CN111437082A - 一种主被动混合式液压驱动踝关节假肢及驱动方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种主被动混合式液压驱动踝关节假肢及驱动方法和应用，踝关节假肢包括支撑组件、驱动组件、液压缸组件、阻尼调节组件、蓄能组件，本发明在主动模式下采用滚珠丝杠电机带动液压活塞进行精确驱动，实现踝关节的角度变换，在被动模式下采用伺服电机控制旋转阀阀芯进行精确阻尼调节，本发明实现驱动组件、阻尼调节组件、液压缸组件、蓄能组件一体化，结构紧凑，质量较轻，蓄能组件能够储存能量延长续航时间，假肢踝关节的角度变换满足人体在不同运动状态下的踝关节角度需求，主被动模式可在人体运动的任意时刻切换，可以更好的模拟人体运动时踝关节的变化情况。

Description

一种主被动混合式液压驱动踝关节假肢及驱动方法和应用
技术领域
本发明涉及康复辅助技术领域，特别涉及一种主被动混合式液压驱动踝关节假肢及驱动方法和应用。
背景技术
据第二次全国残疾人抽样调查结果显示，我国肢体残疾人数大幅增加，对于下肢截肢患者，下肢假肢的安装是恢复其站立和行走功能的有效手段，无论是大腿截肢还是小腿截肢，踝关节假肢都是必不可少的，因此踝关节假肢的研发一直是下肢假肢研究中的技术重点、难点。
踝关节假肢分为被动踝关节假肢和主被动混合动力踝关节假肢。被动踝关节假肢结构简单，成本较低，是恢复截肢者行走的有效手段，但其无法产生直接动力，使用时会消耗患者大量体能，且路面适应性较差。主被动混合动力踝关节假肢能够保证支撑期腿部稳定性和摆动期踝关节的灵活性，而且可以通过改变力矩使踝关节的角度产生变化用以适应不同路面。
据相关文献标明，现有的主被动混合动力踝关节假肢，普遍存在如下不足：
1、对主被动混合动力踝关节的研究偏重功能性，对质量体积方面重视较小。
2、主被动模式切换多采用离合器结构，切换不顺畅，控制不方便，不能发挥主被动模式独有的优势。
3、无法完成对踝关节假肢的能量收集，使患者能量消耗巨大，且续航时间较短。
发明内容
为了解决上述背景技术中的问题，本发明提出了一种主被动混合式液压驱动踝关节假肢及驱动方法和应用。
一种主被动混合式液压驱动踝关节假肢，包括支撑组件、驱动组件、液压缸组件、阻尼调节组件和蓄能组件；
所述支撑组件包括脚板、脚板连接板、凸台、两个侧连接板、四棱台支撑板、四棱台和壳体，脚板中部和脚板连接板中部固定连接，脚板连接板上有两个脚板轴座和一个脚板转动轴，脚板转动轴固定连接在两个脚板轴座中，凸台上有两个凸台轴承座和一个踝关节转动轴，踝关节转动轴固定连接在两个凸台轴承座中，脚板连接板和凸台底部固定连接，两个侧连接板固定在踝关节转动轴两端，随踝关节转动轴转动，侧连接板和四棱台支撑板固定连接，四棱台支撑板包括两个支撑板轴座和一个支撑板转轴，支撑板转轴固定在两个支撑板轴座中，侧连接板和四棱台支撑板固定连接，四棱台固定连接在四棱台支撑板上，用来连接小腿，壳体留有安装驱动组件、液压缸组件、阻尼调节组件、蓄能组件的孔和液压油路；
所述驱动组件包括滚珠丝杠伺服电机、丝杠轴减速箱、滚珠丝杠、滚珠丝杠螺母和电机密封端盖，驱动组件通过设置在壳体对应的安装孔安装在壳体内，滚珠丝杠伺服电机末端和丝杠轴减速箱固定连接，滚珠丝杠插入丝杠轴减速箱中，滚珠丝杠上装有滚珠丝杠螺母，电机密封端盖紧压伺服电机上端并与壳体固定连接；
所述液压缸组件包括活塞下挡、活塞杆、活塞上挡、液压缸端盖和活塞杆连接头，液压缸组件通过设置在壳体对应的安装孔安装在壳体内，活塞下挡、壳体和丝杠轴减速箱固定连接，活塞杆活塞内部和滚珠丝杠螺母固定连接，活塞上挡、壳体和液压缸端盖固定连接，活塞杆连接头固定连接到活塞杆杆顶端；
