一种膝踝关节一体化主动假肢及其控制方法

技术领域

本发明涉及假肢技术领域，尤其是指一种膝踝关节一体化主动假肢及其控制方法。

背景技术

现有的人体关节假肢机构依据是否提供动力源，可分为主动式假肢机构、被动式假肢机构和主被动混合式假肢机构。传统假肢大多数是被动式假肢，被动假肢没有任何动力源，需要用户自己提供驱动力，带动假肢运动，这增加了患者的负担，不便于行走和运动，残疾人穿戴这类假肢行走,要比健康人多耗费20％～30％的能量,且健肢侧和患肢侧的运动表现出明显的不对称性。主被动混合式和主动式膝踝假肢引入了电机，液压缸和减速器等各种动力源来提供人体所需的速度和扭矩，实现人体的各种运动。但是这类假肢同时也面临着机构复杂，重量大，控制难度高，价格成本昂贵等问题，而且大多数假肢为单一的膝关节假肢或踝关节假肢，能实现由控制器控制膝关节和踝关节联动的假肢很少。

现有的主被动混合式和主动式膝踝假肢在结构上一般采用电机+滚珠丝杠分别为膝关节和踝关节提供动力，或采用减速器或者电机+滚珠丝杠+液压缸的形式为膝关节提供动力，然后采用弹性碳纤维材料和液压阻尼的被动形式为踝关节提供动力，这两类假肢都有着机构复杂，重量大，控制难度高的问题，并且，无论采用何种形式，都需要在踝关节的位置设置主动或被动的驱动源，这样，当运动变化幅度大时，导致转动惯量较大，而转动惯量是直接影响运动控制系统动态性能的一个参数，转动惯量变化幅度大对运动控制系统的动态性能影响较大。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中膝踝一体化假肢存在的机构复杂，重量大，转动惯量大的缺点，提供膝踝关节一体化主动假肢及其控制方法，其中，膝关节动力单元和踝关节动力单元同轴设置在更靠近患者残肢端的原膝关节位置，在假肢支撑杆上没有设置动力单元，使得假肢支撑杆质量更轻，转动惯量更低，从而减小对运动控制系统的动态性能的影响。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种膝踝关节一体化主动假肢，包括膝关节、踝关节、设置在膝关节与踝关节之间的假肢支撑杆以及与所述踝关节连接的脚板，还包括：同轴设置的膝关节驱动源和踝关节驱动源，所述膝关节驱动源和踝关节驱动源设置在假肢支撑杆远离脚板一侧的端部，其中：

所述膝关节驱动源设置在所述膝关节的回转中心，所述膝关节驱动源带动所述膝关节相对于所述假肢支撑杆转动；

所述踝关节驱动源通过假肢连接杆与踝关节、假肢支撑杆组合构成四连杆结构，所述踝关节驱动源通过四连杆结构带动所述踝关节相对于所述假肢支撑杆转动。

在本发明的一个实施例中，还包括支撑组件，所述膝关节驱动源和踝关节驱动源均安装在所述支撑组件上，所述支撑组件包括：

支撑壳体，具有分隔板，在所述分隔板的两侧分别设置有膝关节驱动源容置槽和踝关节驱动源容置槽；

膝关节简支梁，设置在所述支撑壳体的侧面，所述膝关节简支梁与所述支撑壳体配合构成支撑所述膝关节驱动源的膝关节简支结构；

踝关节简支梁，与所述膝关节简支梁对应设置在所述支撑壳体的另一侧面，所述踝关节简支梁与所述支撑壳体配合构成支撑所述踝关节驱动源的踝关节简支结构。

在本发明的一个实施例中，所述膝关节驱动源和膝关节驱动源和踝关节驱动源均为电磁驱动结构，所述膝关节驱动源和踝关节驱动源均包括回转磁钢片阵列、电磁线圈、齿盘、偏心结构、驱动输出件、固定架、驱动电路板、控制电路板。

在本发明的一个实施例中，还包括线圈供电电源和电路板供电电源，所述线圈供电电源分别为所述膝关节驱动源中和踝关节驱动源中的电磁线圈供电；所述电路板供电电源分别为所述膝关节驱动源中和踝关节驱动源中的驱动电路板供电。

