CN105769395B - 用于智能膝关节的电控液压阻尼缸结构 - Google Patents

用于智能膝关节的电控液压阻尼缸结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于智能膝关节的电控液压阻尼缸结构，上活塞部分具有中空活塞杆以及位于中空活塞杆下端的上活塞块，上活塞块上设有两个上下腔室的液压油通道，两个上下腔室的液压油通道中分别装有截流方向相反的单向阀；所述下活塞部分具有下活塞杆以及位于下活塞杆上端的下活塞块，下活塞块上设有两个扇形孔作为上下腔室的液压油通道，上活塞块与下活塞块在缸体内连接，上活塞块与下活塞块中间装有蝶形阀片，蝶形阀片通过置于中空活塞杆内的阀芯杆连接步进电机，由步进电机来控制蝶形阀片的转动来改变下活塞块中上下腔室液压油通道的通流面积，进而改变液压缸上下腔室流动的流量。该结构可实现通过一个电机对假肢膝关节弯曲和伸展阻尼的双向独立控制。

Description

用于智能膝关节的电控液压阻尼缸结构
技术领域
本发明涉及一种用于假肢膝关节的液压阻尼缸结构，尤其是一种用于智能膝关节的电控液压阻尼缸结构。
背景技术
智能膝关节是指采用微处理器控制阻尼的膝关节假肢，而膝关节阻尼的调整主要有液压、气压、磁流变。液压及气压智能膝关节均是通过微处理器驱动电机来调节阻尼缸内部阀门开度大小，来实现阻尼的调整；磁流变智能膝关节则是通过改变电流大小从而改变磁场强度，使磁流变液黏度发生变化，从而调节阻尼。液压膝关节支撑期能提供较大力矩，但是摆动期灵活性不是很高；气压膝关节摆动期灵活性较好，但是支撑期稳定性不高，容易造成意外摔倒，安全性限制较大；磁流变膝关节智能膝关节由于磁流变液黏度的改变与磁场强度关系的复杂性，对磁流变液材料要求较高，同时也难以建立控制模型。
目前，国内用于智能膝关节液压阻尼缸的结构设计较少，相关的技术文件有中国专利201370655号，公开了一种假肢专用电控液压阻尼缸，虽然该专利实现了屈曲和伸展的分别调节，但是需要两个电机控制相应阀门，使得体积及重量较大，耗电量增加。
专利号102065799A，公开了一种半驱动式假肢膝关节设备，通过液压泵和电机实现驱动和非驱动模式，但是液压阀回路特别复杂，液压泵和电动机使得该结构复杂而又笨重。
专利号101889916A，公开了一种应用在智能膝关节上的电控液压阻尼缸装置，通过一个电机旋转活塞阀改变活塞阀和活塞阀通道重合度的大小来调节弯曲和伸展阻尼。但是该结构采用了中间固定块，两侧活塞运动，使得体积较大。且连接杆件多，孔道复杂，又难于加工制造。其所实现的弯曲和伸展调节并不是相互独立的，弯曲调节时对伸展运动有所影响，伸展调节时对弯曲亦有所影响。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于智能膝关节的电控液压阻尼缸结构，通过一个电机控制阀门独立调节膝关节屈伸阻尼。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种用于智能膝关节的电控液压阻尼缸结构，包括步进电机、缸体、上活塞部分、下活塞部分，所述上活塞部分具有中空活塞杆以及位于中空活塞杆下端的上活塞块，所述上活塞块上设有两个上下腔室的液压油通道，两个上下腔室的液压油通道中分别装有截流方向相反的单向阀；所述下活塞部分具有下活塞杆以及位于下活塞杆上端的下活塞块，所述下活塞块上设有两个扇形孔作为上下腔室的液压油通道，所述上活塞块与下活塞块在缸体内连接，所述上活塞块与下活塞块中间装有蝶形阀片，蝶形阀片通过置于中空活塞杆内的阀芯杆连接步进电机，由步进电机来控制蝶形阀片的转动来改变下活塞块中上下腔室液压油通道的通流面积，进而改变液压缸上下腔室流动的流量。
所述缸体下端螺纹连接弹簧壳，弹簧壳装有助伸弹簧，助伸弹簧两端分别连接下活塞部分的下活塞杆的端部和弹簧壳的腔体最底端，通过旋动弹簧壳来调节助伸弹簧的预压缩长度。
当体重向下作用于上活塞部分的上活塞杆时，上活塞块与下活塞块整体向下运动，使缸体下腔室内的油液压力增大，油液通过下活塞块上的上下腔室的液压油通道经蝶形阀片节流后进入上活塞块的上下腔室的液压油通道及向上开启的单向阀进入缸体的上腔室，通过向上开启的单向阀所在的上下腔室的液压油通道实现弯曲时上下腔室流量的调节，控制弯曲时活塞运动的速率，调节膝关节弯曲的阻尼。
