CN111779788B - 用于智能膝关节假肢的单回路双向流量预调节阻尼缸 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种阻尼缸结构，尤其涉及一种用于智能膝关节假肢的单回路双向流量预调节阻尼缸，包括：缸部；流量预调节组件，所述流量预调节组件位于所述缸部的一侧；所述缸部包括：缸体；钛合金套，所述钛合金套同轴嵌套于所述缸体的内部；缸盖，所述缸盖通过螺纹连接所述缸体的上端；活塞，所述活塞在所述缸体内进行上下运动并将所述缸体的内腔分为上腔与下腔；助伸弹簧，所述助伸弹簧内置于所述缸体的所述下腔；上腔油孔和下腔油孔；注油口，所述注油口设于所述缸体的缸壁上；注油口堵头，所述注油口堵头与所述注油口通过螺纹连接；从所述注油口处打通的油道与所述上腔油孔和所述下腔油孔交汇形成一条液压油回路。

Description

用于智能膝关节假肢的单回路双向流量预调节阻尼缸
技术领域
本发明涉及一种阻尼缸结构，尤其涉及一种用于智能膝关节假肢的单回路双向流量预调节阻尼缸。
背景技术
阻尼型假肢是智能膝关节假肢的当前研究主流。阻尼型假肢指微处理器根据步速/步态相位/路况的变化自动调节膝关节假肢处的阻尼器产生的阻尼力矩，使得下肢患者穿戴假肢行走时更接近健康人的步态，具有更高的跟随性和对称性。
目前在智能膝关节中调整阻尼的方式主要存在气压、液压、磁流变和电流变四种。气压阻尼适用于摆动期速度跟随，但是在站立相难以提供足够的支撑相阻尼。磁流变液和电流变液黏度变化的控制机理尚有待研究，且不可靠近磁场、电场较强的场所，限制了使用范围。液压阻尼器因其在体积较小时仍可以提供很强的阻尼，可有效保证支撑相的稳定性，同时摆动期湍流性质也可适应灵活性要求，因此液压阻尼器占有独特的优势。
目前，国内用于智能膝关节假肢的液压阻尼缸的结构设计相关技术文件有：
申请号201610222938.7提出了一种电控液压阻尼缸结构，存在膝关节运作过程中腔体内液压油压缩时，电机会受到很大的轴向载荷，调节过程中很容易失步及无法到达指定位置，严重影响膝关节阻尼调节的性能的问题，且活塞做成上下两部分时，加工与装配的精度难以保证。
申请号201611167188.4和201611166659.X提出的液压阻尼缸结构都将阀体设置于活塞内部，为减少轴向载荷而在活塞内设置了复杂的正交式油道，难以加工。并且申请号201611167188.4中是通过直线电机实现阀体的位置控制，直线电机存在耗电量大、动态刚性低且发热量大的缺点。
申请号201710051871.X提出了一种扇形口式流量调节阻尼缸结构，需要两个电机分别控制相应阀门来调节屈曲和伸展阻尼，使得体积及重量较大，耗电量增加。
申请号200980122636.0提出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。
申请号201910248943.9提出了一种键形槽式流量调节阻尼缸结构，实现一个电机同时控制屈曲和伸展阻尼，但是液压油回路复杂，为了便于加工将阀门设置在调节座上，使得液压缸体与调节座之间的密封性难以得到保证，并且液压油道与阀门上的槽口直接垂直相接，使得从油道流出的液压油会对阀门槽口产生对流冲击，对阀门产生较大的切向力，造成电机控制阀门转动所需的力矩增大，使得电机耗电量增大。
