CN114876998A - 一种气液混合机械关节用智能阻尼缸 - Google Patents

一种气液混合机械关节用智能阻尼缸 Download PDF

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Abstract

一种气液混合机械关节用智能阻尼缸属医疗康复器械技术领域，本发明的阻尼缸为气液混合型，缸体中设有两个调节阀，并由电机和STM32芯片控制，既可实时调节压缩和伸展时的阻尼力，又可针对不同运动状态自动切换运动模式；本发明的活塞杆部件在外力和气缸的气压作用下，活塞杆在缸体内上下运动，底部的气缸活塞在气缸内运动；调节阀中的金属球可视为单向阀，能控制液压油的单向流动；通过控制调节阀和针对油路的节流面积大小来调节液压缸阻尼力；由气缸中的气体压缩实现蓄能作用。本发明能自动判断运动状态，实现阻尼力双向实时调节适应不同关节所需，使假肢更加灵活；本发明结构紧凑，可实现机械关节轻量化。

Description

一种气液混合机械关节用智能阻尼缸
技术领域
本发明属医疗康复器械技术领域，具体涉及一种气液混合机械关节用智能阻尼缸。
背景技术
普通被动型膝关节假肢单纯地依靠关节的功能结构和被动元件来保证膝关节正常的运动和力矩特征。人类在行走时，一条腿在膝盖处弯曲，并被抬到地面以上。在下一步态中，为了腿部再次被地面支撑，腿部必须完全伸展。而由于存在末端冲击，如果假体没有减速，就会产生非常明显的噪音，而且末端冲击也会对假体装置本身的结构原件产生影响而导致损坏。液压阻尼缸是被动型膝关节假肢的关键部件，可降低机械膝关节在运动过程中的振动和冲击问题。现有膝关节阻尼缸存在体积较大，阻尼调节范围有限等缺点，并且无法针对人体的不同运动状态进行相对的调节。为解决上述问题，则需要设计一款体积适当，运动灵活的阻尼缸，以提高关节运动的平稳性，并且能够根据不同的运动状态进行实时阻尼调节，模拟出更接近与人体的运动状态。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能提高假肢关节运动性能，对不同运动模式进行实时阻尼调节的气液混合机械关节用智能阻尼缸。
本发明由气缸组件A、缸体组件B、活塞杆组件C、电路板ⅠD、电路板ⅡE、调节阀组件ⅠF、调节阀组件ⅡG、活塞Ⅰ1、端盖2、金属球Ⅰ3、金属球Ⅱ4、密封帽5、电机Ⅰ6、电机Ⅱ7、加气阀8和底盖9组成，其中气缸A由吊耳10、下管11、电机仓Ⅰ12、电机仓Ⅱ13和气缸14组成；所述的缸体组件B由缸体15、侧油缸Ⅰ16和侧油缸Ⅱ17组成，缸体15上端设有孔18，侧油缸Ⅰ16内设有油路Ⅰ21，油路Ⅰ21近下端设有调节阀座Ⅰ20；侧油缸Ⅱ17上端设有密封口23；所述的电路板ⅠD和电路板ⅡE均外接电源输入；气缸组件A、缸体组件B和活塞杆组件C自下而上顺序排列；活塞Ⅰ1与气缸组件A的气缸14内壁滑动连接；活塞杆组件C的活塞杆29与缸体组件B的孔18滑动连接；活塞杆组