CN109806037A - 一种主被动混合控制型液压四连杆假肢膝关节 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种主被动混合控制型液压四连杆假肢膝关节,包括:液压阻尼器,具有缸体、钢套、缸盖、活塞杆、活塞、弹簧推块、助伸弹簧、弹簧壳、调节座、轴型调节阀体、挡块以及步进电机;阻尼器外壳,安装在液压阻尼器外部;小腿承载部,与阻尼器外壳的底部固定连接;大腿承载部,固定安装有一个连接杆固定件,该连接杆固定件上枢接有连接杆,该连接杆的另一端与活塞杆枢接;四连杆机构,具有集成在大腿承载部下端的上连杆、集成在阻尼器外壳上端的下连杆以及用于连接大腿承载部和阻尼器外壳的前连杆和后连杆;以及主动驱动电机组件,具有固定安装在大腿承载部上端直流电机、与直流电机连接的磁粉离合器以及与磁粉离合器连接的齿轮减速箱。
Description
技术领域
本发明属于人体康复辅具技术领域,具体涉及一种主被动混合控制型液压四连杆假肢膝关节。
背景技术
随着下肢截肢患者的增多以及微电子、控制等技术的不断发展,智能下肢假肢逐渐成为康复机器人领域的研究热点。作为下肢假肢系统的核心部件,高性能的膝关节假肢设计仍然是当前假肢设计中的主要技术难点。目前现有的智能假肢膝关节按照关节驱动方式可分为被动型和主动型。被动型假肢膝关节行走时根据外界条件的变化调节膝关节阻尼力矩实现步态调整,但是由于不提供主动力矩,不能辅助患者上楼梯。主动型假肢膝关节能够代替腿部肌肉提供力矩,使佩戴者更好地完成上楼梯等需要主动力矩的行走模式,但存在耗能较大、电池有较大的体积和重量以及续航时间短等缺点。目前在假肢膝关节中调整阻尼的方式主要存在磁流变、气压和液压三种。磁流变智能膝关节是通过改变电流从而改变磁场强度来达到调节阻尼的效果,但是磁流变液黏度变化与磁场密切相关,并且对磁流变液材料要求很高,不易于控制也不易于提升产能。液压和气压都是通过微处理器驱动电机来调节阻尼缸内部阀门开度大小,从而达到调节阻尼的目的,但是气压膝关节支撑性能的稳定性不可靠,容易造成安全事故。
专利号US201100873391A1、专利号105769395A、专利号106726028B、专利号106539633A和专利号107035808A均提出了用于智能膝关节假肢的电控液压阻尼缸结构,但是其本质上均为纯阻尼型,不能在上楼梯、上坡时提供主动力矩。专利号102065799A,公开了一种半驱动式假肢膝关节设备,通过液压泵和阻尼调节阀门实现驱动和非驱动模式,但是液压阀回路复杂特别复杂,液压泵和电动机使得该结构复杂而又笨重。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的,目的在于提供一种主被动混合控制型液压四连杆假肢膝关节。
本发明提供了一种主被动混合控制型液压四连杆假肢膝关节,具有这样的特征,包括:液压阻尼器,具有设有两个相互平行的液压油通道的缸体、通过密封圈固定在缸体内部的钢套、通过螺纹固定设置在缸体上端的缸盖、设置在缸体内的活塞杆、通过螺纹套设在活塞杆上的活塞、固定连接在活塞杆底端的弹簧推块、设置在弹簧推块下方的助伸弹簧、连接于缸体底端的用于收纳助伸弹簧的弹簧壳、与缸体固定连接的上部设有圆柱形槽口的调节座、通过圆柱形槽口安装在调节座上的轴型调节阀体、设置在调节座上的用于固定轴型调节阀体的挡块以及固定安装在调节座底部的且与轴型调节阀体连接的步进电机;阻尼器外壳,安装在液压阻尼器外部;小腿承载部,与阻尼器外壳的底部固定连接;大腿承载部,固定安装有一个连接杆固定件,该连接杆固定件上枢接有连接杆,该连接杆的一端与连接杆固定件枢接,另一端与活塞杆枢接;四连杆机构,具有集成在大腿承载部下端的上连杆、集成在阻尼器外壳上端的下连杆以及用于连接大腿承载部和阻尼器外壳的前连杆和后连杆;以及主动驱动电机组件,具有固定安装在大腿承载部上端的直流电机、与直流电机连接的磁粉离合器以及与磁粉离合器连接的齿轮减速箱,其中,前连杆一端与大腿承载部的中端枢接,另一端与阻尼器外壳的前端枢接,后连杆一端与大腿承载部后端枢接,另一端与阻尼器外壳后端枢接,调节座与缸体连接一侧设有互成90°的两个调节座液压油通道,两个调节座液压油通道分别与两个液压油通道对应连通形成屈曲液压油通道和伸展液压油通道。
