CN109745159A - 一种实现阻尼控制和能量回收的踝关节假肢液压驱动回路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实现阻尼控制和能量回收的踝关节假肢液压驱动回路，属于假肢与矫形器技术领域。所述液压驱动回路具体包括电动机、液压泵、第一单向阀、第一高压蓄能器、三位四通阀、电磁常闭阀、第二高压蓄能器、单出杆液压缸、电磁常开阀、低压蓄能器、第二单向阀、进油管路、出油管路、第一管路和第二管路。本发明所提供的液压驱动回路，能够输出足够的峰值功率满足正常行走需求，同时主动控制回路阻尼，在行走过程中对能量进行回收再利用。
Description
技术领域
本发明属于假肢与矫形器技术领域，涉及了一种实现阻尼控制和能量回收的踝关节假肢液压驱动回路。
背景技术
当今社会，由于交通事故、疾病等原因使得膝下截肢的群体逐渐增多，而对于下肢截肢者目前最常见的补偿其行走能力缺陷的方式是轮椅、拐杖和假肢。轮椅占地面积较大，且受限于轮式机器无法到达的地方，如楼梯行走等。拐杖的使用占用了双手的功能，降低了穿戴者的身体功能。穿戴假肢可以达到人体缺失功能的代偿，且在装饰性和行走舒适性等方面具有优势。
目前，踝关节假肢的种类很多，按是否有主动驱动力分类，主要有被动和主动踝关节假肢。被动踝关节假肢是采用橡胶、碳纤维等材料制作脚板，或在机构中引入弹簧等储能器件使得脚整体具有一定弹性。被动踝关节假肢具有机构简单、重量轻、能量消耗低等优点，但由于被动踝关节假肢无动力源，存在截肢患者行走与正常肢体运动轨迹不匹配问题。主动踝关节假肢是在假肢机构中引入了电机等主动驱动器件。主动踝关节假肢的主要优点是使得穿戴者的步态较自然，且能适应不同路况，但主动式踝关节假肢则由于引入了驱动单元，存在假肢系统重量大、能耗高等缺点。主动踝关节假肢因驱动元件不同，分为电机驱动踝关节假肢和液压驱动踝关节假肢。现有的踝关节假肢多采用电机驱动的模式，但是电机驱动踝关节假肢存在响应速度慢，输出转矩不够的缺点。而液压驱动的主动式踝关节假肢虽然具有输出转矩大以及可以提供阻尼和缓冲等优势，但是现有的液压式踝关节假肢由于能量效率较低，因而质量过大且续航难以得到保证，而且现有液压式踝关节假肢也存在着阻尼不可实时调节导致的适应性差的问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的假肢续航和适应性问题，本发明的目的是提供一种实现阻尼控制和能量回收的踝关节假肢液压驱动回路，能够输出足够的峰值功率以满足正常行走需求，同时可以主动控制回路阻尼，并且在行走过程中对能量进行回收再利用。
一种实现阻尼控制和能量回收的踝关节假肢液压驱动回路，所述液压驱动回路具体包括电动机、液压泵、第一单向阀、第一高压蓄能器、三位四通阀、电磁常闭阀、第二高压蓄能器、单出杆液压缸、电磁常开阀、低压蓄能器、第二单向阀、进油管路、出油管路、第一管路和第二管路。
所述三位四通阀具有P口、O口、A口和B口，在三位四通阀处于左位时，P口和A口连通，O口和B口连通；在三位四通阀处于中位时，P口截止，O口与A口及B口连通；在三位四通阀处于右位时，P口与B口接通，O口与A口接通。
电动机持续驱动液压泵工作，在液压驱动回路中，液压泵的出油口通过进油管路与三位四通阀的P口连接，三位四通阀的A口通过第二管路与单出杆液压缸的上腔连通，液压泵的进油口通过出油管路与三位四通阀的O口连接，三位四通阀的B口与通过第一管路与单出杆液压缸的下腔连通，在进油管路中接入第一单向阀和第一高压蓄能器，所述第一单向阀位于液压泵的出油口和第一高压蓄能器之间，在出油管路上接入第二单向阀和低压蓄能器，所述第二单向阀位于液压泵的进油口和低压蓄能器之间，在第一管路中接入电磁常开阀，在第二管路中接入电磁常闭阀和第二高压蓄能器，第二高压蓄能器位于电磁常闭阀和单出杆液压缸之间。
