū)域內(nèi)的生物學(xué)力矩?cái)?shù)據(jù)完全匹配。在擺動相位的中期和末期，生物學(xué)數(shù)據(jù)中的能量是正的， 阻尼器在這些步態(tài)區(qū)域輸出零力矩。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，主縮肌一拮抗肌膝的簡化機(jī)械示意圖在圖3中示出。如圖3中所示，主縮肌一拮抗肌主動膝假體300包括兩個單向的串聯(lián)彈性致動器串聯(lián)彈性伸展致動器305和串聯(lián)彈性彎曲致動器310。膝假體300的每個單向致動器305、310包括通過傳動裝置335、340連接的馬達(dá)315、320和串聯(lián)彈簧325、330。伸展和彎曲馬達(dá)315、320 能夠被獨(dú)立地用于控制每個串聯(lián)彈簧325、330被接合時膝蓋的角度。位于大腿350和小腿355之間的膝關(guān)節(jié)345與一線性托架耦接，其可通過一纜繩驅(qū)動傳動裝置自由地沿裝置的長度方向運(yùn)動。該托架能夠通過伸展和彎曲彈簧325、330在每一側(cè)嚙合，它們中的每一個由電動馬達(dá)驅(qū)動的滾珠絲杠定位。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，兩個單向串聯(lián)彈性致動器305、 310的特征在于，其傳動裝置335、340包括耦接至滾珠絲杠(Nook industries, 10X3mm)的 2 1皮帶傳動。圖2A中典型膝模型的原理已經(jīng)在兩個典型的優(yōu)選實(shí)體的實(shí)施例中體現(xiàn)。在圖 4A-C所示的一個優(yōu)選實(shí)施例中，主縮肌一拮抗肌主動膝假體包括兩個單向串聯(lián)彈性致動器。圖5和6是圖4A-C中主動膝假體的典型實(shí)施例的主要組件的分解圖。如圖4A_C、5和6所示，單向致動器是伸展致動器402和彎曲致動器404。膝假體的伸展致動器402包括通過傳動裝置連接的伸展馬達(dá)406和串聯(lián)彈簧408。伸展致動器鄰近膝關(guān)節(jié)410。伸展傳動裝置包括耦接至精密滾珠絲杠416驅(qū)動器的同步(正時)滑輪412 和皮帶414驅(qū)動系統(tǒng)。假體膝的彎曲致動器404包括通過傳動裝置連接的彎曲馬達(dá)418和串聯(lián)彈簧420。伸展傳動裝置包括耦接至精密滾珠絲杠似6驅(qū)動器的同步滑輪422和皮帶 424驅(qū)動系統(tǒng)。伸展致動器402和彎曲致動器404能夠被獨(dú)立地用于控制每個串聯(lián)彈簧 408,420被接合時的膝關(guān)節(jié)410的角度。串聯(lián)彈性伸展致動器402的機(jī)動元件(伸展電動馬達(dá)406)可以是有刷直流馬達(dá) (例如Maxon的RE40馬達(dá))或者無刷直流馬達(dá)(例如Maxon的EC-powermax 30)。伸展馬達(dá)直接驅(qū)動同步滑輪-皮帶驅(qū)動器機(jī)構(gòu)412、414。該機(jī)構(gòu)具有1 2的傳動比。同步滑輪-皮帶驅(qū)動器機(jī)構(gòu)412、414激勵滾珠絲杠416 (例如Nook industries, 10 X 3mm)的轉(zhuǎn)動。 當(dāng)伸展致動器402的滾珠絲杠416轉(zhuǎn)動時，耦合的滾珠螺帽外殼4 發(fā)生線性移位。滾珠螺帽外殼4 被直接地連接到伸展串聯(lián)彈簧箱體430。伸展串聯(lián)彈簧箱體430牢固地將伸展彈簧408容納在其中。因此，當(dāng)耦合的滾珠螺帽外殼4 線性移位時，伸展串聯(lián)彈簧箱體能夠產(chǎn)生線性移位。