CN108071734B - 阻尼器及助行机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于康复医疗器械技术领域，尤其涉及一种阻尼器及助行机器人，其中阻尼器包括液压杆从液压缸的末端伸入液压缸内，液压杆的内端设有与液压缸的内表面连接的密封环，密封环与液压缸的固定端之间设有自由活塞和第一压缩弹簧，第一压缩弹簧两端分别抵接自由活塞和固定端，自由活塞和密封环共同将液压缸内的空间分隔为第一腔体、第二腔体和第三腔体，第二腔体内和第三腔体内均设有液体，密封环上设有连通第二腔体和第三腔体的第一通孔，液压杆上设有用于控制流经第一通孔液体的流速的流量调节装置。本发明具有可调阻尼，提供较大的支撑力，将身体重力势能与第一弹簧的弹性势能相互转换，本发明具有能耗极小、结构简单的特点。

Description

阻尼器及助行机器人

技术领域

本发明属于康复医疗器械技术领域，尤其涉及一种阻尼器及助行机器人。

背景技术

助行机器人主要分为军用和民用两个方面，民用助行机器人主要用于残障辅助、康复医疗等，助行机器人为穿戴者提供保护和行走动力。通常助行机器人为下肢助行，膝关节部位的驱动尤为重要。现有技术中，膝关节部位多采用电机驱动或者液压驱动，使用液压驱动时需要配备液压泵作为动力源，而液压泵结构复杂、重量大，而且运行过程中能量消耗较大，因此现有技术助行机器人的执行器结构复杂、能耗高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种阻尼器，旨在解决现有技术中的助行机器人的执行器结构复杂以及能耗高技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种阻尼器，包括液压缸和液压杆，所述液压缸的一端为末端、另一端为固定端，所述液压杆从所述液压缸的末端伸入所述液压缸内，所述液压杆的内端设有与所述液压缸的内表面滑动密封连接的密封环，所述密封环与所述固定端之间设有自由活塞和第一压缩弹簧，所述第一压缩弹簧两端分别抵接所述自由活塞和所述固定端，所述自由活塞和所述密封环共同将所述液压缸内的空间从固定端至末端依次分隔为第一腔体、第二腔体和第三腔体，所述第二腔体内和所述第三腔体内均设有液体，所述密封环上设有连通所述第二腔体和所述第三腔体的至少一个第一通孔，所述液压杆上设有用于控制所述第一通孔是否开闭和流经所述第一通孔液体的流速的流量调节装置。

进一步地，所述流量调节装置包括驱动机构和挡片，所述挡片紧贴所述密封环，所述驱动机构设置所述液压杆内，所述驱动机构与所述挡片连接并驱动所述挡片转动以遮挡住所述第一通孔或使得所述第一通孔连通所述第二腔体和所述第三腔体。

进一步地，所述挡片上设有数量与所述第一通孔的数量相同的第二通孔，当各所述第二通孔与各所述第一通孔错位时，所述挡片遮挡住所述第一通孔；当各所述第二通孔与各所述第一通孔对位时，所述第一通孔连通所述第二腔体和所述第三腔体。

进一步地，各所述第一通孔沿圆周均匀分布，各所述第二通孔沿圆周均匀分布，各第二通孔所在圆周的半径等于各所述第一通孔所在圆周的半径。

进一步地，所述驱动机构包括电机和传动轴，所述电机设置于所述液压杆的外端或内端，所述传动轴一端与所述电机连接、另一端向所述液压杆的内端延伸且与所述挡片连接。

进一步地，所述液压杆的外端设有与所述液压杆螺纹连接的限位螺丝，所述液压杆上套设有第二弹簧，所述第二弹簧的两端分别抵接所述限位螺丝和所述液压缸的末端的外端面。

进一步地，所述液压杆上套设有第三弹簧，所述第三弹簧的两端分别抵接所述密封环和所述液压缸的末端的内端面。

进一步地，所述液压杆的内端面设有安装孔，所述挡片上设有与所述安装孔匹配的凸台，所述凸台嵌入所述安装孔内且所述凸台可绕所述安装孔的中心转动。

进一步地，所述安装孔内设有轴承，所述凸台通过轴承可转动地嵌入所述安装孔内。

本发明的有益效果：当屈膝或者伸展小腿时，液压杆受到压力，使得液压杆在液压缸内移动，第二腔体内的液体和第三腔体内的液体经第一通孔相互流通，密封环上的第一通孔限制液体流动速度，密封环起到阻尼作用；

