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1～4所示，本发明提供了一种基于电机驱动的仿生膝关节，其主要包括：电机编码器1，驱动电机2，联轴器3，轴承4，滚珠丝杠5，第一线性滑轨6，膝关节弯曲弹簧7，滚珠丝杠螺母8，弹簧座9，膝关节伸展弹簧10，压力传感器11，踝关节连接体12，致动器框架13，假肢机架14，连杆15，轴承座16，轴承端盖17，电机座18，接受腔连接体19，四棱锥连接部20，第二直线导轨21，滑块22，连杆下端铰链销23，连杆上端铰链销24，膝关节铰链销25、膝关节编码器26及蓄电池。

假肢机架14为框架结构，包括两个对称间隔设置的侧板14a、14b和底板14c；其中，底板14c沿水平方向设置，两个侧板14a和14b沿竖直方向设置。驱动电机2位于两个侧板14a和14b之间，并且通过电机座18固定安装在假肢机架14上。所述蓄电池(图中未示出)安装在假肢机架14上，用于为驱动电机2供电。

驱动电机2的动力输出轴通过联轴器3与滚珠丝杠5的固定端(上端)连接；滚珠丝杠螺母8匹配连接在滚珠丝杠5上。弹簧座9空套在滚珠丝杠上5，弹簧座9位于滚珠丝杠螺母8的下方，并且通过螺钉与滚珠丝杠螺母8固定连接；使滚珠丝杠螺母8与弹簧座9同步运动。

致动器框架13靠近假肢支架14的下端设置；致动器框架13为由顶板13a、底板13b和两个侧板13c、13d围合形成的矩形框架结构；致动器框架13的顶板13a和底板13b的中心处分别开设有通孔，并且顶板13a和底板13b分别通过所述通孔同时空套在滚珠丝杠5上。其中，滚珠丝杠螺母8连同弹簧座9位于顶板13a和底板13b之间；弹簧座9和致动器框架13能够分别沿滚珠丝杠5的轴向移动。

膝关节弯曲弹簧7套设在滚珠丝杠5上，并且膝关节弯曲弹簧7的一端抵靠在顶板13a上，另一端抵靠在滚珠丝杠螺母8上；膝关节伸展弹簧10套设在滚珠丝杠5上，并且膝关节伸展弹簧10的一端抵靠在底板13b上，另一端抵靠在弹簧座9上。致动器框架13、膝关节弯曲弹簧7和膝关节伸展弹簧10组成了串联弹性驱动器。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要求，减轻蓄电池重量，实现膝关节假肢高效和轻量化。

接受腔连接体19的两侧分别通过膝关节铰链销25可转动的连接在假肢机架14的两个侧板14a、14b的上端，接受腔连接体19的上端固定设置有四棱锥连接部20，用于连接膝关节上部的假肢接受腔。其中，四棱锥连接部20通过螺纹与接受腔连接体19连接。在接受腔连接体19朝向电机的一侧，设置有两个连杆连接部19a；两个连杆连接部19a对称设置在驱动电机2的两侧。两个连杆15对称设置在滚珠丝杠5的两侧。其中，致动器框架13的顶板13a上侧设置有连杆连接部13aa；两个连杆连接部13aa分别位于滚珠丝杠5的两侧。两个连杆15的上端分别通过连杆上端铰链销24与其对应的连杆连接部19a铰接，两个连杆15的下端分别通过连杆下端铰链销23与其对应的连杆连接部13aa铰接。

轴承座16固定安装在假肢机架14上，轴承4安装在轴承座16上；轴承4的上方设置有轴承端盖17。其中，轴承4位于致动器框架13与联轴器3之间。滚珠丝杠5可转动的支撑在轴承4中。作为优选，轴承4采用角接触轴承。

在本实施例中，假肢机架的两个侧板14a和14b的内侧分别设置有直线滑轨6，两个直线导轨6分别沿滚珠丝杠5的轴线设置；致动器框架13的两个侧板13c、13d的外侧分别具有滑块，并通过所述滑块可移动的连接在第一直线滑轨6上。通过设置直线导轨6，使致动器框架13仅能够沿滚珠丝杠5的轴向做直线运动。

致动器框架13的两个侧板13c、13d的后侧分别固定连接有第二直线导轨21，两个第二直线导轨21均沿滚珠丝杠5的轴向设置。弹簧座9的两侧分别通过螺钉固定连接滑块22，滑块22匹配设置在第二直线导轨21上，弹簧座9通过滑块22可移动的连接在第二直线导轨21上。通过设置第二直线导轨21，使弹簧座9和滚珠丝杠螺母8仅能够沿滚珠丝杠5的轴向做直线运动。

作为优选，所述膝关节弯曲弹簧7和膝关节伸展弹簧10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10的刚度为419N/mm，所述膝关节弯曲弹簧7的刚度为380N/mm。弹簧刚度设置为与人体膝关节的屈曲刚度和伸展刚度相对应，在电机不驱动时便可有效模仿人体下肢平地行走时的步态，从而能适应更多的生活场景，并且提高使用者的舒适度。

踝关节连接体12固定设置在假肢机架14的下端，踝关节连接体12的下端具有四棱锥连接部，用于连接踝关节假肢。

电机编码器1安装在驱动电机2上，用于采集驱动电机2的转动角度；膝关节编码器26的PCB板通过螺钉固定连接在接受腔连接体19上，膝关节编码器26的转子磁环通过径向限位螺钉固定在膝关节铰链销25上。压力传感器11设置在踝关节连接体12和假肢机架14之间，用于采集所述仿生膝关节所承受载荷。

将膝关节完全伸直规定为膝关节编码器26的0度位置，驱动电机2驱动滚珠丝杠5带动滚珠丝杠螺母8上移，膝关节弯曲弹簧7推动弹性致动器框架13向上运动，弹性驱动器框架13带动15连杆，最终推动接受腔连接体19绕膝关节铰链销25进行转动，实现膝关节的弯曲，膝关节角度逐渐增大；反之，则实现膝关节的伸展，膝关节角度逐渐减小。通过膝关节角度对时间的一阶导数可求得膝关节的转动角速度。

如图5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2701足跟触地作为起始位置，在足跟即将触地前，通过驱动电机2将膝关节屈曲角度调整为4度左右，当压力传感器11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2通过位置环控制保持固定的位置，由于滚子丝杆具有较大的传动比，此时驱动电机2仅需提供较小的扭矩即可实现滚珠丝杠螺母8锁止，随着膝关节屈曲角度的增大，膝关节伸展弹簧10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10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2702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10膝关节伸展弹簧作用下逐渐伸展，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2703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2通过速度环控制继续驱动膝关节屈曲，直至事件2705脚趾离地发生，此时压力传感器11采集的数据接近0牛顿，完成站立相。

当压力传感器11采集的数据为0牛顿时，事件2705完成，进入摆动相，驱动电机2通过转速环控制，当膝关节转角到达60度左右时，驱动电机2的转速为0度/秒，然后驱动电机2反向转动，此时角速度值为负，事件2706发生，进入摆动伸展期，通过电流环控制，实现电机先加速，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7，最终当屈曲角度接近0度时，将膝关节弯曲弹簧7的弹性势能通过滚珠丝杠螺母8转移到膝关节伸展弹簧10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。