CN112168437A - 一种用于智能膝关节装置的液压控制单元 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于智能膝关节装置的液压控制单元，包括液压机构、传动机构、动力机构和关节轴承，动力机构包括第一动力机构和第二动力机构，第一动力机构和第二动力机构均包括控制板、伺服电机、电位计、减速器和动力机构输出轴。本发明公开的用于智能膝关节装置的液压控制单元，电位计、控制板、伺服电机、减速器等组成了智能控制系统，可以极高频率动态控制调节液压阻尼大小，动力机构通过传动机构控制液压机构的压缩阻尼调节旋钮和回复阻尼调节旋钮的旋转，能通过改变输油管内的流量大小来调节阻尼大小，形成独有的液压阻尼缓冲，运动柔顺，灵敏度高，使得该液压控制单元具备能根据需要自行智能调节液压阻尼大小的能力。

Description

一种用于智能膝关节装置的液压控制单元
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种用于智能膝关节装置的液压控制单元。
背景技术
随着因交通事故、疾病等原因导致的下肢截肢的患者逐渐增多，各种下肢假肢不断涌入市场，不仅在外观和功能上弥补了肢体缺陷所带来的不足，同时使截肢者可以自由地参与正常的生活和工作，满足了截肢患者回归社会的强烈意愿。膝关节装置作为下肢假肢的核心部件之一，其性能的优劣影响着患者步态及舒适度与否。
目前国内现有的假肢膝关节装置多为机械式、气压式以及液压式等形式，还没有可根据需要自行调节液压阻尼大小的智能液压膝关节产品，很大程度上限制了患者的运动需求和功能需求，难以满足患者的期望。究其原因，是现有的假肢膝关节装置中缺乏一种可根据需要自行智能调节液压阻尼大小的液压控制单元。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于智能膝关节装置的液压控制单元，用以解决现有的假肢膝关节装置中缺乏可根据需要自行智能调节液压阻尼大小的液压控制单元的问题。
本发明提供一种用于智能膝关节装置的液压控制单元，包括液压机构、传动机构和动力机构，所述液压机构包括液压缸和活塞杆，所述液压缸底部设置有压缩阻尼调节旋钮和回复阻尼调节旋钮，所述压缩阻尼调节旋钮和所述回复阻尼调节旋钮分别与活塞杆压缩状态和伸长状态时关联；所述传动机构包括第一从带轮、第二从带轮、安装支架、第一传动组件和第二传动组件，所述第一从带轮和所述第二从带轮分别设置于所述压缩阻尼调节旋钮和所述回复阻尼调节旋钮上；所述安装支架固定套设液压缸的外壁，所述第一传动组件和所述第二传动组件分别设置于所述安装支架的两侧；所述动力机构包括分别设置于所述安装支架两侧的第一动力机构和第二动力机构，所述第一动力机构和所述第二动力机构均包括控制板、伺服电机、电位计、减速器和动力机构输出轴，所述伺服电机的输出轴通过所述减速器与所述动力机构输出轴相连；所述电位计设置于所述动力机构输出轴上，用于检测和记录所述动力机构输出轴转过的角度；所述伺服电机、所述电位计和所述减速器均通过有线与所述控制板相连；所述液压机构的第一从带轮通过所述第一传动组件与所述第一动力机构动力机构输出轴连接；所述液压机构的第二从带轮通过所述第二传动组件与所述第二动力机构的动力机构输出轴连接。
优选地，所述液压机构包括液压缸、活塞杆、压缩调节旋钮、回复调节旋钮、海绵蓄能器、反向单向阀和正向单向阀，所述活塞杆插设于液压缸内将所述液压缸分为位于上部的有活塞杆的有杆腔部和位于下部的无活塞杆的无杆腔部；无杆腔部的底部通过输油管连接压缩调节旋钮的进油端，所述压缩调节旋钮的出油端通过输油管连接至回复调节旋钮的进油端，所述回复调节旋钮的出油端通过输油管连接有杆腔部，且所述压缩调节旋钮的两端并联连接有正向单向阀，所述回复调节旋钮的两端并联连接有反向单向阀；所述海绵蓄能器有多个蓄压海绵组成，所述压缩调节旋钮的出油端与回复调节旋钮的进油端之间通过输油管与海绵蓄能器连通；所述压缩阻尼调节旋钮和所述回复阻尼调节旋钮分别与压缩调节旋钮和回复调节旋钮相关联。