由于包含在滾珠螺帽外殼內(nèi)的線性壓力，滾珠螺帽外殼沿兩條線性精密鋼導(dǎo)軌432以最小的摩擦力運(yùn)動。兩條精密導(dǎo)軌432的每一條都連接到相應(yīng)的主膝蓋框架434的內(nèi)側(cè)壁。串聯(lián)彈性彎曲致動器404機(jī)動元件(彎曲電動馬達(dá)418)可以是有刷直流馬達(dá)(例如Maxon的RE40、RE30馬達(dá))或者無刷直流馬達(dá)(例如Maxon的EC-powermax 30或22)。 伸展馬達(dá)直接驅(qū)動同步滑輪-皮帶驅(qū)動器機(jī)構(gòu)422、424。該機(jī)構(gòu)具有1 2的傳動比?；?皮帶驅(qū)動器機(jī)構(gòu)422、似4激勵滾珠絲杠426(例如Nook industries, 10 X 3mm)的轉(zhuǎn)動。 當(dāng)彎曲致動器404的滾珠絲杠似6轉(zhuǎn)動時，耦合的滾珠螺帽外殼436發(fā)生線性移位。滾珠螺帽外殼436被直接地連接到彎曲串聯(lián)彈簧箱體438。彎曲串聯(lián)彈簧箱體438牢固地將彎曲彈簧420容納在其中。因此，當(dāng)耦合的滾珠螺帽外殼436線性移位時，彎曲串聯(lián)彈簧箱體能夠產(chǎn)生線性移位。由于包含在滾珠螺帽外殼內(nèi)的線性壓力，滾珠螺帽支撐件436沿兩條線性精密鋼導(dǎo)軌432以最小的摩擦力運(yùn)動。兩條精密導(dǎo)軌432中的每一條都連接到相應(yīng)的主膝蓋框架434的內(nèi)側(cè)壁。膝關(guān)節(jié)410的轉(zhuǎn)動與連接到纜繩驅(qū)動器傳送裝置的線性托架442的線性移位相耦合。纜繩驅(qū)動傳送裝置由兩條鋼纜440構(gòu)成。每條鋼纜440的兩端連接到膝關(guān)節(jié)U形鉤支撐件444。每條纜繩繞其相應(yīng)的位于膝蓋每一側(cè)的關(guān)節(jié)滑輪446纏繞。每個側(cè)面的關(guān)節(jié)滑輪446具有連接到下側(cè)適配器448的軸。線性托架442被支撐并引導(dǎo)在兩條精密鋼導(dǎo)軌 432上。每條軌道沿主膝蓋框架434的內(nèi)側(cè)壁延伸。精密軌道與線性托架442之間的低摩擦力通過包含在線性托架442內(nèi)部的線性壓力來獲得。鋼纜440允許將來自線性托架442 的線性移位與膝關(guān)節(jié)410的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動相耦合。線性托架442能夠由伸展彈簧408和彎曲彈簧420通過它們的線性運(yùn)動被獨(dú)立地接合。兩個彈簧由它們相應(yīng)的串聯(lián)彈性致動器的驅(qū)動作用被獨(dú)立定位。串聯(lián)彈性致動器 402、404中的每一個都能夠?yàn)槠降匦凶吆透哪艿娜蝿?wù)、例如樓梯上坡提供足夠的能量。所有的致動器機(jī)構(gòu)完全由鋁結(jié)構(gòu)支撐，其對應(yīng)膝蓋主框架434，它具有類似下肢解剖殼層的設(shè)計(jì)。膝蓋主框架具有下側(cè)適配器448，其允許常規(guī)的和高級的機(jī)器人足-踝假體與它連接。膝關(guān)節(jié)U形鉤支撐件444與膝蓋主框架的耦合產(chǎn)生相對于膝關(guān)節(jié)410的自由旋轉(zhuǎn)角度。膝關(guān)節(jié)U形鉤支撐件444允許標(biāo)準(zhǔn)假體角錐形適配器450架設(shè)其上，以使膝假體能夠連接到普通的經(jīng)股插口，并能夠由截肢者穿戴。基于這些功能性的需要，圖4A_C、5和6的實(shí)施例中的膝蓋尺寸、角度范圍和最大力矩?cái)?shù)值的設(shè)計(jì)參數(shù)在表1中列出。表權(quán)利要求