在本发明提供的一种主被动混合控制型液压四连杆假肢膝关节中,还可以具有这样的特征:其中,缸体与调节座上均设有对应连通的四个油孔,调节座液压油通道与液压油通道通过油孔进行连通形成屈曲液压油通道和伸展液压油通道。
在本发明提供的一种主被动混合控制型液压四连杆假肢膝关节中,还可以具有这样的特征:其中,齿轮减速箱的输入端与磁粉离合器连接,齿轮减速箱的输出端的转轴通过轴承与大腿承载部后端的孔进行同轴连接,再通过连接键与后连杆的上端连接。
在本发明提供的一种主被动混合控制型液压四连杆假肢膝关节中,还可以具有这样的特征:其中,轴型调节阀体上设置有与屈曲液压油通道和伸展液压油通道垂直的第一键形槽与第二键形槽。
在本发明提供的一种主被动混合控制型液压四连杆假肢膝关节中,还可以具有这样的特征:其中,屈曲液压油通道的下侧设有第一单向阀,伸展液压油通道的上侧设有第二单向阀。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的一种主被动混合控制型液压四连杆假肢膝关节,因为设有驱动电机,能够在上楼梯和上坡时提供主动力矩,辅助患者上楼梯和上坡,同时在平地行走时即无需主动力矩情况下关闭驱动电机,只通过液压阻尼器就能提供良好好的阻尼性能,所以,使得能实现帮助患者交替上楼梯和上坡的同时减低了驱动电机的电量消耗,增加了假肢的续航能力;因为使用的液压阻尼器中仅用一个步进电机就实现了膝关节液压阻尼双向独立控制,且阻尼调节连续,相比两个电机控制的液压阻尼器结构,一个步进电机控制使得机构体积小,重量减轻,耗电减少,并且其液压阻尼器的结构能够有效地避免作用于液压阻尼器中步进电机的轴向载荷,避免了因载荷过大引起电机失步和阻尼调节失败的情况。因此,本发明的一种主被动混合控制型液压四连杆假肢膝关节将主动驱动与被动驱动相结合,有效的减低了驱动电机的电量消耗,增加了假肢的续航能力,且液压回路简单易于加工,便于制造,具有良好的实用性。
附图说明
图1是本发明的实施例中一种主被动混合控制型液压四连杆假肢膝关节的整体示意图;
图2是本发明的实施例中一种主被动混合控制型液压四连杆假肢膝关节的主视图;
图3是本发明的实施例中一种主被动混合控制型液压四连杆假肢膝关节的右视图;
图4是本发明的实施例中液压阻尼器的剖视图;
图5是本发明的实施例中轴型调节阀体的结构示意图;
图6是本发明的实施例中液压阻尼器的俯视图;
图7是图6的A-A剖视图;
图8是图6的B-B剖视图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段与功效易于明白了解,以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。
图1是本发明的实施例中一种主被动混合控制型液压四连杆假肢膝关节的整体示意图,图2是本发明的实施例中一种主被动混合控制型液压四连杆假肢膝关节的主视图,图3是本发明的实施例中一种主被动混合控制型液压四连杆假肢膝关节的右视图。
如图1、图2和图3所示,本实施例的一种主被动混合控制型液压四连杆假肢膝关节100,具有液压阻尼器10、阻尼器外壳20、小腿承载部30、大腿承载部40、四连杆机构50、主动驱动电机组件60。
图4是本发明的实施例中液压阻尼器的剖视图。
如图4所示,液压阻尼器10,具有设有两个相互平行的液压油通道的缸体11、通过密封圈固定在缸体11内部的钢套12、通过螺纹固定设置在缸体11上端的缸盖13、设置在缸体11内的活塞杆14、通过螺纹套设在活塞杆14上的活塞15、固定连接在活塞杆14底端的弹簧推块16、设置在弹簧推块16下方的助伸弹簧17、连接于缸体11底端的用于收纳助伸弹簧17的弹簧壳18、与缸体11固定连接的上部设有圆柱形槽口的调节座19、通过圆柱形槽口安装在调节座19上的轴型调节阀体110、设置在调节座19上的用于固定轴型调节阀体110的挡块111以及固定安装在调节座19底部的且与轴型调节阀体110连接的步进电机112。