件C的活塞Ⅱ30与缸体组件B的缸体15内壁滑动连接；金属球Ⅱ4置于缸体组件B中侧油缸Ⅱ17的密封口23内，密封帽5固接于密封口23上端；金属球Ⅰ3置于缸体组件B中侧油缸Ⅰ16的调节阀座Ⅰ20内；电机Ⅰ6固接于气缸组件A的电机仓Ⅰ12内，电机Ⅰ6的上端输出轴与调节阀组件ⅠF中调节阀Ⅰ32的下端固接；电机Ⅱ7固接于气缸组件A的电机仓Ⅱ13内，电机Ⅱ7的上端输出轴与调节阀组件ⅡG中调节阀Ⅱ35的下端固接；加气阀8置于气缸组件A的下管11内，下管11后端与底盖9螺纹连接；电路板ⅠD固接于气缸组件A中电机仓Ⅰ12的右侧面；电路板ⅡE固接于气缸组件A中电机仓Ⅱ13的左侧面；气缸组件A的上部与缸体组件B的下部固接。
所述的气缸A的吊耳10设于气缸14下端；电机仓Ⅱ13和电机仓Ⅰ12左右平行排列，并设于气缸14后面；下管11与气缸14连通，开口于气缸14下后方。
所述的缸体组件B中侧油缸Ⅱ17和侧油缸Ⅰ16左右平行排列，并固接于缸体15后面；侧油缸Ⅰ16的油路Ⅰ21上端设有与缸体15连通的上油口Ⅰ22，调节阀座Ⅰ20下部设有与缸体15连通的下油口Ⅰ19；侧油缸Ⅱ17内设有油路Ⅱ25，油路Ⅱ25上端设有与缸体15连通的上油口Ⅱ24，油路Ⅱ25近下端设有调节阀座Ⅱ26，调节阀座Ⅱ26下部设有与缸体15连通的下油口Ⅱ27。
所述的活塞杆组件C的活塞杆29上端与铰链28下面固接，活塞杆29下端与活塞Ⅱ30上面固接。
所述的调节阀组件ⅠF的扇形槽Ⅰ31设于调节阀Ⅰ32上端，调节阀Ⅰ32下端设有内六角孔Ⅰ33；所述的调节阀组件ⅡG的扇形槽Ⅱ34设于调节阀Ⅱ35上端，调节阀Ⅱ35下端设有内六角孔Ⅱ36。
所述的电路板ⅠD内置电机驱动芯片37、电源模块Ⅰ38、电源接口Ⅰ39及通信接口Ⅰ40；所述的电路板ⅡE内置STM32芯片处理器41、惯性传感器IMU42、速度传感器模块43、压力传感器模块44、电源接口Ⅱ45及通信接口Ⅱ46。
本发明的有益效果在于：
(1)阻尼缸结构紧凑，质量较小。由于气体的可压缩特性，可以避免假肢触地期的末端撞击，在腿部达到完全伸展之前放慢速度，且气体压强可通过充放气调节，调节范围更大，操作简便。由于液体的不可压缩性，液压缸部分能承受更大的力，可以使活塞杆速度平稳地变化，调速范围大，操作方便。
(2)缸体两侧设计有两个可调阀门，为双通道单向可调阀门的结构，两条油路并联以实现双向独立阻尼调节，调节油路结构和阀门的空间结构，适应不同患者不同运动状态下，关节所需的不同阻尼力，接近人体膝关节的运动，获得相对平稳的运动。
(3)在不同运动状态时，如上楼梯、下楼梯、上坡、下坡、行走、站立等运动状态，电路板上的传感器会收集人体运动时的物理信号，经过相应算法处理，判定运动状态，实时调节阻尼缸产生的阻尼力，使关节运动更加灵活，既能很好地提升了患者的使用体验，又提高了假肢的安全性。
附图说明
图1为气液混合机械关节用智能阻尼缸的爆炸图；
图2为气液混合机械关节用智能阻尼缸立体图；
图3为气缸组件A的立体图；
