CN109630481A - 一种基于闭式液压驱动回路的单自由度主动式膝关节假肢 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于闭式液压驱动回路的单自由度主动式膝关节假肢，属于假肢与矫形器技术领域。所述假肢包括膝关节连接铰链、膝关节支架、液压集成块和碳纤维脚底板，在所述液压集成块内部集成布置液压驱动回路，所述液压驱动回路具体包括直流无框力矩电机、单出杆液压缸、微型齿轮泵、高压蓄能器、低压蓄能器、第一常闭开关阀、第二常闭开关阀、第一常开开关阀、第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀和第四单向阀。本发明中假肢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能耗，同时液压驱动回路集成度高，提高了假肢使用过程中的便携性；通过蓄能器的储能，使得驱动假肢的功耗大大降低，提高续航能力。
Description
技术领域
本发明属于假肢与矫形器技术领域，具体涉及一种基于闭式液压驱动回路的单自由度主动式膝关节假肢。
背景技术
为了帮助肢体残疾者恢复身体的基本的运动功能，恢复其生活自理能力，研发智能化的假肢系统成为当前国内外假肢行业研究中的重要目标。膝关节作为人体下肢关节的重要组成部分，已经经过了许多年的研发，已经能解决膝关节假肢的一些问题，但仍然存在一定的缺陷。
主动式膝关节假肢相比于传统的被动式膝关节假肢，可以明显改善人体运动步态的协调性。对截肢患者而言，主动式膝关节假肢可以通过提供主动的驱动力和储能机构，使得穿戴者可以适应更广泛的运动要求，获得更自然的运动体验，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膝关节假肢多采用电机驱动的方式进行主动助力，这种结构可以提供主动驱动，但不能进行阻尼控制和能量回收，并不能很好地适应各种复杂的环境。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于闭式液压驱动回路的单自由度主动式膝关节假肢，具体是利用功率密度比大，响应速度快，输出转矩大，可以提供可变阻尼的液压驱动回路解决现有主动式膝关节假肢不能进行阻尼控制和能量回收的问题，提高假肢产品的性能。
本发明提供一种基于闭式液压驱动回路的单自由度主动式膝关节假肢，所述单自由度主动式膝关节假肢包括膝关节连接铰链、膝关节支架、液压集成块和碳纤维脚底板，在所述液压集成块内部集成布置液压驱动回路，所述液压驱动回路具体包括直流无框力矩电机、单出杆液压缸、微型齿轮泵、高压蓄能器、低压蓄能器、第一常闭开关阀、第二常闭开关阀、第一常开开关阀、第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀和第四单向阀。
所述液压集成块与膝关节支架并排布置，所述膝关节连接铰链位于液压集成块与膝关节支架的上方，所述碳纤维脚底板位于液压集成块与膝关节支架的下方；在所述的液压集成块的底部通过铰链分别与膝关节支架的下端和碳纤维脚底板的上端连接；所述膝关节支架的上端通过铰链连接在膝关节连接铰链上。
在所述液压集成块的左视方向，所述单出杆液压缸通过螺纹安装在所述液压集成块的顶部，单出杆液压缸的伸出杆通过铰链连接在膝关节连接铰链上；所述高压蓄能器和低压蓄能器通过螺纹安装在所述液压集成块的左侧下半部分，第一压力传感器和第二压力传感器布置在液压集成块的左侧下半部分；所述第一常闭开关阀、第二常闭开关阀和第一常开开关阀依次通过铆压直线阵列布置在所述液压集成块的右侧下半部分；在位于三个开关阀下方位置的液压集成块上开有液压驱动回路的注油口，注油口内铆压安装第五单向阀，在所述液压集成块的后视方向，所述微型齿轮泵通过螺纹安装在液压集成块右侧上半部分；在液压集成块的左侧上半部分通过螺纹安装直流无框力矩电机，所述直流无框力矩电机的输出轴与所述微型齿轮泵通过联轴器同轴连接；在所述液压集成块的正视方向，所述第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀和第四单向阀通过铆压依次安装在液压集成块的右侧下半部分。
