具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1～9所示，本发明提供了一种仿生主动膝关节，其主要包括：顶座1，连接盘2，支撑架3，滚珠丝杆4，同步带5，微型直线导轨滑块6，滚珠丝杆螺母7，微型直线导轨8，驱动电机座9，轴承座10，关节编码器11，压力传感器底座12，第二同步带轮总成13，下侧导向轮14，驱动电机15，导向轮支架16，上侧导向轮17，驱动电机编码器18，致动器框架19，线性滑轨20，支撑架21，第一同步带轮总成22，线性滑轨滑块23，膝关节弯曲弹簧24，第一压板25，第二压板26，膝关节伸展弹簧27，从动带轮28，主动带轮29，减速同步带30，驱动电机轴轴承端盖31，滚珠丝杆轴轴承端盖32，支撑轴承33，驱动电机轴轴承34，角接触轴承35以及轴承定位螺母36。

支撑架3和支撑架21沿竖直方向对称间隔设置。驱动电机15通过驱动电机座9同时固定安装在支撑架3和支撑架21上。驱动电机座9的两端分别固定连接在支撑架3和支撑架21的侧边上，驱动电机15位于支撑架3和支撑架21的前侧，并靠近支撑架3和支撑架21的下部设置，驱动电机15的动力输出轴沿竖直方向设置。

滚珠丝杆4设置在支撑架3和支撑架21之间，滚珠丝杆4沿竖直方向设置(即与驱动电机15的动力输出轴平行设置)。轴承座10设置在支撑架3和支撑架21之间，轴承座10的两端分别通过螺钉与支撑架3和支撑架21固定连接。角接触轴承35通过轴承定位螺母36固定安装在滚珠丝杆4的下端；滚珠丝杆4通过角接触轴承35与轴承座10连接。驱动电机15的动力输出轴的下端通过驱动电机轴轴承34安装在轴承座10中。轴承座10的下侧对应驱动电机轴轴承34和角接触轴承35处分别设置有驱动电机轴轴承端盖31，和滚珠丝杆轴轴承端盖32。

驱动电机15的动力输出轴上同轴固定连接有主动带轮29，滚珠丝杆4上同轴固定连接有从动带轮28；减速同步带30同时套设在主动带轮29和从动带轮28上，并且分别与主动带轮29和从动带轮28啮合传动。驱动电机15通过减速同步带30将动力传递至滚珠丝杆4，从而驱动滚珠丝杆4转动。通过设置减速同步带30能够起到减速增扭的作用。其中，主动带轮29通过顶丝紧固在驱动电机15的动力输出轴上。

滚珠丝杆螺母7匹配连接在滚珠丝杆4上。致动器框架19设置在支撑架3和支撑架21之间，致动器框架19为由顶板19a、底板19b和两个侧板19c、19d围合形成的矩形框架结构；致动器框架19的顶板19a和底板19b的中心处分别开设有通孔，并且顶板19a和底板19b分别通过所述通孔同时空套在滚珠丝杆4上。其中，滚珠丝杆螺母7位于顶板19a和底板19b之间。

膝关节伸展弹簧27套设在滚珠丝杆4上，并且位于滚珠丝杆螺母7的下方，膝关节伸展弹簧27的一端抵靠在底板19b上，另一端抵靠在滚珠丝杆螺母7上；膝关节弯曲弹簧24套设在滚珠丝杆4上，并且位于滚珠丝杆螺母7的上方，膝关节弯曲弹簧24的一端抵靠在顶板14b上，另一端抵靠滚珠丝杆螺母7上。

支撑架3和支撑架21的内侧分别设置有线性滑轨20，两个线性滑轨20分别沿滚珠丝杆4的轴线设置；致动器框架19的两个侧板19c、19d的外侧分别设置有线性滑轨滑块23，并通过线性滑轨滑块23可移动的连接在两个线性滑轨20上。通过设置线性滑轨20，使致动器框架19仅能够沿线性滑轨20(滚珠丝杆4的轴向)做直线运动。

致动器框架19的两个侧板19c、19d的前侧分别固定连接有微型直线导轨8，两个微型直线导轨8均沿滚珠丝杆4的轴向设置。滚珠丝杠螺母7通过螺钉与两个微型直线导轨滑块22进行紧固连接，并通两个微型直线导轨滑块22可移动的连接在微型直线导轨8上，使得滚珠丝杠螺母7仅能够沿微型直线导轨8(滚珠丝杆4的轴向)相对于弹性致动器框架19做直线运动。

第一同步带轮总成22设置在支撑架3和支撑架21之间，并且可转动的同时连接在支撑架3和支撑架21的上端。第一同步带轮总成22主要由带轮盘2201、第一同步带轮2202、带轮固定销2203、带轮轴2204和带轮盘2205组成。其中，带轮轴2204通过花键与带轮盘2201和带轮盘2205连接，2202上侧带轮通过2203上侧带轮固定销与2201上侧右端带轮盘和2205上侧左端带轮盘连接。其中，第一同步带轮2202的轴线与滚珠丝杆4的轴线方向垂直。