综上所述，现有的通过单电机实现屈曲和伸展双向阻尼连续调节的液压阻尼缸结构设计较少，仅有的几个仍存在液压回路复杂导致加工难、易漏油，电机所受轴向载荷或者切向力过大导致电机性能受到影响的共性问题。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种用于智能膝关节假肢的单回路双向流量预调节阻尼缸，解决现有技术中存在的问题，提高电机性能。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种单液压油回路及单电机同时独立连续控制屈曲和伸展阻尼的单回路双向流量预调节阻尼缸结构。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于智能膝关节假肢的单回路双向流量预调节阻尼缸，包括：
缸部；
流量预调节组件，所述流量预调节组件位于所述缸部的一侧；
所述缸部包括：
缸体；
钛合金套，所述钛合金套同轴嵌套于所述缸体的内部；
缸盖，所述缸盖通过螺纹连接所述缸体的上端；
活塞，所述活塞在所述缸体内进行上下运动并将所述缸体的内腔分为上腔与下腔；
助伸弹簧，所述助伸弹簧内置于所述缸体的所述下腔；
上腔油孔，所述上腔油孔位于所述缸体的内腔的上端并与所述钛合金套配钻；
下腔油孔，所述下腔油孔位于所述缸体的内腔的下端并与所述钛合金套配钻；
注油口，所述注油口设于所述缸体的缸壁上；
注油口堵头，所述注油口堵头与所述注油口通过螺纹连接；
从所述注油口处打通的油道与所述上腔油孔和所述下腔油孔交汇形成一条液压油回路。
进一步地，所述流量预调节组件包括：
交错通道式阀体，所述交错通道式阀体的一侧设有异形轴；
阀体密封座，所述阀体密封座上设置有孔；
所述异性轴依次与所述阀体密封座上设置的所述孔、阀体端锥齿轮与角度传感器同轴配合；
所述阀体端锥齿轮与所述角度传感器与所述异形轴通过紧定螺钉固定；
还包括：
电机固定座，所述阀体密封座与所述电机固定座通过螺钉固定于所述缸体的侧壁上；
直流伺服电机，所述直流伺服电机通过螺纹固定于所述电机固定座上；
电机端锥齿轮，所述直流伺服电机的输出端通过联轴器与所述电机端锥齿轮连接，所述阀体端锥齿轮与所述电机端锥齿轮啮合传动。
进一步地，所述活塞可分为：
上活塞杆，所述上活塞杆穿过所述缸盖；
中空下活塞杆，所述中空下活塞杆穿过所述缸体的下端；
活塞体，所述活塞体固定设置于所述上活塞杆与所述中空下活塞杆之间，所述活塞体在所述缸体内进行上下运动并将所述缸体的内腔分为所述上腔与所述下腔。
进一步地，所述缸体的侧壁上设有一个阀门槽以及两个分别与所述上腔油孔和所述下腔油孔相交的扇形槽，使得从油孔流出的液压油可以流入所述扇形槽中而不对所述交错通道式阀体中的通道之间产生对流冲击。
进一步地，所述两个扇形槽的角度分别为55°和150°。
进一步地，所述交错通道式阀体设置有屈曲油道和伸展油道，且两条油道的轴线为异面直线，使得两条油道互不影响且呈一定的角度关系。
进一步地，所述角度关系为：将所述屈曲油道和所述伸展油道的轴线投影于所述交错通道式阀体的端面，所述轴线的一端相交于所述交错通道式阀体的边缘线上的一点，与所述轴线的另一端互成27.5°；所述交错通道式阀体的两个端面设有一圈凸起，减少所述交错通道式阀体与所述缸体和所述阀体密封座的接触面积；所述交错通道式阀体放置于所述阀门槽内；所述屈曲油道和所述伸展油道中分别异向地设置单向阀。
进一步地，所述直流伺服电机通过所述阀体端锥齿轮与所述电机端锥齿轮的啮合传动，调节所述交错通道式阀体的旋转角度，通过所述交错通道式阀体中的所述屈曲油道和所述伸展油道与所述扇形槽的配合间隙来改变所述交错通道式阀体中的两个液压油通道的流量面积，进而改变所述缸体的内腔的所述上腔与所述下腔流动的流量，并且通过设置的所述角度传感器实现所述直流伺服电机的全闭环控制。
进一步地，还包括若干密封圈；所述若干密封圈设置于所述缸盖与所述上活塞杆之间、所述缸盖与所述缸体之间、所述活塞体与所述钛合金套之间、所述缸体与所述中空下活塞杆之间、所述缸体与所述阀体密封座之间、所述阀体密封座与所述交错通道式阀体之间以及所述注油口堵头与所述注油口之间。
