TW201634015A - 特別是用於人工膝關節的液壓式阻尼筒 - Google Patents

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Abstract

一種特別是用於人工膝關節的液壓阻尼筒包括外殼、設置在該外殼內並以液壓流體填充的汽缸室、以及設置在該汽缸室內的活塞，該活塞經由被導入該汽缸室的活塞桿而在該汽缸室內移動，其特徵在於，在該殼體(2)內，設置有至少兩個分離的接收室(17、21)，該接收室有不同尺寸，並且經由流體導管被連接到該汽缸室(3)，在活塞移動期間，接收從汽缸室(3)移出的液壓流體，接收室經由隔膜(19、24)而與壓縮腔(20、23)分隔，該壓縮腔以可壓縮流體填充，以形成能量存儲，其中，該相對較大接收室(17)的上游連接有節流閥裝置(27)，該節流閥裝置對流入接收室(17)的液壓流體形成流動阻力，以這樣的方式，取決於該活塞移動的速度，該液壓流體可以被分配到該兩個接收室(17、21)。

Description

特別是用於人工膝關節的液壓式阻尼筒
本發明涉及一種液壓阻尼筒(hydraulic damping cylinder)，特別是用於人工膝關節(prosthetic knee joint)，包括外殼、在該外殼內並以液壓流體(hydraulic fluid)填充的汽缸室(cylinder chamber)、以及配置在該汽缸室內的活塞(piston)，該活塞可經由被導入該汽缸室的活塞桿而在該汽缸室內移動。
該類型的液壓阻尼筒用於例如在人工膝關節是為了抑制屈曲移動，在該人工膝關節的屈曲期間，會類似於人類的關節。該阻尼是純粹流體機械方式，係借著液壓流體自汽缸室經相應地節流閥輸送到接收室(receiving chamber)的流動來實施。
該類型也被稱為阻尼筒，是伸展輔具(aid)的配備。這樣的伸展輔具構成能量存儲，它是在屈曲的過程中補充能量，而在伸展的過程中，也就是說，於人工膝關節被再次拉直時，釋放能量，從而有助於該伸展運動。為了這個目的，已知的阻尼筒必須配備彈簧元件，其構成 能量存儲並在該彎曲過程中形成應力，並且在伸展過程中釋放。在該類型阻尼筒的情況下，然而，該能量存儲是純粹的行程取決，也就是說存儲在彈簧的能量，僅取決於膝關節在多大程度上的彎曲。也就是說，如果不論是快或慢的運動過程中，人工膝關節始終以相同的角度彎曲，而不管義肢佩戴者的行走速度，其所存儲與釋放的能量總是相同的。然而，對於義肢佩戴者而言，有時這是不舒服。這是因為在緩慢行走過程中，由於步頻低，相對少量的伸展幫助就足夠了，然而，在快速行走，由於步頻高，因此更強大的伸展幫助將是必要的。
本發明是基於允許速度取決(speed-dependent)的能量存儲來改進液壓阻尼筒的問題。
為了解決上述問題，根據本發明所提供的，即引言中提到的液壓阻尼筒，也就是，在外殼中，設置至少兩個分離的接收室，其為不同尺寸，並且經由流體導管連接到該汽缸室，在活塞移動期間，接收從該汽缸室移出的液壓流體，該接收室以隔膜(diaphragm)而與壓縮腔(compression chamber)隔開，該壓縮腔以可壓縮性流體填充，以形成能量存儲，其特徵在於，該相對較大接收室的上游(upstream)，有連接節流閥裝置，該節流閥裝置對流入接收室的液壓流體形成流動阻力，以這樣的方式，取決於活塞移動的速度，液壓流體可被分配到兩個接收室中。
根據本發明的阻尼筒是由用於液壓流體的 兩個不同尺寸的接收室加以區別，該液壓流體在活塞移動期間，從汽缸室移出。各接收室是分配給一獨立壓縮腔，該壓縮腔填充可壓縮流體，通常是氣體，例如空氣或氮。該個別接收皺與該個別壓縮室經由彈性隔膜而彼此分隔。因此，如果壓力因為該流入、實質上不可壓縮的液壓流體(通常是油)而積聚在接收室中，由於流入的是，則該隔膜會發生變形，從而不可避免地導致減少壓縮腔的容積，這又導致壓縮包含在壓縮腔內的流體，例如空氣。該可壓縮流體形成能量存儲，並且所存儲的能量在隨後的伸展移動期間再次釋放，以便協助後者。
兩個接收室的尺寸不同，從而可容納不同量的液壓流體。根據相應量的液壓流體現在是供應到哪一個接收室，不同量的能量被存儲在各別的可壓縮流體裡。現在能夠變化液壓流體在兩接收室的分配，節流閥裝置連接在相對較大接收室的上游，其相較於相對較小接收室，不可避免地需要更多的液壓流體流入其中，以能夠存儲類似量的能量。該節流閥裝置對流入相對較大接收室的液壓流體構成設定的流動阻力。
如果現在發生屈曲移動，則液壓流體會被壓出汽缸室。在緩慢運動期間，也就是說，如果液壓流體往接收室的方向的流動速度相對較慢，則流體流首先面對來自節流閥裝置的流動阻力，其次則是較小接收室的隔膜所形成的阻力。在此，節流閥裝置產生的流動阻力最好設定為小於相對較小接收室的隔膜阻力。因此，液壓流體優 先地進入相對較大接收室，並且也會在一定程度上進入相對較小接收室中。分配給相對較大接收室的隔膜受到加載的限制，並且，在相關聯的壓縮腔中，能量在緩慢屈曲移動的期間因為流進的流體的量而存儲，其中，存儲的能量的量因為該接收室的尺寸而相對較低。
如果節流閥裝置產生的流動阻力被設定成稍高，則緩慢屈曲移動期間增加的流體會流入到相對較小接收室中，也就是說，總體而言，更多的能量被存儲。基本上，在非常緩慢運動的情況下，這兩個接收室的壓力應同步地上升。