调节座19与缸体11连接一侧设有互成90°的两个调节座液压油通道,两个调节座液压油通道分别与两个液压油通道对应连通形成屈曲液压油通道70和伸展液压油通道80。
缸体11与调节座19上均设有对应连通的四个油孔90,调节座液压油通道与液压油通道通过油孔90进行连通形成屈曲液压油通道70和伸展液压油通道80。
图5是本发明的实施例中轴型调节阀体的结构示意图。
如图5所示,轴型调节阀体110上设置有与屈曲液压油通道70和伸展液压油通道80垂直的第一键形槽1101与第二键形槽1102。
图6是本发明的实施例中液压阻尼器的俯视图,图7是图6的A-A剖视图,图8是图6的B-B剖视图。
如图6、图7以及图8所示,第一键形槽1101与第二键形槽1102与屈曲液压油通道70和伸展液压油通道80垂直设置,
伸展液压油通道80的上侧设有第二单向阀81,液压油经过伸展液压油通道80与轴型调节阀体110在上下腔室间进行流通,
屈曲液压油通道70的下侧设有第一单向阀71,液压油经过屈曲液压油通道70与轴型调节阀体110在液压缸上下腔室间进行流通,
且能够通过改变屈曲液压油通道70和伸展液压油通道80与第一键形槽1101和第二键形槽1102的配合间隙来改变两个液压油通道的流量面积,进而改变液压缸上下腔室流动的流量。
本实施例的液压阻尼器10的工作过程如下:
当智能膝关节伸展运动时,活塞15在重力作用下带动活塞杆14向下运动,活塞杆14压缩助伸弹簧17进行储能,屈曲液压油通道70中的第一单向阀71关闭,液压油通过油孔90从伸展液压油通道80中向上流动,步进电机112带动轴型调节阀体110进行转动,使得第一键形槽1101以及第二键形槽1101与伸展液压油通道80的重合面积发生变化,进而改变液压油的流通面积,使得智能膝关节伸展时所受的阻尼力改变。
当智能膝关节屈曲运动时,助伸弹簧17储存的能量得到释放,为活塞杆14向上运动提供助力,伸展液压油通道80中的第二单向阀81关闭,液压油通过油孔90从屈曲液压油通道70中向下流动,步进电机112带动轴型调节阀体110进行转动,使得第一键形槽1101以及第二键形槽1102与屈曲液压油通道70的重合面积发生变化,进而改变液压油的流通面积,使得智能膝关节屈曲时所受的阻尼力改变。
阻尼器外壳20,安装在液压阻尼器10外部。
小腿承载部30,与阻尼器外壳20的底部固定连接。
大腿承载部40,用于承载大腿,固定安装有一个连接杆固定件41,该连接杆固定件41上枢接有连接杆42,该连接杆42的一端与连接杆固定件41枢接,另一端与活塞杆14枢接。
四连杆机构50,具有集成在大腿承载部30下端的上连杆51、集成在阻尼器外壳20上端的下连杆52以及用于连接大腿承载部40和阻尼器外壳20的前连杆53和后连杆54;
主动驱动电机组件60,具有固定安装在大腿承载部40上端的直流电机61、与直流电机61连接的磁粉离合器62以及与磁粉离合器62连接的齿轮减速箱63。
前连杆53一端与大腿承载部40的中端枢接,另一端与阻尼器外壳20的前端枢接,
后连杆54一端与大腿承载部40后端枢接,另一端与阻尼器外壳20后端枢接。
齿轮减速箱63的输入端与磁粉离合器62连接,齿轮减速箱63的输出端的转轴通过轴承与大腿承载部40后端的孔进行同轴连接,再通过连接键与后连杆54的上端连接。
当患者进行上楼或上坡动作,需要提供主动力矩时,磁粉离合器62通电,直流电机61进行转动,并通过磁粉离合器62带动齿轮减速箱63转轴转动,驱动后连杆54相对上连杆51进行转动,实现膝关节的屈曲和伸展,