进一步地，所述上活塞杆和所述中空下活塞杆的外径相等，两者与所述缸盖和所述缸体之间分别设有所述导向套，保证所述上活塞杆直线运动时与所述缸体之间的同轴度；所述交错通道式阀体与所述阀体密封座之间以及所述电机端锥齿轮与所述阀体密封座之间设置有轴承，减少所述直流伺服电机带动所述交错通道式阀体转动过程中的机械误差。
本发明实施例所采用的技术方案，至少具有以下有益效果：
1、通过内置单向阀的交错通道式阀体的设计，实现仅通过一条液压油回路就能调节双向的液压油流动流量，并且其中一条通道与注油口合并，最大限度地减少液压缸开孔数，增大液压缸强度并降低漏油可能性，将阀体内嵌于液压缸侧壁上也降低了加工难度与漏油可能性。
2、仅用一个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缸结构，一个电机控制使得机构体积小，重量减轻，耗电减少。
3、能够有效避免作用于阻尼缸中电机的轴向载荷，避免了因载荷过大引起电机失步和阻尼调节失败的情况。
4、能够有效避免从液压油通道流出的液压油对阀体直接对流冲击而产生较大的切向力，大大减少了电机控制阀门转动所需的力矩，减少了耗电量，提高了电机的控制性能。
5、结构精巧且易于加工。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的剖视图；
图2是图1所示较佳实施例中缸体的结构示意图；
图3是图1所示较佳实施例中交错通道式阀体的结构示意图和剖视图；
图4是图1所示较佳实施例中交错通道式阀体所处的各个状态示意图。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
如图1所示，为本发明实施例提供的一种用于智能膝关节假肢的单回路双向流量预调节阻尼缸的剖视图，包括：
缸部，以及流量预调节组件，流量预调节组件位于缸部的一侧。
其中，缸部包括：
缸体1，一般来说，缸体1的横截面为圆形，是一个内部中空的圆形柱体。
钛合金套2，钛合金套2同轴嵌套于缸体1的内部；由于液压缸内壁的加工精度和强度要求非常高，所以在缸体1的内壁嵌套一个钛合金套2的分离式设计，可以大大降低加工难度与加工成本。
缸盖3，缸盖3通过螺纹连接缸体1的上端。
活塞4，活塞4可分为三个部分：
上活塞杆41，上活塞杆41穿过缸盖3，而且上活塞杆41与缸盖3通过密封圈171和导向套密封活动连接；
中空下活塞杆43，中空下活塞杆43穿过缸体1的下端，中空下活塞杆43与缸体1的下端通过密封圈174和导向套密封活动连接；
上活塞杆41与中空下活塞杆43的外径相同以保证膝关节运动过程中腔体体积保持不变。
活塞体42，活塞体42固定设置于上活塞杆41与中空下活塞杆42之间，活塞体42在缸体1内进行上下运动并将缸体1的内腔分为上腔和下腔。
助伸弹簧5，其中，助伸弹簧5内置于缸体的下腔。
缸体1的内腔的两端分别与钛合金套2配钻有上腔油孔61与下腔油孔62，上腔油孔61位于缸体1的内腔的上端；下腔油孔62位于缸体1的内腔的下端。
注油口7，其中，注油口7设于缸体1的缸壁上，并且从注油口7处打通的油道与上腔油孔61与下腔油孔62交汇形成一条液压油回路6。
注油口堵头8与注油口7通过螺纹连接，两者间设有密封圈177以保证密封性。
其中，流量预调节组件包括：
交错通道式阀体9，其中，交错通道式阀体9的一侧设有异形轴91；
阀体密封座10，其中，阀体密封座上10设置有孔；
异性轴91依次与阀体密封座10上设置的孔、阀体端锥齿轮11与角度传感器12同轴配合，且阀体端锥齿轮11与角度传感器12与异形轴91通过紧定螺钉固定。
还包括：