在液压驱动回路中，直流无框力矩电机驱动微型齿轮泵，微型齿轮泵的A口通过第一管路与低压蓄能器连通，在第一管路中接入第一单向阀；同时微型齿轮泵的A口通过第三管路接入单出杆液压缸的有杆腔，在第三管路中接入第三单向阀。微型齿轮泵的B口通过第二管路与低压蓄能器连通，在第二管路中接入第二单向阀；同时微型齿轮泵的B口通过第四管路接入单出杆液压缸的无杆腔，在第四管路中接入第四单向阀。第一常闭开关阀的一端连接在第三单向阀与单出杆液压缸有杆腔之间的第三管路上，第一常闭开关阀的另一端与第二常闭开关阀的一端连接，第二常闭开关阀的另一端连接在第四单向阀与单出杆液压缸无杆腔之间的第四管路上，第一常开开关阀的一端连接在第一常闭开关阀与第二常闭开关阀之间，第一常开开关阀的另一端连接在低压蓄能器与第二单向阀之间的第二管路上；在第四单向阀与单出杆液压缸无杆腔之间的第四管路上接入高压蓄能器。
其中，第一压力传感器接入第四管路，同时第二压力传感器接入第三管路。
本发明的优点在于：
(1)相较于被动式膝关节假肢，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，实现更多复杂的运动需求，比如上下楼梯等，提高截肢者穿戴的舒适度；在被动模式中可以通过单出杆液压缸和蓄能器减震，提供阻尼，吸收冲击过程的能量。
(2)本发明中通过蓄能器的储能，可以减少对液压泵和电机的峰值功率要求，使得驱动假肢的功耗大大降低，提高续航能力。
(3)本发明中假肢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能耗。
(4)液压驱动回路集成度高，提高了假肢使用过程中的便携性。
(5)液压驱动回路集成了传感器检测，提供数据监控功能，实现复杂控制。
附图说明
图1是本发明所提供的单自由度主动式膝关节假肢的正视图；
图2是本发明所提供的单自由度主动式膝关节假肢的右视图；
图3是本发明所提供的单自由度主动式膝关节假肢的后视图；
图4是本发明所提供的单自由度主动式膝关节假肢的左视图；
图5是本发明中液压集成块的正视图；
图6是本发明的液压驱动回路结构图；
图7A是本发明液压驱动回路0-20％时间段状态示意图；
图7B是本发明液压驱动回路20-40％时间段状态示意图；
图7C是本发明液压驱动回路40-75％时间段状态示意图；
图7D是本发明液压驱动回路75-100％时间段状态示意图；
图中：
1、膝关节连接铰链； 2、膝关节支架 3、液压集成块； 4、碳纤维脚底板；
5、直流无框力矩电机； 6、单出杆液压缸； 7、微型齿轮泵； 8、高压蓄能器；
9、低压蓄能器； 10、第一常闭开关阀；11、第二常闭开关阀； 12、第一常开开关阀；
13、第一单向阀； 14、第二单向阀； 15、第三单向阀； 16、第四单向阀；
17、第一压力传感器； 18、第二压力传感器；19、第五单向阀。
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。
本发明提供的一种基于闭式液压驱动回路的单自由度主动式膝关节假肢，针对人体膝关节以及小腿的外形和生理结构进行主动假肢的外形和结构设计，对液压驱动回路中的器件进行合理设置，大大减小液压集成块3的体积，实现假肢外观的小型化，结合已有的人体运动学分析，通过一个常开开关阀和两个常闭开关阀的开关切换假肢的四种工作状态，对应人体运动时下肢的不同运动模态；蓄能器的使用可以实现运动过程中的冲击吸收，实现能量的回收利用，通过在连接单出杆液压缸6两腔的管路上设置压力传感器检测油路压力的变化情况，作为提供给液压驱动回路的反馈信号。