1.一種動力人造膝，其組合地包括膝關(guān)節(jié)，該膝關(guān)節(jié)是可旋轉(zhuǎn)的，并且能夠與人造腿構(gòu)件耦接；串聯(lián)彈性彎曲致動器，其與腿構(gòu)件平行地連接至膝關(guān)節(jié)，用于施加力以引起膝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致腿構(gòu)件的彎曲，該彎曲致動器包括彎曲馬達(dá)和彎曲彈性元件的串聯(lián)組合；串聯(lián)彈性伸展致動器，其與腿構(gòu)件平行地連接至膝關(guān)節(jié)，位于腿構(gòu)件的與彎曲致動器相反的一側(cè)，用于施加力以引起膝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致腿構(gòu)件的伸展，該伸展致動器包括伸展馬達(dá)和伸展彈性元件的串聯(lián)組合；以及控制器，用于在不同的時間獨(dú)立地為彎曲馬達(dá)和伸展馬達(dá)供能，以控制膝關(guān)節(jié)和耦接的腿構(gòu)件的位置、阻抗和非守恒力矩。
2.如權(quán)利要求1所述的假體，其特征在于，進(jìn)一步包括至少一個傳感器，其配置為向控制器提供反饋。
3.如權(quán)利要求2所述的假體，其特征在于，所述傳感器響應(yīng)膝關(guān)節(jié)的角位移、彎曲彈性元件的壓縮、伸展彈性元件的壓縮、彎曲馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)或伸展馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)。
4.如權(quán)利要求1所述的假體，其特征在于，彎曲致動器和伸展致動器是單向的。
5.如權(quán)利要求4所述的假體，其特征在于，彎曲彈性元件和伸展彈性元件是串聯(lián)彈簧。
6.如權(quán)利要求1所述的假體，其特征在于，彎曲致動器是單向的，伸展致動器是雙向的。
7.如權(quán)利要求6所述的假體，其特征在于，彎曲彈性元件是串聯(lián)彈簧，伸展彈性元件是預(yù)壓縮的串聯(lián)彈簧組。
8.如權(quán)利要求1所述的假體，其特征在于，彎曲彈性元件是非線性軟化彈簧，伸展彈性元件是非線性硬化彈簧。
9.如權(quán)利要求1所述的假體，其特征在于，彎曲致動器包括不可反驅(qū)動的傳動裝置。
全文摘要
一種膝假體，其包括由相互平行的兩個串聯(lián)彈性致動器所組成的主縮肌—拮抗肌裝置，包含膝關(guān)節(jié)、與腿構(gòu)件平行地連接到關(guān)節(jié)的彎曲和伸展致動器以及控制器，該控制器用于獨(dú)立地為致動器供能，以控制膝關(guān)節(jié)和腿的運(yùn)動。彎曲致動器包括彎曲馬達(dá)和彎曲彈性元件的串聯(lián)組合，伸展致動器包括伸展馬達(dá)和伸展彈性元件的串聯(lián)組合。傳感器為控制器提供反饋。彎曲致動器和伸展致動器可以是單向的，且彎曲和伸展彈性元件是串聯(lián)彈簧。伸展致動器或者可以是雙向的，且伸展彈性元件是預(yù)壓縮的串聯(lián)彈簧組?？蛇x擇地，彎曲彈性元件可以是非線性軟化彈簧，伸展彈性元件可以是非線性硬化彈簧。
文檔編號A61F2/62GK102481194SQ201080015207
公開日2012年5月30日 申請日期2010年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月30日
發(fā)明者E·C·馬丁內(nèi)斯-比利亞爾潘多, H·M·赫爾, J·A·韋伯 申請人:麻省理工學(xué)院