CN110338946A - 一种全步态阻尼可调智能人工动力脚踝 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种全步态阻尼可调智能人工动力脚踝，包括电液直驱执行机构、小腿假肢、角度传感器、力传感器和控制模块，所述的电液直驱执行机构包括伺服电机、电磁离合器、液压缸、双向齿轮泵、液压阀块和蓄能器，角度传感器和力传感器，检测所处的步态阶段，通过控制模块控制电液直驱执行机构工作；在被动阶段，由液压缸和液压阀块提供阻尼，吸震缓冲，在主动阶段，利用电液直驱系统为人工脚踝提供动力，驱动人体前进，同时检测步速，使人工脚踝跟随健肢协调运动。本发明可以实时调节系统阻尼特性，可以模拟健全踝足肢体的全部功能，用于帮助膝下截肢患者恢复正常行走能力。

Description

一种全步态阻尼可调智能人工动力脚踝

技术领域

本发明涉及机械和液压以及控制技术，具体说就是一种全步态阻尼可调智能人工动力脚踝。

背景技术

目前全球共有6.5亿残疾人，约占世界总人口的10％，其中80％分布在发展中国家，而我国现如今有肢体残疾患者约2472万，其中截肢人数226万，有一个庞大的社会群体需要佩戴假肢特别是踝足假肢。现有的商业化踝足假肢大多为被动型假肢，由于其不具有驱动力，假肢佩戴患者在行走的过程中会依据行走速度的不同额外消耗10-60％的能量。常规的动力假肢通常采用弹簧等部件作为缓冲部件，其阻尼特性由弹性部件的参数决定，不能实时调节；现有的商业化主动性踝足假肢，无法实现实时动态阻尼调节，使得假肢在行走过程中的动态特性无法完全拟合健康肢体，步态难以实现自然平滑，对地形及坡度自适应能力差，系统参数无法根据患者的试用反馈结果进行调整，使得假肢不能满足不同患者不同的步速及体重、身高等特殊需求。随着经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，他们已不再满足与传统踝关节假肢的基本行走功能，希望有一个能实现所有步态轨迹并且行走更加自然的舒适的踝足假肢。公开号：CN108478312A，发明名称:一种基于电液直驱技术的动力人工脚踝，其控制跖屈和背屈两阶段为由预设节流阀所提供的固定阻尼，会导致步态机械、僵硬；齿轮泵与节流阀支路为并联关系，在齿轮泵不工作的控制跖屈和背屈阶段，其两端仍存在压力差，会导致齿轮泵反转带动无刷电机发电，对电路系统产生损害；换向阀切换时存在冲击，会导致系统一定程度的震荡。

发明内容

基于以上不足之处，本发明的目的主要是提供一种全步态阻尼可调智能人工动力脚踝，且这种人工动力脚踝可以实时调节系统阻尼特性，可以模拟健全踝足肢体的全部功能，用于帮助膝下截肢患者恢复正常行走能力。

本发明所采用的技术如下：一种基于电液直驱技术的动力人工脚踝，包括电液直驱执行机构、小腿假肢、角度传感器、力传感器和控制模块，控制模块分别与角度传感器、力传感器、电液直驱执行机构电信号连接，所述小腿假肢包括假肢小腿本体、活塞连接轴、连接架、足弓、踝关节轴和足跟，足跟和足弓固连在连接架上，液压缸活塞杆通过活塞连接轴铰接在连接架上，连接架通过踝关节轴铰接在集成液压缸的假肢小腿本体上；所述的电液直驱执行机构包括伺服电机、电磁离合器、液压缸、双向齿轮泵、液压阀块和蓄能器，液压缸集成安装在所述的假肢小腿本体上，液压阀块通过管路与液压缸连接，伺服电机与双向齿轮泵通过电磁离合器连接；液压阀块内安装有两个单向阀和一个电磁比例阀，双向齿轮泵一端油口分别与第一单向阀出油口、液压缸一端油口连接，双向齿轮泵另一端油口分别与第二单向阀出油口、电磁比例阀一端油口连接，电磁比例阀另一端油口与液压缸一端油口连接，蓄能器连接在第一单向阀进油口和第二单向阀进油口之间，第一单向阀进油口与第二单向阀进油口连接；所述的电磁离合器在处于闭合状态时人工脚踝处于主动状态，伺服电机驱动双向齿轮泵工作，电磁离合器处于断开状态时人工脚踝处于被动状态，伺服电机产生的驱动力不再作用于双向齿轮泵；所述的踝关节轴安装有角度传感器，足弓和足跟底部安装有力传感器，检测所处的步态阶段，通过控制模块控制电液直驱执行机构工作；在被动阶段，由液压缸和液压阀块提供阻尼，吸震缓冲，在主动阶段，利用电液直驱系统为人工脚踝提供动力，驱动人体前进，同时检测步速，使人工脚踝跟随健肢协调运动。