與此相反，在一個相對較快的屈曲移動的情況下，節流閥裝置的流動阻力高於相對較小接收室中的隔膜阻力。液壓流體通過阻力最小的路徑，優先地，進入相對較小接收室，而不是節流閥裝置。也就是說，由於相對較小接收室的容積沒有特別的大，因此，當隔膜激烈變形時，在壓縮室中的可壓縮流體因強烈壓縮的影響，從而產生一個高能量的輸入或一個大量的能量存儲，其在隨後的伸展過程中額外地輔助運動動作。越快的屈曲移動，越多的液壓流體流入相對較小接收室，因為，如上所述，為速度取決方式，相對於隔膜阻力，節流閥裝置的流動阻力逐漸變得更大。因此，更快的屈曲移動，分配給相對較小接收室中的能量存儲量越大，從而可以在隨後伸展運動期間用於輔助運動動作。
也就是說，屈曲和伸展的阻尼自動和動態 的步態速度適應(gait speed adaptation)(自我適應，auto-adaptivity)實現在流體力學的獨立基礎上。阻尼筒從而適應自我適應的方式與各自的步態速度，並以速度取決方式存儲不同的能量。以這種方式，就可以確保阻尼的最佳設置，從緩慢步行速度(例如2公里/小時)到相對快速步行速度(例如7公里/小時)，無需依速度適應能量回饋來分配。
為了能夠以簡單的方式在殼體形成不同的腔室，在本發明的一個改進中，該汽缸室設置在外殼中形成插入部件。該插入部件不言而喻也可以是多部件形式，首先形成汽缸室。其次，在插入部件和殼體本身之間，以相應的隔膜連接，形成相應的接收室和壓縮腔。
它特別有利的是節流閥的流動橫截面是可調節的，即液壓流體經由節流閥設備的流動阻力是可變化的。以這種方式，它是可以調節速度適應性的等級與該液壓流體對兩個接收室的分佈。例如，如果該節流閥裝置的流動橫截面被設置為相對較大，則需要相對高的屈曲速度，令液壓流體主要流入相對較小接收室中。與此相反，如果流動橫截面相對較小，因此節流閥裝置的流動阻力是較高的，即使在相對較低的屈曲速度的情況下，液壓流體主要部分將流入相對較小接收室。以這種方式，它能夠實現步態速度適應相應於存儲能量的容量。
為了允許調整流動橫截面，節流閥裝置可包含節流閥元件，經由該節流閥元件，通向該接收室的流動通孔的橫截面，並因此最終的管道橫截面，可以變化。 可以因此經簡單的旋入和擰出移動，來執行調整。節流閥元件可以經由一個螺線的方式被引導移動，並且可以通過螺旋運動加以調整，以變化該橫截面。另外，節流閥元件可由設置一塊配有螺紋的裝置方式限制其移動範圍。
節流閥裝置位於汽缸室的基座的區域中，其中，相對較大接收室也設置在圓筒基座的區域中，以便至少部分包圍後者，而相對較小接收室在其上方，特別是在汽缸蓋元件的區域中。接收室因此配置成一個在另一個的上方，並且經由相應的流體導管被連接到汽缸室。
如所描述的，這兩個壓縮腔提供能量存儲能力。基本上可以想像每個壓縮腔被填充有可壓縮的流體，也就是說，例如空氣或一些其它氣體。由於這是一個封閉的系統中，因此，流體不應該逸出。技術人員提供一個再充填設備，或按照義肢佩戴者的舒適性，在壓縮腔施加一定的系統壓力，經由該可逆可關閉的流體供應開口，可壓縮流體可以方便地被填充到壓縮腔。該流體供應開口設置在殼體的外側，並且包括一個對應的填充口，較好的是相關聯的2/2方向閥(directional valve)。這使得該兩個壓縮腔可同時填充，且兩個腔室有相同的填充壓力。
進一步有利的是，如果兩個壓縮腔經由一個止逆閥(check valve)彼此連接，該止逆閥在分配給該相對較大接收室的壓縮腔中存在正壓力下打開。例如在緩慢行走期間，如果因為流動阻力低於分配給相對較小接收室的壓縮腔的隔膜阻力，因此只有填充相對較大接收室，則分 配給相對較大接收室的壓縮腔中的壓力，會隨著漸進屈曲上升。然而，由於該壓縮腔僅能存儲相對較少的能量，這是因為相對較大接收室具有相當大的容積，所以也有可能經由均壓止逆閥發生在其他的壓縮腔，使得能量也存儲在該其他壓縮腔。
將相關聯的壓縮腔與接收室分隔的各別隔膜，較好的是橡膠或塑膠隔膜，具有足夠的靈活性。所謂的隔膜經由相應的緊固部或緊固裝置，密封地固定在殼體側，並且固定至插入組件，如果有設置的話。由於接收室和壓縮腔較好的是圍繞汽缸室運行，因此，個別隔膜也是一個環形組件。
在屈曲過程中，液壓流體供應到接收室的狀況取決於屈曲行程。這是因為在輕度屈曲的情況下，例如達20°或30°的屈曲，它沒有必要存儲過多能量作為援助伸展的能量，因為膝關節是幾乎沒有彎曲。理想的是，它只有在比較大的彎曲角度，且相對較大屈曲行程情況下，尤其是經由相對較小接收室，存儲相對大容量的能量。根據本發明一個有用的改進，在接收室的上游，有連接轉換閥(switching valve)，經由該轉換閥，取決於該活塞或該活塞桿的位置，液壓流體可繞過節流閥裝置或經由節流閥裝置，到達相對較大接收室。屈曲行程直接影響到活塞或活塞桿的位置。根據本發明提供的轉換閥裝置，現在有可能依位置取決(position-dependent)方式令液壓流體被引導到相對較大接收室或繞過節流閥裝置，因此，實際上，是以 無節流的方式或經由節流閥裝置引導到相對較大接收室中。在前者的情況下，液壓流體從汽缸室基本上流向相對較大接收室，該流入物最終是由幾乎沒有流動阻力的壓縮腔隔膜阻力，從相對一側進入相對較大接收室中。該隔膜阻力比相對較小接收室中壓縮腔的隔膜阻力低。也就是說，液壓流體幾乎完全流入相對較大接收室，並且，只有極少能量被存儲在相關聯的壓縮腔內。在進一步的屈曲移動期間，轉換閥被致動，並且液壓流體通過節流閥裝置流動。現在，如上所述的速度取決流體分配開始生效。在緩慢的屈曲速度的情況下，節流閥裝置的流動阻力，如上所述，比分配到相對較小接收室中壓縮腔隔膜的隔膜阻力低。因此，液壓流體優先進入相對較大接收室中。在緩慢移動的情況下，該兩個壓縮腔的壓力幾乎同步升高，此壓力均衡設施包括，接該兩個壓縮腔的止逆閥。然而，在高屈曲速度的情況下，節流閥裝置的流動阻力變得大於相對較小接收室中隔膜的隔膜阻力，並且液壓流體優先地進入相對較小接收室中。隨著速度，產生越來越大的動能存儲在可壓縮流體。在非常快速移動的情況下，節流閥裝置的流動阻力是如此之高，液壓流體幾乎完全進入相對較小接收室中。
