CN109764011B - 一种主动控制假肢膝踝关节运动的液压回路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种主动控制假肢膝踝关节运动的液压回路，属于假肢与矫形器技术领域。所述液压回路具体包括电动机、液压泵、第三单向阀、第四单向阀、第一单向阀、第二单向阀、第三蓄能器、第四蓄能器、第一蓄能器、第二蓄能器、第二三位四通阀、第一三位四通阀、第一常闭开关阀、第一阻尼阀、第二阻尼阀、第二常闭开关阀、旁路阻尼阀、单出杆液压缸、双出杆液压缸、膝关节进油管路、膝关节出油管路、踝关节进油管路、踝关节出油管路、第一管路、第二管路、第三管路和第四管路。本发明所提供的液压回路具有功率密度大，输出能量大，利用蓄能器可以有效储存能量，利用阻尼阀可以灵活控制缓冲能力等特点，可以显著提高假肢的性能。
Description
技术领域
本发明属于液压控制技术领域，涉及一种假肢与矫形器的液压控制技术，具体地说，是指一种主动控制假肢膝踝关节运动的液压回路。
背景技术
现今，由于交通事故、疾病等原因使得下肢截肢的群体数量逐渐增多，而对于下肢截肢者而言，目前常见的补偿其行走能力缺陷的方式是轮椅、拐杖和假肢。然而，轮椅占地面积较大，并且行走范围有限，无法进行楼梯行走等，需要人辅助。拐杖的使用占用了人双手的功能，并且对使用者的身体有很大的压迫感。相较而言，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，市面上有各种不同的关节假肢，按照人体的弥补部位来看，主要包括：踝关节假肢和膝关节假肢。而按是否有主动驱动力分类，主要有被动假肢和主动假肢。在踝关节假肢中，被动踝关节假肢利用橡胶、碳纤维等弹性材料制作脚板，或在机构中引入弹簧等储能器件使得脚的整体具有一定弹性，起到减震和适应道路的作用。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，主动式踝关节假肢可以有效解决这一问题。在膝关节假肢中，为了适应穿戴者的多种动作，例如屈腿等，使得步态更为自然，多为主动式膝关节假肢，但相应的踝关节部分使用的是被动式踝关节。
发明内容
为了有效提升假肢的功能和性能，使得穿戴者的步态更为自然，假肢的适应能力更强，本发明提供一种主动控制假肢膝踝关节运动的液压回路，具体为一种结构合理，工作性能好的主动式膝踝关节结合的液压驱动回路，所述液压回路需要能输出足够的峰值功率以满足正常行走的需求，同时能有较低的功耗以满足对续航的要求，具有功率密度大，输出能量大，利用蓄能器可以有效储存能量，利用阻尼阀可以灵活控制缓冲能力等特点，可以显著提高假肢的性能。
本发明提供的一种主动控制假肢膝踝关节运动的液压回路，所述的液压回路包括膝关节回路和踝关节回路，具体包括电动机、液压泵、第三单向阀、第四单向阀、第一单向阀、第二单向阀、第三蓄能器、第四蓄能器、第一蓄能器、第二蓄能器、第二三位四通阀、第一三位四通阀、第一常闭开关阀、第一阻尼阀、第二阻尼阀、第二常闭开关阀、旁路阻尼阀、单出杆液压缸、双出杆液压缸、膝关节进油管路、膝关节出油管路、踝关节进油管路、踝关节出油管路、第一管路、第二管路、第三管路和第四管路。
所述第一三位四通阀具有P1口、T1口、A1口和B1口，在第一三位四通阀处于中位时，第一三位四通阀的P1口和A1口均截止，第一三位四通阀的T1口和B1口连通；在第一三位四通阀处于左位时，第一三位四通阀的P1口和A1口连通，第一三位四通阀的T1口和B1口连通；在第一三位四通阀处于右位时，第一三位四通阀的P1口和B1口连通，第一三位四通阀的T1口和A1口连通。