本发明还具有如下技术特征：如上所述的一种全步态阻尼可调智能人工动力脚踝，其运动控制方法如下：

控制跖屈：足跟先着地，此时伺服电机不工作，电磁离合器断开，人工脚踝处于被动状态，液压缸、电磁比例阀、齿轮泵组成闭合回路，通过动态调节电磁比例阀的阀口开度，提供合适的系统刚度和阻尼，对此时活塞杆的运动起缓冲作用；从足跟着地到整个脚掌着地，跖屈角度逐渐增大，直至整个脚掌着地时达到极大值，此阶段，人工脚踝起到两个作用，一是在足跟着地时提供较小的刚度，起到吸震缓冲的作用，二是在脚掌放平的过程中提供较大的阻尼防止脚掌因为阻尼不足而拍击地面产生刚性冲击；

背屈阶段：膝盖带动小腿向前运动，液压缸缸筒向上运动，电磁离合器断开，人工脚踝处于被动状态，液压缸、电磁比例阀、齿轮泵组成闭合回路，此阶段由于人体重心前移，作用在脚踝的扭矩将在背屈角大于零后快速增大，即液压缸的出力将达到较高值，为了满足人正常行进的关节角需求，将减小电磁比例阀阀口开度提供较大的阻尼，此时，踝关节扭矩与角度呈非线性关系；

动力跖屈：双向齿轮泵、第一单向阀、第二单向阀、蓄能器、电磁比例阀、液压缸组成闭合回路，电磁离合器闭合，人工脚踝处于主动状态；为了减小能耗，此阶段电磁比例阀阀口设置为最大开度，系统动态刚度取决于电机转速，伺服电机带动双向齿轮泵旋转，进而推动液压油流动，液压缸活塞杆向上运动，足弓压迫地面，地面给足弓一个向上向前的力，直至足弓前部离开地面，完成动力跖屈阶段；此时回路内压力大，双向齿轮泵的油液进入蓄能器，与此同时蓄能器通过单向阀给液压回路补油；

摆动阶段：双向齿轮泵、电磁比例阀、液压缸组合成闭合回路，液压缸活塞杆向下运动，此阶段人工脚踝在空中摆动，不受外负载作用，采用位置控制，根据角度传感器的反馈，动态控制伺服电机转速和电磁比例阀阀口开度，使脚踝位置轨迹同健全肢体完全拟合，由于此阶段负载小，油路压力小，未设置补油回路，在摆动阶段，人工脚踝达到平衡状态，控制器复位，并且为下一次足跟着地做好准备。

本发明的优点及有益效果如下：

1、本发明采用基于流量控制的动态阻尼控制，系统阻尼由实时变化的电磁比例阀阀口开度控制，使得假肢在行走过程中的动态特性更接近健康肢体，步态更加自然平滑，对于单侧截肢的患者的双腿协同具有极大帮助。

2、本发明相比于其他假肢系统具有更好的地形及坡度自适应能力，可以实现低斜坡行走和通过崎岖路面等功能。

3、本发明以集成化电液直驱系统作为驱动核心，具有高功率、体积/质量比小特点，可以在近似健全踝关节的体积和质量等条件的限制下满足正常人行走的大扭矩需求。

4、本发明的系统参数可以根据患者的试用反馈结果进行调整，使得假肢满足不同患者不同的步速及体重、身高等特殊需求。

5、引入电磁离合器作为联轴器，在齿轮泵不工作时将齿轮泵和电机分离；电磁比例阀为连续变化，不存在明显的冲击，提高系统稳定性；简化液压回路，除补油支路外均为串联关系，减少管路长度进而减少管路损失，提高效率。

附图说明

图1是本发明中的电液直驱执行机构原理图；

图2是本发明中的液压阀块示意图；

图3为本发明中的小腿假肢侧面结构示意图；

图4为本发明中的小腿假肢立体结构示意图；

图5是本发明基于电液直驱技术的动力人工脚踝的踝关节步态相位划分示意图。

图6是控制、动力跖屈电液直驱执行机构状态示意图

图7是背屈控制和摆动阶段电液直驱执行机构状态示意图

具体实施方式

下面根据说明书附图举例对本发明做进一步说明：

实施例1

一种全步态阻尼可调智能人工动力脚踝，包括电液直驱执行机构、小腿假肢、角度传感器、力传感器和控制模块，控制模块分别与角度传感器、力传感器、电液直驱执行机构电信号连接。如图1-4所示，所述小腿假肢包括假肢小腿本体12、活塞杆连接轴17、连接架14、足弓15、踝关节轴18和足跟16，足跟16和足弓15固连在连接架14上，液压缸活塞杆13通过活塞连接轴17铰接在连接架14上，连接架14通过踝关节轴18铰接在假肢小腿本体12上；