优选地，所述液压缸的底部设置有底部连接块，所述活塞杆顶部设置有关节轴承。
优选地，所述第一传动组件包括左导向支架、左主带轮和第一同步带，所述第二传动组件包括右导向支架、右主带轮和第二同步带，所述左导向支架和所述右导向支架分别设置于所述安装支架的两侧，所述左主带轮和所述右主带轮分别设置于所述左导向支架和所述右导向支架内；所述左主带轮通过所述第一同步带与所述第一从带轮连接，所述右主带轮通过所述第二同步带与所述第二从带轮连接。
优选地，所述第一动力机构的动力机构输出轴与所述左主带轮通过齿轮连接，所述第二动力机构的动力机构输出轴与所述右主带轮通过齿轮连接。
优选地，所述第一动力机构和所述第二动力机构分别设置于所述左导向支架和所述右导向支架的内部且固定于所述安装支架的外壁上。
本发明的有益效果是：
本发明公开的一种用于智能膝关节装置的液压控制单元，采用伺服电机作为驱动元件，电位计检测和记录动力机构输出轴转过的角度，并将信息传递至控制板，控制板利用动力机构输出轴的转动角度进而计算出回复阻尼调节旋钮或压缩阻尼调节旋钮应该转动的角度，控制板向伺服电机、减速器发送控制指令以调整动力机构输出轴的转速，通过减速器减速至适宜后分别通过第一传动组件和第二传动组件控制液压机构的压缩阻尼调节旋钮和回复阻尼调节旋钮，压缩阻尼调节旋钮和回复阻尼调节旋钮的调节，能通过改变输油管内的流量大小来调节阻尼大小，进而调节膝关节的屈曲速度和复位速度，以实现对膝关节的调节，传动机构及液压机构的动力传动形成独有的液压阻尼缓冲，运动柔顺，灵敏度高，使得该液压控制单元具备能根据需要自行智能调节液压阻尼大小的能力。以满足患者行走、跑步、防摔、交替腿上下斜坡及楼梯的需求。本发明公开的用于智能膝关节装置的液压控制单元，电位计、控制板、伺服电机、减速器等组成了智能控制系统，可以极高频率动态控制调节液压阻尼大小，传动机构及液压机构的动力传动形成独有的液压阻尼缓冲，运动柔顺，灵敏度高，使得该液压控制单元具备能根据需要自行智能调节液压阻尼大小的能力。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的用于智能膝关节的液压控制单元的正视图；
图2为本发明实施例1提供的用于智能膝关节的液压控制单元的爆炸图；
图3为本发明实施例1提供的液压控制单元的内部结构示意图；
图4为本发明实施例1提供的液压控制单元的动力机构的结构示意图。
具体实施方式
实施例1
实施例1提供一种用于智能膝关节装置的液压控制单元，下面对其结构进行详细描述。
参考图1至图2，该用于智能膝关节装置的液压控制单元包括液压机构1、传动机构2和动力机构，动力机构能通过传动机构2将动力传递至液压机构1，液压机构1能通过改变输油管内的流量大小来调节阻尼大小，进而调节膝关节的屈曲速度和复位速度，以实现对膝关节的调节。具体结构形式如下：
参考图3，液压机构1包括液压缸11、活塞杆12、压缩调节旋钮130、回复调节旋钮140、海绵蓄能器10、反向单向阀131和正向单向阀141。
活塞杆12上部伸出液压缸11，活塞杆12下部插设于液压缸11内将液压缸11分为位于上部的有活塞杆12的有杆腔部和位于下部的无活塞杆12的无杆腔部，有杆腔部和无杆腔部之间通过输油管相连通。
