主动式假肢膝关节串联弹性致动器结构设计

这款串联弹性致动器的核心应用场景聚焦于主动式假肢膝关节的动力输出与力控环节，作为下肢假肢的核心动力执行部件，它需要在行走、上下坡、落座等不同步态周期中，匹配人体下肢的运动出力特性，替代传统刚性驱动的硬接触缺陷，通过弹性元件的形变缓冲实现力的柔顺输出，避免刚性传动对残肢造成的冲击损伤。从实际用途来看，该结构需要完成膝关节屈伸过程中的动力传递、力矩感知、过载缓冲三大核心功能，在步态支撑相提供足够的支撑力矩保证站立稳定性，在摆动相根据步态相位调整输出力矩适配摆腿速度，同时在遇到路面突发冲击时，通过弹性环节的形变吸收瞬时冲击力，保护内部传动构件与残肢接触面。

设计思路上，整个结构采用分层堆叠的布局方式，将动力输入段、弹性传动段、输出连接段沿轴向依次排布，尽可能压缩径向安装尺寸，适配假肢膝关节的有限安装空间。弹性环节没有采用传统的单弹簧布局，而是通过多组均布的弹性元件配合导向结构，保证周向受力均匀，避免偏载导致的弹性元件疲劳失效，同时在各受力节点预留了力值检测的安装位，可通过弹性形变的位移量换算实时输出力矩，为假肢的步态控制算法提供精准的力反馈数据。传动路径上，动力从输入端传入后，先经过一级减速环节放大扭矩，再传递到弹性组件，通过弹性组件的形变将刚性扭矩转化为带柔顺特性的输出力，最终传递到膝关节的转动副，带动小腿组件完成屈伸动作。

从安装边界来看，整体结构的外形采用类圆柱的收腰设计，上端连接面适配假肢接受腔的安装接口，下端输出轴匹配膝关节转动副的连接尺寸，所有外露的紧固件均采用沉头设计，避免突出结构刮蹭衣物或者对残肢造成压迫。各运动副之间预留了足够的间隙，避免在屈伸角度范围内出现结构干涉，同时在导向杆与滑动配合面之间设计了自润滑衬套的安装位，无需额外添加润滑结构即可保证长期往复运动的顺畅性。受力分析阶段对各连接节点的受力情况做了完整的仿真验证，从各节点的力值标注可以看到，在极限负载工况下，各连接螺栓、支撑结构的受力均控制在材料许用应力范围内，弹性元件的最大形变量也处于线性区间内，保证力控的线性度，不会出现刚度突变导致的步态异常。

结构细节上，气动活塞的布局配合弹性组件，可在需要快速响应的步态阶段提供辅助推力，弥补单纯弹性驱动响应速度不足的问题，活塞的行程与弹性元件的形变量做了匹配设计，当弹性元件压缩到极限位置时，活塞刚好到达行程端点，避免硬限位造成的冲击。所有的走线槽都内置在结构的空腔内，外部没有明线布局，既提升了整体的美观度，也避免运动过程中线路被拉扯损坏。输出端的连接法兰采用快拆式设计，方便后期维护时更换不同规格的膝关节连接组件，适配不同体型、不同运动需求的截肢用户，整个结构的重量也做了优化，在保证结构强度的前提下尽可能去除非受力区域的材料冗余，降低假肢整体重量，减少用户长时间佩戴的负重感。