电机固定座13，其中，阀体密封座10与电机固定座13通过螺钉固定于缸体1的侧壁上。
直流伺服电机14，其中，直流伺服电机14通过螺纹固定于电机固定座13上。
电机端锥齿轮16，其中，直流伺服电机14的输出端通过联轴器15与电机端锥齿轮16连接，阀体端锥齿轮11与电机端锥齿轮16啮合传动。
交错通道式阀体9与阀体密封座10之间以及电机端锥齿轮16与阀体密封座10之间设置有轴承，减少直流伺服电机14带动交错通道式阀体9转动过程中的机械误差。
缸体1与阀体密封座10之间设置有密封圈175，以及阀体密封座10与交错通道式阀体9之间设置有密封圈176，保证液压缸的密封性。
如图2所示，为缸体1的结构示意图。
缸体1的侧壁上设有一个阀门槽19以及两个分别与上腔油孔61和下腔油孔62相交的扇形槽20，使得从油孔流出的液压油可以流入扇形槽20中而不对交错通道式阀体9中的通道之间产生对流冲击。两个扇形槽20的角度分别为55°和150°。
如图3所示，为交错通道式阀体9的结构示意图和剖视图。
交错通道式阀体9设置有屈曲油道92和伸展油道93，且两条油道的轴线为异面直线，使得两条油道互不影响且呈一定的角度关系，此角度关系为：将两条油道的轴线投影于阀体端面，轴线一端相交于阀体边缘线上的一点，另一端互成27.5°；交错通道式阀体9的两个端面设有一圈凸起，减少阀体与缸体1与阀体密封座10的接触面积，阀体放置于阀门槽19内；屈曲油道92和伸展油道93中分别异向地设置单向阀94。
如图1～图3所示，直流伺服电机14通述阀体端锥齿轮11与电机端锥齿轮16啮合传动，调节交错通道式阀体9的旋转角度，通过阀体中屈曲油道92和伸展油道93与扇形槽20的配合间隙来改变阀体中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，并且在阀门轴端设置角度传感器12实现了电机的全闭环控制。
如图4所示，为交错通道式阀体所处的各个状态示意图。
在图4A中，交错通道式阀体9处于初始状态，此时屈曲油道92和伸展油道93都与扇形槽20重合，液压油可以在屈曲油道92和伸展油道93内分别单向流通。
在如图4B中，交错通道式阀体9在直流伺服电机14的转动带动下逆时针旋转至25°时，屈曲油道92与扇形槽20保持重合，伸展油道93与扇形槽20逐渐交错至完全关闭的状态。
在图4C中，交错通道式阀体9从初始状态顺时针旋转至30°时，屈曲油道92与扇形槽20逐渐交错至完全关闭的状态，伸展油道93与扇形槽20保持重合。
在图4D中，交错通道式阀体9从C状态继续顺时针旋转30°时，屈曲油道92与扇形槽20保持完全关闭状态，伸展油道93与扇形槽202逐渐交错至完全关闭的状态。
当膝关节屈曲运动时，活塞4在重力作用下向下运动，同时压缩助伸弹簧5进行储能，液压油通过下腔油孔62进入液压回路6到达扇形槽20，交错通道式阀体9在直流伺服电机14带动下转动至预设角度，伸展油道93内单向阀94关闭，而通过改变屈曲油道92与扇形槽20重合面积，进而改变液压油的流通面积，使得膝关节屈曲时所受的阻尼力改变。
当膝关节伸展运动时，助伸弹簧5储存的能量得到释放，为活塞4向上运动提供助力，液压油通过下腔油孔61进入扇形槽20，交错通道式阀体9在直流伺服电机14带动下转动至预设角度，屈曲油道92内单向阀94关闭，而通过改变伸展油道93与扇形槽20重合面积，进而改变液压油的流通面积，使得膝关节伸展时所受的阻尼力改变。
除了上述几处密封圈之外，还包括若干其他的密封圈17。
有设置于缸盖3与缸体1之间的密封圈172、活塞体42与钛合金套2之间的密封圈173。
上活塞杆41和中空下活塞杆43的外径相等，两者与缸盖3和缸体1之间分别设有导向套18，保证上活塞杆41直线运动时与缸体1之间的同轴度.