所述阻尼调节组件包括旋转阀伺服电机、三级行星齿轮箱、电机轴、电机架、旋转阀端盖、旋转阀阀芯和旋转阀阀套，阻尼调节组件放置在壳体对应孔内，旋转阀伺服电机末端和三级行星齿轮箱固定连接，电机轴插入三级行星齿轮箱中，电机架一端与旋转阀伺服电机固定连接，一端与旋转阀端盖连接，旋转阀端盖、电机架和壳体固定连接，旋转阀阀芯固定在电机轴上随电机轴旋转，旋转阀阀套插入壳体中并用旋转阀端盖密封；
所述蓄能组件包括蓄能活塞、蓄能弹簧、蓄能活塞上挡螺栓、蓄能组件端盖，蓄能组件放置在壳体对应孔内，蓄能活塞和蓄能弹簧上端固定连接，蓄能弹簧下端和蓄能组件端盖相连，蓄能活塞上挡螺栓旋入壳体中，蓄能组件端盖和壳体固定连接。
一种主被动混合式液压驱动踝关节假肢的驱动方法，包括主动模式和被动模式，其中：
主动模式下旋转阀伺服电机、三级行星齿轮箱、电机轴带动旋转阀阀芯，使阀开口处于常开状态，滚珠丝杠伺服电机、丝杠轴减速箱、滚珠丝杠带动滚珠丝杠螺母转动从而带动活塞杆直线运动实现主动驱动；
被动模式下滚珠丝杠伺服电机、丝杠轴减速箱、滚珠丝杠保持静止状态，旋转阀伺服电机、三级行星齿轮箱、电机轴带动旋转阀阀芯转动调节阀开口大小，实现阻尼调节；
主动模式和被动模式可在踝关节任意位置进行切换。
一种主被动混合式液压驱动踝关节假肢在水平行走运动模式中的应用。
本发明的有益效果：
1、本发明在主动模式下采用滚珠丝杠电机带动液压活塞进行驱动，实现踝关节的角度变换，在被动模式下采用伺服电机控制旋转阀阀芯进行精确阻尼调节。
2、本发明驱动组件、液压缸组件与阻尼调节组件全部集成在壳体中实现一体化，结构紧凑，质量较轻。
3、本发明具有蓄能功能，在活塞杆收缩时能够储蓄能量，在活塞杆伸出时释放能量，能够减少能量消耗，延长续航时间。
4、本发明假肢踝关节的角度变换可满足人体在不同运动状态下的踝关节角度需求，主被动模式可在人体运动的任意时刻切换，可以更好的模拟人体运动时踝关节的变化情况。
附图说明
图1为本发明的轴侧图；
图2为本发明的主视图；
图3为本发明的左视图；
图4为本发明除支撑组件外的组件爆炸图；
图5为本发明的背屈运动示意图；
图6为本发明的跖屈运动示意图。
具体实施方式
请参阅图1至图6所示，一种主被动混合式液压驱动踝关节假肢，包括支撑组件1、驱动组件2、液压缸组件3、阻尼调节组件4和蓄能组件5；
所述支撑组件1包括脚板11、脚板连接板12、凸台13、两个侧连接板14、四棱台支撑板15、四棱台16和壳体17，脚板11中部和脚板连接板12中部固定连接，脚板连接板12上有两个脚板轴座18和一个脚板转动轴19，脚板转动轴19固定连接在两个脚板轴座18中，凸台13上有两个凸台轴承座110和一个踝关节转动轴111，踝关节转动轴111固定连接在两个凸台轴承座110中，脚板连接板12和凸台13底部固定连接，两个侧连接板14固定在踝关节转动轴111两端，随踝关节转动轴111转动，侧连接板14和四棱台支撑板15固定连接，四棱台支撑板15包括两个支撑板轴座112和一个支撑板转轴113，支撑板转轴113固定在两个支撑板轴座112中，侧连接板14和四棱台支撑板15固定连接，四棱台16固定连接在四棱台支撑板15上，用来连接小腿，壳体17留有安装驱动组件2、液压缸组件3、阻尼调节组件4、蓄能组件5的孔和液压油路；
