CN110368153B - 一种具有能量回收功能主被动结合假肢膝踝关节液压回路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有能量回收功能主被动结合假肢膝踝关节液压回路，目的是解决主动液压假肢系统能耗高、续航时间短等问题，所述液压回路包括电动机、联轴器、液压泵、第一蓄能器、第二蓄能器、可调节流阀、膝关节液压缸、踝关节液压缸、第一三位四通比例阀、第二三位四通比例阀、第三三位四通比例阀、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器、第五压力传感器、第六压力传感器、第一管路和第二管路，本发明利用三位四通比例阀控制蓄能器吸收人体行走过程中的能量和释放，结合主被动混合驱动模式有效降低系统能耗，显著提高下肢假肢的性能，同时结构简单便于实现轻量化。

Description

一种具有能量回收功能主被动结合假肢膝踝关节液压回路
技术领域
本发明涉及液压控制技术领域，特别涉及一种具有能量回收功能主被动结合假肢膝踝关节液压回路。
背景技术
依据第二次全国残疾人抽样调查推算国内截肢患者人数为226万，其中70％为下肢截肢者。假肢是解决众多患者行动障碍的重要手段之一，它利用仿生机械结构和驱动系统来补偿残疾人缺失部分肢体的功能，重现其缺失关节的生物力学特性。
现有研究表明，人体行走过程中，膝踝关节之间存在显著的能量传输，从而降低了行走能耗。当前，绝大多数膝关节假肢产品为无动力型，工作时使用者需要消耗大量能量进行代偿，而现有的主动膝关节假肢一般由主动驱动膝关节假肢和弹性足构成，膝关节和踝关节是离散的两个部分，膝踝关节间不存在能量传输，并且由于足部能量是不可控的，导致下肢假肢能耗居高不下、续航时间短等问题。此外，现有液压驱动假肢结构复杂、体积重量较大，严重限制了液压假肢技术的发展。在已公开的产品中，专利公开号CN109764011A所述液压回路通过蓄能器实现了能量储存，但结构复杂且并未涉及人体行走过程中膝踝关节的能量回收。
发明内容
本发明的目的在于针对背景技术中，现有下肢假肢能耗高、续航时间短、足部能量的吸收和释放不可控等问题，而提供一种具有能量回收功能主被动结合假肢膝踝关节液压回路。
一种具有能量回收功能主被动结合假肢膝踝关节液压回路，包括电动机、联轴器、液压泵、第一蓄能器、第二蓄能器、可调节流阀、膝关节液压缸、踝关节液压缸、第一三位四通比例阀、第二三位四通比例阀、第三三位四通比例阀、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器、第五压力传感器、第六压力传感器、第一管路和第二管路，电动机通过联轴器与液压泵连接，第一管路连通液压泵的A口、第一三位四通比例阀的P1口、第二三位四通比例阀的P2口和第三三位四通比例阀的P3口，第二管路连通液压泵的B口、第一三位四通比例阀的T1口、第二三位四通比例阀的T2口和第三三位四通比例阀的T3口，第一蓄能器通过管路与第一三位四通比例阀的A1口连通，第二蓄能器通过管路与第一三位四通比例阀的B1口连通，膝关节液压缸上腔通过管路与可调节流阀连通，可调节流阀通过管路与第二三位四通比例阀的A2口连通，膝关节液压缸下腔通过管路与第二三位四通比例阀的B2口连通，踝关节液压缸上腔通过管路与第三三位四通比例阀的A3口连通，踝关节液压缸下腔通过管路与第三三位四通比例阀的B3口连通，第一压力传感器设置在第一蓄能器与第一三位四通比例阀的A1口之间的管路上，第二压力传感器设置在第二蓄能器与第一三位四通比例阀的B1口之间的管路上，第三压力传感器设置在膝关节液压缸上腔与可调节流阀之间的管路上，第四压力传感器设置在膝关节液压缸下腔与第二三位四通比例阀的B2口之间的管路上，第五压力传感器设置在踝关节液压缸上腔与第三三位四通比例阀的A3口之间的管路上，第六压力传感器设置在踝关节液压缸下腔与第三三位四通比例阀的B3口之间的管路上；
