CN108081243B - 助行膝关节执行器及助行机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于康复医疗器械技术领域，尤其涉及一种助行膝关节执行器，包括液压缸和液压杆，液压杆内设有具有气囊的第一腔体，液压杆伸入液压缸内且设有与液压缸密封连接的密封环，密封环将液压缸内的空间分隔为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，且密封环上设有连通第二腔体和第三腔体的至少一个第一通孔，第三腔体与第一腔体连通，液压杆上设有用于控制第一通孔是否开闭和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，能够提供较大而且稳定的支撑力，在屈膝下蹲时把身体重力势能转换为气囊内的空气势能，在站直伸展小腿时，把储存的空气势能释放出来，能耗极小、结构简单。

Description

助行膝关节执行器及助行机器人

技术领域

本发明属于康复医疗器械技术领域，尤其涉及一种助行膝关节执行器及助行机器人。

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，并通过阀门控制液压油的流向，使得液压杆主动伸出或者主动收缩，通过液压杆的伸出和收缩来驱动助行机器人行走。但是现有技术中，液压泵结构复杂，极大地增加了执行器的复杂程度，与液压泵连接的液压管路在执行器上布置困难，而且液压泵液压管路重量大，极大的增加了执行器的重量，另外，在运行过程中能量消耗较大，如此导致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助行膝关节执行器，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：一种助行膝关节执行器，包括液压缸和液压杆，所述液压杆内设有第一腔体，所述第一腔体内设有气囊，所述液压杆伸入所述液压缸内且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，所述密封环将所述液压缸内的空间分隔为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，且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，所述第二腔体环绕于所述液压杆外，所述第三腔体位于所述密封环远离所述液压杆的一侧，所述第三腔体与所述第一腔体连通，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调节所述挡片遮挡所述第一通孔的面积。

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，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内靠其外端的位置，所述传动轴穿过所述第一腔体并与所述挡片连接，所述气囊环绕于所述传动轴的周围。

进一步地，所述液压杆的外端设有延伸至所述液压杆内的安装槽，所述电机固定于所述安装槽内，所述液压杆的外端的端面设有用于封盖所述安装槽的杆端盖。

进一步地，所述第一腔体延伸至所述液压杆的内端面并设有开口，所述挡片上设有与所述开口匹配的凸台，所述凸台嵌入所述开口内且所述凸台可绕所述开口的中心转动。

进一步地，所述开口内设有轴承，所述凸台通过轴承可转动地嵌入所述开口内。

进一步地，所述凸台上设有贯穿所述挡片且连通所述第一腔体和第三腔体的第三通孔。

进一步地，所述液压缸的末端设有用于密封所述第二腔体的缸端盖，所述液压杆穿过所述缸端盖。

本发明的有益效果：本发明的助行膝关节执行器中，当屈膝或者伸展小腿时，液压杆受到压力，使得液压杆向液压缸内移动，第三腔体内的液体经第一通孔流向第二腔体内，由于密封环可以阻碍液体流动，从而起到阻尼作用；

本发明中，可以通过驱动机构转动挡片，具体是调节挡片与第一通孔之间的重合度，改变第一通孔的导通截面，进而调节液体由第三腔体进入第二腔体的速度，达到调节助行膝关节执行器阻尼的效果，本发明的助行膝关节执行器具有可调阻尼的优点；

当处于支撑人体时，本实施例的助行膝关节执行器能够提供长期稳定的支撑里，此时通过驱动机构，调节挡片完全遮挡第一通孔，第二腔体和第三腔体之间二液体无法流动，由于液体的不可压缩性，因此，本发明的助行膝关节执行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，液压缸内的第三腔体的体积减小，此时，第三腔体内的液体在压力作用下进入第一腔体，在第一腔体内由于进入了新的液体，液体压力变大，必然会压缩气囊，气囊压力升高，通过气囊存储能量，在站直伸展小腿时，气囊膨胀，释放能量，迫使第一腔体内的液体流向第三腔体内，减轻站直所需的身体力量。在屈膝下蹲时把身体重力势能转换为气囊内的空气势能，在站直伸展小腿时，把储存的空气势能释放出来，助力站直，本发明具有能耗极小的特点；