本发明提供一种基于闭式液压驱动回路的单自由度主动式膝关节假肢，如图1、图2、图3和图4所示，所述单自由度主动式膝关节假肢包括膝关节连接铰链1、膝关节支架2、液压集成块3和碳纤维脚底板4，在所述液压集成块3内部集成布置液压驱动回路，所述液压驱动回路具体包括直流无框力矩电机5、单出杆液压缸6、微型齿轮泵7、高压蓄能器8、低压蓄能器9、第一常闭开关阀10、第二常闭开关阀11、第一常开开关阀12、第一单向阀13、第二单向阀14、第三单向阀15和第四单向阀16。
所述液压集成块3与膝关节支架2并排布置，所述膝关节连接铰链1位于液压集成块3与膝关节支架2的上方，所述碳纤维脚底板4位于液压集成块3与膝关节支架2的下方；在所述的液压集成块3的底部通过铰链分别与膝关节支架2的下端和碳纤维脚底板4的上端连接；所述膝关节支架2的上端通过铰链连接在膝关节连接铰链1上。
如图4所示，在所述液压集成块3的左视方向，所述液压集成块3外形优选地为长方体，所述单出杆液压缸6通过螺纹安装在所述液压集成块3的顶部，单出杆液压缸6的伸出杆通过铰链连接在膝关节连接铰链1上；所述高压蓄能器8和低压蓄能器9通过螺纹安装在所述液压集成块3的左侧下半部分，第一压力传感器17和第二压力传感器18布置在液压集成块3的左侧下半部分；所述第一常闭开关阀10、第二常闭开关阀11和第一常开开关阀12依次通过铆压直线阵列布置在所述液压集成块3的右侧下半部分；在位于三个开关阀下方位置的液压集成块3上开有液压驱动回路的注油口，注油口内铆压安装第五单向阀19，所述第五单向阀19用于防止液压油倒流。如图3所示，在所述液压集成块3的后视方向，所述微型齿轮泵7通过螺纹安装在液压集成块3右侧上半部分，通过O型密封圈对微型齿轮泵7进出口与液压集成块3的接触表面进行平面密封；在液压集成块3的左侧上半部分通过螺纹安装直流无框力矩电机5，所述直流无框力矩电机5的输出轴与所述微型齿轮泵7通过联轴器同轴连接。如图5所示，在所述液压集成块3的正视方向，所述第一单向阀13、第二单向阀14、第三单向阀15和第四单向阀16通过铆压依次安装在液压集成块3的右侧下半部分。
所述膝关节连接铰链1用于将单出杆液压缸6所提供的直线运动转换成整个假肢结构绕膝关节连接铰链1的旋转运动，驱动整条假肢实现人体运动中的支撑和摆动动作；所述膝关节支架2与膝关节连接铰链1以及单出杆液压缸6共同形成滑块连杆结构，实现将单出杆液压缸6的直线运动转换成旋转运动，同时也形成整只假肢的基本骨架；所述液压集成块3为假肢提供完成所需功能的闭式液压驱动回路；所述碳纤维脚底板4用于支撑人体运动和主动摆动。
集成在所述液压集成块3内部的液压驱动回路的结构如图6所示。在液压驱动回路中，直流无框力矩电机5驱动微型齿轮泵7，微型齿轮泵7的A口通过第一管路与低压蓄能器9连通，在第一管路中接入第一单向阀13；同时微型齿轮泵7的A口通过第三管路接入单出杆液压缸6的有杆腔，在第三管路中接入第三单向阀15。微型齿轮泵7的B口通过第二管路与低压蓄能器9连通，在第二管路中接入第二单向阀14；同时微型齿轮泵7的B口通过第四管路接入单出杆液压缸6的无杆腔，在第四管路中接入第四单向阀16。第一常闭开关阀10的一端连接在第三单向阀15与单出杆液压缸6有杆腔之间的第三管路上，第一常闭开关阀10的另一端与第二常闭开关阀11的一端连接，第二常闭开关阀11的另一端连接在第四单向阀16与单出杆液压缸6无杆腔之间的第四管路上，第一常开开关阀12的一端连接在第一常闭开关阀10与第二常闭开关阀11之间，第一常开开关阀12的另一端连接在低压蓄能器9与第二单向阀14之间的第二管路上；在第四单向阀16与单出杆液压缸6无杆腔之间的第四管路上接入高压蓄能器8。
其中，第一压力传感器17接入第四管路，所述第一压力传感器17用于检测单出杆液压缸6无杆腔的压力，获得运动过程中支撑相状态中单出杆液压缸6的输出力，通过控制单出杆液压缸6的输出力，控制直流无框力矩电机5的转动速度；同时第二压力传感器18接入第三管路，所述第二压力传感器18用于检测单出杆液压缸6有杆腔的压力，获得运动过程中摆动相状态中单出杆液压缸6输出力，通过控制单出杆液压缸6的输出力，控制直流无框力矩电机5的转动速度，使得压力达到需求。