当患者在平地行走,不需要主动力矩时,直流电机停止工作,磁粉离合器断电,通过液压阻尼器10提供良好的阻尼性能。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及的一种主被动混合控制型液压四连杆假肢膝关节,因为设有驱动电机,能够在上楼梯和上坡时提供主动力矩,辅助患者上楼梯和上坡,同时在平地行走时即无需主动力矩情况下关闭驱动电机,只通过液压阻尼器就能提供良好好的阻尼性能,所以,使得能实现帮助患者交替上楼梯和上坡的同时减低了驱动电机的电量消耗,增加了假肢的续航能力;因为使用的液压阻尼器中仅用一个步进电机就实现了膝关节液压阻尼双向独立控制,且阻尼调节连续,相比两个电机控制的液压阻尼器结构,一个步进电机控制使得机构体积小,重量减轻,耗电减少,并且其液压阻尼器的结构能够有效地避免作用于液压阻尼器中步进电机的轴向载荷,避免了因载荷过大引起电机失步和阻尼调节失败的情况。因此,本实施例的一种主被动混合控制型液压四连杆假肢膝关节将主动驱动与被动驱动相结合,有效的减低了驱动电机的电量消耗,增加了假肢的续航能力,且液压回路简单易于加工,便于制造,具有良好的实用性。
上述实施方式为本发明的优选案例,并不用来限制本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种主被动混合控制型液压四连杆假肢膝关节,其特征在于,包括:
液压阻尼器,具有设有两个相互平行的液压油通道的缸体、通过密封圈固定在所述缸体内部的钢套、通过螺纹固定设置在所述缸体上端的缸盖、设置在所述缸体内的活塞杆、通过螺纹套设在所述活塞杆上的活塞、固定连接在所述活塞杆底端的弹簧推块、设置在所述弹簧推块下方的助伸弹簧、连接于所述缸体底端的用于收纳所述助伸弹簧的弹簧壳、与所述缸体固定连接的上部设有圆柱形槽口的调节座、通过所述圆柱形槽口安装在所述调节座上的轴型调节阀体、设置在所述调节座上的用于固定所述轴型调节阀体的挡块以及固定安装在所述调节座底部的且与所述轴型调节阀体连接的步进电机;
阻尼器外壳,安装在所述液压阻尼器外部;
小腿承载部,与所述阻尼器外壳的底部固定连接;
大腿承载部,固定安装有一个连接杆固定件,该连接杆固定件上枢接有连接杆,该连接杆的一端与所述连接杆固定件枢接,另一端与所述活塞杆枢接;
四连杆机构,具有集成在所述大腿承载部下端的上连杆、集成在所述阻尼器外壳上端的下连杆以及用于连接所述大腿承载部和所述阻尼器外壳的前连杆和后连杆;以及
主动驱动电机组件,具有固定安装在所述大腿承载部上端的直流电机、与所述直流电机连接的磁粉离合器以及与所述磁粉离合器连接的齿轮减速箱,
其中,所述前连杆一端与所述大腿承载部的中端枢接,另一端与所述阻尼器外壳的前端枢接,
所述后连杆一端与所述大腿承载部后端枢接,另一端与所述阻尼器外壳后端枢接,
所述调节座与所述缸体连接一侧设有互成90°的两个调节座液压油通道,两个所述调节座液压油通道分别与两个所述液压油通道对应连通形成屈曲液压油通道和伸展液压油通道。
2.根据权利要求1所述的主被动混合控制型液压四连杆假肢膝关节,其特征在于:
其中,所述缸体与所述调节座上均设有对应连通的四个油孔,
所述调节座液压油通道与所述液压油通道通过所述油孔进行连通形成所述屈曲液压油通道和所述伸展液压油通道。
3.根据权利要求1所述的主被动混合控制型液压四连杆假肢膝关节,其特征在于:
其中,所述齿轮减速箱的输入端与所述磁粉离合器连接,所述齿轮减速箱的输出端的转轴通过轴承与所述大腿承载部后端的孔进行同轴连接,再通过连接键与所述后连杆的上端连接。
4.根据权利要求1所述的主被动混合控制型液压四连杆假肢膝关节,其特征在于:
其中,所述轴型调节阀体上设置有与所述屈曲液压油通道和所述伸展液压油通道垂直的第一键形槽与第二键形槽。
5.根据权利要求1所述的主被动混合控制型液压四连杆假肢膝关节,其特征在于:
其中,所述屈曲液压油通道的下侧设有第一单向阀,
所述伸展液压油通道的上侧设有第二单向阀。
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