所述驱动组件2包括滚珠丝杠伺服电机21、丝杠轴减速箱22、滚珠丝杠23、滚珠丝杠螺母24和电机密封端盖25，驱动组件2通过设置在壳体17对应的安装孔安装在壳体17内，滚珠丝杠伺服电机21末端和丝杠轴减速箱22固定连接，滚珠丝杠23插入丝杠轴减速箱22中，滚珠丝杠23上装有滚珠丝杠螺母24，电机密封端盖25紧压伺服电机21上端并与壳体17固定连接；
所述液压缸组件3包括活塞下挡31、活塞杆32、活塞上挡33、液压缸端盖34和活塞杆连接头35，液压缸组件3通过设置在壳体17对应的安装孔安装在壳体17内，活塞下挡31、壳体17和丝杠轴减速箱22固定连接，活塞杆32活塞内部和滚珠丝杠螺母24固定连接，活塞上挡33、壳体17和液压缸端盖34固定连接，活塞杆连接头35固定连接到活塞杆32杆顶端；
所述阻尼调节组件4包括旋转阀伺服电机41、三级行星齿轮箱42、电机轴43、电机架44、旋转阀端盖45、旋转阀阀芯46和旋转阀阀套47，阻尼调节组件4放置在壳体17对应孔内，旋转阀伺服电机41末端和三级行星齿轮箱42固定连接，电机轴43插入三级行星齿轮箱42中，电机架44一端与旋转阀伺服电机41固定连接，一端与旋转阀端盖45连接，旋转阀端盖45、电机架44和壳体17固定连接，旋转阀阀芯46固定在电机轴43上随电机轴43旋转，旋转阀阀套47插入壳体17中并用旋转阀端盖45密封；
所述蓄能组件5包括蓄能活塞51、蓄能弹簧52、蓄能活塞上挡螺栓53、蓄能组件端盖54，蓄能组件5放置在壳体17对应孔内，蓄能活塞51和蓄能弹簧52上端固定连接，蓄能弹簧52下端和蓄能组件端盖54相连，蓄能活塞上挡螺栓53旋入壳体17中，蓄能组件端盖54和壳体17固定连接。
一种主被动混合式液压驱动踝关节假肢的驱动方法，包括主动模式和被动模式，其中：
主动模式下旋转阀伺服电机41、三级行星齿轮箱42、电机轴43带动旋转阀阀芯46，使阀开口处于常开状态，滚珠丝杠伺服电机21、丝杠轴减速箱22、滚珠丝杠23带动滚珠丝杠螺母24转动从而带动活塞杆32直线运动实现主动驱动；
被动模式下滚珠丝杠伺服电机21、丝杠轴减速箱22、滚珠丝杠23保持静止状态，旋转阀伺服电机41、三级行星齿轮箱42、电机轴43带动旋转阀阀芯46转动调节阀开口大小，实现阻尼调节；
主动模式和被动模式可在踝关节任意位置进行切换。
本发明的主被动混合式液压驱动踝关节假肢可应用在水平行走运动模式中，具体的，本发明提供两种驱动方案。所述方案一为被动模式驱动方案，在水平行走运动模式中的各个步态阶段均采用被动模式，调节阻尼；所述方案二为主被动混合模式驱动方案，在水平行走运动模式中的摆动期，采用主被动混合驱动方案，具体的，通过阀口的大小改变调节阻尼，活塞杆的收缩与伸展调节踝关节的角度；在水平行走运动模式中的支撑期采用被动模式。

Claims (3)

1.一种主被动混合式液压驱动踝关节假肢，其特征在于：包括支撑组件(1)、驱动组件(2)、液压缸组件(3)、阻尼调节组件(4)和蓄能组件(5)；
所述支撑组件(1)包括脚板(11)、脚板连接板(12)、凸台(13)、两个侧连接板(14)、四棱台支撑板(15)、四棱台(16)和壳体(17)，脚板(11)中部和脚板连接板(12)中部固定连接，脚板连接板(12)上有两个脚板轴座(18)和一个脚板转动轴(19)，脚板转动轴(19)固定连接在两个脚板轴座(18)中，凸台(13)上有两个凸台轴承座(110)和一个踝关节转动轴(111)，踝关节转动轴(111)固定连接在两个凸台轴承座(110)中，脚板连接板(12)和凸台(13)底部固定连接，两个侧连接板(14)固定在踝关节转动轴(111)两端，随踝关节转动轴(111)转动，侧连接板(14)和四棱台支撑板(15)固定连接，四棱台支撑板(15)包括两个支撑板轴座(112)和一个支撑板转轴(113)，支撑板转轴(113)固定在两个支撑板轴座(112)中，侧连接板(14)和四棱台支撑板(15)固定连接，四棱台(16)固定连接在四棱台支撑板(15)上，用来连接小腿，壳体(17)留有安装驱动组件(2)、液压缸组件(3)、阻尼调节组件(4)、蓄能组件(5)的孔和液压油路；