所述直流无框力矩电机5(型号TBM-7615)用于驱动微型齿轮泵7(型号X0R0107BBBE)，微型齿轮泵7正转时从B口出油，反转时从A口出油；所述单出杆液压缸6用于在主动工作时将液压驱动回路的压力能转化为驱动碳纤维脚板4在地面支撑人体运动和主动摆动的机械能；所述微型齿轮泵7用于将电能转换为液压能，为与该微型齿轮泵7所连接的回路提供压力能；所述高压蓄能器8用于与所述微型齿轮泵7配合，在假肢主动输出力矩时共同为单出杆液压缸6提供压力能，以减小单自由度自动式膝关节假肢的功率需求。所述低压蓄能器9作为液压油箱，为液压驱动回路提供充足的液压油。所述第一单向阀13用于防止A口处的液压油回流到低压蓄能器9中。所述第二单向阀14用于防止B口处的液压油回流到低压蓄能器9中。所述第三单向阀15用于使经过第三单向阀15的液压油单向流向单出杆活塞缸6。所述第四单向阀16用于使经过第四单向阀16的液压油单向流向单出杆活塞杆6。
如图7A、7B、7C和7D所示，根据人体步行时踝关节的步态周期特点，将人体运动中腿部运动的一个步态周期划分成0-20％、20％-40％、50％-75％，75％-100％四个阶段，四个阶段表征了人体一个步态周期中，膝关节角度变化的不同特性。通过控制第一常闭开关阀10、第二常闭开关阀11、第一常开开关阀12，使微型液压驱动回路在四个工作状态下切换，对应于单自由度膝关节假肢的四个阶段。
本发明所提供的微型液压驱动回路在四个工作状态的工作过程如下：
(1)如图7A所示，第一工作状态对应于人行走一个步态周期的0-20％阶段，此时第一常闭开关阀10开启，第二常闭开关阀11关闭，第一常开开关阀12开启，直流无框力矩电机5和微型齿轮泵7不转动。当脚跟接触地面，膝关节假肢处于被动阶段，人体重量压缩单出杆液压缸6的活塞杆，活塞杆将液压油从无杆腔压入高压蓄能器8中，吸收人体运动过程中产生的冲击力，通过调节高压蓄能器8的充油量可以调节此冲击力吸收的范围。同时为保证液压驱动回路中的压力平衡，低压蓄能器9通过第一单向阀13和第三单向阀15给单出杆液压缸6有杆腔供油。
(2)如图7B所示，第二工作状态对应于人行走一个步态周期的20-40％阶段，此时第一常闭开关阀10开启，第二常闭开关阀11关闭，第一常开开关阀12开启，直流无框力矩电机5带动微型齿轮泵7正转。当脚面整个接触到地面，膝关节角度有微小变化，提供整个人体的支撑力，通过微型齿轮泵7给高压蓄能器8充油，调整支撑力的大小，保证人体运动过程中需要的主动力，并且实现单出杆液压缸6向上运动。
(3)如图7C所示，第三工作状态对应于人行走一个步态周期的50-75％阶段，这一过程中人体小腿向后摆动，膝关节弯曲，单出杆液压缸6向下运动，此时第一常闭开关阀10关闭，第二常闭开关阀11开启，第一常开开关阀12开启，直流无框力矩电机5带动微型齿轮泵7反转，通过微型齿轮泵7为单出杆液压缸6有杆腔充油，将活塞杆向下推动，使膝关节弯曲。
(4)如图7D所示，第四工作状态对应于人行走一个步态周期的75％-100％阶段，此时小腿向前摆动，单出杆液压缸6向上运动，运动速度需要达到和第三工作状态相同。利用单出杆液压缸6的快进特性，第一常闭开关阀10和第二常闭开关阀11开启，第一常开开关阀12关闭，从微型齿轮泵7出来的油通过第一常闭开关阀10和第二常闭开关阀11到无杆腔，将单出杆液压缸6的有杆腔和无杆腔连通，两腔的压力相同但面积不同，因此活塞杆受到的合力向上，活塞杆向上推动，使膝关节实现向前摆动。
因此通过控制所述三个开关阀的开关情况，就可以配合人体相同的一个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。电机直接驱动单出杆液压缸6，实现对单出杆液压缸6的状态连续调节。
Claims (5)
1.一种基于闭式液压驱动回路的单自由度主动式膝关节假肢，其特征在于，所述单自由度主动式膝关节假肢包括膝关节连接铰链、膝关节支架、液压集成块和碳纤维脚底板，在所述液压集成块内部集成布置液压驱动回路，所述液压驱动回路具体包括直流无框力矩电机、单出杆液压缸、微型齿轮泵、高压蓄能器、低压蓄能器、第一常闭开关阀、第二常闭开关阀、第一常开开关阀、第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀和第四单向阀；