在本发明的一个实施例中，还包括中空走线结构，所述线圈供电电源和电路板供电电源与膝关节驱动源和踝关节驱动源之间的电路走线均从所述中空走线结构中穿过。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种膝踝关节一体化主动假肢的控制方法，包括以下步骤：

步骤S1、在脚板底部与地面接触的平面上阵列设置多组压力传感器；

步骤S2、通过多组压力传感器触发的位置和检测的数值，计算足底压力中心的位置，判断当前脚板的行走状态；

步骤S3、根据脚板的行走状态，进行运动学和动力学分析，确定当前行走状态下膝关节和踝关节转动的角度、角速度和角加速度；

步骤S4、根据角度、角速度和角加速度，计算得到下一行走状态的膝关节和踝关节的关节控制力矩，将关节控制力矩传递给驱动电路板，控制假肢行走。

在本发明的一个实施例中，根据实际的行走情况，将脚板的行走状态分为足跟着地、全足放平、足尖着地三个行走支撑期，在步骤S1中，根据行走支撑期将多组压力传感器分为后足、足中及前足三个区域。

在本发明的一个实施例中，在步骤S2中，先模拟正常行走的状态，得到正常行走时，脚板的行走状态经过足跟着地、全足放平、足尖着地的动作变换的过程中，后足、足中及前足三个区域的压力传感器触发的位置和检测的阈值，确定足底压力中心的移动轨迹，在控制过程中，通过实时检测得到的多组压力传感器触发的位置和检测的数值与模拟时得到的压力传感器触发的位置和检测的阈值比较，确定脚板的行走状态。

在本发明的一个实施例中，在步骤S3中，根据假肢中膝关节和踝关节的运动形态与人体行走状态的对应关系，建立运动学和动力学模型，从而得到当前行走状态下膝关节和踝关节转动的角度、角速度和角加速度。

在本发明的一个实施例中，在步骤S4中，根据运动学和动力学模型能够确定假肢在当前状态下到下一状态的变化过程中，膝关节和踝关节的关节力矩与角度、角速度和角加速度变量之间的关系：

M(q)q'+C(q，q″)+G(q)＝τ+τ

其中，q、q′和q″分别为角度、角速度、角加速度；

τ、τ

M(q)为下肢假肢惯量矩阵；

C(q)为离心力和哥式力矢量；

G(q)为重力矢量。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明所述的膝踝关节一体化主动假肢，将膝关节驱动源和踝关节驱动源同轴设置在更靠近患者残肢端的原膝关节位置，在假肢支撑杆的底部仅设置用于转动的踝关节和用于行走的脚板，没有设置其他的动力单元，使整个假肢的质量集中膝关节位置，使得假肢支撑杆质量更轻，在控制假肢支撑杆转动的时候，其转动惯量更低，从而减小对运动控制系统的动态性能的影响，使假肢支撑杆更容易被控制；

并且，膝关节驱动源和踝关节驱动源同轴设置还有一个好处就是：膝关节驱动源和踝关节驱动源的回转中心相同，在转动的时候只有一个转动中心不会出现转动偏移；

结合上述膝踝关节一体化主动假肢，本发明还提供了一种膝踝关节一体化主动假肢的控制方法，在脚板与地面接触的面上设置多组压力传感器，通过多组压力传感器检测脚板与地面的接触位置，从而判断当前状态下假肢的行走状态，根据当前假肢的行走状态再进行运动学和动力学分析，确定当前行走状态下膝关节和踝关节转动的角度、角速度和角加速度，根据角度、角速度和角加速度，计算得到下一行走状态的膝关节和踝关节的关节控制力矩，将关节控制力矩传递给驱动电路板，控制假肢行走；通过多组压力传感器能够实时检测脚板与地面接触的相对状态，根据实时的行走状态再确定驱动假肢转动的控制力矩，使假肢的控制位置更加精确，能够根据路面的情况实时作出调整。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明膝踝关节一体化主动假肢的整体结构示意图；

