雙足步行假肢的製作方法

2023-05-20 13:09:46 1

專利名稱：雙足步行假肢的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種假肢，具體是一種雙足步行假肢。用於醫療康復器械領域。
背景技術：
肢體的殘疾給他們的生活帶來很多困難，令他們行動不便，多數時候只能用輪椅作為代步工具。雖然輪椅的出現一定程度上闊寬了殘疾人的活動範圍，但依舊存在許多不足之處。雖然現在一些較先進的輪椅上已經採用了電力驅動，在一定程度上減輕了體力上的消耗，但並未從根本結構上改變傳統輪椅的不足之處。
目前，國內尚未有類似的可以雙足步行的假肢專利。根據資料檢索，專利局已經公布了一些電動輪椅、步行機器人等方面的專利，只涉及到雙足步行假肢的部分相關技術。
經文獻檢索發現，申請號01140292.X，發明名稱電動無礙代步輪椅。該專利其改進之處在於「固裝在車架上的後支撐架內設有後升降杆，後升降杆的下端連接升降板，升降板上裝有鏈輪及後行走輪。」由於該車設有能上下樓梯及跨越障礙物的行走裝置，因此使用者在無人幫助的情況下，也能單獨完成上下樓梯及跨越障礙物的運動，提高了使用者的生活自理能力，解決了殘病老弱的無障礙運動。但該發明設計複雜，體積較大，並未從根本上改變輪椅的輪式結構。

發明內容
本發明針對現有技術中存在的上述不足和缺陷，提供一種雙足步行假肢，使其達到取代現有傳統輪式輪椅，更大程度上方便殘疾人出行的目的。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括控制面板、座椅、避震設備、髖部、蓄電池、控制器、大腿、膝部、小腿、踝部、腳部，控制面板固定在座椅的扶手上，蓄電池裝在座椅背後，控制器安裝在座椅內部，座椅下部連接避震設備，座椅與大腿由髖部連接，髖部具有三個關節，大腿與小腿由膝部連接，膝部具有一個關節，小腿通過踝部與腳部連接，踝部具有兩個關節，各關節處安裝有直流電機和減速器，由控制面板發出的信號通過控制器控制電機，從而控制各關節的轉動角度。
在踝部下方的足部中安裝有六軸力傳感器。座椅與腿部中間設置了傳感器。
本發明採用單片機控制，殘疾人通過安裝在扶手上的控制面板來控制假肢的行進方向和功能選擇。控制面板將接收到的控制信號轉換為數位訊號，再發送到單片機中，單片機進行步態分析，經過計算後發出控制信號，再轉換為模擬信號並發送給直流電機，從而控制直流電機的運轉。同時腿部安裝的傳感器會測量速度和地面的反作用力，將測量後的模擬信號轉換為數位訊號，再發送到單片機中，從而形成一個閉環控制系統。直流電機受模擬信號控制，電機軸轉動相應的角度。電機軸連接減速器，減速器的輸出軸即為各關節的轉動軸。從而電機帶動各關節轉動。各關節轉動的角度，由軟體計算得到的。
本發明採用單片機控制，以蓄電池作為驅動能源，具有控制簡單、體積小巧、適用範圍廣、能耗低、速度快等優點，使殘疾人也可以像正常人一樣在平地上前進、後退、左右平移，上下樓梯等。與現有的傳統輪椅相比，本發明最大改進之處是採用腿式結構代替傳統的輪式結構，以類人的步行方式運動，從而解決了殘疾人上下樓梯的不便，可以使殘疾人無須在其他人幫助下就能上下樓梯或者臺階，大大擴大了殘疾人出行範圍，使得殘疾人的出行得到了極大的方便。並且由於是電動控制，也極大程度上減少了殘疾人體力上的消耗。此外，該發明也可以節省用來加裝專用車道的基礎設施費用。