优选的，第一压力传感器用来测量第一蓄能器出口压力，第二压力传感器用来测量第二蓄能器出口压力，第三压力传感器用来测量膝关节液压缸上腔出口压力，第四压力传感器用来测量膝关节液压缸下腔出口压力，第五压力传感器用来测量踝关节液压缸上腔出口压力，第六压力传感器用来测量踝关节液压缸下腔出口压力；
所述第一三位四通比例阀、第二三位四通比例阀和第三三位四通比例阀均可通过脉冲信号比例调节开口大小；
优选的通过调节第一三位四通比例阀、第二三位四通比例阀和第三三位四通比例阀开口大小使液压回路在四个工作状态下流畅切换；
所述第一三位四通比例阀是具有O型中位机能的比例阀；
所述第二三位四通比例阀是具有U型中位机能的比例阀；
所述第三三位四通比例阀是具有O型中位机能的比例阀。
本发明的工作原理和过程：
本回路工作时，根据人体步行时膝踝关节的步态周期特点，将液压回路的工作状态分成四个过程，分别是：足跟触地到足尖触地过程、足尖触地到足跟离地过程、足跟离地到足尖离地过程和足尖离地到足跟再次触地过程。
工作状态一对应人行走足跟触地到足尖触地过程，如图3所示，第一三位四通比例阀处于左位、第二三位四通比例阀处于中位，第三三位四通比例阀处于右位，在此阶段，踝关节被动跖屈，踝关节液压缸活塞被动向上移动，高压液压油经踝关节液压缸上腔出口、第三三位四通比例阀的A3口和T3口、第二管路和第一三位四通比例阀的T1口和B1口注入第二蓄能器内储存，第一蓄能器内的液压油经第一三位四通比例阀的A1口和P1口、第一管路、第三三位四通比例阀的P3口和B3口补入踝关节液压缸下腔，膝关节小角度被动屈曲，膝关节液压缸活塞被动向下小幅移动，膝关节液压缸上腔液压油经可调节流阀、第二三位四通比例阀的A2口和B2口流入膝关节液压缸下腔，依靠可调节流阀、第二三位四通比例阀的A2口和B2口完成阻尼调节；
工作状态二对应人行走足尖触地到足跟离地过程，如图4所示，第一三位四通比例阀处于左位、第二三位四通比例阀处于中位、第三三位四通比例阀处于左位，在此阶段，踝关节被动背屈，踝关节液压缸活塞被动向下移动，高压液压油经踝关节液压缸下腔出口、第三三位四通比例阀的B3口和T3口、第二管路、第一三位四通比例阀的T1口和B1口注入第二蓄能器内再次储存，第一蓄能器内的液压油经第一三位四通比例阀的A1口和P1口、第一管路、第三三位四通比例阀的P3口和A3口补入踝关节液压缸上腔，膝关节小角度被动伸展，膝关节液压缸活塞被动向上小幅移动，膝关节液压缸下腔液压油经第二三位四通比例阀的B2口和A2口、可调节流阀流入膝关节液压缸上腔，依靠第二三位四通比例阀的B2口和A2口可调节流阀完成阻尼调节；
工作状态三对应人行走足跟离地到足尖离地过程，如图5所示，第一三位四通比例阀处于右位、第二三位四通比例阀处于左位、第三三位四通比例阀处于左位，在此阶段，踝关节主动跖屈，膝关节主动屈曲，通过控制第一三位四通比例阀、第二三位四通比例阀、第三三位四通比例阀开口大小确保踝关节为主要驱动对象，电动机通过联轴器带动液压泵正转，液压泵A口将高压油经第一管路、第二三位四通比例阀的P2口和A2口、可调节流阀压入膝关节液压缸上腔，同时经第一管路、第三三位四通比例阀的P3口和B3口压入踝关节液压缸下腔，第二蓄能器将高压油压入第一管路，辅助液压泵供油，踝关节液压缸下腔出口经第二三位四通比例阀的B2口和T2口同时踝关节液压缸上腔经第三三位四通比例阀的A3口和T3口、经第二管路分别进入液压泵B口以及经第一三位四通比例阀的T1口和A1口进入第一蓄能器补油；