图2是本发明的支撑组件的爆炸结构示意图；

图3是本发明的膝关节驱动源的内部结构示意图；

图4是本发明的踝关节驱动源的内部结构示意图；

图5是本发明的膝踝关节一体化主动假肢的控制方法的步骤流程图；

图6是本发明的足底压力中心的移动轨迹。

说明书附图标记说明：1、膝关节；2、踝关节；3、假肢支撑杆；4、脚板；5、膝关节驱动源；51、膝关节回转磁钢片阵列；52、膝关节电磁线圈；53、膝关节齿盘；54、膝关节偏心结构；55、膝关节驱动输出件；56、膝关节固定架；57、膝关节驱动电路板；58、线圈供电电源；6、踝关节驱动源；61、踝关节回转磁钢片阵列；62、踝关节电磁线圈；63、踝关节齿盘；64、踝关节偏心结构；65、踝关节驱动输出件；66、踝关节固定架；67、踝关节驱动电路板；7、假肢连接杆；8、支撑组件；81、支撑壳体；82、膝关节简支梁；83、踝关节简支梁；84、膝关节端密封盖；85、踝关节端密封盖；9、中空走线结构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例1

参照图1所示，本发明的膝踝关节一体化主动假肢，用于模拟大腿下方从膝关节到脚板的位置，用于模拟人体的行走动作，适用于截肢后的病患康复使用，因此，本实施例的膝踝关节一体化主动假肢包括行走所必须的膝关节1、踝关节2、假肢支撑杆3和脚板4，所述假肢支撑杆3设置在膝关节1与踝关节2之间的，连接所述膝关节1与踝关节2，起到模拟小腿的作用，所述脚板4与所述踝关节2连接，所述脚板4与地面接触，能够模拟脚底在地面上行走；

具体地，为了实现模拟行走动作，就需要控制膝关节1、踝关节2能够转动，这时就需要设置分别带动膝关节1、踝关节2转动的膝关节动力输出源和踝关节动力输出源，一般情况下，设置膝关节动力输出源和踝关节动力输出源直接与膝关节1、踝关节2连接，通过输出源的输出端直接带动关节转动是最简单、也是最容易想到的，现有技术也正是利用这一原理，在膝关节1、踝关节2的侧面设置带动膝关节1、踝关节2转动的膝关节驱动源5和踝关节驱动源6，但是在实际使用模拟行走的时候发现，这样设置会存在一定的问题：

首先，所述踝关节2设置在假肢支撑杆的最底端，如果在这个位置设置踝关节驱动源6，那么必定会增加假肢支撑杆3承受的重量，就会增加假肢支撑杆3转动时的转动惯量，一方面不容易控制假肢支撑杆3，另一方面也增大了假肢支撑杆3和膝关节驱动源5的负载，影响其使用寿命；

其次，膝关节驱动源5和踝关节驱动源6设置在不同的回转中心，在同步转动的过程中，必然会出现重心偏移的情况。

为了解决上述问题，在本实施例中，在设置上述模拟行走必须的组件的基础上，还包括：同轴设置的膝关节驱动源5和踝关节驱动源6，所述膝关节驱动源5和踝关节驱动源6设置在假肢支撑杆3远离脚板4一侧的端部，将膝关节驱动源5和踝关节驱动源6同轴设置在更靠近患者残肢端的原膝关节位置，在假肢支撑杆3的底部仅设置用于转动的踝关节2和用于行走的脚板4，没有设置其他的动力单元，使整个假肢的质量集中膝关节1位置，使得假肢支撑杆3质量更轻，在控制假肢支撑杆3转动的时候，其转动惯量更低，从而减小对运动控制系统的动态性能的影响，使假肢支撑杆3更容易被控制；

并且，膝关节驱动源5和踝关节驱动源6同轴设置还有一个好处就是：膝关节驱动源5和踝关节驱动源6的回转中心相同，在转动的时候只有一个转动中心，不会出现转动偏移。

结合上述膝关节驱动源5和踝关节驱动源6设置的位置，为了使膝关节驱动源5和踝关节驱动源6能够分别带动膝关节1和踝关节2转动，将所述膝关节驱动源5设置在所述膝关节1的回转中心，所述膝关节驱动源5带动所述膝关节1相对于所述假肢支撑杆3转动；将所述踝关节驱动源6通过假肢连接杆7与踝关节2、假肢支撑杆3组合构成四连杆结构，所述踝关节驱动源6通过四连杆结构带动所述踝关节2相对于所述假肢支撑杆3转动。