本发明的优点和积极效果是：
(1)本发明中通过所述单向阀的高速开关实现对假肢阻尼的实时控制，以微小机构实现更为柔顺的行走效果同时使假肢可以适应更为复杂的路面。
(2)本发明中所述第二高压蓄能器在被动状态做负功时回收来自假肢下坠的能量，并在主动状态将蓄积的能量释放，实现了对能量的回收利用，可以很大程度上减小全周期的能量消耗，以提高续航能力。
(3)本发明中所述第一高压蓄能器在被动状态通过泵源不断充能，在主动状态与第二高压蓄能器相联通，共同释放能量，满足踝关节假肢对巨大输出功率的需求，同时降低对泵源功率的需求。
(4)本发明所述单出杆液压缸，在跖屈状态时通过无杆腔进油，背屈状态时通过有杆腔进油，在跖屈状态实现了更大的输出力，在背屈状态实现更快速的作动，与生物踝关节的特性相匹配，减少了各作动状态对高压油的需求量。
附图说明
图1是本发明HS阶段液压回路状态示意图；
图2是本发明MS阶段液压回路状态示意图；
图3是本发明TS阶段液压回路状态示意图；
图4是本发明SW阶段液压回路状态示意图。
图中：
1、电动机； 2、液压泵； 3、第一单向阀；
4、第一高压蓄能器； 5、第一压力传感器； 6、三位四通阀；
7、电磁常闭阀； 8、第二高压蓄能器； 9、第二压力传感器；
10、单出杆液压缸； 11、假肢脚板； 12、第三压力传感器；
13、电磁常开阀； 14、低压蓄能器； 15、第二单向阀；
16、进油管路； 17、出油管路； 18、第一管路；
19、第二管路。
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。
本发明提供一种实现阻尼控制和能量回收的踝关节假肢液压驱动回路，如图1所示，所述的液压驱动回路具体包括电动机1、液压泵2、第一单向阀3、第一高压蓄能器4、三位四通阀6、电磁常闭阀7、第二高压蓄能器8、单出杆液压缸10、电磁常开阀13、低压蓄能器14、第二单向阀15、进油管路16、出油管路17、第一管路18和第二管路19；所述单出杆液压缸10中间具有活塞，活塞以上为上腔，活塞以下为下腔，活塞上固定连接一根单杆，单杆从单出杆液压缸10下端面垂直伸出。
所述三位四通阀6具有P口、O口、A口和B口，在三位四通阀6处于左位时，P口和A口连通，O口和B口连通；在三位四通阀6处于中位时，P口截止，O口与A口及B口连通；在三位四通阀6处于右位时，P口与B口接通，O口与A口接通。
电动机1(无刷直流电机60BLF993000)持续驱动液压泵2(HYC-MP1F1B/A)工作，在液压驱动回路中，液压泵2的出油口通过进油管路16与三位四通阀6的P口连接，三位四通阀的A口通过第二管路19与单出杆液压缸10的上腔连通；液压泵2的进油口通过出油管路17与三位四通阀6的O口连接，三位四通阀的B口通过第一管路18与单出杆液压缸10的下腔连通。在进油管路16中接入第一单向阀3和第一高压蓄能器4，所述第一单向阀3位于液压泵2的出油口和第一高压蓄能器4之间，在出油管路17上接入第二单向阀15和低压蓄能器14，所述第二单向阀15位于液压泵2的进油口和低压蓄能器14之间，在第一管路18中接入电磁常开阀13，在第二管路19中接入电磁常闭阀7和第二高压蓄能器8，第二高压蓄能器8位于电磁常闭阀7和单出杆液压缸10之间。
