CN107397615B - 一种基于闭式液压驱动系统的单自由度主动式踝关节假肢 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于闭式液压驱动系统的单自由度主动式踝关节假肢，包括碳纤维脚板、微型液压泵、液压集成块、第一蓄能器、第二蓄能器、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第一常闭开关阀、第二常闭开关阀、第一常开开关阀、第二常开开关阀、双出杆液压缸、第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、第四单向阀、连接铰链、脚踝连接架；相较于被动式踝关节假肢，本发明通过主动提供驱动力，使穿戴者能获得类似人体生物特性的行走步态，提高截肢者穿戴的舒适度；在被动模式中可以通过液压缸减震，提供阻尼；本发明中通过液压泵驱动电机的连续旋转以及蓄能器的储能，可以减少对液压泵和电机的峰值功率要求，并在长期步行中降低功耗，以提高续航能力。

Description

一种基于闭式液压驱动系统的单自由度主动式踝关节假肢

技术领域

本发明涉及由单柱塞液压泵、电磁开关阀、皮囊式蓄能器和双出杆液压缸所组成的主动助力液压踝关节假肢的机械结构设计。

背景技术

为了帮助肢体残疾者恢复一定的生活自理能力和工作能力，提高其生活质量，为残疾人开发和研制现代化舒适的假肢产品，就成为当前国内外假肢行业的一项重要而艰巨的任务。踝关节作为人体下肢关节的重要组成部分，一直以来研究都比较滞后，相关的假肢踝关节产品未能很好的满足假肢患者的需求。

主动式踝关节假肢相比于传统的被动式踝关节假肢，已经明显地改善步态的协调性。对截肢患者而言，主动式踝关节假肢可以通过提供主动的驱动力和弹性板储能机构来使穿戴者能获得类似人体生物特性的行走步态，提高截肢者穿戴的舒适度。

但是现有的功能较为成熟的主动踝关节假肢多采用电机驱动的方式进行主动助力，这种结构具有响应速度较慢、输出力矩不足等缺点，并不能很好地配合人体做出实时、灵活的动作模式。而液压驱动系统的功率密度比大，响应速度快，输出转矩大，可以很好的解决这一问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有主动式假肢输出力矩不足，响应速度慢的问题，提供一种低功耗，动力充足，灵活性好的单自由度主动式踝关节假肢。

本发明的基于闭式液压回路系统的单自由度主动踝关节假肢：针对人体小腿和足部外形以及生理结构进行主动假肢的外形及结构设计，合理安排液压元件布局，通过两个常开阀和两个常闭阀的开关切换假肢的四种工作状态。使用蓄能器配合液压泵协同助力，以满足假肢的峰值输出功率要求。通过在液压缸两腔以及液压泵出油口安装压力传感器检测油路压力的变化情况，为控制系统提供输入的传感器信号。

本发明所述主动式踝关节假肢系统，包括碳纤维脚底板、脚踝连接架、连接铰链、无刷直流电机、偏心驱动轴、单柱塞液压泵、蓄能器、常闭开关阀、常开开关阀、压力传感器、双出杆液压缸、单向阀、液压集成块。

液压集成块为液压系统提供完成所需功能的闭式液压回路。液压集成块主体外形为长方体，在长方体上端一体成型加工出假肢与生理残肢的固定面。并且通过管螺纹连接方式布置高压蓄能器(辅助助力)和低压蓄能器(回路保压)，通过螺纹布置三个测量回路油液压力的压力传感器以及一个螺纹孔用于充油排气。阀块上端加工有一个向内侧伸出的平台，用于扩大上部面积，满足各元器件安装面积的要求。

在液压集成块主体长边的外侧面，上方安装有无刷直流电机，在无刷直流电机的输出轴上安装有偏心驱动轴，在无刷直流电机下方安装有常开开关阀1、常开开关阀2，在两常开开关阀下方，安装有常闭开关阀1、常闭开关阀2。

在与偏心驱动轴对应孔相同高度的液压集成块的两侧面(假肢的生理前侧和后侧)内安装有两个内置单柱塞泵。在两单柱塞泵的外侧，分别安装单向阀1和单向阀2。

在液压集成块主体长边的内侧面，安装有单向阀3和单向阀4。

双出杆液压缸以板式连接的方式安装于液压集成块的后侧面(对应于假肢的生理后侧)。

碳纤维脚板通过关节支撑座与脚踝连接管相连，脚踝连接管通过螺纹安装于液压集成块的底部。

液压缸下出杆通过连接铰链与脚踝连接架相连接。

本发明的优点在于：

(1)相较于被动式踝关节假肢，本发明通过主动提供驱动力，使穿戴者能获得类似人体生物特性的行走步态，提高截肢者穿戴的舒适度；在被动模式中可以通过液压缸减震，提供阻尼；