参照图1和图2所示，为了将所述膝关节驱动源5和踝关节驱动源6同轴设置在假肢支撑杆3的端部，在本实施例中，还包括支撑组件8，所述膝关节驱动源5和踝关节驱动源6均安装在所述支撑组件8上，所述支撑组件8包括：支撑壳体81、膝关节简支梁82、踝关节简支梁83，所述支撑壳体81具有分隔板，在所述分隔板的两侧分别设置有膝关节驱动源容置槽和踝关节驱动源容置槽，将所述膝关节驱动源5放置到膝关节驱动源容置槽中，所述膝关节驱动源5的一侧面固定在支撑壳体81上，所述膝关节驱动源5的另一侧面固定在所述膝关节简支梁82上，通过所述膝关节简支梁82与所述支撑壳体81配合构成支撑所述膝关节驱动源5的膝关节简支结构；同理，将所述踝关节驱动源6放置到踝关节驱动源容置槽中，所述踝关节驱动源6的一侧面固定在支撑壳体81上，所述踝关节驱动源6的另一侧面固定在所述踝关节简支梁83上，通过所述踝关节简支梁83与所述支撑壳体81配合构成支撑所述踝关节驱动源6的踝关节简支结构。

具体地，在所述膝关节简支梁82和踝关节简支梁83的外侧还分别设置有膝关节端密封盖84和踝关节端密封盖85。

在本实施例中，设置膝关节驱动源5作为假肢的膝关节1转动的动力源，需要根据实际需求输出动力，所述膝关节1的顶端联结截肢患者大腿部分，膝关节驱动源5在膝关节简支结构的支撑作用下可以产生相对转动。

参照图3所示，所述膝关节驱动源5包括膝关节回转磁钢片阵列51、膝关节电磁线圈52、膝关节齿盘53、膝关节偏心结构54、膝关节驱动输出件55、膝关节固定架56、膝关节驱动电路板57，所述膝关节驱动源3作为假肢的膝关节1动力源驱动流程如下：给膝关节电磁线圈52和膝关节驱动电路板57供电，膝关节电磁线圈52通电后产生电磁场，使得膝关节回转磁钢片阵列51旋转，所述膝关节回转磁钢片阵列51上设置有传动轴，所述传动轴上有膝关节偏心结构54，膝关节偏心结构54外部有膝关节齿盘53，膝关节电磁线圈52通电驱动膝关节回转磁钢片阵列51旋转带动膝关节齿盘53做偏心运动；膝关节齿盘53上设置有通孔，膝关节固定架56上有轴状突出，轴状突出从膝关节齿盘53上的通孔穿过，通过轴状突出与通孔配合限制在膝关节齿盘53做偏心运动时相对旋转，所述膝关节驱动输出件55套设在所述膝关节齿盘53外，所述膝关节驱动输出件55的内部设置有与膝关节齿盘53啮合的齿状结构，膝关节齿盘53作偏心运动时带动与膝关节齿盘53啮合的膝关节驱动输出件55作减速运动，从而带动膝关节1的转动。

参照图4所示，所述踝关节驱动源6包括踝关节回转磁钢片阵列61、踝关节电磁线圈62、踝关节齿盘63、踝关节偏心结构64、踝关节驱动输出件65、踝关节固定架66、踝关节驱动电路板67，踝关节驱动源6作为假肢的踝关节2动力源驱动流程如下：给踝关节电磁线圈62和踝关节驱动电路板67供电，踝关节电磁线圈62通电后产生电磁场，使得踝关节回转磁钢片阵列61旋转，所述踝关节回转磁钢片阵列61上设置有传动轴，所述传动轴上有踝关节偏心结构64，踝关节偏心结构64外部有踝关节齿盘63，踝关节电磁线圈62通电驱动踝关节回转磁钢片阵列61旋转带动踝关节齿盘63做偏心运动；踝关节齿盘63上设置有通孔，踝关节固定架66上有轴状突出，轴状突出从踝关节齿盘63上的通孔穿过，通过轴状突出与通孔配合限制在踝关节齿盘63做偏心运动时相对旋转，所述踝关节驱动输出件65套设在所述踝关节齿盘63外，所述踝关节驱动输出件65的内部设置有与踝关节齿盘63啮合的齿状结构，踝关节齿盘63作偏心运动时带动与踝关节齿盘63啮合的踝关节驱动输出件65作减速运动，从而通过四连杆结构带动踝关节2的转动。