在进油管路16上接入第一压力传感器5，在第二管路19上接入第二压力传感器9，在第一管路18上接入第三压力传感器12，单出杆液压缸10的单杆上通过铰链连接假肢脚板11。
所述第一单向阀3用于防止第一高压蓄能器4中的油回流到液压泵2中；所述第二单向阀15用于防止液压泵2中的油回流到低压蓄能器14中。
所述第一压力传感器5用于检测第一高压蓄能器4中的压力；所述第二压力传感器9用于检测单出杆液压缸10上腔中的压力；所述第三压力传感器12用于检测单出杆液压缸10下腔中的压力。
所述第一高压蓄能器4用于存储进油管路16中的油；所述第二高压蓄能器8用于存储第二管路19中的油；所述低压蓄能器14用于存储出油管路17中的油。
通过控制三位四通阀6使液压驱动回路在主动跖屈状态、被动状态和主动背屈状态之间切换。通过电磁常闭阀7实现被动跖屈状态和被动背屈状态之间的切换。液压驱动回路处于被动状态且电磁常闭阀7导通时，液压驱动回路处于被动跖屈状态；液压驱动回路处于被动状态且电磁常闭阀7关闭时，液压驱动回路处于被动背屈状态。通过三位四通阀6与电磁常闭阀7配合使液压驱动回路与假肢脚板11组成的假肢具备四个与人体行走周期相对应的状态。
通过电磁常开阀13的高速开关实现阻尼控制。假肢处于被动状态时，通过对电磁常开阀13施加PWM波形式的驱动电流实现其高速开关，使其可以提供阻尼。通过实时调节PWM波形式的驱动电流的占空比可以实现对电磁常开阀13的阻尼的实时控制，从而实现对假肢阻尼的实时控制，通过第二高压蓄能器8实现能量回收。
实施例：
所述三位四通阀6与电磁常闭阀7配合使假肢具备四个与人体行走周期相对应的状态具体为：
(1)状态1对应于人行走周期的HS(Heel Strike，足跟着地)过程，如图1，此时三位四通阀6处于中位，电磁常闭阀7处于导通状态，电磁常开阀13处于导通状态。此时通过低压蓄能器14的液压力与人体重力共同驱动单出杆液压缸10内的活塞向下运动，位于假肢脚板11上的踝关节假肢发生跖屈运动，同时通过电磁常开阀13的高速开关控制关节阻力，同时液压泵2不断向第一高压蓄能器4充油。
(2)状态2对应于人行走周期的MS(Middle Stance，中间姿态)过程，如图2，此时三位四通阀6处于中位，电磁常闭阀7处于关闭状态、电磁常开阀13处于导通状态。此时单出杆液压缸10的上腔通过第二管路19连通第二高压蓄能器8，单出杆液压缸10的下腔通过第一管路18和出油管路17连通低压蓄能器14，由于人体此时向前运动，使踝关节发生被动背屈，此过程中单出杆液压缸10内的活塞向上运动，将油挤入第二高压蓄能器8中，同时电磁常开阀13通过高速开关控制踝关节输出阻力，在此过程中，液压泵2继续不断向第一高压蓄能器4充油。
(3)状态3对应于人行走周期的TS(Terminal Stance，终端姿态)过程，如图3，当背屈进行到最大角度时，进行主动蹬脚状态，此时三位四通阀6处于左位，电磁常闭阀7处于导通状态，电磁常开阀13处于导通状态。此时单出杆液压缸10的上腔通过第二管路19连通第二高压蓄能器8，同时通过进油管路16连通第一高压蓄能器4，单出杆液压缸10的下腔通过第一管路18和出油管路17连通低压蓄能器14。第二高压蓄能器8蓄积的油与第一高压蓄能器4蓄积的油在此时共同排出，为推动人体前进提供足够的功率和力矩。
(4)状态4对应于人行走周期的SW(Swing，摆动)过程，如图4，此时三位四通阀6处于右位，电磁常闭阀7处于导通状态、电磁常开阀13处于导通状态。此时单出杆液压缸10的下腔通过第一管路18和进油管路16与第一高压蓄能器4连通，单出杆液压缸10的上腔通过第二管路19与第二高压蓄能器8连通，同时通过出油管路17与低压蓄能器14连通，此时液压泵2直接驱动单出杆液压缸10的活塞迅速向上运动，使假肢状态复位。
