智能动力小腿假肢的制作方法

1.本发明涉及一种智能动力小腿假肢，属于医疗器械技术领域。


背景技术：

2.由于交通事故、疾病等原因，小腿截肢的人逐渐增多，而穿戴踝关节假肢可以达到对人体缺失功能的代偿。踝关节假肢的研究在国外起步较早，早期的假肢多数为被动式踝关节假肢，早起被动式踝关节采用木质假肢，后期由于材料变革多采用弹性储能器件增加假肢弹性性能，现在一般假肢材质采用橡胶、碳纤维等储能类材料制作脚板。但相比与国外，国内关于假肢的研究起步较晚，国内研究主要侧重于膝关节假肢功能的实现，而踝关节仅被当作弹性储能结构辅助人体行走，一些关键技术尚待发展与完善，解决截肢患者的痛点。
3.现有小腿假肢踝关节多为被动式，利用脚板自身变形量来满足残肢所需要的回弹力，运动起来较为死板、僵硬、灵活性较差。对于上下楼梯的爬行，上下斜坡的行走基本需要装配者残端和胯部的身体摆动提供动力，行动起来比较吃力。导致残疾人士在正常生活中带来很多不便。随着电子技术、生物医学工程技术的发展，目前小腿假肢的研究方向倾向于智能化发展。