本实施例中，可以通过流量调节装置调节第一通孔是否开闭以及调节第一通孔的打开程度，改变第一通孔的导通截面，进而调节液体在第二腔体和第三腔体的之间的流通速度，实现阻尼器的阻尼可调。不同的阻尼，液体在第二腔体和第三腔体之间的流速不同，通过调节阻尼可控制膝关节屈膝和伸展的速度，进而控制相应的步态的频率；

当用于支撑人体时，本实施例的阻尼器能够提供长期稳定的支撑里，此时通过流量调节装置调节第一通孔完全闭合，第二腔体和第三腔体之间的液体无法流动，由于液体的不可压缩性，因此，本实施例的阻尼器可以提供较大而且长期稳定的支撑力；

在屈膝时，利用身体重量，使液压杆被推进液压缸内，液压杆占用第二腔体和第三腔体的总容积，液压杆增大了第二腔体内的液体的压力，此时，第二腔体内的液体在压力作用下压迫自由活塞并使得第一弹簧被压缩，液压杆输出的能量被存储到第一弹簧上，同时第二腔体内的液体在压力作用下经第一通孔进入第三腔体内；在站直伸展小腿时，第一弹簧伸长，释放弹性势能，压迫第二腔体内的液体并通过第二腔体内的液体推动液压杆向外移动，减轻站直所需的身体力量。在屈膝时把身体重力势能转换为第一弹簧的弹性势能，在站直伸展小腿时，把第一弹簧储存的弹性势能释放出来，助力站直，本实施例具有能耗极小的特点；

本实施例中阻尼器，无需采用压力泵等其他复杂元件，从而具有结构简单的优点。

为实现上述目的，本发明采用的另一技术方案是：一种助行机器人，包括所述阻尼器。助行机器人的执行器仅需向流量调节装置供能或者供电，而流量调节装置也仅仅用于调节第一通孔的开闭以及打开的程度，能耗极小，能够存储屈膝时的身体重力势能，本实施例的助行机器人具有结构简单、能耗小以及阻尼可调的特点，且助行机器人的支撑力大而且持久稳定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的阻尼器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的阻尼器的剖视图；

图3为图2中局部区域A的放大图；

图4为本发明实施例提供的阻尼器的分解图。

其中，图中各附图标记：

10--液压缸 10a--末端 10b--固定端

11--第一腔体 12--第二腔体 13--第三腔体

14--缸端盖 20--液压杆 22--密封环

221--第一通孔 23--安装孔 24--安装槽

25--杆端盖 26--限位螺丝 27--第二弹簧

28--第三弹簧 30--自由活塞 40--第一压缩弹簧

50--挡片 51--第二通孔 52--凸台

60--驱动机构 61--电机 62--传动轴

70--轴承。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图1至附图4中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图1至附图4描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1～4所示，本发明实施例提供了一种阻尼器，包括液压缸10和液压杆20，液压缸10的一端为末端10a、另一端为固定端10b，液压杆20从液压缸10的末端10a伸入液压缸10内，液压杆20的内端设有与液压缸10的内表面滑动密封连接的密封环22，密封环22与固定端10b之间设有自由活塞30和第一压缩弹簧40，第一压缩弹簧40两端分别抵接自由活塞30和固定端10b，自由活塞30和密封环22共同将液压缸10内的空间从固定端10b至末端10a依次分隔为第一腔体11、第二腔体12和第三腔体13，第二腔体12和第三腔体13内均设有液体，密封环22上设有连通第二腔体12和第三腔体13的至少一个第一通孔221，液压杆20上设有用于控制第一通孔221是否开闭和控制流经第一通孔221液体的流速的流量调节装置。当屈膝或者伸展小腿时，液压杆20受到压力或者拉力，使得液压杆20的内端在液压缸10内移动，第二腔体12内的液体和第三腔体13内的液体经第一通孔221相互流通，密封环22上的第一通孔221限制液体流动速度，密封环起到阻尼作用。