工作状态四对应人行走足尖离地到足跟再次触地过程，如图6所示，第一三位四通比例阀处于中位、第二三位四通比例阀处于中位、第三三位四通比例阀处于右位，在此阶段，膝关节在大腿残肢带动下依靠惯性被动伸展，膝关节液压缸活塞被动向上移动，通过可调节流阀和第二三位四通比例阀调节阻尼，电动机通过联轴器带动液压泵，通过控制第三三位四通比例阀开口大小调整踝关节液压缸位置，即调整踝关节角度，准备进入下一步态周期。
本发明的有益效果：
1本发明中通过蓄能器吸收假肢踝关节在正常行走的足跟触地到足尖触地以及足尖触地到足跟离地过程中的能量，并在足跟离地到足尖离地过程中结合液压泵释放能量为膝关节液压缸、踝关节液压缸提供主动驱动，降低电机峰值功率需求，延长续航时间。
2本发明中采用主被动混合驱动方式，电机在整个行走周期中只需在足跟离地到足尖离地过程中辅助蓄能器进行主动驱动，而在足尖离地到足跟再次触地过程中仅主动驱动液压缸回到初始位置，只消耗很低的能量，其余过程系统处于被动工作状态，电机不消耗能量，从而降低系统功耗，延长续航时间。
3本发明中膝关节液压缸在足跟触地到足尖触地、足尖触地到足跟离地、足尖离地到足跟再次触地过程中仅通过第二三位四通比例阀A2口和B2口、可调节流阀连通上下腔，通过控制可调节流阀开口大小调节膝关节摆动阻尼。
4本发明中在系统意外断电或电池能量耗尽情况下，膝关节液压缸处于阻尼状态，踝关节液压缸处于锁止状态，此时与普通单轴无动力下肢假肢功能相同，使用者仍可正常使用，保证其安全性。
5本发明所述驱动原理亦可应用于上楼梯、上坡等其他需要主动驱动的运动模式中。此外本发明结构简单，易于实现。
附图说明
图1是本发明初始状态下液压回路示意图；
图2是人体水平行走步态简图；
图3是本发明足跟触地到足尖触地过程液压回路状态示意图；
图4是本发明足尖触地到足跟离地过程液压回路状态示意图；
图5是本发明足跟离地到足尖离地过程液压回路状态示意图；
图6是本发明足尖离地到足跟再次触地过程液压回路状态示意图。
图中：1、电动机，2、联轴器，3、液压泵，4、第一蓄能器，5、第二蓄能器，6、可调节流阀，7、膝关节液压缸，8、踝关节液压缸，9、第一三位四通比例阀，10、第二三位四通比例阀，11、第三三位四通比例阀，12、第一压力传感器，13、第二压力传感器，14、第三压力传感器，15、第四压力传感器，16、第五压力传感器，17、第六压力传感器，18、第一管路，19、第二管路。
具体实施方式
请参阅图1至图6所示，一种具有能量回收功能主被动结合假肢膝踝关节液压回路，包括电动机1、联轴器2、液压泵3、第一蓄能器4、第二蓄能器5、可调节流阀6、膝关节液压缸7、踝关节液压缸8、第一三位四通比例阀9、第二三位四通比例阀10、第三三位四通比例阀11、第一压力传感器12、第二压力传感器13、第三压力传感器14、第四压力传感器15、第五压力传感器16、第六压力传感器17、第一管路18和第二管路19，电动机1通过联轴器2与液压泵3连接，第一管路18连通液压泵3的A口、第一三位四通比例阀9的P1口、第二三位四通比例阀10的P2口和第三三位四通比例阀11的P3口，第二管路19连通液压泵3的B口、第一三位四通比例阀9的T1口、第二三位四通比例阀10的T2口和第三三位四通比例阀11的T3口，第一蓄能器4通过管路与第一三位四通比例阀9的A1口连通，第二蓄能器5通过管路与第一三位四通比例阀9的B1口连通，膝关节液压缸7上腔通过管路与可调节流阀6连通，可调节流阀6通过管路与第二三位四通比例阀10的A2口连通，膝关节液压缸7下腔通过管路与第二三位四通比例阀10的B2口连通，踝关节液压缸8上腔通过管路与第三三位四通比例阀11的A3口连通，踝关节液压缸8下腔通过管路与第三三位四通比例阀11的B3口连通，第一压力传感器12设置在第一蓄能器4与第一三位四通比例阀9的A1口之间的管路上，第二压力传感器13设置在第二蓄能器5与第一三位四通比例阀9的B1口之间的管路上，第三压力传感器14设置在膝关节液压缸7上腔与可调节流阀6之间的管路上，第四压力传感器15设置在膝关节液压缸7下腔与第二三位四通比例阀10的B2口之间的管路上，第五压力传感器16设置在踝关节液压缸8上腔与第三三位四通比例阀11的A3口之间的管路上，第六压力传感器17设置在踝关节液压缸8下腔与第三三位四通比例阀11的B3口之间的管路上；