所述液压集成块与膝关节支架并排布置，所述膝关节连接铰链位于液压集成块与膝关节支架的上方，所述碳纤维脚底板位于液压集成块与膝关节支架的下方；在所述的液压集成块的底部通过铰链分别与膝关节支架的下端和碳纤维脚底板的上端连接；所述膝关节支架的上端通过铰链连接在膝关节连接铰链上；
在所述液压集成块的左视方向，所述单出杆液压缸通过螺纹安装在所述液压集成块的顶部，单出杆液压缸的伸出杆通过铰链连接在膝关节连接铰链上；所述高压蓄能器和低压蓄能器通过螺纹安装在所述液压集成块的左侧下半部分；第一压力传感器和第二压力传感器布置在液压集成块的左侧下半部分；所述第一常闭开关阀、第二常闭开关阀和第一常开开关阀依次通过铆压直线阵列布置在所述液压集成块的右侧下半部分；在位于三个开关阀下方位置的液压集成块上开有液压驱动回路的注油口，注油口内铆压安装第五单向阀；在所述液压集成块的后视方向，所述微型齿轮泵通过螺纹安装在液压集成块右侧上半部分；在液压集成块的左侧上半部分通过螺纹安装直流无框力矩电机，所述直流无框力矩电机的输出轴与所述微型齿轮泵通过联轴器同轴连接；在所述液压集成块的正视方向，所述第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀和第四单向阀通过铆压依次安装在液压集成块的右侧下半部分；
在液压驱动回路中，直流无框力矩电机驱动微型齿轮泵，微型齿轮泵的A口通过第一管路与低压蓄能器连通，在第一管路中接入第一单向阀；同时微型齿轮泵的A口通过第三管路接入单出杆液压缸的有杆腔，在第三管路中接入第三单向阀；微型齿轮泵的B口通过第二管路与低压蓄能器连通，在第二管路中接入第二单向阀；同时微型齿轮泵的B口通过第四管路接入单出杆液压缸的无杆腔，在第四管路中接入第四单向阀；第一常闭开关阀的一端连接在第三单向阀与单出杆液压缸有杆腔之间的第三管路上，第一常闭开关阀的另一端与第二常闭开关阀的一端连接，第二常闭开关阀的另一端连接在第四单向阀与单出杆液压缸无杆腔之间的第四管路上，第一常开开关阀的一端连接在第一常闭开关阀与第二常闭开关阀之间，第一常开开关阀的另一端连接在低压蓄能器与第二单向阀之间的第二管路上；在第四单向阀与单出杆液压缸无杆腔之间的第四管路上接入高压蓄能器；
其中，第一压力传感器接入第四管路，同时第二压力传感器接入第三管路。
2.如权利要求1所述的一种基于闭式液压驱动回路的单自由度主动式膝关节假肢，其特征在于，对应于人行走一个步态周期的0-20％阶段，第一常闭开关阀开启，第二常闭开关阀关闭，第一常开开关阀开启，直流无框力矩电机和微型齿轮泵不转动；单出杆液压缸的活塞杆将液压油从无杆腔压入高压蓄能器中；同时低压蓄能器通过第一单向阀和第三单向阀给单出杆液压缸有杆腔供油。
3.如权利要求1所述的一种基于闭式液压驱动回路的单自由度主动式膝关节假肢，其特征在于，对应于人行走一个步态周期的20-40％阶段，第一常闭开关阀开启，第二常闭开关阀关闭，第一常开开关阀开启，直流无框力矩电机带动微型齿轮泵正转；微型齿轮泵给高压蓄能器充油，单出杆液压缸向上运动。
4.如权利要求1所述的一种基于闭式液压驱动回路的单自由度主动式膝关节假肢，其特征在于，对应于人行走一个步态周期的50-75％阶段，单出杆液压缸向下运动，第一常闭开关阀关闭，第二常闭开关阀开启，第一常开开关阀开启，直流无框力矩电机带动微型齿轮泵反转，微型齿轮泵为单出杆液压缸有杆腔充油，将活塞杆向下推动。
5.如权利要求1所述的一种基于闭式液压驱动回路的单自由度主动式膝关节假肢，其特征在于，对应于人行走一个步态周期的75％-100％阶段，单出杆液压缸向上运动，第一常闭开关阀和第二常闭开关阀开启，第一常开开关阀关闭，从微型齿轮泵出来的油通过第一常闭开关阀和第二常闭开关阀到无杆腔，将单出杆液压缸的有杆腔和无杆腔连通，活塞杆向上推动。
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