具体地，无杆腔部的底部通过输油管连接压缩调节旋钮130的进油端，压缩调节旋钮130的出油端通过输油管连接至回复调节旋钮140的进油端，回复调节旋钮140的出油端通过输油管连接有杆腔部，且压缩调节旋钮130的两端并联连接有正向单向阀141，回复调节旋钮140的两端并联连接有反向单向阀131。需要指明的是，液压油的正向流通规定为有杆腔部的液压油流至无杆腔部，即正向单向阀141的作用是只能使有杆腔部内的液压油单向流至无杆腔部而不能反向流通，反向单向阀131的作用是只能使无杆腔部内的液压油单向流至有杆腔部而不能反向流通。压缩调节旋钮130和回复调节旋钮140均为调节旋钮，当分别调节压缩调节旋钮130和回复调节旋钮140时，可分别控制输油管内的反向流通时的流量大小和正向流通的流量大小。
海绵蓄能器10有多个蓄压海绵组成，压缩调节旋钮130的出油端与回复调节旋钮140的进油端之间通过输油管与海绵蓄能器10连通。
当活塞杆12向下压缩时，无杆腔部的油液流经压缩调节旋钮130后，一部分储存于海绵蓄能器10内，另外一部分经反向单向阀131回到有杆腔部，由于正向单向阀141处于关闭状态，反向单向阀131处于打开状态，所以只需调节压缩调节旋钮130即可对输液管内液压流量大小进行调节，实现活塞杆12相对于液压缸11压缩过程的阻尼调节。
当活塞杆12向上伸长时，有杆腔部的油液经回复调节旋钮140后，一路直接进入海绵蓄能器10，另一路通过正向单向阀141进入无杆腔部，由于反向单向阀131处于关闭状态，正向单向阀141处于打开状态，所以只需调节回复调节旋钮140即可对输液管内液压流量大小进行调节，实现活塞杆12相对于液压缸11回复过程的阻尼调节。
在活塞杆12向下压缩或向上伸展过程中，当输油管内的油液不足时，海绵蓄能器10内储存的液油可向无杆腔部或有杆腔部供油。
液压缸11底部设置有压缩阻尼调节旋钮13和回复阻尼调节旋钮14，压缩阻尼调节旋钮13和回复阻尼调节旋钮14分别与压缩调节旋钮130和回复调节旋钮140相关联。即当调节压缩阻尼调节旋钮13时，压缩调节旋钮130随之调节；当调节回复阻尼调节旋钮14时，回复调节旋钮140亦随之调节。通过调节压缩阻尼调节旋钮13和回复阻尼调节旋钮14，可以改变输油管内的流量大小，以调节液压阻尼大小，进而调节膝关节的屈曲速度和复位速度，实现对膝关节的调节。
为了方便上下对接，液压缸11的底部设置有底部连接块110，活塞杆12顶部设置有关节轴承120。作为一种具体的实施方式，活塞杆12的输出轴的端部设置有外螺纹，关节轴承120的对接端开始有螺纹孔，且该螺纹孔内设置有内螺纹，活塞杆12的输出轴与关节轴承120的对接端通过螺纹连接。优选地，关节轴承120设置有用于与轴连接的轴承孔，避免了装备误差等原因造成的关节内部应力产生，消除了液压缸11所受的径向力，减少了密封装置的磨损，增加了液压缸11的寿命。
继续参考图1和图2，传动机构2包括第一从带轮151、第二从带轮152、安装支架21、第一传动组件和第二传动组件。
第一从带轮151和第二从带轮152分别设置于压缩阻尼调节旋钮13和回复阻尼调节旋钮14上。
安装支架21固定套设液压缸11的外壁，具体地通过螺钉固定在液压缸11上。第一传动组件和第二传动组件分别设置于安装支架21的两侧。
具体地，第一传动组件包括左导向支架221、左主带轮231和第一同步带241，第二传动组件包括右导向支架222、右主带轮232和第二同步带242。
左导向支架221和右导向支架222分别设置于安装支架21的两侧，具体地，左导向支架221和右导向支架222分别通过螺钉固定在安装支架21的左侧和右侧。
左主带轮231和右主带轮232分别设置于左导向支架221和右导向支架222内。
左主带轮231通过第一同步带241与第一从带轮151连接，右主带轮232通过第二同步带242与第二从带轮152连接。
继续参考图1和图2，动力机构包括分别设置于安装支架21两侧的第一动力机构31和第二动力机构32。