图4为气缸组件A的剖视图；
图5为缸体组件B的立体图；
图6为缸体组件B的剖视图；
图7为缸体组件B的局部剖视图；
图8为活塞杆组件C的立体图；
图9为调节阀ⅠF的立体图；
图10为调节阀ⅡG的立体图；
图11为调节阀ⅠF的俯视图；
图12为调节阀ⅡG的俯视图；
图13为电路板ⅠD的模块简图；
图14为电路板ⅡE的模块简图；
图15为气液混合机械关节用智能阻尼缸的后视图；
图16为活塞杆向下运动时，图15中A-A截面的工作油路示意图；
图17为活塞杆向下运动时，图15中B-B截面的工作油路示意图；
图18为活塞杆向下运动时，图15中D-D截面的工作油路示意图；
图19为活塞杆向下运动时，图15中C-C截面的工作油路示意图；
图20为活塞杆向上运动时，图15中A-A截面的工作油路示意图；
图21为活塞杆向上运动时，图15中B-B截面的工作油路示意图；
图22为活塞杆向上运动时，图15中D-D截面的工作油路示意图；
图23为活塞杆向上运动时，图15中C-C截面的工作油路示意图；
图24为气液混合机械关节用智能阻尼缸运动状态下的调控流程图；
其中：A.气缸组件B.缸体组件C.活塞杆组件D.电路板ⅠE.电路板ⅡF.调节阀组件ⅠG.调节阀组件Ⅱ1.活塞Ⅰ2.端盖3.金属球Ⅰ4.金属球Ⅱ5.密封帽6.电机Ⅰ7.电机Ⅱ8.加气阀9.底盖10.吊耳11.下管12.电机仓Ⅰ13.电机仓Ⅱ14.气缸15.缸体16.侧油缸Ⅰ17.侧油缸Ⅱ18.孔19.下油口Ⅰ20.调节阀座Ⅰ21.油路Ⅰ22.上油口Ⅰ23.密封口24.上油口Ⅱ25.油路Ⅱ26.调节阀座Ⅱ27.下油口Ⅱ28.铰链29.活塞杆30.活塞Ⅱ31.扇形槽Ⅰ32.调节阀Ⅰ33.内六角孔Ⅰ34.扇形槽Ⅱ35.调节阀Ⅱ36.内六角孔Ⅱ37.电机驱动芯片38.电源模块Ⅰ39.电源接口Ⅰ40.通信接口Ⅰ41.STM32芯片处理器42.惯性传感器IMU 43.速度传感器模块44.压力传感器模块45.电源接口Ⅱ46.通信接口Ⅱ。
具体实施方式
下面结合附图描述本发明。
如图1和图2所示，本发明由气缸组件A、缸体组件B、活塞杆组件C、电路板ⅠD、电路板ⅡE、调节阀组件ⅠF、调节阀组件ⅡG、活塞Ⅰ1、端盖2、金属球Ⅰ3、金属球Ⅱ4、密封帽5、电机Ⅰ6、电机Ⅱ7、加气阀8和底盖9组成，所述的电路板ⅠD和电路板ⅡE均外接电源输入；气缸组件A、缸体组件B和活塞杆组件C自下而上顺序排列；活塞Ⅰ1与气缸组件A的气缸14内壁滑动连接；活塞杆组件C的活塞杆29与缸体组件B的孔18滑动连接；活塞杆组件C的活塞Ⅱ30与缸体组件B的缸体15内壁滑动连接；金属球Ⅱ4置于缸体组件B中侧油缸Ⅱ17的密封口23内，密封帽5固接于密封口23上端；金属球Ⅰ3置于缸体组件B中侧油缸Ⅰ16的调节阀座Ⅰ20内；电机Ⅰ6固接于气缸组件A的电机仓Ⅰ12内，电机Ⅰ6的上端输出轴与调节阀组件ⅠF中调节阀Ⅰ32的下端固接；电机Ⅱ7固接于气缸组件A的电机仓Ⅱ13内，电机Ⅱ7的上端输出轴与调节阀组件ⅡG中调节阀Ⅱ35的下端固接；加气阀8置于气缸组件A的下管11内，下管11后端与底盖9螺纹连接；电路板ⅠD固接于气缸组件A中电机仓Ⅰ12的右侧面；电路板ⅡE固接于气缸组件A中电机仓Ⅱ13的左侧面；气缸组件A的上部与缸体组件B的下部固接。图2为气液混合型被动机械关节用阻尼缸的主视图。