本实施例中，可以通过流量调节装置控制第一通孔221是否开闭以及调节第一通孔221的打开程度，改变第一通孔221的导通截面，进而调节液体在第二腔体12和第三腔体13之间的流通速度，因此本实施例的阻尼器可调节阻尼。不同的阻尼，液体在第二腔体12和第三腔体13之间的流速不同，通过调节阻尼可控制膝关节屈膝和伸展的速度，进而控制相应的步态的频率。

当用于支撑人体时，本实施例的阻尼器能够提供长期稳定的支撑里，此时通过流量调节装置调节第一通孔221完全闭合，第二腔体12和第三腔体13之间的液体无法流通，由于液体的不可压缩性，因此，本实施例的阻尼器可以提供较大而且长期稳定的支撑力。

在屈膝时，利用身体重量，使液压杆20被推进液压缸10内，液压杆20占用第二腔体12和第三腔体13的总容积，液压杆20增大了第二腔体12内的液体的压力，此时，第二腔体12内的液体在压力作用下压迫自由活塞30并使得第一弹簧40被压缩，液压杆20输出的能量被存储到第一弹簧40上，同时第二腔体12内的液体在压力作用下经第一通孔221进入第三腔体13内；在站直伸展小腿时，第一弹簧40伸长，释放弹性势能，压迫第二腔体12内的液体并通过第二腔体12内的液体推动液压杆20向外移动，减轻站直所需的身体力量。在屈膝或下蹲时把身体重力势能转换为第一弹簧40的弹性势能，在站直伸展小腿时，把第一弹簧40储存的弹性势能释放出来，助力站直，本实施例具有能耗极小的特点。

本实施例中阻尼器，没有压力泵等其他复杂元件，从而具有结构简单的优点。

本实施例中，第一通孔221数量可以是1个、2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个以及10个以上的其他数量。

进一步地，如图2所示，流量调节装置包括挡片50和驱动机构60，挡片50紧贴密封环22，驱动机构60设置液压杆20内，驱动机构60与挡片50连接并驱动挡片50转动以遮挡住各第一通孔221或使得各第一通孔221连通第二腔体12和第三腔体13。本实施例中，可以通过驱动机构60转动挡片50，调节挡片50与各第一通孔221之间的重合度，改变各第一通孔221的导通截面，进而调节液体由第二腔体12进入第三腔体13的速度，调节阻尼；当用于支撑人体时，通过驱动机构60调节挡片50完全遮挡各第一通孔221，第二腔体12和第三腔体13之间二液体无法流动，液压杆20无法伸缩，液压杆20可以稳定地提供支撑力或者拉力，因此阻尼器可提供稳定的支撑力和拉力。

流量调节装置还可以是与各第一通孔221一一对应的多个控制阀(图中未标示)，各控制阀设置于对应的第一通孔221内，用于控制各第一通孔221的导通和闭合以及控制导通程度即控制导通面积。

进一步地，如图3或图4所示，驱动机构60包括电机61和传动轴62，电机61设置于液压杆20的外端，传动轴62的一端与电机61连接、另一端向液压杆20的内端延伸且与挡片50连接。电机61驱动挡片50转动，能够精确控制挡片50的转动角度，精确调整阻尼。

电机61安装位置的其他实施方式中，电机61设置于液压杆20的内端，如此可缩减传动轴62的程度，传动轴62稳定性更好，使得挡片50转动更加稳定。

本实施例中，液压杆20的内端是指伸入液压缸10内的一端，液压杆20的外端是指露出于液压缸10外的一端。

如图3所示，具体地，挡片50上设有数量与第一通孔221的数量相同的第二通孔51，当各第二通孔51与各第一通孔211错位时，挡片50遮挡住第一通孔211；当各第二通孔51与各第一通孔211对位时，第一通孔211连通第二腔体12和第三腔体13。转动挡片50可使各第一通孔221和各第二通孔51相对转动，通过调节第一通孔221和第二通孔51之间的重合度来实现调节阻尼；当转动挡片50至挡片50上没有设置第二通孔51的区域与第一通孔221重叠时，第一通孔221被密封，此时，助行膝关节执行器用于支撑。