所述第二三位四通阀具有P2口、T2口、A2口和B2口，在第二三位四通阀处于中位时，第二三位四通阀的P2口截止，第二三位四通阀的A2口、B2口和T2口连通；在第二三位四通阀处于左位时，第二三位四通阀的P2口和A2口连通，第二三位四通阀的T2口和B2口连通；在第二三位四通阀处于右位时，第二三位四通阀的P2口和B2口连通，第二三位四通阀的T2口和A2口连通。
电动机驱动液压泵，在踝关节回路中，液压泵的出油口A与踝关节进油管路连通，踝关节进油管路与第一三位四通阀的P1口连通，第一三位四通阀的A1口与第一管路连通，第一管路接入双出杆液压缸的上杆腔，液压泵的进油口B与踝关节出油管路连通，踝关节出油管路与第一三位四通阀的T1口连通，第一三位四通阀的B1口与第二管路连通，第二管路接入双出杆液压缸的下杆腔，在踝关节进油管路中接入第一单向阀和第一蓄能器，所述第一单向阀位于第一蓄能器和液压泵的出油口A之间，在踝关节出油管路中接入第二单向阀和第二蓄能器，所述第二单向阀位于第二蓄能器和液压泵的进油口B之间；在膝关节回路中，液压泵的出油口A与膝关节进油管路连通，膝关节进油管路与第二三位四通阀的P2口连通，第二三位四通阀的A2口与第三管路连通，第三管路接入单出杆液压缸的有杆腔，液压泵的进油口B与膝关节出油管路连通，膝关节出油管路与第二三位四通阀的T2口连通，第二三位四通阀的B2口与第四管路连通，第四管路接入单出杆液压缸的无杆腔，在膝关节进油管路中接入第三单向阀和第三蓄能器，所述第三单向阀位于第三蓄能器和液压泵的出油口A之间，在膝关节出油管路中接入第四单向阀和第四蓄能器，所述第四单向阀位于第四蓄能器和液压泵的进油口B之间，旁路阻尼阀一端接入第一管路，另一端接入第二管路，第一常闭开关阀和第一阻尼阀并联连接后接入第三管路中，第二阻尼阀与第二常闭开关阀并联连接后接入第四管路中。
本发明的优点和积极效果是：
(1)本发明中通过电动机不停止的工作以及蓄能器的储能，可以减少对电动机的峰值功率要求，并在长期步行中降低功耗，以提高续航能力。
(2)本发明中电动机和液压泵在整个运动过程中持续工作，提高了能量使用效率，避免电动机频繁的启停与换向，从而提升电动机的使用性能和寿命。
(3)本发明中双出杆液压缸有两种被动工作状态，被动工作状态不消耗能量，有利于提高续航能力。同时，被动模式中，双出杆液压缸两腔导通，可以通过旁路阻尼阀的阻尼实现减震的目的。
(4)本发明中单出杆液压缸有两种被动工作状态，此时不消耗能量，有利于提高续航能力。同时，被动模式中，通过控制第一常闭开关阀和第二常闭开关阀，控制第一阻尼阀、第二阻尼阀的使能状态，使得单出杆液压缸可以通过进口、出口的阻尼阀进行阻尼的优级调控。
(5)本发明基于膝关节、踝关节的能量驱动规律，由于两关节的功率驱动是错峰运行，可以使得功耗降低，利用蓄能器提供峰值功率。
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、第三单向阀； 4、第四单向阀；
5、第一单向阀； 6、第二单向阀； 7、第三蓄能器； 8、第四蓄能器；
9、第一蓄能器； 10、第二蓄能器； 11、第四压力传感器；12、第一压力传感器；
13、第二三位四通阀；14、第一三位四通阀；15、第一常闭开关阀；16、第一阻尼阀；
17、第二阻尼阀； 18、第二常闭开关阀；19、第五压力传感器；20、旁路阻尼阀；
21、第六压力传感器；22、第二压力传感器；23、第三压力传感器；24、单出杆液压缸；