如图3和图4所示，所述的气缸A由吊耳10、下管11、电机仓Ⅰ12、电机仓Ⅱ13和气缸14组成，其中吊耳10设于气缸14下端；电机仓Ⅱ13和电机仓Ⅰ12左右平行排列，并设于气缸14后面；下管11与气缸14连通，开口于气缸14下后方。
如图5至图7所示，所述的缸体组件B由缸体15、侧油缸Ⅰ16和侧油缸Ⅱ17组成，缸体15上端设有孔18，侧油缸Ⅰ16内设有油路Ⅰ21，油路Ⅰ21近下端设有调节阀座Ⅰ20；侧油缸Ⅱ17上端设有密封口23；
侧油缸Ⅱ17和侧油缸Ⅰ16左右平行排列，并固接于缸体15后面；侧油缸Ⅰ16的油路Ⅰ21上端设有与缸体15连通的上油口Ⅰ22，调节阀座Ⅰ20下部设有与缸体15连通的下油口Ⅰ19；侧油缸Ⅱ17内设有油路Ⅱ25，油路Ⅱ25上端设有与缸体15连通的上油口Ⅱ24，油路Ⅱ25近下端设有调节阀座Ⅱ26，调节阀座Ⅱ26下部设有与缸体15连通的下油口Ⅱ27。
如图8所示，所述的活塞杆组件C由活塞Ⅱ30、活塞杆29和铰链28组成，活塞杆29上端与铰链28下面固接，活塞杆29下端与活塞Ⅱ30上面固接。
如图9至图12所示，所述的调节阀组件ⅠF由调节阀Ⅰ32和扇形槽Ⅰ31组成，扇形槽Ⅰ31设于调节阀Ⅰ32上端，调节阀Ⅰ32下端设有内六角孔Ⅰ33；调节阀组件ⅡG由扇形槽Ⅱ34和调节阀Ⅱ35组成，调节阀Ⅱ35上端设有扇形槽Ⅱ34，调节阀Ⅱ35下端设有内六角孔Ⅱ36。
如图13所示，所述的电路板ⅠD内置电机驱动芯片37、电源模块Ⅰ38、电源接口Ⅰ39及通信接口Ⅰ40。
如图14所示，所述的电路板ⅡE内置STM32芯片处理器41、惯性传感器IMU42、速度传感器模块43、压力传感器模块44、电源接口Ⅱ45及通信接口Ⅱ46，通信接口Ⅰ40与通信接口Ⅱ46进行数据传输。
如图15至图19所示，本发明在常规使用中，活塞杆组件C向下运动时，各个截面的工作油路示意图。此时油路Ⅱ25为主要控制油路，调节阀组件ⅡG为控制阀门。活塞杆组件C向下运动，油的流动方向如图(箭头所示)。一部分液压油流入气缸组件A的气缸14，活塞1在液压油的推动下向下运动，使气缸组件A内部气缸14中的气体压缩，积蓄能量。缸体15中的一部分液压油从下下油口Ⅱ27流入调节阀座Ⅱ26，经过调节阀组件ⅡG顶部的扇形槽Ⅰ31后依次流入油路Ⅱ25、上油口Ⅱ24。当液压油流入密封口23后，液压油将密封口23中放置的金属球Ⅱ4推开，使液压油能够顺利流入上油口Ⅱ24。少部分液压油从下油口Ⅰ19会流入调节阀座Ⅰ20，金属球Ⅰ3在液压油的推动下，与油路Ⅰ21下方入口紧密贴合，以此封闭油路Ⅰ21。在此阶段，调节阀组件ⅡG在电机Ⅱ7带动下转动，以改变扇形槽Ⅱ34正对下油口Ⅱ27的横截面积，改变通过下油口Ⅱ27液压油流量，从而进行阻尼调节。