因此，使用轉換閥，無論是行程取決或速度取決都得以實施。
轉換閥包括立柱(stanchion)，其位於汽缸基座且與活塞和活塞桿接合和連通，經由汽缸室上的通孔， 使得液壓流體可以經由立柱供進入相對較大汽缸室，直至該通孔被沿汽缸基座方向移動或是活塞桿上的活塞關閉為止，此後液壓流體經由節流閥裝置流動。轉換閥是2/2方向閥的形式。根據活塞或活塞桿的位置，從而根據不同的彎曲角度，液壓流體可以經由立柱、或直接繞過節流閥裝置、或經由節流閥裝置流入相對較大接收室。在相對較小屈曲角度的情況下，液壓流體幾乎無阻力地通過該立柱進入相對較大接收室中。與此相反，在相對較大屈曲角度的情況下，通向內部的該立柱通孔由活塞或活塞桿關閉，使得該液壓流體必然通過節流閥裝置，進入相對較大接收室。
節流閥元件適當地接合到該立柱，其中，該流動通孔係形成在立柱上，該流動橫截面可通過該節流閥元件來變化。該節流閥元件的位置可優先由螺桿運動的方式變化，並且是由殼體中的螺紋來引導，從下方伸展到立柱。該節流閥元件較好的是靠在該立柱的內側。流動通孔設置在立柱上，使得該流動通孔開口更大或更小，取決於節流閥元件的位置。流入立柱的液壓流體可軸向流動通過節流閥元件，而為此目的，節流閥元件有一個或多個相應的通道通孔，使得幾乎不受阻礙流入相對較大接收室是可能的。
在本發明的一個改進中，它可以提供的是在沿汽缸基座方向移動期間，在活塞上設置可開啟的止逆閥，其中，該汽缸室位於活塞的下方的部分可以被連接到其位於活塞的上方的汽缸室。通過該止逆閥裝置，該活塞 有可能從活塞桿液壓分離。在屈曲移動期間，活塞桿突出逐步進入汽缸室。通過止逆閥的裝置，現在有可能令液壓流體從下方汽缸室部分流入上方汽缸室部分。那就是說，在屈曲移動期間，活塞不構成位移元件。液壓流體從汽缸室內移出的量，完全取決於該活塞桿伸入汽缸室的程度，也就是說，活塞桿單獨構成位移元件。
為形成止逆閥，密封環設置於活塞桿周圍，而通孔設置在該活塞上由密封環接合。當活塞桿並因此汽缸室內的活塞下推時，密封環從其基座升起至活塞上，在該基座中，該密封環封閉了通孔。在相反方向的移動期間，該密封環安裝在活塞上，以便封閉該通孔，使得該止逆閥關閉。
在伸展移動期間，如上所述，活塞和活塞桿再次沿汽缸蓋元件的方向移動。此時，位於活塞上方的汽缸室部的尺寸縮減。該被強制返回出接收室的液壓流體流入位於活塞下方的汽缸室部。要排出必須從上汽缸室部(其尺寸縮減)移出的油，在本發明的一個改進中，必須提供節流閥，經由該節流閥，位於活塞下面的汽缸室的部件可與其位於活塞上方的汽缸室的部件連通，在活塞沿汽缸蓋元件方向移動期間，經由該節流閥，液壓流體自活塞上方的部件流入活塞下方的部件，直到該節流閥關閉，於此同時，到達活塞設定位置。經由該節流閥，得以實施阻尼伸展移動，因為該活塞桿拉出該汽缸室的速度是受到流體流過該節流閥的影響。該流體流動有可能達到例如15°的 關節彎曲；節流閥接著關閉，並且該二汽缸室部件彼此再次分離。如果未提供進一步的液壓流體排放的相應手段，則進一步的移動幾乎不可能。此時，節流閥可以被設計，使得流動橫截面逐漸減小到零，也就是不是突然變零，使得在一定程度內的移動阻尼可在伸展移動中達成。
在本發明的一個改進中，該節流閥可方便地包括凹槽及通孔，該凹槽沿該立柱運行，而該通孔形成在在活塞上或活塞桿上，當節流閥開啟時，該通孔連通該凹槽與該該汽缸室的上部件。經由該通孔，液壓流體有可能從上方汽缸室部(其尺寸縮減)，流入設置在立柱上的凹槽，並傳遞到下方汽缸室部。如果該凹槽接著在其上端逐漸縮小，則上述阻尼設施可以實施，因為當活塞桿逐漸拉出時，該節流閥流動橫截面會逐漸減小。
如上所述，如果它是尋求實施端部位置阻尼，即如果是因此尋求活塞或活塞桿阻尼及可移動至預設端部位置而不會突然衝擊，本發明提供至少一個可調節節流閥的配置，經由該可調節節流閥，液壓流體導管(其連接位於相對較小接收室的活塞上方的汽缸室部分)的流動橫截面可以變化。該可調節節流閥設定液壓流體導管非常小的流動橫截面，以使得極少量的液壓流體可進入相對較小接收室，以從該相對較小接收室流入位於活塞下方的該汽缸室部分。由於小流量的橫截面，因此進一步伸展移動盡可能充分伸展因此產生強烈阻尼，使得該機械元件非常緩慢地移到端部位置。
該可調節節流閥可以包括位於殼體的節流螺釘，借助於該節流螺釘，液壓流體導管的橫截面可以變化。較好的是，可以設置兩個可調節節流閥，其中，可調節節流閥被固定，特別是密封在固定位置，以便設定一個最小的貫流(throughflow)。根據該義肢的佩戴者的舒適度，技術人員可經由第一可調節節流閥，調整端部位置阻尼，即藉由節流螺釘的螺紋運動調整，變化液壓流體導管的流動橫截面。為防止在無意中完全關閉流動橫截面，導致沒有進一步的移動，也就是說造成汽缸的效果受到阻礙，設置第二可調節節流閥，它設定了一個最小貫流，並且是固定在固定位置並不能由技術員或用戶致動。