25、双出杆液压缸； 26、膝关节进油管路；27、膝关节出油管路；28、踝关节进油管路；
29、踝关节出油管路；30、第一管路； 31、第二管路； 32、第三管路；
33、第四管路。
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。
本发明提供的一种主动控制假肢膝踝关节运动的液压回路，如图1所示，所述的液压回路包括膝关节回路和踝关节回路，具体包括电动机1、液压泵2、第三单向阀3、第四单向阀4、第一单向阀5、第二单向阀6、第三蓄能器7、第四蓄能器8、第一蓄能器9、第二蓄能器10、第二三位四通阀13、第一三位四通阀14、第一常闭开关阀15、第一阻尼阀16、第二阻尼阀17、第二常闭开关阀18、旁路阻尼阀20、单出杆液压缸24、双出杆液压缸25、膝关节进油管路26、膝关节出油管路27、踝关节进油管路28、踝关节出油管路29、第一管路30、第二管路31、第三管路32和第四管路33。
所述第一三位四通阀14具有P1口、T1口、A1口和B1口，在第一三位四通阀14处于中位时，第一三位四通阀14的P1口和A1口均截止，第一三位四通阀14的T1口和B1口连通；在第一三位四通阀14处于左位时，第一三位四通阀14的P1口和A1口连通，第一三位四通阀14的T1口和B1口连通；在第一三位四通阀14处于右位时，第一三位四通阀14的P1口和B1口连通，第一三位四通阀14的T1口和A1口连通。
所述第二三位四通阀13具有P2口、T2口、A2口和B2口，在第二三位四通阀13处于中位时，第二三位四通阀13的P2口截止，第二三位四通阀13的A2口、B2口和T2口连通；在第二三位四通阀13处于左位时，第二三位四通阀13的P2口和A2口连通，第二三位四通阀13的T2口和B2口连通；在第二三位四通阀13处于右位时，第二三位四通阀13的P2口和B2口连通，第二三位四通阀13的T2口和A2口连通。
电动机1驱动液压泵2，在踝关节回路中，液压泵2的出油口A与踝关节进油管路28连通，踝关节进油管路28与第一三位四通阀14的P1口连通，第一三位四通阀14的A1口与第一管路30连通，第一管路30接入双出杆液压缸25的上杆腔，液压泵2的进油口B与踝关节出油管路29连通，踝关节出油管路29与第一三位四通阀14的T1口连通，第一三位四通阀14的B1口与第二管路31连通，第二管路31接入双出杆液压缸25的下杆腔，在踝关节进油管路28中接入第一单向阀5和第一蓄能器9，所述第一单向阀5位于第一蓄能器9和液压泵2的出油口A之间，在踝关节出油管路29中接入第二单向阀6和第二蓄能器10，所述第二单向阀6位于第二蓄能器10和液压泵2的进油口B之间；在膝关节回路中，液压泵2的出油口A与膝关节进油管路26连通，膝关节进油管路26与第二三位四通阀13的P2口连通，第二三位四通阀13的A2口与第三管路32连通，第三管路32接入单出杆液压缸24的有杆腔，液压泵2的进油口B与膝关节出油管路27连通，膝关节出油管路27与第二三位四通阀13的T2口连通，第二三位四通阀13的B2口与第四管路33连通，第四管路33接入单出杆液压缸24的无杆腔，在膝关节进油管路26中接入第三单向阀3和第三蓄能器7，所述第三单向阀3位于第三蓄能器7和液压泵2的出油口A之间，在膝关节出油管路27中接入第四单向阀4和第四蓄能器8，所述第四单向阀4位于第四蓄能器8和液压泵2的进油口B之间，旁路阻尼阀20一端接入第一管路30，另一端接入第二管路31，第一常闭开关阀15和第一阻尼阀16并联连接后接入第三管路32中，第二阻尼阀17与第二常闭开关阀18并联连接后接入第四管路33中。