如图20至图23所示，本发明在常规使用中，活塞杆组件C向上运动时油路Ⅰ21为主要控制油路，调节阀组件ⅠF为控制阀门。活塞杆组件C向上运动，油的流动方向如图(箭头所示)。使气缸组件A内部气缸14中的气体膨胀做功，积蓄的能量开始释放。气缸组件A的气缸14中的液压油流回缸体15，活塞1在气体压力的推动下向上运动。缸体15上部的液压油从上油口Ⅱ22流入油路Ⅰ21，经过调节阀组件ⅠF顶部的扇形槽Ⅰ31后流经调节阀座Ⅰ20，下油口Ⅰ19后流回缸体15下部。当液压油流入调节阀座Ⅰ20后，液压油将调节阀座Ⅰ20中放置的，金属球Ⅰ3推开，使液压油能够顺利流入上油口Ⅱ24。少部分液压油会从上油口Ⅱ24会流入密封口23，金属球Ⅱ4在液压油的推动下，与油路Ⅱ25上方入口紧密贴合，以此封闭油路Ⅱ25。在此阶段，调节阀组件ⅠF在电机Ⅰ6带动下转动，以改变调节扇形槽Ⅰ31正对下油口Ⅰ19的横截面积，改变通过下油口Ⅰ19液压油流量，从而进行阻尼调节。
如图24所示，当人体开始运动，假肢触地，此时集成于电路板ⅡE上的惯性传感器IMU 42、速度传感器模块43、压力传感器模块44接受物理信号并转化为电信号，电信号传入到STM32芯片处理器41中。信号在STM32芯片处理器41和算法的处理后传入电机驱动芯片37中，以此使电机转动。调节阀组件ⅠF和调节阀组件ⅡG分别在电机Ⅰ6、电机Ⅱ7的带动下转动，以此进行双向的阻尼调节，使人体的运动更加平稳，此时传感器再次进行信号采集，进入循环，完成一个运动周期。针对不同路况和运动状态，相应的算法可以控制电机改变调节阀组件ⅠF和调节阀组件ⅡG的位置，可使智能阻尼缸进入不同的运动模式，使假肢的穿戴使用更加灵活。

Claims (6)

1.一种气液混合机械关节用智能阻尼缸，其特征在于，由气缸组件(A)、缸体组件(B)、活塞杆组件(C)、电路板Ⅰ(D)、电路板Ⅱ(E)、调节阀组件Ⅰ(F)、调节阀组件Ⅱ(G)、活塞Ⅰ(1)、端盖(2)、金属球Ⅰ(3)、金属球Ⅱ(4)、密封帽(5)、电机Ⅰ(6)、电机Ⅱ(7)、加气阀(8)和底盖(9)组成，其中气缸(A)由吊耳(10)、下管(11)、电机仓Ⅰ(12)、电机仓Ⅱ(13)和气缸(14)组成；所述的缸体组件(B)由缸体(15)、侧油缸Ⅰ(16)和侧油缸Ⅱ(17)组成，缸体(15)上端设有孔(18)，侧油缸Ⅰ(16)内设有油路Ⅰ(21)，油路Ⅰ(21)近下端设有调节阀座Ⅰ(20)；侧油缸Ⅱ(17)上端设有密封口(23)；所述的活塞杆组件(C)由活塞Ⅱ(30)、活塞杆(29)和铰链(28)组成；所述的调节阀组件Ⅰ(F)由调节阀Ⅰ(32)和扇形槽Ⅰ(31)组成；所述的调节阀组件Ⅱ(G)由扇形槽Ⅱ(34)和调节阀Ⅱ(35)组成；所述的电路板Ⅰ(D)和电路板Ⅱ(E)均外接电源输入；气缸组件(A)、缸体组件(B)和活塞杆组件(C)自下而上顺序排列；活塞Ⅰ(1)与气缸组件(A)的气缸(14)内壁滑动连接；