具体地，还包括为所述膝关节驱动源5和踝关节驱动源6提供控制信号的控制电路板，在本实施例中，还设置线圈供电电源58和电路板供电电源，所述线圈供电电源58分别为所述膝关节电磁线圈52中和踝关节电磁线圈62供电；所述电路板供电电源为所述控制电路板供电，所述控制电路板再分别为所述膝关节驱动电路板57和和踝关节驱动电路板67供电；

在本实施例中，设置统一的线圈供电电源58和电路板供电电源59分别为膝关节驱动源5和踝关节驱动源6供电，为了方便内部走线，增加整体的美观性，减少意外事故的发生，参照图1所示，还设置有中空走线结构9，所述线圈供电电源58和电路板供电电源59与膝关节驱动源5和踝关节驱动源6之间的电路走线均从所述中空走线结构9中穿过。

实施例2

在上述实施例1的基础上，为了实现对实施例1的假肢的控制，参照图5所示，本实施例公开了一种膝踝关节一体化主动假肢的控制方法，包括以下步骤：

步骤S1、在脚板4底部与地面接触的平面上阵列设置多组压力传感器；

具体地，根据实际的行走情况，将脚板4的行走状态分为足跟着地、全足放平、足尖着地三个行走支撑期，根据行走支撑期将多组压力传感器分为后足、足中及前足三个区域。

步骤S2、通过多组压力传感器触发的位置和检测的数值，计算足底压力中心的位置，判断当前脚板4的行走状态；

具体地，先模拟正常行走的状态，得到正常行走时，建立平面直角坐标系，将脚板放置在平面直角坐标系中，参照图6所示，当足底压力中心COP在Y轴方向60～100mm判断为足跟着地,当足底压力中心COP在Y轴方向100～160mm判断为全足放平，当足底压力中心COP在Y轴方向160～240mm判断为足尖离地，在脚板4的行走状态依次经过足跟着地、全足放平、足尖着地的动作变换的过程中，检测后足、足中及前足三个区域的压力传感器触发的位置和检测的阈值，确定足底压力中心COP的移动轨迹，在实际的控制过程中，通过实时检测得到的多组压力传感器触发的位置和检测的数值与模拟时得到的压力传感器触发的位置和检测的阈值比较，确定脚板4的行走状态。

步骤S3、根据脚板4的行走状态，进行运动学和动力学分析，根据假肢中膝关节1和踝关节2的运动形态与人体行走状态的对应关系，建立运动学和动力学模型，确定当前行走状态下膝关节1和踝关节2转动的角度、角速度和角加速度。

步骤S4、根据角度、角速度和角加速度，计算得到下一行走状态的膝关节1和踝关节2的关节控制力矩，将关节控制力矩传递给驱动电路板，控制假肢行走；

具体地，根据运动学和动力学模型能够确定假肢在当前状态下到下一状态的变化过程中，膝关节1和踝关节2的关节力矩与角度、角速度和角加速度变量之间的关系：

M(q)q'+C(q，q″)+G(q)＝τ+τ

其中，q、q′和q″分别为角度、角速度、角加速度；

τ、τ

M(q)为下肢假肢惯量矩阵；

C(q)为离心力和哥式力矢量；

G(q)为重力矢量。

在本实施例中，在脚板4与地面接触的面上设置多组压力传感器，通过多组压力传感器检测脚板4与地面的接触位置，从而判断当前状态下假肢的行走状态，根据当前假肢的行走状态再进行运动学和动力学分析，确定当前行走状态下膝关节1和踝关节2转动的角度、角速度和角加速度，根据角度、角速度和角加速度，计算得到下一行走状态的膝关节1和踝关节2的关节控制力矩，将关节控制力矩传递给驱动电路板，控制假肢行走；通过多组压力传感器能够实时检测脚板4与地面接触的相对状态，根据实时的行走状态再确定驱动假肢转动的控制力矩，使假肢的控制位置更加精确，能够根据路面的情况实时作出调整。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。