其中，在踝关节进油管路28上接入第一压力传感器12，用于测量第一蓄能器9的出口压力；在膝关节进油管路26上接入第四压力传感器11，用于测量第三蓄能器7的入口压力；在第一管路30上接入第五压力传感器19，用于检测双出杆液压缸25上杆腔中的压力；在第二管路31上接入第六压力传感器21，用于检测双出杆液压缸25下杆腔中的压力；第二压力传感器22接入第三管路32中，用于检测单出杆液压缸24有杆腔中的压力；第三压力传感器23接入第四管路33中，用于检测单出杆液压缸24无杆腔中的压力。
所述第三单向阀3用于防止膝关节进油管路26中的油回流到液压泵2中；所述第四单向阀4用于防止经过第四单向阀4的油回流到第四蓄能器8中；所述第一单向阀5用于防止踝关节进油管路28中的油回流到液压泵2中；所述第二单向阀6用于防止经过第二单向阀6的油回流到第二蓄能器10中。
所述第三蓄能器7用于存储膝关节进油管路26中的油；所述第四蓄能器8用于存储膝关节出油管路27中的油；所述第一蓄能器9用于存储踝关节进油管路28中的油；所述第二蓄能器10用于存储踝关节出油管路29中的油。
通过控制第一三位四通阀14使液压回路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。通过控制第二三位四通阀13、第一常闭开关阀15和第二常闭开关阀18，实现单自由度膝关节的四个工作周期。
实施例：
本发明中，所述的液压泵2采用柱塞液压泵(HYC-MP1F1B/A)，液压泵2采用电动机1(无刷直流电机60BLF993000)控制，通过控制两个三位四通阀使液压回路在四个工作状态下切换。在整个过程中，电动机1与液压泵2一直处于工作状态，通过第一单向阀5和第二单向阀6从第二蓄能器10吸油，并向第一蓄能器9充油；通过第三单向阀3和第四单向阀4从第四蓄能器8吸油，并向第三蓄能器7充油。
(1)状态1对应于人行走周期的HS(Heel Strike)过程，如图1，对于踝关节，此时第一三位四通阀14处于中位，旁路阻尼阀20连通双出杆液压缸25的上杆腔和下杆腔，当脚跟接触地面，脚踝假肢在做拓屈运动时，双出杆液压缸25中的活塞杆跟着脚面的联动向上推动，位于双出杆液压缸25的上杆腔的油被挤压后通过旁路阻尼阀20节流回到双出杆液压缸25的下杆腔和第二蓄能器10。对于膝关节，此时第二三位四通阀13处于中位，第一常闭开关阀15和第二常闭开关阀18均通电打开，单出杆液压缸24中的活塞杆向下推动，位于单出杆液压缸24无杆腔的油被挤压回到单出杆液压缸24的有杆腔和低压蓄能器8，膝关节处于被动自由摆动状态，由人体髋关节的自由摆动控制膝关节角度变化。
(2)状态2对应于人行走周期的MS(Middle Stance)过程，如图2，对于踝关节，此时第一三位四通阀14处于中位，旁路阻尼阀20连通双出杆液压缸25的上杆腔和下杆腔，当脚尖接触地面，脚踝假肢在进行背屈运动时，双出杆液压缸25中的活塞杆跟着脚面的联动向下推动，位于双出杆液压缸25的下杆腔的油被挤压后通过旁路阻尼阀20回到双出杆液压缸25的上杆腔和第二蓄能器10中。对于膝关节，此时第二三位四通阀13处于中位，为了支持人体的重力，第一常闭开关阀15、第二常闭开关阀18均断电关闭，单出杆液压缸24中的活塞杆向上推动，位于单出杆液压缸24的有杆腔的油被挤压后回到单出杆液压缸24的无杆腔和低压蓄能器8中，通过设置第一阻尼阀16和第二阻尼阀17的阻尼孔大小，调节阻尼，支撑人体。