技术实现要素：

4.针对上述技术问题，本发明提供一种智能动力小腿假肢，该假肢随着穿戴患者步行速度、关节角度变化自动调整对踝关节的力矩控制，提供运动状态下的动能，使假肢步态在功能上尽可能地接近或超越人的健康腿，具有较高的仿生性能。
5.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
6.一种智能动力小腿假肢，包括：
7.接头，用于与残缺大腿的下端连接；
8.骨架和紧固件，所述骨架的上端与所述接头连接，下端与所述紧固件的铰接；
9.脚板，所述脚板装配于所述紧固件的下端；
10.控制装置，装配在所述骨架上，包括pcb板以及设置在pcb板上的各种电路器件，用于控制小腿假肢的运动；
11.驱动机构，装配在所述骨架和所述紧固件上，用于驱动小腿假肢进行运动；
12.传感器组件，包括装配在所述紧固件上的角度传感器、装配于所述脚板上的至少一个力传感器、装配于所述pcb板上的姿态传感器以及装配于所述接头的压力传感器，用于将所述脚板的运动角度和受力、假肢的姿态和所述接头承受的压力传递给所述控制装置。
13.所述的智能动力小腿假肢，优选地，所述骨架包括第一骨架和第二骨架，二者的下端均通过踝轴与所述紧固件铰接；所述紧固件包括底座以及设置于所述底座上的u形槽，所述u形槽的槽壁上开设有容纳所述踝轴贯穿的槽孔。
14.所述的智能动力小腿假肢，优选地，所述驱动机构包括驱动电机、减速单元、波纹
接头底座；30-第三螺钉；31-上盖；32-开关；33-充电孔；34-数据传输口；35-外壳；36-力传感盖。
具体实施方式
32.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”、“第三”、“第四”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
34.本发明所提供的智能动力小腿假肢依靠智能算法控制假肢运动，根据使用者不同运动状态进行自适应阻尼调整性能，增加残端运动缓冲，保护残肢二次伤害，对于行走过程中给残疾人士提供部分动力，节省体力。
35.下面结合具体实施例，对本发明的技术方案进行说明。
36.如图1所示，本发明所提供的智能动力小腿假肢，包括：
37.接头1，用于与残缺大腿的下端连接；骨架和紧固件9，骨架的上端与接头1连接，下端与紧固件9的铰接；脚板，脚板装配于紧固件9的下端；控制装置，装配在骨架上，包括pcb板7以及设置在pcb板上的各种电路器件，用于控制小腿假肢的运动；驱动机构，装配在骨架和紧固件9上，用于驱动小腿假肢进行运动；传感器组件，包括装配在紧固件9上的角度传感器3和装配于脚板上的至少一个力传感器10、装配于pcb板7上的姿态传感器以及装配于接头1的压力传感器28，用于将脚板的运动角度和受力、假肢的姿态和接头1承受的压力传递给所述控制装置。
38.进一步地，如图1、2所示，骨架包括第一骨架6和第二骨架11，二者的下端均通过踝轴8与紧固件9铰接，通过踝轴8进行转动，形成智能小腿的一个转动踝关节；踝关节的转动角度通过角度传感器3传递给控制装置。
39.进一步地，如图1所示，紧固件9上还装配有同步带4和同步轮5，同步带4用于连接同步轮5和踝轴8，角度传感器3通过支架固定在紧固件9上，角度传感器3通过角度传感器轴与同步轮5传动连接。角度传感器3在同步轮5的旋转下进行数据收集。
40.进一步地，如图1所示，紧固件8包括底座以及设置于底座上的u形槽，u形槽的槽壁上开设有容纳踝轴8贯穿的槽孔。
41.进一步地，如图3所示，驱动机构包括驱动电机12、减速单元18、波纹套管19和螺母接套20，驱动电机12和减速单元18装配在电机座21上，波纹套管19的上端与电机座21连接，下端与螺母接套20连接，电机座21通过电机旋转轴22与骨架连接，螺母接套20通过绞轴23与紧固件9连接。驱动电机12安装在第一骨架6和第二骨架11中间，由轴连接供电机转动，进而推动假肢转动，假肢可以进行跖屈和背屈的前后翻转，进行关节角度调整。
42.智能小腿假肢的驱动是利用驱动机构内的驱动电机12和减速单元18进行力矩输出,为控制人体运动提供工作力矩；踝轴8、绞轴23、电机旋转轴22三处旋转轴成三角形状，其中波纹套管19具有可调伸缩性能，可以对小腿假肢进行精准的调节位置，由驱动电机12驱动进行踝关节的角度调整。
43.进一步地，如图4所示，接头1包括四棱台24以及与四棱台24可拆卸连接的接头底座29，四棱台24为带有空腔的球形结构，空腔中装配有受力传感装置。
44.进一步地，如图4所示，受力传感装置包括衬套26、球顶27和压力传感器28，球顶27装配在压力传感器28的上端面，且二者之间留有间隙，衬套26的下端设置有容纳球顶27的球形凹槽。
45.进一步地，如图4所示，受力传感装置还包括弹片25，弹片25装配在间隙内。弹片25能感受上下维度力的变化，进而传递至压力传感器28，提高了受力传感装置的灵敏度。假肢采集四棱台24所受到的压力数据，经过数据处理单元cpu进行数据分析，校验碳纤维储能脚板上力传感器10所采集的数据，判断假肢所处环境状态。
46.进一步地，如图2所示，脚板包括上脚板15和下脚板，二者可拆卸连接，紧固件9装配在上脚板15上。脚板优选碳纤维弹性储能脚板。
47.进一步地，如图2所示，下脚板为分体式设计，包括第一下脚板16和第二下脚板17，二者通过螺钉与上脚板15连接。
48.进一步地，如图5、6所示，还包括上盖31、力传感盖36和外壳35，上盖31覆盖在接头1上，外壳35包裹在骨架外部，力传感盖36装配在紧固件9的下端。如图5、6所示，外壳35采用软体硅胶材质整体包覆，全密封防水防尘。上盖31与软胶外壳35通过挤压成型密封，软胶外壳35与力传感盖36表面对软胶外壳35下端进行挤压密封，所有计提密封在软胶内部，保证智能动力小腿假肢密封达到防水防尘效果。外壳35采用软体阻尼硅胶材质整体包覆也有效的保证智能小腿低分贝安静运行；其抗震、防撞性能上也有效保护其内部电子元件免受震动的影响。
49.外壳35的前端设有开关按键、及按键灯，设备启动后进行颜色切换，例如：设备启动后初始开机状态时信号灯为红色，经过初始化后，进入运行状态信号灯转化为绿色，绿色状态下使用者可以正常使用假肢；人在进入坐姿和休息状态后，设备会自动会切换为休息状态蓝色指示；颜色切换可以增强人机交互。
50.进一步地，骨架内部还设置有假肢能量供给单元-电池，电池为假肢驱动提供能量，电池安装在第一骨架6和第二骨架11的中间；电池能量直接供给假肢控制单元pcb板和驱动机构；pcb板安装在电池上方，pcb板内部设置有充电孔33和数据传输口34、数据处理单元cpu、驱动器、姿态传感器(陀螺仪)等都集成在控制板内部。
51.驱动电机12的驱动力矩、旋转角度的大小是通过压力传感器28、力传感器10、角度传感器3、pcb板上的姿态传感器采集小腿假肢不同状态信号信息后，经过数据处理单元cpu进行判断分析，经过自主识别人体运动意图，并智能调节关节的角度、阻尼和动力，实现行走的阻尼感及智能调整跟高。从图1、2、3可知，不同鞋跟高度需要通过踝关节角度调整假肢水平位置，通过内置姿态传感器识别目前小腿假肢的角度变化，根据需要调整鞋跟角度判断来执行。例如在上下楼梯时，由驱动电机12、减速单元18带动波纹套管19将回转运动转化为直线运动，将驱动电机12的扭矩转换成轴向反作用力，调节踝关节角度与力矩，让使用者
更舒适安全，步态更自然。当使用者坐下或蹲下时，通过自主弯曲踝关节角度，使用者可以随意摆动关节弯曲；行走蹬地时，提供助力，降低体能消耗。pcb板上的编码器可准确识别踝关节转动角度并反馈给驱动电机，保证踝关节调整到所需角度。
52.本发明的踝关节假肢使用假肢采用航空钛合金材料，在保证其高强度性能的条件小，重量更轻，增加更多的适配人群。而且假肢重量轻，提高假肢佩戴者的舒适性。假肢脚板采用碳纤维材质，弹性好重量轻，左右分趾能提高运动状态下出现侧向力，稳定、平衡。
53.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。