Claims (6)
1.一种实现阻尼控制和能量回收的踝关节假肢液压驱动回路，其特征在于，所述液压驱动回路具体包括电动机、液压泵、第一单向阀、第一高压蓄能器、三位四通阀、电磁常闭阀、第二高压蓄能器、单出杆液压缸、电磁常开阀、低压蓄能器、第二单向阀、进油管路、出油管路、第一管路和第二管路；
所述三位四通阀具有P口、O口、A口和B口，在三位四通阀处于左位时，P口和A口连通，O口和B口连通；在三位四通阀处于中位时，P口截止，O口与A口及B口连通；在三位四通阀处于右位时，P口与B口接通，O口与A口接通；
电动机持续驱动液压泵工作，在液压驱动回路中，液压泵的出油口通过进油管路与三位四通阀的P口连接，三位四通阀的A口通过第二管路与单出杆液压缸的上腔连通，液压泵的进油口通过出油管路与三位四通阀的O口连接，三位四通阀的B口与通过第一管路与单出杆液压缸的下腔连通，在进油管路中接入第一单向阀和第一高压蓄能器，所述第一单向阀位于液压泵的出油口和第一高压蓄能器之间，在出油管路上接入第二单向阀和低压蓄能器，所述第二单向阀位于液压泵的进油口和低压蓄能器之间，在第一管路中接入电磁常开阀，在第二管路中接入电磁常闭阀和第二高压蓄能器，第二高压蓄能器位于电磁常闭阀和单出杆液压缸之间。
2.如权利要求1所述的一种实现阻尼控制和能量回收的踝关节假肢液压驱动回路，其特征在于，在进油管路上接入第一压力传感器，在第二管路上接入第二压力传感器，在第一管路上接入第三压力传感器，单出杆液压缸的单杆上通过铰链连接假肢脚板。
3.如权利要求1所述的一种实现阻尼控制和能量回收的踝关节假肢液压驱动回路，其特征在于，对应于人行走周期的HS过程，三位四通阀处于中位，电磁常闭阀处于导通状态，电磁常开阀处于导通状态；通过低压蓄能器的液压力与人体重力共同驱动单出杆液压缸内的活塞向下运动，通过电磁常开阀的高速开关控制关节阻力，同时液压泵不断向第一高压蓄能器充油。
4.如权利要求1所述的一种实现阻尼控制和能量回收的踝关节假肢液压驱动回路，其特征在于，对应于人行走周期的MS过程，三位四通阀处于中位，电磁常闭阀处于关闭状态、电磁常开阀处于导通状态；单出杆液压缸的上腔通过第二管路连通第二高压蓄能器，单出杆液压缸的下腔通过第一管路和出油管路连通低压蓄能器，此过程中单出杆液压缸内的活塞向上运动，将油挤入第二高压蓄能器中，同时电磁常开阀通过高速开关控制踝关节输出阻力，在此过程中，液压泵继续不断向第一高压蓄能器充油。
5.如权利要求1所述的一种实现阻尼控制和能量回收的踝关节假肢液压驱动回路，其特征在于，对应于人行走周期的TS过程，三位四通阀处于左位，电磁常闭阀处于导通状态，电磁常开阀处于导通状态；单出杆液压缸的上腔通过第二管路连通第二高压蓄能器，同时通过进油管路连通第一高压蓄能器，单出杆液压缸的下腔通过第一管路和出油管路连通低压蓄能器；第二高压蓄能器蓄积的油与第一高压蓄能器蓄积的油在此时共同排出。
6.如权利要求1所述的一种实现阻尼控制和能量回收的踝关节假肢液压驱动回路，其特征在于，对应于人行走周期的SW过程，三位四通阀处于右位，电磁常闭阀处于导通状态、电磁常开阀处于导通状态；单出杆液压缸的下腔通过第一管路和进油管路与第一高压蓄能器连通，单出杆液压缸的上腔通过第二管路与第二高压蓄能器连通，同时通过出油管路与低压蓄能器连通，液压泵直接驱动单出杆液压缸的活塞向上运动。
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