优选的，第一压力传感器12用来测量第一蓄能器4出口压力，第二压力传感器13用来测量第二蓄能器5出口压力，第三压力传感器14用来测量膝关节液压缸7上腔出口压力，第四压力传感器15用来测量膝关节液压缸7下腔出口压力，第五压力传感器16用来测量踝关节液压缸8上腔出口压力，第六压力传感器17用来测量踝关节液压缸8下腔出口压力；
所述第一三位四通比例阀9、第二三位四通比例阀10和第三三位四通比例阀11均可通过脉冲信号比例调节开口大小；
优选的通过调节第一三位四通比例阀9、第二三位四通比例阀10和第三三位四通比例阀11开口大小使液压回路在四个工作状态下流畅切换；
所述第一三位四通比例阀9是具有O型中位机能的比例阀；
所述第二三位四通比例阀10是具有U型中位机能的比例阀；
所述第三三位四通比例阀11是具有O型中位机能的比例阀。
本发明的工作原理和过程：
请参阅图1至图6所示，本回路工作时，根据人体步行时膝踝关节的步态周期特点，将液压回路的工作状态分成四个过程，分别是：足跟触地到足尖触地过程、足尖触地到足跟离地过程、足跟离地到足尖离地过程和足尖离地到足跟再次触地过程。
工作状态一对应人行走足跟触地到足尖触地过程，如图3所示，第一三位四通比例阀9处于左位、第二三位四通比例阀10处于中位，第三三位四通比例阀11处于右位，在此阶段，踝关节被动跖屈，踝关节液压缸8活塞被动向上移动，高压液压油经踝关节液压缸8上腔出口、第三三位四通比例阀11的A3口和T3口、第二管路19和第一三位四通比例阀9的T1口和B1口注入第二蓄能器5内储存，第一蓄能器4内的液压油经第一三位四通比例阀9的A1口和P1口、第一管路18、第三三位四通比例阀11的P3口和B3口补入踝关节液压缸8下腔，膝关节小角度被动屈曲，膝关节液压缸7活塞被动向下小幅移动，膝关节液压缸7上腔液压油经可调节流阀6、第二三位四通比例阀10的A2口和B2口流入膝关节液压缸7下腔，依靠可调节流阀6、第二三位四通比例阀10的A2口和B2口完成阻尼调节；
工作状态二对应人行走足尖触地到足跟离地过程，如图4所示，第一三位四通比例阀9处于左位、第二三位四通比例阀10处于中位、第三三位四通比例阀11处于左位，在此阶段，踝关节被动背屈，踝关节液压缸8活塞被动向下移动，高压液压油经踝关节液压缸8下腔出口、第三三位四通比例阀11的B3口和T3口、第二管路19、第一三位四通比例阀9的T1口和B1口注入第二蓄能器5内再次储存，第一蓄能器4内的液压油经第一三位四通比例阀9的A1口和P1口、第一管路18、第三三位四通比例阀11的P3口和A3口补入踝关节液压缸8上腔，膝关节小角度被动伸展，膝关节液压缸7活塞被动向上小幅移动，膝关节液压缸7下腔液压油经第二三位四通比例阀10的B2口和A2口、可调节流阀6流入膝关节液压缸7上腔，依靠第二三位四通比例阀10的B2口和A2口可调节流阀6完成阻尼调节；
工作状态三对应人行走足跟离地到足尖离地过程，如图5所示，第一三位四通比例阀9处于右位、第二三位四通比例阀10处于左位、第三三位四通比例阀11处于左位，在此阶段，踝关节主动跖屈，膝关节主动屈曲，通过控制第一三位四通比例阀9、第二三位四通比例阀10、第三三位四通比例阀11开口大小确保踝关节为主要驱动对象，电动机1通过联轴器2带动液压泵3正转，液压泵A口将高压油经第一管路18、第二三位四通比例阀10的P2口和A2口、可调节流阀压6入膝关节液压缸7上腔，同时经第一管路18、第三三位四通比例阀11的P3口和B3口压入踝关节液压缸8下腔，第二蓄能器5将高压油压入第一管路18，辅助液压泵3供油，踝关节液压缸7下腔出口经第二三位四通比例阀10的B2口和T2口同时踝关节液压缸8上腔经第三三位四通比例阀11的A3口和T3口、经第二管路19分别进入液压泵B口以及经第一三位四通比例阀9的T1口和A1口进入第一蓄能器4补油；