(3)状态3对应于人行走周期的TS(Terminal Stance)过程，如图3，当背屈进行到最大角度时，进行主动蹬脚状态，此时第一三位四通阀14处于右位，油从第一蓄能器9通过第一三位四通阀14流到双出杆液压缸25的下杆腔，将双出杆液压缸25的活塞杆向上推动，使脚踝进行拓屈运动，膝关节准备开始向后屈腿，屈腿动作滞后于蹬脚动作，此时第二三位四通阀13处于左位，第一常闭开关阀15通电打开，第二常闭开关阀18断电关闭，形成运动背压，实现缓慢摆腿，第三蓄能器7的油通过第一常闭开关阀15进入单出杆液压缸24的有杆腔，单出杆液压缸24的无杆腔的油通过第二阻尼阀17回到低压蓄能器8中，单出杆液压缸24中的活塞杆向下运动，单出杆液压缸24的活塞杆伸长量减小，使得膝关节弯曲。
(4)状态4对应于人行走周期的SW(Swing)过程，如图4，脚踝假肢在主动收脚状态时脚面悬空，此时第一三位四通阀14处于左位，从第一蓄能器9出来的油，通过第一三位四通阀14到双出杆液压缸25的上杆腔，将活塞杆向下推动，使脚踝进行背屈运动，膝关节进行向前迈腿的动作；此时第二三位四通阀13处于右位，第二常闭开关阀18通电打开，第一常闭开关阀15断电关闭，从第三蓄能器7出来的油经过第二常闭开关阀18进入单出杆液压缸24的无杆腔，单出杆液压缸24的有杆腔通过第一阻尼阀16节流形成背压，但是此时背压压力小，只是提高了速度平稳性。单出杆液压缸24的活塞杆向外顶出，使得膝关节进行了快速的向前摆动，伴随髋关节的摆动，完成向前迈腿动作。
Claims (6)
1.一种主动控制假肢膝踝关节运动的液压回路，所述的液压回路包括膝关节回路和踝关节回路，其特征在于，包括电动机、液压泵、第三单向阀、第四单向阀、第一单向阀、第二单向阀、第三蓄能器、第四蓄能器、第一蓄能器、第二蓄能器、第二三位四通阀、第一三位四通阀、第一常闭开关阀、第一阻尼阀、第二阻尼阀、第二常闭开关阀、旁路阻尼阀、单出杆液压缸、双出杆液压缸、膝关节进油管路、膝关节出油管路、踝关节进油管路、踝关节出油管路、第一管路、第二管路、第三管路和第四管路；
所述第一三位四通阀具有P1口、T1口、A1口和B1口，在第一三位四通阀处于中位时，第一三位四通阀的P1口和A1口均截止，第一三位四通阀的T1口和B1口连通；在第一三位四通阀处于左位时，第一三位四通阀的P1口和A1口连通，第一三位四通阀的T1口和B1口连通；在第一三位四通阀处于右位时，第一三位四通阀的P1口和B1口连通，第一三位四通阀的T1口和A1口连通；
所述第二三位四通阀具有P2口、T2口、A2口和B2口，在第二三位四通阀处于中位时，第二三位四通阀的P2口截止，第二三位四通阀的A2口、B2口和T2口连通；在第二三位四通阀处于左位时，第二三位四通阀的P2口和A2口连通，第二三位四通阀的T2口和B2口连通；在第二三位四通阀处于右位时，第二三位四通阀的P2口和B2口连通，第二三位四通阀的T2口和A2口连通；
电动机驱动液压泵，在踝关节回路中，液压泵的出油口A与踝关节进油管路连通，踝关节进油管路与第一三位四通阀的P1口连通，第一三位四通阀的A1口与第一管路连通，第一管路接入双出杆液压缸的上杆腔，液压泵的进油口B与踝关节出油管路连通，踝关节出油管路与第一三位四通阀的T1口连通，第一三位四通阀的B1口与第二管路连通，第二管路接入双出杆液压缸的下杆腔，在踝关节进油管路中接入第一单向阀和第一蓄能器，所述第一单向阀位于第一蓄能器和和液压泵的出油口A之间，在踝关节出油管路中接入第二单向阀和第二蓄能器，所述第二单向阀位于第二蓄能器和液压泵的进油口B之间；在膝关