所述的电液直驱执行机构包括伺服电机1、电磁离合器2、液压缸8、双向齿轮泵3、液压阀块10和蓄能器5，液压缸8集成安装在所述的假肢小腿本体12上，伺服电机1、双向齿轮泵3和蓄能器5固定在液压阀块10上，液压阀块10固定在液压缸8上，液压阀块10通过管路与液压缸8连接，伺服电机1与双向齿轮泵3通过电磁离合器2连接；液压阀块10内安装有两个单向阀，一个电磁比例阀7，双向齿轮泵3一端油口分别与第一单向阀4出油口、液压缸8一端油口连接，双向齿轮泵3另一端油口分别与第二单向阀6出油口、电磁比例阀7一端油口连接，电磁阀比例7另一端油口与液压缸8一端油口连接，蓄能器5连接在第一单向阀4进油口和第二单向阀6进油口之间，第一单向阀4进油口与第二单向阀6进油口连接；所述的电磁离合器2在处于闭合状态时人工脚踝处于主动状态，伺服电机1驱动双向齿轮泵3工作，电磁离合器2处于断开状态时人工脚踝处于被动状态，伺服电机1产生的驱动力不再作用于双向齿轮泵3；踝关节轴18安装有角度传感器，足弓15和足跟16底部安装有力传感器，检测所处的步态阶段，通过控制模块控制电液直驱执行机构工作；在被动阶段，由液压缸8和液压阀块10提供阻尼，吸震缓冲，在主动阶段，利用电液直驱系统为人工脚踝提供动力，驱动人体前进，同时检测步速，使假肢跟随健肢协调运动，控制模块接收角度传感器和力传感器发送的反馈信号，基于有限状态机的上层控制器依据信号判断所处的步态阶段，并指导底层PID控制器控制电液直驱执行机构工作。

实施例2

如图5所示，一种全步态阻尼可调智能人工动力脚踝的运动控制方法，如下：

控制跖屈：足跟16先着地，此时伺服电机1不工作，电磁离合器2断开，人工脚踝处于被动状态，如图6所示，液压缸8、电磁比例阀7、双向齿轮泵3组成闭合回路，通过动态调节电磁比例阀7的阀口开度，提供合适的系统刚度和阻尼，对此时活塞杆13的运动起缓冲作用；从足跟16着地到整个足弓15着地，跖屈角度逐渐增大，直至整个足弓15着地时达到极大值，此阶段，人工脚踝起到两个作用，一是在足跟16着地时提供较小的刚度，起到吸震缓冲的作用，二是在足弓15放平的过程中提供较大的阻尼防止脚掌因为阻尼不足而拍击地面产生刚性冲击；

背屈阶段：膝盖带动小腿向前运动，液压缸8缸筒向上运动，电磁离合器2断开，人工脚踝处于被动状态，如图7所示，液压缸8、电磁比例阀7、双向齿轮泵3组成闭合回路，此阶段由于人体重心前移，作用在脚踝关节的扭矩将在背屈角大于零后快速增大，即液压缸8的出力将达到较高值，为了满足人正常行进的关节角需求，系统将减小电磁比例阀7阀口开度提供较大的阻尼，此时，踝关节扭矩与角度呈非线性关系；

动力跖屈：如图6所示，双向齿轮泵3、第一单向阀4、第二单向阀6、蓄能器5、电磁比例阀7、液压缸8组成闭合回路，电磁离合器2闭合，人工脚踝处于主动状态；为了减小能耗，此阶段电磁比例阀7阀口设置为最大开度，系统动态刚度取决于电机转速，伺服电机1带动双向齿轮泵3旋转，进而推动液压油流动，使活塞杆13向上运动，足弓15压迫地面，地面给足弓15一个向上向前的力，直至足弓15前部离开地面，完成动力跖屈阶段；此时回路内压力大，双向齿轮泵3的油液泄漏多，泄漏的油液进入蓄能器5，与此同时蓄能器5通过第一单向阀4给液压回路补油；

摆动阶段：如图7所示，双向齿轮泵3、电磁比例阀7、液压缸8组合成闭合回路，活塞杆13向下运动，此阶段人工脚踝在空中摆动，不受外负载作用，采用位置控制，根据角度传感器的反馈，动态控制伺服电机1转速和电磁比例阀7阀口开度，使关节位置轨迹同健全肢体完全拟合，由于此阶段负载小，油路压力小，油液泄漏少，所以未设置补油回路，在摆动阶段，人工脚踝达到平衡状态，控制器复位，并且为下一次足跟16着地做好准备。