所述驱动组件(2)包括滚珠丝杠伺服电机(21)、丝杠轴减速箱(22)、滚珠丝杠(23)、滚珠丝杠螺母(24)和电机密封端盖(25)，驱动组件(2)通过设置在壳体(17)对应的安装孔安装在壳体(17)内，滚珠丝杠伺服电机(21)末端和丝杠轴减速箱(22)固定连接，滚珠丝杠(23)插入丝杠轴减速箱(22)中，滚珠丝杠(23)上装有滚珠丝杠螺母(24)，电机密封端盖(25)紧压伺服电机(21)上端并与壳体(17)固定连接；
所述液压缸组件(3)包括活塞下挡(31)、活塞杆(32)、活塞上挡(33)、液压缸端盖(34)和活塞杆连接头(35)，液压缸组件(3)通过设置在壳体(17)对应的安装孔安装在壳体(17)内，活塞下挡(31)、壳体(17)和丝杠轴减速箱(22)固定连接，活塞杆(32)活塞内部和滚珠丝杠螺母(24)固定连接，活塞上挡(33)、壳体(17)和液压缸端盖(34)固定连接，活塞杆连接头(35)固定连接到活塞杆(32)杆顶端；
所述阻尼调节组件(4)包括旋转阀伺服电机(41)、三级行星齿轮箱(42)、电机轴(43)、电机架(44)、旋转阀端盖(45)、旋转阀阀芯(46)和旋转阀阀套(47)，阻尼调节组件(4)放置在壳体(17)对应孔内，旋转阀伺服电机(41)末端和三级行星齿轮箱(42)固定连接，电机轴(43)插入三级行星齿轮箱(42)中，电机架(44)一端与旋转阀伺服电机(41)固定连接，一端与旋转阀端盖(45)连接，旋转阀端盖(45)、电机架(44)和壳体(17)固定连接，旋转阀阀芯(46)固定在电机轴(43)上随电机轴(43)旋转，旋转阀阀套(47)插入壳体(17)中并用旋转阀端盖(45)密封；
所述蓄能组件(5)包括蓄能活塞(51)、蓄能弹簧(52)、蓄能活塞上挡螺栓(53)、蓄能组件端盖(54)，蓄能组件(5)放置在壳体(17)对应孔内，蓄能活塞(51)和蓄能弹簧(52)上端固定连接，蓄能弹簧(52)下端和蓄能组件端盖(54)相连，蓄能活塞上挡螺栓(53)旋入壳体(17)中，蓄能组件端盖(54)和壳体(17)固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种主被动混合式液压驱动踝关节假肢的驱动方法，其特征在于：包括主动模式和被动模式，其中：
主动模式下旋转阀伺服电机(41)、三级行星齿轮箱(42)、电机轴(43)带动旋转阀阀芯(46)，使阀开口处于常开状态，滚珠丝杠伺服电机(21)、丝杠轴减速箱(22)、滚珠丝杠(23)带动滚珠丝杠螺母(24)转动从而带动活塞杆(32)直线运动实现主动驱动；
被动模式下滚珠丝杠伺服电机(21)、丝杠轴减速箱(22)、滚珠丝杠(23)保持静止状态，旋转阀伺服电机(41)、三级行星齿轮箱(42)、电机轴(43)带动旋转阀阀芯(46)转动调节阀开口大小，实现阻尼调节；
主动模式和被动模式可在踝关节任意位置进行切换。
3.根据权利要求1所述的主被动混合式液压驱动踝关节假肢在水平行走运动模式中的应用。
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