本发明中助行膝关节执行器，没有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，包括前述助行膝关节执行器。助行机器人的执行器仅需向驱动机构即电机供能，而驱动机构也仅仅用于调节挡片，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助行膝关节执行器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的助行膝关节执行器的剖视图；

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助行膝关节执行器的分解图。

其中，图中各附图标记：

10--液压缸 11--第二腔体 12--第三腔体

13--缸端盖 20--液压杆 21--第一腔体

22--密封环 221--第一通孔 23--开口

24--安装槽 25--杆端盖 30--气囊

40--驱动机构 41--电机 42--传动轴

50--挡片 51--第二通孔 52--凸台

521--第三通孔 60--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助行膝关节执行器，包括液压缸10和液压杆20，液压杆20内设有第一腔体21，第一腔体21内设有气囊30，液压杆20伸入液压缸10内且液压杆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将液压缸10内的空间分隔为第二腔体11和第三腔体12，第二腔体11内和第三腔体12内均设有液体，且密封环22上设有连通第二腔体11和第三腔体12的至少一个第一通孔221，第二腔体11环绕于液压杆20外，第三腔体12位于密封环22的远离液压杆20的一侧，第三腔体12与第一腔体21连通，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。

本实施例中，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，第三腔体12内的液体和第二腔体11内的液体经第一通孔221相互流通，由于密封环22的第一通孔221限制液体流动速度，从而密封环22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，进而调节液体在第三腔体12和第二腔体11之间的流通速度，达到调节助行膝关节执行器阻尼的效果，本实施例的助行膝关节执行器具有可调阻尼，从而实现不同的屈膝速度以及不同的伸展小腿速度，改变行走的步态频率。

当用于支撑人体时，本实施例的助行膝关节执行器能够提供长期稳定的支撑里，此时通过流量调节装置控制第一通孔221完全闭合，第二腔体11和第三腔体12之间二液体无法流动，由于液体的不可压缩性，因此，本实施例的助行膝关节执行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，液压缸10内的第三腔体12的体积减小，第三腔体12内的液体在压力作用下进入第二腔体11以及进入第一腔体21。在第一腔体21内由于进入了新的液体，液体压力变大，必然会压缩气囊30，气囊30压力升高，通过气囊30存储能量，在站直伸展小腿时，气囊30膨胀，释放能量，迫使第一腔体21内的液体流向第三腔体12内，减轻站直所需的身体力量。在屈膝下蹲时把身体重力势能转换为气囊30内的空气势能，在站直伸展小腿时，把储存的空气势能释放出来，助力站直，本实施例具有能耗极小的特点。

另外，液压杆20压缩第三腔体12，液压杆20移动速度相同时，阻尼的大小影响第三腔体12内的液体压力增幅，通过流量调节装置增大阻尼，第三腔体12内的液体压力增加，使得气囊30存储的能量增加，因此本实施例中，可通过调节阻尼改变气囊存储的能量。

本实施例中助行膝关节执行器，没有压力泵，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，流量调节装置包括驱动机构40和挡片50，挡片50紧贴密封环22，驱动机构40设置液压杆20内，驱动机构40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11和第三腔体12，各第一通孔221的被遮挡面积可以调节，从而可以实现阻尼的调节。本实施例中，可以通过驱动机构40转动挡片50，具体是调节挡片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，即挡片50遮挡各第一通孔221的遮挡面积可以调节，进而调节液体在第三腔体12和第二腔体11之间的流通速度，达到调节助行膝关节执行器阻尼的效果；当用于支撑人体时，此时通过驱动机构40，调节挡片50完全遮挡各第一通孔221，第二腔体11和第三腔体12之间二液体无法流动，实现助行膝关节执行器的支撑功能。

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。

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11和第三腔体12。当第一通孔221和第二通孔51重合时，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，挡片50完全遮挡第一通孔221，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，助行膝关节执行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，如图3或图4所示，驱动机构40包括电机41和传动轴42，电机41设置于液压杆20内靠其的外端的位置，传动轴42穿过第一腔体21并与挡片50连接，气囊30环绕于传动轴42的周围。通过电机41精准的控制传动轴42转动，并传动轴42把转动角度传递至挡片50，使挡片50相对密封环22转动，即挡片50相对各第一通孔221转动，不同的转动角度，可改变挡片50与第一通孔221的重合度。