该假肢的机械结构完全仿照正常人体的踝关节结构进行设计，足跟16、连接架14、和足弓15固连在一起，足跟16和足弓15均采用碳纤维材料，碳纤维材料具有很大的弹性，在控制跖屈阶段，足跟16可以起吸震缓冲的作用；在背屈阶段，足弓15的形变可起到储能作用；在动力跖屈阶段，足弓15可以释放其在背屈阶段所储存的能量。

Claims (2)

1.一种全步态阻尼可调智能人工动力脚踝，包括电液直驱执行机构、小腿假肢、角度传感器、力传感器和控制模块，控制模块分别与角度传感器、力传感器、电液直驱执行机构电信号连接，所述小腿假肢包括假肢小腿本体、活塞连接轴、连接架、足弓、踝关节轴和足跟，足跟和足弓固连在连接架上，液压缸活塞杆通过活塞连接轴铰接在连接架上，连接架通过踝关节轴铰接在集成液压缸的假肢小腿本体上；其特征在于：

所述的电液直驱执行机构包括伺服电机、电磁离合器、液压缸、双向齿轮泵、液压阀块和蓄能器，液压缸集成安装在所述的假肢小腿本体上，液压阀块通过管路与液压缸连接，伺服电机与双向齿轮泵通过电磁离合器连接；液压阀块内安装有两个单向阀和一个电磁比例阀，双向齿轮泵一端油口分别与第一单向阀出油口、液压缸一端油口连接，双向齿轮泵另一端油口分别与第二单向阀出油口、电磁比例阀一端油口连接，电磁比例阀另一端油口与液压缸一端油口连接，蓄能器连接在第一单向阀进油口和第二单向阀进油口之间，第一单向阀进油口与第二单向阀进油口连接；所述的电磁离合器在处于闭合状态时人工脚踝处于主动状态，伺服电机驱动双向齿轮泵工作，电磁离合器处于断开状态时人工脚踝处于被动状态，伺服电机产生的驱动力不再作用于双向齿轮泵；所述的踝关节轴安装有角度传感器，足弓和足跟底部安装有力传感器，检测所处的步态阶段，通过控制模块控制电液直驱执行机构工作；在被动阶段，由液压缸和液压阀块提供阻尼，吸震缓冲，在主动阶段，利用电液直驱系统为人工脚踝提供动力，驱动人体前进，同时检测步速，使人工脚踝跟随健肢协调运动。

2.根据权利要求1所述的一种全步态阻尼可调智能人工动力脚踝，其特征在于，其运动控制方法如下：

控制跖屈：足跟先着地，此时伺服电机不工作，电磁离合器断开，人工脚踝处于被动状态，液压缸、电磁比例阀、齿轮泵组成闭合回路，通过动态调节电磁比例阀的阀口开度，提供合适的系统刚度和阻尼，对此时活塞杆的运动起缓冲作用；从足跟着地到整个脚掌着地，跖屈角度逐渐增大，直至整个脚掌着地时达到极大值，此阶段，人工脚踝起到两个作用，一是在足跟着地时提供较小的刚度，起到吸震缓冲的作用，二是在脚掌放平的过程中提供较大的阻尼防止脚掌因为阻尼不足而拍击地面产生刚性冲击；

背屈阶段：膝盖带动小腿向前运动，液压缸缸筒向上运动，电磁离合器断开，人工脚踝处于被动状态，液压缸、电磁比例阀、齿轮泵组成闭合回路，此阶段由于人体重心前移，作用在脚踝的扭矩将在背屈角大于零后快速增大，即液压缸的出力将达到较高值，为了满足人正常行进的关节角需求，将减小电磁比例阀阀口开度提供较大的阻尼，此时，踝关节扭矩与角度呈非线性关系；

动力跖屈：双向齿轮泵、第一单向阀、第二单向阀、蓄能器、电磁比例阀、液压缸组成闭合回路，电磁离合器闭合，人工脚踝处于主动状态；为了减小能耗，此阶段电磁比例阀阀口设置为最大开度，系统动态刚度取决于电机转速，伺服电机带动双向齿轮泵旋转，进而推动液压油流动，液压缸活塞杆向上运动，足弓压迫地面，地面给足弓一个向上向前的力，直至足弓前部离开地面，完成动力跖屈阶段；此时回路内压力大，双向齿轮泵的油液进入蓄能器，与此同时蓄能器通过单向阀给液压回路补油；

摆动阶段：双向齿轮泵、电磁比例阀、液压缸组合成闭合回路，液压缸活塞杆向下运动，此阶段人工脚踝在空中摆动，不受外负载作用，采用位置控制，根据角度传感器的反馈，动态控制伺服电机转速和电磁比例阀阀口开度，使脚踝位置轨迹同健全肢体完全拟合，由于此阶段负载小，油路压力小，未设置补油回路，在摆动阶段，人工脚踝达到平衡状态，控制器复位，并且为下一次足跟着地做好准备。