工作状态四对应人行走足尖离地到足跟再次触地过程，如图6所示，第一三位四通比例阀9处于中位、第二三位四通比例阀10处于中位、第三三位四通比例阀11处于右位，在此阶段，膝关节在大腿残肢带动下依靠惯性被动伸展，膝关节液压缸7活塞被动向上移动，通过可调节流阀6和第二三位四通比例阀10调节阻尼，电动机1通过联轴器2带动液压泵3，通过控制第三三位四通比例阀11开口大小调整踝关节液压缸8位置，即调整踝关节角度，准备进入下一步态周期。

Claims (5)

1.一种具有能量回收功能主被动结合假肢膝踝关节液压回路，其特征在于：包括电动机(1)、联轴器(2)、液压泵(3)、第一蓄能器(4)、第二蓄能器(5)、可调节流阀(6)、膝关节液压缸(7)、踝关节液压缸(8)、第一三位四通比例阀(9)、第二三位四通比例阀(10)、第三三位四通比例阀(11)、第一压力传感器(12)、第二压力传感器(13)、第三压力传感器(14)、第四压力传感器(15)、第五压力传感器(16)、第六压力传感器(17)、第一管路(18)和第二管路(19)，电动机(1)通过联轴器(2)与液压泵(3)连接，第一管路(18)连通液压泵(3)的A口、第一三位四通比例阀(9)的P1口、第二三位四通比例阀(10)的P2口和第三三位四通比例阀(11)的P3口，第二管路(19)连通液压泵(3)的B口、第一三位四通比例阀(9)的T1口、第二三位四通比例阀(10)的T2口和第三三位四通比例阀(11)的T3口，第一蓄能器(4)通过管路与第一三位四通比例阀(9)的A1口连通，第二蓄能器(5)通过管路与第一三位四通比例阀(9)的B1口连通，膝关节液压缸(7)上腔通过管路与可调节流阀(6)连通，可调节流阀(6)通过管路与第二三位四通比例阀(10)的A2口连通，膝关节液压缸(7)下腔通过管路与第二三位四通比例阀(10)的B2口连通，踝关节液压缸(8)上腔通过管路与第三三位四通比例阀(11)的A3口连通，踝关节液压缸(8)下腔通过管路与第三三位四通比例阀(11)的B3口连通，第一压力传感器(12)设置在第一蓄能器(4)与第一三位四通比例阀(9)A1口之间的管路上，第二压力传感器(13)设置在第二蓄能器(5)与第一三位四通比例阀(9)B1口之间的管路上，第三压力传感器(14)设置在膝关节液压缸(7)上腔与可调节流阀(6)之间的管路上，第四压力传感器(15)设置在膝关节液压缸(7)下腔与第二三位四通比例阀(10)B2口之间的管路上，第五压力传感器(16)设置在踝关节液压缸(8)上腔与第三三位四通比例阀(11)A3口之间的管路上，第六压力传感器(17)设置在踝关节液压缸(8)下腔与第三三位四通比例阀(11)B3口之间的管路上。
2.根据权利要求1所述一种具有能量回收功能主被动结合假肢膝踝关节液压回路，其特征在于：所述第一三位四通比例阀(9)、第二三位四通比例阀(10)和第三三位四通比例阀(11)均可通过脉冲信号比例调节开口大小。
3.根据权利要求1所述一种具有能量回收功能主被动结合假肢膝踝关节液压回路，其特征在于：所述第一三位四通比例阀(9)是具有O型中位机能的比例阀。
4.根据权利要求1所述一种具有能量回收功能主被动结合假肢膝踝关节液压回路，其特征在于：所述第二三位四通比例阀(10)是具有U型中位机能的比例阀。
5.根据权利要求1所述一种具有能量回收功能主被动结合假肢膝踝关节液压回路，其特征在于：所述第三三位四通比例阀(11)是具有O型中位机能的比例阀。
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