进一步地，各第一通孔221沿圆周均匀分布，各第二通孔51沿圆周均匀分布，各第二通孔51所在圆周的半径等于各第一通孔221所在圆周的半径。如此设置，可使各第二通孔51同步与第一通孔221重叠或者错开，在转动挡片50时，便于调节阻尼。第一通孔221和第二通孔51均沿圆周均匀分布，减小了第一通孔221和第二通孔51错开时挡片50的转动行程，转动挡片50，阻尼器可从起支撑作用的状态快速进入起阻尼作用的状态，以及可从起阻尼作用的状态快速进入起支撑作用的状态，即减小了支撑状态和阻尼状态的切换时间。

进一步地，液压杆20的外端设有与液压杆20螺纹连接的限位螺丝26，液压杆20上套设有第二弹簧27，第二弹簧27的两端分别抵接限位螺丝26和液压缸10的末端10a的外端面。

在屈膝时，液压杆20被推进液压缸10内，由于限位螺丝26的作用，限位螺丝26和液压缸10的末端10a共同压缩第二弹簧27，第二弹簧27提供屈膝阻力，并且第二弹簧27存储弹性势能；在站直伸展小腿时，第二弹簧27伸长，释放弹性势能，通过限位螺丝26推动液压杆20向液压缸10外移动，减轻站直所需的身体力量。在屈膝或者下蹲时把身体重力势能转换为第二弹簧27的弹性势能，在站直伸展小腿时，把储存的第二弹簧27的弹性势能释放出来，助力行走，本实施例具有能耗极小的特点。

患者在不同的康复期的行走步态不相同，根据患者处于的不同康复期可以调整限位螺丝26的位置，进而调节初始预紧力，改变步态，以适应不同个体以及适应不同的康复期。如需要小步态助力行走时，那么可调节限位螺丝26向液压缸10移动并压紧第二弹簧27，缩减了液压杆20的运动行程，使得行走步伐更小。如需要大步态助力行走时，那么可调节限位螺丝26远离液压缸10并放松第二弹簧27，如此，可增加液压杆20的运动行程，使得行走步伐更大。

进一步地，液压杆20上套设有第三弹簧28，第三弹簧28的两端分别抵接密封环22和液压缸10的末端10a的内端面。行走时，膝关节包括两个动作，屈膝和伸展，首先屈膝并且大腿后摆以使身体前移，液压杆20受压；当大腿向后摆动到最大位置后再向前摆动，在大腿向前摆动过程中，小腿依靠惯性自由摆动到小腿前伸并处于伸直状态，之后再进入屈膝过程。本实施例的第三弹簧28在小腿自由摆动时提供阻力，小腿的摆动过程中具有势能和动能的变化，第三弹簧28把小腿的摆动能量转换为第三弹簧28的弹性势能，第三弹簧28的弹性势能能够为小腿前伸直状态时提供初步屈膝的动力。

另外，调节限位螺丝26时，使得第二弹簧27和第三弹簧28相互作用，可同时调节第二弹簧27所受到的压力和第三弹簧28所受到的压力，第二弹簧27和第三弹簧28共同作用以调节初始预紧力和改变步态。

进一步地，如图3所示，液压杆20的内端面设有安装孔23，挡片50上设有与安装孔23匹配的凸台52，凸台52嵌入安装孔23内且凸台52可绕安装孔23的中心转动。通过凸台52与安装孔23的配合，使得挡片50稳定地转动

进一步地，如图3所示，安装孔23内设有轴承70，凸台52通过轴承70可转动地嵌入安装孔23内。通过设置轴承70减小凸台52与安装孔23之间的摩擦，减小驱动机构60所需的能耗。具体地，轴承70为滑动轴承。进一步地，如图2所示，液压杆20的外端设有安装槽24，电机61固定于安装槽24内，液压杆20的外端的端面设有用于封盖安装槽24的杆端盖25。通过安装槽24固定安装电机61，避免电机61外露，便于阻尼器的布置。