如上所述，在阻尼筒中，液壓流體的交換發生在汽缸室和接收室之間。在屈曲移動期間，液壓流體被強制進入該接收室，並且在伸展移動時，該液壓流體流出接收室。雖然不是必要，但該迴路最好包括液壓流體存儲。為形成該類型的液壓流體存儲，較好的是，額外的接收室用於接納液壓流體，在活塞沿汽缸蓋元件的方向的移動期間，液壓流體來自相對較大接收室。該額外的接收室較好的是在活塞桿的內部，並且經由止逆閥連接至該立柱的內部，該止逆閥在移動期間，會因為液壓流體從相對較大接收室流入立柱而形成的液壓流體壓力而開啟。活塞桿側接收室因此在伸展移動期間被填充，但該接收室則在屈曲移動期間被清空。
允許以簡單的方式清空，可以在立柱上方 便地提供至少一個通孔，其設置在該止逆閥的區域或上方，並且在該通孔處，有凹槽開出，該凹槽係形成在該立柱的外側上，並且向汽缸底部的方向伸展。在屈曲過程期間，當活塞桿伸入汽缸室，並因此穿過立柱時，在活塞桿內部必定發生接收室的容積減少。液壓流體不能流過阻塞的止逆閥。取而代之的是，該液壓流體流過設置在立柱中的一個或多個通孔，並繞過止逆閥，而進入形成於立柱外側上的對應凹槽，該液壓流體可經由該凹槽而流入下方汽缸室部，無關該止逆閥或立柱與活塞桿的相對位置。較好的是兩彼此相對的通孔和相應的彼此相對的凹槽。
除了阻尼筒本身，本發明還涉及一種人工膝關節，其包括上述類型的阻尼筒。
1‧‧‧液壓阻尼筒
2‧‧‧殼體
3‧‧‧汽缸室
3a‧‧‧下方汽缸室部
3b‧‧‧上方汽缸室部
4‧‧‧插入部件
5‧‧‧汽缸基座
6‧‧‧組件體
7‧‧‧汽缸蓋元件
8‧‧‧活塞
9‧‧‧活塞桿
10‧‧‧立柱
11‧‧‧止逆閥
12‧‧‧通孔
13‧‧‧密封環
14‧‧‧節流閥
15‧‧‧通孔
16‧‧‧凹槽
17‧‧‧相對較大接收室
18‧‧‧流體導管
19‧‧‧隔膜
20‧‧‧第一壓縮腔
21‧‧‧相對較小接收室
22‧‧‧液壓管道
23‧‧‧第二壓縮腔
24‧‧‧柔性隔膜
25‧‧‧流體供應口
26‧‧‧止逆閥
27‧‧‧節流閥裝置
28‧‧‧節流閥元件
29‧‧‧流動通孔
30‧‧‧縱向通孔
31‧‧‧轉換閥
32‧‧‧通孔
33‧‧‧附加接收室
34‧‧‧止逆閥
35‧‧‧通孔
36‧‧‧凹槽
37‧‧‧可調節節流閥
38‧‧‧螺紋螺釘
39‧‧‧流體導管
40‧‧‧柱塞
41‧‧‧彈性環
43‧‧‧套筒
44‧‧‧通孔
45‧‧‧凹槽
本發明的進一步優點和細節，會從以下示例性實施例的描述及附圖中顯現，其中：第1圖示出根據本發明的液壓阻尼筒剖視圖，第2圖示出了液壓和氣動的電路方塊圖，第3圖示出了第1圖的阻尼筒局部視圖，用於說明接收和壓縮腔，第4圖示出對應於第3圖於屈曲移動開始時的圖式，其中，轉換閥係開啟，第5圖示出對應於第4圖於持續、緩慢的屈曲移動期間的圖式，其中，轉換閥係關閉， 第6圖示出對應於第4圖於快速屈曲移動期間的圖式，其中，轉換閥係關閉，第7圖示出自第6圖持續進行，伸展移動開始的圖式，第8圖示出了持續伸展移動期間，以及鄰接對抗端部擋塊的圖式，以及第9圖示出了阻尼筒的立柱側視圖，用於說明通孔和外部凹槽。
第1圖示出了根據本發明適於人工膝關節的液壓阻尼筒1。該液壓阻尼筒包括殼體2，在其內部設置有插入部件4，插入部件4具有汽缸室3。該插入部件4為多部件形式，並且包括汽缸基座5和組件體6，其在徑向封閉了汽缸室3。在頂側，汽缸室3經由被固定在殼體上的汽缸蓋元件7封閉。
在該汽缸室3的內部，提供了被連接到活塞桿的活塞8。活塞8和活塞桿9圍繞立柱10運行或接合，其被固定到汽缸基座5。活塞8將汽缸室3劃分成下方汽缸室部3a和上方汽缸室部3b。在活塞和活塞桿，提供了止逆閥11，這是以活塞上的通孔12和設置在活塞桿上的密封環13的方式實施的。活塞向汽缸基座5的方向移動時止逆閥11打開。在反向運動情況下該止逆閥關閉。此外，設置節流閥14，其包括通孔15及凹槽16，通孔15設置在活塞桿上，而凹槽16則沿該立柱的外側設置，並在向上的方向漸縮，參見第1圖。
殼體2和插入部件4之間形成各種接收和壓縮腔。首先，設置相對較大接收室17，其在汽缸基座5的區域且擴張成環形方式圍繞插入部件4。有一個或多個連通汽缸室3的流體導管18，自由出入該相對較大接收室。相對較大接收室17經由隔膜19而與第一壓縮腔20分離。壓縮腔20容納可壓縮流體，例如空氣或一些其它氣體。由於位於汽缸室3中的液壓流體流入接收室17，柔性隔膜19(其為橡膠或塑膠隔膜)因此變形，並且使壓縮腔20的容積減小。這是與可壓縮流體的壓縮相關，因此，可以存儲能量。
在汽缸上方端部的區域，設置相對較小接收室21。接收室21由一個或多個液壓管道22與汽缸室3連接，該接收室配有第二壓縮腔23，這是同樣地經由柔性隔膜24而與接收室21分離。隔膜24由套筒43接合，其上有通孔44，經此液壓流體作用於隔膜24。另外，在該壓縮腔23有可壓縮流體，例如空氣或氣體。接收室21比接收室17小。隔膜24也有可能比隔膜19略硬，並且因此具有更高的隔膜阻力。當液壓流體從汽缸室3輸送到接收室21時，同樣情況出現，也就是壓力使隔膜24變形，並且因此減少壓縮腔容積和壓縮位於那裡的流體。同樣通過這種方式，在可壓縮流體存儲能量。