交错通道式阀体9与阀体密封座10之间以及电机端锥齿轮16与阀体密封座10之间设置有轴承，减少直流伺服电机14带动交错通道式阀体9转动过程中的机械误差。
本发明实施例提供的一种用于智能膝关节假肢的单回路双向流量预调节阻尼缸的作用与效果如下：
由于在穿戴者行走过程中，膝关节非伸即屈，因此活塞杆只能朝一个方向运动，液压回路中的液压油也只能朝一个方向流动。也就是说基于时相的某一时刻，液压阻尼缸实际只需提供屈曲阻尼或者伸展阻尼，但是由于在动态复杂行走环境下，膝关节的屈曲和伸展状态是多变且无法提前预测的，而通过传感器实时测得的运动学信息往往滞后于实际运动状态，因此提前对屈曲阻尼和伸展阻尼进行同时且独立的预调节可以很好地提高步态跟随性和对称性。
本发明通过内置单向阀的交错通道式阀体的设计，实现仅通过一条液压油回路就能调节双向的液压油流动流量，并且其中一条通道与注油口合并，最大限度地减少液压缸开孔数，增大液压缸强度并降低漏油可能性，将阀体内嵌于液压缸侧壁上也降低了加工的难度与易漏油度；仅用一个电机就实现了膝关节液压阻尼双向同时独立控制，且阻尼调节连续，相比两个电机控制的液压阻尼缸结构，一个电机控制使得机构体积小，重量减轻，耗电减少；能够有效避免作用于阻尼缸中电机的轴向载荷，避免了因载荷过大引起电机失步和阻尼调节失败的情况；能够有效避免从液压油通道流出的液压油对阀体直接对流冲击而产生较大的切向力，大大减少了电机控制阀门转动所需的力矩，减少了耗电量，提高了电机的控制性能；并且结构精巧且易于加工。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于智能膝关节假肢的单回路双向流量预调节阻尼缸，其特征在于，包括：
缸部；
流量预调节组件，所述流量预调节组件位于所述缸部的一侧；
所述缸部包括：
缸体；
钛合金套，所述钛合金套同轴嵌套于所述缸体的内部；
缸盖，所述缸盖通过螺纹连接所述缸体的上端；
活塞，所述活塞在所述缸体内进行上下运动并将所述缸体的内腔分为上腔与下腔；
助伸弹簧，所述助伸弹簧内置于所述缸体的所述下腔；
上腔油孔，所述上腔油孔位于所述缸体的内腔的上端并与所述钛合金套配钻；
下腔油孔，所述下腔油孔位于所述缸体的内腔的下端并与所述钛合金套配钻；
注油口，所述注油口设于所述缸体的缸壁上；
注油口堵头，所述注油口堵头与所述注油口通过螺纹连接；
从所述注油口处打通的油道与所述上腔油孔和所述下腔油孔交汇形成一条液压油回路；
所述流量预调节组件包括：
交错通道式阀体，所述交错通道式阀体的一侧设有异形轴；
阀体密封座，所述阀体密封座上设置有孔；
所述异形轴依次与所述阀体密封座上设置的所述孔、阀体端锥齿轮与角度传感器同轴配合；
所述阀体端锥齿轮与所述角度传感器与所述异形轴通过紧定螺钉固定；
还包括：
电机固定座，所述阀体密封座与所述电机固定座通过螺钉固定于所述缸体的侧壁上；
直流伺服电机，所述直流伺服电机通过螺纹固定于所述电机固定座上；
电机端锥齿轮，所述直流伺服电机的输出端通过联轴器与所述电机端锥齿轮连接，所述阀体端锥齿轮与所述电机端锥齿轮啮合传动。