当上活塞部分的中空活塞杆被向上拉动时，上活塞块与下活塞块整体向上运动，使缸体的上腔室中的油液压力增大，油液通过上活塞块的上下腔室的液压油通道及向下开启的单向阀经蝶形阀片节流后进入下活塞块的上下腔室的液压油通道进入缸体的下腔室，通过向下开启的单向阀所在的上下腔室的液压油通道实现伸展时上下腔室流量的调节，控制伸展时活塞运动的速率，调节了膝关节伸展的阻尼。
本发明的有益效果是：
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、仅用一个电机就实现了膝关节液压阻尼双向独立控制，且阻尼调节连续。
2、相比两个电机控制的电控液压阻尼缸结构，一个电机控制使得结构重量减轻，耗电减少；
3、相比两电机控制的电控液压阻尼缸结构，其控制模型的建立更为方便，降低了控制电路的复杂性。
附图说明
图1是本发明用于智能膝关节的电控液压阻尼缸结构的示意图；
图2是蝶形阀片旋转过程中与节流阀口相对位置示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明提供的一种用于智能膝关节的电控液压阻尼缸结构，该结构包括具有中空活塞杆及开有孔的上活塞块11的上活塞部分2，放置于上活塞部分2的上活塞块11孔中的向上开启的单向阀9和向下开启的单向阀4，置于活塞部分2的中空活塞杆内且通过阀芯杆与上步进电机1直接相连的蝶形阀片10，具有下活塞杆及开有孔的下活塞块12的下活塞部分6，开口的缸体5，盖接于缸体开口的缸盖3，与缸体5下端连接的弹簧壳8，置于弹簧壳8内且与下活塞部分6的活塞杆相连的弹簧7。
其中，上活塞部分2中的上活塞块11和下活塞部分6中的下活塞块12上设置有上下腔室的液压油通道。下活塞块12上的上下腔室的液压油通道为两个扇形孔，上活塞块11上的上下腔室的液压油通道为分别放有截流方向相反的单向阀。如图2所示，通过旋转位于上活塞部分2和下活塞部分6中间的蝶形阀片10，可以改变上下腔室液压油通道的通流面积，进而改变液压缸上下腔室流动的流量。由于蝶形阀片10的阀芯杆和步进电机1直接相连，就可以由步进电机1来控制蝶形阀片10的转动，改变液压缸的流量，而且两个方向运动的液压油可以通过两个通道分别调节，这样就实现了两个方向流量的独立连续控制。
如图1所示，当体重向下作用于上活塞部分2的活塞杆时，上活塞部分2的上活塞块11与下活塞部分6的下活塞块12整体向下运动，缸体5的下腔室内油液压力增大，并通过下活塞块12的上下腔室的液压油通道向上流动，经蝶形阀片10节流后进入上活塞块11的上下腔室的液压油通道，此时向上开启的单向阀9打开，向下开启的单向阀4截止，故通过向上开启的单向阀9所在的液压油通道实现了弯曲时上下腔室流量的调节，控制了弯曲时活塞运动的速率，调节了膝关节弯曲的阻尼。
当上活塞部分2的活塞杆被向上拉动时，上活塞部分2的上活塞块11与下活塞部分6的下活塞块12整体向上运动，缸体5的上腔室内的油液压力增大，向下开启的单向阀4打开，向上开启的单向阀9处于截止状态，上腔室内的油液通过向下开启的单向阀4所在液压油通道向下流动，经蝶形阀片10节流后进入下活塞块12上的上下腔室的液压油通道进入下腔室，故通过向下开启的单向阀4所在的上下腔室的液压油通道实现了伸展时上下腔室流量的调节，控制了伸展时活塞运动的速率，调节了膝关节伸展的阻尼。
上活塞部分2的中空活塞杆与下活塞部分6的活塞杆直径相同，使得弯曲和伸展时上下腔体积变化相同，保证了运动的平稳性，上腔和下腔的液压油不会像一般单活塞液压缸那样因为上下两腔的体积差产生行程干扰。
助伸弹簧7放置于带有螺纹的腔体即弹簧壳8内，两端分别连接下活塞部分6的活塞杆的端部和弹簧壳的腔体最底端，此处用螺纹而不是直接做成一体的结构是因为个体差异，助伸力矩如果有大幅度的需要，可以旋进或者旋出弹簧壳8对弹簧的预压缩长度进行调节。弹簧壳8外径较小腿胫管外径小，放置在胫管内，有助于减小膝关节外形尺寸。
电机支架与上活塞部分2的中空活塞杆直接相连，蝶形阀片10的阀杆内置于中空活塞杆内，既减轻了阻尼缸结构的整体重量，又缩小了外形尺寸。