节回路中，液压泵的出油口A与膝关节进油管路连通，膝关节进油管路与第二三位四通阀的P2口连通，第二三位四通阀的A2口与第三管路连通，第三管路接入单出杆液压缸的有杆腔，液压泵的进油口B与膝关节出油管路连通，膝关节出油管路与第二三位四通阀的T2口连通，第二三位四通阀的B2口与第四管路连通，第四管路接入单出杆液压缸的无杆腔，在膝关节进油管路中接入第三单向阀和第三蓄能器，所述第三单向阀位于第三蓄能器和液压泵的出油口A之间，在膝关节出油管路中接入第四单向阀和第四蓄能器，所述第四单向阀位于第四蓄能器和液压泵的进油口B之间，旁路阻尼阀一端接入第一管路，另一端接入第二管路，第一常闭开关阀和第一阻尼阀并联连接后接入第三管路中，第二阻尼阀与第二常闭开关阀并联连接后接入第四管路中。
2.如权利要求1所述的一种主动控制假肢膝踝关节运动的液压回路，其特征在于，对应于人行走周期的HS过程，对于踝关节，第一三位四通阀处于中位，旁路阻尼阀连通双出杆液压缸的上杆腔和下杆腔，当脚跟接触地面，脚踝假肢在做拓屈运动时，双出杆液压缸中的活塞杆跟着脚面的联动向上推动，位于双出杆液压缸的上杆腔的油被挤压后通过旁路阻尼阀节流回到双出杆液压缸的下杆腔和第二蓄能器；对于膝关节，第二三位四通阀处于中位，第一常闭开关阀和第二常闭开关阀均通电打开，单出杆液压缸中的活塞杆向下推动，位于单出杆液压缸无杆腔的油被挤压回到单出杆液压缸的有杆腔和低压蓄能器。
3.如权利要求1所述的一种主动控制假肢膝踝关节运动的液压回路，其特征在于，对应于人行走周期的MS过程，对于踝关节，第一三位四通阀处于中位，旁路阻尼阀连通双出杆液压缸的上杆腔和下杆腔，当脚尖接触地面，脚踝假肢在进行背屈运动时，双出杆液压缸中的活塞杆跟着脚面的联动向下推动，位于双出杆液压缸的下杆腔的油被挤压后通过旁路阻尼阀回到双出杆液压缸的上杆腔和第二蓄能器中；对于膝关节，第二三位四通阀处于中位，第一常闭开关阀、第二常闭开关阀均断电关闭，单出杆液压缸中的活塞杆向上推动，位于单出杆液压缸的有杆腔的油被挤压后回到单出杆液压缸的无杆腔和低压蓄能器中。
4.如权利要求1所述的一种主动控制假肢膝踝关节运动的液压回路，其特征在于，对应于人行走周期的TS过程，第一三位四通阀处于右位，油从第一蓄能器通过第一三位四通阀流到双出杆液压缸的下杆腔，将双出杆液压缸的活塞杆向上推动，第二三位四通阀处于左位，第一常闭开关阀通电打开，第二常闭开关阀断电关闭，形成运动背压，第三蓄能器的油通过第一常闭开关阀进入单出杆液压缸的有杆腔，单出杆液压缸的无杆腔的油通过第二阻尼阀回到低压蓄能器中，单出杆液压缸中的活塞杆向下运动。
5.如权利要求1所述的一种主动控制假肢膝踝关节运动的液压回路，其特征在于，对应于人行走周期的SW过程，第一三位四通阀处于左位，从第一蓄能器出来的油，通过第一三位四通阀到双出杆液压缸的上杆腔，将活塞杆向下推动；第二三位四通阀处于右位，第二常闭开关阀通电打开，第一常闭开关阀断电关闭，从第三蓄能器出来的油经过第二常闭开关阀进入单出杆液压缸的无杆腔，单出杆液压缸的有杆腔通过第一阻尼阀节流形成背压，单出杆液压缸的活塞杆向外顶出。
6.如权利要求1所述的一种主动控制假肢膝踝关节运动的液压回路，其特征在于，在踝关节进油管路上接入第一压力传感器，在膝关节进油管路上接入第四压力传感器，在第一管路上接入第五压力传感器，在第二管路上接入第六压力传感器，第二压力传感器接入第三管路中，第三压力传感器接入第四管路中。
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