2.如权利要求1所述的用于智能膝关节假肢的单回路双向流量预调节阻尼缸，其特征在于，所述活塞可分为：
上活塞杆，所述上活塞杆穿过所述缸盖；
中空下活塞杆，所述中空下活塞杆穿过所述缸体的下端；
活塞体，所述活塞体固定设置于所述上活塞杆与所述中空下活塞杆之间，所述活塞体在所述缸体内进行上下运动并将所述缸体的内腔分为所述上腔与所述下腔。
3.如权利要求2所述的用于智能膝关节假肢的单回路双向流量预调节阻尼缸，其特征在于，所述缸体的侧壁上设有一个阀门槽以及两个分别与所述上腔油孔和所述下腔油孔相交的扇形槽，使得从油孔流出的液压油可以流入所述扇形槽中而不对所述交错通道式阀体中的通道之间产生对流冲击。
4.如权利要求3所述的用于智能膝关节假肢的单回路双向流量预调节阻尼缸，其特征在于，所述两个扇形槽的角度分别为55°和150°。
5.如权利要求3所述的用于智能膝关节假肢的单回路双向流量预调节阻尼缸，其特征在于，所述交错通道式阀体设置有屈曲油道和伸展油道，且两条油道的轴线为异面直线，使得两条油道互不影响且呈一定的角度关系。
6.如权利要求5所述的用于智能膝关节假肢的单回路双向流量预调节阻尼缸，其特征在于，所述角度关系为：将所述屈曲油道和所述伸展油道的轴线投影于所述交错通道式阀体的端面，所述轴线的一端相交于所述交错通道式阀体的边缘线上的一点，与所述轴线的另一端互成27.5°；所述交错通道式阀体的两个端面设有一圈凸起，减少所述交错通道式阀体与所述缸体和所述阀体密封座的接触面积；所述交错通道式阀体放置于所述阀门槽内；所述屈曲油道和所述伸展油道中分别异向地设置单向阀。
7.如权利要求5所述的用于智能膝关节假肢的单回路双向流量预调节阻尼缸，其特征在于，所述直流伺服电机通过所述阀体端锥齿轮与所述电机端锥齿轮的啮合传动，调节所述交错通道式阀体的旋转角度，通过所述交错通道式阀体中的所述屈曲油道和所述伸展油道与所述扇形槽的配合间隙来改变所述交错通道式阀体中的两个液压油通道的流量面积，进而改变所述缸体的内腔的所述上腔与所述下腔流动的流量，并且通过设置的所述角度传感器实现所述直流伺服电机的全闭环控制。
8.如权利要求5所述的用于智能膝关节假肢的单回路双向流量预调节阻尼缸，其特征在于，还包括若干密封圈；所述若干密封圈设置于所述缸盖与所述上活塞杆之间、所述缸盖与所述缸体之间、所述活塞体与所述钛合金套之间、所述缸体与所述中空下活塞杆之间、所述缸体与所述阀体密封座之间、所述阀体密封座与所述交错通道式阀体之间以及所述注油口堵头与所述注油口之间。
9.如权利要求5所述的用于智能膝关节假肢的单回路双向流量预调节阻尼缸，其特征在于，所述上活塞杆和所述中空下活塞杆的外径相等，两者与所述缸盖和所述缸体之间分别设有导向套，保证所述上活塞杆直线运动时与所述缸体之间的同轴度；所述交错通道式阀体与所述阀体密封座之间以及所述电机端锥齿轮与所述阀体密封座之间设置有轴承，减少所述直流伺服电机带动所述交错通道式阀体转动过程中的机械误差。
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