活塞杆组件(C)的活塞杆(29)与缸体组件(B)的孔(18)滑动连接；活塞杆组件(C)的活塞Ⅱ(30)与缸体组件(B)的缸体(15)内壁滑动连接；金属球Ⅱ(4)置于缸体组件(B)中侧油缸Ⅱ(17)的密封口(23)内，密封帽(5)固接于密封口(23)上端；金属球Ⅰ(3)置于缸体组件(B)中侧油缸Ⅰ(16)的调节阀座Ⅰ(20)内；电机Ⅰ(6)固接于气缸组件(A)的电机仓Ⅰ(12)内，电机Ⅰ(6)的上端输出轴与调节阀组件Ⅰ(F)中调节阀Ⅰ(32)的下端固接；电机Ⅱ(7)固接于气缸组件(A)的电机仓Ⅱ(13)内，电机Ⅱ(7)的上端输出轴与调节阀组件Ⅱ(G)中调节阀Ⅱ(35)的下端固接；加气阀(8)置于气缸组件(A)的下管(11)内，下管(11)后端与底盖(9)螺纹连接；电路板Ⅰ(D)固接于气缸组件(A)中电机仓Ⅰ(12)的右侧面；电路板Ⅱ(E)固接于气缸组件(A)中电机仓Ⅱ(13)的左侧面；气缸组件(A)的上部与缸体组件(B)的下部固接。
2.根据权利要求1所述的气液混合机械关节用智能阻尼缸，其特征在于，所述的气缸(A)的吊耳(10)设于气缸(14)下端；电机仓Ⅱ(13)和电机仓Ⅰ(12)左右平行排列，并设于气缸(14)后面；下管(11)与气缸(14)连通，开口于气缸(14)下后方。
3.根据权利要求1所述的气液混合机械关节用智能阻尼缸，其特征在于，所述的缸体组件(B)中侧油缸Ⅱ(17)和侧油缸Ⅰ(16)左右平行排列，并固接于缸体(15)后面；侧油缸Ⅰ(16)的油路Ⅰ(21)上端设有与缸体(15)连通的上油口Ⅰ(22)，调节阀座Ⅰ(20)下部设有与缸体(15)连通的下油口Ⅰ(19)；侧油缸Ⅱ(17)内设有油路Ⅱ(25)，油路Ⅱ(25)上端设有与缸体(15)连通的上油口Ⅱ(24)，油路Ⅱ(25)近下端设有调节阀座Ⅱ(26)，调节阀座Ⅱ(26)下部设有与缸体(15)连通的下油口Ⅱ(27)。
4.根据权利要求1所述的气液混合机械关节用智能阻尼缸，其特征在于，所述的活塞杆组件(C)的活塞杆(29)上端与铰链(28)下面固接，活塞杆(29)下端与活塞Ⅱ(30)上面固接。
5.根据权利要求1所述的气液混合机械关节用智能阻尼缸，其特征在于，所述的调节阀组件Ⅰ(F)的扇形槽Ⅰ(31)设于调节阀Ⅰ(32)上端，调节阀Ⅰ(32)下端设有内六角孔Ⅰ(33)；所述的调节阀组件Ⅱ(G)的扇形槽Ⅱ(34)设于调节阀Ⅱ(35)上端，调节阀Ⅱ(35)下端设有内六角孔Ⅱ(36)。
6.根据权利要求1所述的气液混合机械关节用智能阻尼缸，其特征在于，所述的电路板Ⅰ(D)内置电机驱动芯片(37)、电源模块Ⅰ(38)、电源接口Ⅰ(39)及通信接口Ⅰ(40)；所述的电路板Ⅱ(E)内置STM32芯片处理器(41)、惯性传感器IMU(42)、速度传感器模块(43)、压力传感器模块(44)、电源接口Ⅱ(45)及通信接口Ⅱ(46)。
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