(2)本发明中通过液压泵驱动电机的连续旋转以及蓄能器的储能，可以减少对液压泵和电机的峰值功率要求。并在长期步行中降低功耗，以提高续航能力；

(3)本发明主运动能量不仅来自于液压系统，还来自于碳纤维脚板的弹性势能的释放，可以降低系统能耗；

(4)本发明中所述直流电机和液压泵在整个运动过程中持续工作，避免电机在运行和停止之间频繁切换，降低电机的使用性能和寿命；

(5)本发明中液压系统所采用的主被动结合的运作模式，可以有效降低整个行走过程中的系统能耗；

(6)液压驱动系统集成度高，取消了传统液压管路，提高了系统的可维护性。

附图说明

图1是本发明的正视图；

图2是本发明的右视图；

图3是本发明的后视图；

图4是本发明的左视图；

图5是本发明的俯视图；

图6是本发明的液压原理图；

图7是人行走周期的分解示意图；

图中：

1-第一蓄能器 2-双出杆液压缸 3-第一常闭开关阀

4-第一常开开关阀 5-连接铰链 6-脚踝连接架

7-碳纤维脚板 8-液压集成块 9-第二常开开关阀

10-第二常闭开关阀 11-微型液压泵 12-第二蓄能器

13-第一压力传感器 14-第二压力传感器 15-第三压力传感器

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种基于闭式液压回路系统的单自由度主动踝关节假肢，如图1、图2、图3、图4，包括碳纤维脚板7、微型液压泵11、液压集成块8、第二蓄能器12、第一蓄能器1、第一压力传感器13、第二压力传感器14、第三压力传感器15、第一常闭开关阀3、第二常闭开关阀10、第一常开开关阀4、第二常开开关阀9、双出杆液压缸2、连接铰链5、脚踝连接架6。

液压集成块8主体外形为长方体，在其顶部，通过螺纹连接有第一蓄能器1、第二蓄能器12、第一压力传感器13、第二压力传感器14、第三压力传感器15。在液压集成块8长边外侧面，通过螺纹分别与微型液压泵11、第一常开开关阀4、第二常开开关阀9、第一常闭开关阀3、第二常闭开关阀10相连接。在液压集成块8的后侧面(对应假肢生理后侧面)通过板连接的方式与双出杆液压缸2相连接。液压集成块8的底部通过螺纹与脚踝连接架6相连接。双出杆液压缸2通过连接铰链5与脚踝连接架6相连接。碳纤维脚板7通过螺纹与脚踝连接架6相连接。

所述微型液压泵11由一个无刷直流电机和两个液压柱塞组成，用于将电能转换为液压能以为与该微型液压泵11所连接的液压回路提供压力能。

所述微型液压泵11和所述第二蓄能器12在假肢主动输出力矩时共同为双出杆液压缸2提供压力能，以有效提高瞬时输出功率。

所述双出杆液压缸2在主动作动时将液压回路的压力能转化为驱动碳纤维脚板7蹬地的机械能。

通过控制所述两个常开开关阀(第一常开开关阀4、第二常开开关阀9)和所述两个常闭开关阀(第一常闭开关阀3、第二常闭开关阀10)的开闭可以使系统在四种工作状态之间切换。

所述液压集成块8为液压系统提供完成所需功能的闭式液压回路，包含图6中所示液压图原理图中的所有管路以及第一单向阀011、第二单向阀014。

所述碳纤维脚板7在发生形变时，身体重心的下移和前倾将重力势能转换成所述碳纤维脚板7的弹性势能，在脚尖离地时，碳纤维脚板7所蓄弹性势能转化为驱动人前进的动能。

所述连接铰链5将液压缸所提供的机械能传导至碳纤维脚板7，驱动脚板完成主动跖屈动作和主动背屈动作。

通过所述第一压力传感器13可以知道第二蓄能器12的压力，若是步行速度比较慢，使得蓄能器可以在短时间内就能够充满足够的压力，就可以降低马达的功率。

通过所述第二压力传感器14、第三压力传感器15分别检测双出杆液压缸2上杆腔和下杆腔的压力。通过这两个压力可知输出是否达到了正常步行所需要的。

本发明的工作过程：

设计的液压回路图如图6所示，包括电动机013、液压泵012、第一单向阀011、第二单向阀014、第一蓄能器010、第二蓄能器01、第一常开开关阀02、第二常开开关阀03、第一常闭开关阀07、第二常闭开关阀08、双出杆液压缸05、第一压力传感器09、第二压力传感器06、第三压力传感器04。

电动机013驱动液压泵012，液压泵012的出油口通过第一单向阀011与第一管路相连接，液压泵012的进油口通过第二单向阀014与第二管路相连接，第一蓄能器010接入第一管路，第二蓄能器01接入第二管路；

双出杆液压缸05的上杆腔与第三管路相连，双出杆液压缸05的下杆腔与第四管路相连；

第一常开开关阀02连接在第二管路与第四管路之间，第二常开开关阀03连接在第二管路与第三管路之间，第一常闭开关阀07连接在第一管路和第四管路之间，第二常闭开关阀08连接在第一管路与第三管路之间。第一压力传感器09接入第一管路，第二压力传感器06接入第三管路，第三压力传感器04接入第四管路；