第二同步带轮总成13设置在支撑架3和支撑架21之间，并且可转动的同时连接在支撑架3和支撑架21的下端。第二同步带轮总成13主要由带轮轴1301、带轮支撑轴承1302、带轮盘1303、带轮紧固螺母1304、第二同步带轮1305、带轮固定销1306和带轮盘1307组成。其中，第二同步带轮1305通过带轮固定销1306与带轮盘1303和带轮盘1307连接；第二同步带轮1305其与第一同步带轮2202平行设置。

致动器框架19通过螺钉与第一压板25和第二压板26连接，同步带5安装在第一压板25和第二压板26之间，使得致动器框架19可以拖动同步带5运动。同步带5同时安装在第一同步带轮总成22和第二同步带轮总成13上，并且与第一同步带轮2202和所述第二同步带轮1305分别啮合；同步带5运动可以带动第一同步带轮2202和所述第二同步带轮1305转动。

接受腔连接体包括：顶座1和两个连接盘2；顶座1设置在第一同步带轮总成22上方，顶座1的顶部设置有四棱锥连接件1a，用于连接接受腔。两个连接盘2其对称设置在1顶座的两侧；带轮盘2201和带轮盘2205通过螺钉与分别与两个连接盘2紧固连接，两个连接盘2分别通过螺钉与顶座1紧固连接，两个连接盘2分别通过支撑轴承33与支撑架3和支撑架21连接，使得支撑架3和支撑架21可以绕连接盘2转动。

致动器框架19、膝关节伸展弹簧27和膝关节弯曲弹簧24组成了串联弹性致动器。通过弹簧储能，能够减少驱动电机对能量的消耗，降低对蓄电池容量的需求，减轻蓄电池重量，实现膝关节假肢高效和轻量化。

作为优选，膝关节伸展弹簧27和膝关节弯曲弹簧24均采用模具弹簧，弹簧刚度根据健康人体行走数据进行匹配；其中，所述膝关节伸展弹簧刚度为419N/mm，所述膝关节弯曲弹簧刚度为380N/mm。

所述的仿生主动膝关节，还包括同步带导向架。所述同步带导向架包括：导向轮支架16、下侧导向轮14和上侧导向轮17；导向轮支架16固定连接在驱动电机座9的外侧，即驱动电机15位于所述滚珠丝杆4与导向轮支架16之间；下侧导向轮14和上侧导向轮17分别可转动的安装在导向轮支架16的上端和下端。下侧导向轮14和上侧导向轮17支撑在同步带5内侧，对同步带5起导向作用。

所述的仿生主动膝关节还包括踝关节连接体，其固定设置在支撑架3和支撑架21的下端；所述踝关节连接体的下端设置有四棱锥连接件，用于连接踝关节假肢。

驱动电机编码器18安装在驱动电机15上，用于采集所述驱动电机的转动角度。关节编码器11包括PCB板和转子磁环；所述PCB板固定连接在支撑架3上，转子磁环通过径向限位螺钉固定设置第二同步带轮的带轮轴1301上。压力传感器12集成有底座，压力传感器12的底座同时固定连接在两个支撑架3和21的下端；并且压力传感器12位于所述踝关节连接体和两个支撑架3、21之间。

如图10所示，平地行走时，膝关节运动可以分为站立相和摆动相，其中站立相又可根据触地事件细分为触地屈曲期、触地伸展期以及预摆动期；摆动相可以细分为摆动屈曲期和摆动伸展期。

平地行走站立相，以3701足跟触地作为起始位置，在足跟即将触地前，通过驱动电机15将膝关节屈曲角度调整为4度左右，当压力传感器12的底座采集的数据大于人体体重的5％，假肢穿戴者完成足跟触地，进入触地屈曲期；在触地屈曲期，驱动电机15通过位置环控制保持固定的位置，由于通过同步带实现减速增扭且滚珠丝杆具有较大的传动比，此时电机仅需提供较小的扭矩即可实现滚珠丝杠螺母7锁止，随着膝关节屈曲角度的增大，膝关节伸展弹簧27逐渐被压缩，将人体的重力势能部分转化为膝关节伸展弹簧27的弹性势能；根据正常行走步态，当膝关节角度达到20度左右，膝关节完成触地屈曲期，膝关节角速度由正变为负，即3702膝关节角速度小于0度/秒，进入触地伸展期，伴随着人体重心前移，膝关节在膝关节伸展弹簧27作用下逐渐伸展，直至膝关节角度接近0度；当膝关节弯曲屈曲时，膝关节角速度由负变为正，即3703膝关节角速度大于0度/秒，进入预摆动期，膝关节继续屈曲，当屈曲角度到达20度左右时，驱动电机15通过速度环控制继续驱动膝关节屈曲，直至事件3705脚趾离地发生，此时压力传感器12的底座采集的数据接近0牛顿，完成站立相。

当压力传感器12的底座采集的数据为0牛顿时，事件3705完成，进入摆动相，驱动电机15通过转速环控制，当膝关节转角到达60度左右时，驱动电机15的转速为0度/秒，然后驱动电机15反向转动，此时角速度值为负，事件3706发生，进入摆动伸展期，通过电流环控制，实现驱动电机15先加速，再减速，并起到阻尼作用，达到阻抗控制的目的，并且将一部分动能用于压缩膝关节弯曲弹簧24，最终当屈曲角度接近0度时，将膝关节弯曲弹簧24的弹性势能通过滚珠丝杠螺母7转移到膝关节伸展弹簧27中，为下一步态周期中的膝关节伸展储配能量。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。