壓縮腔20和23可經由流體供應口25填充可壓縮流體。流體供給25是填充口，具有2/2方向閥。還提供了止逆閥26，當壓縮腔20相對於壓縮腔23為正壓力 時，其允許壓力均衡。而且，壓縮腔20和23及接收室21和17成環形方式圍繞插入部件4運行，而隔膜19和24也是相應地環狀部件。
還提供了節流閥裝置27，包含節流閥元件28，其在殼體2或立柱10上經螺紋連接並可調整。如第1圖所示，該節流閥元件接合到立柱10。節流閥裝置27還包括流動通孔29，其形成在立柱10上，且其流動橫截面因節流閥28的位置相應地變化。經由節流閥裝置27，有可能調節相對較大接收室17的自由流動橫截面，因此當液壓流體由汽缸室3流向接收室17時，可設定可變流動阻力。
節流閥元件28具有多個縱向通孔30，它使流入立柱10內部的液壓流體流入接收室17，同時繞過節流閥本身，也就是說在這種情況下，流動通孔29橫截面流量減小。
為了使液壓流體可流入立柱10中，或經由節流閥裝置27或流動通孔29或繞道來切換流體流動是可能的，轉換閥31包括立柱10及形成於立柱10的通孔32，當活塞8上升(也就是說，活塞8或活塞桿9位於該通孔32之上)時露出該通孔。在這種情況下，當該活塞或活塞桿位置到達某一地點時，活塞桿9封閉通孔32。只要該通孔仍然是開放的，液壓流體可以從汽缸室3流到立柱10，並經由縱向通孔30流體流入接收室17，繞過節流閥27本身是可能的。當通孔32關閉時，轉換閥31關閉。繼續下降移動期間，液壓流體只能通過節流閥裝置27或流通孔 29流入接收室17，其有相應的流動阻力。
另為液壓流體提供附加接收室33。該接收室33存在於活塞桿9內部。液壓流體經由整合在立柱10的止逆閥34通入該接收室33。該止逆閥34於活塞桿9拉出汽缸室3時打開。在這種情況下，如將在下面所討論的，液壓流體流出該接收室17到立柱10並打開止逆閥34。在相對移動中，液壓流體可以流出該接收室33到下方汽缸室部3a，由於在立柱10-第9圖-設置有相對的通孔35，其為該止逆閥34的區域。兩個彼此相對位於立柱10外側的是兩縱向延展的凹槽36開在通孔35。因此，當活塞桿9被向下推時，接收室33尺寸變小。其中的液壓流體通過通孔35和凹槽36進入下方汽缸室部3a。
最後，兩個可調節節流閥37設置在汽缸蓋元件7上，其通過相應的螺紋螺釘38來實施。通過這些裝置，相關聯的流體導管39(其連接上方汽缸室部分3b到相對較小接收室21)的流動橫截面是可調整的。以這種方式，實施端部位置阻尼，這將在下面更詳細地討論。兩個可調節節流閥37的其中一者可以由技術人員進行調整。為了這個目的，它僅僅是必要的螺紋螺釘可以相應地擰入或擰出。其他可調節節流閥37是可調節，其在工廠固定在適當位置，以使得最小貫流始終存在，以防止關節無法傳遞到完全伸展的位置的情況。
第2圖示出第1圖內阻尼筒1的對應電路方塊圖，此圖顯示了主液壓和氣動元件。示出在汽缸側是汽 缸室3、活塞8和活塞桿9。還示出兩個接收室17和21，與它們相關的壓縮腔20和23屬於該氣動系統，用於分離的隔膜19和24。還顯示了被置在流入相對較大接收室17的節流閥裝置27，而設置在流入相對較小接收室21的該類型或類似的節流閥則沒有示出。
以舉例的方式，示出可調節節流閥37，還有活塞側止逆閥11和節流閥14，通過該閥的上方和下方汽缸室部3a，3b可以彼此連通，其取決於活塞8或活塞桿9的移動方向。
也示出重要的轉換閥31，經由轉換閥31，有可能繞過(bypass)節流閥裝置27，取決於活塞/活塞桿位置。
還示出氣動部分(如圖所示點劃線)，其包括已描述的壓縮腔20和23、及流體供給開口25，也就是在已經描述的2/2方向閥填充口。最後還示出了止逆閥26，由第1圖中所示的柱塞40形成，其示出的例子是彈簧加載對抗兩個彈性環41，其形成開啟阻力。
要在液壓側和氣動側之間進行區別。液壓側包括所有充滿液壓油的腔體。有汽缸室3中所有的液壓流體管道，接收室17和21，立柱10的內部和活塞桿9的內部，也就是附加接收室33。所謂液壓流體通常使用油狀物。
氣動側包括兩個壓縮腔20和23與流體供應開口的區域，如果是後者則尚未視為壓縮腔20。該氣動區 域填充有可壓縮流體，如已描述部分，通常是空氣或一些其它氣體。
以舉例的方式，在第3圖來自第1圖的阻尼筒1局部視圖中，填充有液壓流體的區域被相應地以液滴符號表示，而填充有可壓縮流體的區域被相應地由點表示。雖然沒有任何更詳細地所示，液壓流體是不言而喻也存在於活塞桿9的內部(其全部未示出)。
阻尼筒1的功能原理將以第4-8圖為基礎來描述。壓縮腔20和23都經由流體供給裝置25填充有可壓縮流體。兩者大多具有相同的壓力，因為能夠通過止逆閥26維持均衡。在活塞的運動方向是由相應的箭頭，其向上或向下指向的方式來表示。液壓流體由虛線箭頭線指出流向，其特徵在於，相對寬的箭頭線表示比相對細的箭頭線更大的流體流動。
第4圖示出了阻尼筒的局部視圖，其中的活塞8和活塞桿9是位於該端部的拉出位置。其中安裝阻尼筒1的人工膝關節因此被伸展。義肢佩戴者現在開始彎曲人工膝關節，即啟動屈曲。此令活塞桿9推入到汽缸室3。同時間，活塞8是不言而喻也向汽缸底部5移動。該移動的方向在第4圖由兩個粗箭頭顯示向下移動。在該移動期間，止逆閥11打開，即密封環13被提升出其密封座，以對抗活塞8且通孔12是開放的。活塞8因此從活塞桿9被液壓分離。即突出到汽缸室3中的唯一的移位元件是活塞桿9。該突出的活塞桿9使液壓流體流動。液壓流體流 入相應的接收室17和21，將在下面更詳細地描述。