进一步地，如图4所示，液压缸10的末端设有用于密封第一腔体11的缸端盖14，液压杆20穿过缸端盖14。液压缸10的末端是指液压缸10的靠近液压杆20的一端，通过缸端盖14与液压杆20可滑动的密封连接。

本实施例还提供了一种助行机器人，包括前述阻尼器。助行机器人的阻尼器仅需向流量调节装置供能或者供电，而流量调节装置也仅仅用于调节第一通孔的开闭以及打开的程度，能耗极小，能够存储屈膝时的身体重力势能，本实施例的助行机器人具有结构简单、能耗小以及阻尼可调的特点，且助行机器人的支撑力大而且持久稳定。

进一步地，阻尼器仅需向驱动机构60即电机61功能，而驱动机构60也仅仅用于调节挡片50，能耗极小。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种阻尼器，包括液压缸和液压杆，所述液压缸的一端为末端、另一端为固定端，所述液压杆从所述液压缸的末端伸入所述液压缸内，其特征在于：所述液压杆的内端设有与所述液压缸的内表面滑动密封连接的密封环，所述密封环与所述固定端之间设有自由活塞和第一压缩弹簧，所述第一压缩弹簧两端分别抵接所述自由活塞和所述固定端，所述自由活塞和所述密封环共同将所述液压缸内的空间从固定端至末端依次分隔为第一腔体、第二腔体和第三腔体，所述第二腔体内和所述第三腔体内均设有液体，所述密封环上设有连通所述第二腔体和所述第三腔体的至少一个第一通孔，所述密封环起到阻尼作用，所述液压杆上设有用于控制所述第一通孔是否开闭和控制流经所述第一通孔液体的流速的流量调节装置，所述液压杆的外端设有与所述液压杆螺纹连接的限位螺丝，所述液压杆上套设有第二弹簧，所述第二弹簧的两端分别抵接所述限位螺丝和所述液压缸的末端的外端面，所述液压杆上套设有第三弹簧，所述第三弹簧的两端分别抵接所述密封环和所述液压缸的末端的内端面；调节所述限位螺丝时，使得所述第二弹簧和所述第三弹簧相互作用，可同时调节所述第二弹簧所受到的压力和所述第三弹簧所受到的压力，所述第二弹簧和所述第三弹簧共同作用以调节初始预紧力和改变步态。

2.根据权利要求1所述的阻尼器，其特征在于：所述流量调节装置包括驱动机构和挡片，所述挡片紧贴所述密封环，所述驱动机构设置所述液压杆内，所述驱动机构与所述挡片连接并驱动所述挡片转动以调节所述挡片遮挡所述第一通孔的面积。

3.根据权利要求2所述的阻尼器，其特征在于：所述挡片上设有数量与所述第一通孔的数量相同的第二通孔，当各所述第二通孔与各所述第一通孔错位时，所述挡片遮挡住所述第一通孔；当各所述第二通孔与各所述第一通孔对位时，所述第一通孔连通所述第二腔体和所述第三腔体。

4.根据权利要求3所述的阻尼器，其特征在于：各所述第一通孔沿圆周均匀分布，各所述第二通孔沿圆周均匀分布，各第二通孔所在圆周的半径等于各所述第一通孔所在圆周的半径。

5.根据权利要求2所述的阻尼器，其特征在于：所述驱动机构包括电机和传动轴，所述电机设置于所述液压杆的外端或内端，所述传动轴一端与所述电机连接、另一端向所述液压杆的内端延伸且与所述挡片连接。

6.根据权利要求2至5任一项所述的阻尼器，其特征在于：所述液压杆的内端面设有安装孔，所述挡片上设有与所述安装孔匹配的凸台，所述凸台嵌入所述安装孔内且所述凸台可绕所述安装孔的中心转动。

7.根据权利要求6所述的阻尼器，其特征在于：所述安装孔内设有轴承，所述凸台通过轴承可转动地嵌入所述安装孔内。

8.一种助行机器人，其特征在于：包括权利要求1至权利要求7任一项所述阻尼器。

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