具体地，第一动力机构31和第二动力机构32通过螺钉固定在安装支架21的左侧和右侧，优选地，第一动力机构31和第二动力机构32分别设置于左导向支架221和右导向支架222的内部且通过螺钉固定于安装支架21的外壁上。
参看图4，第一动力机构31和第二动力机构32的内部结构相同，均包括一个控制板40、一个伺服电机41、一个电位计42、一个减速器43和一个动力机构输出轴44。
其中，减速器43主要由多级减速齿轮组成，伺服电机41的输出轴通过减速器43的级减速齿轮与动力机构输出轴44相连；
第一动力机构31的动力机构输出轴44与左主带轮231通过齿轮连接，第二动力机构32的动力机构输出轴44与右主带轮232通过齿轮连接。电位计42设置于动力机构输出轴44上，用于检测并记录动力机构输出轴44转过的角度。伺服电机41输出轴经减速器43的多级减速后，直至输出的动力保持适宜。
控制板40内置有微处理器，伺服电机41、电位计42和减速器43均通过有线与控制板40的微处理器相连。
当活塞杆12向下压缩或向上伸长时，液压机构1通过压缩阻尼调节旋钮13及与之相配的第一从带轮151、第一同步带241、左主带轮231与第一动力机构31的动力机构输出轴44形成关联运动；液压机构1通过回复阻尼调节旋钮14及与之相配的第二从带轮152、第二同步带242、右主带轮232与第二动力机构32的动力机构输出轴44形成关联运动。
工作原理：
电位计42检测并记录动力机构输出轴44转过的角度，并将信息传递至控制板40；
控制板40的微处理器利用动力机构输出轴44的转动角度进而计算出压缩阻尼调节旋钮13或回复阻尼调节旋钮14应该转动的角度；
控制板40向第一动力机构31和/或第二动力机构32的伺服电机41和减速器43发送控制指令；
伺服电机41和减速器43收到控制指令后，调整转速至第一动力机构31和/或第二动力机构32的动力机构输出轴44的转速适宜；
第一动力机构31的动力机构输出轴44通过左主带轮231、第一同步带241、第一从带轮151调节压缩阻尼调节旋钮13，由于调节压缩阻尼调节旋钮13时，因此压缩调节旋钮130亦随之调节，调节压缩调节旋钮130即可对输液管内液压流量大小进行调节，反作用于活塞杆12相对于液压缸11压缩过程的阻尼调节，以实现活塞杆12向下压缩或；或者，第二动力机构32的动力机构输出轴44通过右主带轮232、第二同步带242、第二从带轮152调节回复阻尼调节旋钮14，由于调节回复阻尼调节旋钮14时，回复调节旋钮140随之调节，调节回复调节旋钮140可对输液管内液压流量大小进行调节，反作用于活塞杆12相对于液压缸11伸长过程的阻尼调节，以实现活塞杆12向上伸长。
因此，压缩阻尼调节旋钮13和回复阻尼调节旋钮14的调节作用，可以动态改变输油管内的流量大小，从而实现动态控制液压机构1的液压阻尼大小，进而调节膝关节的屈曲速度和复位速度，实现对膝关节的调节，以满足患者行走、跑步、防摔、交替腿上下斜坡及楼梯的需求。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种用于智能膝关节装置的液压控制单元，其特征在于，包括液压机构(1)、传动机构(2)和动力机构，
所述液压机构(1)包括液压缸(11)和活塞杆(12)，所述液压缸(11)底部设置有压缩阻尼调节旋钮(13)和回复阻尼调节旋钮(14)，所述压缩阻尼调节旋钮(13)和所述回复阻尼调节旋钮(14)分别与活塞杆(12)压缩状态和伸长状态时关联；
所述传动机构(2)包括第一从带轮(151)、第二从带轮(152)、安装支架(21)、第一传动组件和第二传动组件，
所述第一从带轮(151)和所述第二从带轮(152)分别设置于所述压缩阻尼调节旋钮(13)和所述回复阻尼调节旋钮(14)上；