在屈曲移動開始時，轉換閥31是開放的，即通孔32不因活塞桿9而封閉。如相對寬的虛線箭頭線所示，液壓流體流入立柱10的內部。該液壓流體流過該節流閥元件28的縱向通孔30，從而傳遞到接收室17，同時繞過節流閥27本身，即該設定流動橫截面的流通孔29。因此，存在流動繞過節流閥27，該液壓流體不承受任何顯著流動阻力。
液壓流體大部分流入相對較大接收室17。相對較小部分流入相對較小接收室21，如圖由虛線所示，相對細的流動箭頭。這是因為隔膜抵抗該液壓流體通過，柔性隔膜24承受的隔膜阻力比隔膜19大。在這種情況下節流閥裝置27沒有流動阻力，該節流閥裝置被繞過。由於這個原因，由於主要流體流傳遞到相對較大接收室17，相應的流動箭頭也比通向相對較小接收室21的流動箭頭來得寬。
該流動繞過節流閥裝置27是可能的，僅就一定程度的屈曲，例如到30°的程度。高達30°的彎曲，這是因此該液壓流體不承受任何顯著流動阻力的情況下，流入較大接收室17，從而液壓流體流動是取決於該屈曲的速度。
然而，在此描述的例子中，參見第5圖，當屈曲超過30°，因為活塞桿9的移動更深入汽缸室3，因此使得轉換閥31關閉，即通孔32被關閉。液壓流體進一步 流入立柱的內部是不可能的，並且液壓流體必須通過節流閥裝置27流動，也就是通過流動通孔29，進入相對較大接收室17。此時，即在通孔32即將閉合時，速率取決適應生效。這是因為，從該時間點向前，被迫離開汽缸室3的液壓流體的分配取決於屈曲移動的速度。
第5圖示出了屈曲移動緩慢發生的情況。從所描述的30度屈曲開始，液壓流體的流動只能依據到分配給相對較小接收室21的隔膜24的相對較高隔膜阻力，或依據節流閥裝置27的流動阻力。在相對較低的屈曲速度的情況下，節流閥裝置27的流動阻力比該相對較小接收室的隔膜24的隔膜阻力低。因此，液壓流體優先流入相對較大接收室17。通過這種方式，當壓力上升，隔膜19的變形時，在較低壓縮腔20的壓力略有增加。只有少量流入相對較小接收室21，如虛線箭頭流線所示，其有不同的寬度。在此情況下，該壓縮腔20比壓縮腔23的壓力高，而壓力均衡可經由止逆閥26來進行。
節流閥裝置27進一步閉合時，即節流閥裝置27的流動阻力進一步隨之增加，依節流或流動阻力和隔膜阻力的比率變化，更多的液壓流體流入相對較小接收室21。然而，當更多的液壓流體流入相對較小接收室21中，就有更多的能量被存儲在壓縮腔23的可壓縮流體中，其能量可以隨後被用於伸展運動。在非常慢的屈曲移動的情況下，在17和21這兩個接收室的壓力增加幾乎同步增加，使得-由於結合壓力平衡設施通過止逆閥26-一個類似 的壓力，在壓縮腔20和23佔優勢。
與此相反，第6圖示出的情況，當屈曲發生得很快、或非常快時，轉換閥31關閉。在一個很快的屈曲速度的情況下，即活塞桿9是高速-活塞8是從活塞桿9液壓分離的唯一移位元件-凸出，節流閥裝置27的流動阻力比相對較小接收室21的隔膜24的隔膜阻力大得多。因此，在速率取決和提速的情況下，流入相對較小接收室21的液壓流體，比經由節流閥裝置27流入到相對較大接收室17的部分變得逐漸增大。隔膜24的強烈變形，令壓縮腔23中的可壓縮流體被強烈壓迫。這導致高能量輸入，即大量能量被存儲在可壓縮流體中。因為止逆閥在該方向關閉，此情況下壓縮腔20和23之間的壓力均衡是不可能的。在一個非常快的屈曲移動情況下，節流閥裝置27的流動阻力是如此之高，使得液壓流體幾乎完全進入相對較小接收室21，流入相對較小接收室21在任何時候都是可能的，即使當活塞8向下進一步移動超過該流體管22，液壓流體總是經由凹槽45傳遞到流體管22，其設置在插入部4的內側及開口在流體導管22。
因此，可明顯看出，屈曲速度決定了液壓流體在兩個接收室17和21的分佈，而能量最終可以存儲用於後續伸展移動。屈曲速度越高，存儲在壓縮腔內可壓縮流體的能量就越大，特別是在壓縮腔23，反之亦然。
因為屈曲(即關節的彎曲)令液壓流體移出汽缸室3，直到結束為止。隨後的伸展，也就是關節的伸 直。在第7圖中，顯示在伸展運動開始時的情況。
伸展移動期間，活塞桿9與活塞8被再次拉出汽缸室3，這些向上移動，如第7圖所示，以兩個移動箭頭來說明。
如第7圖所示的情況，在伸展移動開始時昇高，並跟據前述緩慢屈曲，兩個壓縮腔20和23中的壓力已經均勻地提高並相等。在這種情況下，先前移動的液壓流體從兩個接收室17、21回流到汽缸室3，或者在此例中，到下液壓缸腔部分3a。此由相應的虛箭頭流線示出。該返回流在每種情況下，被壓縮腔20的壓縮壓縮驅動，特別是23。如果，緩慢屈曲期間，兩個壓縮腔20和23的壓力大致相等，只提供低水準的伸展支援。
