申请/专利权人：哈尔滨工业大学

申请日：2023-07-18

公开（公告）日：2024-04-09

公开（公告）号：CN116919682B

主分类号：A61F2/64

分类号：A61F2/64;A61F2/70;A61F2/74;G06F30/20;G06F111/04

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.09#授权;2023.11.10#实质审查的生效;2023.10.24#公开

摘要：本发明公开了一种动力膝关节假肢及四杆机构设计方法，属于仿生假肢技术领域。解决了现有技术中液压膝关节假肢难以实现完整步态轨迹的问题；本发明包括电液直驱系统、控制模块、四杆机构、大腿连接架、膝关节轴、外壳、角度传感器和连接杆；四杆机构的杆件通过膝关节轴相连，四杆机构与大腿连接架和外壳相连；电液直驱系统用于驱动四杆机构运行；角度传感器安装在大腿连接架内，用于为控制模块提供数据信号及时调整参数；动力膝关节假肢的四杆机构设计方法采用瞬心轨迹法进行设计。本发明拟合了人体膝关节瞬心轨迹，使假肢穿戴者的步态更加自然，且电液直驱系统采用集成液压阀块，可以补油和补压，减少了油液能量损失，提高了膝关节假肢的稳定性。

主权项：1.一种动力膝关节假肢及四杆机构设计方法，其特征在于，所述动力膝关节假肢包括电液直驱系统、控制模块9、四杆机构、大腿连接架11、膝关节轴13、外壳14、角度传感器和连接杆18；所述四杆机构包括通过膝关节轴13首尾相连的第一杆件15、第二杆件16、第三杆件12和第四杆件17，且第四杆件17与大腿连接架11相连，第二杆件16与外壳14相连；所述电液直驱系统外部设置有外壳14，电液直驱系统包括直流无刷电机1、联轴器2、双向齿轮泵3、液压缸7和液压阀块8；所述液压缸7集成在液压阀块8油路中，直流无刷电机1通过联轴器2与双向齿轮泵3连接，双向齿轮泵3与液压阀块8连接，液压缸7的活塞杆10通过连接杆18与第二杆件16和第三杆件12相连；所述角度传感器安装在大腿连接架11上，角度传感器和直流无刷电机1分别与控制模块9相连；所述液压阀块8内设置第一液控单向阀4和第二液控单向阀5，双向齿轮泵3的一端油口与第一液控单向阀4的进油口和液压缸7的一端油口相连，双向齿轮泵3的另一端油口与第二液控单向阀5的进油口相连；所述液压阀块8内还设置有蓄能器6，蓄能器6连接在第二液控单向阀5与液压缸7之间；所述的动力膝关节假肢的四杆机构设计方法，其采用瞬心轨迹法进行设计，包括以下步骤：S1.建立四杆机构的数学模型；具体的：S11.将四杆机构的杆件矢量组成一个封闭的四边形，得到四杆机构矢量关系；S12.将四杆机构的杆件矢量向坐标轴进行投影，得到四杆机构在坐标轴的投影关系；S2.根据三心定理确定瞬心的位置；具体的：S21.确定四杆机构的数学模型中各杆件交点的位置，得到各杆件交点的坐标；S22.根据四杆机构各杆件的交点的坐标通过斜率关系建立辅助方程，得到瞬心的位置坐标；S3.对四杆机构各杆件长度和瞬心的位置坐标进行约束，设定四杆机构的仿生性约束条件、连杆机构约束条件和轨迹相似性约束条件；所述S11中，四杆机构矢量关系表示为：l1+l2+l3+l4＝0其中，l1为第一杆件矢量，l2为第二杆件矢量，l3为第三杆件矢量，l4为第四杆件矢量；所述S12中，四杆机构在坐标轴的投影关系表示为： 其中，θ1为第一杆件的结构角，θ2为第二杆件的结构角，θ3为第三杆件的结构角，θ4为第四杆件的结构角；将四杆机构在坐标轴的投影关系表达式中第三杆件的结构角θ3消去，得到第四杆件的结构角θ4；第四杆件的结构角θ4表示为： 其中，Q＝2l1l4sinθ1-2l2l4sinθ2，M＝2l1l4cosθ1-2l2l4cosθ2，Q、M、N为实数；所述S21中，杆件交点的坐标表示为：xA＝l1cosθ1，yA＝l1sinθ1xB＝xA+l4cosθ4，yB＝yA+l4sinθ4xD＝l2cosθ2，yD＝l2sinθ2其中，A点坐标为xA，yA，B点坐标为xB，yB，D点坐标为xD，yD，A点为第一杆件和第四杆件的交点，B点为第三杆件和第四杆件的交点，D点为第二杆件和第三杆件的交点；所述S22中，辅助方程表示为： 其中，瞬心的位置坐标为xP，yP；通过辅助方程，得到瞬心的位置坐标；瞬心的位置坐标表示为： 其中，瞬心的位置坐标即实际瞬心；所述仿生性约束条件中，仿生性约束条件表示为： 所述连杆机构约束条件中，根据机械原理，四杆机构采用双摇杆机构设计，其最长杆和最短杆之和小于其余两杆之和，得到连杆机构约束条件；连杆机构约束条件表示为： 所述轨迹相似性约束条件中，采用最小二乘法函数进行拟合校验，得到最小二乘法函数的结果，即理想瞬心；最小二乘法函数的结果表示为： 轨迹相似性约束条件表示为：实际瞬心和理想瞬心的误差小于设定值。

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