所述安装支架(21)固定套设液压缸(11)的外壁，所述第一传动组件和所述第二传动组件分别设置于所述安装支架(21)的两侧；
所述动力机构包括分别设置于所述安装支架(21)两侧的第一动力机构(31)和第二动力机构(32)，
所述第一动力机构(31)和所述第二动力机构(32)均包括控制板(40)、伺服电机(41)、电位计(42)、减速器(43)和动力机构输出轴(44)，
所述伺服电机(41)的输出轴通过所述减速器(43)与所述动力机构输出轴(44)相连；
所述电位计(42)设置于所述动力机构输出轴(44)上，用于检测和记录所述动力机构输出轴(44)转过的角度；
所述伺服电机(41)、所述电位计(42)和所述减速器(43)均通过有线与所述控制板(40)相连；
所述液压机构(1)的第一从带轮(151)通过所述第一传动组件与所述第一动力机构(31)动力机构输出轴(44)连接；所述液压机构(1)的第二从带轮(152)通过所述第二传动组件与所述第二动力机构(32)的动力机构输出轴(44)连接。
2.如权利要求1所述的液压控制单元，其特征在于，
所述液压机构(1)包括液压缸(11)、活塞杆(12)、压缩调节旋钮(130)、回复调节旋钮(140)、海绵蓄能器(10)、反向单向阀(131)和正向单向阀(141)，
所述活塞杆(12)插设于液压缸(11)内将所述液压缸(11)分为位于上部的有活塞杆(12)的有杆腔部和位于下部的无活塞杆(12)的无杆腔部；
无杆腔部的底部通过输油管连接压缩调节旋钮(130)的进油端，所述压缩调节旋钮(130)的出油端通过输油管连接至回复调节旋钮(140)的进油端，所述回复调节旋钮(140)的出油端通过输油管连接有杆腔部，且所述压缩调节旋钮(130)的两端并联连接有正向单向阀(141)，所述回复调节旋钮(140)的两端并联连接有反向单向阀(131)；
所述海绵蓄能器(10)有多个蓄压海绵组成，所述压缩调节旋钮(130)的出油端与回复调节旋钮(140)的进油端之间通过输油管与海绵蓄能器(10)连通；
所述压缩阻尼调节旋钮(13)和所述回复阻尼调节旋钮(14)分别与压缩调节旋钮(130)和回复调节旋钮(140)相关联。
3.如权利要求1所述的液压控制单元，其特征在于，
所述液压缸(11)的底部设置有底部连接块(110)，所述活塞杆(12)顶部设置有关节轴承(120)。
4.如权利要求1所述的液压控制单元，其特征在于，
所述第一传动组件包括左导向支架(221)、左主带轮(231)和第一同步带(241)，所述第二传动组件包括右导向支架(222)、右主带轮(232)和第二同步带(242)，
所述左导向支架(221)和所述右导向支架(222)分别设置于所述安装支架(21)的两侧，
所述左主带轮(231)和所述右主带轮(232)分别设置于所述左导向支架(221)和所述右导向支架(222)内；
所述左主带轮(231)通过所述第一同步带(241)与所述第一从带轮(151)连接，所述右主带轮(232)通过所述第二同步带(242)与所述第二从带轮(152)连接。
5.如权利要求4所述的液压控制单元，其特征在于，
所述第一动力机构(31)的动力机构输出轴(44)与所述左主带轮(231)通过齿轮连接，所述第二动力机构(32)的动力机构输出轴(44)与所述右主带轮(232)通过齿轮连接。
6.如权利要求4或5所述的液压控制单元，其特征在于，
所述第一动力机构(31)和所述第二动力机构(32)分别设置于所述左导向支架(221)和所述右导向支架(222)的内部且固定于所述安装支架(21)的外壁上。
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