Claims (4)

1.一种用于智能膝关节的电控液压阻尼缸结构，包括步进电机(1)、缸体(5)、上活塞部分(2)、下活塞部分(6)，其特征在于：所述上活塞部分(2)具有中空活塞杆以及位于中空活塞杆下端的上活塞块(11)，所述上活塞块(11)上设有两个上下腔室的液压油通道，两个上下腔室的液压油通道中分别装有截流方向相反的单向阀；所述下活塞部分(6)具有下活塞杆以及位于下活塞杆上端的下活塞块(12)，所述下活塞块(12)上设有两个扇形孔作为上下腔室的液压油通道，所述上活塞块(11)与下活塞块(12)在缸体(5)内连接，所述上活塞块(11)与下活塞块(12)中间装有蝶形阀片(10)，蝶形阀片(10)通过置于中空活塞杆内的阀芯杆连接步进电机(1)，由步进电机(1)来控制蝶形阀片(10)的转动来改变下活塞块(12)中上下腔室液压油通道的通流面积，进而改变液压缸上下腔室流动的流量。
2.根据权利要求1所述的用于智能膝关节的电控液压阻尼缸结构，其特征在于：所述缸体(5)下端螺纹连接弹簧壳(8)，弹簧壳(8)装有助伸弹簧(7)，助伸弹簧(7)两端分别连接下活塞部分(6)的下活塞杆的端部和弹簧壳(8)的腔体最底端，通过旋动弹簧壳(8)来调节助伸弹簧(7)的预压缩长度。
3.根据权利要求1所述的用于智能膝关节的电控液压阻尼缸结构，其特征在于：当体重向下作用于上活塞部分（2）的上活塞块(11)时，上活塞块(11)与下活塞块(12)整体向下运动，使缸体(5)下腔室内的油液压力增大，油液通过下活塞块(12)上的上下腔室的液压油通道经蝶形阀片(10)节流后进入上活塞块(11)的上下腔室的液压油通道及向上开启的单向阀(9)进入缸体(5)的上腔室，通过向上开启的单向阀(9)所在的上下腔室的液压油通道实现弯曲时上下腔室流量的调节，控制弯曲时活塞运动的速率，调节膝关节弯曲的阻尼。
4.根据权利要求1所述的用于智能膝关节的电控液压阻尼缸结构，其特征在于：当上活塞部分(2)的中空活塞杆被向上拉动时，上活塞块(11)与下活塞块(12)整体向上运动，使缸体(5)的上腔室中的油液压力增大，油液通过上活塞块(11)的上下腔室的液压油通道及向下开启的单向阀(4)经蝶形阀片(10)节流后进入下活塞块(12)的上下腔室的液压油通道进入缸体(5)的下腔室，通过向下开启的单向阀(4)所在的上下腔室的液压油通道实现伸展时上下腔室流量的调节，控制伸展时活塞运动的速率，调节了膝关节伸展的阻尼。
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