具体地，是传动轴42把转动角度传递至挡片50，使挡片50相对密封环22转动，即挡片50上的各第二通孔51相对各第一通孔221转动，不同的转动角度，可改变第二通孔51与第一通孔221的重合度，实现阻尼调节。

进一步地，传动轴42上套设有轴套(图中未示出)，整套的两端抵接第一腔体21的内壁，通过轴套避免传动轴42转动磨损气囊30。

进一步地，如图2所示，液压杆20的外端设有延伸至液压杆20内的安装槽24，电机41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41，避免电机41外露，便于助行膝关节执行器的布置。

本实施例中，电机41还可固定于液压杆20的内端，且安装槽24设置于液压杆20的内端，如此可缩减传动轴42的长度，无需设置轴套即可避免传动轴42在转动时磨损气囊30。

进一步地，如图3所示，第一腔体21延伸至液压杆20的内端面并设有开口23，挡片50上设有与开口23匹配的凸台52，凸台52嵌入开口23内且凸台52可绕开口23的中心转动。通过凸台52与开口23的配合，使得挡片50稳定地转动。

进一步地，如图3所示，开口23内设有轴承60，凸台52通过轴承60可转动地嵌入开口23内。通过设置轴承60减小凸台52与开口23之间的摩擦，减小驱动机构40所需的能耗。具体地，轴承60为滑动轴承。

进一步地，如图3所示，凸台52上设有贯穿挡片50且连通第一腔体21和第三腔体12的第三通孔521。凸台52上设有第三通孔521，第三通孔521贯穿挡片50，使得第三通孔521连通第一腔体21和第三腔体12，由于整个挡片50以凸台52或者开口23的中心线为转轴转动，设置于凸台52上的第三通孔521必然不会被遮挡，可以实时保持第一腔体21和第三腔体12的连通，任何时候均可在做屈膝动作时存储能量至气囊30，并且在伸展小腿时释放气囊30存储的能量。

进一步地，如图4所示，液压缸10的末端设有用于密封第二腔体11的缸端盖13，液压杆20穿过缸端盖13。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13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，包括助行膝关节执行器。助行机器人的执行器仅需向驱动机构40即电机41供能，而驱动机构40也仅仅用于调节挡片50，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。

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 (6)

1.一种助行膝关节执行器，包括液压缸和液压杆，其特征在于：所述液压杆内设有第一腔体，所述第一腔体内设有气囊，所述气囊用于存储或释放能量，所述液压杆伸入所述液压缸内且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，所述密封环将所述液压缸内的空间分隔为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，且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，所述第二腔体环绕于所述液压杆外，所述第三腔体位于所述密封环远离所述液压杆的一侧，所述第三腔体与所述第一腔体连通，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；

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；

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内靠其外端的位置，所述传动轴穿过所述第一腔体并与所述挡片连接，所述气囊环绕于所述传动轴的周围所述液压杆的外端设有延伸至所述液压杆内的安装槽，所述电机固定于所述安装槽内，所述液压杆的外端的端面设有用于封盖所述安装槽的杆端盖；

所述电机固定于液压杆的内端，且安装槽设置于液压杆的内端，从而缩减传动轴的长度，无需设置轴套即可避免传动轴在转动时磨损气囊。

2.根据权利要求1所述的助行膝关节执行器，其特征在于：所述第一腔体延伸至所述液压杆的内端面并设有开口，所述挡片上设有与所述开口匹配的凸台，所述凸台嵌入所述开口内且所述凸台可绕所述开口的中心转动。

3.根据权利要求2所述的助行膝关节执行器，其特征在于：所述开口内设有轴承，所述凸台通过轴承可转动地嵌入所述开口内。

4.根据权利要求2所述的助行膝关节执行器，其特征在于：所述凸台上设有贯穿所述挡片且连通所述第一腔体和第三腔体的第三通孔。

5.根据权利要求1所述的助行膝关节执行器，其特征在于：所述液压缸的末端设有用于密封所述第二腔体的缸端盖，所述液压杆穿过所述缸端盖。

6.一种助行机器人，其特征在于：权利要求1至5任一项所述的助行膝关节执行器。

Images