通过控制第一常开开关阀02、第二常开开关阀03、第一常闭开关阀07、第二常闭开关阀08使微型液压驱动系统在四个工作状态下切换，对应于单自由度踝关节假肢的四个工作周期：

(1)第一状态对应于人行走周期的HS(Heel Strike)过程，此时第一常闭开关阀07、第二常闭开关阀08关闭，第一常开开关阀02、第二常开开关阀03开启，当脚跟接触地面，脚踝假肢在做拓屈运动时，活塞杆跟着脚面的联动向上推动，上杆腔的高压油通过第二常开开关阀03与第一常开开关阀02回到下杆腔。

(2)第二状态对应于人行走周期的MS(Middle Stance)过程，第一常闭开关阀07、第二常闭开关阀08关闭，第一常开开关阀02、第二常开开关阀03开启，当脚面整个接触到地面，脚踝假肢在进行背屈运动时，活塞杆跟着脚面的联动向下推动，下杆腔的高压油通过第一常开开关阀02与第二常开开关阀03回到上杆腔。

(3)第三状态对应于人行走周期的TS(Terminal Stance)过程，当背屈进行到最大角度时，进行主动蹬脚状态，此时第一常闭开关阀07、第二常开开关阀03开启，第二常闭开关阀08、第一常开开关阀02关闭。高压油从蓄能器通过第一常闭开关阀07到下杆腔，将活塞杆向上推动，使脚踝进行拓屈运动，脚面蹬出。

(4)第四状态对应于人行走周期的SW(Swing)过程，脚踝假肢在主动收脚状态时脚面悬空，第二常闭开关阀08、第一常开开关阀02开启，第一常闭开关阀07、第二常开开关阀03关闭，从液压泵012出来的高压油，通过第二常闭开关阀08到上杆腔，将活塞杆向下推动，使脚踝进行背屈运动。

具体的：

根据人体步行时踝关节的步态周期特点，将液压回路的工作状态分成脚跟触地到脚板着地的被动跖屈过程HS(Heel Strike)如图7中状态a到状态b、脚板着地时的被动背屈过程MS(Middle Stance)如图7中状态b到状态d、主动蹬脚的跖屈过程TS(TerminalStance)如图7中状态d到状态f和主动收脚的背屈过程SW(Swing)如图7中状态g到状态l。

(1)HS过程中，踝关节跖屈，双出杆缸的下方被动腔和上方的主动腔通过第一常开开关阀4、第二常开开关阀9两个常开阀导通，由于液压缸两腔的压力相等，液压缸处于浮空状态，通过液压油流动的阻尼作用，假肢可以吸收触地冲击的程度。同时，使用微型液压泵11向第二蓄能器12中充能。

(2)在MS过程中，踝关节假肢背屈，液压缸的下方主动腔通过第一常开开关阀4和第二常开开关阀9上方的被动腔导通。而蓄能器继续通过微型液压泵11充能。

(3)在TS过程，踝关节假肢跖屈，向地面蹬腿，第一常闭开关阀3打开，液压油从液压缸上腔经第二常开开关阀9和第一常闭开关阀3流到下腔，微型液压泵11和第二蓄能器12同时向双出杆缸的下腔做功，从而满足该主动阶段的功率要求。在此过程中，部分人体的重力势能转化为碳纤维脚板的弹性势能，并在脚尖离地时，碳纤维脚板的弹性势能转化为部分驱动人体前进的机械能。

(4)而在SW阶段，踝关节背屈，第二常闭开关阀10和第一常开开关阀4打开，第一常闭开关阀3和第二常开开关阀9关闭，微型液压泵11和第二蓄能器12同时向上方主动腔供能。

因此通过控制所述四个开关阀的开关情况，就可以配合人体不同的步态周期进行被动缓冲和主动做功之间的切换，并且蓄能器配合液压泵进行短时的对外输出较大的功率。同时，直流电机和液压泵在整个运动过程中持续工作，提高了系统的能量使用效率，避免电机在运行和停止之间频繁切换，降低电机的使用性能和寿命。

Claims (2)

1.一种基于闭式液压驱动系统的单自由度主动式踝关节假肢，包括碳纤维脚板、微型液压泵、液压集成块、第一蓄能器、第二蓄能器、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第一常闭开关阀、第二常闭开关阀、第一常开开关阀、第二常开开关阀、双出杆液压缸、第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、第四单向阀、连接铰链、脚踝连接架；

液压集成块主体外形为长方体，顶部设有第一蓄能器、第二蓄能器、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器，液压集成块长边外侧面分别与微型液压泵、第一常开开关阀、第二常开开关阀、第一常闭开关阀、第二常闭开关阀相连接，液压集成块的后侧面，对应假肢生理后侧面，通过板连接的方式与双出杆液压缸相连接，液压集成块的底部与脚踝连接架相连接，双出杆液压缸通过连接铰链与脚踝连接架相连接，碳纤维脚板与脚踝连接架相连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于闭式液压驱动系统的单自由度主动式踝关节假肢，所述的液压集成块为液压系统提供完成所需功能的闭式液压回路。