如果，在發生快速屈曲以前，兩個壓縮腔之間有壓力差存在，根據不同的屈曲移動，其中壓力差可能是至數巴(bar)至數10巴。越多液壓流體流入相對較小接收室21中，存儲在壓縮腔23的能量就越多，此能量可以回收。柔性隔膜24以高壓對抗液壓流體並將後者自相對較小接收室21推向汽缸室3。更大的該返回流，或更高的該返回流壓力，是伸展運動期間更強烈的輔助力，也就是說在伸展運動開始時有更大的角加速度。來自相對較小接收室的流體因高壓回流至汽缸室部3a，但該流體由於壓力差，會經由節流閥裝置27進入大接收室，因此後者進一步填充，在這種情況下，相關聯的壓縮腔20的壓力會輕微的增加。這就是說，在此情況下-通過對比第7圖所示的情 況-低流量箭頭指向相對較大接收室17。這將持續到壓力均衡為止。其後，伸展運動繼續，液壓流體從兩個接收室進入汽缸室部3a，如第7圖所示，然後伸展援助取決於仍然存儲在兩個壓縮腔20和23中的剩餘殘餘能量。
如第7圖所示，與之前一樣節流閥14打開，通孔15仍位於相鄰的凹槽16。這也就是說液壓流體可以從上方汽缸室3b流出，其尺寸減小是由於活塞桿和活塞的抽拉動作，經由該節流閥14進入下方汽缸室3a。與之前一樣，活塞8和活塞桿9因液壓而彼此分離，反之而言，活塞桿表面是唯一的位移元件。與此同時，因為液壓流體從相對較大接收室17中，通過節流閥元件28或縱向通孔30流入立柱10內部，如第7圖所示，且由於轉換閥31和以前一樣關閉，立柱內部的壓力增加。止逆閥34在壓力的作用下打開，使得液壓流體也可以流入活塞桿9中附加的接收室33。止逆閥11在整個伸展運動時閉合。
根據存儲的能量，快速的伸展運動或劇烈運動，能夠由回收能量作為支援。此情況持續到節流閥14被打開。如所描述的，凹槽16連續但逐漸地緩慢變小，即在其上端的區域縮小到零。現在，當活塞桿9已被抽拉到足夠的程度，該通孔15的流動橫截面也慢慢關閉，當到達特定位置，例如15°的彎曲，節流閥14關閉。在進一步的運動中，兩個運動箭頭如第8圖所示，此時液壓流體必需流出汽缸室3b，其容積在繼續減小，或位於活塞8上方的殘留容積仍保持流出，通過兩個可調節節流閥37進入相對 較小接收室21，再經由後者到下方汽缸室部3a。由於節流閥14和止逆閥11現已關閉，活塞8和活塞桿9現在液壓連接，即液壓有效表面積現在還包括活塞表面積。
如楔形凹槽16，如果伸展運動已經有端阻尼，因為通孔15的自由流動橫截面緩慢地關閉，則端部位置阻尼由可調節節流閥37實現。因為可調節節流閥37只許可極小貫流，使得活塞8在其端部位置做小且強烈的阻尼運動是可能的。如所描述的，可調節節流閥37中的一個被固定在適當位置，並確保最小的貫流，而另一個為了設定端部位置阻尼可以進行調整。
當達到端部位置時，伸展移動就完成了。這之後是另一屈曲移動，其情況如第4圖，及活塞8與活塞桿9一起向下運動。
當該移動開始時，該液壓流體按描述的方式移出汽缸室3一次。同一時間，液壓流體還經附加的接收室33輸送到下方汽缸室部3a。液壓流體向下流過通孔35，它清楚地顯示特別是在第9圖，其中兩個彼此相對，並通過縱向凹槽36，其未在此示出，但也可以從第9圖中看到，其進入下方汽缸室部3a。
1‧‧‧液壓阻尼筒
2‧‧‧殼體
3‧‧‧汽缸室
3a‧‧‧下方汽缸室部
3b‧‧‧上方汽缸室部
4‧‧‧插入部件
5‧‧‧汽缸基座
6‧‧‧組件體
7‧‧‧汽缸蓋元件
8‧‧‧活塞
9‧‧‧活塞桿
10‧‧‧立柱
11‧‧‧止逆閥
12‧‧‧通孔
13‧‧‧密封環
14‧‧‧節流閥
15‧‧‧通孔
16‧‧‧凹槽
17‧‧‧相對較大接收室
18‧‧‧流體導管
19‧‧‧隔膜
20‧‧‧第一壓縮腔
21‧‧‧相對較小接收室
22‧‧‧液壓管道
23‧‧‧第二壓縮腔
24‧‧‧柔性隔膜
25‧‧‧流體供應口
26‧‧‧止逆閥
27‧‧‧節流閥裝置
28‧‧‧節流閥元件
29‧‧‧流動通孔
30‧‧‧縱向通孔
31‧‧‧轉換閥
32‧‧‧通孔
33‧‧‧附加接收室
34‧‧‧止逆閥
37‧‧‧可調節節流閥
38‧‧‧螺紋螺釘
39‧‧‧流體導管
40‧‧‧柱塞
41‧‧‧彈性環
43‧‧‧套筒
44‧‧‧通孔
45‧‧‧凹槽

Claims (22)

  1. 液壓阻尼筒，特別是用於人工膝關節，包括外殼、設置在該外殼內且以液壓流體填充的汽缸室、以及設置在該汽缸室內的活塞，該活塞可以經由被導入該汽缸室內的活塞桿於該汽缸室內移動，其特徵在於，於該殼體(2)內，有設置至少兩個分離的接收室(17、21)，該接收室具有不同尺寸，並且經由流體導管被連接到該汽缸室(3)，以在活塞移動期間，接收從該汽缸室(3)移出的液壓流體，接收室經由隔膜(19、24)而與壓縮腔(20、23)分隔，該壓縮腔以壓縮流體填充，以形成能量存儲，其中，該相對較大接收室(17)的上游連接有節流閥裝置(27)，該節流閥裝置對流入該接收室(17)的該液壓流體形成流動阻力，以這樣的方式，取決於該活塞移動的速度，該液壓流體可以被分配到該兩個接收室(17、21)。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的阻尼筒，其中，該汽缸室(3)是由配置在該殼體內的插入部件(4)所形成。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述的阻尼筒，其中，該節流閥裝置(27)的流動橫截面是可調節的。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的阻尼筒，其中，該節流閥裝置(27)包括可調節的節流閥元件(28)，通往該接收室(17)的流動通孔(29)的橫截面經由該節流閥元件可以變化。