圖1本發明結構正面示意2本發明結構側面示意3本發明髖部、膝部、踝部的關節示意圖具體實施方式
如圖1、2所示，本發明包括控制面板1、座椅2、避震設備3、髖部4、蓄電池5、控制器6、大腿7、膝部8、小腿9、踝部10、腳部11。其連接關係為控制面板1固定在座椅2的扶手上，上面設有操縱杆和功能鍵，分別控制前進方向和平地、上下樓梯的選擇。蓄電池5裝在座椅2背後，用以平衡重心。控制器5安裝在座椅2內部，從而減小體積。座椅2下部連接避震設備3，採用彈簧減震裝置減小腿部運動對殘疾人的影響。避震設備3與大腿5由髖部4連接，髖部4有三個關節，可以繞垂直軸Z、前後軸X、水平軸Y轉動。大腿7與小腿9由膝部8連接，膝部8具有一個關節，可以繞水平軸Y轉動。小腿9藉助踝部10與腳部11連接，踝部10具有兩個關節，可以繞前後軸X、水平軸Y轉動。這樣，每條腿具有六個關節，可以完全模仿人類腿部的各種運動，從而實現給殘疾人重新裝上「雙腿」。各關節均由直流電機和減速器實現，由控制面板1發出的信號通過控制器控制電機轉動時間，從而控制各關節轉動角度。
如圖3所示，由上述所知，本發明左右雙腿各有六個關節，他們分別是座椅旋轉用的繞垂直軸Z轉動的關節12和18、座椅繞前後軸X轉動的關節13和19、大腿的仰俯方向(繞水平軸Y)的關節14和20、膝部仰俯方向(繞水平軸Y)的關節15和21、腳部仰俯方向(繞水平軸Y)的關節16和22以及轉動方向(繞前後軸X)的關節17和23。在步行中通過電機以適當的角度驅動上述12個關節，能夠為腿部提供所希望的動作，能夠任意在三維空間步行。
此外，在踝部10下方的足部中安裝有六軸力傳感器24、25，在作用於機器人的外力內，檢測從接地面作用於機器人的地面反作用力的三方向分力FX、FY、FZ和力矩的三方向成分MX、MY、MZ，並將檢測到的信號，轉換為數位訊號，送入CPU。
此外，在座椅2與腿部中間設置了傳感器26，用來檢測對垂直軸的傾斜及其角速度。另外，各關節的電動機藉助減速器使兩個大腿7、兩個小腿9相對變位，同時還在電動機與減速器之間設置了檢測其旋轉量的旋轉編碼器(圖3中圖示略)
權利要求
1.一種雙足步行假肢，包括控制面板(1)、座椅(2)、避震設備(3)、蓄電池(5)、控制器(6)，其特徵在於，還包括髖部(4)、大腿(7)、膝部(8)、小腿(9)、踝部(10)、腳部(11)，控制面板(1)固定在座椅(2)的扶手上，蓄電池(5)裝在座椅(2)背後，控制器(5)設置在座椅(2)內部，座椅(2)下部連接避震設備(3)，避震設備(3)與大腿(7)由髖部(4)連接，髖部(4)具有三個關節，大腿(7)與小腿(9)由膝部(8)連接，膝部(8)具有一個關節，小腿(9)通過踝部(10)與腳部(11)連接，踝部(10)具有兩個關節，各關節均由直流電機和減速器控制轉動，電機由控制面板(1)發出的信號通過控制器(6)控制。
2.根據權利要求1所述的雙足步行假肢，其特徵是，髖部(4)具有三個關節，繞垂直軸、水平軸、前後軸轉動。
3.根據權利要求1所述的雙足步行假肢，其特徵是，膝部(8)具有一個關節，繞水平軸轉動。
4.根據權利要求1所述的雙足步行假肢，其特徵是，踝部(10)具有兩個關節，繞水平軸、前後軸轉動，踝部(10)下方的腳部(11)中設有六軸力傳感器(24、25)。
5.根據權利要求1所述的雙足步行假肢，其特徵是，在座椅(2)與腿部中間設置了傳感器(26)，同時在各電動機與減速器之間設置了旋轉編碼器。
6.根據權利要求1所述的雙足步行假肢，其特徵是，控制面板(1)上面設有操縱杆和功能鍵。
7.根據權利要求1所述的雙足步行假肢，其特徵是，避震設備(3)採用彈簧減震裝置。
全文摘要
一種雙足步行假肢。用於醫療康復器械領域。本發明包括控制面板、座椅、避震設備、髖部、蓄電池、控制器、大腿、膝部、小腿、踝部、腳部，控制面板固定在座椅的扶手上，蓄電池裝在座椅背後，控制器設置在座椅內部，座椅下部連接避震設備，座椅與大腿由髖部連接，髖部具有三個關節，大腿與小腿由膝部連接，膝部具有一個關節，小腿通過踝部與腳部連接，踝部具有兩個關節，各關節處安裝有直流電機和減速器，由控制面板發出的信號通過控制器控制電機。本發明採用單片機控制，以蓄電池作為驅動能源，具有控制簡單、體積小巧、適用範圍廣、能耗低、速度快等優點，使殘疾人也可以像正常人一樣在平地上前進、後退、左右平移，上下樓梯等。
文檔編號B62D57/00GK1586440SQ20041006659
公開日2005年3月2日 申請日期2004年9月23日 優先權日2004年9月23日
發明者趙群飛, 鄭承毅, 緱正, 張慧卿 申請人:上海交通大學