  5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項所述的阻尼筒， 其中，該節流閥裝置(27)係設置在該汽缸室(3)的基座(5)的區域，其中，該相對較大接收室(17)也設置在該基座(5)的該區域，以至少包圍該基座的部分區段，而該相對較小接收室(21)係設置於其上方，特別是在汽缸蓋元件(7)的區域。
  6. 如申請專利範圍第1至5項中任一項所述的阻尼筒，其中，設置可關閉的可逆流體供應開口(25)，可壓縮流體可以經由該開口從壓縮腔(20、23)流入或排出。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的阻尼筒，其中，該兩個壓縮腔(20、23)經由止逆閥(26)而彼此連接，該止逆閥在該壓縮腔(20)中出現正壓力下打開，該正壓力係分配給該相對較大接收室(17)。
  8. 如申請專利範圍第1至7項中任一項所述的阻尼筒，其中，該個別隔膜(19、24)是橡膠或塑膠隔膜。
  9. 如申請專利範圍第1至8項中任一項所述的阻尼筒，其中，該接收室(17、21)的上游連接著轉換閥(31)，取決於該活塞(8)或該活塞桿(9)的位置，該液壓流體流可經由該轉換閥被供給到該相對較大接收室(17)，而繞過該節流閥裝置(27)或通過該節流閥裝置(27)。
  10. 如申請專利範圍第1至9項中任一項所述的阻尼筒，其中，該轉換閥(31)包括立柱(10)，該立柱立於汽缸基座(5)上且與該活塞(8)和該活塞桿(9)接合，並經由通孔(32)與該汽缸室(3)連通，使得液壓流體可以通過該立柱(10)進入該相對較大接收室(17)，直到該通孔(32)被往 該汽缸基座(5)的方向移動的該活塞(8)或該活塞桿(9)關閉為止，此後該液壓流體經由該節流閥裝置(27)流動。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的阻尼筒，其中，該節流閥元件(28)接合到該立柱(10)，且該流動通孔(29)在該立柱(10)內形成。
  12. 如申請專利範圍第1至11項中任一項所述的阻尼筒，其中，在該活塞(8)上有設置逆止閥(11)，該逆止閥於往該汽缸基座(5)的方向移動期間打開，並且經由該逆止閥，該汽缸室(3)位於該活塞(8)的下方的那部分(3a)，可連接到該汽缸室(3)位於該活塞(8)的上方的那部分(3b)。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的阻尼筒，其中，該止逆閥(11)包括密封環(13)和通孔(12)，該接合該活塞桿(9)周圍，而該通孔係設置在該活塞(8)上，並且與該密封環(13)接合。
  14. 如申請專利範圍第1至13項中任一項所述的阻尼筒，其中，設置節流閥(14)，該汽缸室(3)位於該活塞(8)的下方的那部分(3a)，經由該節流閥(14)與該汽缸室(3)位於該活塞(8)的上方的那部分(3b)連通，在該活塞(8)往該汽缸蓋元件(7)的方向的移動的期間中，液壓流體經由該節流閥從位於該活塞(8)的上方的該部分(3b)流入位於下方的該部分(3a)，直到當設定的活塞位置到達時該節流閥關閉為止。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的阻尼筒，其中，該節流閥(14)包括凹槽(16)和通孔(15)，該凹槽走向沿該立柱(10)，該通孔在該活塞上或該活塞桿上)，當節流閥(14)打開時，該通孔與該凹槽(16)及與該汽缸室(3)的上部分(3b)連通。
  16. 如申請專利範圍第1至15項中任一項所述的阻尼筒，其中，設置至少一個可調節節流閥(37)，經由該可調節節流閥，液壓流體導管(39)的流動橫截面可以變化，該液壓流體導管將該汽缸室(3)位於該活塞(8)的上方的那部分(3b)連接至該相對較小接收室(21)。
  17. 如申請專利範圍第16項所述的阻尼筒，其中，該可調節節流閥(37)包括節流螺釘(38)，該螺釘藉由螺線而在該外殼(2)內而被可移動地導引，經由該節流螺釘，該液壓流體導管(39)的該流動橫截面可以變化。
  18. 如申請專利範圍第16或17項所述的阻尼筒，其中，設置第二可調節節流閥(37)，該第二可調節節流閥被固定，特別是密封在固定位置上，以便設定最小貫流。
  19. 如申請專利範圍第1至18項中任一項所述的阻尼筒，其中，設置附加接收室(33)，以使液壓流體在該活塞(8)往該汽缸蓋元件的方向(7)移動期間，自該相對較大接收室(17)回流。
  20. 如申請專利範圍第19項所述的阻尼筒，其中，該附加接收室(33)設置在該活塞桿(9)的內部，該內部經由止逆閥(34)連接到該立柱(10)的內部，該止逆閥(34)在該移 動期間，因該液壓流體從該相對較大接收室(17)流入該立柱(10)引起的該液壓流體壓力而打開。
  21. 如申請專利範圍第20項所述的阻尼筒，其中，在該立柱(10)上有設置至少一個通孔(35)，該通孔被配置在該止逆閥(34)的區域或上方，並且凹槽(36)在該通孔處打開，該凹槽係形成在該立柱(10)的的外側，並且往該汽缸基座(5)的方向延伸。
  22. 一種人工膝關節，其包括如申請專利範圍第1至21項中任一項所述的阻尼筒(1)。
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